何興潼, 袁淑杰, 谷曉平, 潘 媞, 于 飛

(1.成都信息工程大學 大氣科學學院, 四川 成都 610225; 2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所, 貴州 貴陽 550002; 3.四川省氣象局氣象服務中心, 四川 成都 610072)

土壤水分作為地表水文過程一個綜合指標，不僅是植被生長發(fā)育必要的環(huán)境因素，在水文循環(huán)中還起著重要作用[1]，通過與植被、大氣之間的傳輸改變能量收支平衡，影響氣候和生態(tài)系統(tǒng)分布[2-3]。影響土壤水分變化的因子很多，除土壤自身物理屬性外[4]，還有環(huán)境、氣象等要素[5-6]，但對某一特定地區(qū)而言，氣象要素的影響起到主導作用[7]，以貴州為中心的中國西南喀斯特區(qū)域，是生態(tài)脆弱的獨特環(huán)境單元，土壤水分是喀斯特生態(tài)環(huán)境的主要制約因子[8]，因此系統(tǒng)分析氣象環(huán)境要素對貴州喀斯特地區(qū)土壤水分變化的影響，它的研究對于貴州喀斯特區(qū)域土壤水分的預報、生態(tài)恢復、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化布局的指導具有重要作用和實際意義[9]。許多國內(nèi)外學者很早以前就開始了對土壤水分的研究，探究了土壤水分和各種氣象要素的聯(lián)系，Philip[10]提出了完整的土壤—植物—大氣連續(xù)體概念；Nielson[11]把地統(tǒng)計學引入土壤學，土壤水分的研究取得了很大進展；Cho等[12]發(fā)現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)土壤水分與降水呈正相關，與氣溫呈負相關。馬柱國等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)溫度升高和降水減少會對土壤水分的降低產(chǎn)生明顯效果；左志燕等[15]利用1982—2001年觀測及再分析資料揭示了春季長江中下游到華北土壤水分與中國夏季東北和長江流域降水呈正相關；趙榮瑋等[16]研究發(fā)現(xiàn)土壤水分對降水的響應深度與降水量呈正比；韓湘云等[17]研究發(fā)現(xiàn)氣溫、降水、相對濕度、水汽壓是土壤水分季節(jié)變化的主控因子；李輯等[18]研究了遼西干旱春播區(qū)土壤相對濕度、氣象因子相關關系，建立了相應土壤相對濕度動態(tài)預測模型。盡管土壤水分與氣象要素之間的關系方面的研究很多，但大多集中在東部、西北等地區(qū)，針對喀斯特區(qū)域的土壤水分相關研究相對較少，由于受觀測條件的制約，大多采用年、月、旬土壤水分資料、分析同一時間氣象要素與土壤水分之間的關系。近年來，隨著觀測手段不斷進步，逐日土壤水分自動觀測網(wǎng)點的初步形成，使得研究逐日氣象要素對土壤水分的影響成為可能，由于氣象要素對土壤水分的影響有一定的滯后性，某日土壤水分不僅與當日氣象要素有關，可能與前幾或幾十日氣象要素相關。因此，本研究應用2011—2015年貴州省喀斯特區(qū)域不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)10個自動土壤水分觀測站逐日土壤水分及地面氣象觀測資料，針對逐日土壤水分持續(xù)上升情況下，分區(qū)研究逐日氣象要素對土壤水分的影響，并應用多元線性回歸方法建立逐日土壤水分與各氣象要素之間的關系，得到不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)逐日土壤水分持續(xù)上升時期土壤水分與各氣象要素關系模型。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(25°—29°N，104°—109°E)地處云貴高原東部梯級大斜坡地帶，屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，年均溫14～16 ℃，年均降水量1 100～1 400 mm，海拔高度平均在1 100 m，地勢由西向東降低，南北兩邊急劇降入廣西、四川盆地，地貌以高原山地、丘陵和盆地為主，其中92.5%的面積為高原山地和丘陵，格局復雜，海拔梯度大；該區(qū)域植被以亞熱帶分布為主，土層淺薄，蓄水能力有限且保水能力差，土壤水分變化受氣象要素的制約與影響較大，喀斯特地貌占貴州省總面積的61.9%，屬于典型喀斯特區(qū)域。本研究根據(jù)前人的研究結果[19]，將研究區(qū)域分為5個區(qū)，分別為：Ⅰ：溫熱農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(以羅甸縣為代表)；Ⅱ：溫暖農(nóng)業(yè)氣候區(qū)﹝Ⅱa：伏旱區(qū)(以榕江縣為代表)，Ⅱb：濕潤區(qū)(以銅仁、思南縣為代表)﹞；Ⅲ：溫和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)﹝Ⅲa：伏旱區(qū)(以遵義市為代表)，Ⅲb：濕潤區(qū)(以獨山縣為代表)，Ⅲc：春干區(qū)(以安順、興仁縣為代表)﹞；Ⅳ：溫涼農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(以畢節(jié)市為代表)；Ⅴ：高寒農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(以威寧縣為代表)。

1.2 資料來源

本研究所用資料均來源于貴州省氣象局，主要包括：2011—2015年10個自動土壤水分觀測站逐日土壤水分、降水、氣溫、地表溫度、相對濕度、風速和日照時數(shù)資料。土壤水分指土壤相對含水量，即

本文所提到的土壤水分是指10 cm土壤相對含水量。

1.3 研究方法

研究方法主要包括：滑動平均法，太陽輻射模型計算方法，回歸分析法。

(1) 滑動平均法[20]。對樣本量為n的序列x，其滑動平均序列表示為：

(1)

式中：k——滑動長度；x——氣象要素序列；y——相應氣象要素序列的滑動平均值，本文研究相關性是指氣象要素滑動值與土壤水分的相關性。

(2) 太陽總輻射模型計算。前人研究[21]表明太陽總輻射可以表示為：

Q=Q0×(a+b·s)

(2)

式中：Q——地表所受總輻射(kW·h/m2);Q0——地外太陽輻射;a，b——經(jīng)驗系數(shù)，為常數(shù)項;s——日照百分率，本文中輻射均指太陽總輻射。

(3) 回歸分析法。建立土壤水分與氣象要素多元回歸方程，分析擬合結果。

2 結果分析

利用貴州喀斯特不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)2011—2015年逐日土壤水分、降水量、氣溫、地表溫度、空氣相對濕度、輻射、風速資料，針對各區(qū)逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)上升階段和氣溫持續(xù)下降兩種情況，分別計算不同滑動日數(shù)降水量滑動累計值及其他要素滑動平均值與土壤水分的相關系數(shù)。

2.1 逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)上升時期

2.1.1 溫暖伏旱區(qū)(榕江縣為代表) 表1為溫暖伏旱區(qū)(榕江)土壤水分與各氣象要素不同滑動日數(shù)相關系數(shù)。由表1可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)總體為0.60～0.98，且通過了0.01的顯著性檢驗；少數(shù)相關系數(shù)<0.35，且沒有通過0.05的顯著性檢驗。 ②15 d滑動累計降水與土壤水分相關系數(shù)最大，相關性最好，累計降水對土壤水分的最佳滯后時間定為15 d；同理，氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速滑動平均日數(shù)分別選取為30，30，30，25，15 d； ③累計降水、氣溫和地表溫度與土壤水分的相關性最好，這3個因子對土壤水分的影響較大，相關系數(shù)在0.88～0.98，對土壤水分的變化起主導作用；相對濕度、輻射和風速與土壤水分相關性相對較弱，對土壤水分變化起次要作用。

表1 溫暖伏旱區(qū)(榕江)土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)

注：**，*分別表示顯著性水平為0.01和0.05。下同。

2.1.2 溫暖濕潤區(qū)(銅仁縣為代表) 表2為溫暖濕潤區(qū)(銅仁)土壤水分與各氣象要素不同滑動日數(shù)相關系數(shù)。

由表2可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)為0.48～0.85，且通過了0.01的顯著性檢驗；少數(shù)相關系數(shù)<0.30，且沒有通過0.05的顯著性檢驗。 ②20 d滑動累計降水與土壤水分相關系數(shù)最大，相關性最好，累計降水對土壤水分的最佳滯后時間定為20日；同理，氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速滑動平均日數(shù)分別選取為30，30，25，15，20 d； ③累計降水、氣溫、地表溫度和輻射與土壤水分的相關性最好，相關系數(shù)在0.76～0.85，對土壤水分的變化起主導作用；相對濕度和風速與土壤水分相關系數(shù)較小，對土壤水分變化起次要作用。

表2 溫暖濕潤區(qū)(銅仁縣)土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)

2.1.3 溫和伏旱區(qū)(遵義為代表) 表3為溫和伏旱區(qū)(遵義)土壤水分與各氣象要素不同滑動日數(shù)相關系數(shù)。

由表3可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)總體為0.44～0.88，且通過了0.01的顯著性檢驗；少數(shù)相關系數(shù)<0.30，且沒有通過0.05的顯著性檢驗。②25 d滑動累計降水與土壤水分相關系數(shù)最大，相關性最好，累計降水對土壤水分的最佳滯后時間定為25 d；同理，氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速滑動平均日數(shù)分別選取為15，10，25，10，5 d； ③累計降水、氣溫、地表溫度、相對濕度和輻射與土壤水分的相關性最好，相關系數(shù)在0.67～0.88，對土壤水分的變化起主導作用；風速與土壤水分相關系數(shù)較小，對土壤水分變化起次要作用。

表3 溫和伏旱區(qū)(遵義市)土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)

2.1.4 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū) 同2.1.1方法對其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)進行分析處理，由于篇幅所限，表4—5分別為溫和春干區(qū)、溫涼區(qū)和高寒區(qū)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)各氣象要素最佳滯后日數(shù)、相關系數(shù)。

在所研究農(nóng)業(yè)氣候區(qū)中，累計降水、氣溫、地表溫度與土壤水分相關性最好均為正相關，相關系數(shù)為0.76～0.93且通過了0.01的顯著性檢驗，其最佳滯后日數(shù)為20～30 d；輻射、相對濕度、風速與土壤水分相關性普遍較弱，相關系數(shù)為0.55～0.71，相應最佳滯后日數(shù)為15～30 d。

表4 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分相關系數(shù)

表5 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分的最佳滯后日數(shù)

2.2 逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)下降階段

2.2.1 溫暖伏旱區(qū)(榕江縣為代表) 表6為溫暖伏旱區(qū)(榕江縣)土壤水分與各氣象要素不同滑動日數(shù)相關系數(shù)。由表6可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)總體為0.65～0.95，且通過了0.01的顯著性檢驗。 ②25 d滑動累計降水與土壤水分相關系數(shù)最大，相關性最好，累計降水對土壤水分的最佳滯后時間定為25 d；同理，氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速滑動平均日數(shù)分別選取為15，20，20，15，15 d； ③累計降水、氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速與土壤水分的相關性均很好，所選6個因子對土壤水分變化明顯相關。

表6 溫暖伏旱區(qū)(榕江)土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)

2.2.2 溫暖濕潤區(qū)(銅仁縣為代表) 表7為溫暖濕潤區(qū)(銅仁縣)土壤水分與各氣象要素不同滑動日數(shù)相關系數(shù)。由表7可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)總體為0.42～0.89，且通過了0.01的顯著性檢驗；少數(shù)相關系數(shù)<0.30，且沒有通過0.05的顯著性檢驗。 ②25 d滑動累計降水與土壤水分相關系數(shù)最大，相關性最好，累計降水對土壤水分的最佳滯后時間定為25 d；同理，氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速滑動平均日數(shù)分別選取為20，25，20，25，15 d； ③累計降水、氣溫、地表溫度和相對濕度與土壤水分的相關性最好，相關系數(shù)在0.72～0.89，對土壤水分的變化起主導作用；輻射和風速與土壤水分相關性較差，對土壤水分變化起次要作用。

2.2.3 溫和伏旱區(qū)(遵義市為代表) 表8為溫和伏旱區(qū)(遵義市)土壤水分與各氣象要素不同滑動日數(shù)相關系數(shù)。由表8可知： ①土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)總體為0.86～0.92，均通過了0.01的顯著性檢驗。 ②20 d滑動累計降水與土壤水分相關系數(shù)最大，相關性最好，累計降水對土壤水分的最佳滯后時間定為20 d；同理，氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速滑動平均日數(shù)分別選取為15，25，20，15，25 d； ③累計降水、氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速與土壤水分的相關性均很好，所選6個因子對土壤水分變化起明顯相關。

2.2.4 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū) 同2.1.4方法對其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)進行分析處理，由于篇幅所限，不具體列出，表9—10分別為溫熱區(qū)、溫暖濕潤區(qū)、溫和春干區(qū)和溫涼區(qū)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)各氣象要素相關系數(shù)、最佳滯后日數(shù)。上述研究區(qū)中，累計降水和相對濕度為正相關，氣溫、地變溫度、輻射和風速為負相關；累計降水、氣溫、地表溫度、相對濕度和輻射與土壤水分相關性最好，相關系數(shù)為0.66～0.97均通過了0.01的顯著性檢驗，相應最佳滯后日數(shù)分別為20～25 d,15～25 d,15～25 d,10～20 d和10～25 d；風速與土壤水分相關性最弱，相關系數(shù)為0.32～0.55，相應最佳滯后日數(shù)為15～20 d。

表7 溫暖濕潤區(qū)(銅仁縣)土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)

表8 溫和伏旱區(qū)(遵義市)土壤水分與各氣象要素的相關系數(shù)

表9 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分相關系數(shù)

表10 其余農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同氣象要素與土壤水分的最佳滯后日數(shù)

2.3 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)降水量及氣溫及平均氣溫對土壤水分的影響

表11—12為不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)所選研究時段氣溫上升及下降時段累計降水對土壤水分變化的滑動日數(shù)。在無灌溉條件下，一個地區(qū)的土壤特性基本不變，降水是土壤水分變化的根本因子，故降水量達到一定數(shù)值后，降水對土壤水分變化起主要作用，其余氣象要素的變化不能改變土壤水分的上升趨勢；可以看出，逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫持續(xù)上升時段，不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)累計降水大于22.4～135 mm，逐日氣溫持續(xù)下降時段，累計降水數(shù)值小于上升階段，為11.2～54.7 mm。

表11 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)氣溫上升時累計降水

2.4 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)氣象要素對土壤水分影響

由上述分析，分別建立各區(qū)逐日土壤水分持續(xù)上升且氣溫上升時段及下降時段最佳滯后時間的氣象因子與土壤水分多元線性回歸方程如表13—14所示。表13—14可以看出，在氣溫持續(xù)上升或下降時期，各區(qū)誤差率總體<5%(除溫暖伏旱區(qū)、高寒區(qū)誤差率>5%)；氣溫持續(xù)上升時期溫暖伏旱區(qū)、溫暖濕潤區(qū)、溫和伏旱區(qū)的誤差率略好于氣溫持續(xù)下降時期，溫和春干區(qū)、溫涼區(qū)和高寒區(qū)相反。能夠較準確的模擬各氣象要素對土壤水分的影響，即為逐日土壤水分持續(xù)上升時氣溫上升時段和下降時段的相應規(guī)律。

表12 不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)氣溫下降時累計降水

表13 土壤水分的多元線性回歸方程(氣溫上升)

注：W，P，T，S，E，R和F分別為土壤濕度、累計降水、氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射和風速，Xn,下角標n表示該變量最佳滯后日數(shù)。下同。

表14 土壤水分的多元線性回歸方程(氣溫下降)

3 結 論

(1) 農(nóng)業(yè)氣候區(qū)不同、氣象要素不同、逐日土壤濕度持續(xù)上升時段，氣象要素對土壤濕度影響的滯后時間不同。

(2) 在土壤水分上升、氣溫持續(xù)上升情況下，降水、氣溫、地表溫度是影響土壤水分變化的主要因子，相關系數(shù)>0.75，溫和伏旱、溫涼、高寒區(qū)降水及氣溫、地表溫度的滯后日數(shù)分別為25～30，10～15 d，溫暖伏旱、溫暖濕潤、溫和春干區(qū)分別為10～20，20～30 d。

(3) 在土壤水分上升、氣溫持續(xù)下降情況下，降水、氣溫、地表溫度、相對濕度、輻射是影響土壤水分變化的主要因子，相關系數(shù)>0.71，其中各區(qū)降水、相對濕度、輻射的滯后日數(shù)相近，分別為20～25，20～25，10～15 d，溫暖伏旱、溫暖濕潤、溫和伏旱區(qū)氣溫、地表溫度的滯后日數(shù)較長為15～25 d，溫和春干、溫涼、高寒區(qū)較短為10～15 d。

(4) 通過對各區(qū)氣溫持續(xù)上升或下降階段累計降水量和平均氣溫分析得，累計降水滯后日數(shù)與選取時段累計降水量、平均氣溫有關，即累計降水量越大、平均氣溫越低，則累計降水的滯后時間越長；氣溫、地表溫度滯后時間與累計降水量、平均氣溫負相關，即累計降水量越大、平均氣溫越低，則累計降水的滯后時間越短。

(5) 基于各區(qū)氣象要素分別建立的回歸方程模型，除溫暖伏旱區(qū)、高寒區(qū)誤差率為5.39%～8.91%，其余各區(qū)誤差率均在3.50%以下，氣溫上升階段總體誤差率優(yōu)于氣溫下降階段，可反映所研究農(nóng)業(yè)氣候區(qū)近年土壤水分變化受氣象要素的變化特征。本研究只考慮了氣象要素對10 cm層土壤水分的影響，而10 cm以下更深土壤濕度與氣象要素的相關情況有待進一步研究和探討。

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