降雨对土壤湿度的影响规律研究

2015-07-28 07:31陈凤琴耿灵生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
山东水利 2015年5期
关键词:土壤湿度降雨量

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

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