貴州省喀斯特區(qū)域粘壤土土壤濕度垂直分布對(duì)降水響應(yīng)研究

鄒雙澤，白愛娟 ，田淙海，袁淑杰 ，谷曉平

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225；2.山西省氣象局，山西 太原 030002；3.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550000)

土壤濕度是表征陸面狀況的一個(gè)重要物理量，在地—?dú)忾g水分與能量交換中起到支配和調(diào)控作用，是氣候變化中的敏感因子，與氣候變化相互制約、相互影響[1-3]，它通過改變土壤熱容量、地表反照率、地表蒸發(fā)和向大氣輸送感熱與潛熱等方式，影響區(qū)域氣候變化[4，5]。土壤濕度還影響著作物種植和生長，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要作用。影響土壤濕度變化的因子有降水、氣溫、土壤類型等，其中降水對(duì)土壤濕度的影響最為明顯[6,7]。貴州省具有獨(dú)特的喀斯特地貌特征，該區(qū)域可溶巖成土速率緩慢、土層較淺薄、土壤蓄水和保水能力有限、生態(tài)環(huán)境脆弱[8,9]。土壤濕度是喀斯特生態(tài)環(huán)境的主要制約因子，土壤濕度的垂直分布和降水對(duì)土壤濕度的影響有其獨(dú)特性。貴州省土壤類型豐富，粘壤土是貴州喀斯特地區(qū)分布相對(duì)較廣的土壤類型之一，因此開展該省喀斯特區(qū)域粘壤土土壤濕度垂直分布對(duì)降水響應(yīng)的研究，將為該區(qū)域開展氣候研究、改善生態(tài)環(huán)境、指導(dǎo)區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化布局和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供理論依據(jù)。

國內(nèi)外針對(duì)土壤濕度對(duì)降水響應(yīng)的研究眾多。如，Small、Giorgi、Sloan[10]研究發(fā)現(xiàn)，在極端干旱的情況下，降水可以通過土壤干裂的縫隙直接影響深層土壤濕度；Chow、Chan、Shi等[11]通過數(shù)值模式模擬發(fā)現(xiàn)，青藏高原土壤濕度會(huì)影響東亞季風(fēng)的強(qiáng)弱和長江流域夏季降水；姜麗霞、李帥、紀(jì)仰慧等[12]揭示了在作物種植期，0—30cm土壤濕度隨著降水強(qiáng)度的增加而顯著增加，隨著氣溫的增加而減??；左志燕、張人禾[13]研究了我國東北和長江中下游地區(qū)夏季降水與春季土壤濕度的聯(lián)系，表明春季土壤濕度偏濕，對(duì)應(yīng)著夏季降水偏多；陳少勇、郭凱忠、董安祥[14]采用1961—2002年黃土高原降水量月資料和土壤重量含水率旬資料,發(fā)現(xiàn)黃土高原土壤濕度與降水呈極顯著的正相關(guān)；王毅榮[15]采用EOF和小波分析方法，發(fā)現(xiàn)甘南草原地區(qū)土壤水分年際演變與降水同向性較好，與氣溫呈反位向配置；黃勇、邱旭敏、黃國貴[16]利用水文氣象衛(wèi)星產(chǎn)品研究了淮河流域表層土壤濕度的空間分布及與降水的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)除山區(qū)和河流附近，表層土壤濕度對(duì)降水響應(yīng)時(shí)間具有滯后性。

國內(nèi)的研究區(qū)域主要集中在我國北部、西北部、東部等地，近年針對(duì)喀斯特區(qū)域降水對(duì)土壤濕度的影響研究才逐漸增多起來[17-19]。以往的研究主要關(guān)注表層土壤濕度，而降水對(duì)土壤水分垂直分布影響的研究較少，且所用站點(diǎn)資料時(shí)間分辨率多為旬、月和年。近年來，隨著觀測設(shè)備更新和土壤濕度自動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)的形成，利用更高時(shí)空分辨率的逐日資料支撐貴州喀斯特區(qū)域降水對(duì)土壤濕度的垂直分布影響的研究成為可能。土壤類型對(duì)土壤水分的垂直分布影響較大[20]。粘壤土是貴州喀斯特區(qū)域分布相對(duì)較廣的土壤類型之一，粘壤土土質(zhì)細(xì)密、保水保肥力較強(qiáng)。

為了詳細(xì)分析貴州喀斯特區(qū)域土壤濕度垂直分布對(duì)降水的響應(yīng)，本文利用該省喀斯特區(qū)域2011—2020年25個(gè)粘壤土土壤水分自動(dòng)觀測站0—50cm土壤濕度逐日觀測資料和逐日降水、氣溫資料，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法分析了降水和氣溫對(duì)土壤濕度垂直分布的影響。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州省地處云貴高原，位于103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N之間，氣候溫暖濕潤，年均氣溫14—16℃，年均降水量1100—1400mm；地勢西高東低，復(fù)雜多變，以高原山地為主；屬生態(tài)環(huán)境脆弱的喀斯特地域，喀斯特地貌面積129545.72km2，占全省國土面積的73.5 %[21]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用資料均來自貴州省氣象局，主要包括2011—2020年貴州省25個(gè)粘壤土自動(dòng)土壤水分觀測站(圖1)的逐日平均氣溫、降水量和0—50cm土壤濕度觀測資料。

圖1 貴州省粘壤土土壤濕度站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

土壤濕度的垂直分布變化包括同一土層土壤濕度的變化量和土壤濕度的變化深度。為了定量分析降水對(duì)土壤濕度垂直分布的影響程度，本文定義了降水類型、土壤濕度增量、土壤濕度變化深度、土壤濕度變化深度頻率。本文中的土壤濕度指土壤相對(duì)濕度。

(1)

土壤濕度的觀測深度為50cm，共分為5層(0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—40cm、40—50cm)，10cm土壤濕度是指0—10cm土層的土壤相對(duì)濕度，以此類推。

降水類型：降水強(qiáng)度相同，而降水持續(xù)時(shí)間不同，土壤濕度的垂直分布變化不同。本文對(duì)降水持續(xù)時(shí)間做如下規(guī)定：

1日降水：1日降水量≥0.1mm；2日連續(xù)降水：連續(xù)2日，每日降水量均≥0.1mm；3日連續(xù)降水：連續(xù)3日，每日降水量均≥0.1mm；4日連續(xù)降水：連續(xù)4日，每日降水量均≥0.1mm。

本文參照中國氣象局降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 28592-2012)，將降水強(qiáng)度劃分為6個(gè)等級(jí)：0.0

由表1可見，降水強(qiáng)度為0.0

表1 貴州省粘壤土區(qū)域24種降水類型及樣本個(gè)數(shù)(2011—2020年)

土壤濕度增量(ΔW)：n(n=1—4)日降水量≥0.1mm時(shí)，第n日與第0日同一土層土壤濕度的變化量。若第0日降水量<0.1mm，10cm土壤濕度為W0；若第1日降水量≥0.1mm，10cm土壤濕度為W1；若第2日降水量<0.1mm，記為1日降水，10cm土壤濕度增量ΔW=W1-W0。以此類推。

土壤濕度變化深度(ΔH)：n(n=1—4)日降水量≥0.1mm時(shí)，第n日與第0日同一土層土壤濕度增量ΔW>0的土層深度的最大值。若10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量ΔW均小于等于0，土壤濕度變化深度ΔH=0cm；若10cm土壤濕度增量ΔW>0，20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量ΔW均小于等于0，土壤濕度變化深度ΔH=10cm。以此類推。

土壤濕度變化深度頻率(F)：如果某種降水類型的樣本總數(shù)為N，該類型土壤濕度變化深度為10cm的樣本數(shù)為m，則該類型下土壤濕度變化深度為10cm的頻率記F：

F=m/N×100%

(2)

2 結(jié)果及分析

2.1 降水對(duì)土壤濕度垂直分布的影響

本文分別統(tǒng)計(jì)了貴州省粘壤土區(qū)域24種降水類型對(duì)土壤濕度垂直分布的影響，包括0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量、土壤濕度變化深度及每種降水類型中0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度變化深度頻率。本文將主要分析貴州省粘壤土區(qū)域降水對(duì)土壤濕度增量和土壤濕度變化深度頻率的影響。由于篇幅限制，表2只列出了2日連續(xù)降水土壤濕度增量統(tǒng)計(jì)。從表2可以看出：①降水強(qiáng)度相同，隨降水持續(xù)時(shí)間增加，同一土層土壤濕度增量逐漸增大。0.0≤R≤1.0mm時(shí)，降水幾乎不引起土壤濕度的變化；1.1≤R≤9.9mm時(shí)，1—4日連續(xù)降水下，10cm土壤濕度的增量分別為0.11%—2.00%、0.40%—3.05%、0.50%—5.55%、0.54%—6.03%；10.0≤R≤24.9mm時(shí)，1—4日連續(xù)降水下，10cm土壤濕度的增量分別為0.50%—6%、0.60%—7.1%、0.72%—12.7%、1.00%—13.04%；25.0≤R≤49.9mm時(shí)，1—4日連續(xù)降水下，10cm土壤濕度的增量分別為0.40%—10.01%、0.66%—12.14%、0.60%—13.17%、0.89%—13.58%。R≥50.0mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量分別為0.05%—13.00%、1.49%—13.75%、0.86%—13.99%、2.00%—14.75%。②降水持續(xù)時(shí)間相同，隨著降水強(qiáng)度越大，同一土層的土壤濕度增量增大。如2日連續(xù)降水下，1.1≤R≤9.9mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量為0.40%—3.05%；10.0≤R≤24.9mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量為0.60%—7.1%；25.0≤R≤49.9mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量為0.66%—12.14%；R≥50.0mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量為1.49%—13.75%。

表2 貴州省粘壤土區(qū)域2日連續(xù)降水下10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量統(tǒng)計(jì)

貴州省粘壤土區(qū)域24種降水類型10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度變化深度頻率分布見圖2。從圖2可見：①0.0

圖2 貴州省粘壤土區(qū)域24種降水類型土壤濕度變化深度頻率

綜上所述，當(dāng)0.0≤R≤24.9mm，降水持續(xù)時(shí)間相同，隨著降水強(qiáng)度的增加，土壤濕度變化深度為0cm的頻率減少，土壤濕度變化深度為50cm的頻率增加。如2日連續(xù)降水，0.0≤R≤1.0mm、1.1≤R≤9.9mm和10.0≤R≤24.9mm下，土壤濕度變化深度為0cm的頻率分別為71%、38%和12%，而土壤濕度變化深度為50cm的頻率分別為7%、13%和42%。R≥25.0mm時(shí)，土壤濕度變化深度為50cm的頻率差異較小，如兩日連續(xù)降水，當(dāng)25.0≤R≤49.9mm、50.0≤R≤99.9mm、R≥100.0mm下土壤濕度變化深度為50cm的頻率分別為69%、64%和80%。

2.2 氣溫對(duì)土壤濕度的影響

土壤濕度垂直分布變化不僅與降水強(qiáng)度、降水持續(xù)時(shí)間有關(guān)，還受到氣溫(t)的影響。本文將氣溫劃分為3個(gè)等級(jí)，即t<10.0℃、10.0≤t<20℃和t≥20.0℃，分別統(tǒng)計(jì)了在不同氣溫等級(jí)下，不同降水類型土壤濕度變化深度的頻率(圖3)。表3、4、5為不同氣溫條件下土壤濕度主要變化深度及土壤濕度增量。從表中數(shù)據(jù)可以看出：降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間相同，氣溫升高，同一土層的土壤濕度增量減少。以2日連續(xù)降水為例，t<10.0℃、t<20.0℃和t≥20.0℃，10.0≤R≤24.9mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量分別為1.31%—11.34%、2.45%—10.84%和3.04%—10.10%，20cm土壤濕度的增量分別為2.72%—6.65%、1.13%—6.55%、1.84%—6.39%；25.0≤R≤49.9mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量分別為3.64%—24.35%、6.12%—14.39%、2.87%—16.39%，20cm土壤濕度的增量分別為3.38%—11.53%、4.07%—9.40%、1.84%—8.39%；50.0≤R≤99.9mm時(shí)，10cm土壤濕度的增量分別為0.76%—22.19%、4.61%—24.05%、7.32%—17.26%，20cm土壤濕度的增量分別為3.23%—13.00%、3.21%—11.32%、4.09%—12.81%；R≥100.0mm時(shí)，20cm土壤濕度的增量分別為3.70%—14.40%和1.6%—14.0%。

表3 貴州省粘壤土區(qū)域10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量統(tǒng)計(jì)(t<10.0℃)

圖3 基于不同氣溫等級(jí)的貴州省粘壤土區(qū)域24種降水類型0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度變化深度頻率((a)T<10.0℃；(b)10.0≤t<20℃；(c)t≥20.0℃)

降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間相同，氣溫變化對(duì)50cm土壤濕度增量的影響較小。以2日連續(xù)降水為例，10.0≤R≤24.9mm時(shí)，3個(gè)氣溫等級(jí)的50cm土壤濕度增量均小于3%；25.0≤R≤49.9mm時(shí)，50cm土壤濕度增量均小于5.5%；R≥50.0mm時(shí)，50cm土壤濕度增量均小于5%。

表4 貴州省粘壤土區(qū)域10、20、30、40、50cm土壤濕度增量統(tǒng)計(jì)(10.0≤t<20℃)

表5 貴州省粘壤土區(qū)域10、20、30、40、50cm土壤濕度增量統(tǒng)計(jì)(t≥20.0℃)

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

貴州屬于喀斯特地貌發(fā)育區(qū)域，降水是影響該區(qū)域土壤濕度的重要?dú)庀笠蜃?。而土壤濕度?duì)降水的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，與降水強(qiáng)度降水持續(xù)時(shí)間、土壤類型和氣溫等諸多因素有關(guān)。不同強(qiáng)度的降水，土壤濕度變化的數(shù)值和深度不同；而相同強(qiáng)度的降水，持續(xù)時(shí)間不同，土壤濕度的垂直變化也不盡相同。

本文通過對(duì)貴州省25個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測站的土壤濕度、降水和氣溫日資料的統(tǒng)計(jì)分析，得出如下主要結(jié)論：①降水持續(xù)時(shí)間不同，土壤濕度垂直分布明顯不同，隨降水持續(xù)時(shí)間增加，同一土層土壤濕度增量變大。10.0≤R≤24.9mm時(shí)，1—4日連續(xù)降水土壤濕度主要變化深度在10—40cm、10—40cm、10—40cm和50cm，此時(shí)20cm土壤濕度增量分別為0.09%—4.75%、0.32%—5.79%、0.40%—5.50%、0.49%—6.04%，差異原因與水分向各層傳遞的滯后性和水分在土壤中調(diào)蓄作用有關(guān)。②降水強(qiáng)度不同，降水對(duì)喀斯特區(qū)域粘壤土土壤濕度的影響不同，隨著降水強(qiáng)度增加，土壤濕度變化的深度越深，深層土壤土壤濕度發(fā)生變化的頻率越大，同一土層土壤濕度增量增大。2日連續(xù)降水下，R≥100.0mm時(shí)，比R≤9.9mm時(shí)，50cm土壤濕度變化的頻率高72%，比10cm土壤濕度增量高約10%。③氣溫通過影響蒸發(fā)耗散等，間接作用土壤濕度垂直變化。氣溫升高，同一土層土壤濕度增量減少。如在2日連續(xù)降水下，25.0≤R≤49.9mm時(shí)，20cm土壤濕度增量在t<10.0℃、10.0≤t<20℃和t≥20.0℃3個(gè)氣溫等級(jí)下分別為3.38%—11.53%、4.07%—9.40%、1.84%—8.39%。④深層土壤不直接接觸空氣，土壤濕度受地面氣象條件的影響較小，而地下水補(bǔ)給和土壤特性對(duì)深層土壤濕度影響較大。因此，50cm土壤濕度變化與氣溫關(guān)系不顯著。以2日連續(xù)降水為例，無論氣溫高低，25.0≤R≤49.9mm時(shí)，50cm土壤濕度增量均小于3%；R≥50.0mm時(shí)，50cm土壤濕度增量均小于5%。

3.2 討論

本文創(chuàng)新地將降水類型細(xì)分為不同降水強(qiáng)度和降水持續(xù)時(shí)間，同時(shí)參考土壤類型和氣溫的不同，研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特區(qū)域粘壤土土壤濕度垂直分布受降水影響顯著，隨降水強(qiáng)度和降水持續(xù)時(shí)間增加，同一土層土壤濕度增量增大，而氣溫對(duì)50cm土壤濕度變化的影響較小。本文只討論了降水對(duì)貴州分布較廣的粘壤土土壤水分垂直分布的影響，而貴州省自然環(huán)境復(fù)雜、土壤類型較多，降水和氣溫對(duì)不同類型土壤濕度的影響有待進(jìn)一步研究和探討，以期了解喀斯特復(fù)雜地貌下土壤濕度對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)。