包青嶺,丁建麗,王敬哲,劉 婕,馬春玥

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn), 烏魯木齊 830046 3 新疆財(cái)經(jīng)大學(xué), 烏魯木齊 830046

土壤水分是氣候與陸地系統(tǒng)中一個(gè)重要變量,它控制著陸地邊界以及地球表面和大氣之間的能量和水的交換[1- 5]。土壤水分對(duì)氣候系統(tǒng)及其未來(lái)氣候變化的影響尤為重要[6]。土壤水分在陸地水循環(huán)中起著關(guān)鍵作用,并且負(fù)責(zé)通過(guò)滲透將地表水和儲(chǔ)存水分開(kāi),表面和根區(qū)土壤水分控制著陸地表面上的入射輻射,分別為顯熱和潛熱(蒸發(fā))通量,研究土壤水分是農(nóng)業(yè),生態(tài)學(xué),水文學(xué)甚至巖土工程等各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵[7- 9]。土壤水分調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)過(guò)程,并對(duì)全球水循環(huán)產(chǎn)生重大影響,驅(qū)動(dòng)土壤水分的氣象參數(shù)受到土壤水分的大規(guī)模變化的影響,從而產(chǎn)生反饋機(jī)制,可對(duì)氣候和土地利用變化產(chǎn)生相當(dāng)大的影響[10]。中國(guó)新疆塔里木河流域渭-庫(kù)綠洲屬于典型大陸性氣候,氣候干燥,年降水量少且蒸發(fā)量大,更容易導(dǎo)致大規(guī)模干旱和災(zāi)害,水資源短缺已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要因素[11]。近年來(lái),為了適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,該地區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水的需求不斷增加,此外,隨著全球氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)等影響,干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量日益下降和嚴(yán)重,使其水資源短缺問(wèn)題愈加嚴(yán)重[12]。因此對(duì)干旱地區(qū)土壤水分的時(shí)空變化研究顯得尤為重要,關(guān)系到未來(lái)生態(tài)安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,也是生態(tài)水文模型研究的重點(diǎn)。

近幾十年來(lái),國(guó)際組織開(kāi)展了許多土壤水分研究計(jì)劃,如全球能源和水循環(huán)測(cè)試(GEWEX, the Global Energy and Water Cycle Experiment)、美國(guó)國(guó)家航空航天局土壤水分(SMAP, Soil Moisture Active Passive)衛(wèi)星和歐洲空間局土壤水分和海鹽(SMOS,Soil Moisture and Ocean Salinity)等的研究項(xiàng)目促進(jìn)了土壤水分研究的發(fā)展[13],以上項(xiàng)目主要圍繞以遙感手段對(duì)土壤水分信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),雖然遙感技術(shù)與微波衛(wèi)星對(duì)于觀測(cè)土壤水分具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、大面積等特點(diǎn),并為土壤水分的研究提供了新的思路和方法,但是由于天氣等因素影響,難以獲得長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù),或者是地表植被類(lèi)型覆蓋,導(dǎo)致難以獲取高精度土壤水分信息[14-20]。隨著土壤水分監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展,陸面生態(tài)水文過(guò)程模擬的類(lèi)型受到越來(lái)越多關(guān)注[21],典型的模型如CLM、VIC、SiB2和Noah等可以獲得連續(xù)時(shí)空序列的土壤水分,陸面水文過(guò)程模型在有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,具有模擬大規(guī)模、高時(shí)間分辨率土壤水分的能力,是一種觀測(cè)和研究土壤水分變化的行之有效的方法,同時(shí)在干旱監(jiān)測(cè)與水文觀測(cè)等問(wèn)題的應(yīng)用中,陸面過(guò)程模型模擬的土壤水分信息非常有用[22-23]。然而,這些已有的陸面生態(tài)水文過(guò)程模式在干旱地區(qū)的適用性仍不得而知。此外,如何充分利用多源數(shù)據(jù)并將其應(yīng)用于時(shí)序干旱區(qū)土壤水分信息的獲取當(dāng)中也是一個(gè)亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

基于此,本研究以渭干河-庫(kù)車(chē)河綠洲為研究區(qū),通過(guò)分析近10年研究區(qū)土地利用類(lèi)型的變化,結(jié)合VIC陸面過(guò)程模型和土地利用類(lèi)型對(duì)土壤含水量進(jìn)行時(shí)空變化研究,通過(guò)實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),驗(yàn)證模擬結(jié)果,揭示土壤水分變化規(guī)律,以期為實(shí)現(xiàn)綠洲旱情監(jiān)測(cè)與鹽漬化動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)南部的塔里木盆地北邊區(qū)域,范圍在緯度41°25′—42°15′N(xiāo),經(jīng)度82°—82°30′E之間,又稱(chēng)渭干河庫(kù)車(chē)河綠洲(簡(jiǎn)稱(chēng)渭-庫(kù)綠洲),外表酷似扇形,由于受大陸干旱性氣候和盆地間地形格局的影響,發(fā)展為典型且完整的扇形洪沖積扇傾斜平原,氣候上夏季干熱,冬季干冷,常年缺乏降水,年平均蒸發(fā)量達(dá)到1100 mm,但是年平均降水量不足200 mm,屬于典型中緯度干旱區(qū)[24]。如圖1所示。

1.1 土壤特征

研究區(qū)土壤類(lèi)型主要為石灰性灰褐土、灌淤土。石灰性灰褐土母質(zhì)為殘坡積物,剖面為As-Ai-Ah-AB-Bk-Ck型,表層枯枝落葉較少,多和林下雜草草根盤(pán)結(jié)在一起,分布在研究區(qū)北邊區(qū)域。灌淤土母質(zhì)為灌溉淤積物,剖面為A11-Ab-C型,顏色和質(zhì)地較均一,多為棕灰色粘壤土,粘粒含量20%左右,普遍有炭屑、瓦片等侵入物,有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)1.0%以上,pH值在8.2—8.5之間,呈微堿性,主要分布在綠洲內(nèi)部[25]。土壤容重變化范圍在1.39—1.61 g/cm3,粉粒含量占土壤機(jī)械組成70%,其次是砂礫含量,占20%。研究區(qū)實(shí)測(cè)土壤水分,2008—2016年樣本土壤含水量變異系數(shù)均低于0.5,屬于中等變異。如表1所示。

表1 2008—2016年研究區(qū)內(nèi)部土壤樣本含水量統(tǒng)計(jì)特征

1.2 植被類(lèi)型

研究區(qū)植被類(lèi)型包括自然植被與人工作物。自然植被以鹽生植被為主,分布在綠洲外圍與夾雜在綠洲內(nèi)部,主要包括鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、花花柴(Halocnemumstrabilaceum)、鹽穗木(Halosttachyscaspica)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、胡楊(populuseuphratica)、蘆葦(Phragmitescommunis)、怪柳(Tamarixtaklamakannesis)等,人工作物包括但不限于,棉花、玉米、冬小麥等[26]。

2 研究資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

選取2008—2016年分布于研究區(qū)具有代表性的58個(gè)土壤采樣點(diǎn),均勻分布在綠洲、綠洲荒漠交錯(cuò)帶以及荒漠帶區(qū)域。采用五點(diǎn)法進(jìn)行土壤樣本采集,使用W.E.T型傳感器、Hydra型號(hào)土壤測(cè)試儀測(cè)量土壤含水率及介電常數(shù)等數(shù)據(jù)。土壤容重使用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定。使用美國(guó)Onset公司生產(chǎn)的HOBO型自動(dòng)記錄水位計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)水位計(jì))記錄地下水埋深數(shù)據(jù),該儀器可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求設(shè)定水位計(jì)的記錄周期,水位計(jì)產(chǎn)生的誤差最大為1 cm,降低了實(shí)驗(yàn)誤差。土壤粒徑采用美國(guó)Microtrac公司生產(chǎn)的S3500型激光粒激光粒度儀測(cè)定(量程0.01—2000 μm)。

2.2 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移的去向、數(shù)量以及來(lái)源的一種方法,是馬爾可夫模型在土地利用變化方面的應(yīng)用,此模型可以定量的表明不同土地類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化的情況,還能揭示不通地類(lèi)之間的轉(zhuǎn)移速率。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式為：

(1)

式中,n代表轉(zhuǎn)移前后土地利用類(lèi)型數(shù)目；S為面積；i、j(i,j=1,2,…,n)代表轉(zhuǎn)移前后的地類(lèi)；Sij代表轉(zhuǎn)移前類(lèi)型變換為j后類(lèi)型的面積。矩陣中的每個(gè)行元素表示轉(zhuǎn)移前的i地類(lèi)到轉(zhuǎn)移后的j地類(lèi)的流向信息[27]。采用ArcGIS軟件進(jìn)行操作。

2.3 VIC- 3L模型

圖2 模型流程圖Fig.2 Schematic diagram of modelling approach

VIC- 3L模型的關(guān)鍵特征是具有植被異質(zhì)性、可變滲透多個(gè)土層和非線(xiàn)性基流,是一種基于SVATS(Soil Vegetation Atmospheric Transfer Schemes)思想的空間分布網(wǎng)格化的大尺度分布式水文模型[28-30]。VIC模型的成功運(yùn)行,需要輸入以下5種文件,全局控制文件、氣象驅(qū)動(dòng)文件、土壤參數(shù)文件、植被庫(kù)文件、植被參數(shù)文件。植被參數(shù)文件選用馬里蘭大學(xué)發(fā)布的全球1 km辨率的土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)；研究中的土壤參數(shù)分類(lèi)參照FAO世界糧農(nóng)組織提供的土壤質(zhì)地分類(lèi)圖；本次研究選擇CMADS(China Meteorological Assimilation Datasets for SWATS)系列數(shù)據(jù)集作為氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為：時(shí)間分辨率逐日；空間分辨率1/4°；時(shí)間尺度,2008—2016。此數(shù)據(jù)集為CLDAS數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)[31]。圖2為VIC模型運(yùn)行流程圖。

2.4 模型模擬結(jié)果精度驗(yàn)證

采取決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)與相對(duì)誤差(RE)指標(biāo)對(duì)VIC水文模型進(jìn)行精度驗(yàn)證。分別利用不同年份的野外實(shí)測(cè)土壤含水量數(shù)據(jù)對(duì)模型的精度進(jìn)行評(píng)價(jià),其中R2代表實(shí)測(cè)土壤含水量與VIC模擬值符合程度、RE表示實(shí)測(cè)含水量與VIC模擬值的相對(duì)誤差、RMSE表示實(shí)測(cè)含水量與VIC模型的絕對(duì)誤差的平均程度[32]。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用面積變化

由表2可得, 7年間,研究區(qū)耕地面積從2346.38 km2增加至4071.09 km2,主要由荒地與灌叢轉(zhuǎn)變而來(lái),其中,荒地轉(zhuǎn)移面積為461.45 km2,灌叢轉(zhuǎn)移面積為1322.22 km2。鹽漬地面積由2009年的921.27 km2增加至2016年的1220.98 km2,變化量299.70 km2,其中荒地貢獻(xiàn)面積最大,為1031.44 km2。水域面積增加249.08 km2,水域面積增加主要由灌叢與荒地貢獻(xiàn),分別貢獻(xiàn)了116.62 km2和129.66 km2。這7年間,荒地面積減少了2808.12 km2,其主要面積轉(zhuǎn)移方向是灌叢、鹽漬地與耕地,轉(zhuǎn)移面積分別為1333.53 km2、1031.44 km2和461.45 km2。灌叢地面積增加了將近100 km2,主要由荒地地貢獻(xiàn)而來(lái)。

表2 2009—2016年渭-庫(kù)綠洲土地利用類(lèi)型面積轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 VIC模型不同月份土壤含水量時(shí)空變化

基于上述土壤參數(shù)、植被與植被庫(kù)參數(shù)和氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),將氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到VIC水文模型中,編譯運(yùn)行,提出結(jié)果文件中的表層土壤含水量數(shù)據(jù),得到圖3與表1,其中1至3月平均值為a,4至6月平均值為b,7至9月平均值為c,10至12月平均值為d。圖3與表3表示2009年至2016年研究區(qū)表層土壤含水量空間變化情況和統(tǒng)計(jì)特征,從年際變化來(lái)看,研究區(qū)自2009—2016年,1至3月份,西南地區(qū)土壤含水量范圍在14.814—25.214 mm內(nèi),低于東北區(qū)域土壤含水量普遍在35.98以上,說(shuō)明研究區(qū)西南地區(qū)1—3月份為相對(duì)干旱區(qū)域；4—6月份,土壤含水量平均值為36.718 mm,2012年達(dá)到最高值53.907 mm,2009年為最低值25.609 mm；7—9月份,土壤含水量為普遍較高,平均值達(dá)到41.512,最高年份2012年達(dá)到64.823 mm,最低年份2009年為30.658 mm,研究區(qū)東北區(qū)域含水量普遍高于35.210 mm,空間上,干旱區(qū)域集中在西南、西北和南部區(qū)域；10—12月份,土壤含水量平均值為37.887 mm,最低年份2009年為29.890 mm,最高年份2012年為58.677 mm,空間上,西南區(qū)域普遍比東北區(qū)域土壤含水量低13%。從年內(nèi)變化來(lái)看,2009年,由a至d,土壤含水量平均值從24.051 mm升至30.658 mm,最后降至29.890 mm,變異系數(shù)自0.179持續(xù)降至0.096,土壤含水量變化符合氣候降雨年內(nèi)變化規(guī)律,變異系數(shù)降低,代表VIC模型模擬精度隨時(shí)間提高；2012年,由a至d,平均土壤含水量達(dá)到9年內(nèi)最高值,分別為54.241、53.907、64.823、58.677 mm；其余年份,隨著模擬時(shí)間增加,整體平均土壤含水量有升高趨勢(shì)。2009—2016年模擬期間,以2014年為例,變異系數(shù)由0.095至0.110,最后降至0.092。其余年份與之類(lèi)似,由此可得土壤含水量變異系數(shù)呈正弦曲線(xiàn)變化。

3.3 不同土地利用類(lèi)型土壤含水量時(shí)間變化

由于模型2008年為預(yù)熱期,數(shù)值模擬不準(zhǔn)確,不將其列入討論。將土壤含水量模擬值共分4種地類(lèi)進(jìn)行分析,分別為a鹽漬地、b荒地、c耕地、d灌叢。圖4中,分別描述了4種地類(lèi)從2009-01-01至2016-12-31期間三層土壤水分波動(dòng)變化與每日降水量,結(jié)合降雨量來(lái)看,每種地物土壤含水量變化波動(dòng)呈正弦函數(shù)曲線(xiàn),從7月份雨季開(kāi)始,土壤水分含量增加,到10月份開(kāi)始下降,呈現(xiàn)由4月份旱季至7月份雨季,由干到濕得規(guī)律；每種地物第一層含水量小于后兩層,第二層含水量為最大,模擬土壤含水量變化符合每日降雨量變化趨勢(shì),在降雨量較少的1—6月、10—12月,三層土壤含水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),直到7—9月雨季,隨著降雨量的增加,各層土壤含水量呈現(xiàn)大幅度波動(dòng)上升的趨勢(shì),并達(dá)到最高值,其中鹽漬地表層土壤含水量峰值為38.157 mm左右、荒地45.214 mm左右、耕地43.524 mm左右、灌叢38.278左右,各地物土壤含水量最低值均出現(xiàn)在舂季與秋冬季,鹽漬地表層土壤含水量最低值為21.213 mm左右、荒地28.963 mm左右、耕地26.745 mm左右、灌叢28.985左右。從根層與底層土壤含水量變化來(lái)看,4種地物土壤含水量均表現(xiàn)出根層土壤含水量總體要高于底層土壤含水量,鹽漬地與灌叢根層土壤含水量高于其他兩種地類(lèi),灌叢根層土壤含水量與底層土壤含水量在2009年雨季期間出現(xiàn)交點(diǎn)；荒地與耕地底層土壤含水量在每年雨季來(lái)時(shí),均出現(xiàn)交叉現(xiàn)象?？傮w來(lái)看,VIC模型較好的模擬并區(qū)分了4種不同地物類(lèi)型表層、根層與底層土壤含水量的變化。

表3 2009—2016表層土壤水分VIC模擬值統(tǒng)計(jì)特征

Table 3 Statistical characteristics of surface soil moisture VIC simulation values from 2009 to 2016

年份季節(jié)平均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值最小值變異系數(shù)YearSeasonsMeanSDMaxMinCV20091—3月24.051 4.301 31.760 14.814 0.179 4—6月25.609 3.840 37.785 16.115 0.150 7—8月30.658 3.227 37.785 16.108 0.105 10—12月29.890 2.876 36.086 16.100 0.096 20101—3月27.678 2.630 40.169 16.093 0.095 4—6月30.620 2.985 38.102 16.085 0.097 7—8月32.826 3.487 40.169 16.078 0.106 10—12月31.069 2.909 39.618 16.071 0.094 20111—3月33.961 3.083 43.247 19.276 0.091 4—6月33.202 3.086 42.038 19.268 0.093 7—8月37.559 3.690 45.612 19.259 0.098 10—12月34.714 3.385 43.585 19.251 0.098 20121—3月54.241 5.195 68.567 32.071 0.096 4—6月53.907 5.043 67.472 32.057 0.094 7—8月64.823 7.253 77.430 32.043 0.112 10—12月58.677 5.972 72.598 32.030 0.102 20131—3月32.719 3.206 40.988 19.210 0.098 4—6月35.467 3.512 43.929 19.202 0.099 7—8月38.771 3.725 49.959 19.194 0.096 10—12月36.246 3.462 46.899 19.186 0.096 20141—3月33.434 3.165 43.165 19.178 0.095 4—6月35.273 3.869 47.868 19.171 0.110 7—8月43.093 4.536 58.694 19.163 0.105 10—12月38.494 3.526 49.787 19.155 0.092 20151—3月34.469 3.234 43.959 19.148 0.094 4—6月41.248 4.374 54.528 19.140 0.106 7—8月40.143 3.756 50.098 19.133 0.094 10—12月36.084 3.556 45.344 19.125 0.099 20161—3月35.477 3.728 44.974 19.118 0.105 4—6月38.419 4.398 50.410 19.111 0.114 7—8月44.227 4.720 55.182 19.104 0.107 10—12月37.925 3.653 48.355 19.096 0.096

圖4 2009—2016年鹽漬地、荒地、耕地和灌叢土壤含水量VIC模擬值Fig.4 VIC simulation value of soil moisture content of saline soil, wasteland, cultivated land and shrubland from 2009 to 2016

提取其中2012年數(shù)據(jù),放大至圖5。由圖5可得,從1月至6月,三層土壤含水量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),直到6月中旬開(kāi)始,研究區(qū)進(jìn)入雨季,隨著降水量增加,土壤含水量也迅速增加達(dá)到最高值；鹽漬地與灌叢地表土壤含水量較高,同時(shí)整體含水量變化值也高于其他兩類(lèi)地物,可能是由于灌叢根系具有聚集水分得作用,鹽漬化土壤地下水位較高。

圖5 4種地物2012土壤含水量VIC模擬值Fig.5 Four ground objects 2012 soil water content VIC simulation value

3.4 不同土地利用類(lèi)型土壤含水量時(shí)間變化對(duì)比

選取典型4種地物,分析長(zhǎng)時(shí)間序列與2014年土壤含水量VIC模擬值的差異,如圖6與7所示。由圖6所得,鹽漬土壤表層含水量范圍在34.854—55.874 mm,相較于耕地30.210—52.141 mm,大約高0.06%,在2010—2013年期間,鹽漬地土壤含水量高于耕地大約0.10%,在2014年兩者含水量持平,隨后在2015—2016年高于耕地大約0.08%,同時(shí)鹽漬土與灌叢的土壤含水量在模擬期間變化波動(dòng)保持在34.587—53.414 mm之間；在2011—2014年雨季時(shí)期,灌叢土壤含水量高于其他3種地類(lèi)大約0.02%,可能是由于自然植被天然的涵養(yǎng)水源的功能,但是在其他季節(jié),含水量變化與鹽漬土壤地持平；荒地土壤含水量在旱季期間,處于所有地類(lèi)含水量最低28.412 mm左右,但是一到雨季,含水量迅速上升至最高值56.784 mm左右,并且在2015年與2010年雨季達(dá)到最頂峰58.745 mm；耕地土壤含水量變化范圍與荒地含水量相一致,在28.784—53.741 mm之間,根據(jù)近7年土地利用變化,大量荒地轉(zhuǎn)化為耕地,綠洲荒地土壤含水量與耕地土壤相互接近。提取2014年數(shù)據(jù),將其放大至圖7,由圖可得,鹽漬地與灌叢初始土壤含水量為35.754 mm,同時(shí)波動(dòng)幅度相似,在模擬期間,土壤含水量都要高于其他兩種地物大約0.02%；荒地與耕地變化趨勢(shì)相似,波動(dòng)相較于其他兩種地物,變化幅度更大,同時(shí)初始含水量較低為33.612 mm；4種地物在雨季,土壤含水量迅速上升至44.812 mm左右,并且波動(dòng)幅度加大,至到9月恢復(fù)平緩在32.854—39.547 mm；1—3月含水量高于10—12月份含水量大約0.23%,雨季含水量呈現(xiàn)大幅度盤(pán)旋上升,呈現(xiàn)出土壤含水量干濕季節(jié)變化規(guī)律,說(shuō)明VIC模型良好的模擬了研究區(qū)土壤含水量的季節(jié)變化規(guī)律。

圖6 4種地物土壤表層含水量長(zhǎng)時(shí)間序列VIC模擬值對(duì)比Fig.6 Comparison of VIC simulation values of long-term sequence of soil surface water content of four kinds of ground

圖7 4種地物2014土壤含水量VIC模擬值對(duì)比 Fig.7 Comparison of VIC simulation values of soil moisture content of four kinds of ground objects in 2014

3.5 土地利用類(lèi)型面積變化對(duì)土壤含水量影響

圖8從左至右分別為2009—2016年土地利用面積變化圖、2009—2016年表層土壤含水量范圍分布圖。由圖可得,7年內(nèi),鹽漬地增加299.705 km2,增加率32%,表層土壤含水量范圍在41.40—34.50 mm,中位數(shù)37.24 mm,正態(tài)曲線(xiàn)數(shù)值分布在34.40 mm以上；荒地減少2808.12 km2,減少率46%,土壤含水量范圍在37.40—30.80 mm,中位數(shù)34.25 mm,正態(tài)曲線(xiàn)數(shù)值分布在28.60以上；耕地面積增加1724.71 km2,增加率73%,土壤含水量范圍在27.60—32.20 mm,中位數(shù)28.90 mm,正態(tài)曲線(xiàn)數(shù)值分布在24.20 mm以上；灌叢面積增加514.94 km2,增加率15%,土壤含水量范圍在31.52—36.80 mm,中位數(shù)33.60 mm,正態(tài)曲線(xiàn)數(shù)值分布在30.40 mm以上。2006—2016年,除了荒地面積減少外,其余地類(lèi)面積均明顯增加?；牡赝寥篮堪殡S面積大幅度下降,箱線(xiàn)圖下邊緣較其余地類(lèi)短,土壤含水量分布低于鹽漬地與灌叢；鹽漬地與耕地面積增加幅度最大,主要由荒地轉(zhuǎn)化而來(lái),鹽漬地土壤含水量范圍較耕地高20%；灌叢面積增加次之,箱線(xiàn)圖土壤含水量上下限范圍長(zhǎng)度一致。荒地土壤含水量伴隨面積大幅度下降,土壤含水量數(shù)值集中在正態(tài)曲線(xiàn)28.6 mm以上區(qū)域；鹽漬地、耕地土壤與灌叢表層土壤含水量伴隨面積大幅度上升,土壤含水量數(shù)值分別集中在正態(tài)曲線(xiàn)34.40 mm、24.20 mm與30.40 mm以上區(qū)域。

圖8 土地利用面積變化與表層土壤含水量分布Fig.8 Land use area change and surface soil water content distribution

3.6 土壤含水量模擬精度驗(yàn)證與效果

采用5個(gè)年份野外實(shí)測(cè)土壤含水量數(shù)據(jù)對(duì)VIC模擬表層土壤含水量進(jìn)行驗(yàn)證,按照經(jīng)緯度提取VIC模擬值相應(yīng)的數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)測(cè)含水量與VIC模擬值進(jìn)行相關(guān)性分析和散點(diǎn)圖繪制,證明VIC 模擬值的可靠性。圖8給出了2010年10月、2011年11月、2013年8月、2015年7月和216年4月模擬與實(shí)測(cè)土壤含水量的線(xiàn)性擬合散點(diǎn)圖,以實(shí)測(cè)含水量為橫軸,VIC模擬值為縱軸。由圖可得,對(duì)于表層土壤來(lái)說(shuō),實(shí)測(cè)含水量與VIC模擬值R2范圍在0.30—039之間,模擬結(jié)果較好。與實(shí)測(cè)土壤含水量相比,VIC模型模擬的土壤含水量整體呈現(xiàn)較高值,由此表明VIC模擬值存在高估現(xiàn)象。2010年10月(秋)與2016年4月(春),表層土壤含水量R2達(dá)到了0.34以上；2013年08月與2015年7月,表層土壤含水量R2分別為,0.3031、0.3053。 由表4可知,VIC模擬值RMSE范圍在1.40至2.80之間,RE范圍在0.90至2.20之間,R2范圍在0.40至0.60之間,總體上VIC模型模擬值與實(shí)測(cè)土壤含水量相關(guān)性較好,其中鹽漬地R2最高、RMSE與RE最低,接著為灌叢、耕地、荒地。

圖9 實(shí)測(cè)土壤水分與VIC模擬值散點(diǎn)圖Fig.9 Measured soil moisture and VIC simulated value scatter plot

表4 VIC模型不同地類(lèi)模擬評(píng)價(jià)結(jié)果

Table 4 VIC model typical ground class simulation evaluation results

地物類(lèi)型Land use typeRMSERER2鹽漬地Salinized1.440 0.923 0.598 耕地Cultivated1.931 1.394 0.503 荒地Bareland2.784 2.153 0.467 灌叢Shrubcovered1.462 0.927 0.596

RMSE：均方根誤差 Root Mean Squard Error；RE：相對(duì)誤差 Relative error

4 結(jié)論

通過(guò)VIC模型土壤含水量模擬,發(fā)現(xiàn)其對(duì)干旱區(qū)土壤水分模擬效果較好,可以實(shí)現(xiàn)大面積、長(zhǎng)時(shí)間序列的旱情監(jiān)測(cè)與分析；結(jié)合土地利用類(lèi)型變化,分析土壤含水量時(shí)空模擬差異,結(jié)果表明：

(1)渭-庫(kù)綠洲近7年內(nèi),耕地與鹽漬地面積增幅達(dá)35%以上,荒地面積相較2009年減少約46%, 灌叢面積增幅約15%；其中荒地轉(zhuǎn)為鹽漬地面積為1031.44 km2,荒地轉(zhuǎn)為耕地461.45 km2,表明研究區(qū)土地荒漠化趨勢(shì)得到逆轉(zhuǎn),整體生態(tài)環(huán)境得到改善。

(2)通過(guò)分析不同月份VIC模擬表層土壤含水量空間分布,發(fā)現(xiàn)1—6月,西南地區(qū)土壤含水量低于東北區(qū)域；7—9月,研究區(qū)東北區(qū)域含水量普遍高于35.21 mm,干旱區(qū)域集中在西南、西北和南部區(qū)域；10—12月,西南區(qū)域普遍比東北區(qū)域土壤含水量低。

(3)通過(guò)分析不同地類(lèi)VIC模擬土壤含水量時(shí)間分布,結(jié)合降雨量來(lái)看,每種地物土壤含水量變化波動(dòng)呈正弦函數(shù)曲線(xiàn),鹽漬土壤表層含水量相較于耕地約高0.06%；在每年雨季,灌叢土壤含水量高于其他3種地類(lèi)大約0.02%；旱季期間,荒地土壤含水量,處于低值28.41 mm左右,在雨季,含水量上升至高值56.78 mm左右；據(jù)近7年土地利用變化,大量荒地轉(zhuǎn)化為耕地,綠洲荒地土壤含水量與耕地土壤相互接近,在28.784—53.741 mm之間；VIC模型較好的模擬了研究區(qū)不同地類(lèi)土壤含水量的季節(jié)變化規(guī)律。

(4)進(jìn)一步分析2009—2016土地利用面積變化對(duì)土壤含水量變化的影響,荒地土壤含水量伴隨面積大幅度下降,含水量數(shù)值集中在正態(tài)曲線(xiàn)28.60以上區(qū)域；鹽漬地、耕地土壤與灌叢表層土壤含水量伴隨面積大幅度上升,土壤含水量數(shù)值分別集中在正態(tài)曲線(xiàn)34.40 mm、24.20 mm與30.40 mm以上。VIC模擬值與實(shí)測(cè)值RMSE范圍在1.40至2.80之間,RE范圍在0.90至2.20之間,R2范圍在0.40至0.60之間,模擬效果較好。