基于ESA CCI遙感數(shù)據(jù)的山西省土壤水時(shí)空變化特征及影響因子分析

周林康，郭 磊，晉 華

（1.太原碧藍(lán)水利工程設(shè)計(jì)股份有限公司，太原 030024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言

土壤水分（Soil Moisture，SM）作為土壤的一個(gè)重要組成部分，是表征陸面狀況的重要參數(shù)之一，在調(diào)控陸地-大氣水分循環(huán)和能量收支平衡過程中發(fā)揮著巨大作用[1-4]。在干旱和半干旱地區(qū)，土壤水分是反映植被生長狀況和農(nóng)業(yè)干旱的重要指標(biāo)[5,6]。土壤水分長期短缺可能會(huì)導(dǎo)致地表和大氣能量交換不平衡，進(jìn)而造成區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境不斷惡化[7]。因此，精準(zhǔn)把握土壤水分的時(shí)空演變規(guī)律，有利于對(duì)干旱進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。

傳統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測方法多采用烘干法[8,9]，該方法可以測量不同深度的土壤水分含量且精度高，但存在采樣成本偏高、耗時(shí)費(fèi)力及以點(diǎn)代面等缺點(diǎn)而無法實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。近年來，隨著通訊技術(shù)的進(jìn)步和遙感領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得基于衛(wèi)星遙感實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測土壤水分成為可能[10-12]。楊靜敬等[13]和劉蘇峽等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)：表層土壤水分和深層土壤水分具有較好的相關(guān)性，因此基于遙感反演的表層土壤水分可以很大程度上反映土壤水分的整體變化。此外，土壤水分的時(shí)空變化還會(huì)受到多種因素影響，包括氣候因素[15]、地形因素[16]以及植被生長狀況[17]等。

歐洲空間局（European Space Agency，ESA）氣候變化項(xiàng)目（Climate Change Initiative，CCI）遙感土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)[18]，是基于主動(dòng)和被動(dòng)微波傳感器，將2者優(yōu)勢相互融合所生成的包含主動(dòng)數(shù)據(jù)集、被動(dòng)數(shù)據(jù)集和融合數(shù)據(jù)集的長時(shí)間序列（1979-2019 年）。ESA CCI 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)作為目前全球范圍內(nèi)已知時(shí)間序列最長的遙感數(shù)據(jù)，自發(fā)布以來就受到廣泛的關(guān)注，在許多地區(qū)得到有效應(yīng)用[19,20]。ZOHAIB 等[21]利用ESA CCI 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)評(píng)估了2000-2015 年全球灌溉用水信息，結(jié)果表明，ESA CCI產(chǎn)品能很好地識(shí)別全球灌溉面積，精度可達(dá)65%左右，并且通過研究發(fā)現(xiàn)近年來全球灌溉用水呈上升趨勢。TOMáS 等[22]使用ESA CCI 產(chǎn)品分析了葡萄牙東北部地區(qū)土壤水分的變化并建立了回歸模型，通過驗(yàn)證表明了該模型具有較高的精度，R2為0.8～0.9。DORIGO 等[23]基于全球596 個(gè)地面站點(diǎn)的土壤水分觀測資料評(píng)估了ESA CCI土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的隨機(jī)誤差，結(jié)果表明兩者之間的平均斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為0.46，無偏均方根誤差的平均值為0.05。XU 等[24]將勞倫斯大湖盆地的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)和ESA CCI土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了稀疏網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，結(jié)果表明，兩者的無偏均方根誤差為0.04，相關(guān)系數(shù)為0.7 左右。由此可知，ESA CCI 數(shù)據(jù)在研究土壤水分變化方面具有較高的精度，然而該產(chǎn)品在中國的應(yīng)用相對(duì)較少。

山西省地處黃土高原，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，干旱、水土流失災(zāi)害嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱。根據(jù)山西省2000-2015 年ESA CCI 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，并結(jié)合氣候（降水、氣溫以及風(fēng)速）和NDVI（歸一化植被指數(shù)）等數(shù)據(jù)，對(duì)山西省近16 a 來土壤水分的時(shí)空演變規(guī)律及其與各環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，并進(jìn)一步得出影響土壤水分時(shí)空變化的主要因子。本研究可為山西省生態(tài)建設(shè)和水資源管理等提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)該地區(qū)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于110°14＇E-114°33＇E 和34°34＇N-40°43＇N，總面積為15.67 萬km2。山西省地處華北西部的黃土高原東翼，北與內(nèi)蒙古毗連，南與河南為鄰，西與陜西接壤，東與河北相望，省輪廓總體呈“東北斜向西南”的平行四邊形，地勢東北高西南低；地貌十分復(fù)雜，有山地、丘陵、臺(tái)地、平原等，其中，山地和丘陵約占80%。山西省處于中緯度地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，不同地區(qū)氣候差異顯著，且年際、季節(jié)變化大。山西省多年平均年降水量為358～621 mm，季節(jié)分配極不均勻，60%左右的降雨集中發(fā)生在6-8月；多年平均氣溫為3～14 ℃，晝夜溫差相對(duì)較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

（1）土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。采用歐洲空間局（European Space Agency，ESA）氣候變化項(xiàng)目（Climate Change Initiative，CCI）所發(fā)布的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，包括3種數(shù)據(jù)產(chǎn)品：主動(dòng)數(shù)據(jù)集、被動(dòng)數(shù)據(jù)集和主被動(dòng)融合數(shù)據(jù)集。其中主動(dòng)數(shù)據(jù)集來自ERS-1/2、AMI-WS、ASCAT（Metop-A/B）等主動(dòng)微波遙感產(chǎn)品，被動(dòng)數(shù)據(jù)集來自SMMR、SMOS、DMSP SSM/1、TRMM TM1 等被動(dòng)微波遙感產(chǎn)品，主被動(dòng)融合數(shù)據(jù)集則是將上述2種數(shù)據(jù)集融合而成的。ESA CCI土壤水分（體積含水率）數(shù)據(jù)是以netcdf-4 格式提供，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為0.25°。選取2000年1月1日至2015年12月31日作為研究時(shí)段。

（2）氣候數(shù)據(jù)。采用的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)（降水、溫度和風(fēng)速等）來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/）的全國2 481 個(gè)氣象觀測站點(diǎn)。利用反距離權(quán)重插值方法，將氣象數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理成時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為0.25°的柵格數(shù)據(jù)，并裁取出山西省的數(shù)值。

（3） 植被覆蓋情況數(shù)據(jù)。NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）作為常用的植被指數(shù)之一，其變化在一定程度上可以反映地表植被覆蓋的變化情況。因此，NDVI指數(shù)在土壤水分研究、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[25]。采用的NDVI數(shù)據(jù)來源于國家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)—國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.geodata.cn），時(shí)間尺度為月，空間分辨率為5 km。

1.3 研究方法

（1）Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法。Mann-Kendall（M-K）趨勢檢驗(yàn)法是一種用于檢測序列變化趨勢的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算相對(duì)簡單，人為干擾因素較小，數(shù)據(jù)定量化程度高，適用范圍廣且不需要序列數(shù)據(jù)服從一定的分布，也不會(huì)受到少數(shù)異常值的干擾，同時(shí)也可以明確序列數(shù)據(jù)開始突變的時(shí)間。因此，本文基于M-K 趨勢檢驗(yàn)法，實(shí)現(xiàn)對(duì)山西省土壤水分的年際變化的趨勢檢驗(yàn)分析。

（2）相關(guān)性分析法。采用相關(guān)性分析法對(duì)山西省土壤水分與氣候因素（如降水、氣溫、風(fēng)速）、植被覆蓋情況（NDVI）的相關(guān)性進(jìn)行分析。相關(guān)系數(shù)是用來描述2 個(gè)變量間的線性相關(guān)程度和方向的統(tǒng)計(jì)量，通常用r表示。具體表達(dá)式如下：

式中：n為樣本數(shù)；、分別是變量x、變量y的平均值。

（3）主成分分析法。主成分分析法是一種分析多個(gè)變量之間相關(guān)性的多元統(tǒng)計(jì)方法。該方法旨在利用降維的思想，通過線性變換把多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)主成分，并使它們盡可能多地保留原始變量的信息，且彼此之間互不相關(guān)。主成分計(jì)算公式如下：

式中：Fp為主成分；a1i，a2i，…，api（i=1，2，…，n）為X的協(xié)方差陣的特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，ZX1，ZX2，…，ZXp是原始變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的空間變化

圖1 是2000-2015 年山西省土壤水分的年均值空間分布情況。從圖1 中可以看出，山西省的土壤水分年均值為0.170～0.263 m3/m3。各區(qū)域的土壤水分分布差異較大，具有明顯的空間變化格局，總的分布呈現(xiàn)“南部、北部低，中部高”的變化特征。其中，運(yùn)城市和大同市的大部分地區(qū)以及朔州市的東部地區(qū)土壤水分相對(duì)偏低，太原市西部、忻州市南部和東部、呂梁市東部以及晉中市的東部地區(qū)土壤水分相對(duì)較高。

圖1 山西省2000-2015年年均土壤水分Fig.1 Annual average soil moisture in Shanxi Province from 2000-2015

為進(jìn)一步分析山西省近年來的空間動(dòng)態(tài)變化趨勢，對(duì)2000、2005、2010 和2015 年這4 個(gè)特定時(shí)間的年均土壤水分空間分布進(jìn)行分析。從圖2 中可以看出，在這4 a 中，山西省的土壤水分空間分布大致相同，土壤水分低值均出現(xiàn)在大同市和運(yùn)城市附近，僅在2005 年晉中市中部小范圍區(qū)域出現(xiàn)較低值；土壤水分高值均出現(xiàn)在山西省中西部和東部邊緣地區(qū)?？傊?，雖然這些年土壤水分空間變化分布略有差別，但總體上均呈現(xiàn)“南部、北部低，中部高”的變化特征，這與圖1所展示的土壤水分分布規(guī)律大體一致。因此可以得出，山西省近16 a的土壤水分空間分布具有一定的穩(wěn)定性。

圖2 4個(gè)特定時(shí)間的年均土壤水分空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual soil moisture at four specific times

2.2 土壤水分的時(shí)間變化

2.2.1 年際變化

從圖3 中可以看出，2000-2015 年土壤水分的年際變化表現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢，土壤水分最低值出現(xiàn)在2002 年，其值為0.192 m3/m3，最大值0.220 m3/m3出現(xiàn)在2003 年。山西省近16 a的年均土壤水分為0.204 m3/m3，整體呈上升的趨勢，但并不是很顯著，傾向率為0.000 6 a-1。

圖3 山西省2000-2015年土壤水分的年際變化Fig.3 Interannual variation of soil moisture in Shanxi Province from 2000-2015

對(duì)山西省2000-2015 年年均土壤水分進(jìn)行M-K 趨勢檢驗(yàn)，并繪制M-K 趨勢檢驗(yàn)的UF和UB曲線（見圖4）。本文給定顯著性水平a=0.05，臨界值u0.05=±1.96，將UF和UB2 個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線、±1.96 這2 條直線和0 值直線均繪在同一圖上。若圖中UF線在臨界線之間波動(dòng)時(shí)，表明該序列變化趨勢不顯著；當(dāng)UF的值大于零，表明該序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢；當(dāng)其超過臨界線時(shí)表明上升或下降趨勢顯著；若UF和UB這2 條曲線在臨界線之間存在一個(gè)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為突變開始的時(shí)間。

圖4 山西省2000-2015年年均土壤水分M-K統(tǒng)計(jì)量Fig.4 Annual average soil moisture M-K statistics in Shanxi Province from 2000-2015

從圖4可以看出，在這16 a里，山西省的土壤水分大部分是處于上升趨勢，但不顯著，僅在2000-2003年間呈不顯著下降趨勢。UF和UB曲線在2003、2005-2006、2009 這3 處有交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的UF值大于0 且小于1.96，說明了這3 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是年均土壤水分不顯著上升的突變點(diǎn)。

結(jié)合圖3 和圖4 可以得出，山西省這16 a 來土壤水分整體上呈不顯著上升趨勢。

通過計(jì)算土壤水分的線性趨勢系數(shù)，得到了山西省2000-2015年土壤水分的變化趨勢分布，如圖5所示。從圖5中可以看出，近16 a 來，山西省上北部、中東部和南部小部分地區(qū)呈明顯的濕潤趨勢，包括大同市北部、朔州市北部、忻州市中部和東部、太原市、陽泉市、晉中市、呂梁市東部、長治市西部、臨汾市中部、晉城市西部和運(yùn)城市東部；山西省西部、下北部和東南部地區(qū)呈干旱趨勢，尤其是在運(yùn)城市與臨汾市交界處和長治市東部。

圖5 山西省2000-2015年土壤水分年均值線性趨勢分布Fig.5 Linear trend distribution of annual mean soil moisture values in Shanxi Province from 2000-2015

2.2.2 季節(jié)變化

山西省多年月均土壤水分隨時(shí)間的變化曲線如圖6 所示。可以看出，從1月份開始，土壤水分從最低值0.175 m3/m3開始緩慢增加，直至4 月；4-5 月，土壤水分小幅度減少，這是因?yàn)榈乇碇脖恍杷吭黾右约扒捌趦?chǔ)水量相對(duì)較低造成的；5-9月，土壤水分進(jìn)入持續(xù)增加狀態(tài)，并在9 月份達(dá)到最大值0.249 m3/m3；9-12 月，土壤水分不斷減少。多年月均土壤水分隨時(shí)間的變化整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

圖6 山西省2000-2015年月均土壤水分隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curve of monthly average soil moisture with time in Shanxi Province from 2000-2015

2.3 土壤水分的影響因子分析

2.3.1 土壤水分與NDVI關(guān)系

現(xiàn)有研究表明[26]，植被覆蓋情況是影響土壤水分時(shí)空變化的因素之一。地表植被不僅能直接影響土壤的水文過程，還能通過植物根系吸水和凈降雨量等間接影響土壤水分的變化。土壤水分和NDVI的季節(jié)變化圖如圖7（a）所示，可以看出，土壤水分與NDVI整體上變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢；土壤水分的變化時(shí)間大體上滯后于NDVI1 個(gè)月左右。在年際變化上[見圖7（b）]，NDVI和土壤水分均表現(xiàn)出上下波動(dòng)的變化趨勢且具有一定的關(guān)聯(lián)性，但并不是很直觀明了，因此需進(jìn)一步對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行分析。

圖7 山西省2000-2015年土壤水分和NDVI的季節(jié)變化、年際變化Fig.7 Seasonal and interannual variation of soil moisture and NDVI in Shanxi Province from 2000-2015

對(duì)土壤水分和NDVI的年際相關(guān)性分析結(jié)果如表1 所示，2000-2015 年土壤水分和NDVI均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。其中，相關(guān)系數(shù)最大的年份是2013 年，達(dá)到了0.912（p＜0.01）；2012、2000、2002 和2010 年次之，但也具有極好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.8（p＜0.01）；2003-2006年之間相關(guān)性較低，其中最低值發(fā)生在2003年，為0.069。

表1 土壤水分和NDVI的相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis of soil moisture and NDVI

2.3.2 土壤水分與降水關(guān)系

圖8 給出了山西省2000-2015 年土壤水分和降水量的季節(jié)變化和年際變化關(guān)系。從圖8（a）可以看出，土壤水分和降水量的季節(jié)變化趨勢大體一致，且同NDVI一樣，都表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；土壤水分的變化時(shí)間大體上滯后于降水1個(gè)月左右。從圖8（b）可以看出，年均土壤水分和年降雨量的變化趨勢大致相同，降水量大的年份對(duì)應(yīng)的年均土壤水分相對(duì)較高，降水量小的年份對(duì)應(yīng)的年均土壤水分則相對(duì)較低。

圖8 山西省2000-2015年土壤水分和降水量的季節(jié)變化和年際變化Fig.8 Seasonal and interannual variation of soil moisture and precipitation in Shanxi Province from 2000-2015

對(duì)土壤水分和降水量的年際相關(guān)性分析結(jié)果如表2 所示，2000-2015 年土壤水分和降水量總體上呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。其中，相關(guān)系數(shù)最大的年份是2000 年，達(dá)到了0.884（p＜0.01）；2002、2009、2010、2012 以及2013 年的土壤水分與降水量也達(dá)到了極顯著相關(guān)；僅在2006 年呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但其相關(guān)性為-0.02；其他年份土壤水分和降水量也具有較好的相關(guān)性。

表2 土壤水分和降水量的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of soil moisture and precipitation

2.3.3 土壤水分與氣溫關(guān)系

圖9 為土壤水分和氣溫的季節(jié)變化和年際變化關(guān)系圖。從圖9（a）可以看出，土壤水分和氣溫的季節(jié)變化趨勢也大致相同，均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。其中，一年中氣溫最高值出現(xiàn)在7 月份，土壤水分最大值出現(xiàn)在9月，結(jié)合圖中2 條曲線變化趨勢說明了土壤水分的變化時(shí)間大體上滯后于氣溫1～2 個(gè)月左右。從圖9（b）可以看出，土壤水分和氣溫這2 條曲線雖都呈現(xiàn)上下波動(dòng)的變化趨勢，但是也是具有一定關(guān)聯(lián)性，因此可對(duì)兩者相關(guān)性進(jìn)一步分析。

圖9 山西省2000-2015年土壤水分和氣溫的季節(jié)變化和年際變化Fig.9 Seasonal and interannual variation of soil moisture and air temperature in Shanxi Province from 2000-2015

土壤水分和氣溫的年際相關(guān)性分析結(jié)果如表3 所示，2000-2015 年土壤水分和氣溫大致呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。這16 a來，相關(guān)系數(shù)最大的年份是2012 年，達(dá)到了0.781（p＜0.01），2013年次之，其相關(guān)系數(shù)為0.757；2003、2004和2006年為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但其相關(guān)性不高，均小于0.2。

表3 土壤水分和氣溫的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of soil moisture and air temperature

2.3.4 土壤水分與風(fēng)速關(guān)系

風(fēng)速主要是通過影響土壤的蒸發(fā)量和植被的蒸騰量進(jìn)而影響土壤水分的變化。圖10 為土壤水分和風(fēng)速的季節(jié)變化和年際變化關(guān)系圖。從圖10（a）可以看出，這2 條曲線呈“雙峰型”變化趨勢。1-4 月，土壤水分隨著風(fēng)速的增大而增大，這是因?yàn)樵谠摱螘r(shí)間內(nèi)土壤大部分時(shí)間處于封凍期，土壤水分受風(fēng)速的影響較低，主要是受降水、NDVI 等其他因素影響；5-12 月土壤水分隨風(fēng)速的增大（減小）而減?。ㄔ龃螅?，兩者變化趨勢正好相反。從圖10（b）可以明顯看出土壤水分和風(fēng)速這2條曲線大體上呈相反的變化趨勢。

圖10 山西省2000-2015年土壤水分和風(fēng)速的季節(jié)變化和年際變化Fig.10 Seasonal and interannual variation of soil moisture and wind speed in Shanxi Province from 2000-2015

對(duì)土壤水分和風(fēng)速的年際相關(guān)性分析結(jié)果如表4 所示，2000-2015 年土壤水分和風(fēng)速均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。這16 a 來，相關(guān)系數(shù)最大的年份是2006 年，達(dá)到了-0.822（p＜0.01），2009、2004 以及2007 年次之，但也具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.7（p＜0.01）；其他年份土壤水分和風(fēng)速也具有一定的相關(guān)性。

表4 土壤水分和風(fēng)速的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of soil moisture and wind speed

2.4 主要影響因子分析

綜上所述，本文主要考慮降水量、氣溫、風(fēng)速以及NDVI這4 個(gè)環(huán)境因子，在SPSS 軟件上運(yùn)用主成分分析法來確定影響山西省土壤水分時(shí)空變化的主控因子。首先對(duì)這4個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行KMO 檢測，結(jié)果這4 個(gè)環(huán)境因子的KMO 均值為0.606＞0.500，且顯著性遠(yuǎn)小于0.05，說明可以運(yùn)用主成分分析法。主成分分析結(jié)果如表5 所示，主成分1 的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了68.762%，即這1 個(gè)主成分代表了這4 個(gè)環(huán)境因子的68.762%，因此，可將影響山西省土壤水分時(shí)空變化的環(huán)境因子歸為1個(gè)主要成分來進(jìn)行下一步分析。

表5 主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率Tab.5 Contribution of principal components and cumulative variance

該主成分與變量間的相關(guān)性如表6所示，載荷量表示主成分與各變量間的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，主成分1與NDVI、降水以及氣溫的相關(guān)性高，分別為0.969、0.931、0.905，與風(fēng)速的相關(guān)性較低，為-0.354。因此，結(jié)合主成分1的貢獻(xiàn)率和各變量在主成分中所占的比例，可以確定這4個(gè)環(huán)境因子對(duì)山西省土壤水分的影響程度大小依次為：NDVI＞降水＞氣溫＞風(fēng)速。結(jié)果表明影響山西省土壤水分變化的主控因子是NDVI。

表6 初始因子載荷矩陣Tab.6 Initial factor load matrix

3 討 論

本研究利用ESA CCI土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、氣候（降水、氣溫以及風(fēng)速）和NDVI等數(shù)據(jù)，對(duì)山西省近16 a 來土壤水分的時(shí)空演變規(guī)律及其與各環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，并通過主成分分析進(jìn)一步得出影響土壤水分時(shí)空變化的主要因子。研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤水分的空間分布特征具有一定的穩(wěn)定性，整體上呈“南部、北部低，中部高”的分布特征，這與王慧等[27]和郝振純等[28]的研究結(jié)果相似。采用相關(guān)性分析法得知土壤水分與NDVI、降水量、氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，結(jié)合主成分分析法最終確定影響山西省土壤水分變化的主要因子是NDVI和降水量，其次是氣溫以及風(fēng)速，這與郝振純等通過現(xiàn)場觀測資料研究得到降水是影響山西省土壤水分時(shí)空變化的主導(dǎo)因素，其次是氣溫的結(jié)論大體一致，但不同的是郝振純等人并未考慮植被因素的影響。

本研究可為山西省土壤水分干旱評(píng)估和制定節(jié)水灌溉制度等提供數(shù)據(jù)支撐，從而推動(dòng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)建設(shè)，也可對(duì)今后大區(qū)域尺度的土壤水領(lǐng)域的研究提供一定的指導(dǎo)作用。但本文也存在一些缺陷，如在土壤水分變化中并未考慮到地形因素和人類活動(dòng)的影響，在后續(xù)研究中應(yīng)對(duì)這些分析進(jìn)行補(bǔ)充完善。

4 結(jié) 論

（1）空間分布上，山西省土壤水分年均值為0.170～0.263 m3/m3。土壤水分總體分布呈現(xiàn)“南部、北部低，中部高”的變化特征，且空間分布具有一定的穩(wěn)定性。其中，運(yùn)城市和大同市的土壤水分相對(duì)較低，太原市西部、忻州市南部以及晉中市的東部地區(qū)土壤水分相對(duì)較高。

（2）時(shí)間變化上，2000-2015年山西省土壤水分變化整體呈不顯著上升趨勢，其傾向率為0.000 6 a-1，其中2003、2005-2006、2009年是土壤水分不顯著上升的突變點(diǎn)。在過去的16 a 間，山西省上北部、中東部和南部小部分地區(qū)呈明顯的濕潤趨勢，山西省西部、下北部和東南部地區(qū)呈干旱趨勢，尤其是在運(yùn)城市與臨汾市交界處和長治市東部。

（3）運(yùn)用相關(guān)性分析法和主成分分析法，分析了山西省土壤水分與NDVI、降水量、氣溫以及風(fēng)速之間的相關(guān)性，結(jié)果表明：①土壤水分與NDVI、降水量、氣溫具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。②降水量、氣溫以及NDVI對(duì)土壤水分的影響均具有一定的滯后性，滯后時(shí)間大致為1～2個(gè)月。③結(jié)合主成分分析和相關(guān)性對(duì)比，最終確定了影響土壤水分時(shí)空變化的主要因子是NDVI和降水量。