三峽山地不同坡位土壤水分的時(shí)序變化研究

白雨詩，劉目興，3*，易 軍 ，萬金紅

(1.地理過程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079；2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；3.華中師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展研究中心，武漢 430079)

土壤水分是森林生態(tài)系統(tǒng)健康演替的重要因子，其動(dòng)態(tài)變化是揭示坡面、小流域等尺度上土壤-植被-大氣連續(xù)體物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵及土壤系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)的載體[1].土壤水分通常受到氣象因子、地形地貌、植被覆蓋、土壤性質(zhì)和坡向坡位等環(huán)境要素綜合影響[2]，其中，降水作為季風(fēng)區(qū)土壤水分最主要的補(bǔ)給來源，直接決定了土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，因此定量認(rèn)識兩者的關(guān)系對深入了解土壤水分入滲及產(chǎn)流匯流等森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)過程和區(qū)域水平衡至關(guān)重要[3].

為了深入揭示降水與土壤水分的相關(guān)關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者在該方面開展了大量研究，研究區(qū)包括新墨西哥地區(qū)[4]、格魯吉亞地區(qū)[5]、德國西部地區(qū)[6]、黃土高原[7]、北京山地林區(qū)[8]、廣西喀斯特峰叢洼地[9]等地區(qū).研究表明，時(shí)間序列法是定量研究長時(shí)期土壤水分變化的有效方法手段，降水序列和不同深度土壤含水量的協(xié)相關(guān)圖存在2～7個(gè)滯后時(shí)間距的周期性[10].Maliha等人[4]發(fā)現(xiàn)土壤水分與降水在滯后3～5個(gè)時(shí)間距下呈現(xiàn)顯著性相關(guān)關(guān)系，表層土壤對降水響應(yīng)迅速而135 cm深度土層對降水響應(yīng)滯后約10個(gè)時(shí)間距，王賀年[8]等人研究了北京山區(qū)林地土壤水分變化，發(fā)現(xiàn)降水序列與土壤水分序列在時(shí)間上有顯著相關(guān)性，同時(shí)不同深度土壤含水量與降水之間相關(guān)性存在差異，當(dāng)月降水與表土層含水量相關(guān)性較高，中層土壤與當(dāng)月及上一月降水有較高相關(guān)性，深層土壤主要與前1～2個(gè)月降水相關(guān).王云霓[11]通過在六盤山南部東側(cè)小流域的研究發(fā)現(xiàn)土壤水分在不同坡位差異顯著，兩者之間相關(guān)性大小有明顯不同，且利用偏相關(guān)分析和回歸分析表明不同坡位土壤水分與降水相關(guān)性從坡上到坡下逐漸增大.當(dāng)前研究主要針對單一時(shí)間尺度展開，且涉及時(shí)間尺度較長，缺乏短時(shí)間和不同時(shí)間尺度的系統(tǒng)研究與探索.較小時(shí)間尺度研究和多時(shí)間尺度對比研究有利于進(jìn)一步了解山地森林地區(qū)降水與土壤水分動(dòng)態(tài)變化之間的關(guān)系.此外，小流域尺度方面土壤水分與降水相關(guān)關(guān)系的定量研究相對匱乏，難以為濕潤區(qū)森林的林業(yè)經(jīng)營、生態(tài)修復(fù)和綜合治理提供理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo).

三峽庫區(qū)處于長江上游和中游的過渡地帶，95%以上為山地丘陵，嚴(yán)重的水土流失問題制約了該地區(qū)林業(yè)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[12].庫區(qū)降水量大且集中于夏秋季，暴雨頻繁，使降水成為水土流失的重要因素之一[13]，定量分析降水與土壤水分之間的相關(guān)關(guān)系，為庫區(qū)水土流失治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).當(dāng)前對于長江三峽山地地區(qū)的已有研究多集中在森林植被的水文效應(yīng)研究[14]及土壤水分運(yùn)移規(guī)律的多種數(shù)學(xué)模型擬合方面[15-16]，對土壤水分與降水之間的相關(guān)性研究有待深入.土壤水分與大氣降水的多尺度協(xié)相關(guān)性研究，可以有效避免單一時(shí)間尺度研究結(jié)果的偶然性.山地不同坡位土壤水分動(dòng)態(tài)變化的分析，可為開展林地土壤水分滲透性能及特征研究提供參考依據(jù).因此，本文基于2018年—2019年三峽山地典型小流域的降雨數(shù)據(jù)和4個(gè)坡位樣點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過時(shí)序分析法，揭示了月、日、小時(shí)等時(shí)間尺度下土壤水分的變化特征及其對大氣降水的響應(yīng)規(guī)律，以期為三峽林區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中人工林的管理與配置，水土流失治理和生態(tài)環(huán)境改善提供理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省宜昌市大老嶺森林保護(hù)區(qū)內(nèi)(110°52′～111°01′E，31°01′～31°08′N)，地處三峽山地，海拔介于1 335～1 390 m，長度約70 m，寬度約30 m，面積約2 km2(圖1).該地區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，四季分明，濕潤涼爽，年均氣溫16.7 ℃，降水年均約1 101.1 mm，年內(nèi)分布不均，主要集中在5～11月，平均蒸發(fā)量950 mm，無霜期280 d左右[17].區(qū)內(nèi)中山峽谷地貌類型占80% 以上，地質(zhì)基礎(chǔ)以酸性結(jié)晶巖為主，土壤類型主要為黃棕壤和棕壤.區(qū)內(nèi)自然植被以闊葉林為主，主要建群種包括殼斗科櫟屬(Quercus)、鵝耳櫪屬(Carpinus)和水青岡屬(Fagus)等[18]，同時(shí)，針葉樹種散布于闊葉林中，主要有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)和華山松(Pinusarmandii)等[19]，林下分布有矮竹林和草本植物.

圖1 研究區(qū)位置與小流域地形Fig.1 Location of the study area and topographic positions of typical basin

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集本研究觀測時(shí)段為2018年5月3日— 2019年5月3日，經(jīng)多次實(shí)地調(diào)查和樣點(diǎn)勘察，選取三峽山地典型小流域作為試驗(yàn)樣地，在小流域內(nèi)從坡下至坡上依次選了G1、G2、G3、G4四個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)概況經(jīng)調(diào)查后具體情況見表1.

在4個(gè)樣點(diǎn)處分別挖掘土壤剖面，確定土壤發(fā)生層，在每層土壤剖面內(nèi)用環(huán)刀采集5個(gè)原狀土樣，同時(shí)采集10 cm×10 cm×10 cm的擾動(dòng)土，取好的土樣裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)風(fēng)干處理過篩后測定土壤理化性質(zhì).其中，用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，用定水頭環(huán)刀法測定土壤飽和導(dǎo)水率，用砂箱法測定土壤大孔隙體積，用馬爾文3000激光粒度儀法測定土壤機(jī)械組成[20].各點(diǎn)位土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征測定結(jié)果見表2.

表1 4個(gè)點(diǎn)位的樣地特征Tab.1 Stand characteristics of four sample sites

表2 各樣點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)Tab.2 Statistics of soil physical and chemical properties at four sites

土壤含水量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測使用EM50-5TM土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包含5個(gè)水分探針，分別埋于4個(gè)樣地5 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm共5個(gè)深度土層.同時(shí)在小流域附近空地布設(shè)自動(dòng)野外氣象站，用于氣象因子連續(xù)定位觀測.土壤水分和氣象因子數(shù)據(jù)采集步長為5 min，并將數(shù)據(jù)按照每天、每月進(jìn)行平均值處理

1.2.2 時(shí)間序列分析法對于任意兩個(gè)平穩(wěn)時(shí)間序列，無論各自變異性是否相似，若兩者在時(shí)間上同步，均可用協(xié)相關(guān)函數(shù)描述兩者相關(guān)性[10].本研究中設(shè)土壤含水量序列為x序列，降雨序列為y序列.首先，分別對序列x和序列y進(jìn)行自相關(guān)分析，然后，對兩序列進(jìn)行協(xié)相關(guān)性判斷.兩個(gè)時(shí)間間隔相同的時(shí)間序列，它們之間協(xié)相關(guān)系數(shù)可用(1)式計(jì)算[8]，

(1)

式中，ρxy表示滯后時(shí)間h時(shí)，x和y兩個(gè)時(shí)間序列的協(xié)相關(guān)數(shù)值；sxy(h)表示x和y兩個(gè)序列的互協(xié)方差值；Sxx(0)、Syy(0)分別表示序列x和序列y的方差；σx、σy表示x和y序列的標(biāo)準(zhǔn)差；h為滯后時(shí)間.

對于具有n對觀測數(shù)據(jù)的兩個(gè)時(shí)間序列(x1，y1)、(x2，y2)、…、(xn，yn)，時(shí)間差為h時(shí)互協(xié)方差值可由(2)式算出

h=0，1，2，…,

(2)

將(1)和(2)相結(jié)合，可計(jì)算出兩個(gè)時(shí)間序列的協(xié)相關(guān)系數(shù)，根據(jù)系數(shù)的大小可估計(jì)兩個(gè)序列的相關(guān)程度.同時(shí)計(jì)算序列的二倍標(biāo)準(zhǔn)差，將協(xié)方差值與二倍標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較.若協(xié)方差值大于二倍標(biāo)準(zhǔn)差，則認(rèn)為土壤含水量序列與降水序列相關(guān)；相反，則認(rèn)為兩者不相關(guān)[3].

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與制圖利用Python軟件對降水和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用Origin 2017軟件進(jìn)行圖表繪制.

2 結(jié)果分析

2.1 土壤水分和降水的時(shí)序變化特征

根據(jù)試驗(yàn)地小型氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)，觀測期間全年降水總量為1 545.4 mm.從各月降水量所占百分比來看，降水季節(jié)分配不均，雨季和旱季界限分明.雨季為春末到秋末(5～11月)，累積降水量占全年總降水量的80%以上，其中又以5～8月占比較大(占5～11月降水量的71.35%)，降水峰值出現(xiàn)在6月.

表3反映了研究期間小流域4個(gè)點(diǎn)位土壤水分垂直梯度變化特征.根據(jù)垂直分層劃分原則[18]及小流域半小時(shí)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，4個(gè)點(diǎn)位表層土壤(0～5 cm)水分含量絕對值相差較大，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)也較大；而下層水分含量較高，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的波動(dòng)頻率和幅度都較表層變化更為平緩，說明土壤水分變化幅度與深度呈負(fù)相關(guān)，穩(wěn)定性隨深度增加而增強(qiáng).

表3 不同深度土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征Tab.3 Statistical characteristics for soil water content in different depths

2.2 降水與土壤水分的自相關(guān)分析

圖2展示了降水的自相關(guān)序列(逐日尺度)及不同時(shí)間尺度下土壤含水量的自相關(guān)序列，結(jié)果表明：降水序列在逐日尺度上的自相關(guān)關(guān)系不顯著，而土壤含水量具有高度自相關(guān)性，說明降水事件相互獨(dú)立，表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性，前一次降水未對后一次降水產(chǎn)生影響；而前期對后期的土壤水分含量影響顯著，并且隨時(shí)間尺度由逐月縮短到半小時(shí)，整個(gè)剖面土壤含水量相關(guān)系數(shù)的均值從0.63增加到0.97.

對各土壤層次而言，5 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm土壤含水量在小時(shí)尺度下的自相關(guān)系數(shù)分別為0.74、0.93、0.85、0.93、0.95，其中除表層土壤表現(xiàn)出微弱的自相關(guān)趨勢，土壤水分變化波動(dòng)強(qiáng)烈，其它深度都達(dá)到極顯著水平，前期土壤含水量對后期有重要影響.

2.3 土壤水分和降水的協(xié)相關(guān)分析

由月尺度上降水序列與土壤水分序列的協(xié)相關(guān)性(圖3)可知，降水與土壤含水量在月尺度上的協(xié)相關(guān)性偏低，4個(gè)點(diǎn)位淺層土壤(0～20 cm)與降水之間的協(xié)相關(guān)關(guān)系在滯后時(shí)間距h=0時(shí)呈現(xiàn)出相關(guān)，但20～80 cm深度土壤在該滯后時(shí)間下無顯著相關(guān)關(guān)系，說明淺層土壤水分是季節(jié)變化的主要發(fā)生層，深層土壤水分含量月間波動(dòng)較小，與降水在月尺度上相關(guān)性較弱.當(dāng)滯后時(shí)間距h=1時(shí)，四個(gè)樣點(diǎn)土壤剖面水分含量與降水相關(guān)性不再顯著，說明該地區(qū)土壤水分含量受前一月降水因素的影響較弱.

由日尺度上降水序列與土壤水分序列的協(xié)相關(guān)性(圖4)分析可知，兩者在剖面上協(xié)相關(guān)性動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)出很好的一致性和層次性.其中，一致性表現(xiàn)為土壤含水量與當(dāng)日降水量相關(guān)性偏弱，而在雨后1 d達(dá)到峰值，之后隨滯后時(shí)間h增大，兩者相關(guān)性呈遞減趨勢.對于層次性而言，可以將整個(gè)土壤剖面分為淺層土壤和深層土壤兩部分，層間差異顯著.淺層土壤(0～20 cm)對降水響應(yīng)的即時(shí)性強(qiáng)，與降水的相關(guān)性呈“雙峰”型，表現(xiàn)為明顯的波峰與波谷交替變化過程，日內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)主要的峰值，其中，最大響應(yīng)時(shí)間為雨后1 d，并在雨后5～7 d 時(shí)達(dá)到次高值，期間一直保持顯著水平.深層土壤(20～80 cm)隨滯后時(shí)間h延長，相關(guān)性逐漸增大，峰值出現(xiàn)在雨后第6 d，隨后呈持續(xù)衰減趨勢.

圖2 降水的自相關(guān)關(guān)系(日尺度)及土壤水分在不同時(shí)間尺度下的自相關(guān)關(guān)系Fig.2 The auto-interrelation coefficients of precipitation and soil water content on different scales

圖3 逐月尺度4個(gè)點(diǎn)位不同深度土層含水量與降水協(xié)相關(guān)系數(shù)Fig.3 The auto-interrelation coefficients between precipitation and soil water content on monthly scale

由小時(shí)尺度上降水序列與土壤水分序列的協(xié)相關(guān)性(圖5)可知，土壤水分序列與降水序列波動(dòng)變化協(xié)同且具有明顯的滯后效應(yīng)，但淺層和深層土壤含水量與降水相關(guān)性差異顯著.其中，總體趨勢表現(xiàn)為降水序列和土壤水分序列的相關(guān)系數(shù)最大為滯后2～4 h，相關(guān)性最顯著；當(dāng)滯后72 h后，各土壤層與降水之間的相關(guān)系數(shù)差異明顯減小，說明降水對土壤水分在三天內(nèi)的影響最為明顯.淺層(0～20 cm)土壤水分與降水協(xié)相關(guān)性顯著，滯后時(shí)間距h=10時(shí)相關(guān)性最大，隨后呈遞減趨勢；深層土壤(20～80 cm)兩者相關(guān)性在降水初期相對較弱，隨著滯后時(shí)距增大，相關(guān)性呈遞增趨勢，當(dāng)滯后時(shí)距h=72左右時(shí)，達(dá)到最大相關(guān)水平.

圖4 逐日尺度4個(gè)點(diǎn)位不同深度土層含水量與降水協(xié)相關(guān)系數(shù)Fig.4 The auto-interrelation coefficients between precipitation and soil water content on daily scale

圖5 逐時(shí)尺度4個(gè)點(diǎn)位不同深度土層含水量與降水協(xié)相關(guān)系數(shù)Fig.5 The auto-interrelation coefficients between precipitation and soil water content on hourly scale

3 討論

3.1 土壤理化性質(zhì)對土壤含水量與降水相關(guān)性的影響

土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度等土壤理化性質(zhì)對土壤含水量與降水相關(guān)性產(chǎn)生影響[20-23].土壤性質(zhì)測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表2)，坡上G4點(diǎn)粉粒和砂粒含量高(均值為43.68%和42.80%)，土質(zhì)較粗，容重小，因此土壤含水量與降水的相關(guān)性較低；坡下G1點(diǎn)土層深厚，土質(zhì)緊實(shí)，通氣性和透水性較差，因此具有較強(qiáng)的有效持水能力和單位面積蓄水能力[24]，土壤水分與降水的相關(guān)性較高，土壤水分維持穩(wěn)定狀態(tài)，能更好的涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)水循環(huán).

土壤有機(jī)質(zhì)含量主要通過影響土壤孔隙度和吸附作用而間接對土壤含水量與降水相關(guān)性產(chǎn)生影響[25].相關(guān)研究顯示[26-27]，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤中動(dòng)植物數(shù)量呈正相關(guān).本研究中4個(gè)樣點(diǎn)處，由于不同的枯落物存量和灌草覆蓋度，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量存在差異.由表1可知，坡下G1點(diǎn)單位面積凋落物厚度大，有機(jī)質(zhì)含量高(均值為121.45 g·kg-1)，土壤吸附能力強(qiáng)，土壤總孔隙度(均值為43.68%)小，內(nèi)部連通性較差，水分在土壤內(nèi)流動(dòng)受到較大阻力，導(dǎo)致土壤的飽和導(dǎo)水率低；坡上G4點(diǎn)單位面積凋落物厚度小，有機(jī)質(zhì)含量低(均值為31.40 g·kg-1)，土壤吸附作用弱，土壤孔隙(均值為53.40%)尤其是非毛管孔隙多于坡中和坡下，持水能力弱，因此土壤含水量對降水響應(yīng)的滯后時(shí)間較長，兩者相關(guān)性較弱.

3.2 坡位對土壤含水量與降水相關(guān)性的影響

研究區(qū)4個(gè)樣點(diǎn)位于同一坡面，氣候特征、地形地貌和地表植被類型相近，表明各位點(diǎn)土壤水分變化及其與降水相關(guān)性差異主要受坡位影響，坡位通過對光熱水以及地表徑流的二次分配，使土壤水分分布格局表現(xiàn)出高度時(shí)空異質(zhì)性[21].一方面，坡位差異影響地面凋落物蓄積量，進(jìn)而影響降雨的入滲和蒸發(fā)過程[22]，最終影響到土壤水分的動(dòng)態(tài)變化.研究表明，枯落物平均厚度和平均蓄積量大的地表覆被條件使降水的截留增加，表層土壤水分對降水的響應(yīng)延遲，不同深度土壤水分與降水的相關(guān)性曲線起漲和回落速度慢[23].研究發(fā)現(xiàn)，坡面下部和中下部的G1、G2點(diǎn)位土壤長期接受上部土壤堆積，林下枯落物存量大，約為0.47 kg·m-2和0.52 kg·m-2，明顯高于坡面中上部和上部的G3、G4點(diǎn)位，這種差異顯著減少了土壤水分蒸發(fā)，使G1、G2點(diǎn)位土壤水分與降水的相關(guān)系數(shù)明顯高于G3、G4點(diǎn).

另一方面，坡位的差異會影響地表徑流和壤中流[28]，從而影響坡面的土壤水分.在本研究中，G1點(diǎn)位地勢低、坡度小，對降雨的集水面積大，發(fā)生降雨事件后容易下滲，坡上G4點(diǎn)位坡度大，承雨面積小，當(dāng)發(fā)生降水后，土壤表層易形成地表徑流和壤中流向坡下匯集，導(dǎo)致在日尺度和小時(shí)尺度下該位點(diǎn)土壤水分與降水的相關(guān)系數(shù)值偏低，相關(guān)性曲線變化劇烈，起漲和回落快(圖4與圖5)，土壤蓄水保水和涵養(yǎng)水源功能有待提高.總的來說，坡下點(diǎn)位地表凋落物多，土壤入滲能力和持水能力強(qiáng)，對降水的響應(yīng)強(qiáng)烈，其中表層土壤更加顯著，坡上土壤持水保水性能較差，易產(chǎn)生地表徑流，降水和土壤含水量相關(guān)系數(shù)值偏低.

3.3 不同時(shí)間尺度下的協(xié)相關(guān)性研究

本研究發(fā)現(xiàn)，降水序列和土壤水分序列之間的協(xié)相關(guān)系數(shù)差異明顯，且兩者相關(guān)性隨時(shí)間尺度的增大而逐漸降低.在月尺度下(圖3)，4個(gè)點(diǎn)位兩者之間無顯著相關(guān).王賀年等[8]在北京山區(qū)林地和石輝等[7]在黃土丘陵區(qū)林地的研究認(rèn)為，月尺度的土壤水分動(dòng)態(tài)變化受當(dāng)月和上個(gè)月降水事件的影響，這種差異可能是由于研究區(qū)氣候環(huán)境不同所致.北京山區(qū)和黃土高原地區(qū)年降水量遠(yuǎn)少于三峽林區(qū)，導(dǎo)致土壤含水量偏低(10%～20%)，因此降水對土壤水分的影響可以持續(xù)一個(gè)月甚至更長時(shí)間.而本文研究區(qū)全年降水總量大、頻度高、強(qiáng)度大，土壤含水量高(20%～50%)，后期降水易掩蓋前期降水對土壤水分的影響，因此在逐月尺度上兩者相關(guān)性較干旱或半干旱地區(qū)弱.

在日尺度和小時(shí)尺度下(圖4與圖5)，降水序列與土壤水分序列的協(xié)相關(guān)系數(shù)最大值分別出現(xiàn)在滯后時(shí)間距為1 d和6 h左右，之后隨著滯后時(shí)間距增加而遞減，當(dāng)滯后時(shí)間距約為6 d和200 h時(shí)，兩序列之間的相關(guān)系數(shù)有明顯升高.王曉燕等[3]發(fā)現(xiàn)紅壤坡地不同深度土壤水分與降水協(xié)相關(guān)關(guān)系也表現(xiàn)出相同的趨勢.其原因可能是：在降水事件初期，地表植被對降水具有截留作用，大氣降水首先被植被林冠層攔截，當(dāng)林冠層達(dá)到飽和后，一部分降雨會沿著枝葉和樹干向植物根部匯集，形成樹干莖流[29]，因此土壤水分與降水的最大相關(guān)時(shí)間出現(xiàn)在降水事件發(fā)生一段時(shí)間后.不同的植被郁閉度、冠幅及地面坡度對植被再分配存在影響[30]，因此4個(gè)點(diǎn)位兩者最大相關(guān)系數(shù)在天尺度尤其是小時(shí)尺度出現(xiàn)的時(shí)間有前后1天或若干小時(shí)的差異.最大相關(guān)時(shí)間出現(xiàn)后，由于水分下滲、蒸發(fā)和植被根系對水分吸收利用等因素影響，降水與土壤水分的協(xié)相關(guān)性隨滯后時(shí)間距增加逐漸降低，后期出現(xiàn)回升可能是由于表層土壤水分蒸發(fā)快，其值降低到一定程度，土壤淺層和深層會產(chǎn)生一定的水勢梯度，這時(shí)深層土壤水會在土水勢差的作用下向上層運(yùn)移，補(bǔ)給表層土壤所失水分，出現(xiàn)負(fù)補(bǔ)給情況[31]，使表層土壤水分在降水事件結(jié)束一段時(shí)間后呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，表現(xiàn)為土壤水分與降水之間的相關(guān)性增強(qiáng).

根據(jù)協(xié)相關(guān)性分析，進(jìn)行三峽山地土壤水分預(yù)測時(shí)，可以利用月尺度或天尺度土壤水分與降水的數(shù)據(jù)建立水分預(yù)測模型，并利用模型細(xì)化模擬山區(qū)水文動(dòng)態(tài)變化，以計(jì)算并精確掌握區(qū)域水循環(huán)過程，對揭示植被需水耗水規(guī)律、林區(qū)高效經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展有重要意義.如需分析土壤水分對單次降水事件包括降水量、降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)、降水類型、降水時(shí)間分配格局等降水要素的響應(yīng)機(jī)制，則應(yīng)采用小時(shí)尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，對準(zhǔn)確預(yù)測降水與土壤水分關(guān)系具有重要參考價(jià)值[32-34].

4 結(jié)論

在三峽山地大老嶺典型小流域地區(qū)，采用時(shí)間序列法分析了小流域內(nèi)4個(gè)坡位的0～80 cm深度土壤含水量與降水之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明如下.

1) 研究期間降水無顯著的自相關(guān)關(guān)系，而土壤含水量呈現(xiàn)高度自相關(guān)性，隨著時(shí)間尺度由逐月縮小到逐時(shí)，土壤含水量的自相關(guān)性明顯增加；就小時(shí)尺度不同土壤深度而言，0～5 cm土壤含水量自相關(guān)性偏低，5～80 cm 土壤含水量自相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(p<0.01).

2) 降水序列與土壤含水量序列協(xié)相關(guān)關(guān)系顯著，土壤水分對降水有明顯的反饋?zhàn)饔?，月尺度下，表層土壤含水量主要受?dāng)月降水影響，日尺度下，土壤含水量與當(dāng)日降水量相關(guān)性略低，小時(shí)尺度，降水序列和土壤水分序列相關(guān)性最顯著為滯后2～4 h.

3) 不同深度土層土壤含水量與降水的協(xié)相關(guān)性在不同的時(shí)間尺度的趨勢表現(xiàn)出一定相似性.淺層土壤(0～20 cm)與降水相關(guān)性顯著(p<0.05)，40 cm深度土壤與降水相關(guān)性波動(dòng)較大，深層土壤(60～80 cm)與降水之間相關(guān)性較弱且響應(yīng)峰值出現(xiàn)時(shí)間依次延后.

4) 4個(gè)樣點(diǎn)土壤水分與降水之間的協(xié)相關(guān)性存在顯著差異，差異主要來自樣點(diǎn)所處坡位.坡下土壤對降水的響應(yīng)強(qiáng)烈，其中表層土壤更顯著，上升幅度可達(dá)38.44%.坡上降水和土壤含水量相關(guān)系數(shù)值偏低且深層土壤(60～80 cm)土壤水分與降水一直處于弱相關(guān)水平.

5) 不同時(shí)間尺度下的協(xié)相關(guān)系數(shù)差異明顯，隨時(shí)間尺度增大，相關(guān)性降低，尤其增大至月尺度時(shí)，土壤水分序列與降水序列基本不相關(guān).就總體趨勢而言，小時(shí)尺度和天尺度兩者協(xié)相關(guān)系數(shù)變化趨勢均表現(xiàn)出隨著時(shí)間推移先增大后減小，而月尺度兩者相關(guān)性趨勢隨時(shí)間滯后距增加持續(xù)減小.