上海地区土壤含水量的时间分布特征

上海地区土壤含水量的时间分布特征

1土壤水分动态变化研究土壤含水量是决定土壤肥力的重要因素。农作物产量形成的实质是物质和能量的积累,是农作物吸收土壤中的养分和水分,通过光合作用将太阳能转化为生物能。在这一过程中,土壤水分作为土壤系统养分循环和流动的载体,对作物生长发育和产量形成具有很大的影响。在全球土壤湿度计划(GlobalSoilWetnessProject,GSWP)中,土壤水已被作为专门的议题来进行探讨和研究,并且已经成为全球变化研究的焦点之一。近年来,全球与水有关问题的日益严重,与水相关问题的研究也越来越深入。土壤水分的主要来源是自然降水,而自然降水又必须转化为土壤水才能为作物所利用。土壤水的动态变化及区域差异不但对于区域水文,而且对气候都有着较大的影响。关于土壤水分动态变化,国内北方地区已开展很多研究,如孔学夫等系统研究了甘肃中部和东部旱地农田土壤水分动态变化规律;何其华等对干旱半干旱区山地的土壤水分动态变化进行分析,并阐述了降水、气温、太阳辐射等气象因子,以及山地坡向、坡度和坡位等地形因子对土壤含水量空间分布的影响;李洪建等研究了晋西北黄土丘陵区人工林的土壤水分变化规律,将土壤水分年内变化分为积累型、消耗型和平衡型;杨新民研究了我国黄土丘陵区0~200cm土壤水分动态,得出了土壤水分含量为降低型的结论;钱莉等使用统计方法,对河西走廊东部武威市农耕期耕作层土壤水分的地域分布、时间演变和垂直变化等特征进行了分析;余峰等对宁夏彭阳县水平梯田土壤水分的时空变化规律进行分析,阐述了梯田土壤水分季节变化的4个时期和垂直变化的3个层次变化规律;侯大山等采用定点观测的方法,对冀西北高原不同植被土壤含水量的动态变化进行了比较研究。然而,上述研究多是针对北方干旱半干旱地区开展的,对于东部沿海等降水丰富地区的土壤水分动态变化研究还比较少。上海位于长江三角洲地区的东部,其地理位置和气候条件决定了该地区的自然降水资源较为丰富,但降水的季节分布不均匀,且极端天气事件的频繁发生严重影响了上海地区的农业生产和粮食产量。本文根据上海地区3个土壤水分自动监测站资料,分析了上海地区不同季节和不同天气类型下土壤水分时间变化规律,以期为上海地区农业耕作制度的完善、生产措施的制定和建立符合本地实际的土壤水分预测模型提供科学依据。2数据和方法2.1土壤水分的测定本研究所用的上海土壤水分资料为上海郊区松江、崇明和嘉定3个观测站10,20,30,40和50cm共5个层次的土壤体积含水量,时间为2007年7月1日\_2008年6月30日连续一周年,站点分布如图1所示。观测仪器为美国Campbell公司生产的EasyAG土壤水分自动监测系统,数据采样频率为1min,存储30min的平均值。仪器分辨率为0.008%,精度为±0.06%。2.2不同季节和空间对土壤相对湿度的影响本文利用MicrosoftExcel软件的VBA编程工具对上海各站土壤水分数据进行处理和计算,并利用MicrosoftExcel和Surfer8.0进行地图显示。参考天气学标准,以日照时数和降水作为划分依据(表1),将天气类型划分为晴天、阴天、多云和雨天四种天气类型,并定义3~5月为春季,6~8月为夏季,9~11月为秋季,12月~次年2月为冬季。首先,分析了上海土壤相对湿度在不同季节和不同天气型下的日变化特征;然后选取上海降水偏多的4~10月为研究时段,选取10,20和50cm作为研究层次,分别简述了上海旬土壤相对湿度和旬降水量的变化特点及相互关系。为了使自动监测数据更贴近实际,每隔半年对上海各站土壤进行采样,并采用“烘干法”获得土壤容重和田间持水量数据,并以此将体积含水量转换为土壤相对湿度,对自动监测数据进行校正。其转换关系表示为R=QP×W×100%,(1)R=QΡ×W×100%,(1)式中,R为土壤相对湿度,Q为土壤体积含水量,P为土壤容重,W为土壤田间持水量。将上海各站的土壤相对湿度进行平均,作为上海土壤水分的平均状况。采用样本平均标准化距平作为统计量对土壤相对湿度进行处理,并分析其在不同天气类型和不同时段的变化特征。样本平均标准化距平表示为M=xi−x¯x¯×100%,(2)Μ=xi-x¯x¯×100%,(2)式中,M为平均标准化距平,xi为某要素序列的一个样本,x¯x¯为该要素序列样本的平均值。σ为该要素序列样本的标准差。3结果分析3.1丰富季节土壤相对湿度日变化图2为上海地区四季10~50cm共5个层次土壤相对湿度的日变化分布。四季表层土壤(10cm)相对湿度日变化均呈单峰型分布(图2a),夏季波峰和波谷出现的时间最早,其次为春季和秋季,冬季最晚。夏季11时土壤相对湿度标准化距平最高,为2.12;冬季08时标准化距平最低,为-1.46。20cm四季土壤相对湿度日变化大致呈单峰型分布(图2b),除夏季10~12时出现次高峰外,各季节波峰波谷出现时间基本一致,其中秋季16时土壤相对湿度标准化距平最高,为1.93;春季08时标准化距平最低,为-1.55。30cm四季土壤相对湿度日变化大致呈单峰型分布(图2c),春、秋、冬季波峰波谷出现时间相差不大,而夏季03~05时标准化距平值较其他三季偏低,08~12时距平值偏高。四季中夏季18时土壤相对湿度标准化距平最高,为2.44;秋季11时标准化距平最低,为-1.67。40cm和50cm四季土壤相对湿度标准化距平日变化分布差异较大(图2d、2e)。冬季日变化大致呈单峰型分布,春、秋、夏季日变化规律并不明显。40cm四季中夏季09时土壤相对湿度标准化距平最高,为2.79;冬季08时标准化距平最低,为-2.16。50cm秋季00时标准化距平最高,为2.77;夏季12时标准化距平最低,为-2.59。从层次变化角度看,10~30cm土壤相对湿度在同一季节日变化波峰和波谷出现的时间随深度的增加逐渐推迟,波峰出现的时间由10cm的13时推移至30cm的20时,波谷由10cm的04时推移至30cm的10时,而40cm和50cm土壤没有出现这种规律性变化。3.2模拟的土壤相对湿度标准化距平和保水天气时土壤基层虾体性状以其最大出现图3为上海地区土壤相对湿度标准化距平在不同类型的天气特征条件下的日变化情况。总的来看,四种天气类型下各层土壤相对湿度日变化分布可分为4种类型:雨天均呈“持续升高”型;10,20和30cm土层在晴、阴、多云天气均呈“降低—升高—降低”型;40cm和50cm土层在晴、多云天气均呈“降低—升高”型,在阴天均呈“持续降低”型。10cm(图3a)土壤相对湿度标准化距平在多云天气13时最高,为1.34;在晴天23时标准化距平最低,为-2.17。除雨天外,00~08时阴天距平高于晴天和多云天气,09~23时则刚好相反。20cm(图3b)土壤相对湿度标准化距平在阴天0时最高,为2.20;在阴天23时标准化距平最低,为-1.99。除雨天外,00~10时阴天距平高于晴天和多云天气,11~14时三种天气类型下距平相差不大,15~23时阴天距平明显低于晴天和多云天气。30cm(图3c)土壤相对湿度标准化距平在阴天00时最高,为2.38;在晴天和多云天气11时出现最低值,均为-1.51。除雨天外,00~15时阴天距平高于晴天和多云天气,16~23时阴天距平低于晴天和多云天气。40cm和50cm(图3d、3e)土壤相对湿度标准化距平最高值均在多云天气00时出现,分别为2.18和2;40cm标准化距平在雨天00时出现最低值,为-1.75,50cm标准化距平在晴天18时出现,为-1.56。对比10,20和30cm晴天、阴天和多云天气土壤相对湿度标准化距平分布,可以看出,在三种天气类型下20cm标准化距平日变化波峰和波谷出现的时间分别比10cm推迟了约4h和2h,30cm波峰和波谷出现时间又分别比20cm推迟了约3h和2h。3.3土壤湿度和降水量的年际变化10cm土壤相对湿度在年内变化中,7月中下旬是转折点,此前以正距平为主,11个旬中有9个旬距平值为正,之后以负距平为主,9个旬中有7个旬的距平值为负,年内旬标准化距平最高值为2.07,出现在6月中旬;最低值为-1.96,出现在9月中旬。20cm土壤相对湿度旬变化与10cm有较大差异,年内相对湿度距平总体呈逐渐升高的趋势,4月上旬至6月上旬土壤湿度负距平较多,6月中旬至7月中旬全部为正距平,7月下旬至10月中旬主要以负距平为主,最高值出现在9月上旬,标准化距平为1.82;最低值为-1.62,出现在6月上旬。50cm土壤相对湿度年内波动趋势较小,总体呈弱的升高趋势,春季表现为微弱的负距平,夏季和秋季土壤相对湿度表现为弱的正距平,年内标准化距平最高值为1.11,出现在7月下旬和8月上旬,最低值为-2.58,出现在4月上旬(图4)。与所选土壤相对湿度同时段上海的降水量逐旬分布大致为4月上旬至6月上旬降水量距平百分率全部为负距平,6月中旬至8月上旬中以正距平为主,8月中旬至10月中旬降水量以负距平为主(见图4)。旬降水量的分布与10cm土壤相对湿度的旬分布在5~10月基本一致,与20cm分布在4,5,6,9,10月基本一致,但与更深层次(50cm)土壤相对湿度的分布差异较大,也就是说浅层土壤含水量受降水影响最大,而随着深度的增加,二者的关系逐渐减小。4不同天气类型土壤相对湿度的日变化本文利用上海地区3个台站2007年7月1日至2008年6月30日每30min的土壤体积含水量以及同时段的逐日降水量,从时间角度分析了上海土壤相对湿度日变化特征及其与降水量变化间的关系,主要结论如下:(1)上海土壤相对湿度标准化距平在10cm层次各季节日变化均为单峰型分布,20cm和30cm距平值在除夏季外的其他三季均呈单峰型分布,而冬季距平值在各层次均呈单峰型分布,40cm和50cm距平值在春、夏、秋季的分布规律并不明显。四季中各层次标准化距平日变化最大值均出现在夏季和秋季,最小值在各季节均有出现。(2)10~30cm土壤相对湿度距平百分率日变化波峰和波谷出现的时间随深度的增加逐渐推迟,而40cm和50cm土壤相对湿度没有呈现这种规律性变化。究其原因,浅层土壤(<30cm)湿度的主要影响因素为降水量,考虑到降水在土壤中的下渗作用,下层相对湿度达到极值的时间滞后于上层土壤,而深层土壤(40和50cm)受降水的下渗作用和地下水位波动的共同影响,故这种规律表现得并不明显。(3)上海各层次土壤相对湿度距平百分率在晴天、阴天、多云和雨天日变化可分为四种类型:雨天距平日变化分布均呈“持续升高”型;10,20和30cm土层在晴、阴、多云天气均呈“降低—升高—降低”型;40cm和50cm土层在晴、多云天气均呈“降低—升高”型,在阴天均呈“持续降低”型。在各天气类型下各层次土壤相对湿度标准化距平日变化最大值均出现在阴天和多云天气,最小值出现在晴天居多,其他天气类型下也有出现。在晴天、阴天和多云天气中,20cm标准化距平日变化波峰和波谷出现的时间比10cm推迟约4h和2h,30cm比20cm推迟了约3h和2h。(4)旬土壤相对湿度与降水量变化及其关系分析表明,上海地区降水量与浅层土壤相对湿度的分布较一致,但与深层土壤相对湿度分布的差别较大。此外,随着土壤深度的增加,旬土壤相对湿度的波动趋于平稳,这主要由于上海地区