黑龍江省不同土地利用下季節(jié)降水-徑流-土壤水響應(yīng)關(guān)系研究

邢貞相，孫 鵬，紀(jì) 毅，李鳳昱，付 強(qiáng)*，丁 紅

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱150050）

徑流是水文循環(huán)重要環(huán)節(jié)，也是水文研究重要變量之一。徑流的形成開始于降水過程，結(jié)束于流域出口斷面流量過程，是降水與流域下墊面條件共同作用產(chǎn)物[1-2]。降水是水循環(huán)重要補(bǔ)給來源，其時空分配變化直接影響徑流變化，汛期徑流集中，洪峰過大易造成洪災(zāi)，非汛期徑流量減少以致斷流形成旱災(zāi)[3]。隨人類活動加劇，一方面改變徑流形成物理條件，另一方面影響水量平衡要素在時空和數(shù)量上的變化[4]。研究徑流對降水變化的響應(yīng)規(guī)律，可為開展徑流預(yù)報流域水資源開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)[5]。土壤濕度是地表物理過程中重要影響因子，在改善區(qū)域和全球氣候模型、干旱監(jiān)測、預(yù)估農(nóng)作物產(chǎn)量和投資等方面發(fā)揮重要作用[6]。降水是影響土壤水分重要因素之一，對土壤水分起調(diào)節(jié)和控制作用[7-9]。土壤水分通常隨降水增加而增加，但在極端干旱和濕潤區(qū)域觀察到土壤水分和降水存在負(fù)反饋關(guān)系[10-11]。且降水頻率變化對土壤水分動態(tài)影響顯著，瞬時入滲速率受降雨強(qiáng)度和時間影響較大[12-13]。此外，土壤水分還受土地利用類型、海拔和土壤深度等非氣象因素影響[14]。

黑龍江省為我國重要商品糧基地，糧食產(chǎn)量逐年增長[15]，隨耕地開墾和利用，出現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水量提高、水資源承載能力下降、水資源供需矛盾突出等問題，對黑龍江省水資源高效綜合利用造成嚴(yán)重壓力[16]。從水資源利用角度，通常將降水、徑流、土壤水、地下水等統(tǒng)稱為水源。因此，研究不同水源響應(yīng)關(guān)系有利于掌握水資源循環(huán)系統(tǒng)特征、解決水資源短缺帶來的一系列問題，對社會發(fā)展與水生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

針對不同水源響應(yīng)關(guān)系的研究，國內(nèi)外學(xué)者開展一系列探索，時忠杰等結(jié)合寧夏六盤山區(qū)香水河小流域2004~2005年降雨、徑流觀測資料，對流域的坡向、海拔和植被對降雨徑流的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，徑流對降雨的響應(yīng)以人工林的最大，灌叢的次之，亞高山草甸的最小[17]。Dhakal等根據(jù)得克薩斯州90個流域的土地利用數(shù)據(jù)，計算了不同土地利用情況下各流域徑流深度和容量徑流系數(shù)，并對降雨徑流響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析[18]。王維等利用紅花崗區(qū)氣象站、雨量站1952至2015年資料，分析年徑流系數(shù)變化趨勢及其與流域下墊面特征的關(guān)系，結(jié)果表明，徑流對降雨的響應(yīng)關(guān)系與下墊面地貌、植被條件等密切相關(guān)，下墊面變化是影響貴州省降雨徑流響應(yīng)關(guān)系變化的主要因素[19]。Bienes等采用人工降雨模擬系統(tǒng)對SBS、防水磚、水泥路面、透水磚和草地5種典型下墊面進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明：不同土地利用條件下的徑流對降雨持續(xù)時間的響應(yīng)關(guān)系十分顯著，相關(guān)系數(shù)高達(dá)92%~97%[20]。石揚(yáng)旭等使用ArcGIS和ENVI等軟件對流域多年平均徑流系數(shù)和各下墊面因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，林地、耕地面積所占比例對多年平均徑流系數(shù)和降雨徑流響應(yīng)關(guān)系有較大影響[21]。

目前不同水源響應(yīng)關(guān)系研究主要集中在場次洪水的降水-徑流-土壤含水量響應(yīng)特征，對季節(jié)尺度下不同水源間響應(yīng)特征研究較少；大多以流域為研究對象，以柵格為基本單位，考慮流域下墊面差異開展不同水源間響應(yīng)關(guān)系的研究較少，以柵格為單位作響應(yīng)分析更加準(zhǔn)確。水資源利用尤其是農(nóng)業(yè)用水具有較強(qiáng)季節(jié)性，大空間區(qū)域尺度下墊面差異明顯。本文依據(jù)1981~2020年黑龍江省逐月降水（P）、徑流（R）和土壤含水量（S）資料，以春夏秋冬4個季節(jié)為時間尺度，根據(jù)不同土地利用類型中不同水源網(wǎng)格數(shù)據(jù)，研究不同季節(jié)和土地利用類型降水、徑流、土壤含水量間響應(yīng)特征，定量分析徑流對降水、土壤含水量對降水、土壤含水量對徑流的相關(guān)關(guān)系，為深入研究區(qū)域降水、徑流、土壤含水量等各類水源轉(zhuǎn)化及水資源季節(jié)性綜合開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)域概況

黑龍江?。ㄒ妶D1，其中黑龍江省行政邊界來自中華人民共和國自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖）為我國緯度最高省份，北緯43°26′~53°33′，經(jīng)度121°11′~135°05′，占地面積約4.73×105km2[22]，西部和南部分別毗鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候[23]。黑龍江省年平均氣溫-5~5℃，極端最低氣溫-52.3℃，極端最高氣溫41.6℃，年平均降水量400~650 mm，生長季降水約占全年總量83%~94%。黑龍江省降水東部大于西部，根據(jù)降水量為濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)[24]。黑龍江省土地利用類型主要由林地、草地、耕地、水體、建設(shè)用地和濕地組成，林地、草地、耕地和濕地占總面積94.88%，各類土地利用面積占總面積比例如圖1所示。

圖1 黑龍江省土地利用柵格圖及各土地利用占比Fig.1 Land use grid chart of Heilongjiang Province and the proportion of each land use

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

降水、徑流和土壤含水量等原始柵格氣象數(shù)據(jù)來源于Copernicus Programme官網(wǎng)1981~2020年ERA5-Land數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是通過ECMWF ERA5再分析模型計算的再分析數(shù)據(jù)集[25]。ERA5-Land月平均數(shù)據(jù)可從Climate Data Store免費(fèi)訪問和下載。該數(shù)據(jù)集空間分辨率為0.1°×0.1°（約9 km×9 km），時間尺度為月尺度，研究使用的季節(jié)尺度降水、徑流和土壤含水量等數(shù)據(jù)為各季節(jié)對應(yīng)月數(shù)據(jù)累加所得。柵格徑流數(shù)據(jù)為ERA5-Land數(shù)據(jù)集中總徑流（由地面徑流和地下徑流構(gòu)成，以徑流深表示），ERA5-Land數(shù)據(jù)集中土壤含水量數(shù)據(jù)來自ECMWF綜合預(yù)報系統(tǒng)，數(shù)據(jù)集包含4層土壤含水量數(shù)據(jù)，第一層（S1）土壤深度0~7 cm，第二層（S2）土壤深度7~28 cm，第三層（S3）土壤深度28~100 cm，第四層（S4）土壤深度100~289 cm。0~10 cm土壤含水量因受降水影響不穩(wěn)定，降雨初期土壤含水量響應(yīng)過于敏感，降雨后期土壤含水量達(dá)到飽和時，其含水量對后續(xù)降水響應(yīng)遲鈍，導(dǎo)致土壤含水量和降水相關(guān)較弱[26]。深度過大（如S3、S4）土壤含水量對降水響應(yīng)不敏感[27]，故選取數(shù)據(jù)集中S2層土壤含水量為研究對象。黑龍江省級行政邊界來自中華人民共和國自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖，構(gòu)建地理數(shù)據(jù)庫所需的空間分辨率為1 km×1 km的土地利用數(shù)據(jù)集，來自中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（RESDC）[28-29]。因ERA5-Land的降水等氣象數(shù)據(jù)集空間分辨率為0.1°×0.1°（約9 km×9 km），與土地利用數(shù)據(jù)集的空間分辨率不匹配，故利用ArcGIS將土地利用數(shù)據(jù)的空間分辨率由原來1 km×1 km降為9 km×9 km。

2.2 方法

為定量研究降水、徑流、土壤含水量在不同土地利用和季節(jié)條件下相關(guān)關(guān)系，選取皮爾遜（積矩）相關(guān)系數(shù)計算其相關(guān)程度，皮爾遜相關(guān)系數(shù)用于測量兩個變量之間線性相關(guān)程度，廣泛應(yīng)用于科學(xué)和商業(yè)等領(lǐng)域[30-32]。對相關(guān)系數(shù)取絕對值后，0~0.09可近似認(rèn)為無相關(guān)性，0.1~0.3認(rèn)為弱相關(guān)，0.3~0.5認(rèn)為中等相關(guān)，0.5~1.0認(rèn)為強(qiáng)相關(guān)。皮爾遜相關(guān)系數(shù)假設(shè)檢驗采用t檢驗方法，具體方法參見文獻(xiàn)[33-34]。為統(tǒng)一土地利用數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)柵格分辨率，利用ArcGIS重采樣工具最近鄰法將1 km×1 km的土地利用數(shù)據(jù)變?yōu)? km×9 km柵格數(shù)據(jù)。最近鄰法無新值創(chuàng)建，可將像素值更改內(nèi)容最小化，適用于離散數(shù)據(jù)，例如土地利用類型數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地季節(jié)降水-徑流-土壤含水量相關(guān)關(guān)系分析

表1 為草地覆被條件下季節(jié)降水、徑流、土壤水含量間相關(guān)系數(shù)均值及比值，其中任意兩類水源相關(guān)系數(shù)均值為同一類覆被條件下所有網(wǎng)格中兩類水源相關(guān)系數(shù)算術(shù)平均。由表1可知，草地：春季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量相關(guān)系數(shù)分別為0.41、0.39、0.30（見圖2a），變量間相關(guān)關(guān)系均為中等正相關(guān)（見圖2b）；夏季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)為四季最高，兩變量之間相關(guān)關(guān)系均為強(qiáng)正相關(guān)；秋季降水與徑流的相關(guān)系數(shù)為強(qiáng)正相關(guān)，徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)均為中等正相關(guān)；冬季上述3個相關(guān)系數(shù)絕對值為0~0.09，說明任意兩種水源間相關(guān)性均較弱，故未分析其相關(guān)性。

表1 草地季節(jié)降水-徑流-土壤含水量相關(guān)系數(shù)均值及比值Table 1 Mean value and ratio of correlation coefficient of precipitation,runoff and soil water content in four seasons of grassland

圖2 黑龍江省草地柵格分布圖及相關(guān)系數(shù)箱線圖Fig.2 Grid distribution and correlation coefficient box plot of grassland in Heilongjiang Province

上述結(jié)果表明草地覆被條件下春、夏、秋三季降水量、徑流量、土壤含水量間具有較好相關(guān)關(guān)系，其中夏季各水源間相關(guān)性強(qiáng)于春、秋兩季，冬季各水源間相關(guān)性較弱。從各季節(jié)內(nèi)3種水源間相關(guān)性來看，春季降水量與同期徑流量、土壤含水量的相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于徑流與土壤含水量的相關(guān)關(guān)系，且降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；夏季3種水源相關(guān)性均較強(qiáng)，其中降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；秋季3種水源相關(guān)性一般，其中仍以降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；冬季3種水源間相關(guān)性均極弱。對土壤含水量，除冬季外其他3個季節(jié)內(nèi)與其相關(guān)水源也不同，春季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為降水，夏秋兩季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為徑流。因此，各水源間相關(guān)性因季節(jié)不同而有差異，這也是本文以季節(jié)為時間尺度研究各水源間相關(guān)性的原因。

1981~2020年草地春季降水與徑流多年平均比值為0.16，夏季降水與徑流多年平均比值為0.17。春、夏、秋三季土壤含水量與徑流多年平均比值分別為1.75、0.53、2.63，春、秋季土壤含水量與降水量的多年平均比值分別為0.28、0.29，結(jié)果見表1。

3.2 林地季節(jié)降水-徑流-土壤含水量相關(guān)關(guān)系分析

表2 列出林地覆被條件下季節(jié)降水、徑流、土壤水含量間相關(guān)系數(shù)均值及其比值，其中任意兩類水源相關(guān)系數(shù)均值為同一類覆被條件下所有網(wǎng)格中兩類水源相關(guān)系數(shù)算術(shù)平均。由表2可知，林地春季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量相關(guān)系數(shù)分別為0.33、0.31、0.36（見圖3a），變量間相關(guān)關(guān)系均為中等正相關(guān)（見圖3b）；夏季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量相關(guān)系數(shù)為0.85、0.67、0.56，兩變量間相關(guān)關(guān)系均為強(qiáng)正相關(guān)；秋季降水與徑流、徑流與土壤含水量相關(guān)系數(shù)均為強(qiáng)正相關(guān)，降水與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)均為中等正相關(guān)；冬季上述3個相關(guān)系數(shù)絕對值為0.02~0.08，說明任意2種水源間相關(guān)性均較弱，故未分析其相關(guān)性。

圖3 黑龍江省林地柵格分布圖及相關(guān)系數(shù)箱線圖Fig.3 Grid distribution and correlation coefficient box plot of forest in Heilongjiang Province

上述結(jié)果表明，林地覆被條件下春、夏、秋三季降水量、徑流量、土壤含水量間具有較好相關(guān)關(guān)系，其中夏季各水源間相關(guān)性強(qiáng)于春、秋兩季，冬季各水源間相關(guān)性相對較弱。從各季節(jié)內(nèi)3種水源間相關(guān)性看，春季徑流量與同期降水量、土壤含水量相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于降水與土壤含水量相關(guān)關(guān)系，徑流-土壤含水量相關(guān)性最強(qiáng)；夏季3種水源相關(guān)性均較強(qiáng)，其中降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；秋季3種水源相關(guān)性一般，其中仍以降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；冬季三種水源間相關(guān)性均極弱。對土壤含水量，除冬季外其他3個季節(jié)內(nèi)與其相關(guān)的水源也不同，春季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為徑流，夏秋兩季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為降水。

1981~2020年林地春、夏、秋季降水與徑流多年平均比值分別為0.29、0.20、0.11。秋季土壤含水量與徑流的多年平均比值為2.08，高于林地春、夏季兩者比值；春、秋季降水與土壤含水量比值均為0.23，結(jié)果見表2。

3.3 濕地季節(jié)降水-徑流-土壤含水量的相關(guān)關(guān)系分析

表3 為濕地覆被條件下季節(jié)降水、徑流、土壤水含量間相關(guān)系數(shù)均值及比值，其中任意兩類水源的相關(guān)系數(shù)均值為同一類覆被條件下所有網(wǎng)格中兩類水源相關(guān)系數(shù)的算術(shù)平均。由表3可知，濕地春季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.38、0.31、0.38（見圖4a），變量間相關(guān)關(guān)系均為中等正相關(guān)（見圖4b）；夏季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.84、0.67、0.57，與夏季林地的相關(guān)系數(shù)一致；秋季降水與徑流和徑流與土壤含水量相關(guān)系數(shù)為強(qiáng)正相關(guān)，降水與土壤含水量相關(guān)系數(shù)為中等正相關(guān)；冬季上述3個相關(guān)系數(shù)絕對值為0~0.09，說明3種水源間相關(guān)性極弱，故未分析其相關(guān)性。

表3 濕地季節(jié)降水-徑流-土壤含水量相關(guān)系數(shù)均值及比值Table 3 Mean value and ratio of correlation coefficient of precipitation,runoff and soil water content in four seasons of wetland

圖4 黑龍江省濕地柵格分布圖及相關(guān)系數(shù)箱線圖Fig.4 Grid distribution and correlation coefficient box plot of wetland in Heilongjiang Province

上述結(jié)果表明濕地覆被條件下春、夏、秋三季降水量、徑流量、土壤含水量間具有較好相關(guān)關(guān)系，其中夏季各水源間相關(guān)性強(qiáng)于春、秋兩季，冬季各水源間相關(guān)性較弱。從各季節(jié)內(nèi)3種水源間相關(guān)性看，春季徑流量與同期降水量、土壤含水量相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于降水與土壤含水量的相關(guān)關(guān)系，且降水-土壤含水量相關(guān)性最弱；夏季3種水源相關(guān)性均較強(qiáng)，其中降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；秋季3種水源相關(guān)性一般，其中仍以降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)。對于土壤含水量，除冬季外其他三內(nèi)與相關(guān)水源也不同，春季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為徑流，夏秋兩季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為降水。1981~2020年濕地春、夏季徑流與降水的多年平均比值為0.30、0.26。春、夏、秋三季土壤含水量與徑流的多年平均比值分別為0.90、0.31、2.50。春、秋季土壤含水量與降水量多年平均比值分別為0.27和0.25，夏季土壤含水量與降水多年平均比值僅為0.08，主要由濕地區(qū)域大部分降水形成徑流所致，結(jié)果見表3。

3.4 耕地季節(jié)降水-徑流-土壤含水量的相關(guān)關(guān)系分析

表4 列出耕地覆被條件下季節(jié)降水、徑流、土壤水含量間相關(guān)系數(shù)均值及其比值，其中任意兩類水源的相關(guān)系數(shù)均值為同一類覆被條件下所有網(wǎng)格中兩類水源相關(guān)系數(shù)的算術(shù)平均。由表4可知，耕地春季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.43、0.29、0.39（見圖5a），降水與徑流、徑流與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)比其他3種土地利用下相應(yīng)水源的相關(guān)系數(shù)高，降水與土壤含水量相關(guān)系數(shù)較其他3種土地利用下相應(yīng)水源的相關(guān)系數(shù)低（見圖5b）；夏季降水與徑流、徑流與土壤含水量、降水與土壤含水量相關(guān)系數(shù)分別為0.85、0.67、0.59，降水與徑流、徑流與土壤含水量相關(guān)系數(shù)與夏季林地相應(yīng)水源相關(guān)系數(shù)相等、降水與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)與夏季林地相應(yīng)水源相關(guān)系數(shù)僅差0.02；秋季降水與徑流、徑流與土壤含水量相關(guān)系數(shù)均為強(qiáng)正相關(guān)，降水與土壤含水量相關(guān)系數(shù)為中等正相關(guān)；冬季上述3個相關(guān)系數(shù)絕對值為0.01~0.08，說明3種水源間相關(guān)性極弱，故未分析其相關(guān)性。

表4 耕地季節(jié)降水-徑流-土壤含水量相關(guān)系數(shù)均值及比值Table 4 Mean value and ratio of correlation coefficient of precipitation,runoff and soil water content in four seasons of cultivated land

圖5 黑龍江省耕地柵格分布圖及相關(guān)系數(shù)箱線圖Fig.5 Grid distribution and correlation coefficient box plot of cultivated land in Heilongjiang Province

上述結(jié)果表明，耕地覆被條件下春、夏、秋三季降水量、徑流量、土壤含水量間具有較好相關(guān)關(guān)系，其中夏季各水源間相關(guān)性強(qiáng)于春、秋兩季，冬季各水源間相關(guān)性較弱。從各季節(jié)內(nèi)3種水源相關(guān)性看，春季徑流量與同期的降水量、土壤含水量相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于降水與土壤含水量相關(guān)關(guān)系，降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；夏季3種水源相關(guān)性均較強(qiáng)，其中降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)；秋季3種水源相關(guān)性一般，其中仍以降水-徑流相關(guān)性最強(qiáng)。對土壤含水量，除冬季外其他3個季節(jié)與其相關(guān)性強(qiáng)水源也不同，春季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為徑流，夏秋兩季與土壤含水量相關(guān)最強(qiáng)水源為降水。

1981~2020年耕地春、夏季降水與徑流多年平均比值分別為0.18、0.20；春、夏、秋三季土壤含水量與降水多年平均比值分別為1.32、0.08、2.63，土壤含水量與降水多年平均比值分別為0.25和0.24，結(jié)果見表4。

4 結(jié)論

本文基于ERA5-Land數(shù)據(jù)集中降水、徑流、土壤水等網(wǎng)格數(shù)據(jù)，依據(jù)黑龍江省不同土地利用類型，以季節(jié)為時間尺度，分析1981~2020年黑龍江省降水-徑流、降水-土壤含水量、徑流-土壤含水量響應(yīng)關(guān)系，得出以下結(jié)論：

a.黑龍江省降水-徑流、降水-土壤含水量、徑流-土壤含水量相關(guān)程度因季節(jié)而不同，其相關(guān)性由強(qiáng)至弱為：夏季>秋季>春季>冬季，且冬季相關(guān)性極弱。

b.黑龍江省降水與徑流相關(guān)性程度：耕地>草地>濕地>林地；降水與土壤含水量相關(guān)性程度：林地>濕地>草地>耕地；徑流與土壤含水量相關(guān)性程度：耕地>草地>林地>濕地。

c.黑龍江省春夏秋各季節(jié)徑流量與降水量多年平均比值分別為0.23、0.20、0.10，其中春、夏兩季徑流與降水比值較高；各季節(jié)土壤含水量與同期徑流量多年平均比值分別為1.12、0.40、2.42，其中秋季土壤含水量與徑流量比值最大；各季土壤含水量與相應(yīng)降水的多年平均比值分別為0.25、0.08、0.24，其中春、秋季土壤含水量與降水量比值最大。

d.除冬季3種水源響應(yīng)關(guān)系極弱外，其他3個季節(jié)黑龍江省年內(nèi)徑流接受降水的補(bǔ)給量以春、夏季為主、土壤含水量接收徑流補(bǔ)給量以春、秋季為主、土壤含水量接收降水補(bǔ)給量以春、秋季為主。對于不同土地利用類型，上述各季節(jié)水源間響應(yīng)關(guān)系差異較大。