上海地區(qū)土壤含水量的時間分布特征

上海地區(qū)土壤含水量的時間分布特征

1土壤水分動態(tài)變化研究土壤含水量是決定土壤肥力的重要因素。農(nóng)作物產(chǎn)量形成的實質(zhì)是物質(zhì)和能量的積累,是農(nóng)作物吸收土壤中的養(yǎng)分和水分,通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為生物能。在這一過程中,土壤水分作為土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體,對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有很大的影響。在全球土壤濕度計劃(GlobalSoilWetnessProject,GSWP)中,土壤水已被作為專門的議題來進行探討和研究,并且已經(jīng)成為全球變化研究的焦點之一。近年來,全球與水有關(guān)問題的日益嚴重,與水相關(guān)問題的研究也越來越深入。土壤水分的主要來源是自然降水,而自然降水又必須轉(zhuǎn)化為土壤水才能為作物所利用。土壤水的動態(tài)變化及區(qū)域差異不但對于區(qū)域水文,而且對氣候都有著較大的影響。關(guān)于土壤水分動態(tài)變化,國內(nèi)北方地區(qū)已開展很多研究,如孔學(xué)夫等系統(tǒng)研究了甘肅中部和東部旱地農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化規(guī)律;何其華等對干旱半干旱區(qū)山地的土壤水分動態(tài)變化進行分析,并闡述了降水、氣溫、太陽輻射等氣象因子,以及山地坡向、坡度和坡位等地形因子對土壤含水量空間分布的影響;李洪建等研究了晉西北黃土丘陵區(qū)人工林的土壤水分變化規(guī)律,將土壤水分年內(nèi)變化分為積累型、消耗型和平衡型;楊新民研究了我國黃土丘陵區(qū)0~200cm土壤水分動態(tài),得出了土壤水分含量為降低型的結(jié)論;錢莉等使用統(tǒng)計方法,對河西走廊東部武威市農(nóng)耕期耕作層土壤水分的地域分布、時間演變和垂直變化等特征進行了分析;余峰等對寧夏彭陽縣水平梯田土壤水分的時空變化規(guī)律進行分析,闡述了梯田土壤水分季節(jié)變化的4個時期和垂直變化的3個層次變化規(guī)律;侯大山等采用定點觀測的方法,對冀西北高原不同植被土壤含水量的動態(tài)變化進行了比較研究。然而,上述研究多是針對北方干旱半干旱地區(qū)開展的,對于東部沿海等降水豐富地區(qū)的土壤水分動態(tài)變化研究還比較少。上海位于長江三角洲地區(qū)的東部,其地理位置和氣候條件決定了該地區(qū)的自然降水資源較為豐富,但降水的季節(jié)分布不均勻,且極端天氣事件的頻繁發(fā)生嚴重影響了上海地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食產(chǎn)量。本文根據(jù)上海地區(qū)3個土壤水分自動監(jiān)測站資料,分析了上海地區(qū)不同季節(jié)和不同天氣類型下土壤水分時間變化規(guī)律,以期為上海地區(qū)農(nóng)業(yè)耕作制度的完善、生產(chǎn)措施的制定和建立符合本地實際的土壤水分預(yù)測模型提供科學(xué)依據(jù)。2數(shù)據(jù)和方法2.1土壤水分的測定本研究所用的上海土壤水分資料為上海郊區(qū)松江、崇明和嘉定3個觀測站10,20,30,40和50cm共5個層次的土壤體積含水量,時間為2007年7月1日\_2008年6月30日連續(xù)一周年,站點分布如圖1所示。觀測儀器為美國Campbell公司生產(chǎn)的EasyAG土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng),數(shù)據(jù)采樣頻率為1min,存儲30min的平均值。儀器分辨率為0.008%,精度為±0.06%。2.2不同季節(jié)和空間對土壤相對濕度的影響本文利用MicrosoftExcel軟件的VBA編程工具對上海各站土壤水分數(shù)據(jù)進行處理和計算,并利用MicrosoftExcel和Surfer8.0進行地圖顯示。參考天氣學(xué)標準,以日照時數(shù)和降水作為劃分依據(jù)(表1),將天氣類型劃分為晴天、陰天、多云和雨天四種天氣類型,并定義3~5月為春季,6~8月為夏季,9~11月為秋季,12月~次年2月為冬季。首先,分析了上海土壤相對濕度在不同季節(jié)和不同天氣型下的日變化特征;然后選取上海降水偏多的4~10月為研究時段,選取10,20和50cm作為研究層次,分別簡述了上海旬土壤相對濕度和旬降水量的變化特點及相互關(guān)系。為了使自動監(jiān)測數(shù)據(jù)更貼近實際,每隔半年對上海各站土壤進行采樣,并采用“烘干法”獲得土壤容重和田間持水量數(shù)據(jù),并以此將體積含水量轉(zhuǎn)換為土壤相對濕度,對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校正。其轉(zhuǎn)換關(guān)系表示為R=QP×W×100%,(1)R=QΡ×W×100%,(1)式中,R為土壤相對濕度,Q為土壤體積含水量,P為土壤容重,W為土壤田間持水量。將上海各站的土壤相對濕度進行平均,作為上海土壤水分的平均狀況。采用樣本平均標準化距平作為統(tǒng)計量對土壤相對濕度進行處理,并分析其在不同天氣類型和不同時段的變化特征。樣本平均標準化距平表示為M=xi?xˉxˉ×100%,(2)Μ=xi-xˉxˉ×100%,(2)式中,M為平均標準化距平,xi為某要素序列的一個樣本,xˉxˉ為該要素序列樣本的平均值。σ為該要素序列樣本的標準差。3結(jié)果分析3.1豐富季節(jié)土壤相對濕度日變化圖2為上海地區(qū)四季10~50cm共5個層次土壤相對濕度的日變化分布。四季表層土壤(10cm)相對濕度日變化均呈單峰型分布(圖2a),夏季波峰和波谷出現(xiàn)的時間最早,其次為春季和秋季,冬季最晚。夏季11時土壤相對濕度標準化距平最高,為2.12;冬季08時標準化距平最低,為-1.46。20cm四季土壤相對濕度日變化大致呈單峰型分布(圖2b),除夏季10~12時出現(xiàn)次高峰外,各季節(jié)波峰波谷出現(xiàn)時間基本一致,其中秋季16時土壤相對濕度標準化距平最高,為1.93;春季08時標準化距平最低,為-1.55。30cm四季土壤相對濕度日變化大致呈單峰型分布(圖2c),春、秋、冬季波峰波谷出現(xiàn)時間相差不大,而夏季03~05時標準化距平值較其他三季偏低,08~12時距平值偏高。四季中夏季18時土壤相對濕度標準化距平最高,為2.44;秋季11時標準化距平最低,為-1.67。40cm和50cm四季土壤相對濕度標準化距平日變化分布差異較大(圖2d、2e)。冬季日變化大致呈單峰型分布,春、秋、夏季日變化規(guī)律并不明顯。40cm四季中夏季09時土壤相對濕度標準化距平最高,為2.79;冬季08時標準化距平最低,為-2.16。50cm秋季00時標準化距平最高,為2.77;夏季12時標準化距平最低,為-2.59。從層次變化角度看,10~30cm土壤相對濕度在同一季節(jié)日變化波峰和波谷出現(xiàn)的時間隨深度的增加逐漸推遲,波峰出現(xiàn)的時間由10cm的13時推移至30cm的20時,波谷由10cm的04時推移至30cm的10時,而40cm和50cm土壤沒有出現(xiàn)這種規(guī)律性變化。3.2模擬的土壤相對濕度標準化距平和保水天氣時土壤基層蝦體性狀以其最大出現(xiàn)圖3為上海地區(qū)土壤相對濕度標準化距平在不同類型的天氣特征條件下的日變化情況?？偟膩砜?四種天氣類型下各層土壤相對濕度日變化分布可分為4種類型:雨天均呈“持續(xù)升高”型;10,20和30cm土層在晴、陰、多云天氣均呈“降低—升高—降低”型;40cm和50cm土層在晴、多云天氣均呈“降低—升高”型,在陰天均呈“持續(xù)降低”型。10cm(圖3a)土壤相對濕度標準化距平在多云天氣13時最高,為1.34;在晴天23時標準化距平最低,為-2.17。除雨天外,00~08時陰天距平高于晴天和多云天氣,09~23時則剛好相反。20cm(圖3b)土壤相對濕度標準化距平在陰天0時最高,為2.20;在陰天23時標準化距平最低,為-1.99。除雨天外,00~10時陰天距平高于晴天和多云天氣,11~14時三種天氣類型下距平相差不大,15~23時陰天距平明顯低于晴天和多云天氣。30cm(圖3c)土壤相對濕度標準化距平在陰天00時最高,為2.38;在晴天和多云天氣11時出現(xiàn)最低值,均為-1.51。除雨天外,00~15時陰天距平高于晴天和多云天氣,16~23時陰天距平低于晴天和多云天氣。40cm和50cm(圖3d、3e)土壤相對濕度標準化距平最高值均在多云天氣00時出現(xiàn),分別為2.18和2;40cm標準化距平在雨天00時出現(xiàn)最低值,為-1.75,50cm標準化距平在晴天18時出現(xiàn),為-1.56。對比10,20和30cm晴天、陰天和多云天氣土壤相對濕度標準化距平分布,可以看出,在三種天氣類型下20cm標準化距平日變化波峰和波谷出現(xiàn)的時間分別比10cm推遲了約4h和2h,30cm波峰和波谷出現(xiàn)時間又分別比20cm推遲了約3h和2h。3.3土壤濕度和降水量的年際變化10cm土壤相對濕度在年內(nèi)變化中,7月中下旬是轉(zhuǎn)折點,此前以正距平為主,11個旬中有9個旬距平值為正,之后以負距平為主,9個旬中有7個旬的距平值為負,年內(nèi)旬標準化距平最高值為2.07,出現(xiàn)在6月中旬;最低值為-1.96,出現(xiàn)在9月中旬。20cm土壤相對濕度旬變化與10cm有較大差異,年內(nèi)相對濕度距平總體呈逐漸升高的趨勢,4月上旬至6月上旬土壤濕度負距平較多,6月中旬至7月中旬全部為正距平,7月下旬至10月中旬主要以負距平為主,最高值出現(xiàn)在9月上旬,標準化距平為1.82;最低值為-1.62,出現(xiàn)在6月上旬。50cm土壤相對濕度年內(nèi)波動趨勢較小,總體呈弱的升高趨勢,春季表現(xiàn)為微弱的負距平,夏季和秋季土壤相對濕度表現(xiàn)為弱的正距平,年內(nèi)標準化距平最高值為1.11,出現(xiàn)在7月下旬和8月上旬,最低值為-2.58,出現(xiàn)在4月上旬(圖4)。與所選土壤相對濕度同時段上海的降水量逐旬分布大致為4月上旬至6月上旬降水量距平百分率全部為負距平,6月中旬至8月上旬中以正距平為主,8月中旬至10月中旬降水量以負距平為主(見圖4)。旬降水量的分布與10cm土壤相對濕度的旬分布在5~10月基本一致,與20cm分布在4,5,6,9,10月基本一致,但與更深層次(50cm)土壤相對濕度的分布差異較大,也就是說淺層土壤含水量受降水影響最大,而隨著深度的增加,二者的關(guān)系逐漸減小。4不同天氣類型土壤相對濕度的日變化本文利用上海地區(qū)3個臺站2007年7月1日至2008年6月30日每30min的土壤體積含水量以及同時段的逐日降水量,從時間角度分析了上海土壤相對濕度日變化特征及其與降水量變化間的關(guān)系,主要結(jié)論如下:(1)上海土壤相對濕度標準化距平在10cm層次各季節(jié)日變化均為單峰型分布,20cm和30cm距平值在除夏季外的其他三季均呈單峰型分布,而冬季距平值在各層次均呈單峰型分布,40cm和50cm距平值在春、夏、秋季的分布規(guī)律并不明顯。四季中各層次標準化距平日變化最大值均出現(xiàn)在夏季和秋季,最小值在各季節(jié)均有出現(xiàn)。(2)10~30cm土壤相對濕度距平百分率日變化波峰和波谷出現(xiàn)的時間隨深度的增加逐漸推遲,而40cm和50cm土壤相對濕度沒有呈現(xiàn)這種規(guī)律性變化。究其原因,淺層土壤(<30cm)濕度的主要影響因素為降水量,考慮到降水在土壤中的下滲作用,下層相對濕度達到極值的時間滯后于上層土壤,而深層土壤(40和50cm)受降水的下滲作用和地下水位波動的共同影響,故這種規(guī)律表現(xiàn)得并不明顯。(3)上海各層次土壤相對濕度距平百分率在晴天、陰天、多云和雨天日變化可分為四種類型:雨天距平日變化分布均呈“持續(xù)升高”型;10,20和30cm土層在晴、陰、多云天氣均呈“降低—升高—降低”型;40cm和50cm土層在晴、多云天氣均呈“降低—升高”型,在陰天均呈“持續(xù)降低”型。在各天氣類型下各層次土壤相對濕度標準化距平日變化最大值均出現(xiàn)在陰天和多云天氣,最小值出現(xiàn)在晴天居多,其他天氣類型下也有出現(xiàn)。在晴天、陰天和多云天氣中,20cm標準化距平日變化波峰和波谷出現(xiàn)的時間比10cm推遲約4h和2h,30cm比20cm推遲了約3h和2h。(4)旬土壤相對濕度與降水量變化及其關(guān)系分析表明,上海地區(qū)降水量與淺層土壤相對濕度的分布較一致,但與深層土壤相對濕度分布的差別較大。此外,隨著土壤深度的增加,旬土壤相對濕度的波動趨于平穩(wěn),這主要由于上海地區(qū)