降雨对土壤湿度的影响规律研究

陈凤琴，耿灵生，赵　莹（山东省水利科学研究院、山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250014）

降雨对土壤湿度的影响规律研究

陈凤琴，耿灵生，赵莹
（山东省水利科学研究院、山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250014）

【摘要】该研究利用气象站测量土壤湿度的探头，在野外对降雨量对土壤湿度的影响进行连续记录；同时在模拟降雨试验时，把气象站上测土壤湿度探头分别放在土壤5cm、10cm、15cm处，以测定土壤湿度随降雨强度、降雨历时的变化，以及土壤湿度对土壤流失的影响。

【关键词】土壤湿度；降雨量；降雨强度；降雨历时

土壤湿度是指土壤的干湿程度，即土壤的实际含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分数表示。土壤湿度大小影响田间气候，土壤通气性和养分分解，是土壤微生物活动和农作物生长发育的重要条件之一。土壤湿度决定农作物的水分供应状况，土壤湿度过低，造成土壤干旱，光合作用不能正常进行，降低作物的产量和品质；严重缺水导致作物凋萎和死亡。土壤湿度过高，恶化土壤通气性，影响土壤微生物的活动，使作物根系的呼吸、生长等生命活动受到阻碍，从而影响作物地上部分的正常生长，造成徒长、倒伏、病害滋生等。土壤湿度的影响因素主要有大气、土质、植被等。

1　试验设计

试验分为模拟降雨与自然条件2个部分，其中降雨模拟部分选在栖龙湾水土保持科技示范园内，野外试验位于位山灌区沉沙池清淤高地。

1）模拟降雨试验在莱芜栖龙湾水土保持科技示范园内进行，采用美国产下喷式自动模拟降雨系统。降雨高度2.5m，满足降雨雨滴达到终点速度。降雨强度变化范围为10～100mm/h。土槽为移动式变坡度钢槽，规格为2.0m×1.0m×0.2m（长×宽×深）。本试验采用模拟降雨系统，利用移动式变坡度钢槽对同一土壤（壤土）下3种坡度（10°、20°、30°）进行模拟降雨试验。同时把测土壤湿度的探头分别放在距离表层土壤5cm、10cm、 15cm处，以测定土壤湿度随降雨强度、降雨历时的变化，以及土壤湿度对土壤流失的影响。

2）在风蚀区，研究自然降雨条件下，降雨强度、降雨历时对深层土壤含水量的影响，测试土壤湿度的探头分别埋于30cm、60cm与90cm处，数据采集时间为2012-03至2014-12。

2　土壤湿度与降雨的关系

2.1模拟降雨条件下土壤湿度与降雨的关系

通过对3种坡度、3种雨强下土壤湿度的变化研究，发现降雨历时、降雨强度对土壤湿度的变化都有显著影响，而累计降雨量与降雨历时、降雨强度都有直接关系，所以进一步分析累计降雨量对土壤湿度的影响。

采用多项式回归分析，其表达式为：y=ax2+ bx+c，其中：x为累计降雨量，mm；y为不同土层土壤湿度；a、b、c为统计参数。得出土壤湿度与降雨量的统计分析结果，如表1~3所示，和不同深度土壤湿度随降雨量的变化趋势图，如图1所示。

由表1～3和图1可以看出：

1）在同一坡度下，开始时土壤湿度差别不大的情况下，随着雨强的增加，土壤湿度出现拐点时间缩短，如坡度为10°时，雨强为29.54mm/h与雨强为45.57mm/h降雨比较，埋深5cm处土壤湿度出现拐点时间分别是12min、10min；坡度为10°时，雨强为29.54mm/h与雨强为40.6mm/h降雨比较，埋深15cm处土壤湿度出现拐点时间分别是37min、35min。坡度为20°时，差别更加明显，如雨强为29.54mm/h与雨强为40.6mm/h降雨比较，埋深5cm处土壤湿度出现拐点时间分别是49min、13min。坡度为30°时，雨强为45.57mm/h与雨强为40.6mm/h降雨比较，埋深5cm处土壤湿度出现拐点时间分别是6min、17min。说明同一坡度下，雨强越大，越容易在较短时间内使土壤湿度出现变化。

表1不同降雨强度下土壤湿度与降雨量的统计分析结果（坡度为10°）

表2不同降雨强度下土壤湿度与降雨量的统计分析结果（坡度为20°）

表3不同降雨强度下土壤湿度与降雨量的统计分析结果（坡度为30°）

图1不同深度土壤湿度随降雨量的变化趋势

2）10cm与15cm处深层土壤湿度出现拐点时间滞后于5cm处浅层土壤，5cm处土壤湿度出现拐点时间平均为12min，10cm处为15min，15cm处为14min，说明降雨首先对5cm处土壤产生影响。

3）同一雨强、不同坡度下对土壤湿度变化的影响，坡度越大，土壤湿度出现拐点时间越滞后，说明坡度越大，越容易在短时间内产生地表径流，入渗量相对减少，深层土壤湿度变化就较慢。如雨强为29.54mm/h条件下，坡度为10°与坡度为20°、30°比较，埋深5cm处土壤湿度出现拐点时间分别是12min、49min、48min。

4）同一雨强、同一坡度下，降雨量相同的情况下，在降雨结束时，不同层土壤湿度均呈现增加趋势，且随着土壤深度的增加，深层土壤湿度增加量小于浅层土壤湿度增加量。对9次模拟降雨分析，埋深5cm处土壤湿度比埋深10cm处土壤湿度平均增加了6.56%；埋深10cm处土壤湿度比埋深15cm处土壤湿度平均增加了3.64%。

5）整体看，对9种条件27种情况分析不同土层土壤湿度与降雨量之间关系，不同土层土壤湿度与降雨量之间关系紧密，符合多项式关系，相关系数基本上都接近0.9。

2.2自然降雨条件下土壤湿度与降雨的关系

在风蚀区，研究自然降雨条件下，降雨强度、降雨历时对深层土壤含水量的影响，测试土壤湿度的探头分别埋于30cm、60cm与90cm处。每5min记录一次数据，主要对2013-07的数据进行分析。

1）2013-07不同深度土壤湿度随降雨的变化趋势见图2。由图2可以看出，在多次自然降雨条件下，30cm处土壤湿度与60cm处土壤湿度变化趋势基本一致，受降雨量影响明显，变化波动较大；而90cm处土壤湿度虽然也受降雨量影响，但不是很明显，变化波动不大。长序列看，30cm处土壤湿度明显高于60cm处土壤湿度，而90cm处土壤湿度变化波动最小，仍高于60cm处土壤湿度，说明90cm处土壤受降雨影响较小，受上层土壤湿度和深层地下水影响较大。

2）对2013-07-04一次降雨进行分析，不同深度土壤湿度随时间的变化趋势图见图3。由图3可以看出，一次强降雨后，30cm处土壤湿度达到最大值，随后随着连续长时间不降雨，30cm处土壤湿度逐渐降低；60cm处土壤湿度与30cm处土壤湿度变化趋势一致，但是达到土壤湿度最大值时间滞后；90cm处土壤湿度在降雨结束约67h后，逐渐开始增加，到113h后，土壤湿度达到最大值，以后即使长时间不降雨，土壤湿度变化也不大。

图22013-07不同深度土壤湿度随降雨的变化趋势

图32013-07-04不同深度土壤湿度随时间的变化趋势

3）对2013-07的5次降雨进行分析，不同深度土壤湿度变化见表4。由表4可以看出，5次降雨后，30cm处土壤湿度最先达到最大值，平均用时7.9h（自降雨开始时算起，下同），随后随着连续长时间不降雨，30cm处土壤湿度逐渐降低；60cm处土壤湿度在降雨结束时，土壤湿度变化不是很明显，等到平均用时17.05h时土壤湿度达到最大；90cm处土壤湿度在降雨结束时，土壤湿度几乎无变化，等到平均用时40.75h时土壤湿度达到最大。降雨量越大，土壤湿度增加越大，90cm处土壤湿度达到最大经历时间越长，说明土壤壤中流补给深层土壤水分能力较强。但是降雨量即使增加明显的情况下，土壤60cm处与90cm处土壤湿度增加也不是很大，说明该区深层土壤渗透性能相对较差，进一步说明深层土壤水分贮存能力差，在一定程度上表示该区深层土壤调节洪峰水量的能力较弱。

表42013-07的5次降雨情况下土壤湿度变化

3　结语

本研究利用气象站测量土壤湿度的探头,在模拟降雨试验时，把土壤湿度探头分别放在距离表层土壤5cm、10cm、15cm处；另外在野外对降雨量对土壤湿度的影响进行连续记录，以测定土壤湿度随降雨强度、降雨历时的变化，以及土壤湿度对土壤流失的影响。得出以下结论：1）通过模拟试验与自然条件下降雨连续记录，得出同一结论，随着降雨量的增加，土壤湿度出现变化时间迅速，而且深层土壤湿度变化滞后于浅层土壤。2）通过模拟试验发现累计降雨量对土壤湿度的影响关系密切，具有很好的二次方程函数关系。

研究课题名称：“山东省水利综合试验基地降雨-径流关系及雨洪资源综合利用技术研究”，为2012年山东省水利科研与技术推广课题项目，编号SDSLKY201201。“人工降雨条件下不同下垫面类型水土流失特征影响因素研究”山东省水利科学研究院自选课题。

（责任编辑崔春梅）

【中图分类号】TV213.4

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2015）-05-0014-04

作者简介：陈凤琴（1979—），女，工程师