袁正國(guó)， 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(gè)關(guān)鍵因子，是水循環(huán)的一個(gè)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(duì)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(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)中能夠觀測(cè)不同深度的土壤水分，為干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)提供實(shí)時(shí)的土壤水分監(jiān)測(cè)資料。國(guó)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(cè)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(guò)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(guò)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(dòng)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(shí)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(duì)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(guò)程對(duì)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(xiàng)式回歸關(guān)系，大于25.5 mm的降水過(guò)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(guò)程能使 30—40 cm土層的土壤水分穩(wěn)定增加，極端降水過(guò)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(duì)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(guò)程、蒸發(fā)、初始含水率等條件下，土壤體積含水量對(duì)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(guò)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(lái)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(cè)數(shù)據(jù)。土壤體積含水量資料為經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的江西省36個(gè)站點(diǎn)2017—2020年4—9月逐小時(shí)土壤體積含水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)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(guó)家、區(qū)域氣象觀測(cè)站2017—2020年4—9月逐小時(shí)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)。文中規(guī)定連續(xù)出現(xiàn)的降水其時(shí)間間隔不足6 h的為同一降水過(guò)程，6 h及以上的為2次降水過(guò)程。將降水過(guò)程的降水量分成4個(gè)不同量級(jí)，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(duì)土壤質(zhì)地分類的方法，對(duì)江西省52個(gè)土壤水分觀測(cè)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(cè)站匹配處理

由于土壤水分觀測(cè)站中沒(méi)有降水的觀測(cè)要素，考慮利用鄰近地面觀測(cè)站的降水資料來(lái)替代。通過(guò)計(jì)算任一土壤水分站和國(guó)家氣象站、區(qū)域氣象站之間的歐氏距離進(jìn)行站點(diǎn)匹配。匹配原則：同等情況下優(yōu)先選取國(guó)家站點(diǎn)作為匹配站點(diǎn)；當(dāng)匹配到距離相差2 km內(nèi)的國(guó)家氣象站和區(qū)域氣象站時(shí)，優(yōu)先采用國(guó)家氣象站作為匹配站點(diǎn)；當(dāng)匹配到距離相同的國(guó)家氣象站或區(qū)域氣象站時(shí)，優(yōu)先采用與土壤水分觀測(cè)站海拔高度差較小的氣象站作為匹配站點(diǎn)。基于以上原則得到36個(gè)壤土質(zhì)地土壤水分觀測(cè)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(cè)站點(diǎn)分布

1.4 分析方法

一次降水過(guò)程后，土壤體積含水量對(duì)降水的響應(yīng)具有不確定性，響應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度也不盡相同，為了表征土壤體積含水量對(duì)一次降水過(guò)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(guò)程次數(shù)的百分比(簡(jiǎn)稱響應(yīng)比)進(jìn)行表征，其計(jì)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(guò)程中土壤體積含水量響應(yīng)的次數(shù)，YB為降水過(guò)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(diǎn)，k為不同的降水過(guò)程，c為同一量級(jí)降水過(guò)程的次數(shù)。

當(dāng)降水過(guò)程導(dǎo)致響應(yīng)發(fā)生時(shí)，土壤體積含水量會(huì)經(jīng)歷響應(yīng)增長(zhǎng)和響應(yīng)減弱過(guò)程。通過(guò)分析響應(yīng)開始、增加、減弱、結(jié)束時(shí)段內(nèi)土壤體積含水量的變化情況，探究響應(yīng)增長(zhǎng)和減弱過(guò)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(guò)程響應(yīng)開始時(shí)刻，trm為該過(guò)程響應(yīng)增長(zhǎng)階段結(jié)束時(shí)刻，trn為該過(guò)程響應(yīng)減弱階段結(jié)束時(shí)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(zhǎng)過(guò)程中的絕對(duì)增幅，DQn(l,φ)表示土壤體積含水量在響應(yīng)減弱過(guò)程中的絕對(duì)降幅。

2 個(gè)例分析

分別從2017—2020年江西省A1、A2、A3、A4量級(jí)降水過(guò)程中選取1個(gè)典型個(gè)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(guò)程屬于A1類(圖2a)，最大小時(shí)降水量為4.3 mm，過(guò)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(guò)0.05 g/cm3，變化從最大小時(shí)降水量出現(xiàn)開始，其他層次幾乎無(wú)變化,可以認(rèn)為L(zhǎng)2—L8層的土壤體積含水量對(duì)降水不響應(yīng)。5月26—27日的分宜降水過(guò)程屬于A2類(圖2b)，最大小時(shí)降水量18.1 mm，出現(xiàn)在18時(shí)，過(guò)程降水總量21.6 mm，L1層土壤體積含水量從18時(shí)開始顯著增長(zhǎng)，在降水量達(dá)到最大值的1 h后增長(zhǎng)到最大，達(dá)0.44 g/cm3，然后開始減少，從00時(shí)開始幾乎無(wú)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(guò)程屬于A3類(圖2c)，是典型的短時(shí)強(qiáng)降水類型，降水時(shí)間為15—17時(shí)，最大小時(shí)降水量22.5 mm，過(guò)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(wú)變化，各個(gè)層次的變化趨勢(shì)都是先快速增長(zhǎng)，隨后減小，最后在一定時(shí)段內(nèi)幾乎無(wú)變化。4月13日進(jìn)賢降水過(guò)程屬于A4類(圖2d)，過(guò)程總降水量88.9 mm，為持續(xù)性降水過(guò)程，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)13 h，14時(shí)、15時(shí)的小時(shí)降水量均超過(guò)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(lái)看，當(dāng)降水量很小，沒(méi)有達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，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(jí)時(shí)，所有層均有響應(yīng)。從響應(yīng)過(guò)程看，響應(yīng)使土壤體積含水量先快速增長(zhǎng)，隨后下降，當(dāng)下降到一定程度便穩(wěn)定維持且相對(duì)于降水前仍然維持在一個(gè)較高水平。因此，土壤體積含水量對(duì)降水的響應(yīng)分為兩個(gè)階段：第一階段土壤體積含水量快速增長(zhǎng)并回落到一定水平，稱為短期快速響應(yīng)過(guò)程，第二階段土壤體積含水量隨時(shí)間變化很小，但這種變化維持的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但土壤體積含水量還處在一個(gè)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(guò)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(shí)降水量和各觀測(cè)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(gè)壤土質(zhì)地土壤水分站出現(xiàn)的A1、A2、A3、A4降水過(guò)程在不同觀測(cè)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(guò)程站數(shù)比總和小于50%，A2過(guò)程只有L1層響應(yīng)比總和達(dá)到50%，A3過(guò)程有L1、L2層響應(yīng)比總和超過(guò)50%，A4過(guò)程各層響應(yīng)比的站數(shù)比均超過(guò)50%，但是各層的站數(shù)比不盡相同，A4過(guò)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(guò)程在各觀測(cè)深度的響應(yīng)比的站數(shù)比統(tǒng)計(jì)

圖3是利用2017—2020年江西省36個(gè)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(jì)算得到的不同降水過(guò)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(guò)程的響應(yīng)比平均值在所有觀測(cè)深度都小于30%，認(rèn)為A1過(guò)程在全層次不響應(yīng)；A2過(guò)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(guò)程在L1、L2層響應(yīng)；A3過(guò)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(guò)程在L1—L4層響應(yīng)；A4過(guò)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(guò)程在L1—L7層次響應(yīng)。

文中定義一次降水過(guò)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(duì)不同降水過(guò)程的響應(yīng)可以總結(jié)為A1過(guò)程在各層均無(wú)響應(yīng)，A2過(guò)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(guò)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(shí)間

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

圖5為不同響應(yīng)條件下響應(yīng)增長(zhǎng)和響應(yīng)減弱階段的絕對(duì)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(guò)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(guò)程中土壤體積含水量降幅遠(yuǎn)小于增幅，55%—80%的降水個(gè)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(duì)增(降)幅越大；相同降水過(guò)程類別條件下，土壤層次越靠近地面，土壤體積含水量相對(duì)增(降)幅越大。響應(yīng)過(guò)程中土壤體積含水量相對(duì)降幅遠(yuǎn)小于相對(duì)漲幅，60%—80%的降水過(guò)程僅下降1%以內(nèi)。分析不同響應(yīng)條件下絕對(duì)增(降)幅的響應(yīng)過(guò)程占比情況發(fā)現(xiàn)降幅過(guò)程持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于增幅過(guò)程，說(shuō)明增幅過(guò)程時(shí)間較短，降幅過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，即增、降幅過(guò)程之間的時(shí)間差異大，增、降幅過(guò)程不對(duì)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(duì)增幅(a)、絕對(duì)降幅(b)的降水過(guò)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(cè)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(duì)不同過(guò)程降水的響應(yīng)，得到結(jié)論如下

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

2) 土壤體積含水量對(duì)降水過(guò)程的響應(yīng)分為快速增長(zhǎng)階段和平穩(wěn)減弱兩個(gè)階段，在快速增長(zhǎng)階段土壤體積含水量先快速增長(zhǎng)到最大值，然后緩慢下降，且增長(zhǎng)階段的持續(xù)時(shí)間小于減弱階段的持續(xù)時(shí)間，增長(zhǎng)過(guò)程和減弱過(guò)程不對(duì)稱。

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

本文僅針對(duì)江西省汛期36個(gè)壤土質(zhì)地土壤水分站在不同層次、量級(jí)降水量響應(yīng)特征和響應(yīng)時(shí)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(diǎn)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(shí)降水的時(shí)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(duì)降水的響應(yīng)，還有待進(jìn)一步研究。