太湖流域平原区土壤水分动态分析

徐 飞，朱 青，史伯强，廖凯华，郑锦森

（1.中国科学院 南京地理与湖泊研究所 湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京210008；2.中国科学院大学，北京100049；3.南京市地产发展中心，江苏 南京210005）

土壤水是一种重要的水资源，它是四水（地表水、地下水、大汽水、土壤水）转化的纽带，为水循环、能量循环和生物地球化学循环中的基本组成部分，在降水、径流、下渗和蒸散发等水文过程中起着至关重要的作用［1－3］。此外，太湖流域地区生态环境问题十分严重，其中水环境问题（如面源污染）尤其突出，而氮、磷等营养元素流失与降水、土地利用方式以及土壤水分运动的关系十分密切［4－5］，因此定量研究太湖流域不同土地利用方式下土壤水分与降水之间的关系，对于该地区水资源规划管理、节水农业技术开发以及调控营养元素的迁移等均具有重要意义。

目前，国内有关土壤水分与降雨时序分析的研究已比较多，如石辉等［6］进行了黄土丘陵区人工油松林地土壤水分动态的时间序列分析，宋献方等［7］进行了华北平原地下水浅埋区土壤水分动态的时间序列分析，王晓燕［8］等进行了红壤坡地土壤水分时间序列分析，王贺年［9］等开展了北京山区林地土壤水分时间序列分析。可见，现有研究区主要分布在西北、华北和西南地区，地貌类型主要有坡地、丘陵、山区、平原以及喀斯特地貌［10］等，已覆盖我国典型气候及地貌类型的地区。然而，对于处在东部季风气候条件下的太湖流域平原地区，有关研究则相对比较缺乏，尤其是较高时间分辨率（如日步长）的土壤水分时间序列分析更不多见。基于以上现状，本研究以日为时间步长，利用时间序列分析法研究太湖流域平原地区两种土地利用方式（林地、菜地）下土壤水分与降水的定量关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处江苏省南京市高淳区青山—游子山土地整治区，位于太湖流域平原地区西部（31°37′N，119°05′E）。属于典型的水网平原区，河湖密布，高程在5～10m之间［11］。气候类型为亚热带季风海洋性气候，年均降雨量超过1 000mm，降雨充沛，但年内分配不均，多集中在夏季。年平均气温15.5℃，全年无霜期约230d，年平均日照时数达到2 000h。研究区土地利用类型主要有林地、菜地以及水稻田，土壤水分主要受降雨补给，同时农业灌溉也是一个主要补给源。试验区林地为混交阔叶林，植被覆盖季节差异明显。由于太湖流域地貌类型主要由丘陵和平原组成，其中平原区占流域总面积的80%，因此，选取林地、菜地两种典型土地利用类型，对于揭示太湖流域土壤水分与降水之间相关关系具有较好的代表性。

1.2 土壤水分动态分析方法

选取林地和菜地作为试验对象，选择点系统监测降雨量和土壤体积含水量动态变化。在各试验点分别布设美国Decagon Devices公司生产的EC-5土壤水分探头，用于测定土壤剖面不同深度（10，20，40，60 cm）的土壤含水量，并同步布设ECRN-50雨量计，记录降水量。监测频率均为5min，且数据自动存储在数据收集仪中，监测时段为2012年7月1日至2013年11月29日，期间定期（约1个月）采集下载数据。

根据原始降水量和各层土壤含水量数据，计算逐日降水量，得到降雨序列X，然后选取每日同一时刻土壤含水量数据，得到土壤含水量时间序列Y。对于两个时间序列，只要时间上同步，均可用协方差相关系数描述其相关性。若原始降雨序列为对于两个时间间隔相同的平稳时间序列X和Y，它们之间的协相关系数可以用公式（1）计算［12］：

式中：ρxy——滞后时间为h时，x和y两个时间序列的协相关系数；Sxy（h）——滞后时间为h时，x，y两个序列的协方差；Sxx（0），Syy（0）——x，y序列的方差；δx，δy——序列x，y的标准差；h——滞后时间。

对于具有n对观测数据的两个时间序列（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3）……（xn，yn），时间差为h 的协方差可由公式（2）计算：

式中：¯x和¯y——时间序列x，y的平均值。结合公式（1）—（2），即可计算出协相关系数为h时的协相关系数。根据协相关系数的大小，可估计两个序列的协相关程度。假设该值为0，则表明显著不相关，如果不为0，则应用Barttett公式计算的2倍标准差来衡量两序列是否相关。

2 结果与讨论

2.1 土壤水分和降水的时间动态变化特征

研究时段的年降雨量为1 148mm，结合研究区的多年平均降水特征可知，属于典型的平水年。其次，降水表现出明显的季节差异。夏季降水充沛，月均降水量达到162mm，单季降水量达到年降水总量的将近1／2，其显著性特点是单次降雨量大，多为中到大雨，甚至暴雨，但降雨连续性差。与此不同的是，降水在秋、冬、春等季节时偏小，月均分别为82，79，63mm。

表1为研究时段内林地菜地在不同季节土壤水分统计特征。由表1可以看出，土壤含水量存在较为显著的季节变化和剖面变化，且这种变化在林地、菜地两种不同类型的土地利用方式下又有所不同。首先，各季节土壤含水量的平均值在林地和菜地均是夏季最高，而变异系数则是秋季最大，其他季节因在不同深度差异明显而整体关系较复杂。其次，在研究时段内，土壤含水量自表层10cm向下至60cm总体呈增加趋势，变异系数则呈减小趋势。土壤水分含量及变异在垂向上的差异可能是与不同土层土壤的渗透、持水特性以及蒸发能力的差异有关，而这又是由土壤结构剖面和孔隙坡面决定的［13］。土壤含水量的这种剖面变化同样因土地利用方式的不同而存在差异，菜地土壤含水量在垂直方向之差在各个季节都超过了1cm3／cm3，与菜地相比，林地土壤含水量在剖面上的差异较小，表层（10cm）与深层（60cm）土壤含水量之差除冬季外均小于0.05cm3／cm3。

表1 林地、菜地各层土壤水分的统计特征

2.2 降雨与土壤含水量自相关分析

分别对降水序列和林地、菜地各层土壤水分序列作自相关分析（图1）。可以看出，2012年7月至2013年11月研究区内降水系列不具有相关性（p＞0.1），而两种土地利用方式下各层土壤含水量序列均存在极为显著的相关性（p＜0.05）。这充分说明降水的随机性很强，相邻两次降雨之间并无统计意义上的联系，同时土壤含水量受前期含水量的影响较为明显，但这种影响随时间推移逐渐减弱。

土壤含水量序列相关性主要受土壤深度的影响，表层土壤水分的相关性和相关时间长度均小于较深层次，这说明越接近于表层，土壤含水量稳定性越差。这是由于表层土壤水分受土面蒸发、植物蒸腾等作用的直接影响［6］，同时又容易通过下渗而流失，导致波动较大。而深层土壤水分受这些因素影响相对较小，因此相关性高于表层。但由于各深度土层间土壤含水量相关性同样很高，且含水量为连续变化［14］，故相关性大小在垂向上差异并不大。

图1 研究区菜地、林地土壤水分含量的自相关系数

2.3 降雨量与土壤含水量的协相关分析

对降雨量和两种土地利用方式下各层土壤含水量进行协相关分析（图2—3）。由图2—3可以看出，土壤水分与降雨量之间存在一定相关性，相关时长在1～8d内会因土地利用方式和季节等的不同而存在差异，且相关性大小及相关时长由表层向下逐渐减小。与王晓燕［8］在南方红壤坡地进行的研究相比，本研究中降水与土壤含水量之间的相关性较小，且随着滞后时间的增加，协相关系数的变化规律存在较大差异，这说明影响本研究区土壤水分的因素较复杂，比如季节、土地利用方式、农业活动等均可能对土壤含水量产生重要影响。

图2 菜地不同季节不同深度土壤水分与降水的协相关系数

图3 林地不同季节不同深度土壤水分与降水的协相关系数

2.3.1 不同季节和土壤深度下降水与土壤含水量协相关分析 土壤水分与降雨量之间的相关关系受到季节和土壤深度的影响。以林地为例，相关时长的季节差异较为明显，但在除冬季以外的各季无论是相关时长还是相关系数，受土壤深度的影响均较小。在夏、秋季节降雨对各层土壤水分的有效影响时间分别达到7和8d，在春季为5d，而冬季仅表层（10和20 cm）有3～4d。林地相关系数随滞后时间增加其变化规律相似，多成先增加再下降的峰型甚至双峰型。尤其需要注意的是，相关系数在冬季深受土壤深度的影响，表层（10和20cm）土壤含水量与降水的相关系数明显大于其他季节，且最大相关时间出现在雨后第1d，而较深层次则不具有统计意义上的相关性。这可能是由于该研究区降雨季节性变化，以及不同季节植被的生长状况可能存在差异。冬季林地针阔叶混交林茂密度不及其他季节，对降雨的截留能力减小，初始和稳定入渗率偏低，入渗补给系数减小，导致降雨对表层（10，20cm）土壤含水量的影响大，对深层（40，60cm）影响极小，且有效影响时间短。

菜地降水和土壤含水量之间的关系随季节、深度的变化同样表现出较大差异，这主要体现在相关时长和最大相关性时间两方面。降水与自表层向下各层土壤含水量之间的相关时间域在夏季分别为1～4d，1～3d，1～2d，0d，在冬季分别为0d，3～5d，1～5 d，3～4d，在春季分别为0d，1～4d，1～4d，1～6d，而在秋季除表层10cm以外各层土壤含水量与降水均无统计意义上的相关性。由此可见，相关时长总体上在春季最长，秋季最短，夏季和冬季居中。且夏、秋季节相关时长自表层向下呈递减趋势，但在冬春季节却呈截然相反的“倒挂”现象。这是因为菜地40cm深度由于土壤分层明显，且不易透水，致使其土壤含水量一直偏高，在夏秋季节与降水无明显相关性，而在冬春季节却使得该层与20和60cm深度的土壤含水量均与降水存在较好的相关性。加之冬春季使用了塑料大棚，阻隔了降水对表层土壤水分的影响，因而相关时长随土壤深度的增加而增加。对于菜地降水与土壤含水量最大相关性时间，在夏季为雨后第1 d，但在冬季和春季，多出现在雨后第2d甚至第3d。

2.3.2 不同土地利用方式下降水与土壤含水量协相关分析 两种土地利用方式下土壤含水量与降雨的相关时长及相关系数随滞后时间的变化规律存在比较明显的差异。首先，就相关时长而言，整体上林地要长于菜地，林地除冬季外降水对土壤水分的有效影响时间均达到或超过5d，而菜地则普遍小于5d。其次，菜地土壤含水量对降雨的响应速度总体上要快于林地，表现为最大相关时间早于林地，这在夏秋季节尤为明显。林地最大相关时间多出现在雨后第2天，且林地相关系数的变化幅度除冬季外较菜地更为平缓。这是因为林地和菜地的植被类型不同，植被不但通过冠层截留影响入渗，而且对降水进行再分配，此外不同植被的根系吸水能力也有较大差异。

受农业活动的影响程度不同，林地土壤含水量对降雨响应的规律性要强于菜地。与较少受外界干扰的林地不同，为保证作物的正常生长，菜地受到的人为活动较为频繁，如作物种植时的翻耕，干旱时灌溉补给，和冬、春季节的塑料大棚保温等，从而改变了土壤的入渗量、保水能力，致使菜地与降水的相关关系变得复杂，其在垂向剖面上以及季节上的变化规律远不及林地显著。

3 结论

（1）降水是土壤水分含量的一个重要影响因素，但影响程度因季节、土壤深度、土地利用方式的不同而存在差异。

（2）不同的季节和土壤深度降水对土壤水分的影响不同，对林地而言，可归纳为夏、球季最大（7～8 d），冬季最小（3～4d），此外林地除冬季外深度对相关关系的影响较小。菜地秋季除表层外土壤含水量与降水无统计意义上的相关性，在夏季与冬春季节随土层深度的增加，土壤含水量与降水的相关时长呈截然相反的变化趋势，同时夏季的最大相关时间早于冬、春季节。

（3）土地利用方式是影响降雨和土壤水分之间关系的一个重要因素，总体而言，林地降水对土壤含水量的影响要大于菜地，且由于人为活动影响程度不同以及植被类型的差异，林地土壤含水量与降水间相关关系变化要优于菜地。

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