徐 飛，朱 青，史伯強，廖凱華，鄭錦森

（1.中國科學院 南京地理與湖泊研究所 湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京210008；2.中國科學院大學，北京100049；3.南京市地產發(fā)展中心，江蘇 南京210005）

土壤水是一種重要的水資源，它是四水（地表水、地下水、大汽水、土壤水）轉化的紐帶，為水循環(huán)、能量循環(huán)和生物地球化學循環(huán)中的基本組成部分，在降水、徑流、下滲和蒸散發(fā)等水文過程中起著至關重要的作用［1－3］。此外，太湖流域地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題十分嚴重，其中水環(huán)境問題（如面源污染）尤其突出，而氮、磷等營養(yǎng)元素流失與降水、土地利用方式以及土壤水分運動的關系十分密切［4－5］，因此定量研究太湖流域不同土地利用方式下土壤水分與降水之間的關系，對于該地區(qū)水資源規(guī)劃管理、節(jié)水農業(yè)技術開發(fā)以及調控營養(yǎng)元素的遷移等均具有重要意義。

目前，國內有關土壤水分與降雨時序分析的研究已比較多，如石輝等［6］進行了黃土丘陵區(qū)人工油松林地土壤水分動態(tài)的時間序列分析，宋獻方等［7］進行了華北平原地下水淺埋區(qū)土壤水分動態(tài)的時間序列分析，王曉燕［8］等進行了紅壤坡地土壤水分時間序列分析，王賀年［9］等開展了北京山區(qū)林地土壤水分時間序列分析?？梢?，現(xiàn)有研究區(qū)主要分布在西北、華北和西南地區(qū)，地貌類型主要有坡地、丘陵、山區(qū)、平原以及喀斯特地貌［10］等，已覆蓋我國典型氣候及地貌類型的地區(qū)。然而，對于處在東部季風氣候條件下的太湖流域平原地區(qū)，有關研究則相對比較缺乏，尤其是較高時間分辨率（如日步長）的土壤水分時間序列分析更不多見?；谝陨犀F(xiàn)狀，本研究以日為時間步長，利用時間序列分析法研究太湖流域平原地區(qū)兩種土地利用方式（林地、菜地）下土壤水分與降水的定量關系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處江蘇省南京市高淳區(qū)青山—游子山土地整治區(qū)，位于太湖流域平原地區(qū)西部（31°37′N，119°05′E）。屬于典型的水網(wǎng)平原區(qū)，河湖密布，高程在5～10m之間［11］。氣候類型為亞熱帶季風海洋性氣候，年均降雨量超過1 000mm，降雨充沛，但年內分配不均，多集中在夏季。年平均氣溫15.5℃，全年無霜期約230d，年平均日照時數(shù)達到2 000h。研究區(qū)土地利用類型主要有林地、菜地以及水稻田，土壤水分主要受降雨補給，同時農業(yè)灌溉也是一個主要補給源。試驗區(qū)林地為混交闊葉林，植被覆蓋季節(jié)差異明顯。由于太湖流域地貌類型主要由丘陵和平原組成，其中平原區(qū)占流域總面積的80%，因此，選取林地、菜地兩種典型土地利用類型，對于揭示太湖流域土壤水分與降水之間相關關系具有較好的代表性。

1.2 土壤水分動態(tài)分析方法

選取林地和菜地作為試驗對象，選擇點系統(tǒng)監(jiān)測降雨量和土壤體積含水量動態(tài)變化。在各試驗點分別布設美國Decagon Devices公司生產的EC-5土壤水分探頭，用于測定土壤剖面不同深度（10，20，40，60 cm）的土壤含水量，并同步布設ECRN-50雨量計，記錄降水量。監(jiān)測頻率均為5min，且數(shù)據(jù)自動存儲在數(shù)據(jù)收集儀中，監(jiān)測時段為2012年7月1日至2013年11月29日，期間定期（約1個月）采集下載數(shù)據(jù)。

根據(jù)原始降水量和各層土壤含水量數(shù)據(jù)，計算逐日降水量，得到降雨序列X，然后選取每日同一時刻土壤含水量數(shù)據(jù)，得到土壤含水量時間序列Y。對于兩個時間序列，只要時間上同步，均可用協(xié)方差相關系數(shù)描述其相關性。若原始降雨序列為對于兩個時間間隔相同的平穩(wěn)時間序列X和Y，它們之間的協(xié)相關系數(shù)可以用公式（1）計算［12］：

式中：ρxy——滯后時間為h時，x和y兩個時間序列的協(xié)相關系數(shù)；Sxy（h）——滯后時間為h時，x，y兩個序列的協(xié)方差；Sxx（0），Syy（0）——x，y序列的方差；δx，δy——序列x，y的標準差；h——滯后時間。

對于具有n對觀測數(shù)據(jù)的兩個時間序列（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3）……（xn，yn），時間差為h 的協(xié)方差可由公式（2）計算：

式中：ˉx和ˉy——時間序列x，y的平均值。結合公式（1）—（2），即可計算出協(xié)相關系數(shù)為h時的協(xié)相關系數(shù)。根據(jù)協(xié)相關系數(shù)的大小，可估計兩個序列的協(xié)相關程度。假設該值為0，則表明顯著不相關，如果不為0，則應用Barttett公式計算的2倍標準差來衡量兩序列是否相關。

2 結果與討論

2.1 土壤水分和降水的時間動態(tài)變化特征

研究時段的年降雨量為1 148mm，結合研究區(qū)的多年平均降水特征可知，屬于典型的平水年。其次，降水表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異。夏季降水充沛，月均降水量達到162mm，單季降水量達到年降水總量的將近1／2，其顯著性特點是單次降雨量大，多為中到大雨，甚至暴雨，但降雨連續(xù)性差。與此不同的是，降水在秋、冬、春等季節(jié)時偏小，月均分別為82，79，63mm。

表1為研究時段內林地菜地在不同季節(jié)土壤水分統(tǒng)計特征。由表1可以看出，土壤含水量存在較為顯著的季節(jié)變化和剖面變化，且這種變化在林地、菜地兩種不同類型的土地利用方式下又有所不同。首先，各季節(jié)土壤含水量的平均值在林地和菜地均是夏季最高，而變異系數(shù)則是秋季最大，其他季節(jié)因在不同深度差異明顯而整體關系較復雜。其次，在研究時段內，土壤含水量自表層10cm向下至60cm總體呈增加趨勢，變異系數(shù)則呈減小趨勢。土壤水分含量及變異在垂向上的差異可能是與不同土層土壤的滲透、持水特性以及蒸發(fā)能力的差異有關，而這又是由土壤結構剖面和孔隙坡面決定的［13］。土壤含水量的這種剖面變化同樣因土地利用方式的不同而存在差異，菜地土壤含水量在垂直方向之差在各個季節(jié)都超過了1cm3／cm3，與菜地相比，林地土壤含水量在剖面上的差異較小，表層（10cm）與深層（60cm）土壤含水量之差除冬季外均小于0.05cm3／cm3。

表1 林地、菜地各層土壤水分的統(tǒng)計特征

2.2 降雨與土壤含水量自相關分析

分別對降水序列和林地、菜地各層土壤水分序列作自相關分析（圖1）?？梢钥闯觯?012年7月至2013年11月研究區(qū)內降水系列不具有相關性（p＞0.1），而兩種土地利用方式下各層土壤含水量序列均存在極為顯著的相關性（p＜0.05）。這充分說明降水的隨機性很強，相鄰兩次降雨之間并無統(tǒng)計意義上的聯(lián)系，同時土壤含水量受前期含水量的影響較為明顯，但這種影響隨時間推移逐漸減弱。

土壤含水量序列相關性主要受土壤深度的影響，表層土壤水分的相關性和相關時間長度均小于較深層次，這說明越接近于表層，土壤含水量穩(wěn)定性越差。這是由于表層土壤水分受土面蒸發(fā)、植物蒸騰等作用的直接影響［6］，同時又容易通過下滲而流失，導致波動較大。而深層土壤水分受這些因素影響相對較小，因此相關性高于表層。但由于各深度土層間土壤含水量相關性同樣很高，且含水量為連續(xù)變化［14］，故相關性大小在垂向上差異并不大。

圖1 研究區(qū)菜地、林地土壤水分含量的自相關系數(shù)

2.3 降雨量與土壤含水量的協(xié)相關分析

對降雨量和兩種土地利用方式下各層土壤含水量進行協(xié)相關分析（圖2—3）。由圖2—3可以看出，土壤水分與降雨量之間存在一定相關性，相關時長在1～8d內會因土地利用方式和季節(jié)等的不同而存在差異，且相關性大小及相關時長由表層向下逐漸減小。與王曉燕［8］在南方紅壤坡地進行的研究相比，本研究中降水與土壤含水量之間的相關性較小，且隨著滯后時間的增加，協(xié)相關系數(shù)的變化規(guī)律存在較大差異，這說明影響本研究區(qū)土壤水分的因素較復雜，比如季節(jié)、土地利用方式、農業(yè)活動等均可能對土壤含水量產生重要影響。

圖2 菜地不同季節(jié)不同深度土壤水分與降水的協(xié)相關系數(shù)

圖3 林地不同季節(jié)不同深度土壤水分與降水的協(xié)相關系數(shù)

2.3.1 不同季節(jié)和土壤深度下降水與土壤含水量協(xié)相關分析 土壤水分與降雨量之間的相關關系受到季節(jié)和土壤深度的影響。以林地為例，相關時長的季節(jié)差異較為明顯，但在除冬季以外的各季無論是相關時長還是相關系數(shù)，受土壤深度的影響均較小。在夏、秋季節(jié)降雨對各層土壤水分的有效影響時間分別達到7和8d，在春季為5d，而冬季僅表層（10和20 cm）有3～4d。林地相關系數(shù)隨滯后時間增加其變化規(guī)律相似，多成先增加再下降的峰型甚至雙峰型。尤其需要注意的是，相關系數(shù)在冬季深受土壤深度的影響，表層（10和20cm）土壤含水量與降水的相關系數(shù)明顯大于其他季節(jié)，且最大相關時間出現(xiàn)在雨后第1d，而較深層次則不具有統(tǒng)計意義上的相關性。這可能是由于該研究區(qū)降雨季節(jié)性變化，以及不同季節(jié)植被的生長狀況可能存在差異。冬季林地針闊葉混交林茂密度不及其他季節(jié)，對降雨的截留能力減小，初始和穩(wěn)定入滲率偏低，入滲補給系數(shù)減小，導致降雨對表層（10，20cm）土壤含水量的影響大，對深層（40，60cm）影響極小，且有效影響時間短。

菜地降水和土壤含水量之間的關系隨季節(jié)、深度的變化同樣表現(xiàn)出較大差異，這主要體現(xiàn)在相關時長和最大相關性時間兩方面。降水與自表層向下各層土壤含水量之間的相關時間域在夏季分別為1～4d，1～3d，1～2d，0d，在冬季分別為0d，3～5d，1～5 d，3～4d，在春季分別為0d，1～4d，1～4d，1～6d，而在秋季除表層10cm以外各層土壤含水量與降水均無統(tǒng)計意義上的相關性。由此可見，相關時長總體上在春季最長，秋季最短，夏季和冬季居中。且夏、秋季節(jié)相關時長自表層向下呈遞減趨勢，但在冬春季節(jié)卻呈截然相反的“倒掛”現(xiàn)象。這是因為菜地40cm深度由于土壤分層明顯，且不易透水，致使其土壤含水量一直偏高，在夏秋季節(jié)與降水無明顯相關性，而在冬春季節(jié)卻使得該層與20和60cm深度的土壤含水量均與降水存在較好的相關性。加之冬春季使用了塑料大棚，阻隔了降水對表層土壤水分的影響，因而相關時長隨土壤深度的增加而增加。對于菜地降水與土壤含水量最大相關性時間，在夏季為雨后第1 d，但在冬季和春季，多出現(xiàn)在雨后第2d甚至第3d。

2.3.2 不同土地利用方式下降水與土壤含水量協(xié)相關分析 兩種土地利用方式下土壤含水量與降雨的相關時長及相關系數(shù)隨滯后時間的變化規(guī)律存在比較明顯的差異。首先，就相關時長而言，整體上林地要長于菜地，林地除冬季外降水對土壤水分的有效影響時間均達到或超過5d，而菜地則普遍小于5d。其次，菜地土壤含水量對降雨的響應速度總體上要快于林地，表現(xiàn)為最大相關時間早于林地，這在夏秋季節(jié)尤為明顯。林地最大相關時間多出現(xiàn)在雨后第2天，且林地相關系數(shù)的變化幅度除冬季外較菜地更為平緩。這是因為林地和菜地的植被類型不同，植被不但通過冠層截留影響入滲，而且對降水進行再分配，此外不同植被的根系吸水能力也有較大差異。

受農業(yè)活動的影響程度不同，林地土壤含水量對降雨響應的規(guī)律性要強于菜地。與較少受外界干擾的林地不同，為保證作物的正常生長，菜地受到的人為活動較為頻繁，如作物種植時的翻耕，干旱時灌溉補給，和冬、春季節(jié)的塑料大棚保溫等，從而改變了土壤的入滲量、保水能力，致使菜地與降水的相關關系變得復雜，其在垂向剖面上以及季節(jié)上的變化規(guī)律遠不及林地顯著。

3 結論

（1）降水是土壤水分含量的一個重要影響因素，但影響程度因季節(jié)、土壤深度、土地利用方式的不同而存在差異。

（2）不同的季節(jié)和土壤深度降水對土壤水分的影響不同，對林地而言，可歸納為夏、球季最大（7～8 d），冬季最?。?～4d），此外林地除冬季外深度對相關關系的影響較小。菜地秋季除表層外土壤含水量與降水無統(tǒng)計意義上的相關性，在夏季與冬春季節(jié)隨土層深度的增加，土壤含水量與降水的相關時長呈截然相反的變化趨勢，同時夏季的最大相關時間早于冬、春季節(jié)。

（3）土地利用方式是影響降雨和土壤水分之間關系的一個重要因素，總體而言，林地降水對土壤含水量的影響要大于菜地，且由于人為活動影響程度不同以及植被類型的差異，林地土壤含水量與降水間相關關系變化要優(yōu)于菜地。

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