江西省土壤體積含水量對降水的響應(yīng)特征

袁正國， 賴 亮， 徐全倩

江西省氣象信息中心， 江西 南昌 330096

0 引 言

土壤水分是土壤—植物—大氣耦合系統(tǒng)的一個關(guān)鍵因子，是水循環(huán)的一個主要環(huán)節(jié)，可以直接反映土地干旱、水分補(bǔ)充和流失的狀況，對陸地氣候相互作用起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前在各種農(nóng)業(yè)氣象自動觀測系統(tǒng)中能夠觀測不同深度的土壤水分，為干旱監(jiān)測、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報和服務(wù)提供實時的土壤水分監(jiān)測資料。國內(nèi)外眾多學(xué)者研究了土壤水分的影響因素。例如，方文松等(2011)利用濕度監(jiān)測資料和水分滲透模型，分析了降水滲透深度與影響因子之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)降水滲透深度與初始土壤濕度、過程降水量和雨后日數(shù)有明顯的線性關(guān)系，隨著后三者的增大滲透深度加深，其中初始土壤濕度影響最大，過程降水量和雨后日數(shù)次之。當(dāng)土壤質(zhì)地由輕變重，或由砂變粘，則滲透深度由深變淺。宋孝玉(2003)和包含(2011)等研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分的動態(tài)變化與降水量和土壤蒸發(fā)量有著密切的聯(lián)系，由于土壤蒸發(fā)向深層傳遞的滯后性和土壤自身的水分調(diào)蓄作用，不同土層土壤含水量的變化幅度明顯不同，在降水時土壤含水量急劇上升，隨后下降。李琪等(2015)研究表明，降水滲透深度與土壤初始含水率呈顯著的正相關(guān)，且降水對各土層的影響隨土層的加深而減弱。王海梅等(2016)研究了自然降水過程對典型草原土壤水分的影響發(fā)現(xiàn)，隨著雨量的增加，各層土壤水分變化規(guī)律不同，0—10 cm、10—20 cm土層土壤水分增量與降水量之間存在二項式回歸關(guān)系，大于25.5 mm的降水過程才能引起20—30 cm土層土壤水分的穩(wěn)定增加，大于29 mm的降水過程能使 30—40 cm土層的土壤水分穩(wěn)定增加，極端降水過程大于70.2 mm能引起40 cm以下土層土壤水分的穩(wěn)定增加。汪星等(2021)分析自然降水對干化土壤水分恢復(fù)的有效性發(fā)現(xiàn)，從深層干化土壤水分恢復(fù)角度考慮，黃土丘陵半干旱區(qū)降水可以分為3種類型：表層入滲快速蒸發(fā)型、淺層入滲緩慢蒸發(fā)型和深層入滲補(bǔ)給型。在不同降水過程、蒸發(fā)、初始含水率等條件下，土壤體積含水量對降水的響應(yīng)不一致。

文中引入響應(yīng)比值分析方法，研究江西省土壤體積含水量在不同過程降水下的響應(yīng)情況，以期為農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

文中使用的資料為江西省氣象信息中心提供的土壤體積含水量數(shù)據(jù)和降水觀測數(shù)據(jù)。土壤體積含水量資料為經(jīng)過質(zhì)量控制的江西省36個站點2017—2020年4—9月逐小時土壤體積含水量觀測數(shù)據(jù)，觀測深度包括0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm、50—60 cm、70—80 cm、90—100 cm，分別用L1—L8表示。降水資料為經(jīng)質(zhì)量控制的江西省國家、區(qū)域氣象觀測站2017—2020年4—9月逐小時降水觀測數(shù)據(jù)。文中規(guī)定連續(xù)出現(xiàn)的降水其時間間隔不足6 h的為同一降水過程，6 h及以上的為2次降水過程。將降水過程的降水量分成4個不同量級，即降水量小于10 mm、10—25 mm、25—50 mm、大于等于50 mm，分別用A1—A4表示。

1.2 土壤質(zhì)地分類

基于吳克寧等(2019)對土壤質(zhì)地分類的方法，對江西省52個土壤水分觀測站的土壤質(zhì)地進(jìn)行分類，主要分為壤土、黏土和砂土類土壤質(zhì)地，分別有36、15、1站，所占比例分別為69%、29%、2%。文中選取江西省數(shù)量最多的壤土質(zhì)地土壤進(jìn)行討論。

1.3 土壤水分、降水的觀測站匹配處理

由于土壤水分觀測站中沒有降水的觀測要素，考慮利用鄰近地面觀測站的降水資料來替代。通過計算任一土壤水分站和國家氣象站、區(qū)域氣象站之間的歐氏距離進(jìn)行站點匹配。匹配原則：同等情況下優(yōu)先選取國家站點作為匹配站點；當(dāng)匹配到距離相差2 km內(nèi)的國家氣象站和區(qū)域氣象站時，優(yōu)先采用國家氣象站作為匹配站點；當(dāng)匹配到距離相同的國家氣象站或區(qū)域氣象站時，優(yōu)先采用與土壤水分觀測站海拔高度差較小的氣象站作為匹配站點?；谝陨显瓌t得到36個壤土質(zhì)地土壤水分觀測站(圖1)地面匹配站，平均匹配距離小于5.5 km。

圖1 江西省土壤水分觀測站點分布

1.4 分析方法

一次降水過程后，土壤體積含水量對降水的響應(yīng)具有不確定性，響應(yīng)的時間長度也不盡相同，為了表征土壤體積含水量對一次降水過程的響應(yīng)情況，采用降水引起的土壤體積含水量響應(yīng)次數(shù)與降水過程次數(shù)的百分比(簡稱響應(yīng)比)進(jìn)行表征，其計算式：

P(l,φ,k,c)=YA(l,φ,k,c)/[YA(l,φ,k,c)

+YB(l,φ,k,c)].100%

(1)

其中，P為響應(yīng)比，YA為降水過程中土壤體積含水量響應(yīng)的次數(shù)，YB為降水過程中土壤體積含水量不響應(yīng)的次數(shù)，l表示深度，φ為站點，k為不同的降水過程，c為同一量級降水過程的次數(shù)。

當(dāng)降水過程導(dǎo)致響應(yīng)發(fā)生時，土壤體積含水量會經(jīng)歷響應(yīng)增長和響應(yīng)減弱過程。通過分析響應(yīng)開始、增加、減弱、結(jié)束時段內(nèi)土壤體積含水量的變化情況，探究響應(yīng)增長和減弱過程特征，設(shè)

DQm(l,φ)=|Q(l,φ,trm)-Q(l,φ,tr1)|

(2)

DQn(l,φ)=|Q(l,φ,trm)-Q(l,φ,tm)|

(3)

其中，tr1為該過程響應(yīng)開始時刻，trm為該過程響應(yīng)增長階段結(jié)束時刻，trn為該過程響應(yīng)減弱階段結(jié)束時刻，其相應(yīng)的土壤體積含水量分別為Q(l,φ,tr1)、Q(l,φ,trm)、DQm(l,φ)，表示土壤體積含水量在響應(yīng)增長過程中的絕對增幅，DQn(l,φ)表示土壤體積含水量在響應(yīng)減弱過程中的絕對降幅。

2 個例分析

分別從2017—2020年江西省A1、A2、A3、A4量級降水過程中選取1個典型個例進(jìn)行分析。圖2為2018年5月6日湖口、26日分宜、6月29日廣豐、4月13日進(jìn)賢站土壤體積含水量變化情況。2018年5月6日湖口降水過程屬于A1類(圖2a)，最大小時降水量為4.3 mm，過程降水量7.4 mm，土壤體積含水量在L1層變化較大，最大變化量不超過0.05 g/cm3，變化從最大小時降水量出現(xiàn)開始，其他層次幾乎無變化,可以認(rèn)為L2—L8層的土壤體積含水量對降水不響應(yīng)。5月26—27日的分宜降水過程屬于A2類(圖2b)，最大小時降水量18.1 mm，出現(xiàn)在18時，過程降水總量21.6 mm，L1層土壤體積含水量從18時開始顯著增長，在降水量達(dá)到最大值的1 h后增長到最大，達(dá)0.44 g/cm3，然后開始減少，從00時開始幾乎無變化；而其他層土壤體積含水量也都不發(fā)生變化。6月29日的廣豐降水過程屬于A3類(圖2c)，是典型的短時強(qiáng)降水類型，降水時間為15—17時，最大小時降水量22.5 mm，過程降水總量38.8 mm，土壤體積含水量在L1—L6層變化顯著，L7層變化不明顯，L8層幾乎無變化，各個層次的變化趨勢都是先快速增長，隨后減小，最后在一定時段內(nèi)幾乎無變化。4月13日進(jìn)賢降水過程屬于A4類(圖2d)，過程總降水量88.9 mm，為持續(xù)性降水過程，持續(xù)時長13 h，14時、15時的小時降水量均超過25 mm，L1—L8層的土壤體積含水量變化顯著。從響應(yīng)的深度變化來看，當(dāng)降水量很小，沒有達(dá)到一定量級時，土壤體積含水量不響應(yīng)，但隨著降水量的增大，響應(yīng)由淺層逐漸擴(kuò)展到深層，當(dāng)降水量達(dá)到一定量級時，所有層均有響應(yīng)。從響應(yīng)過程看，響應(yīng)使土壤體積含水量先快速增長，隨后下降，當(dāng)下降到一定程度便穩(wěn)定維持且相對于降水前仍然維持在一個較高水平。因此，土壤體積含水量對降水的響應(yīng)分為兩個階段：第一階段土壤體積含水量快速增長并回落到一定水平，稱為短期快速響應(yīng)過程，第二階段土壤體積含水量隨時間變化很小，但這種變化維持的時間相對較長，但土壤體積含水量還處在一個較高水平，逐漸下降回落到降雨前的水平，稱為緩慢響應(yīng)過程。

圖2 2018年5月6日01:00—13:00湖口(a)，5月26日:14:00—5月27日01:00分宜(b)，6月29日09:00—20:00廣豐(c)，4月13日04:00—20:00進(jìn)賢(d)土壤水分站小時降水量和各觀測深度土壤體積含水量的變化Fig. 2 Variation curves of soil bulk water content in different precipitation processes during 01:00 BT-13:00 BT 6 May，2015 over Hukou (a)， 14:00 BT 26 May-01:00 BT 27 May，2018 over Fenyi (b)， 09:00 BT-20:00 BT 29 Jun，2018 over Guangfeng (c)，04:00 BT-20:00 BT 13 Apr，2018 over Jinxian (d)

3 響應(yīng)比分析

2017—2020年4—9月江西省36個壤土質(zhì)地土壤水分站出現(xiàn)的A1、A2、A3、A4降水過程在不同觀測深度下各土壤體積含水量響應(yīng)比范圍的站數(shù)比如表1所示(僅列出站數(shù)比總和大于50%的情況)。A1過程站數(shù)比總和小于50%，A2過程只有L1層響應(yīng)比總和達(dá)到50%，A3過程有L1、L2層響應(yīng)比總和超過50%，A4過程各層響應(yīng)比的站數(shù)比均超過50%，但是各層的站數(shù)比不盡相同，A4過程L2層站數(shù)比最高，達(dá)到84%。

表1 2017—2020年4—9月江西省不同降水過程在各觀測深度的響應(yīng)比的站數(shù)比統(tǒng)計

圖3是利用2017—2020年江西省36個壤土質(zhì)地土壤水分站土壤體積含水量數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)計算得到的不同降水過程在不同響應(yīng)深度的平均響應(yīng)比的變化情況。分析發(fā)現(xiàn)，A1過程的響應(yīng)比平均值在所有觀測深度都小于30%，認(rèn)為A1過程在全層次不響應(yīng)；A2過程的響應(yīng)比平均值在L1層為82%，L2層為50%，其他層次小于50%，即認(rèn)為A2過程在L1、L2層響應(yīng)；A3過程的響應(yīng)比平均值在L1、L2、L3、L4層依次為91%、82%、64%、50%，其他層次小于50%，即認(rèn)為A3過程在L1—L4層響應(yīng)；A4過程的響應(yīng)比平均值在L1—L7層分別為94%、90%、83%、79%、68%、69%、52%，L8層小于50%，即認(rèn)為A4過程在L1—L7層次響應(yīng)。

文中定義一次降水過程中站數(shù)比和平均響應(yīng)比均達(dá)50%才產(chǎn)生響應(yīng)，因此土壤體積含水量對不同降水過程的響應(yīng)可以總結(jié)為A1過程在各層均無響應(yīng)，A2過程響應(yīng)層達(dá)L1，A3達(dá)L2，A4達(dá)L6。

圖3 2017—2020年江西省不同降水過程在各響應(yīng)深度的平均響應(yīng)比分布

4 響應(yīng)特征分析

4.1 響應(yīng)時間

分析降水發(fā)生后土壤體積含水量響應(yīng)持續(xù)時間和相對于降水開始、結(jié)束的響應(yīng)滯后時間(圖4)發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)持續(xù)時間主要集中在0—9 h，其中49%的降水過程集中在3—6 h，其次是0—3 h的降水過程，所占比例在30%左右，而超過12 h的響應(yīng)持續(xù)時間很少。從A4降水過程看，隨深度的增加，響應(yīng)的持續(xù)時間變化不大。響應(yīng)的滯后時間為1 h的降水過程占比較高，隨深度的增加響應(yīng)滯后時間減少，但減小趨勢不明顯。

圖4 2017—2020年江西省土壤體積含水量響應(yīng)持續(xù)時間(a)和響應(yīng)滯后時間(b)特征分析Fig. 4 Characteristics of response duration time (a) and response lag time (b) under various response conditions in Jiangxi province during 2017 to 2020

4.2 響應(yīng)過程特征

圖5為不同響應(yīng)條件下響應(yīng)增長和響應(yīng)減弱階段的絕對增幅和降幅分布情況，分析發(fā)現(xiàn)，不同響應(yīng)條件下響應(yīng)增幅差異變化很大，多數(shù)響應(yīng)情況隨響應(yīng)值增大到一定幅度然后減小，同一響應(yīng)深度降水量越大，土壤體積含水量增幅越大。同一降水過程類別條件下土壤層次越靠近地面，土壤體積含水量增幅越大。其中，L1、L2層以0.02—0.08 g/cm3增幅占比最高，約占50%—60%，L3—L6層以0—0.06 g/cm3增幅占比最高，約占60—80%。響應(yīng)過程中土壤體積含水量降幅遠(yuǎn)小于增幅，55%—80%的降水個例僅下降0—0.001 g/cm3。同一響應(yīng)深度層次，降水量越大，土壤體積含水量降幅越大；相同降水類別條件下，土壤層次越靠近地面，土壤體積含水量降幅越大。同一響應(yīng)深度層次，降水量越大，土壤體積含水量相對增(降)幅越大；相同降水過程類別條件下，土壤層次越靠近地面，土壤體積含水量相對增(降)幅越大。響應(yīng)過程中土壤體積含水量相對降幅遠(yuǎn)小于相對漲幅，60%—80%的降水過程僅下降1%以內(nèi)。分析不同響應(yīng)條件下絕對增(降)幅的響應(yīng)過程占比情況發(fā)現(xiàn)降幅過程持續(xù)時間遠(yuǎn)大于增幅過程，說明增幅過程時間較短，降幅過程時間較長，即增、降幅過程之間的時間差異大，增、降幅過程不對稱。

圖5 2017—2020年江西省不同響應(yīng)條件下土壤體積含水量的絕對增幅(a)、絕對降幅(b)的降水過程占比情況Fig. 5 Proportion of response cases of absolute increase amplitude (a) and absolute decrease amplitude (b) under different response condition in Jiangxi province during 2017 to 2020

5 結(jié) 論

文中利用2017—2020年江西省36站壤土質(zhì)地土壤水分觀測站土壤體積含水量資料和降水資料，研究了土壤體積含水量對不同過程降水的響應(yīng)，得到結(jié)論如下

1) 不同類型降水過程響應(yīng)差異大，土壤體積含水量對小于10 mm的降水過程無響應(yīng)，10—25 mm的降水過程響應(yīng)深度為0—10 cm，25—50 mm的降水過程響應(yīng)深度為0—20 cm，大于50 mm的降水過程響應(yīng)深度為0—60 cm。

2) 土壤體積含水量對降水過程的響應(yīng)分為快速增長階段和平穩(wěn)減弱兩個階段，在快速增長階段土壤體積含水量先快速增長到最大值，然后緩慢下降，且增長階段的持續(xù)時間小于減弱階段的持續(xù)時間，增長過程和減弱過程不對稱。

3) 響應(yīng)過程的持續(xù)時間主要集中在1—9 h，其中持續(xù)時間為3—6 h的高達(dá)49%。

本文僅針對江西省汛期36個壤土質(zhì)地土壤水分站在不同層次、量級降水量響應(yīng)特征和響應(yīng)時間分析。其中，土壤水分站降水可以考慮采用黃少平等(2020)研究的格點降水進(jìn)行替代，分析方法也還需要繼續(xù)改進(jìn)。結(jié)合周芳等(2018)研究的江西省汛期局地短時降水的時空分布特征，在不同初始含水率、滲透率以及不同地表覆蓋物等情況下的土壤體積含水量對降水的響應(yīng)，還有待進(jìn)一步研究。