自然状态土壤不同层次水分动态变化分析

（石河子气象局，新疆 石河子 832000）

1 概况

本研究土壤水分观测地段位于乌兰乌苏农业气象试验站观测场附近，常年未耕作，未灌溉，属于自然状态下的土地。从该地段采集的土壤水分数据由河南气象科研所生产的Gstar-1型土壤水分自动监测仪器采集，该仪器是一种利用频域反射法原理来测定土壤体积含水量的自动化测量仪器，每间隔1 h采集1次数据，以提高观测数据的时空密度[1]。观测数据包括0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～80 cm和80～100 cm共8个不同深度层次的土壤重量含水率。本文统计了2015—2017年各层次逐日、逐旬、逐月和逐年的平均值，分析了各层次土壤水分的时间变化规律及其与降水量的关系。

2 土壤水分变化规律分析

土壤水分观测数据按每10 d为1旬，一年有36旬来统计。结果显示，不同层次土壤水分在各旬变化规律不同，但总体趋势是1～2月的每旬各层的土壤水分都稳定少变（见图1），可能是积雪覆盖下冻土稳定的原因。3月份积雪冻土开始融化，水分下渗，各层的土壤水分值开始增大，除深层的60～80 cm和80～100 cm增幅较小外，其他层次增幅较大。4月份以后各层次土壤水分变化趋势不同，浅层的0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm从4～9月基本呈下降趋势，10～11月又缓慢上升，12月又下降至一个较稳定的值；中层和深层的40～100 cm各层从6月份之后一直呈下降趋势，深层的60～80 cm和80～100 cm降幅比较小，中层的40 cm降幅比较大，进入12月趋于稳定。总的来讲，在积雪覆盖、冻土稳定的冬季（12月至来年2月），自然状态下的土壤各层水分变化不大，趋于稳定，不受降水影响。3～11月因积雪融化或降水各层次土壤水分有较明显变化，浅层变化幅度大，深层变化幅度小。

图1 各层土壤水分及旬降水量变化曲线

2.1 浅层土壤水分的季节变化

从图1可以看出，浅层的0～10 cm土壤水分含量平均最小值3.7%出现在9月下旬（降水量较少的季节），10月份降水量增多，0～10cm土壤水分含量也增大，到11月中旬时达12.5%，11月下旬进入冬季，随着冻土层的加深和积雪覆盖厚度的增大，0～10 cm土壤水分含量逐渐减小至一个稳定少变的值，直至来年开春积雪融化时迅速增大，最大值16.7%出现在3月中旬 （积雪融化的季节），3月下旬开始减小，遇有量降水时略有回升，之后又开始下降。从3月下旬到9月下旬呈振动式下降，全年平均值8.2%。

浅层的10～20 cm土壤水分含量平均最小值2.0%出现在1月和2月上旬（积雪稳定覆盖，冻土较深的季节），到3月份积雪融化时开始增大，最大值16.4%出现在3月下旬，增大的速度滞后于0～10 cm土层。从4月上旬开始逐渐减小，到9月下旬（4.9%）一直缓慢下降。10月份降水量开始增多，10～20 cm土壤水分含量也缓慢增大，到11月下旬时达10.4%，12月上旬随着冻土层的加深，积雪覆盖的厚度增大，10～20 cm土壤水分含量逐渐减小至一个稳定少变的值，直至来年开春积雪融化时迅速增大，全年平均值8.7%。

浅层的20～30 cm土壤水分含量平均最小值3.3%出现在1月上中旬（积雪稳定覆盖下冻土较深的季节），到3月积雪融化时开始增大，最大值16.4%出现在4月下旬，增大的速度滞后于0～20cm土层。从5月上旬开始逐渐减小，到10月下旬（7.1%）一直缓慢下降。虽然10月份降水量开始增多，但20～30cm的土壤水分含量到11月上旬时才开始增大，到12月上旬时达10.1%，12月中旬随着冻土层的加深和积雪覆盖厚度的增大，20～30 cm土壤水分含量又开始逐渐减小至一个稳定少变的值，直至来年开春积雪融化时迅速增大，全年平均值10.1%。

2.2 中层土壤水分的季节变化

从图1可以看出，中层的30～40 cm土壤水分含量平均最小值4.1%出现在1月上、中旬（积雪稳定覆盖下冻土较深的季节），到3月份积雪融化时开始增大，在4月下旬达17.9%，增大的速度滞后于20～30 cm土层，5月上旬开始减小，6月上旬又开始增大，达最大值18.8%，6月中旬到11月中旬（7.6%）一直缓慢下降，虽然10月份降水量开始增多，但30～40 cm的土壤水分含量到11月下旬时才开始缓慢增大，到12月中旬时达8.2%，之后趋于稳定少变，全年平均值10.8%。

中层的40～50 cm土壤水分含量平均最小值8.8%出现在1月上中旬（积雪稳定覆盖下冻土较深的季节），2月上旬就开始缓慢增大，到6月上旬达最大值23.8%，6月中旬到12月上旬（11.6%）一直缓慢下降，12月中旬略有增大（12.0%），到12月下旬时又开始减小，全年平均值15.1%。该层的水分基本上一直比其他层次的多。

中层的50～60 cm土壤水分含量平均最小值7.3%出现在2月中旬，2月下旬就开始缓慢增大，到6月上中旬时达最大值18.6%，6月下旬后一直缓慢下降，到2月中旬出现最小值，全年平均值12.9%，该层土壤水分含量仅比中层的40～50 cm小。

2.3 深层土壤水分的季节变化

从图1可以看出，深层的60～80 cm土壤水分含量平均最小值6.3%出现在1月中旬和2月中旬，1月和2月的土壤水分含量变化仅有0.2%，到3月上旬开始缓慢增大，6月中旬达最大值17.0%，6月下旬到12月上旬一直缓慢下降，之后趋于稳定少变，全年平均值11.2%。

深层的80～100 cm土壤水分含量平均最小值4.7%出现在1月中下旬，1月至3月中旬土壤水分含量变化仅有0.4%，到3月下旬开始缓慢增大，6月下旬达最大值11.1%，7月上旬到12月下旬一直缓慢下降，之后趋于稳定少变，全年平均值7.3%。

3 小结

（1）自然状态下的土壤各层水分冬季（12月至2月）最小，且变幅小，春、夏季较大，秋季较小；（2）自然状态下的土壤中层40～60 cm水分保持较好，50 cm土层水分最大，60 cm土层水分次之；（3）浅层的土壤水分年和季的变化幅度较大，对降水量的响应较快，深层的土壤水分年和季的变化幅度较小，对降水量的响应较慢。