西南喀斯特地區(qū)中層土壤濕度時空變化特征

潘 媞，李 蓉，袁淑杰，何興潼，谷曉平

(1．四川省氣象服務(wù)中心，成都 610071；2.蘭州中心氣象臺，蘭州 730000；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；4.四川省瀘州市氣象臺，瀘州 646000；5.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴陽 550002)

引言

中國西南喀斯特地區(qū)(98°18′～110°01′E，22°20′～30°02′N)地處云貴高原東部梯級大斜坡地帶，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，地貌以山地及峰林可溶性巖溶分布，格局復(fù)雜，為典型的喀斯特地貌，是世界上三大喀斯特區(qū)域之一。

而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，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]；西南喀斯特地區(qū)石漠化的發(fā)展已經(jīng)成為制約中國西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的最為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[4]，而土壤濕度是喀斯特生態(tài)環(huán)境的主要制約因子[5]，故對喀斯特地區(qū)土壤濕度的研究成為了石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)和重建的重要措施[6]。

目前有關(guān)土壤濕度變化特征的研究大多利用年、月、旬資料，且集中在東部、西北等地區(qū)[7-9]，而針對喀斯特區(qū)域土壤濕度變化特征的研究相對較少。

基于此，本文根據(jù)巖溶石漠化等級評價表[10]，定義了石漠化綜合評價系數(shù)大于零的站點所在區(qū)域作為研究區(qū)域，即中國西南喀斯特地區(qū)作為研究區(qū)域，以目前喀斯特地區(qū)現(xiàn)有的中層(即50cm)土壤相對濕度旬資料作為研究對象，運用線性趨勢分析、EOF空間分解方法，詳細分析其時空演變特征，進一步認識中國西南喀斯特地區(qū)土壤濕度的時空演變特征，以期為該地區(qū)恢復(fù)石漠化生態(tài)的保護和重建以及極端高溫事件[11]防災(zāi)減災(zāi)[12]提供理論支持。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究依據(jù)巖溶石漠化等級評價表[10]，確定了石漠化綜合評價系數(shù)大于零的站點所在區(qū)域作為研究區(qū)域，即中國西南喀斯特地區(qū)作為研究區(qū)域，并選取該區(qū)域內(nèi)31個農(nóng)業(yè)氣候站點土壤濕度資料為研究對象分布如圖1所示。

本文采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.data.cma. cn/)，中國西南喀斯特區(qū)域內(nèi)該區(qū)域內(nèi)全部31個農(nóng)業(yè)氣候站點1991～2013年50cm層土壤濕度(體積含水量)旬資料(貴州9個，云南11個，四川4個，廣西5個，重慶2個)。

1.2 方法

(1)線性趨勢分析：分析84個研究站點其樣本量n=23某層土壤濕度要素隨時間變化趨勢。設(shè)某站某層土壤濕度(xi)時間序列(t)為i=1,2,…,n，可建立xi與t之間的一元線性回歸方程，可表示為:

xi=a*t+b(i=1,2,…,n)

(1)

式中：t為時間(年)，a為回歸系數(shù)，b為回歸常數(shù)，本文均由最小二乘法如下估算：

(2)

(3)

以a作為年際變化傾向率，在本文中代表土壤濕度年際變化率，其單位為%/a，其正負以表征氣候要素的變化趨勢。

(2)經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)：地理要素空間場(本文為距平場)的自然正交展開稱為經(jīng)驗正交展開，主要用于短期氣候和區(qū)域統(tǒng)計降尺度預(yù)測中[13]，通過分解得到的各模態(tài)時間系數(shù)，重建過去要素場的變化；獨立顯著的典型場由變量場序列本身特征決定，非人為規(guī)定，具有收斂速度快，較好地表現(xiàn)原始場的主要特征；它能對有限區(qū)域內(nèi)不規(guī)則分布的氣象站點進行分解，而且分解的空間結(jié)構(gòu)具有明顯的物理意義[14]。

原理是將時間和空間場分解為多個空間的特征向量和時間系數(shù)序列的線性組合，分析研究要素場的空間和時間變化[15]，并采用North[16]等提出的計算特征值誤差范圍的方法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果分析

2.1 西南喀斯特地區(qū)土壤濕度時間演變特征

2.1.1 土壤濕度年際變化

從50cm層土壤濕度的年際變化來看，土壤濕度的年際變化波動近年來逐漸變小，平均土壤濕度79.3%，從其距平結(jié)果(圖2b)來看，波動顯著時段為1994～2002年，平均波動為3.5%，但同期的土壤濕度也維持在80%左右高值。

50cm層土壤濕度雖波動數(shù)值較大，但由于本身土壤濕度較高，故波動趨勢并不明顯，說明50cm的年際變化相對較為穩(wěn)定。

2.1.2 土壤濕度季節(jié)變化

從各季節(jié)50cm層土壤濕度的年際變化及擬合曲線圖可得，不同季節(jié)的土壤濕度呈現(xiàn)的年際變化均不相同，春、冬季表現(xiàn)為相似的上升特征，但冬季的土壤濕度為先短暫下降后迅速上升，上升速率要明顯大于春季；夏季的土壤濕度年際變化特征是20世紀(jì)90年代至2000年左右為弱上升趨勢，之后其年際變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆?，總體為0.08%的略上升的變化特征；秋季的土壤濕度從1991～1996年開始驟降(-4.9%/a)，從1997～2007年迅速上升(1.8%/a)，之后開始波動略有下降，總體持平均0.48%的年升高特征。

2.2 西南喀斯特地區(qū)土壤濕度空間分布特征

2.2.1 土壤濕度年平均

從土壤濕度多年平均的空間大小及分布可以看出其具有明顯差異， 50cm層的土壤濕度大部地區(qū)均在75.0%以上，可以分析得到中層土壤濕度較高，從圖中可以看出，西南喀斯特地區(qū)土壤濕度分布具有區(qū)域性差異。

2.2.2 土壤濕度季節(jié)平均

從50cm層土壤濕度多年季節(jié)平均的空間分布結(jié)果可得，秋季的土壤濕度整體最高，除云南南部臨滄地區(qū)有局部的土壤濕度低值區(qū)域，其余地區(qū)土壤濕度為70.1%～94.8%，西部土壤濕度(80.1%～94.8%)略高于東部地區(qū)(70.1%～80.0%)。春、夏、冬季50cm層土壤濕度均出現(xiàn)不同程度的土壤濕度低值區(qū)，其中夏季土壤濕度的低值區(qū)范圍最大，主要集中在貴州中東部及川西南高原地區(qū)，而相應(yīng)的土壤濕度高值區(qū)域主要集中在云南西南部邊界地區(qū)；春季和冬季的土壤濕度空間分布形態(tài)較為相似，研究區(qū)西北部的川西高原為土壤濕度低值區(qū)，均在55%以下，而云南西部、貴州東部、廣西東部的土壤濕度則相對較高。

分析結(jié)果可知，研究區(qū)土壤濕度在夏季出現(xiàn)了不同程度的下降，其中川西高原地區(qū)、貴州東部地區(qū)是主要的土壤濕度低值區(qū)，同時易受季節(jié)變化影響，而廣西、云南地區(qū)的土壤濕度在各季節(jié)均表現(xiàn)的較為一致且穩(wěn)定。

2.2.3 土壤濕度年際傾向變化

由50cm層土壤濕度的年際變化率(圖6)可知，川東南部、廣西東部及云南西南部為主要土壤濕度上升區(qū)域，年際變化率為6.50%～7.21%，年際上升速率也較高，而貴州大部、重慶南部、川西南及滇北地區(qū)均為土壤濕度年際下降區(qū)域，且下降范圍較大，但其年際下降速率相對較慢，僅為2.07%。

總體來看，50cm層土壤濕度的年際變化有明顯的“南升北降”空間分布特征。

2.3 土壤濕度空間特征分解

為了更好分析和驗證近23年西南喀斯特地區(qū)50cm層土壤濕度的時空演變趨勢，本文運用了經(jīng)驗正交分解(EOF)方法，以各層土壤濕度的距平場作為初始資料，得到其多年來的各層土壤濕度的多個模態(tài)的空間分解結(jié)果，選取通過North(1982)95%顯著性檢驗的模態(tài)作為各層土壤濕度距平場的主要特征進行分析，其中50cm層土壤濕度的前4個模態(tài)通過顯著性檢驗，其獨立顯著模態(tài)對應(yīng)的空間分布、主成分及方差貢獻率分別如下所示。

表1為50cm土壤濕度距平場的前4個獨立顯著的特征向量的方差貢獻率，依次遞減，累計方差貢獻率達69.70%，能夠代表西南喀斯特地區(qū)50cm層土壤濕度主要的時空演變特征，圖5、6分別為對應(yīng)模態(tài)的特征向量空間分布和相應(yīng)模態(tài)的時間系數(shù)。

50cm層土壤濕度的第一模態(tài)(圖7a)在大致呈“東高西低” 空間分布，以川東南、黔西南、云南大部連片區(qū)域呈正相位變化；而西南喀斯特東部的廣西大部及貴州東部以及西北部的四川南部地區(qū)為主要的負值變化中心；結(jié)合對應(yīng)的時間系數(shù)年際變化(圖略)，其時間曲線2003年相位由正變負，研究區(qū)西南部及偏西部地區(qū)的土壤濕度第一模態(tài)的特征向量呈現(xiàn)正相位變化，則說明其土壤濕度在2003年之前相對較高， 2003年之后則開始回落；而研究區(qū)東部的土壤濕度從2003年開始升高。

表1 50cm土壤濕度特征向量方差貢獻率

50cm層土壤濕度的第二模態(tài)(圖7b)空間分布呈東西反相位變化，研究區(qū)西北部為負相位變化，而東北部主要的正相位變化區(qū)域，整體上正相位變化要多于負相位變化；同樣結(jié)合時間系數(shù)年際變化(圖略)分析，從1998年研究區(qū)東北部、中東部、西南部地區(qū)土壤濕度開始下降，而在2003年出現(xiàn)相位的正負交替之后，該地區(qū)的土壤濕度則開始有所上升；而研究區(qū)南部土壤濕度從1991年開始經(jīng)歷了“下降-上升-下降”的波動變化。

50cm層土壤濕度的第三模態(tài)(圖7c)特征向量正相位主要集中在“西南-東北”一帶(即研究區(qū)“楚雄-貴陽”附近區(qū)域)以及西北部的西昌地區(qū)；而負相位變化區(qū)域則主要分布于研究區(qū)的邊緣部分，如東南方向的廣西地區(qū)，東北角重慶以及西北角的川滇偏西區(qū)域；結(jié)合時間系數(shù)變化分析得到，研究區(qū)“西南-東北”區(qū)域土壤濕度從1991年開始變化趨勢為“升高-降低-升高-降低”，而研究區(qū)的東南、東北、西北方向的邊緣地區(qū)的土壤濕度則呈相反的變化趨勢。

50cm層土壤濕度的第四模態(tài)(圖7d)特征向量的空間分布類似表現(xiàn)為“南高北低”格局；結(jié)合特征向量時間系數(shù)變化，中部偏南及東南區(qū)域土壤濕度從1991年開始變化趨勢為“降低-升高-降低-升高”，而東北及西北方向的邊緣地區(qū)則呈相反變化。

3 結(jié)論

本文利用西南喀斯特地區(qū)31個站點的1991～2013年逐旬50cm層土壤濕度資料，運用EOF正交分解等數(shù)理統(tǒng)計分析方法，研究了多年50cm層土壤濕度時空演變分布特征，主要結(jié)果如下：

(1)西南喀斯特地區(qū)中層土壤濕度多年平均的空間大小及分布具有明顯的區(qū)域性差異。

(2)從時間變化來看，夏、秋季整體土壤濕度最高，春、冬季較低，2000年后春、夏、冬三季土壤濕度變化趨勢由升高轉(zhuǎn)為下降，秋季相反；春夏季的土壤濕度平均值在整個研究時段基本不變，秋季略有上升，冬季上升最為顯著。

(3)從空間分布來看，春、夏、冬季中層土壤濕度均出現(xiàn)不同程度的土壤濕度低值區(qū)，春季和冬季的土壤濕度空間分布形態(tài)較為相似，而夏季土壤濕度的低值區(qū)范圍最大，其土壤濕度為60.3%～70.0%，其中川西高原地區(qū)、貴州東部地區(qū)最易受季節(jié)變化影響。

(4)中層土壤濕度年際變化有明顯的“南升北降”空間分布特征，貴州大部、重慶南部、川西南及滇北地區(qū)為主要土壤濕度下降區(qū)，川東南部、廣西東部及云南西南部為主要土壤濕度上升區(qū)。