降水驅(qū)動下表層土壤水分變化規(guī)律

胡新　陳勇強

摘要 為了解降水后表層土壤水分變異特點，基于美國氣象監(jiān)測網(wǎng)（U.S.Climate Reference Network，USCRN）站點提供的5 cm土壤水分和降水數(shù)據(jù)，運用曲線擬合和同期平均法分析降水作用下美國大陸表層土壤水分的變化規(guī)律。結(jié)果表明，降水后，土壤水分變化階段可分為劇變階段、緩變階段、穩(wěn)定階段。在降水的強影響周期，降水結(jié)束12 h內(nèi)，表層土壤水分下降劇烈，隨前期降水強度增大，劇變階段結(jié)束時刻距離前期降水越長。在降水的弱影響周期，東部區(qū)域由緩變階段到穩(wěn)定階段比其他區(qū)域需要時間久，在穩(wěn)定階段土壤水分以天為單位呈現(xiàn)周期性波動。

關(guān)鍵詞 土壤水分;降水;同期平均法;美國氣象監(jiān)測網(wǎng)

中圖分類號 S152.7文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）21-0058-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.018

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Variation of Surface Soil Moisture Driven by Precipitation

HU Xin，CHEN Yongqiang

（School of Surveying and Land Information Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo， Henan 454000）

Abstract In order to understand the variation characteristics of surface soil moisture after precipitation， based on the 5 cm soil moisture and precipitation data provided by the U.S. Climate Reference Network， curve fitting and simultaneous average method were used to analyze the variation rules of surface soil moisture in the United States after precipitation. The results showed that the change of soil moisture can be divided into drastic change stage， slow change stage， and stable change stage， after precipitation. In the period of strong influence of precipitation， within 12 hours after the end of precipitation， the surface soil moisture decreased drastically， and the precipitation intensity increased with the previous period， and the longer the time required for the end of the dramatic phase. In the weak influence period of precipitation， the eastern region took longer from the slowchanging phase to the stable phase， and the soil moisture in the stable phase presented cyclical fluctuations in days.

Key words Soil moisture;Precipitation;Simultaneous average method;U.S. Climate Reference Network

基金項目 國家自然科學基金青年基金項目（41501363）;河南省科技廳項目（172102110033）。

作者簡介 胡新（1992—），男，河南南陽人，碩士，從事微波遙感土壤水分反演研究。

收稿日期 2019-05-14

土壤水分是植物生長的必要條件，其多寡直接影響人類生命健康和動植物群落發(fā)展[1]。同時土壤水分參與全球水循環(huán)，影響能量平衡，與全球氣候變化關(guān)系密切[2-3]。表層土壤水分鄰近地面生物圈，易受環(huán)境因素的影響，變動最為頻繁和劇烈。掌握表層土壤水分變化規(guī)律對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣候預(yù)測等至關(guān)重要。

降水輸入是表層土壤水分獲得補充最直接、快速、主要的來源，也是造成表層土壤水分突變的原因[4]。降水入滲的發(fā)生需要一定的條件，降水量過小，降水在降水事件結(jié)束時將全部蒸散損耗，只有在降水量達到一定程度，降水才會發(fā)生下滲[5]。入滲量與降水強度呈正相關(guān)，同時降水的入滲受表面地表覆蓋、微地形和表面粗糙度影響強烈[6-7]。不同深度的土壤層水分含量的變化幅度是不一樣的[8]。以往研究多集中在特定條件或較小區(qū)域下降水對不同層土壤水分的影響，而對于大區(qū)域在降水后表層土壤水分的普遍變化規(guī)律研究較少。

在前人工作的基礎(chǔ)上，基于美國115個氣候監(jiān)測站2015—2017年的5 cm土壤水分和降水資料，運用曲線擬合和同期平均法對降水后表層土壤水分的變化特征加以分析和描述，以期加深對土壤水分變化規(guī)律的認識，為雨后土壤水分管理和預(yù)測提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

美國大陸位于北美洲中部，幅員遼闊，地形復(fù)雜，各地氣候差異較大，大體可分為5個氣候區(qū)。東北部沿海的溫帶氣候區(qū)，冬季寒冷，夏季溫和多雨。東南部亞熱帶氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤。中央平原的大陸性氣候區(qū)呈大陸性氣候特征，冬季寒冷，夏季炎熱。西部高原干燥氣候區(qū)為內(nèi)陸性氣候。太平洋沿岸的海洋性氣候區(qū)冬暖夏涼，雨量充沛[9]?？傮w上東部和西部沿海區(qū)域降雨豐富，西部高原降雨較少。

1.2 數(shù)據(jù)來源

5 cm土壤水分和降水數(shù)據(jù)來源于美國氣象監(jiān)測網(wǎng)（U.S.Climate Reference Network，USCRN）[10]，由于美國北部在冬季會出現(xiàn)凍融現(xiàn)象，影響正常情況下土壤水分變化規(guī)律。文中選取4—10月的數(shù)據(jù)作為研究對象。2015—2017年各站點非凍融期平均累計降水量如圖1所示。針對5 cm土壤水分和降水數(shù)據(jù)，按照有此項觀測、無長期連續(xù)無效值、總記錄滿1年的標準對站點進行質(zhì)量控制，分別在2015、2016、2017年選擇68、62、85個站點。由于小于 5 mm 降水對土壤水分的影響幾乎可以忽略不計[11]，筆者只研究5 mm以上強度降水后土壤水分的變化規(guī)律，降水強度等級劃分標準適合參照表1的 12? h降水總量（mm）。

1.3 研究方法

1.3.1 曲線擬合。以y表示樣本量為n的某一變量，用x表示所對應(yīng)y的時間，建立擬合曲線來表達x與y之間的關(guān)系。

y=f（x，c）（1）

式中c=（c1，c2，c3，…，cn）是一些待定參數(shù)。以加權(quán)最小二乘作為衡量擬合優(yōu)度的標準，選擇參數(shù)ci使得擬合模型與實際觀測值在各點殘差的加權(quán)平方和達到最小。

1.3.2 同期平均法。利用幾個周期的時間數(shù)列，計算同期平均數(shù)，以消除外部或偶然因素的影響，將定期變化的趨勢更加明顯地反映出來。

j=1kki=1xi，j（j=1，2，3，…，n）（2）

其中k為周期數(shù)，j為周期長度。

2 結(jié)果與分析

表層土壤水分在3 d后保留了降落在陸地上雨水的14%，3 d后在干旱地區(qū)以及排水到地下水儲存最低的地區(qū)表層土壤雨水儲存量最高[2]。因此把降水結(jié)束第3天看作降水強弱影響的分界線。

2.1 降水強影響下表層土壤水分變異性

2015—2017年4—10月，美國大陸區(qū)域中雨（Moderate rain）、大雨（Heavy rain）、暴雨（Rainstorm）、大暴雨（Heavy rainstorm）結(jié)束后3 d內(nèi)土壤水分下降速率（Decline rate of SM）以及相應(yīng)的5次項擬合曲線：中雨M_r（fitting）、大雨H_r（fitting）、暴雨Rs（fitting）、大暴雨H_rS（fitting），如下圖2所示。

通過土壤水分下降速率散點分布和擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)：

（1）降水結(jié)束后，表層土壤水分總體上都表現(xiàn)為下降趨勢。其中，中雨、大雨、暴雨之后，土壤水分的下降速率基本都保持為正值，而大暴雨結(jié)束，12 h后會出現(xiàn)個別時刻土壤水分上升的情況。這可能與大暴雨影響下，土壤水分出現(xiàn)飽和現(xiàn)象有關(guān)。

（2）不同強度降水結(jié)束后1 d之內(nèi)的土壤水分下降速率有較大差異。大暴雨、暴雨、大雨和中雨在降水結(jié)束后的下降速率分別為0.01、0.054、0.031、0.008 m3/（m3·h），變化較為劇烈。

（3）1 d之后，土壤水分的下降速率保持一個平緩穩(wěn)定的水平。大暴雨、暴雨、大雨和中雨的下降速率達到穩(wěn)定需要的時間分別為16、13、11、6? h。24 h之后，各級別降水的土壤水分下降速率逐漸接近。

2.2 降水弱影響下表層土壤水分時空變異性

研究區(qū)降水后4～21 d同期土壤水分的變化狀態(tài)（圖3）發(fā)現(xiàn)，土壤水分的變化以天為單位進行有規(guī)律的波動，22：00到次日14：00土壤水分處于下降狀態(tài)，從14：00開始到22：00，土壤水分處于上升狀態(tài)。隨著土壤水分的逐漸減少，其下降速率和波動范圍逐漸降低，波動范圍由0.009 1 m3/m3下降為0.007 4? m3/m3，日平均下降速率由0.005 6減小為0.001 2 m3/（m3·d），變化規(guī)律由波動式快速下降轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定波動。

將總樣本按照2次降水間隔達到7、14、21、>21 d的標準將其分為4個子樣本，截取降水結(jié)束后相應(yīng)時間段的土壤水分分區(qū)域進行分析，區(qū)域劃分標準為40°N以北、40°N以南、100°W以東、100°W以西。

各時間段區(qū)域日同期平均土壤水分變化速率（The variation of SM）如圖4所示。

（1）降水結(jié)束后4～7 d。美國東部區(qū)域土壤水分處于不斷下降狀態(tài)，西、南、北部區(qū)域土壤水分處于下降、上升不斷交替的狀態(tài)，其中最高下降速率和最低下降速率都出現(xiàn)在西部區(qū)域，分別出現(xiàn)于03：00和18：00。南、北部區(qū)域土壤水分變化速率的表現(xiàn)與東部區(qū)域相似，但是變化幅度較小，在時間節(jié)點上稍有差異。

（2）降水結(jié)束后8～14 d。西部區(qū)域土壤水分的變化速率和態(tài)勢與降水結(jié)束后4～7 d極為相似，北部、南部區(qū)域土壤水分變化態(tài)勢與前4 d基本一樣，變化幅度有了一定程度的增長，東部區(qū)域的土壤水分依舊是持續(xù)下降狀態(tài)，但是下降速度有所減小。

（3）降水結(jié)束15 d以后，西部區(qū)域土壤水分保持與前兩個時間段的狀態(tài)一致。南、北部區(qū)域土壤水分變化趨勢保持不變，變化幅度更為接近西部區(qū)域。東部區(qū)域土壤水分不再是不斷下降的狀態(tài)，在14：00—20：00 土壤水分出現(xiàn)回升。

結(jié)果表明，在降水弱影響階段，越干旱的區(qū)域越早呈現(xiàn)以天為周期的穩(wěn)定波動狀態(tài)，在降水豐富的東部區(qū)域15 d以后由緩變狀態(tài)逐漸過渡至穩(wěn)定狀態(tài)。東、西部巨大差異產(chǎn)生的原因可能是由于東部區(qū)域降水較多，深層土壤儲水量豐富，減弱表層土壤水分變化。

3 結(jié)論與討論

采用曲線擬合和同期平均法對降水后表層土壤水分進行處理，發(fā)現(xiàn)：①在降水結(jié)束后，表層土壤水分進入劇變階段，水分含量急劇下降，之后進入緩變階段呈現(xiàn)為以天為周期的波動式下降狀態(tài)，最后土壤水分進入穩(wěn)定階段，表現(xiàn)為每日同期變化速率保持不變的波動式穩(wěn)定。②每個階段持續(xù)時間長短與降水強度關(guān)系密切，降水強度越大、持續(xù)時間越長，進入穩(wěn)定階段需要的時間越久。③表層土壤水分的下降速度與距離前期降水結(jié)束時間呈負相關(guān)。

受試驗據(jù)制約，該研究還存在一些不足：①表層土壤水分變化受外界影響因素較多，該文只研究了前期降水影響下表層土壤水分的普遍變化規(guī)律，未能分析多種影響因素下土壤水分的變化，無法建立適用的預(yù)測模型。②東部區(qū)域與其他3個區(qū)域差別巨大，除了降水影響可能還存在其他影響因素，需要繼續(xù)探討。

安徽農(nóng)業(yè)科學 2019年

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