不同降水狀態(tài)下土壤水分的變化特征分析

楊軍 薄萬福 鄧元博

摘要 為了研究長白山北坡地區(qū)土壤墑情變化特征，利用二道站自動土壤水分儀所采集的土壤相對濕度數(shù)據(jù)，取用2019—2020年10 cm、20 cm、30 cm、40 cm共4個(gè)層次土壤的相關(guān)資料，對不同量級降水后6 h、12 、24 h和48 h土壤相對濕度的變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）出現(xiàn)不同量級降水對10 cm深度土壤均影響最大;（2）10 mm量級的降水僅對10 cm深度土壤濕度影響較大;出現(xiàn)20 mm降水后，10～40 cm土壤均受到影響，10 cm土壤變化幅度最大，40 cm土壤需12 h后土壤濕度受影響;（3）土壤飽和狀態(tài)下，10 cm土壤下降10%需要38 h，40 cm土壤由90%到80%則需要經(jīng)過168 h;（4）連續(xù)性降水出現(xiàn)24 h后，各土層濕度趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞 土壤濕度;降水量級;變化

中圖分類號：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）10–0077–02

土壤水分是土壤—植被—大氣連續(xù)體的關(guān)鍵因子，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要影響因子，也是土壤系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體[1-2]。土壤水分的動態(tài)變化是氣候波動和時(shí)空動態(tài)變化的具體表現(xiàn)。自然狀態(tài)下降水，雨水的滲透再分配與土壤蒸發(fā)擴(kuò)散使得每個(gè)層次的土壤水分變化存在差異[3]。土壤水分的垂直變化主要取決于自然降水量和蒸發(fā)過程之間的均衡關(guān)系[4]。土壤水分多少的表述有多種，本文采用土壤相對濕度來表征土壤水分的多少，分析各層土壤水分變化的特征值。

1 分析方法與結(jié)果

根據(jù)長白山北坡地區(qū)二道國家基本氣象站的土壤水分儀數(shù)據(jù)與地面氣象站觀測的降水資料，選取2019年1月1日—2020年12月31日期間的降水資料和土壤水分測量數(shù)據(jù)，篩選其中具有各類降水量級代表性的數(shù)據(jù)，分析各種級別降水量以及不同類型降水對各層土壤水分的影響特征。

1.1 小到中雨量級降水對10 cm土層土壤相對濕度的影響

1.1.1 小雨量級10 mm左右降水時(shí)10 cm土壤濕度的變化特征 結(jié)合土壤水分儀測量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，降水后6 h內(nèi)10 cm土層的土壤相對濕度上升幅度最大，最大值出現(xiàn)在2019年6月27日，土壤濕度由46.6%上升到87.9%，上升了41.3%;其次是2019年7月3日，土壤濕度由42.6%上升到79.9%，上升了37.3%。土壤濕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，只因其前期土壤濕度偏大，短時(shí)間的降水使其達(dá)到飽和，影響較小;降水6 h后平均上升幅度可達(dá)21.3%;10 mm降水6 h內(nèi)影響10 cm層的土壤濕度，變化幅度與土壤前期的濕度關(guān)系較大。

1.1.2 中雨量級15 mm左右降水時(shí)10 cm層土壤濕度的變化特征 10 cm土層土壤濕度6 h內(nèi)上升值最大在2020年7月9日，降水量為15.8 mm，10 cm土層土壤濕度由60.5%上升到100%，上升了39.5%，集中的降水時(shí)段受重力下滲作用，10 cm土層土壤濕度上升大，易達(dá)到飽和;最小的是在2020年7月12日，14.5 mm的降水量，10 cm土層土壤濕度由92%上升到100%，上升了8%，因其前期土壤水分充分，故土壤濕度上升緩慢且易達(dá)到飽和。

1.2 大雨量級30 mm降水時(shí)10～40 cm各層土壤濕度的變化特征

2020年9月7日17：00出現(xiàn)3 mm降水后，48 h內(nèi)10～40 cm各層土壤濕度的變化情況：10 cm土層土壤濕度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土層土壤濕度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土層土壤濕度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土層土壤濕度6 h未發(fā)生變化，12 h上升0.2%，24 h與48 h均上升2.8%，之后的時(shí)間里仍然上升（圖1）。

1.3 各層土壤濕度達(dá)到或接近飽和狀態(tài)后的變化情況

2020年7月12日后，各層土壤濕度均超過92%，在之后的10 d內(nèi)各層土壤濕度變化情況：10 cm土層土壤濕度由90%下降到50%，各時(shí)間段基本相近，平均為5.2 d;20 cm土層土壤濕度由90%下降到60%，需平均經(jīng)歷8.1 d，在90%到80%的過程較長，其他時(shí)間相近;30 cm土層土壤濕度由90%下降到70%需經(jīng)歷7.8 d，前段時(shí)間較長，后段時(shí)間較短;40 cm土層土壤濕度由90%下降到80%經(jīng)歷的時(shí)間平均為6.5 d（表1）。

2 不同性質(zhì)的降水對土壤濕度的影響

2.1 出現(xiàn)20 mm普通降水對土壤濕度的影響

當(dāng)20 mm左右的普通降水出現(xiàn)后，由于普通降水時(shí)間較長，短時(shí)間內(nèi)10 cm土層土壤濕度不會受到影響。一般情況下，降水量接近15 mm時(shí)10 cm土壤出現(xiàn)明顯的上升趨勢，且上升的幅度與前期土壤濕度大小相關(guān)。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)顯示，前期土層土壤濕度小于50%時(shí)，降水能夠短時(shí)升高10 cm土層土壤濕度，水分因重力滲透作用特別明顯，上升幅度較大[5]。若前期土層濕度大于70%時(shí)，則上升的幅度較小，因重力滲透影響10 cm土層濕度相對緩慢。

2.2 短時(shí)強(qiáng)降水對土壤濕度的影響

當(dāng)出現(xiàn)30 mm左右的短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，3 h內(nèi)可以影響到20 cm深度，但影響10 cm土層土壤濕度時(shí)的降水量比普通降水量大很多，同時(shí)影響的深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同量級普通降水的影響深度，這是由于土壤對降水的吸收能力有限，未等到降水全部滲入土層而徑向流失。30 cm土層土壤濕度在6～24 h內(nèi)均會上升，平均50 h后開始出現(xiàn)下降。40 cm土層土壤濕度在10 h內(nèi)無變化，平均在20 h后開始上升。各層土壤濕度上升幅度隨土層深度的增加而減小，且受影響的時(shí)間明顯滯后。

2.3 各層土壤接近或達(dá)到飽和狀態(tài)所需的時(shí)間分布

10～40 cm土層土壤濕度均達(dá)到或接近100%時(shí)，由淺到深時(shí)間增加，但不呈線性增加，10 cm與20 cm土層土壤濕度達(dá)到飽和時(shí)間接近，但40 cm土層土壤濕度達(dá)到飽和需要約32 h以上（圖2）。近兩年的觀測資料顯示，此類情況需有2 d以上的連續(xù)性降水，平均小時(shí)雨強(qiáng)為1 mm/h，短時(shí)強(qiáng)降水很難影響到40 cm土層深度，且降水量需在50 mm以上。

3 結(jié)論

不同量級的降水對淺層土壤水分的影響較為明顯，雨水通過重力滲入表層（0～20 cm），使得土壤濕度急劇上升，且表層土壤水分得到累積，故表層的土壤濕度隨深度漸增。在20～40 cm處的土壤濕度隨降水量增加的影響較小，且比較表層土壤的響應(yīng)時(shí)間滯后，土壤濕度的上升幅度小并且維持時(shí)間明顯較長。同時(shí)，降水對土壤濕度的影響受降水性質(zhì)與降水量、雨強(qiáng)及降水時(shí)長等因素。查閱文獻(xiàn)資料顯示，地形、土壤性質(zhì)與類型、植被等自然條件不同，降水對其影響同等重要。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

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