袁淑杰,何興潼,何 源,谷曉平,潘 媞,于 飛
(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,成都 610225;2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,貴陽(yáng) 550002;3.四川省氣象局氣象服務(wù)中心,成都 610072)
土壤濕度作為地表水文過(guò)程的一個(gè)綜合指標(biāo),積累了地表水文過(guò)程的大量信息,也是表征陸面狀況的一個(gè)重要物理量,調(diào)控著陸面水和能量的收支平衡過(guò)程,對(duì)全球氣候變化及水循環(huán)起著重要作用[1-3]。近年來(lái),在全球變暖的背景下,水資源缺失[4]導(dǎo)致的干旱頻發(fā)及區(qū)域氣候異常愈發(fā)嚴(yán)重,直接威脅到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生存環(huán)境,以中國(guó)貴州為代表的喀斯特地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,土壤-植物-大氣系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律也表現(xiàn)出獨(dú)特性[5],土壤濕度成為喀斯特生態(tài)環(huán)境的主要制約因子[6],因此,針對(duì)喀斯特區(qū)域土壤濕度時(shí)空變化特征的研究對(duì)于喀斯特區(qū)域生態(tài)恢復(fù)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化布局及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有指導(dǎo)作用[7]。
目前中國(guó)土壤濕度時(shí)空分布特征的研究主要集中在:基于觀測(cè)資料的某一地區(qū)土壤濕度時(shí)空分布、土壤濕度與氣象要素的相關(guān)性研究;基于再分析資料、衛(wèi)星資料等配合模式的土壤濕度的模擬及時(shí)空分布特征。研究區(qū)域多集中在東北、華東地區(qū),全國(guó)性的研究較少,針對(duì)喀斯特區(qū)域的研究更少,站點(diǎn)的空間分布較為稀疏[8-12]。馬柱國(guó)等[13]應(yīng)用前人的分析資料和分析結(jié)論,總結(jié)了土壤濕度與降水量有明顯的正相關(guān)關(guān)系。Alan Robock等[14]利用各國(guó)土壤濕度實(shí)測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn),與溫度升高的夏季干燥預(yù)測(cè)相反,對(duì)于長(zhǎng)記錄的臺(tái)站,前1m的夏季土壤水分隨溫度升高而增加,降水增加的趨勢(shì)超過(guò)了增加蒸發(fā)的補(bǔ)償。陳少勇等[15]利用黃土高原59個(gè)氣象站 1961-2002 年月降水量和 29 個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站從建站到2002年逐年4-10月旬土壤濕度資料發(fā)現(xiàn),土壤濕度處于動(dòng)態(tài)變化,一般從7月份開(kāi)始土壤濕度增加,但隨地區(qū)不同幅度有差異。王磊等[16]利用1981-1994年新疆土壤濕度資料研究發(fā)現(xiàn)土壤濕度和氣候因子之間存在相互響應(yīng),土壤濕度與氣溫普遍存在負(fù)相關(guān),與降水之間總體響應(yīng)不明顯。王修信等[17]發(fā)現(xiàn)到深度20 cm時(shí),地面氣象因素對(duì)土壤濕度影響微弱,在深度40 cm時(shí),兩者幾乎無(wú)關(guān)。劉博等[18]研究貴州一次降雨過(guò)程發(fā)現(xiàn),降雨使10、20 cm深度土壤濕度顯著增加,隨深度增加,土壤濕度減小,0~30 cm土層的作物根系分布密集,使土壤保水能力較強(qiáng)。
上述研究所用資料時(shí)間尺度大多為旬、月、年,而利用逐日實(shí)時(shí)觀測(cè)資料較少,且站點(diǎn)分布較為稀疏。近幾年來(lái),隨著土壤濕度自動(dòng)觀測(cè)站與觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立,利用逐日實(shí)測(cè)資料為分析研究該區(qū)域土壤濕度時(shí)空分布特征提供了有力的支撐,故本文利用貴州喀斯特區(qū)域53個(gè)土壤濕度自動(dòng)觀測(cè)站2011-2015年10~100 cm逐日實(shí)測(cè)資料,應(yīng)用EOF分析法,探尋貴州喀斯特區(qū)域土壤濕度的時(shí)空分布,并分析可能蒸散、降水量與土壤濕度關(guān)系。
本研究所用資料均來(lái)自于貴州省氣象局,主要包括:2011-2015年53個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站(圖1)的逐日平均土壤濕度、降水、平均氣溫、平均地表溫度、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)資料。
圖1 貴州喀斯特區(qū)域站點(diǎn)分布Fig.1 Meteorological station distribution map of Krast in Guizhou
本研究中土壤濕度均指土壤相對(duì)濕度,即:
(1)
10 cm土壤濕度為0~10 cm土層的土壤濕度值,20~100 cm以此類推。
此外,本文根據(jù)《GBT 20481~2006 氣象干旱等級(jí)》[19],通過(guò)土壤相對(duì)濕度(R)對(duì)干旱進(jìn)行等級(jí)分類(如表1所示)以及選用Penman-Monteith公式計(jì)算可能蒸散,該方法根據(jù)水汽擴(kuò)散理論和能量平衡,綜合考慮了溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、輻射、日照等因子的影響。
表1 土壤相對(duì)濕度干旱指數(shù)的干旱等級(jí)劃分Tab.1 Drought classification of soil relative humidity drought index
利用貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年53個(gè)土壤濕度自動(dòng)觀測(cè)站10~100 cm逐日土壤濕度觀測(cè)資料,計(jì)算5年平均逐旬0~100 cm土壤濕度,應(yīng)用Arcgis克里金插值法,得到逐旬土壤濕度空間分布圖。圖2為貴州喀斯特區(qū)域10 cm土壤濕度1、3、5、7、9、11月中旬土壤濕度空間分布,表2為10 cm土壤濕度統(tǒng)計(jì)特征。20~100 cm土壤濕度空間分布圖與相關(guān)統(tǒng)計(jì)特征表略??梢钥闯觯?/p>
圖2 10 cm土壤濕度空間分布(2011-2015)Fig.2 Spatial distribution of soil moisture in 10 cm (2011-2015)
(1)10~20 cm土壤濕度空間分布較為一致,同一時(shí)間,畢節(jié)、六盤(pán)水、銅仁等地土壤濕度相對(duì)較高,威寧、沿河、印江、思南、冊(cè)亨土壤濕度相對(duì)較低。
(2)10 cm土壤濕度7中旬為42%~82%,9月中旬35%~84%,有些地區(qū)有輕、中、重旱發(fā)生;3、5月中旬為60%~79%,土壤較濕潤(rùn);11、1月中旬土壤濕度為70%~89%,土壤濕潤(rùn)。
表2 10 cm土壤濕度統(tǒng)計(jì)特征Tab.2 Statistical characteristics of soil moisture in 10 cm
20 cm土壤濕度7、9月中旬為50%~79%,較10 cm稍高;3、5月中旬介于60%~79%,11、1月中旬為70%~89%,與10 cm相當(dāng)。
(3)30~50 cm土壤濕度空間分布較為一致,與10、20 cm土壤濕度空間分布不同。同一時(shí)間,遵義、都勻、銅仁、安順、興義、六盤(pán)水、冊(cè)亨地區(qū)土壤濕度相對(duì)較高,威寧、沿河、正安、天柱、甕安、福泉土壤濕度相對(duì)較低。
(4)30~50 cm土壤濕度7、9月中旬為土壤濕度70%~79%,土壤較濕潤(rùn);1、3、5月中旬土壤濕度介于70%~89%,土壤濕潤(rùn);11月中旬土壤濕度介于80%~100%,土壤濕潤(rùn),均比10、20 cm土壤濕度高。
(5)60~100 cm土壤濕度空間分布較為一致,同一時(shí)間,安順、都勻、六盤(pán)水、銅仁、凱里、仁懷、遵義地區(qū)土壤濕度相對(duì)較高,威寧、沿河、正安、榕江、從江、羅甸、務(wù)川、鳳岡土壤濕度相對(duì)較低。
(6)60~100 cm土壤濕度相差不大,1、3、5、7、9、11月中旬土壤濕度均為70%~89%,土壤濕潤(rùn),與30~50 cm土壤濕度相近。
(7)總體來(lái)講,同一時(shí)間,威寧、沿河、正安、印江、思南地區(qū)10~100 cm土壤濕度均較小,銅仁、安順、都勻地區(qū)均較大。
2.2.1 不同深度土壤濕度特征向量累計(jì)貢獻(xiàn)率
利用貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年53個(gè)土壤濕度自動(dòng)觀測(cè)站土壤濕度觀測(cè)資料進(jìn)行EOF原始場(chǎng)分析,得出EOF分解后各個(gè)主分量的貢獻(xiàn)方差和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率(表3)。列出前三主分量各自方差與累計(jì)方差,結(jié)果如下:
表3 10~100 cm土壤濕度累計(jì)方差貢獻(xiàn)率(2011-2015)Tab.3 Contribution rate of cumulative variance of 10~100 cm soil moisture in 2011-2015
(1)前三主分量累計(jì)方差>98%,所以前三主分量能夠很好的代替原始場(chǎng)的狀況。相比于第三主分量,第二主分量累計(jì)方差貢獻(xiàn)率較高,收斂速度快,更具有代表性,故第一主分量、第二主分量能夠很好的代表原始場(chǎng)及擾動(dòng)場(chǎng)狀況。
(2)第一主分量所占累計(jì)方差的貢獻(xiàn)率極高,均超過(guò)97%,代表著貴州2011-2015年土壤濕度分布的一般情況或者平均情況。
2.2.2 不同深度土壤濕度EOF特征向量
圖3、4為應(yīng)用EOF方法計(jì)算得到的貴州喀斯特區(qū)域不同深度土壤濕度第一主分量及對(duì)應(yīng)時(shí)間序列,由圖3、4可見(jiàn):
(1)貴州喀斯特區(qū)域10~100 cm土壤濕度最大值集中在習(xí)水、羅甸、畢節(jié)、銅仁、盤(pán)縣、冊(cè)亨、仁懷等地,最小值區(qū)則在威寧、務(wù)川、榕江、從江地區(qū)。
(2)貴州喀斯特區(qū)域東北部地區(qū)務(wù)川、沿河、印江等地特征向量較小,西南部安龍、惠水、關(guān)嶺等地特征向量值較大。
(3)時(shí)間系數(shù)上看,10~100 cm土壤濕度時(shí)間走勢(shì)大致相同,其中,1月中旬、11月中旬、9月下旬、6月上旬出現(xiàn)極大值,表明對(duì)應(yīng)時(shí)間土壤濕度達(dá)到最大值,反之,3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出現(xiàn)極小值,對(duì)應(yīng)時(shí)間土壤濕度實(shí)際值較小。
貴州喀斯特區(qū)域土壤濕度第二主分量(圖略)可以代表貴州喀斯特區(qū)域10~100 cm擾動(dòng)場(chǎng),除20 cm為以仁懷、習(xí)水為中心的分布外,其余土層均為東北-西南向相反分布類型。從時(shí)間系數(shù)來(lái)看,系數(shù)越遠(yuǎn)離0,兩種相反分布型差別越大;從走勢(shì)上來(lái)看,除100 cm走勢(shì)不一致外,其余大致走勢(shì)一致。
2.3.1 可能蒸散、降水量空間分布
利用貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年52個(gè)地面氣象站逐日平均氣溫、平均地表溫度、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和降水量資料,分別計(jì)算其逐日可能蒸散,再計(jì)算5年平均逐旬可能蒸散與降水量,應(yīng)用Arcgis克里金插值法,得到可能蒸散、降水量逐旬空間分布圖,并統(tǒng)計(jì)相關(guān)可能蒸散、降水量特征。圖5、6為貴州喀斯特區(qū)域1、3、5、7、9、11月中旬可能蒸散、降水量空間分布,表3、4為可能蒸散、降水量統(tǒng)計(jì)特征。
由圖5可見(jiàn),貴州喀斯特區(qū)域2011-2015年旬平均可能蒸散在以11、1月中旬最小,為11~20 mm;3月中旬居中,為21~30 mm;5、9月中旬較大,為26~35 mm;7月中旬最大,為31~40 mm。
由圖6可見(jiàn),貴州喀斯特區(qū)域2011-2015旬年平均降水量在1、3、9、11月中旬最小,低于40 mm;5月中旬居中,大部為40~80 mm;7月中旬最大,可達(dá)60~100 mm。
圖3 不同深度土壤濕度第一主分量Fig.3 The first principal component of soil moisture in different depths
圖4 土壤濕度第一主分量時(shí)間序列Fig.4 The first principal component time sequence diagram of soil moisture
2.3.2 可能蒸散、降水量對(duì)土壤濕度的影響
上述討論可知,可能蒸散、降水量與土壤濕度的空間分布并不一致,可能蒸散、降水量對(duì)土壤濕度的影響有一定程度的滯后性,當(dāng)旬土壤濕度并不一定與當(dāng)旬可能蒸散、降水量相關(guān)性最好,而可能與前幾旬可能蒸散、降水量相關(guān)性更好,可能蒸散、降水量對(duì)土壤濕度影響的滯后時(shí)間可能不同。
根據(jù)前人研究成果[20],本文選取溫暖農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(鎮(zhèn)遠(yuǎn)為代表站,下同)、溫和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(鳳岡),溫涼農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(納雍)為代表,研究可能蒸散、降水量對(duì)土壤濕度的影響。對(duì)春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-2月)分別計(jì)算某旬土壤濕度和當(dāng)旬可能蒸散與降水、前一旬可能蒸散與降水、前兩旬可能蒸散與降水、前三旬可能蒸散與降水計(jì)算相關(guān)性。
表4為2011-2015年鎮(zhèn)遠(yuǎn)10~100 cm土壤濕度與可能蒸散、降水量相關(guān)性。由表4可見(jiàn),春季可能蒸散均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn);夏季當(dāng)旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大,為-0.53,通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),負(fù)相關(guān),即夏季當(dāng)旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好,夏季當(dāng)旬可能蒸散對(duì)10 cm土壤濕度的影響最大;秋季前兩旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好,通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),負(fù)相關(guān),秋季前兩旬可能蒸散對(duì)10 cm土壤濕度的影響最大;冬季前一旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好,通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn),正相關(guān),冬季前一旬可能蒸散對(duì)10 cm土壤濕度的影響最大。春季前兩旬降水量與10 cm土壤濕度相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大,為0.41,通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn),正相關(guān),即春季前兩旬降水量與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好,春季前兩旬降水量對(duì)10 cm土壤濕度的影響最大,夏季當(dāng)旬降水量與10 cm土壤濕度相關(guān)性最好,夏季當(dāng)旬降水量對(duì)10 cm土壤濕度影響最大。秋、冬季均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。
圖5 可能蒸散空間分布(2011-2015年)Fig.5 Spatial distribution of possible evapotranspiration (2011-2015)
圖6 降水量空間分布(2011-2015年)Fig.6 Spatial distribution of precipitation (2011-2015)
春季夏季秋季冬季當(dāng)旬可能蒸散-0.26 -0.53**-0.51**-0.41*前一旬可能蒸散-0.15 -0.43**-0.51**-0.46**前兩旬可能蒸散0.02 -0.30 -0.55**-0.40*前三旬可能蒸散0.19 -0.30 -0.46**-0.38 當(dāng)旬降水量0.30*0.32*0.06 0.10 前一旬降水量0.31*0.27 0.14 0.16 前兩旬降水量0.41*0.27 0.16 -0.04 前三旬降水量0.40*0.17 0.19 0.03
注:*表示通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn),**表示通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。
應(yīng)用同樣方法,對(duì)其他土層及其他站點(diǎn)分析結(jié)果表明:
(1)春季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散與0~100 cm土壤濕度的相關(guān)性較差,可能蒸散對(duì)10~100 cm土壤濕度的影響較小。
夏季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡前一旬或前兩旬可能蒸散與10~50 cm土壤濕度相關(guān)系數(shù)較大,相關(guān)性較好,均為負(fù)相關(guān)。鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對(duì)10~50 cm土壤濕度的影響較大??赡苷羯⑴c60~100 cm土壤濕度的相關(guān)性較差,鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對(duì)60~100 cm土壤濕度的影響較小。
秋季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡前一旬或者前兩旬可能蒸散與10~50 cm土壤濕度的相關(guān)性較好,鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對(duì)0~50 cm土壤濕度的影響較大,可能蒸散對(duì)60~100 cm土壤濕度影響較小。
冬季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散與10~100 cm土壤濕度的相關(guān)性較差,鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡可能蒸散對(duì)10~100 cm土壤濕度的影響較小。
(2)春季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡前兩旬降水與10~50 cm土壤濕度的相關(guān)性較好,為正相關(guān),降水對(duì)10~50 cm土壤濕度的影響較大,降水對(duì)60~100 cm土壤濕度的影響較小。
夏季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水與土壤濕度的相關(guān)性較好,降水對(duì)土壤濕度的影響較大。鎮(zhèn)遠(yuǎn)前一旬降水與10~60 cm土壤濕度相關(guān)性較好,為正相關(guān);納雍前一旬或當(dāng)旬降水與10~50 cm土壤濕度影響相關(guān)性較好;鳳岡前一旬或當(dāng)旬降水對(duì)10~30 cm土壤濕度影響最大。
秋季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍降水與土壤濕度的相關(guān)性均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn),鳳岡前一旬或前兩旬降水對(duì)土壤濕度影響最大。
冬季:鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水與土壤濕度的相關(guān)性較好,降水對(duì)土壤濕度的影響較大。鎮(zhèn)遠(yuǎn)、鳳岡冬季前一旬降水對(duì)10~20 cm土壤濕度影響最大;納雍前三旬降水對(duì)60~100 cm影響最大,為負(fù)相關(guān)。
(1)10~20 cm土壤濕度空間分布較為相似,30~50 cm土壤空間分布較為相似,60~100 cm土壤空間分布較為一致。總體來(lái)講,同一時(shí)間,威寧、沿河、正安、印江、思南地區(qū)10~100 cm土壤濕度均較小,銅仁、安順、都勻地區(qū)均較大。
(2)時(shí)間上,10~50 cm土壤濕度7、9月中旬相對(duì)偏低,3、5月中旬居中,11、1月中旬偏高。10 cm土壤濕度7、9月中旬為50%~69%,3、5月中旬為60%~79%,土壤較濕潤(rùn);11、1月中旬土壤濕度為70%~89%,土壤濕潤(rùn)。20 cm土壤濕度7、9月中旬為50%~79%,較10 cm稍高;3、5月中旬介于60%~79%,11、1月中旬為70%~89%,與10 cm相當(dāng)。30~50 cm土壤濕度均比10~20 cm土壤濕度高,7、9月中旬為70%~79%,1、3、5月中旬土壤濕度介于70%~89%, 11月中旬為80%~100%。
(3)60~100 cm土壤濕度相差不大,1、3、5、7、9、11月中旬土壤濕度均為70%~89%,土壤濕潤(rùn),與30~50 cm土壤濕度相近。
(4)10~100 cm土壤濕度場(chǎng)第一主分量、第二主分量收斂速度快,方差累計(jì)貢獻(xiàn)率超過(guò)98%,能夠很好的代表原始場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)狀況。第一主分量最大值集中在習(xí)水、羅甸、畢節(jié)、銅仁、盤(pán)縣、冊(cè)亨、仁懷,最小值主要在威寧、務(wù)川、榕江、從江。貴州喀斯特區(qū)域東北部地區(qū)務(wù)川、沿河、印江等地特征向量較小,西南部安龍、惠水、關(guān)嶺等地特征向量值較大。
(5)時(shí)間系數(shù)上,10~100 cm土壤濕度時(shí)間序列所代表的土壤濕度的時(shí)間走勢(shì)大致相同,1月、11月中旬、9月下旬、6月上旬出現(xiàn)極大值,表明對(duì)應(yīng)時(shí)間土壤濕度達(dá)到最大值,反之,3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出現(xiàn)極小值,對(duì)應(yīng)時(shí)間土壤濕度實(shí)際值較小。
(6)鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡春季可能蒸散對(duì)土壤濕度的影響較?。幌募究赡苷羯?duì)10~50 cm影響的滯后時(shí)間為一旬,60~100 cm兩者相關(guān)性較低;秋季可能蒸散對(duì)10~50 cm土壤濕度影響的滯后時(shí)間為一旬或者兩旬,60~100 cm兩者相關(guān)性較低;冬季,10~50 cm可能蒸散對(duì)土壤濕度的影響較小。
(4)春季,鎮(zhèn)遠(yuǎn)降水對(duì)10~60 cm土壤濕度影響的之后時(shí)間為兩旬,納雍降水對(duì)土壤濕度影響不明顯,鳳岡春季降水對(duì)10~30 cm土壤濕度影響的滯后時(shí)間為當(dāng)旬或一旬;夏季,鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水對(duì)10~30 cm土壤濕度影響滯后時(shí)間為當(dāng)旬或者一旬;秋季,鎮(zhèn)遠(yuǎn)、納雍、鳳岡降水對(duì)土壤濕度影響不明顯。冬季,鎮(zhèn)遠(yuǎn)、鳳岡降水對(duì)10~20 cm影響滯后時(shí)間為一旬。
本文僅討論了貴州喀斯特地區(qū)10~100 cm土壤水分時(shí)空分布特征,以及簡(jiǎn)要的探討了降水、氣溫及土層相互作用的影響,而對(duì)地下水、植被、灌溉及土質(zhì)等影響還未涉及,貴州喀斯特地區(qū)土壤水分未來(lái)變化的相關(guān)情況有待進(jìn)一步研究和探討。