洪澤湖濕地楊樹林土壤水分變化及其與氣象因子的關系

徐勇峰， 郭儼輝， 季 淮， 吳 翼， 韓建剛,， 李萍萍

（1.南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京210037；2.南京林業大學 江蘇洪澤湖濕地生態系統國家定位觀測研究站，江蘇 南京 210037；3.南京林業大學 江蘇省南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京210037）

土壤水是地表水資源的重要形式之一，能夠保障陸地植物的生存，同時也是土壤系統養分循環和流動的載體，不但直接影響土壤性質和植物生長，而且間接影響植物分布和小氣候的變化［1］。土壤水分的變化對于許多科學和實踐活動如地下水補充、氣候研究和數值天氣預報等以及在特定區域內量化水文、生態和地貌之間的關系中至關重要［2－3］。洪澤湖濕地是唯一分布于北亞熱帶與暖溫帶氣候過渡帶上的大型淺水淡水湖泊濕地，孕育著十分獨特的內陸淡水濕地生態系統。楊樹Populus spp.是洪澤湖濕地目前最主要的樹種，其生長快，適應性強，木材產量高，在濕地的分布面積最大，對濕地生態系統功能產生強烈影響［4－5］。以往圍繞干旱或半干旱地區不同植物土壤水分變化的研究較多［1,6－7］，而關于濕地土壤水分的相關研究還不是很充分，特別是洪澤湖濕地在調蓄灌溉與南水北調常態化調水影響下，湖區水位顯著波動對土壤水分變化影響的研究還未見報道。土壤水分的空間格局和時間變異受環境因素的強烈影響，在時間尺度上，土壤水分的變化主要受氣象因子的調控［8－9］。CHO等［10］研究認為，土壤水分與日平均降水量呈正相關，而與日照、氣溫和地面溫度呈負相關關系；CHEN等［11］研究表明，黃土高原地區土壤水分及其空間、季節和年際變化與降水特征密切相關，而黃志剛等［12］研究南方紅壤丘陵區油桐Vernicia fordii人工林土壤水分動態，認為大氣相對濕度對土壤蓄水量的貢獻最大。從氣象環境因子看來，CUI等［13］研究表明，湖泊水位與降水量呈正相關，與逆蒸發和風速呈負相關關系，在洪澤湖氣溫和濕度等氣象因子對該湖區水位影響較大［14］。許秀麗等［15］研究表明，濕地土壤水分受地下水位和湖泊水位的影響。顯然，不同區域、不同林分的土壤水分變化及其對氣象因子的響應規律并不完全相同。本研究以江蘇洪澤湖濕地生態系統國家定位觀測研究站典型楊樹林為對象，借助渦度相關及土壤水分監測系統，研究濕地土壤-楊樹系統水分的時空動態變化特征，解析氣象因子的影響，為洪澤湖濕地楊樹林水分管理和科學經營與保護提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于洪澤湖西南部淮河入湖口形成的河湖交匯區。該地區是以老子山鎮為中心，由水面及灘涂濕地組成的約為 1.47 萬 hm2的區域（33.166°～33.188°N， 118.454°～118.692°E）（圖 1）， 受到洪澤湖水體調節，該地區四季分明，年平均氣溫為14.8℃，無霜期為240 d，年平均風速為3.7 m·s－1，有明顯的湖陸風，多為偏東風，多年年平均降水量為925.5 mm，雨季多集中在6－9月，降水量占全年65.5%，年蒸發量為1 592.2 mm。試驗楊樹林位于六道溝地區（圖1虛線圈），為4年生南林95楊無性系Populus×euramericana ‘95’，造林密度為3 m×4 m，平均樹高為8.7 m，平均胸徑為7.2 cm。研究區土壤質地為黏壤土。

1.2 研究方法

本研究利用英國Delta-t公司生產的PR2/4土壤水分剖面測量系統監測土壤含水量數據，其傳感器設置的深度分別為10，20，30和40 cm，間隔2 m設置1根探桿，共計10根。該監測系統間隔30 min自動記錄1次。本次研究收集資料的時間為2015年10月到2016年9月。通過洪澤湖濕地楊樹林通量觀測塔配備的觀測系統觀測氣象因子，其中美國Campbell公司生產的IRGASON和NR01儀器分別測定風速、水汽壓虧缺和凈輻射，芬蘭Vaisala公司生產的HMP155A儀器測定氣溫和相對濕度，采用HFP01和CS655儀器分別觀測土壤深度為8 cm的土壤熱通量、潛熱通量、感熱通量和5 cm處的土壤溫度，采用美國HOBO Onset公司生產的RG3-M雨量計觀測降水量，其氣象因子的觀測數據記錄的時間均為30 min 1次。以2016年3-6月的氣象數據，探索各氣象因子對土壤水分的影響。

圖1 研究區示意圖Figure 1 Sketch map of study area

1.3 數據處理及分析

對土壤含水量以及經過質量控制和插補處理后的30 min有效氣象因子的觀測數據進行日均值和月均值統計。利用Excel 2010和Origin 8.5軟件進行數據整理和繪圖。采用相關分析方法，利用SPSS 19.0軟件進行不同氣象因子［日降水量（x1），日平均潛熱通量（x2）， 日平均感熱通量（x3）， 日平均凈輻射（x4）， 平均風速（x5），平均水汽壓虧缺（x6），日平均空氣溫度（x7），日平均相對濕度（x8），日平均土壤熱通量（x9）和日平均土壤溫度（x10）］與土壤水分的相關分析。為了進一步量化土壤水分與各氣象因子之間的關系，利用SPSS 19.0軟件將洪澤湖濕地楊樹林不同層次土壤水分（y）作為因變量，10個氣象因子（x1～x10）作為自變量，做多元逐步回歸分析，篩選出有顯著影響的氣象因子，以此來建立最優回歸方程。

2 結果與分析

2.1 土壤水分的動態變化特征

2.1.1 月動態變化特征 圖2可見：在觀測深度范圍內，年均含水量最小值出現在地下10 cm處，其均值為31.32%±3.48%；最大值出現在地下40 cm處，其均值為47.62%±6.34%。在不同月份中，10 cm和20 cm土壤含水量呈現出“M”型變化，其含水量的第1高峰值分別出現在11月和3月，其值分別為29.69%和33.10%，第2高峰值均出現在7月，其值分別為35.87%和37.59%。相比較而言，30 cm和40 cm土壤含水量呈現出單峰變化，其土壤含水量的峰值均出現在7月，其值分別為47.00%和59.34%。

圖2 土壤含水量的年變化Figure 2 Annual variation of soil moisture content

2.1.2 日動態變化特征 對3月（春）、6月（夏）、9月（秋）和12月（冬）每天各時間點土壤含水量平均值的變化分析可見（圖3）：春、夏和冬3季的土壤含水量在0：00－4：30逐漸下降，其最小值均出現在4：30－5：30時左右，其值依次為36.81%±0.61%，43.57%±0.68%和36.43%±0.41%，此后，土壤含水量不斷增加，分別于12：30－14：30，18：30和14：00達到峰值，其峰值依次為37.14%±0.80%，44.26%±0.91%和36.64%±0.39%，隨后又呈現出逐漸下降的趨勢。秋季土壤含水量的日變化明顯不同于春、夏和冬3季。土壤含水量在0：00－4：00逐漸上升，在4：00－5：00出現第1峰值，隨后下降至8：00達到最小值，第2峰值出現的時間為15：30，其峰值分別為33.09%±1.32%和33.16%±1.46%，隨后逐漸下降。

2.1.3 垂直動態變化特征 5月、8月和9月的土壤含水量在0～20 cm范圍內減小，在20～40 cm范圍內逐漸增加；而其他月份的土壤含水量在0～40 cm范圍內逐漸增加。在0～20 cm深度范圍，土壤垂向水分梯度較小，但月份間的差異較為明顯；在20～40 cm深度范圍，土壤垂向水分梯度較大，且月份間的差異也較為明顯，其中冬季垂向水分梯度（28.43%～46.21%）大于夏季（35.81%～56.20%）（圖4）。不同季節垂直剖面土壤含水量大小均為夏季（6－8 月）＞春季（3－5 月）＞冬季（12－2 月）＞秋季（9－11 月）。

圖3 典型月份土壤含水量的日變化Figure 3 Diurnal variation of soil moisture content in typical month

圖4 土壤含水量的垂直變化Figure 4 Vertical variation of soil moisture content

2.2 氣象因子對土壤水分變化的影響

對洪澤湖濕地楊樹林土壤水分與各氣象因子進行相關性分析表明：在10 cm土壤層次，日降水量、日平均土壤溫度、日平均相對濕度和日平均氣溫與土壤水分達極顯著水平， 其相關系數分別為0.378， 0.549， 0.510， 0.462（n＝116，P＜0.01）；日平均感熱通量、平均風速和日平均土壤熱通量與土壤水分達極顯著水平，其相關系數分別為－0.482，－0.293 和－0.223（n＝116， P＜0.01）， 而 20， 30 和 40 cm 土壤水分均與日降水量、日平均空氣溫度、日平均相對濕度和日平均土壤溫度呈極顯著正相關（n＝116，P＜0.01），與日平均感熱通量和平均風速呈極顯著負相關（n＝116，P＜0.01），而與日平均潛熱通量、日平均凈輻射強度和日平均土壤熱通量不相關（表1）。

根據不同層次土壤含水量和各氣象因子的測定數據，利用多元逐步回歸進一步量化分析，建立相應土壤層次中含水量的最優多元回歸方程。經檢驗，不同層次土壤中的方程均達到了極顯著水平（n＝116，P＜0.01；表2）。在不同層次土壤中，不同的氣象因子被引入逐步回歸模型，所引入的氣象因子均可在線性模型中解釋55.00%以上的土壤水分的總變異。其中，日平均土壤溫度對不同層次土壤水分的貢獻率分別為20.38%（10 cm），57.97%（20 cm），10.73%（30 cm）和44.31%（40 cm），日平均相對濕度對不同層次土壤水分的貢獻率分別為25.12%（10 cm），18.62%（20 cm）和20.88%（30 cm）?？偟膩砜?，在所引入的氣象因子中，日平均土壤溫度和日平均相對濕度對土壤水分的影響更為明顯。

3 討論

土壤水分受多重尺度上的土地利用（植被）、氣象、地形、土壤、人為活動等眾多因子的影響，具有明顯的時空尺度特征［2－3,8,10,16］。研究發現，洪澤湖濕地楊樹林0～20 cm土壤水分的年內動態變化呈現出“M”型變化，變化相對明顯。這與一些學者的研究結果存在差異，究其原因，可能是因為表層土壤首先接收穿透雨和凋落物截留后的滲水，同時又受到降水和太陽輻射等外界氣象因子的影響較大，所以更容易受地表蒸發和植物根系耗水的影響［17－18］，如土壤水分峰值出現在降水量較大的月份（6月、7月和11月）（圖2），也有可能是因為不同種類的植物、氣候條件和土壤質地對土壤水分的影響不同［3,19］；而20～40 cm土壤水分的年內動態變化呈現出單峰變化，可能是因為氣象因子對深層土壤水分的影響相對較小所致［17－18］，這與許秀麗等［15］研究結果一致。王賀年等［20］將北京山區林地土壤水分動態分為穩定期、消耗期、積累期和消退期等4個階段，本研究中穩定期在10－2月，土壤含水量為31.36%～36.07%（均值34.44%），其原因可能在于10月以后，區域氣溫較低，楊樹生長緩慢，其蒸騰和土壤蒸發減少，并且湖區水位穩定，該時間段內土壤水分處于穩定狀態；消耗期在3－4月，土壤含水量為36.64%～37.46%（均值37.05%），進入3月以后，氣溫開始逐漸升高，楊樹蒸騰和土壤蒸發增加。楊樹葉芽開始萌動，芽苞逐漸增大伸長，使得土壤水分消耗較大，盡管該時間內降水也相對較大（占總降水量的8.22%），土壤水分有所補充，但總體看來，土壤含水量在20 cm土壤深度表現下降趨勢，表明有所消耗，但消耗期表現不明顯；積累期在5－7月，土壤含水量為39.22%～53.92%（均值42.55%），氣溫開始大幅度升高，楊樹蒸騰和土壤蒸發也增強，但降水量也主要集中在該段時間內（占總降水量的64.84%），對土壤水分有明顯的補充，這使得土壤含水量得到積累；消退期在8－9月，土壤含水量為40.38%～32.92%（均值32.29%），8月下旬開始，氣溫雖然開始降低，但楊樹蒸騰和土壤蒸發還較高，楊樹枝條長度生長停止，進入越冬準備期，而且降水量迅速降低，使得土壤含水量進入消退期。

表1 洪澤湖濕地楊樹林不同層次土壤水分與氣象因子的相關性分析Table 1 Correlation between poplar forest soil moisture and meteorological factors at different soil layer in Hongze Lake Wetland

表2 洪澤湖濕地楊樹林不同層次土壤水分與氣象因子的逐步回歸分析Table 2 Stepwise regression analysis between poplar forest soil moisture and meteorological factors at different soil layer in Hongze Lake Wetland

楊建偉等［21］研究表明：楊樹的耗水高峰隨著土壤水分含量的不同而出現的時間也發生相應的變化。本研究表明，楊樹林土壤水分在春、夏和冬3季的日變化曲線呈單峰型特征，在4：30－5：30達到最小值，在12：30－14：00達到最大值，而秋季土壤水分的日變化呈現不對稱雙峰曲線特征，其峰值出現的時間分別為4：00－5：00和15：30。秋季土壤水分的日變化與其他3季不同，可能是因為秋季植物根系白天從土壤中吸收水分，晚上根系向其周圍土壤釋放水分［22］，導致夜間土壤水分也會出現峰值。土壤含水量清晨最低、午后最高的波動變化與黃土高原地區、古爾班通古特沙漠［23－24］的4季以及酒泉金塔地區［25］夏季的觀測結果一致，而與武漢地區［26］土壤水分的日動態變化的觀測結果相反。楊樹土壤水分呈現出夜間逐漸降低，白天逐漸上升的波形變化的原因，可能是由于土壤水分主要來自對氣態水的凝結和吸附作用，而水汽運動的方向受溫度梯度的驅動，從而使水分發生運移所導致的［23,27］。

何其華等［1］研究認為：在干旱和半干旱地區，土壤含水量從上到下的變化趨勢分為增長型和降低型（先增后減）2種變化趨勢。本研究表明：洪澤湖濕地楊樹林土壤水分隨著土層深度的增加，其含水量逐步遞增，這與HUANG等［28］對丹江口水庫地區的土壤水分研究結果相一致。對該地區土壤垂直剖面水分的研究表明：土壤冬季水分梯度大于夏季，剖面土壤含水量均是冬季大于秋季，這與許秀麗等［15］對鄱陽湖典型濕地土壤垂直剖面水分的研究結果不同，其原因在于洪澤湖屬于水庫型湖泊，冬季關閘蓄水，湖區水位較秋季有所上升，使得深層土壤水分經歷了短期的地下水淺埋對土壤水分的充分補給過程，剖面水分含量較大［29］。

土壤水分受多種氣象因子的綜合調控，土壤和空氣溫度的變化不僅可以改變土壤水分能態及其有效性［30］，還能影響土壤水分的保持［31］，提高水分的擴散能力并加劇其流失，降雨可以增加大氣相對濕度和土壤水分含量，平均風速、凈輻射和水汽壓虧缺等氣象因子還能影響土壤水分的蒸散［32］。CHO等［10］研究表明：土壤水分與日平均降水量呈正相關關系，與日照、氣溫和地面溫度呈負相關關系。本研究表明：不同深度的土壤水分受氣象因子的影響有差異，但總體來看日降水量、日平均空氣溫度、日平均相對濕度、日平均土壤溫度與土壤水分呈極顯著正相關關系，與日平均感熱通量、平均風速與土壤水分呈極顯著負相關關系。本研究與CHO等［10］的研究結果不盡相同，一方面可能與研究的地域（如濕地、干旱和半干旱地區）不同有關，還可能與研究的尺度大小以及時間有關［33－34］。僅通過相關分析無法準確判斷出氣象因子對土壤水分產生影響的重要程度，由此引入多元逐步回歸分析。日平均土壤溫度和日平均相對濕度與土壤水分的關系最為密切，其他引入的氣象因子也會對不同層次土壤水分產生影響，這與CHEN等［11］和黃志剛等［12］研究結果不盡相同。造成分析結果不同的原因除了試驗的地區和時間不同外，還可能與所選擇的分析方法不同有關。

洪澤湖地區地下水位較高，楊樹林在生長過程中基本沒有進行灌溉，而土壤水分的季節性變化可能會導致楊樹生長季的缺水，例如華北平原地區楊樹的生長會受到春旱的影響［35］。井大煒等［36］研究表明：干旱會導致光合效率降低，加劇活性氧代謝的失調，最終抑制楊樹幼苗生長。在楊樹生長期降水過多而造成的漬害會導致濕地楊樹林出現淹水情況，而淹水脅迫會引起弱光環境，使植物氣體擴散受限，葉片細胞膜脂過氧化加劇，體內保護酶系統受損，葉綠素降解，丙二醛含量積累，光合速率下降，從而影響楊樹生長發育［37］。由此可見，干旱、漬水等極端氣象災害會嚴重影響楊樹的生長發育。洪澤湖建閘后，為保證洪澤湖防洪調蓄和農田灌溉，每年自 8－9月至翌年4月須關閘蓄水，水位升高；夏初為防洪灌溉需開閘放水，導致湖泊水位急劇降低，這與其他湖泊的水位變化不同。因此，為了避免夏季水位低造成土壤水分補給不足以及冬季水位高出現漬害情況的發生，建議在栽植楊樹時進行開溝、條壟栽植。

4 結論

受降水等氣候因子和湖區水位的共同影響，洪澤湖濕地楊樹林土壤水分的年內變化可以大致分為穩定期（10－2月）、 消耗期（3－4月）、 積累期（5－7月）和消退期（8－9月）， 但其中的消耗期表現不明顯。

不同季節楊樹林土壤含水量的日變化特征有所差異：春、夏和冬3季的土壤含水量的日變化曲線呈單峰型特征，而秋季土壤水分的日變化呈不對稱雙峰曲線特征。

土壤水分變化與降水量、氣溫、相對濕度、土壤溫度、感熱通量和風速密切相關。其中，日平均土壤溫度和相對濕度是影響洪澤湖濕地楊樹林土壤水分變化的最主要氣象因子。

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