不同降水状态下土壤水分的变化特征分析

杨军 薄万福 邓元博

摘要 为了研究长白山北坡地区土壤墒情变化特征，利用二道站自动土壤水分仪所采集的土壤相对湿度数据，取用2019—2020年10 cm、20 cm、30 cm、40 cm共4个层次土壤的相关资料，对不同量级降水后6 h、12 、24 h和48 h土壤相对湿度的变化进行分析。结果表明：（1）出现不同量级降水对10 cm深度土壤均影响最大;（2）10 mm量级的降水仅对10 cm深度土壤湿度影响较大;出现20 mm降水后，10～40 cm土壤均受到影響，10 cm土壤变化幅度最大，40 cm土壤需12 h后土壤湿度受影响;（3）土壤饱和状态下，10 cm土壤下降10%需要38 h，40 cm土壤由90%到80%则需要经过168 h;（4）连续性降水出现24 h后，各土层湿度趋于稳定。

关键词 土壤湿度;降水量级;变化

中图分类号：S152.7 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）10–0077–02

土壤水分是土壤—植被—大气连续体的关键因子，是农业生产的重要影响因子，也是土壤系统中养分循环和流动的载体[1-2]。土壤水分的动态变化是气候波动和时空动态变化的具体表现。自然状态下降水，雨水的渗透再分配与土壤蒸发扩散使得每个层次的土壤水分变化存在差异[3]。土壤水分的垂直变化主要取决于自然降水量和蒸发过程之间的均衡关系[4]。土壤水分多少的表述有多种，本文采用土壤相对湿度来表征土壤水分的多少，分析各层土壤水分变化的特征值。

1 分析方法与结果

根据长白山北坡地区二道国家基本气象站的土壤水分仪数据与地面气象站观测的降水资料，选取2019年1月1日—2020年12月31日期间的降水资料和土壤水分测量数据，筛选其中具有各类降水量级代表性的数据，分析各种级别降水量以及不同类型降水对各层土壤水分的影响特征。

1.1 小到中雨量级降水对10 cm土层土壤相对湿度的影响

1.1.1 小雨量级10 mm左右降水时10 cm土壤湿度的变化特征 结合土壤水分仪测量的数据发现，降水后6 h内10 cm土层的土壤相对湿度上升幅度最大，最大值出现在2019年6月27日，土壤湿度由46.6%上升到87.9%，上升了41.3%;其次是2019年7月3日，土壤湿度由42.6%上升到79.9%，上升了37.3%。土壤湿度上升幅度最小的是2019年8月16日14：00～20：00，由88.9%上升到99.8%，上升了10.9%，降水量12.2 mm，只因其前期土壤湿度偏大，短时间的降水使其达到饱和，影响较小;降水6 h后平均上升幅度可达21.3%;10 mm降水6 h内影响10 cm层的土壤湿度，变化幅度与土壤前期的湿度关系较大。

1.1.2 中雨量级15 mm左右降水时10 cm层土壤湿度的变化特征 10 cm土层土壤湿度6 h内上升值最大在2020年7月9日，降水量为15.8 mm，10 cm土层土壤湿度由60.5%上升到100%，上升了39.5%，集中的降水时段受重力下渗作用，10 cm土层土壤湿度上升大，易达到饱和;最小的是在2020年7月12日，14.5 mm的降水量，10 cm土层土壤湿度由92%上升到100%，上升了8%，因其前期土壤水分充分，故土壤湿度上升缓慢且易达到饱和。

1.2 大雨量级30 mm降水时10～40 cm各层土壤湿度的变化特征

2020年9月7日17：00出现3 mm降水后，48 h内10～40 cm各层土壤湿度的变化情况：10 cm土层土壤湿度6 h上升46.9%，12 h下降4.3%，24 h下降0.6%，48 h下降1.0%;20 cm土层土壤湿度6 h上升38.1%，12 h下降2.3%，24 h下降0.5%，48 h下降0.8%;30 cm土层土壤湿度6 h上升18.2%，12 h上升4.2%，24 h上升1.4%，48 h下降1.1%;40 cm土层土壤湿度6 h未发生变化，12 h上升0.2%，24 h与48 h均上升2.8%，之后的时间里仍然上升（图1）。

1.3 各层土壤湿度达到或接近饱和状态后的变化情况

2020年7月12日后，各层土壤湿度均超过92%，在之后的10 d内各层土壤湿度变化情况：10 cm土层土壤湿度由90%下降到50%，各时间段基本相近，平均为5.2 d;20 cm土层土壤湿度由90%下降到60%，需平均经历8.1 d，在90%到80%的过程较长，其他时间相近;30 cm土层土壤湿度由90%下降到70%需经历7.8 d，前段时间较长，后段时间较短;40 cm土层土壤湿度由90%下降到80%经历的时间平均为6.5 d（表1）。

2 不同性质的降水对土壤湿度的影响

2.1 出现20 mm普通降水对土壤湿度的影响

当20 mm左右的普通降水出现后，由于普通降水时间较长，短时间内10 cm土层土壤湿度不会受到影响。一般情况下，降水量接近15 mm时10 cm土壤出现明显的上升趋势，且上升的幅度与前期土壤湿度大小相关。根据观测数据显示，前期土层土壤湿度小于50%时，降水能够短时升高10 cm土层土壤湿度，水分因重力渗透作用特别明显，上升幅度较大[5]。若前期土层湿度大于70%时，则上升的幅度较小，因重力渗透影响10 cm土层湿度相对缓慢。

2.2 短时强降水对土壤湿度的影响

当出现30 mm左右的短时强降水时，3 h内可以影响到20 cm深度，但影响10 cm土层土壤湿度时的降水量比普通降水量大很多，同时影响的深度远远小于同量级普通降水的影响深度，这是由于土壤对降水的吸收能力有限，未等到降水全部渗入土层而径向流失。30 cm土层土壤湿度在6～24 h内均会上升，平均50 h后开始出现下降。40 cm土层土壤湿度在10 h内无变化，平均在20 h后开始上升。各层土壤湿度上升幅度随土层深度的增加而减小，且受影响的时间明显滞后。

2.3 各层土壤接近或达到饱和状态所需的时间分布

10～40 cm土层土壤湿度均达到或接近100%时，由浅到深时间增加，但不呈线性增加，10 cm与20 cm土层土壤湿度达到饱和时间接近，但40 cm土层土壤湿度达到饱和需要约32 h以上（图2）。近两年的观测资料显示，此类情况需有2 d以上的连续性降水，平均小时雨强为1 mm/h，短時强降水很难影响到40 cm土层深度，且降水量需在50 mm以上。

3 结论

不同量级的降水对浅层土壤水分的影响较为明显，雨水通过重力渗入表层（0～20 cm），使得土壤湿度急剧上升，且表层土壤水分得到累积，故表层的土壤湿度随深度渐增。在20～40 cm处的土壤湿度随降水量增加的影响较小，且比较表层土壤的响应时间滞后，土壤湿度的上升幅度小并且维持时间明显较长。同时，降水对土壤湿度的影响受降水性质与降水量、雨强及降水时长等因素。查阅文献资料显示，地形、土壤性质与类型、植被等自然条件不同，降水对其影响同等重要。

参考文献

[1] 邹文秀，韩晓增，江恒，等.东北黑土区降水特征及其对土壤水分的影响[J].农业工程学报，2011，27（9）：196-202.

[2] 王杰，曹言，张鹏，等.云南省土壤墒情变化特征分析[J].节水灌溉，2016（5）： 97-101.

[3] 宗吉，落桑旺姆.山南地区泽当站农田土壤水分变化特征分析[J].西藏农业科技，2009（1）：8-12.

[4] 张皓，李军，孙国武，等.上海地区土壤水分的时间变化特征分析[J].高原气象，2008（B12）：190-195.

[5] 刁朝强，钱晓刚，黄宁，等.贵阳市烟田土壤水分动态变化特征分析与研究[J].安徽农业科学，2014（17）：5437-5439.

[6] 李洪建，王孟本，柴宝峰.黄土高原土壤水分变化的时空特征分析[J].应用生态学报，2003（4）：515-519.

责任编辑：黄艳飞

Analysis of Variation Characteristics of Soil Moisture under Different Rainfall Conditions

YANG Jun et al（ Changbai Mountain chibei District Meteorological Bureau， Antu， Jilin 133613）

Abstract In order to study the variation characteristics of soil moisture in the Northern Slope of Changbai Mountain， the relative soil moisture data collected by the automatic soil moisture meter at the second station were used in this study. The soil moisture data were collected at four levels of 10 cm， 20 cm， 30 cm and 40 cm in 2019—2020. The changes of soil relative moisture at 6 h， 12 h， 24 h and 48 h after precipitation of different magnitude were analyzed. The results showed that ：（1） precipitation of different magnitude had the greatest influence on soil at 10 cm depth; （2） 10 mm precipitation only had a significant effect on soil moisture at 10 cm depth. After 20 mm precipitation， soil moisture at 10～40 cm was affected， with the greatest variation at 10 cm. After 12 hours at 40 cm， soil moisture was affected. （3） Under soil saturation， it takes 38 h for 10 cm to decrease by 10%， and 168 h for 40 cm to decrease by 90% to 80%; （4） After the continuous precipitation appeared for 24 h， the humidity of each layer tended to be stable.

Key words Soil moisture; Precipitation magnitude; Change