貴州喀斯特區(qū)域土壤濕度變化規(guī)律研究

袁淑杰，何興潼，何 源，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，成都 610225；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴陽 550002；3.四川省氣象局氣象服務(wù)中心，成都 610072)

0 引 言

土壤濕度作為地表水文過程的一個綜合指標(biāo)，積累了地表水文過程的大量信息，也是表征陸面狀況的一個重要物理量，調(diào)控著陸面水和能量的收支平衡過程，對全球氣候變化及水循環(huán)起著重要作用[1-3]。近年來，在全球變暖的背景下，水資源缺失[4]導(dǎo)致的干旱頻發(fā)及區(qū)域氣候異常愈發(fā)嚴(yán)重，直接威脅到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生存環(huán)境，以中國貴州為代表的喀斯特地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，土壤-植物-大氣系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律也表現(xiàn)出獨(dú)特性[5]，土壤濕度成為喀斯特生態(tài)環(huán)境的主要制約因子[6]，因此，針對喀斯特區(qū)域土壤濕度時空變化特征的研究對于喀斯特區(qū)域生態(tài)恢復(fù)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化布局及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有指導(dǎo)作用[7]。

目前中國土壤濕度時空分布特征的研究主要集中在：基于觀測資料的某一地區(qū)土壤濕度時空分布、土壤濕度與氣象要素的相關(guān)性研究；基于再分析資料、衛(wèi)星資料等配合模式的土壤濕度的模擬及時空分布特征。研究區(qū)域多集中在東北、華東地區(qū)，全國性的研究較少，針對喀斯特區(qū)域的研究更少，站點(diǎn)的空間分布較為稀疏[8-12]。馬柱國等[13]應(yīng)用前人的分析資料和分析結(jié)論，總結(jié)了土壤濕度與降水量有明顯的正相關(guān)關(guān)系。Alan Robock等[14]利用各國土壤濕度實測資料研究發(fā)現(xiàn)，與溫度升高的夏季干燥預(yù)測相反，對于長記錄的臺站，前1m的夏季土壤水分隨溫度升高而增加，降水增加的趨勢超過了增加蒸發(fā)的補(bǔ)償。陳少勇等[15]利用黃土高原59個氣象站 1961-2002 年月降水量和 29 個農(nóng)業(yè)氣象觀測站從建站到2002年逐年4-10月旬土壤濕度資料發(fā)現(xiàn)，土壤濕度處于動態(tài)變化，一般從7月份開始土壤濕度增加，但隨地區(qū)不同幅度有差異。王磊等[16]利用1981-1994年新疆土壤濕度資料研究發(fā)現(xiàn)土壤濕度和氣候因子之間存在相互響應(yīng)，土壤濕度與氣溫普遍存在負(fù)相關(guān)，與降水之間總體響應(yīng)不明顯。王修信等[17]發(fā)現(xiàn)到深度20 cm時，地面氣象因素對土壤濕度影響微弱，在深度40 cm時，兩者幾乎無關(guān)。劉博等[18]研究貴州一次降雨過程發(fā)現(xiàn)，降雨使10、20 cm深度土壤濕度顯著增加，隨深度增加，土壤濕度減小，0～30 cm土層的作物根系分布密集，使土壤保水能力較強(qiáng)。

上述研究所用資料時間尺度大多為旬、月、年，而利用逐日實時觀測資料較少，且站點(diǎn)分布較為稀疏。近幾年來，隨著土壤濕度自動觀測站與觀測網(wǎng)絡(luò)的建立，利用逐日實測資料為分析研究該區(qū)域土壤濕度時空分布特征提供了有力的支撐，故本文利用貴州喀斯特區(qū)域53個土壤濕度自動觀測站2011-2015年10～100 cm逐日實測資料，應(yīng)用EOF分析法，探尋貴州喀斯特區(qū)域土壤濕度的時空分布，并分析可能蒸散、降水量與土壤濕度關(guān)系。

1 資料與方法

本研究所用資料均來自于貴州省氣象局，主要包括：2011-2015年53個自動土壤水分觀測站(圖1)的逐日平均土壤濕度、降水、平均氣溫、平均地表溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)資料。

圖1 貴州喀斯特區(qū)域站點(diǎn)分布Fig.1 Meteorological station distribution map of Krast in Guizhou

本研究中土壤濕度均指土壤相對濕度，即：

(1)

10 cm土壤濕度為0～10 cm土層的土壤濕度值，20～100 cm以此類推。

此外，本文根據(jù)《GBT 20481～2006 氣象干旱等級》[19]，通過土壤相對濕度(R)對干旱進(jìn)行等級分類(如表1所示)以及選用Penman-Monteith公式計算可能蒸散，該方法根據(jù)水汽擴(kuò)散理論和能量平衡，綜合考慮了溫度、相對濕度、風(fēng)速、輻射、日照等因子的影響。

表1 土壤相對濕度干旱指數(shù)的干旱等級劃分Tab.1 Drought classification of soil relative humidity drought index

2 結(jié)果分析

2.1 土壤濕度空間分布

利用貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年53個土壤濕度自動觀測站10～100 cm逐日土壤濕度觀測資料，計算5年平均逐旬0～100 cm土壤濕度，應(yīng)用Arcgis克里金插值法，得到逐旬土壤濕度空間分布圖。圖2為貴州喀斯特區(qū)域10 cm土壤濕度1、3、5、7、9、11月中旬土壤濕度空間分布，表2為10 cm土壤濕度統(tǒng)計特征。20～100 cm土壤濕度空間分布圖與相關(guān)統(tǒng)計特征表略。可以看出：

圖2 10 cm土壤濕度空間分布(2011-2015)Fig.2 Spatial distribution of soil moisture in 10 cm (2011-2015)

(1)10～20 cm土壤濕度空間分布較為一致，同一時間，畢節(jié)、六盤水、銅仁等地土壤濕度相對較高，威寧、沿河、印江、思南、冊亨土壤濕度相對較低。

(2)10 cm土壤濕度7中旬為42%～82%，9月中旬35%～84%，有些地區(qū)有輕、中、重旱發(fā)生；3、5月中旬為60%～79%，土壤較濕潤；11、1月中旬土壤濕度為70%～89%，土壤濕潤。

表2 10 cm土壤濕度統(tǒng)計特征Tab.2 Statistical characteristics of soil moisture in 10 cm

20 cm土壤濕度7、9月中旬為50%～79%，較10 cm稍高；3、5月中旬介于60%～79%，11、1月中旬為70%～89%，與10 cm相當(dāng)。

(3)30～50 cm土壤濕度空間分布較為一致，與10、20 cm土壤濕度空間分布不同。同一時間，遵義、都勻、銅仁、安順、興義、六盤水、冊亨地區(qū)土壤濕度相對較高，威寧、沿河、正安、天柱、甕安、福泉土壤濕度相對較低。

(4)30～50 cm土壤濕度7、9月中旬為土壤濕度70%～79%，土壤較濕潤；1、3、5月中旬土壤濕度介于70%～89%，土壤濕潤；11月中旬土壤濕度介于80%～100%，土壤濕潤，均比10、20 cm土壤濕度高。

(5)60～100 cm土壤濕度空間分布較為一致，同一時間，安順、都勻、六盤水、銅仁、凱里、仁懷、遵義地區(qū)土壤濕度相對較高，威寧、沿河、正安、榕江、從江、羅甸、務(wù)川、鳳岡土壤濕度相對較低。

(6)60～100 cm土壤濕度相差不大，1、3、5、7、9、11月中旬土壤濕度均為70%～89%，土壤濕潤，與30～50 cm土壤濕度相近。

(7)總體來講，同一時間，威寧、沿河、正安、印江、思南地區(qū)10～100 cm土壤濕度均較小，銅仁、安順、都勻地區(qū)均較大。

2.2 土壤濕度場EOF特征向量

2.2.1 不同深度土壤濕度特征向量累計貢獻(xiàn)率

利用貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年53個土壤濕度自動觀測站土壤濕度觀測資料進(jìn)行EOF原始場分析，得出EOF分解后各個主分量的貢獻(xiàn)方差和累計方差貢獻(xiàn)率(表3)。列出前三主分量各自方差與累計方差，結(jié)果如下：

表3 10～100 cm土壤濕度累計方差貢獻(xiàn)率(2011-2015)Tab.3 Contribution rate of cumulative variance of 10～100 cm soil moisture in 2011-2015

(1)前三主分量累計方差>98%，所以前三主分量能夠很好的代替原始場的狀況。相比于第三主分量，第二主分量累計方差貢獻(xiàn)率較高，收斂速度快，更具有代表性，故第一主分量、第二主分量能夠很好的代表原始場及擾動場狀況。

(2)第一主分量所占累計方差的貢獻(xiàn)率極高，均超過97%，代表著貴州2011-2015年土壤濕度分布的一般情況或者平均情況。

2.2.2 不同深度土壤濕度EOF特征向量

圖3、4為應(yīng)用EOF方法計算得到的貴州喀斯特區(qū)域不同深度土壤濕度第一主分量及對應(yīng)時間序列，由圖3、4可見：

(1)貴州喀斯特區(qū)域10～100 cm土壤濕度最大值集中在習(xí)水、羅甸、畢節(jié)、銅仁、盤縣、冊亨、仁懷等地，最小值區(qū)則在威寧、務(wù)川、榕江、從江地區(qū)。

(2)貴州喀斯特區(qū)域東北部地區(qū)務(wù)川、沿河、印江等地特征向量較小，西南部安龍、惠水、關(guān)嶺等地特征向量值較大。

(3)時間系數(shù)上看，10～100 cm土壤濕度時間走勢大致相同，其中，1月中旬、11月中旬、9月下旬、6月上旬出現(xiàn)極大值，表明對應(yīng)時間土壤濕度達(dá)到最大值，反之，3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出現(xiàn)極小值，對應(yīng)時間土壤濕度實際值較小。

貴州喀斯特區(qū)域土壤濕度第二主分量(圖略)可以代表貴州喀斯特區(qū)域10～100 cm擾動場，除20 cm為以仁懷、習(xí)水為中心的分布外，其余土層均為東北-西南向相反分布類型。從時間系數(shù)來看，系數(shù)越遠(yuǎn)離0，兩種相反分布型差別越大；從走勢上來看，除100 cm走勢不一致外，其余大致走勢一致。

2.3 可能蒸散、降水對土壤濕度的影響

2.3.1 可能蒸散、降水量空間分布

利用貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年52個地面氣象站逐日平均氣溫、平均地表溫度、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)和降水量資料，分別計算其逐日可能蒸散，再計算5年平均逐旬可能蒸散與降水量，應(yīng)用Arcgis克里金插值法，得到可能蒸散、降水量逐旬空間分布圖，并統(tǒng)計相關(guān)可能蒸散、降水量特征。圖5、6為貴州喀斯特區(qū)域1、3、5、7、9、11月中旬可能蒸散、降水量空間分布，表3、4為可能蒸散、降水量統(tǒng)計特征。

由圖5可見，貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年旬平均可能蒸散在以11、1月中旬最小，為11～20 mm；3月中旬居中，為21～30 mm；5、9月中旬較大，為26～35 mm；7月中旬最大，為31～40 mm。

由圖6可見，貴州喀斯特區(qū)域2011-2015旬年平均降水量在1、3、9、11月中旬最小，低于40 mm；5月中旬居中，大部為40～80 mm；7月中旬最大，可達(dá)60～100 mm。

圖3 不同深度土壤濕度第一主分量Fig.3 The first principal component of soil moisture in different depths

圖4 土壤濕度第一主分量時間序列Fig.4 The first principal component time sequence diagram of soil moisture

2.3.2 可能蒸散、降水量對土壤濕度的影響

上述討論可知，可能蒸散、降水量與土壤濕度的空間分布并不一致，可能蒸散、降水量對土壤濕度的影響有一定程度的滯后性，當(dāng)旬土壤濕度并不一定與當(dāng)旬可能蒸散、降水量相關(guān)性最好，而可能與前幾旬可能蒸散、降水量相關(guān)性更好，可能蒸散、降水量對土壤濕度影響的滯后時間可能不同。

根據(jù)前人研究成果[20]，本文選取溫暖農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(鎮(zhèn)遠(yuǎn)為代表站，下同)、溫和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(鳳岡)，溫涼農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(納雍)為代表，研究可能蒸散、降水量對土壤濕度的影響。對春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-2月)分別計算某旬土壤濕度和當(dāng)旬可能蒸散與降水、前一旬可能蒸散與降水、前兩旬可能蒸散與降水、前三旬可能蒸散與降水計算相關(guān)性。

表4為2011-2015年鎮(zhèn)遠(yuǎn)10～100 cm土壤濕度與可能蒸散、降水量相關(guān)性。由表4可見，春季可能蒸散均未通過顯著性檢驗；夏季當(dāng)旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)系數(shù)絕對值最大，為-0.53，通過0.01顯著性檢驗，負(fù)相關(guān)，即夏季當(dāng)旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好，夏季當(dāng)旬可能蒸散對10 cm土壤濕度的影響最大；秋季前兩旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好，通過0.01顯著性檢驗，負(fù)相關(guān)，秋季前兩旬可能蒸散對10 cm土壤濕度的影響最大；冬季前一旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好，通過0.01顯著性檢驗，正相關(guān)，冬季前一旬可能蒸散對10 cm土壤濕度的影響最大。春季前兩旬降水量與10 cm土壤濕度相關(guān)系數(shù)絕對值最大，為0.41，通過0.05顯著性檢驗，正相關(guān)，即春季前兩旬降水量與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好，春季前兩旬降水量對10 cm土壤濕度的影響最大，夏季當(dāng)旬降水量與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好，夏季當(dāng)旬降水量對10 cm土壤濕度影響最大。秋、冬季均未通過顯著性檢驗。

圖5 可能蒸散空間分布(2011-2015年)Fig.5 Spatial distribution of possible evapotranspiration (2011-2015)

圖6 降水量空間分布(2011-2015年)Fig.6 Spatial distribution of precipitation (2011-2015)

春季夏季秋季冬季當(dāng)旬可能蒸散-0.26 -0.53**-0.51**-0.41*前一旬可能蒸散-0.15 -0.43**-0.51**-0.46**前兩旬可能蒸散0.02 -0.30 -0.55**-0.40*前三旬可能蒸散0.19 -0.30 -0.46**-0.38 當(dāng)旬降水量0.30*0.32*0.06 0.10 前一旬降水量0.31*0.27 0.14 0.16 前兩旬降水量0.41*0.27 0.16 -0.04 前三旬降水量0.40*0.17 0.19 0.03

注：*表示通過了0.05的顯著性檢驗，**表示通過0.01的顯著性檢驗。

應(yīng)用同樣方法，對其他土層及其他站點(diǎn)分析結(jié)果表明：

(1)春季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散與0～100 cm土壤濕度的相關(guān)性較差，可能蒸散對10～100 cm土壤濕度的影響較小。

夏季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡前一旬或前兩旬可能蒸散與10～50 cm土壤濕度相關(guān)系數(shù)較大，相關(guān)性較好，均為負(fù)相關(guān)。鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對10～50 cm土壤濕度的影響較大?？赡苷羯⑴c60～100 cm土壤濕度的相關(guān)性較差，鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對60～100 cm土壤濕度的影響較小。

秋季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡前一旬或者前兩旬可能蒸散與10～50 cm土壤濕度的相關(guān)性較好，鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對0～50 cm土壤濕度的影響較大，可能蒸散對60～100 cm土壤濕度影響較小。

冬季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散與10～100 cm土壤濕度的相關(guān)性較差，鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對10～100 cm土壤濕度的影響較小。

(2)春季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡前兩旬降水與10～50 cm土壤濕度的相關(guān)性較好，為正相關(guān)，降水對10～50 cm土壤濕度的影響較大，降水對60～100 cm土壤濕度的影響較小。

夏季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水與土壤濕度的相關(guān)性較好，降水對土壤濕度的影響較大。鎮(zhèn)遠(yuǎn)前一旬降水與10～60 cm土壤濕度相關(guān)性較好，為正相關(guān)；納雍前一旬或當(dāng)旬降水與10～50 cm土壤濕度影響相關(guān)性較好；鳳岡前一旬或當(dāng)旬降水對10～30 cm土壤濕度影響最大。

秋季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍降水與土壤濕度的相關(guān)性均未通過顯著性檢驗，鳳岡前一旬或前兩旬降水對土壤濕度影響最大。

冬季：鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水與土壤濕度的相關(guān)性較好，降水對土壤濕度的影響較大。鎮(zhèn)遠(yuǎn)、鳳岡冬季前一旬降水對10～20 cm土壤濕度影響最大；納雍前三旬降水對60～100 cm影響最大，為負(fù)相關(guān)。

3 結(jié) 語

(1)10～20 cm土壤濕度空間分布較為相似，30～50 cm土壤空間分布較為相似，60～100 cm土壤空間分布較為一致。總體來講，同一時間，威寧、沿河、正安、印江、思南地區(qū)10～100 cm土壤濕度均較小，銅仁、安順、都勻地區(qū)均較大。

(2)時間上，10～50 cm土壤濕度7、9月中旬相對偏低，3、5月中旬居中，11、1月中旬偏高。10 cm土壤濕度7、9月中旬為50%～69%，3、5月中旬為60%～79%，土壤較濕潤；11、1月中旬土壤濕度為70%～89%，土壤濕潤。20 cm土壤濕度7、9月中旬為50%～79%，較10 cm稍高；3、5月中旬介于60%～79%，11、1月中旬為70%～89%，與10 cm相當(dāng)。30～50 cm土壤濕度均比10～20 cm土壤濕度高，7、9月中旬為70%～79%，1、3、5月中旬土壤濕度介于70%～89%， 11月中旬為80%～100%。

(3)60～100 cm土壤濕度相差不大，1、3、5、7、9、11月中旬土壤濕度均為70%～89%，土壤濕潤，與30～50 cm土壤濕度相近。

(4)10～100 cm土壤濕度場第一主分量、第二主分量收斂速度快，方差累計貢獻(xiàn)率超過98%，能夠很好的代表原始場和擾動場狀況。第一主分量最大值集中在習(xí)水、羅甸、畢節(jié)、銅仁、盤縣、冊亨、仁懷，最小值主要在威寧、務(wù)川、榕江、從江。貴州喀斯特區(qū)域東北部地區(qū)務(wù)川、沿河、印江等地特征向量較小，西南部安龍、惠水、關(guān)嶺等地特征向量值較大。

(5)時間系數(shù)上，10～100 cm土壤濕度時間序列所代表的土壤濕度的時間走勢大致相同，1月、11月中旬、9月下旬、6月上旬出現(xiàn)極大值，表明對應(yīng)時間土壤濕度達(dá)到最大值，反之，3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出現(xiàn)極小值，對應(yīng)時間土壤濕度實際值較小。

(6)鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡春季可能蒸散對土壤濕度的影響較??；夏季可能蒸散對10～50 cm影響的滯后時間為一旬，60～100 cm兩者相關(guān)性較低；秋季可能蒸散對10～50 cm土壤濕度影響的滯后時間為一旬或者兩旬，60～100 cm兩者相關(guān)性較低；冬季，10～50 cm可能蒸散對土壤濕度的影響較小。

(4)春季，鎮(zhèn)遠(yuǎn)降水對10～60 cm土壤濕度影響的之后時間為兩旬，納雍降水對土壤濕度影響不明顯，鳳岡春季降水對10～30 cm土壤濕度影響的滯后時間為當(dāng)旬或一旬；夏季，鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水對10～30 cm土壤濕度影響滯后時間為當(dāng)旬或者一旬；秋季，鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水對土壤濕度影響不明顯。冬季，鎮(zhèn)遠(yuǎn)、鳳岡降水對10～20 cm影響滯后時間為一旬。

本文僅討論了貴州喀斯特地區(qū)10～100 cm土壤水分時空分布特征，以及簡要的探討了降水、氣溫及土層相互作用的影響，而對地下水、植被、灌溉及土質(zhì)等影響還未涉及，貴州喀斯特地區(qū)土壤水分未來變化的相關(guān)情況有待進(jìn)一步研究和探討。