人工毛竹林土壤水分對(duì)氣象因子的響應(yīng)

陳明向 翟祿新 陽(yáng)揚(yáng)

摘要?為研究土壤水分對(duì)氣象因子的響應(yīng)規(guī)律，以廣西貓兒山典型小流域的人工毛竹林地為研究區(qū)，以定位觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)和4個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤水分進(jìn)行典型相關(guān)分析，結(jié)果表明，在氣象要素方面，水汽壓差（VPD）對(duì)4個(gè)點(diǎn)不同厚度的土壤水分（SMC）的影響最顯著，即VPD的波動(dòng)最易導(dǎo)致土壤水分的變化。在影響時(shí)間方面，4個(gè)點(diǎn)中大體為土壤水分觀測(cè)日前連續(xù)4?d的氣象因子（CMF）對(duì)SMC影響最顯著，表明土壤水分的變化更多地受前4?d的氣象條件的綜合影響。各氣象要素中降水量（P）與CMF呈正相關(guān)關(guān)系，但影響不大，表明土壤水分除受氣象條件影響外，植被則是另一主要影響因子。

關(guān)鍵詞?土壤水分;氣象因子;人工毛竹林;生態(tài)水文學(xué);響應(yīng);典型相關(guān)分析

中圖分類號(hào)?S714?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611（2021）03-0072-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.020

Abstract?In?order?to?study?the?response?laws?of?soil?moisture?to?meteorological?factors，?the?artificial?bamboo?forests?in?typical?small?watershed?of?Maoer?Mountain，?Guangxi?Province?were?used?as?the?research?area，?and?the?canonical?correlation?analysis?was?carried?out?based?on?the?meteorological?data?of?positioning?observation?and?the?soil?moisture?at?4?measuring?points.The?results?showed?that?in?terms?of?meteorological?elements，soil?moisture?content?（SMC）?at?four?sites?with?different?soil?depth?responds?significantly?to?canopy?meteorological?factors?（CMF），?especially?to?water?vapor?pressure?difference?（VPD），?namely?most?likely?changing?soil?moisture?content.?In?reference?to?influence?time，?CMF?generally?had?the?most?significant?impact?on?SMC?at?four?sites?before?the?nearly?four?observation?days?on?the?soil?moisture?content，?which?indicated?that?the?change?of?soil?moisture?content?was?influenced?mainly?by?the?weather?condition?of?the?previous?four?days.Precipitation?（P）?of?the?meteorological?elements?was?positively?correlated?with?CMF，?but?the?impact?was?not?significant，?indicating?that?the?vegetation?was?another?major?impact?factor，?in?addition?to?the?effects?of?meteorological?conditions?on?soil?moisture?content.

Key?words?Soil?moisture;Meteorological?factors;Artificial?bamboo?forest;Ecohydrology;Response;Canonical?correlation?analysis

土壤水分是聯(lián)系土壤、植被、大氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)。土壤水分在地球生物循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，具體表現(xiàn)為通過(guò)限制植被蒸散與光合作用，直接、間接影響植物分布與生長(zhǎng)，通過(guò)土壤蒸發(fā)、土壤侵蝕等過(guò)程來(lái)改變土壤環(huán)境[1]。從農(nóng)業(yè)角度看，土壤水分是作物種植分布與生長(zhǎng)的絕對(duì)性影響因子。從生態(tài)系統(tǒng)的角度，土壤水分通過(guò)影響植被進(jìn)而控制著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與多樣性[2]。影響土壤水分的因素有很多，如坡位、坡向等微地形因素[3]，植被群落特征也是其重要影響因素[4]。但在特定區(qū)域，氣象因素對(duì)其有主導(dǎo)作用[5]。

有研究表明，雨季地下相對(duì)較淺深度的土壤水分與太陽(yáng)輻射、降雨量、風(fēng)速、水汽壓差、最高氣溫等氣象因子相關(guān)性極顯著，相對(duì)較深土壤含水量變化的影響因素具有一定的相似性，但與較淺層土壤含水量的主要影響因素和變化趨勢(shì)均不同[6]，即不同深度土壤水分對(duì)于氣象要素的響應(yīng)不同。研究農(nóng)田土壤水分時(shí)，分析得到氣象因子對(duì)農(nóng)田土壤水分的影響順序，其中日降水量成為對(duì)土壤水分影響的絕對(duì)性因素，其次為平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、日最低氣溫和日最高氣溫[7-8]。也有研究結(jié)果表明，日平均土壤溫度和日平均相對(duì)濕度對(duì)土壤水分的影響最為明顯，貢獻(xiàn)率最大，但與日最高氣溫的相關(guān)性不顯著[9]。降水尤其對(duì)淺層土壤有直接補(bǔ)充水分的作用[10]。在干旱區(qū)，氣溫對(duì)土壤水分的影響最明顯，降水次之。在半干旱區(qū)，植被是影響土壤水分的絕對(duì)性因素，在半濕潤(rùn)區(qū)植被對(duì)土壤水分的影響程度最大[11]。這些研究結(jié)果表明，土壤水分除受土壤質(zhì)地和氣候的差異影響外，植被的差異應(yīng)該是主要因素。

對(duì)不同時(shí)間尺度而言，氣象因子對(duì)土壤水分也有不同的影響。土壤水分呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，且不同月份的主控因子不同[12]，在月尺度上氣象因子對(duì)土壤水分的影響更加顯著，在不同累積時(shí)段各氣象因子對(duì)土壤水分影響各不相同[13]。此外，氣象要素對(duì)土壤濕度的影響具有一定的滯后性，在氣溫持續(xù)上升與下降時(shí)段，降水達(dá)到一定程度時(shí)，其他氣象要素的變化無(wú)法改變土壤水分的上升趨勢(shì)[14]。即分析土壤水分變化時(shí)不僅要考慮當(dāng)天的氣象要素對(duì)土壤水分的影響，還要考慮近期連續(xù)幾天氣象因子對(duì)土壤水分的綜合影響。

該研究以廣西貓兒山毛竹[Phyllostachys?heterocycla（Carr.）Mitford?cv.Pubescens.]林為研究區(qū)，運(yùn)用典型相關(guān)分析法探討土壤水分對(duì)綜合氣象因子的響應(yīng)規(guī)律，從而為認(rèn)識(shí)和理解該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及其與水源涵養(yǎng)功能正常發(fā)揮的關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。

1?資料與方法

1.1?研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于廣西壯族自治區(qū)東北部貓兒山下典型小流域的毛竹林地，其地理坐標(biāo)為25°50′51.42″N、110°28′49.94″E，屬于中亞熱帶山地氣候，年均氣溫在12.8?℃，年降水量在2?100?mm以上，土壤為黃紅壤;高程在432～496?m，坡度在15°～30°，流域面積20.5?hm2。流域內(nèi)以毛竹為主，其間混有少量的杉木。此流域的毛竹為人工毛竹林，竹林密度較大，竹林內(nèi)無(wú)人為墾耕土。貓兒山自然保護(hù)區(qū)的植被一方面對(duì)貓兒山整體生態(tài)建設(shè)與發(fā)展具有巨大作用，是貓兒山生態(tài)經(jīng)濟(jì)林發(fā)展的基礎(chǔ);另一方面，貓兒山處在桂林漓江的源頭，植被的水源涵養(yǎng)功能對(duì)漓江流域旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的保障作用，對(duì)桂林市及其漓江流域水資源開發(fā)利用更是具有不可替代的作用。該區(qū)域的土壤和植被變化直接影響到自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及水源涵養(yǎng)功能的正常發(fā)揮，因此開展土壤水分變化研究具有重要意義。

在流域內(nèi)隨機(jī)選取4個(gè)立地條件相似、土層深厚且具有代表性的毛竹林地鉆孔并安裝土壤水分觀測(cè)管，分別命名為2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)，均在坡腰或坡腳位置，其中2、6、9號(hào)點(diǎn)土壤水分觀測(cè)深度均為140?cm，3號(hào)點(diǎn)為130?cm，觀測(cè)深度和觀測(cè)點(diǎn)與當(dāng)?shù)赝翆雍穸纫恢?。若以研究區(qū)域的中心為參考點(diǎn)，則9號(hào)點(diǎn)位于東坡腰深溝，6號(hào)點(diǎn)位于南坡平地，2號(hào)點(diǎn)位于西坡山腳，3號(hào)點(diǎn)位于西坡腳淺溝。

1.2?數(shù)據(jù)獲取

選用土壤水分儀（型號(hào)為TRIME-PICO-IPH，德國(guó)制造）監(jiān)測(cè)土壤水分，每個(gè)測(cè)點(diǎn)垂直相距10?cm測(cè)一個(gè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，總共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每間隔4～6?d測(cè)量一次，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年1月4日—12月9日。

觀測(cè)期間研究區(qū)每天的降水量與其他地面常規(guī)氣象要素均來(lái)自FR210自動(dòng)氣象站。自動(dòng)氣象站觀測(cè)項(xiàng)目有最高溫度（Tmax）、最低溫度（Tmin）、平均風(fēng)速（W）、日總輻射（Rs）、日降水量（P）、相對(duì)濕度（RH）。水汽壓差（VPD）由最高溫度（Tmax）、最低溫度（Tmin）、最大相對(duì)濕度（RHmax）、最小相對(duì)濕度（RHmin）計(jì)算得出[15]，即水汽壓差（VPD）由飽和水汽壓（es）與實(shí)際水汽壓（ea）差值得出：

1.3?數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理采用典型相關(guān)分析方法。典型相關(guān)分析用于揭示兩組多元隨機(jī)變量之間的關(guān)系，一組為自變量組，另一組是標(biāo)準(zhǔn)變量組。與其他相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法相比，典型相關(guān)分析特別適合于所分析的標(biāo)準(zhǔn)變量組的各個(gè)變量之間本身具有較強(qiáng)的相關(guān)性[16]。這種關(guān)系可表達(dá)為2個(gè)以上X變量與2個(gè)以上Y變量間的線性組合，使其簡(jiǎn)單相關(guān)達(dá)到最大。用方程式表示如下：

其中，U、W為典型變量，ai、bj（i、j=1，2，3，…，k）為線性組合的系數(shù)，也稱典型權(quán)數(shù)。數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Matlab典型相關(guān)分析函數(shù)（canoncorr）進(jìn)行運(yùn)算。

數(shù)據(jù)劃分為土壤水分和氣象因子兩組。其中土壤水分（soil?moisture?content，SMC）是以不同厚度進(jìn)行分層并為一組子變量，在分析表達(dá)式中依次用y1，y2，…，yk表示;冠層氣象因子（canopy?meteorological?factors，CMF）由土壤水分觀測(cè)日之前的氣象觀測(cè)的最高溫度（Tmax）、最低溫度（Tmin）、平均風(fēng)速（W）、日總輻射（Rs）、日降水量（P）及計(jì)算的水汽壓差（VPD）6個(gè)子變量組成。為反映氣象因子對(duì)土壤水分的累積效應(yīng)，重點(diǎn)考慮連續(xù)幾天的氣象要素的綜合影響，如CMF中前1?d的氣象數(shù)據(jù)即土壤水分觀測(cè)日前1?d的氣象要素，前2?d氣象數(shù)據(jù)取作用于相同土壤水分的前1?d到前2?d氣象因子的均值（Tmax、Tmin、W、VPD）或累積值（Rs、P）。同上，前7?d氣象數(shù)據(jù)取前1～7?d氣象因子的均值或累積值。在分析表達(dá)式中依次用x1、x2、x3、x4、x5、x6表示。最后，以公式（6）、（7）中的系數(shù)ai、bi作為解釋土壤水分對(duì)氣象要素響應(yīng)的主要變量。土壤剖面組合如表1所示。

表層土壤由于受降雨和地表徑流的影響，土壤含水量波動(dòng)較大，且淺厚度的土壤較難體現(xiàn)流域的整體情況，而在深層次土壤，由于植被根系、土壤性質(zhì)的變化導(dǎo)致影響土壤水分的因素更復(fù)雜，故選取厚度40～60?cm相對(duì)適中的土壤層進(jìn)行分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同土壤水分組合對(duì)氣象因子的響應(yīng)

經(jīng)對(duì)不同厚度土壤層的水分與氣象因子進(jìn)行典型相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)2號(hào)點(diǎn)厚度50?cm時(shí)土壤水分對(duì)CMF響應(yīng)最顯著，由于深層土壤水分影響因素極其復(fù)雜，此點(diǎn)厚度分析只取100?cm，即將SMC分為SM0～50和SM50～100兩層。在典型相關(guān)表達(dá)式中，VPD前系數(shù)絕對(duì)值最大且大多為負(fù)，表明VPD對(duì)土壤水分的負(fù)作用最明顯，占47.40%;P系數(shù)符號(hào)為正，表明降水對(duì)土壤水分起正向作用，但貢獻(xiàn)最小;而Tmin、W、Rs除個(gè)別外大體上符號(hào)為負(fù)，表明所起作用是相反的，即促進(jìn)土壤水分的消耗。

3號(hào)點(diǎn)結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)厚度40?cm時(shí)土壤水分對(duì)CMF響應(yīng)最顯著。此點(diǎn)厚度分析取120?cm，即將SMC分為SM0～40、SM40～80、SM80～120。在典型相關(guān)表達(dá)式中，VPD前系數(shù)絕對(duì)值最大，表明VPD對(duì)土壤水分作用最明顯，占60.39%;P系數(shù)為正，表明降水對(duì)土壤水分起增加的作用;而Tmin、W、Rs、VPD前符號(hào)整體上與前者相反，表明四者對(duì)土壤水分有促進(jìn)消耗的作用。

6號(hào)點(diǎn)的情況則發(fā)現(xiàn)厚度60?cm時(shí)土壤水分對(duì)CMF響應(yīng)最顯著。此點(diǎn)厚度分析取120?cm，即將SMC分為SM0～60、SM60～120。在典型相關(guān)表達(dá)式中，VPD前系數(shù)絕對(duì)值最大且都為負(fù)號(hào)，表明VPD對(duì)土壤水分的負(fù)作用最明顯，占63.88%;Tmax和P系數(shù)符號(hào)相同，表明所起作用相同，即有增加土壤水分的作用;而Tmin、W、Rs除個(gè)別外大體上符號(hào)與前者相反，表明對(duì)土壤水分的消耗起一定的作用。

對(duì)于9號(hào)點(diǎn)而言，發(fā)現(xiàn)其厚度50?cm時(shí)土壤水分對(duì)CMF響應(yīng)最顯著。此點(diǎn)厚度分析取100?cm，即將SMC分為SM0～50、SM50～100。在典型相關(guān)表達(dá)式中，VPD前系數(shù)絕對(duì)值最大且都為負(fù)號(hào)，表明VPD對(duì)土壤水分的負(fù)作用最明顯，占65.12%;Tmax和P系數(shù)符號(hào)相同，對(duì)土壤水分的表現(xiàn)為增加作用;而Tmin、W、Rs除個(gè)別外大體上符號(hào)與前者相反，表明三者加強(qiáng)土壤水分的流失。

2.2?氣象要素累積時(shí)間對(duì)土壤水分影響程度的比較

為分析土壤水分觀測(cè)當(dāng)日及其前幾日氣象要素的持續(xù)影響，對(duì)1～7?d的CMF與土壤水分進(jìn)行典型相關(guān)分析。不同累積時(shí)間的綜合氣象因子對(duì)4個(gè)點(diǎn)厚度土壤影響最顯著的累積時(shí)間典型相關(guān)系數(shù)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)、6號(hào)點(diǎn)累積時(shí)段從前1?d到前4?d，氣象因子與厚度50?cm土壤水分的相關(guān)系數(shù)呈上升趨勢(shì)，在累積前4?d的氣象因子與土壤水分相關(guān)系數(shù)達(dá)到峰值，之后呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，即土壤水分觀測(cè)日之前4?d的綜合氣象因子與SMC關(guān)系最密切，亦即影響最大。9號(hào)點(diǎn)累積時(shí)段的增加對(duì)50?cm土壤水分整體上呈上升趨勢(shì)，在累積前7?d時(shí)相關(guān)系數(shù)最大，前4?d時(shí)相關(guān)系數(shù)為0.720?1，仍處于較高水平。綜合來(lái)看，貓兒山人工毛竹林前4?d的綜合氣象要素對(duì)土壤水分的影響最顯著。

2.3?綜合氣象要素對(duì)土壤水分的影響

4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)前4?d累積時(shí)段典型變量表達(dá)式中不同氣象因子前的系數(shù)，即公式（7）中的b，其中R為典型相關(guān)系數(shù)，如表2所示。從表2可以看出，在典型相關(guān)表達(dá)式中，4個(gè)點(diǎn)中VPD前系數(shù)絕對(duì)值最大且大多為負(fù)，表明VPD對(duì)土壤水分的負(fù)貢獻(xiàn)最明顯，最多占比65.12%，最少占比47.40%。與VPD相比之下表現(xiàn)明顯的氣象因子為W、Tmax。P系數(shù)符號(hào)為正，表明降水對(duì)土壤水分起正向作用，但貢獻(xiàn)最小;而Tmin、W、Rs除個(gè)別外大體上符號(hào)為負(fù)，即促進(jìn)土壤水分的消耗。

4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)前4?d累積時(shí)段代表土壤水分U的典型變量表達(dá)式，即公式（6），2、3、6、9點(diǎn)位累積前4?d的典型相關(guān)表達(dá)式分別為U=0.176?1y1+0.308?1y2、U=0.031?9y1+0.094?1y2+0.257?4y3、U=0.149?4y1+0.204?4y2、U=0.244?4y1+0.245?3y2，可見(jiàn)較深厚度土壤受氣象因素影響較大，側(cè)面表明此流域中土壤水分除受氣象條件影響外，植被是另一主要影響因子。

3?討論

從典型相關(guān)表達(dá)式中氣象因子前面的系數(shù)來(lái)看，4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)土壤水分均主要受VPD影響，只有Tmax和P與土壤水分呈正相關(guān)關(guān)系。值得說(shuō)明的是，Tmax理論上應(yīng)該是與土壤水分反相關(guān)，此處出現(xiàn)正系數(shù)，應(yīng)為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的局限性所致。從整體結(jié)果上看，P前系數(shù)絕對(duì)值最小，這說(shuō)明維持毛竹林系統(tǒng)水分除降水外，植被的作用不容忽視。在這些氣象要素中，只有VPD表現(xiàn)比較穩(wěn)定。VPD為氣溫和相對(duì)濕度的函數(shù)，即VPD綜合反映了氣溫和相對(duì)濕度等動(dòng)力學(xué)因素對(duì)植被蓋度很高的土壤水分的影響，說(shuō)明植被蒸騰消耗土壤水分方面占主導(dǎo)作用。

土壤水分受植被、氣象、地形、人為活動(dòng)等眾多因素影響，具有時(shí)空尺度特征[3，12，17-20]。研究得出，降水與土壤水分呈正相關(guān)關(guān)系，這與前人的研究結(jié)果一致[7-8，19]。還測(cè)出氣象因子對(duì)深層土壤水分影響較弱，這與余雷等[21]的研究結(jié)果一致。在不同研究區(qū)域的土壤上，土壤水分與氣象因子之間的關(guān)系也有差別，說(shuō)明土壤水分的影響因素多且復(fù)雜。

地形因子對(duì)土壤水分有重要影響，它通過(guò)改變其他影響因子（如氣候、植被）來(lái)影響土壤水分變化，在一定的條件下，地形可能形成獨(dú)特的小氣候，從而間接影響土壤水分的含量和分布。地形因子也可通過(guò)影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和降水的再分配來(lái)影響土壤水分含量[22]。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于小流域的土壤水分研究，主要從坡位、坡向、坡度等地形因子進(jìn)行探討[2，20，23]。坡向通過(guò)受太陽(yáng)輻射程度的強(qiáng)弱來(lái)反映對(duì)土壤水分的變化[24]，一般情況下，同一流域中陽(yáng)坡的含水量低于陰坡，主要是陰坡的太陽(yáng)輻射熱量低于陽(yáng)坡，陰坡的蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)度也低于陽(yáng)坡，因此陰坡的土壤水分含量高于陽(yáng)坡[25]。

根系與土壤直接接觸，對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收起著至關(guān)重要的作用[26]。有研究表明，毛竹細(xì)根比根長(zhǎng)和根長(zhǎng)密度隨著土層深度的增加呈下降趨勢(shì)[27]，其中根長(zhǎng)密度可以在一定程度上反映單位體積內(nèi)根系的吸收表面積，植物的根長(zhǎng)密度越大，養(yǎng)分及水分吸收的表面積就越大;比根長(zhǎng)越大的根，直徑越細(xì)，根系的活力越強(qiáng)，吸收水分的能力就越強(qiáng)[28]，兩者對(duì)土壤水分的變化有絕對(duì)性影響。也有研究證明土壤表層的比根長(zhǎng)和根長(zhǎng)密度較大，底層較小[29]。該研究氣象因子對(duì)4個(gè)點(diǎn)中不同厚度土壤的典型相關(guān)系數(shù)均值結(jié)果表明，隨土壤厚度增加，氣象因子對(duì)土壤水分的作用越明顯，間接說(shuō)明氣象因子與根系對(duì)土壤水分影響有著密不可分的效果。

4?結(jié)論

該研究運(yùn)用典型相關(guān)分析方法處理氣象因子對(duì)土壤水分影響中有一定的優(yōu)越性，得出以下結(jié)論：

（1）在氣象要素對(duì)土壤水分的影響中，水汽壓差是影響土壤水分最主要的氣象因子，這表明該研究區(qū)域中植被是對(duì)土壤水分影響的主要因素。

（2）在累積時(shí)間的綜合氣象因子對(duì)土壤水分的影響中，土壤水分觀測(cè)日前4?d的綜合氣象因子對(duì)土壤水分影響較大。

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