賈志峰，朱紅艷，易 秀

1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院，西安 710054；(3. 長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；4.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048)

在半濕潤(rùn)易旱區(qū)，降雨集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水埋藏較深，土壤水成為了植物賴以生存的重要水源[1,2]。開(kāi)展半濕潤(rùn)易旱區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化研究，是該區(qū)水循環(huán)研究的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)，對(duì)深入了解半濕潤(rùn)易旱區(qū)水文生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義[3,4]。

近年來(lái)，土壤水分的研究發(fā)展迅速，其研究手段主要基于烘干法、中子法及傳感器法[5-12]。其中，烘干法干擾了土壤水分運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，中子法及傳感器法主要為人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度較低，監(jiān)測(cè)頻率低，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能夠反映該地區(qū)土壤水分的微觀變化。本文在陜西關(guān)中盆地的三原縣選擇試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)地面以下0～500 cm土層水分進(jìn)行原位、定點(diǎn)長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)，分析其時(shí)空變化特征，以促進(jìn)半濕潤(rùn)易旱區(qū)土壤水分研究的進(jìn)一步深入。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在三原試驗(yàn)站(34°33′N，108°54′E)，位于陜西關(guān)中盆地中部，氣候上屬于大陸性半濕潤(rùn)氣候，冬夏長(zhǎng)，春秋短，夏季炎熱，雨量較多，降水量(7-9月)占全年的降水總量的50%～60%，冬季寒冷，雨雪稀少，多年平均降水量535 mm，最大年降雨量為813.9 mm(1954年)，最小年降雨量為320.6 mm(1977年)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，平均蒸發(fā)量為1 212 mm，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 200 h，平均氣溫13.4 ℃，年均最高氣溫15.1 ℃，最低氣溫8 ℃，無(wú)霜期232 d左右，地下水埋深在20 m左右，為典型的半濕潤(rùn)易旱區(qū)。

土質(zhì)為粉質(zhì)壤土及粉質(zhì)黏壤土(Silty clay loam)，土壤顆粒分析結(jié)果見(jiàn)表1，其中，粉粒(0.05～0.002 mm)含量在67.1%～76.6%之間，黏粒(<0.002 mm)含量在16.2%～31.1%之間，砂粒(>0.05 mm)含量在0.9%～9.7%之間。平均容重為1.46 g/cm3， 具體見(jiàn)表2.

表1 土壤顆粒分析結(jié)果 %

表2 土壤容重Tab.2 Soil bulk density

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要考慮降雨、蒸發(fā)、溫度等因素的影響，在試驗(yàn)地挖深度為500 cm土坑，分別在地面以下20、50、80、100、200、300、400、500 cm處安裝土壤水分、溫度傳感器，并用原土回填，外接數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)土壤水分、溫度的自動(dòng)采集，采集時(shí)間間隔為10 min。其中，溫度傳感器型號(hào)為DS180B20，精度為±0.5 ℃，測(cè)量范圍為-10～85 ℃，水分傳感器型號(hào)為BD-Ⅱ，精度為±3%(Vol)，測(cè)量范圍為0～100%(Vol)，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定精度可達(dá)±1%(Vol)。試驗(yàn)地為荒草地，周邊20 m范圍內(nèi)不受人類活動(dòng)干擾。并對(duì)降雨、蒸發(fā)、氣溫進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2012年12月1日至2013年11月30日。

1.3 研究方法

利用Microsoft Excel 2007軟件對(duì)土壤溫度、水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，并對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到土壤溫度梯度的變化特征；利用SPSS19.0軟件對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因素分析

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)總降雨量為366.6 mm，月最大降雨量為96.2 mm，最小降雨量為0.9 mm，降雨集中于4-9月，占總降雨量的86.1%；總蒸發(fā)量為1 003.4 mm，月最大蒸發(fā)量為154.1 mm，最小蒸發(fā)量為15.5 mm，4-9月的蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量的69.4%；月平均最高氣溫為27.13 ℃，最低氣溫為-0.03 ℃。

不同層土壤的月平均溫度均表現(xiàn)正弦曲線趨勢(shì)的年變化特征，地表溫度振幅大，隨著土層深度的增加，振幅逐漸減小。已有研究表明，熱量的傳輸過(guò)程中伴隨著水分的運(yùn)移[14-16]，熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力是溫度梯度[17]，公式如下：

(1)

對(duì)各層土壤溫度進(jìn)行正弦曲線擬合，并根據(jù)公式(1)計(jì)算各層土壤的溫度梯度見(jiàn)圖1。溫度梯度隨時(shí)間的推移表現(xiàn)出正弦趨勢(shì)的變化特征，且隨著土層深度的增加，振幅逐漸減小，相位向后推移。在此，統(tǒng)計(jì)出各層土壤熱量傳遞方向改變的時(shí)刻，見(jiàn)表3。

表3顯示，20 cm土層在2013年2月27日-9月6日時(shí)段內(nèi)，溫度梯度為負(fù)，即該時(shí)段內(nèi)熱量向下傳輸，在其他時(shí)段溫度梯度為正，即熱量向上傳輸。同時(shí)，隨著土層深度的增加，熱量向下及向上傳輸?shù)臅r(shí)段逐漸向后推移。

2.2 土壤水分空間變化特征

土壤水分時(shí)空等值線見(jiàn)圖2.土壤水分空間變化程度隨著深度的增加逐漸減小，300 cm處土壤水分含量最高，相鄰層土壤水分含量較低。在此，以不同層土壤含水率為樣本，選用Q型聚類方法進(jìn)行聚類[13]，基于變異系數(shù)對(duì)土層進(jìn)行命名。

圖1 土壤溫度梯度動(dòng)態(tài)變化圖Fig.1 Soil temperature gradient's time variability

圖2 土壤水分時(shí)空等值線圖Fig.2 Soil moisture's time and spatial contours

土層深度/cm溫度梯度由負(fù)向正轉(zhuǎn)變時(shí)刻由正向負(fù)轉(zhuǎn)變時(shí)刻由負(fù)向正轉(zhuǎn)變時(shí)刻20-201302272013090650-201302282013092080-2013030220131005100-2013030620131015200-2013042120131021300-20130430201311074002012122020130516-5002013012520130524-

注：“-”表示未在分析時(shí)段內(nèi)

由于土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)是點(diǎn)估計(jì)值，為了反映土壤水分空間連續(xù)性，對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理，公式如下：

(2)

由于地表土壤水分未進(jìn)行觀測(cè)，在此選用20 cm土層含水率近似代替0～20 cm土壤水分的平均變化情況，根據(jù)公式(2)分別獲得20～50，50～80，80～100，100～200，200～300，300～400，400～500 cm土層的平均含水率。土層數(shù)為8，時(shí)間序列長(zhǎng)度為365 d，即8個(gè)樣本，365個(gè)變量，使用平均聯(lián)結(jié)(組間)進(jìn)行聚類，得到聚類分析樹(shù)狀圖，見(jiàn)圖3。

圖3顯示，土壤剖面可分為4類，即0～20 cm為一類，20～50 cm為一類，50～200 cm為一類，200～500 cm為一類。并計(jì)算各類對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)，分別為：0.231，0124，0.042，0.006，變異系數(shù)反映了土壤水分的變化程度，計(jì)算結(jié)果表明，變異系數(shù)隨著土層深度的增加呈減小趨勢(shì)。因此，0～500 cm土層可依次命名為活躍層(0～20 cm)、次活躍層(20～50 cm)、過(guò)渡層(50～200 cm)、相對(duì)穩(wěn)定層(200～500 cm)。

圖3 聚類分析樹(shù)狀圖Fig.3 Dendrogram using average linkage(between groups)

2.3 土壤水分的時(shí)間變化特征

2.3.1活躍層、次活躍層土壤水分變化特征

活躍層、次活躍層土壤水分變化見(jiàn)圖4，活躍層受到降雨、蒸發(fā)等氣象因素的影響最大，土壤水分年內(nèi)變化范圍為10.8%～29.2%(日平均含水率)，變幅為18.4%，土壤年平均含量為14.5%，含水率較低。次活躍層受到氣象因素的影響減弱，土壤水分年內(nèi)變化范圍為17.4%～26.9%，變幅為9.5%，土壤年平均含水率為21.78%，含水率較高。由于活躍層、次活躍層年內(nèi)變化趨勢(shì)大致相同，在此依據(jù)其年內(nèi)變化程度，依次分為相對(duì)穩(wěn)定期、緩慢下降期、增濕交替期、持續(xù)下降期。

圖4 活躍層、次活躍層土壤水分變化圖Fig.4 Soil moisture's time variability in active layer and relatively active layer

相對(duì)穩(wěn)定期(12月及1月-3月中旬)：氣溫低，降雨少，蒸發(fā)小。平均氣溫為2.4 ℃，降雨量為18 mm，為年降雨量的4.9%，蒸發(fā)量為134.65 mm，為年蒸發(fā)量的13.4%。1月初，20 cm處土壤水分減小幅度較大，主要原因是氣溫最低降至-6.8 ℃(1月4日)，土壤水分開(kāi)始凍結(jié)，由于傳感器測(cè)量的是土壤的非凍結(jié)含水量，土壤水部分凍結(jié)致使土壤非凍結(jié)含水量減小。整體上，土壤水分處于自調(diào)節(jié)階段，變化較為緩慢。

緩慢下降期(3月下旬-5月中旬):氣溫逐漸上升，降雨量略有增加，雨強(qiáng)較小，蒸發(fā)較大。平均氣溫為16.5 ℃，降雨量為53.9 mm，為年降雨量的14.7%，日最大降雨量為9.4 mm，蒸發(fā)量為194.3 mm，為年蒸發(fā)量的19.4%，土壤水分緩慢下降。

增失交替期(5月下旬-9月下旬):氣溫最高，降雨頻次增加，強(qiáng)度增大，蒸發(fā)強(qiáng)烈。平均氣溫為25.9 ℃，降雨量為240.4 mm，占年降雨量的65.6%，蒸發(fā)量為516.3 mm，為年蒸發(fā)量的51.4%。日最大降雨量達(dá)20.9 mm，土壤水分急劇上升，20 cm處土壤水分最高達(dá)29%，50 cm處土壤水分最高達(dá)26.9%，雨過(guò)之后，表層土壤水分較大，土壤蒸發(fā)大，土壤水分迅速下降，土壤水分變化劇烈。

持續(xù)下降期(10月初-11月末)：氣溫逐漸降低，降雨頻次減少，雨強(qiáng)較小，蒸發(fā)較強(qiáng)。平均氣溫為13 ℃，降雨量為43.7 mm，占年降雨量的11.9%，蒸發(fā)量為175.9 mm，為年蒸發(fā)量的17.5%。降雨頻次減少，雨量少，但蒸發(fā)強(qiáng)烈，除了11月末降雨作用下活躍層土壤水分有明顯增加外，其他時(shí)期均處于下降階段。

2.3.2過(guò)渡層土壤水分變化特征

過(guò)渡層土壤水分的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖5。土壤水分年變化較小，80 cm處年變幅為3.5%，100 cm處年變幅為1.9%，200 cm處年變幅為1.2%。12月-3月末，80與100 cm處土壤水分表現(xiàn)出先下降后增加的趨勢(shì)，且在1月中旬水分含量最低，200 cm處土壤水分變化相對(duì)滯后，在2月中旬水分含量最低，原因?yàn)椋航Y(jié)合土壤溫度梯度分析，該時(shí)段氣溫低于地溫，土壤由受熱型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧嵝?，前期，過(guò)渡層土壤溫度梯度為正值且數(shù)值較大，水分向上運(yùn)移致使該層水分減小，后期，該層溫度梯度為負(fù)值且數(shù)值較小，即水分向下運(yùn)移的量較小，但深層土壤溫度梯度為正，受到了深層土壤水分的補(bǔ)給而增加。4月初-8月中旬，80 cm處土壤水分呈現(xiàn)較大波動(dòng)，且在4月初～5月末受到蒸發(fā)作用的影響，水分與活躍層、次活躍層土壤水分變化趨勢(shì)一致，100和200 cm土壤水分變化相對(duì)較小，但期間分別在6中旬和8月中旬出現(xiàn)兩個(gè)峰值，原因?yàn)椋?月下旬和7月下旬降雨頻次較多，雨強(qiáng)較大，5月下旬和7月下旬降雨量分別為55.3，45.3 mm，降雨入滲補(bǔ)給了該層土壤，但入滲有一定的滯后性。8月下旬-11月末，各層土壤水分表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)，尤其是后期下降較為明顯，其原因?yàn)闅鉁亟档停寥烙蓽\層至深層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧嵝?，致使水分向表層運(yùn)移。

圖5 過(guò)渡層土壤水分變化圖Fig.5 Soil moisture's time variability in transitional layer

2.3.3相對(duì)穩(wěn)定層土壤水分變化特征

相對(duì)穩(wěn)定層土壤水分的動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖6，土壤水分的年變幅均在1%范圍內(nèi)，表現(xiàn)出一致的正弦曲線趨勢(shì)的年變化特征，并在5-6月水分含量達(dá)到最小值，在10-11月達(dá)到最大值，最小值和最大值出現(xiàn)時(shí)刻隨著土層深度的增加有一定的滯后性。在雨季未出現(xiàn)較大波動(dòng)，說(shuō)明相對(duì)穩(wěn)定層基本不受降雨的直接影響。同時(shí)，該層土壤水分在5月下旬-10月中旬逐漸增加，在其他時(shí)段逐漸減小，原因如下：土壤水分增加時(shí)段，土壤表現(xiàn)為受熱型，溫度梯度為負(fù)，且淺層的溫度梯度大于該層，該層土壤水分增加，在土壤水分減小時(shí)段，土壤表現(xiàn)為放熱型，深層土壤溫度高于表層，溫度梯度為正，水分向上運(yùn)移，致使該層土壤水分減小。

3 討 論

本研究選擇試驗(yàn)地塊遠(yuǎn)離人類活動(dòng)區(qū)，避免人為因素干擾，利用原位定點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，研究半濕潤(rùn)易旱區(qū)0～500 cm土層的土壤水分的微觀變化。研究發(fā)現(xiàn)，淺層土壤水分在雨季(5-9月)主要受到氣象要素的影響，在其他時(shí)段受到氣象要素與土壤溫度的雙重作用，而深層土壤水分主要受到土壤溫度的影響，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下與淺層土壤水進(jìn)行相互作用，在冬春季深層土壤水分向淺層運(yùn)移致使深層土壤水分減少，夏秋季向深層運(yùn)移，深層土壤水分增加，進(jìn)一步驗(yàn)證了李佩成院士提出的內(nèi)在水假設(shè)[18]，同時(shí)為半濕潤(rùn)易旱區(qū)考慮溫度作用下深層土壤水分運(yùn)動(dòng)的定量研究提供了依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)土壤溫度及溫度梯度年內(nèi)均表現(xiàn)正弦曲線趨勢(shì)的變化特征，地表振幅較大，隨著土層深度的增加，振幅逐漸減小，相位向后推移。

(2)隨著土層深度的增加，土壤水分年內(nèi)變化逐漸減小，根據(jù)土壤水分變化狀況，土壤垂直剖面依次可命名為活躍層(0～20 cm)、次活躍層(20～50 cm)、過(guò)渡層(50～200 cm)、相對(duì)穩(wěn)定層(200～500 cm)。

圖6 相對(duì)穩(wěn)定層土壤水分變化圖Fig.6 Soil moisture's time variability in relatively stable layer

(3)活躍層、次活躍層土壤水分在12月及1-3月中旬處于相對(duì)穩(wěn)定期、3月下旬～5月中旬處于緩慢下降期、5月下旬-9月下旬處于增失交替期、10月初-11月末處于持續(xù)下降期。過(guò)渡層土壤水分在12-3月末處于先減小后增大的變化趨勢(shì)，4月初-8月中旬有一定的波動(dòng)，8月下旬-11月末緩慢下降。相對(duì)穩(wěn)定層土壤水分表現(xiàn)出振幅較小的正弦曲線趨勢(shì)的變化特征。

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