貴州省喀斯特區(qū)域土壤水分持續(xù)上升時(shí)期氣象要素對(duì)土壤水分的影響

何興潼, 袁淑杰, 谷曉平, 潘 媞, 于 飛

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610225; 2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所, 貴州 貴陽(yáng) 550002; 3.四川省氣象局氣象服務(wù)中心, 四川 成都 610072)

土壤水分作為地表水文過(guò)程一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅是植被生長(zhǎng)發(fā)育必要的環(huán)境因素，在水文循環(huán)中還起著重要作用[1]，通過(guò)與植被、大氣之間的傳輸改變能量收支平衡，影響氣候和生態(tài)系統(tǒng)分布[2-3]。影響土壤水分變化的因子很多，除土壤自身物理屬性外[4]，還有環(huán)境、氣象等要素[5-6]，但對(duì)某一特定地區(qū)而言，氣象要素的影響起到主導(dǎo)作用[7]，以貴州為中心的中國(guó)西南喀斯特區(qū)域，是生態(tài)脆弱的獨(dú)特環(huán)境單元，土壤水分是喀斯特生態(tài)環(huán)境的主要制約因子[8]，因此系統(tǒng)分析氣象環(huán)境要素對(duì)貴州喀斯特地區(qū)土壤水分變化的影響，它的研究對(duì)于貴州喀斯特區(qū)域土壤水分的預(yù)報(bào)、生態(tài)恢復(fù)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化布局的指導(dǎo)具有重要作用和實(shí)際意義[9]。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者很早以前就開(kāi)始了對(duì)土壤水分的研究，探究了土壤水分和各種氣象要素的聯(lián)系，Philip[10]提出了完整的土壤—植物—大氣連續(xù)體概念；Nielson[11]把地統(tǒng)計(jì)學(xué)引入土壤學(xué)，土壤水分的研究取得了很大進(jìn)展；Cho等[12]發(fā)現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)土壤水分與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。馬柱國(guó)等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)溫度升高和降水減少會(huì)對(duì)土壤水分的降低產(chǎn)生明顯效果；左志燕等[15]利用1982—2001年觀測(cè)及再分析資料揭示了春季長(zhǎng)江中下游到華北土壤水分與中國(guó)夏季東北和長(zhǎng)江流域降水呈正相關(guān)；趙榮瑋等[16]研究發(fā)現(xiàn)土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)深度與降水量呈正比；韓湘云等[17]研究發(fā)現(xiàn)氣溫、降水、相對(duì)濕度、水汽壓是土壤水分季節(jié)變化的主控因子；李輯等[18]研究了遼西干旱春播區(qū)土壤相對(duì)濕度、氣象因子相關(guān)關(guān)系，建立了相應(yīng)土壤相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。盡管土壤水分與氣象要素之間的關(guān)系方面的研究很多，但大多集中在東部、西北等地區(qū)，針對(duì)喀斯特區(qū)域的土壤水分相關(guān)研究相對(duì)較少，由于受觀測(cè)條件的制約，大多采用年、月、旬土壤水分資料、分析同一時(shí)間氣象要素與土壤水分之間的關(guān)系。近年來(lái)，隨著觀測(cè)手段不斷進(jìn)步，逐日土壤水分自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的初步形成，使得研究逐日氣象要素對(duì)土壤水分的影響成為可能，由于氣象要素對(duì)土壤水分的影響有一定的滯后性，某日土壤水分不僅與當(dāng)日氣象要素有關(guān)，可能與前幾或幾十日氣象要素相關(guān)。因此，本研究應(yīng)用2011—2015年貴州省喀斯特區(qū)域不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)10個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站逐日土壤水分及地面氣象觀測(cè)資料，針對(duì)逐日土壤水分持續(xù)上升情況下，分區(qū)研究逐日氣象要素對(duì)土壤水分的影響，并應(yīng)用多元線性回歸方法建立逐日土壤水分與各氣象要素之間的關(guān)系，得到不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)逐日土壤水分持續(xù)上升時(shí)期土壤水分與各氣象要素關(guān)系模型。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(25°—29°N，104°—109°E)地處云貴高原東部梯級(jí)大斜坡地帶，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，年均溫14～16 ℃，年均降水量1 100～1 400 mm，海拔高度平均在1 100 m，地勢(shì)由西向東降低，南北兩邊急劇降入廣西、四川盆地，地貌以高原山地、丘陵和盆地為主，其中92.5%的面積為高原山地和丘陵，格局復(fù)雜，海拔梯度大；該區(qū)域植被以亞熱帶分布為主，土層淺薄，蓄水能力有限且保水能力差，土壤水分變化受氣象要素的制約與影響較大，喀斯特地貌占貴州省總面積的61.9%，屬于典型喀斯特區(qū)域。本研究根據(jù)前人的研究結(jié)果[19]，將研究區(qū)域分為5個(gè)區(qū)，分別為：Ⅰ：溫?zé)徂r(nóng)業(yè)氣候區(qū)(以羅甸縣為代表)；Ⅱ：溫暖農(nóng)業(yè)氣候區(qū)﹝Ⅱa：伏旱區(qū)(以榕江縣為代表)，Ⅱb：濕潤(rùn)區(qū)(以銅仁、思南縣為代表)﹞；Ⅲ：溫和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)﹝Ⅲa：伏旱區(qū)(以遵義市為代表)，Ⅲb：濕潤(rùn)區(qū)(以獨(dú)山縣為代表)，Ⅲc：春干區(qū)(以安順、興仁縣為代表)﹞；Ⅳ：溫涼農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(以畢節(jié)市為代表)；Ⅴ：高寒農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(以威寧縣為代表)。

1.2 資料來(lái)源

本研究所用資料均來(lái)源于貴州省氣象局，主要包括：2011—2015年10個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站逐日土壤水分、降水、氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)資料。土壤水分指土壤相對(duì)含水量，即

本文所提到的土壤水分是指10 cm土壤相對(duì)含水量。

1.3 研究方法

研究方法主要包括：滑動(dòng)平均法，太陽(yáng)輻射模型計(jì)算方法，回歸分析法。

(1) 滑動(dòng)平均法[20]。對(duì)樣本量為n的序列x，其滑動(dòng)平均序列表示為：

(1)

式中：k——滑動(dòng)長(zhǎng)度；x——?dú)庀笠匦蛄?；y——相應(yīng)氣象要素序列的滑動(dòng)平均值，本文研究相關(guān)性是指氣象要素滑動(dòng)值與土壤水分的相關(guān)性。

(2) 太陽(yáng)總輻射模型計(jì)算。前人研究[21]表明太陽(yáng)總輻射可以表示為：

Q=Q0×(a+b·s)

(2)

式中：Q——地表所受總輻射(kW·h/m2);Q0——地外太陽(yáng)輻射;a，b——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，為常數(shù)項(xiàng);s——日照百分率，本文中輻射均指太陽(yáng)總輻射。

(3) 回歸分析法。建立土壤水分與氣象要素多元回歸方程，分析擬合結(jié)果。

2 結(jié)果分析

利用貴州喀斯特不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)2011—2015年逐日土壤水分、降水量、氣溫、地表溫度、空氣相對(duì)濕度、輻射、風(fēng)速資料，針對(duì)各區(qū)逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)上升階段和氣溫持續(xù)下降兩種情況，分別計(jì)算不同滑動(dòng)日數(shù)降水量滑動(dòng)累計(jì)值及其他要素滑動(dòng)平均值與土壤水分的相關(guān)系數(shù)。

2.1 逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)上升時(shí)期

2.1.1 溫暖伏旱區(qū)(榕江縣為代表) 表1為溫暖伏旱區(qū)(榕江)土壤水分與各氣象要素不同滑動(dòng)日數(shù)相關(guān)系數(shù)。由表1可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)總體為0.60～0.98，且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)；少數(shù)相關(guān)系數(shù)<0.35，且沒(méi)有通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。 ②15 d滑動(dòng)累計(jì)降水與土壤水分相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最好，累計(jì)降水對(duì)土壤水分的最佳滯后時(shí)間定為15 d；同理，氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速滑動(dòng)平均日數(shù)分別選取為30，30，30，25，15 d； ③累計(jì)降水、氣溫和地表溫度與土壤水分的相關(guān)性最好，這3個(gè)因子對(duì)土壤水分的影響較大，相關(guān)系數(shù)在0.88～0.98，對(duì)土壤水分的變化起主導(dǎo)作用；相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速與土壤水分相關(guān)性相對(duì)較弱，對(duì)土壤水分變化起次要作用。

表1 溫暖伏旱區(qū)(榕江)土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

注：**，*分別表示顯著性水平為0.01和0.05。下同。

2.1.2 溫暖濕潤(rùn)區(qū)(銅仁縣為代表) 表2為溫暖濕潤(rùn)區(qū)(銅仁)土壤水分與各氣象要素不同滑動(dòng)日數(shù)相關(guān)系數(shù)。

由表2可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)為0.48～0.85，且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)；少數(shù)相關(guān)系數(shù)<0.30，且沒(méi)有通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。 ②20 d滑動(dòng)累計(jì)降水與土壤水分相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最好，累計(jì)降水對(duì)土壤水分的最佳滯后時(shí)間定為20日；同理，氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速滑動(dòng)平均日數(shù)分別選取為30，30，25，15，20 d； ③累計(jì)降水、氣溫、地表溫度和輻射與土壤水分的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)在0.76～0.85，對(duì)土壤水分的變化起主導(dǎo)作用；相對(duì)濕度和風(fēng)速與土壤水分相關(guān)系數(shù)較小，對(duì)土壤水分變化起次要作用。

表2 溫暖濕潤(rùn)區(qū)(銅仁縣)土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.1.3 溫和伏旱區(qū)(遵義為代表) 表3為溫和伏旱區(qū)(遵義)土壤水分與各氣象要素不同滑動(dòng)日數(shù)相關(guān)系數(shù)。

由表3可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)總體為0.44～0.88，且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)；少數(shù)相關(guān)系數(shù)<0.30，且沒(méi)有通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。②25 d滑動(dòng)累計(jì)降水與土壤水分相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最好，累計(jì)降水對(duì)土壤水分的最佳滯后時(shí)間定為25 d；同理，氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速滑動(dòng)平均日數(shù)分別選取為15，10，25，10，5 d； ③累計(jì)降水、氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度和輻射與土壤水分的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)在0.67～0.88，對(duì)土壤水分的變化起主導(dǎo)作用；風(fēng)速與土壤水分相關(guān)系數(shù)較小，對(duì)土壤水分變化起次要作用。

表3 溫和伏旱區(qū)(遵義市)土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.1.4 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū) 同2.1.1方法對(duì)其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)進(jìn)行分析處理，由于篇幅所限，表4—5分別為溫和春干區(qū)、溫涼區(qū)和高寒區(qū)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)各氣象要素最佳滯后日數(shù)、相關(guān)系數(shù)。

在所研究農(nóng)業(yè)氣候區(qū)中，累計(jì)降水、氣溫、地表溫度與土壤水分相關(guān)性最好均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.76～0.93且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，其最佳滯后日數(shù)為20～30 d；輻射、相對(duì)濕度、風(fēng)速與土壤水分相關(guān)性普遍較弱，相關(guān)系數(shù)為0.55～0.71，相應(yīng)最佳滯后日數(shù)為15～30 d。

表4 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分相關(guān)系數(shù)

表5 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分的最佳滯后日數(shù)

2.2 逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)下降階段

2.2.1 溫暖伏旱區(qū)(榕江縣為代表) 表6為溫暖伏旱區(qū)(榕江縣)土壤水分與各氣象要素不同滑動(dòng)日數(shù)相關(guān)系數(shù)。由表6可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)總體為0.65～0.95，且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。 ②25 d滑動(dòng)累計(jì)降水與土壤水分相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最好，累計(jì)降水對(duì)土壤水分的最佳滯后時(shí)間定為25 d；同理，氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速滑動(dòng)平均日數(shù)分別選取為15，20，20，15，15 d； ③累計(jì)降水、氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速與土壤水分的相關(guān)性均很好，所選6個(gè)因子對(duì)土壤水分變化明顯相關(guān)。

表6 溫暖伏旱區(qū)(榕江)土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.2.2 溫暖濕潤(rùn)區(qū)(銅仁縣為代表) 表7為溫暖濕潤(rùn)區(qū)(銅仁縣)土壤水分與各氣象要素不同滑動(dòng)日數(shù)相關(guān)系數(shù)。由表7可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)總體為0.42～0.89，且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)；少數(shù)相關(guān)系數(shù)<0.30，且沒(méi)有通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。 ②25 d滑動(dòng)累計(jì)降水與土壤水分相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最好，累計(jì)降水對(duì)土壤水分的最佳滯后時(shí)間定為25 d；同理，氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速滑動(dòng)平均日數(shù)分別選取為20，25，20，25，15 d； ③累計(jì)降水、氣溫、地表溫度和相對(duì)濕度與土壤水分的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)在0.72～0.89，對(duì)土壤水分的變化起主導(dǎo)作用；輻射和風(fēng)速與土壤水分相關(guān)性較差，對(duì)土壤水分變化起次要作用。

2.2.3 溫和伏旱區(qū)(遵義市為代表) 表8為溫和伏旱區(qū)(遵義市)土壤水分與各氣象要素不同滑動(dòng)日數(shù)相關(guān)系數(shù)。由表8可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)總體為0.86～0.92，均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。 ②20 d滑動(dòng)累計(jì)降水與土壤水分相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最好，累計(jì)降水對(duì)土壤水分的最佳滯后時(shí)間定為20 d；同理，氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速滑動(dòng)平均日數(shù)分別選取為15，25，20，15，25 d； ③累計(jì)降水、氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速與土壤水分的相關(guān)性均很好，所選6個(gè)因子對(duì)土壤水分變化起明顯相關(guān)。

2.2.4 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū) 同2.1.4方法對(duì)其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)進(jìn)行分析處理，由于篇幅所限，不具體列出，表9—10分別為溫?zé)釁^(qū)、溫暖濕潤(rùn)區(qū)、溫和春干區(qū)和溫涼區(qū)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)各氣象要素相關(guān)系數(shù)、最佳滯后日數(shù)。上述研究區(qū)中，累計(jì)降水和相對(duì)濕度為正相關(guān)，氣溫、地變溫度、輻射和風(fēng)速為負(fù)相關(guān)；累計(jì)降水、氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度和輻射與土壤水分相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.66～0.97均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，相應(yīng)最佳滯后日數(shù)分別為20～25 d,15～25 d,15～25 d,10～20 d和10～25 d；風(fēng)速與土壤水分相關(guān)性最弱，相關(guān)系數(shù)為0.32～0.55，相應(yīng)最佳滯后日數(shù)為15～20 d。

表7 溫暖濕潤(rùn)區(qū)(銅仁縣)土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

表8 溫和伏旱區(qū)(遵義市)土壤水分與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

表9 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分相關(guān)系數(shù)

表10 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分的最佳滯后日數(shù)

2.3 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)降水量及氣溫及平均氣溫對(duì)土壤水分的影響

表11—12為不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)所選研究時(shí)段氣溫上升及下降時(shí)段累計(jì)降水對(duì)土壤水分變化的滑動(dòng)日數(shù)。在無(wú)灌溉條件下，一個(gè)地區(qū)的土壤特性基本不變，降水是土壤水分變化的根本因子，故降水量達(dá)到一定數(shù)值后，降水對(duì)土壤水分變化起主要作用，其余氣象要素的變化不能改變土壤水分的上升趨勢(shì)；可以看出，逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)上升時(shí)段，不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)累計(jì)降水大于22.4～135 mm，逐日氣溫持續(xù)下降時(shí)段，累計(jì)降水?dāng)?shù)值小于上升階段，為11.2～54.7 mm。

表11 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)氣溫上升時(shí)累計(jì)降水

2.4 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)氣象要素對(duì)土壤水分影響

由上述分析，分別建立各區(qū)逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫上升時(shí)段及下降時(shí)段最佳滯后時(shí)間的氣象因子與土壤水分多元線性回歸方程如表13—14所示。表13—14可以看出，在氣溫持續(xù)上升或下降時(shí)期，各區(qū)誤差率總體<5%(除溫暖伏旱區(qū)、高寒區(qū)誤差率>5%)；氣溫持續(xù)上升時(shí)期溫暖伏旱區(qū)、溫暖濕潤(rùn)區(qū)、溫和伏旱區(qū)的誤差率略好于氣溫持續(xù)下降時(shí)期，溫和春干區(qū)、溫涼區(qū)和高寒區(qū)相反。能夠較準(zhǔn)確的模擬各氣象要素對(duì)土壤水分的影響，即為逐日土壤水分持續(xù)上升時(shí)氣溫上升時(shí)段和下降時(shí)段的相應(yīng)規(guī)律。

表12 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)氣溫下降時(shí)累計(jì)降水

表13 土壤水分的多元線性回歸方程(氣溫上升)

注：W，P，T，S，E，R和F分別為土壤濕度、累計(jì)降水、氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速，Xn,下角標(biāo)n表示該變量最佳滯后日數(shù)。下同。

表14 土壤水分的多元線性回歸方程(氣溫下降)

3 結(jié) 論

(1) 農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同、氣象要素不同、逐日土壤濕度持續(xù)上升時(shí)段，氣象要素對(duì)土壤濕度影響的滯后時(shí)間不同。

(2) 在土壤水分上升、氣溫持續(xù)上升情況下，降水、氣溫、地表溫度是影響土壤水分變化的主要因子，相關(guān)系數(shù)>0.75，溫和伏旱、溫涼、高寒區(qū)降水及氣溫、地表溫度的滯后日數(shù)分別為25～30，10～15 d，溫暖伏旱、溫暖濕潤(rùn)、溫和春干區(qū)分別為10～20，20～30 d。

(3) 在土壤水分上升、氣溫持續(xù)下降情況下，降水、氣溫、地表溫度、相對(duì)濕度、輻射是影響土壤水分變化的主要因子，相關(guān)系數(shù)>0.71，其中各區(qū)降水、相對(duì)濕度、輻射的滯后日數(shù)相近，分別為20～25，20～25，10～15 d，溫暖伏旱、溫暖濕潤(rùn)、溫和伏旱區(qū)氣溫、地表溫度的滯后日數(shù)較長(zhǎng)為15～25 d，溫和春干、溫涼、高寒區(qū)較短為10～15 d。

(4) 通過(guò)對(duì)各區(qū)氣溫持續(xù)上升或下降階段累計(jì)降水量和平均氣溫分析得，累計(jì)降水滯后日數(shù)與選取時(shí)段累計(jì)降水量、平均氣溫有關(guān)，即累計(jì)降水量越大、平均氣溫越低，則累計(jì)降水的滯后時(shí)間越長(zhǎng)；氣溫、地表溫度滯后時(shí)間與累計(jì)降水量、平均氣溫負(fù)相關(guān)，即累計(jì)降水量越大、平均氣溫越低，則累計(jì)降水的滯后時(shí)間越短。

(5) 基于各區(qū)氣象要素分別建立的回歸方程模型，除溫暖伏旱區(qū)、高寒區(qū)誤差率為5.39%～8.91%，其余各區(qū)誤差率均在3.50%以下，氣溫上升階段總體誤差率優(yōu)于氣溫下降階段，可反映所研究農(nóng)業(yè)氣候區(qū)近年土壤水分變化受氣象要素的變化特征。本研究只考慮了氣象要素對(duì)10 cm層土壤水分的影響，而10 cm以下更深土壤濕度與氣象要素的相關(guān)情況有待進(jìn)一步研究和探討。

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