东风渠灌区土壤水热环境及气象影响因子的响应研究

王 葵，周伍光，王君勤，谭唯薇，詹光菊，樊 毅

（1.四川省水利科学研究院，四川 成都 610000； 2.四川省都江堰水利发展中心东风渠管理处，四川 成都 610081）

0 引 言

土壤水热环境对作物生长有着重要影响，不同种类作物对土壤水分和温度要求不同，国内外学者通过不同的农艺措施［1-3］、灌溉方式［1-3］改变土壤水热环境，结合土壤水分传感器、温度传感器和作物的生长状况，确定作物适宜的土壤水热环境。土壤水分和温度的变化特征，一直备受国内外学者关注［3-6］，WILLIAMS等人［6］研究了区域性和非区域性玉米耕作，通过分析美国玉米带土壤水热、气象变化、玉米发育等，确定了当地适宜的耕作管理方式。毛一男等人［7］通过探究不同施肥水平下夏玉米土壤呼吸速率及土壤水热环境的变化，建立了土壤表层温度、含水率与土壤呼吸速率的模拟方程，并取得了较好的模拟效果。土壤水热变化不仅仅影响土壤呼吸［8，9］，还作为SPAC连续体中重要的组成部分，直接影响着土壤蒸发，以及作物蒸腾［10］、光合速率［11］等生理活动。土壤水分过低，易导致作物生理性缺水，若作物长期处于缺水状态，受到干旱胁迫，可能导致作物减产或死亡；土壤水分过多，形成涝灾，也会影响作物产量，因此，适宜的土壤水分对作物栽培十分重要。土壤温度也是学者们关注的重点，学者们［12-14］认为，土壤温度反映了能量在土壤和大气、土壤和植物之间的传递关系，与土壤热通量具有较好相关性，并以此相关性建立了土壤热通量模型［13，14］，土壤热通量在许多作物生长模型中有着重要作用。

土壤水热变化的影响因子较多，但主要受到气象因子［15-18］、地形地貌［19］以及人为因素［1，2，4，5，7，11，20］的影响，其中人为因素包括土壤地被植物［21］、耕作方式［22］、农艺措施［2，20］以及灌溉［5］等。水热变化的影响因子较为复杂，为了分析土壤水热变化与气象因子的关系，较为准确的确定气象因子对土壤水热环境的影响，研究以东风渠管理处灌区土壤为研究对象，研究土壤不做作物种植，同时避免人为因素的影响，利用传感器自动采集土壤水热数据和气象数据，分析土壤水热变化特征以及气象影响因子，为农业生产活动中土壤水热管理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据的采集

本文数据观测于东风渠试验基地，东风渠试验基地位于成都市新都区狮子包，经度104.16°，纬度30.73°，海拔474 m，地属东风渠管理处灌区北干渠。

气象数据来源于试验站内气象站，数据通过农抬头物联网管理平台进行下载，包括光照度、空气温度、相对湿度、风速，采集时间间隔为1 h，采集的时段为：2020年12月至2021年12月，由于5-9月雨季，气象站的供电系统和防雷系统损坏，导致期间有56 d的数据缺失，分别是5月11日-5月27日、7月15日-8月7日、8月14日-9月1日，因此，文中用于分析的气象数据不包括56天丢失的数据。

土壤水热数据、降雨数据由SoilScope土壤生态水文蒸渗控制观测系统中雨量筒、土壤水分和土壤温度传感器采集，土壤温湿度传感器分别采集距地表10、20、40、60 cm深度土壤水热数据，采集时间间隔为1 h，数据时间段为：2020年12月初至2021年11月底，数据完整。

表1 晴雨天气下各层土壤温度变异系数CvTab.1 Variation coefficient Cv of soil temperature in each layer under sunny and rainy weather

1.2 数据处理

分析土壤水热的年内变化时，将小时数据整理为日数据，温度和水分做均值处理，雨量做累计处理，以2020年12月至2021年2月为冬季，2021年3-5月为春季，2021年6-8月为夏季，2021年9-11月为秋季，分别对四个季节的不同土壤层的水热特征进行分析，用于对比不同季节各层土壤水热变化差异。

筛选晴雨天气，用于分析晴天和雨天下土壤水热变化特征。晴天选择时要求前一天无降雨，以避免降雨对各层土壤的影响，此外，须选择光照度较大、稳定的晴天，避免筛选出阴天和多云天气；雨天筛选时，为便于分析各层土壤水热变化，在一天中应当有连续性降雨。在选择晴雨天气作为对比分析时，由于秋冬两季符合雨天筛选标准的天数较少，所以每个季节选取1天作为典型晴天、雨天，晴、雨天气对应的时间不宜间隔过大，以避免季节性气候变化，影响晴、雨天气的对比分析。综合以上要求，选择了2021年内的2月14日、3月16日、7月14日、9月11日作为晴天数据，2月15日、3月21日、7月15日、9月13日作为雨天数据。

在对比晴天和雨天土壤水热波动情况时，引入变异系数Cv进行判定，变异系数Cv为无量纲，是标准差和均值的比值，能对两组数据离散程度进行客观比较，变异系数Cv值越大，说明数据离散程度越大，土壤水热数据波动越大。

分析土壤水热变化与气象因子的之间的响应关系时，按照当日是否降雨，将年内土壤水热数据分为非雨天和雨天，结合所具备的气象数据，共有非雨天203 d，雨天106 d。对观测期内土壤水分和土壤温度分别与照度、空气温湿度、风速进行Pearson相关分析，数据处理在IBM SPSS Statistics 23 软件上进行。

2 结 果

2.1 土壤水热变化特征

2020年12月初至2021年11月底，以日为时间尺度的土壤含水率变化、土壤温度变化、降雨等，见图1、2。图1中，土壤水分的波动变化主要在雨季，各土层体积含水率变化与降雨有关，单从降雨对10、20、40、60 cm土层的土壤水分的影响来看，10、20 cm土层的土壤含水率变化易受降雨的影响，而40、60 cm土层的土壤水分受影响较小，40、60 cm土层的土壤水分仅对降雨强度偏高时或发生连续降雨时产生变化，如图1中7月发生的几次较大降雨，40、60 cm土层的土壤水分才发生变化；在雨季时，降雨量相对较大，降雨次数较为频繁，连续大量的降雨使土壤水处于饱和状态，如图1中7月至11月，当发生连续或较强降雨时，各层土壤体积含水率在某一值上下波动，在一定程度上体现出了各层土壤持水能力的高低：40 cm＞20 cm＞60 cm>10 cm；若无发生连续或较强降雨时，土壤水分呈现逐渐递减的特征，例如图1中2020年12月至2021年5月，10、20 cm的变化幅度最大，40、60 cm的变化幅度相对较小，且各层土壤含水率由高到低分别是：40 cm土层、60 cm土层、20 cm土层、10 cm土层。

图1 土壤含水率及降雨的年内变化Fig.1 Annual variation of soil moisture content and rainfall

土壤温度在年内的日变化如图2所示，图2中各层土壤的温度均呈现一致规律，夏季温度较高，春秋两季次之，冬季最低，呈现的变化趋势与空气温度一致，对比各层土壤温度在不同季节的规律，发现在2020年12月至2月、2021年11月时，各层土壤日平均温度由高到低分别为：60、40、20、10 cm；而在5月至10月时呈现出与之相反的规律，各层土壤温度由高到低分别为：10、20、40、60 cm。

图2 土壤温度及降雨的年内变化Fig.2 Annual variation of soil temperature and rainfall

2.2 晴雨天气下土壤水热变化特征

不同天气下，土壤水分与温度的变化不同，本文分别选取4个季节1个典型晴天和雨天，用以对比分析晴、雨天气下，土壤水热变化的特征，如图3、4所示。图3中晴雨天气下土壤温度变化特征差异明显，晴天的土壤温度变化幅度高于同季雨天，尤其是10、20 cm土壤层变化差异较为明显，但40、60 cm的土壤层温度在晴雨天变化差异不明显，为便于分析，量化各层土壤在晴雨天气下的波动差异，此处利用变异系数Cv来体现二者离散程度，统计结果见表1。

图3 晴雨天气下土壤温度变化Fig.3 Soil temperature change in sunny and rainy days

表1中，夏季雨天10 cm土层的温度变异系数Cv值小于晴天Cv值，20 cm土层温度雨天Cv值大于晴天Cv值，其余季节10、20 cm土壤温度晴天的变异系数Cv值均大于雨天，晴天比雨天的温度波动大，而40、60 cm土壤温度在晴雨天气的差异并无明显规律，但比较各层土壤温度的变异系数Cv值，发现40、60 cm土壤温度Cv值小于10、20 cm土壤温度Cv值，深层土壤的温度较浅层土壤稳定。

图4中，分别是晴天和雨天对应下的土壤水分变化特征，晴天中土壤水分的日变化均较小，呈递减趋势，并无明显波动，而雨天呈现出不同的土壤水分变化特征。雨天2月15日、3月21日、9月13日的土壤水分波动较小，7月15日的土壤水分波动较大。在7月15日2时至3时，发生较大降雨，10和20 cm土壤水分波动较大，10 cm土壤层的土壤水分由24.55%增加到27.75%左右，随后在1个小时内大致稳定在27.5%。20 cm土壤层的土壤水分波动的时间滞后于10 cm土壤层，滞后大约1小时，土壤水分变化由26.6%增加至29.04%；40 cm土壤层的土壤水分逐渐增大，由开始降雨时的30.25%到降雨结束后的32.2%；随着18时至21时较大的降雨发生，60 cm土壤层土壤水分也发生波动，由18时的24.47%增加至20时的28.46%。

图4 晴雨天气下土壤水分变化Fig.4 Change of soil moisture in sunny and rainy days

为了量化分析晴天和雨天下各层土壤水分波动情况，引入了变异系数Cv值进行比较，各层土壤在不同天气下土壤水分Cv值见表2，冬季、春季、秋季所选取的晴雨天气在10、20 cm土壤水分波动差异呈现一致规律，晴天的变异系数Cv值均大于雨天，而在更深层土壤（40、60 cm）的波动规律不明显；在夏季选取的晴天和雨天在各层土壤水分变化差异较为明显，由表2知，雨天的土壤水分Cv值均大于晴天，且相对于其他季节的雨天Cv值较大，波动较大。

表2 晴雨天气下各层土壤水分变异系数CvTable 2 Variation coefficient Cv of soil water in each layer under sunny and rainy weather

2.3 土壤水热变化对气象因子的响应

土壤水热对各气象因子的响应不同，与土壤水热呈现出正相关或负相关，但在自然环境中，土壤水热往往在各气象因子交互影响下变化，尤其是发生降雨时，其相关性统计结果可能会出现偏差。学者们在对土壤水分与气象因子进行相关性分析时，温度与土壤水分表现出正、负两种不同的相关关系，这一结果可能是夏季气温偏高，但降水量较大，土壤的含水率增大，此时呈现的统计学规律是空气温度与土壤含水率呈现负相关，正是由于气象因子的交互影响，导致规律的偏差，为了避免这一现象，本次研究将雨天和非雨天分别进行分析，相关性结果如表3、表4所示。

表3 非雨天土壤水热与气象因子的相关性Tab.3 Correlation between soil moisture and heat and meteorological factors in sunny days

表4 雨天土壤水热与气象因子的相关性Tab.4 Correlation between soil moisture and heat and meteorological factors in rainy days

由表3可知，在未发生降雨时，土壤温度与空气温度相关性最好，呈正相关关系，10、20、40、60 cm土壤层相关性分别为：0.944、0.912、0.894、0.882，均通过0.01水平显著性检验，其次与相对湿度相关性较好，呈负相关关系；土壤水分与空气温度相关性最好，呈负相关关系，10、20、40、60 cm土壤层相关性分别为：-0.431、-0.201、-0.164、-0.52，均通过0.01水平显著性检验，土壤水分与相对湿度、风速相关性较好，分别呈现正相关关系和负相关关系，土壤水分与光照度相关性最差，为负相关关系。

由表4可知，在雨天天气下，相对湿度与土壤温度相关性最好，二者呈正相关关系，10、20、40、60 cm土壤层相关性分别为：0.387、0.157、0.162、0.132，均通过0.01水平显著性检验。其次，空气温度与土壤温度也具有较好的相关性，但空气温度与土壤温度同时存在正负相关的关系。降雨和风速对雨天土壤温度具有一定的相关性，分别是正相关、负相关。光照度与土壤温度的相关关系最弱；雨天土壤水分与空气温度相关性最好，呈现正相关关系，其次为风速，与土壤湿度呈现负相关关系，光照度和降雨，均与土壤水分表现出正相关关系，相对湿度与雨天土壤水分相关性较差。

通过对比非雨天和雨天下各层土壤水热与气象因子的相关关系，发现随着土壤深度的增加，其相关系数值越小，气象因子对土壤水热的影响随土壤深度增加，逐渐递减。

3 讨 论

3.1 土壤水热特征的年内变化

土壤温度在年内变化具有季节性特征，杨荣赞等人［17］分析了樱桃园各层土壤温度在年内的变化，其结果显示土壤温度年内变化大致呈倒“V”型，冬季土壤温度低，夏季土壤温度高，这与本次研究结果一致，对比各季节各层土壤的温度后，发现冬季表层土壤温度低于深层土壤温度，而夏季表层土壤温度普遍高于深层土壤温度，范爱武等人［23］也发现这一现象，但未作讨论分析，而代成颖等人［24］在对黄土高原裸土进行土壤温度算法分析时，认为土壤温度在年内呈现正弦波动，且土壤温度算法在垂直方向上高估了振幅和相位，振幅随着土壤深度增加而逐渐减小。热量在土壤的垂直传播过程中是呈现递减的趋势，结合代成颖等人的研究，本次研究发现气象因子与土壤温度相关性随土层深度增加而减小，表层土的土壤温度易受气象因子的影响，深层土壤受影响相对较小，从而表现在热传导计算土壤温度时，表层土壤振幅大于深层土壤的振幅。

土壤水分在春、秋、冬季变化波动较小，尤其是40 cm与60 cm层土壤水分变化，而在夏季雨季时，土壤含水量相对较大且波动频繁，与顾天真［25］、黄倩［26］等人的研究结果一致。顾天真等人通过分析启东市土壤水分变化，发现5月初到10月底土壤墒情变化幅度较大，其余月份变化相对较小，且表墒变化较低墒更为直接；黄倩等人认为土壤含水量季节差异明显，高值区主要分布在夏季，低值区分布在冬春季。

3.2 晴雨天气下土壤水热变化差异

晴雨天气下土壤水热变化差异主要体现在10、20 cm土层，晴天土壤温度的波动一般大于雨天，但对于图3中2021年7月15日的雨天土壤温度变化，在20 cm土壤温度的波动，雨天大于晴天，究其原因可能是因为高强度的降雨导致土壤温度的变化，当日雨天下各层土壤温度均呈现下降趋势，连续高强度的降雨对深层土壤温度也具有一定影响。四个季节中40、60 cm土层在一天中的波动均较小，在晴雨和季节中，无明显规律。

晴天中土壤水分波动不明显，而雨天下土壤水分变化呈现出不同的特征，学者们认为，降雨是影响土壤水分的重要气象因素之一，但本次研究发现，降雨并不一定能引起表层土壤水分变化，降水分为有效降水和无效降水，有效水是能被保留在作物根区的降水量［27］，而无效降水对作物根系分布层土壤水分无影响；此次研究选取的雨天中，2月15日、3月21日、9月13日均为无效降雨，当日降雨量较小，导致了各层土壤水分无明显变化，而7月15日发生了较大且连续的降雨，使得10、20、40、60 cm土层的土壤水分在前后均发生明显变化，在发生降雨时，20 cm土壤水分滞后于10 cm土壤水分1小时左右，这与土壤质地和水分在土壤垂直方向上的下渗速度有关，综上，自然状态下土壤水分与降雨有关，当降雨为有效降水时，降雨是影响土壤水分的重要气象因素之一，同时较深层土壤水分变化与降雨强度有关。

3.3 土壤水热对气象因子的响应

在不同天气下，土壤水分和温度对气象因子的响应不同，在非雨天，土壤温度与空气温度相关性最好，呈正相关关系，其次与相对湿度相关性较好，呈负相关关系。常耀文等人［15］在对荒漠草原的土壤水热变化进行分析时，认为影响土壤水热主要气象因子是温度和降水；土壤水分与空气温度相关性最好，呈负相关关系，其次与相对湿度、风速相关性较好，分别呈现正相关关系和负相关关系，这与张桂珍等人［18］的研究结果一致，张桂珍等人认为土壤含水量与温度、日照时数呈负相关，与降水量、相对湿度呈正相关。

在雨天天气下，土壤温度与相对湿度相关性最好，二者呈正相关关系。其次，土壤温度与空气温度也具有较好的相关性，但空气温度与土壤温度同时存在正负相关的关系，这与降雨强度有关，较小强度的降雨，较大强度的降雨会影响土壤水热，如图3、4中7月15日所示，土壤温度在当天持续降低，与空气温度的相关性有所降低。降雨、风速与雨天土壤温度具有一定的相关性，分别是正相关、负相关。光照度与土壤温度的相关性最小；雨天土壤水分与空气温度相关性最好，呈现正相关关系，其次为风速，与土壤湿度呈现负相关关系，光照度和降雨均与土壤水分表现出显著性正相关关系。与赵广东等人［16］的研究结果一致，但与王丽丽、张桂珍等人的研究结果略有差异，王丽丽等人的研究结果中土壤水分与降雨的相关性最好，张桂珍等人［18］认为土壤水分与降水量、相对湿度较好的呈正相关。结合本次研究分析，学者们得出不同的相关性结果，可能是降水强度及频次的差异，小降雨量对土壤水分影响较小，而较大降雨强度的发生，导致各层土壤水分快速增大，如2-4中雨天所示，这些都会影响降雨和土壤水分的相关性。

土壤温度和土壤水分在不同土壤层对气象因子的响应不同，随着土壤深度的增加，气象因子与土壤水热的相关系数值越小，而降雨是深层土壤水分变化的主要因子，这与杨荣赞［17］、唐春燕［28］、GU X［29］等人的研究结果一致，杨荣赞等人［17］认为随土壤深度增加，土壤水分、土壤温度稳定性提高；唐春燕等人［28］发现深层土壤墒情变幅区间小，表层土壤墒情变幅区间大，认为表层土壤墒情更容易受外界因素影响。GU X等人［29］认为水汽压差（VPD）是表层土壤水分动态的主要控制因素，而深层土壤水分的变化主要由降水控制。

4 结 论

土壤水热变化作为SPAC系统中重要的组成部分，备受学者们关注，其变化直接影响着作物正常的生理活动，因此，本次研究基于2020年12月至2021年东风渠灌区全年土壤温度和水分数据，探讨分析了东风渠灌区土壤水热年内变化、晴雨天气下水热变化特征、晴雨天气下土壤水热变化对气象因子的响应等，得出以下主要结论。

（1）各层土壤温度在夏季偏高，冬季偏低，夏季各层土壤日平均温度大小为：表层土壤＞深层土壤，冬季规律与之相反；在雨季时，土壤水分波动较大，相对较高，一定程度上反映了监测点各层土壤持水能力的高低：40 cm＞20 cm＞60 cm>10 cm；在非雨季时，土壤水分逐渐减小，10、20 cm土壤水分的变化相对深层土壤较大。

（2）晴天土壤温度波动一般大于雨天，主要体现在10、20 cm土层，但发生连续降雨或强降雨，使各层土壤温度持续下降，土壤温度波动则大于晴天；晴天土壤水分波动较小，而雨天土壤水分受降雨量影响，当降雨为有效降水时，降雨是影响土壤水分的重要气象因素之一，深层土壤水分变化与降雨强度有关。

（3）不同土层的土壤水热在雨天和非雨天下对气象因子的响应不同，非雨天，空气温度与土壤温度（正相关）、土壤水分（负相关）相关性最好；雨天，土壤温度与相对湿度相关性最好，二者呈正相关关系。雨天土壤水分与空气温度相关性最好，呈现正相关关系，其次为风速，呈现负相关关系。气象因子对土壤水热的影响随土壤深度增加，逐渐递减。