貴州喀斯特區域土壤濕度變化規律研究

袁淑杰，何興潼，何 源，谷曉平，潘 媞，于 飛

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

0 引 言

土壤濕度作為地表水文過程的一個綜合指標，積累了地表水文過程的大量信息，也是表征陸面狀況的一個重要物理量，調控著陸面水和能量的收支平衡過程，對全球氣候變化及水循環起著重要作用[1-3]。近年來，在全球變暖的背景下，水資源缺失[4]導致的干旱頻發及區域氣候異常愈發嚴重，直接威脅到工農業生產及人類生存環境，以中國貴州為代表的喀斯特地區，生態系統十分脆弱，土壤-植物-大氣系統運行規律也表現出獨特性[5]，土壤濕度成為喀斯特生態環境的主要制約因子[6]，因此，針對喀斯特區域土壤濕度時空變化特征的研究對于喀斯特區域生態恢復、農業產業化布局及社會經濟發展等具有指導作用[7]。

目前中國土壤濕度時空分布特征的研究主要集中在：基于觀測資料的某一地區土壤濕度時空分布、土壤濕度與氣象要素的相關性研究；基于再分析資料、衛星資料等配合模式的土壤濕度的模擬及時空分布特征。研究區域多集中在東北、華東地區，全國性的研究較少，針對喀斯特區域的研究更少，站點的空間分布較為稀疏[8-12]。馬柱國等[13]應用前人的分析資料和分析結論，總結了土壤濕度與降水量有明顯的正相關關系。Alan Robock等[14]利用各國土壤濕度實測資料研究發現，與溫度升高的夏季干燥預測相反，對于長記錄的臺站，前1m的夏季土壤水分隨溫度升高而增加，降水增加的趨勢超過了增加蒸發的補償。陳少勇等[15]利用黃土高原59個氣象站 1961-2002 年月降水量和 29 個農業氣象觀測站從建站到2002年逐年4-10月旬土壤濕度資料發現，土壤濕度處于動態變化，一般從7月份開始土壤濕度增加，但隨地區不同幅度有差異。王磊等[16]利用1981-1994年新疆土壤濕度資料研究發現土壤濕度和氣候因子之間存在相互響應，土壤濕度與氣溫普遍存在負相關，與降水之間總體響應不明顯。王修信等[17]發現到深度20 cm時，地面氣象因素對土壤濕度影響微弱，在深度40 cm時，兩者幾乎無關。劉博等[18]研究貴州一次降雨過程發現，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。

上述研究所用資料時間尺度大多為旬、月、年，而利用逐日實時觀測資料較少，且站點分布較為稀疏。近幾年來，隨著土壤濕度自動觀測站與觀測網絡的建立，利用逐日實測資料為分析研究該區域土壤濕度時空分布特征提供了有力的支撐，故本文利用貴州喀斯特區域53個土壤濕度自動觀測站2011-2015年10～100 cm逐日實測資料，應用EOF分析法，探尋貴州喀斯特區域土壤濕度的時空分布，并分析可能蒸散、降水量與土壤濕度關系。

1 資料與方法

本研究所用資料均來自于貴州省氣象局，主要包括：2011-2015年53個自動土壤水分觀測站(圖1)的逐日平均土壤濕度、降水、平均氣溫、平均地表溫度、平均相對濕度、平均風速和日照時數資料。

圖1 貴州喀斯特區域站點分布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《GBT 20481～2006 氣象干旱等級》[19]，通過土壤相對濕度(R)對干旱進行等級分類(如表1所示)以及選用Penman-Monteith公式計算可能蒸散，該方法根據水汽擴散理論和能量平衡，綜合考慮了溫度、相對濕度、風速、輻射、日照等因子的影響。

表1 土壤相對濕度干旱指數的干旱等級劃分Tab.1 Drought classification of soil relative humidity drought index

2 結果分析

2.1 土壤濕度空間分布

利用貴州喀斯特區域2011-2015年53個土壤濕度自動觀測站10～100 cm逐日土壤濕度觀測資料，計算5年平均逐旬0～100 cm土壤濕度，應用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土壤濕度統計特征。20～100 cm土壤濕度空間分布圖與相關統計特征表略。可以看出：

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，同一時間，畢節、六盤水、銅仁等地土壤濕度相對較高，威寧、沿河、印江、思南、冊亨土壤濕度相對較低。

(2)10 cm土壤濕度7中旬為42%～82%，9月中旬35%～84%，有些地區有輕、中、重旱發生；3、5月中旬為60%～79%，土壤較濕潤；11、1月中旬土壤濕度為70%～89%，土壤濕潤。

表2 10 cm土壤濕度統計特征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。

(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。同一時間，遵義、都勻、銅仁、安順、興義、六盤水、冊亨地區土壤濕度相對較高，威寧、沿河、正安、天柱、甕安、福泉土壤濕度相對較低。

(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；1、3、5月中旬土壤濕度介于70%～89%，土壤濕潤；11月中旬土壤濕度介于80%～100%，土壤濕潤，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，同一時間，安順、都勻、六盤水、銅仁、凱里、仁懷、遵義地區土壤濕度相對較高，威寧、沿河、正安、榕江、從江、羅甸、務川、鳳岡土壤濕度相對較低。

(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，與30～50 cm土壤濕度相近。

(7)總體來講，同一時間，威寧、沿河、正安、印江、思南地區10～100 cm土壤濕度均較小，銅仁、安順、都勻地區均較大。

2.2 土壤濕度場EOF特征向量

2.2.1 不同深度土壤濕度特征向量累計貢獻率

利用貴州喀斯特區域2011-2015年53個土壤濕度自動觀測站土壤濕度觀測資料進行EOF原始場分析，得出EOF分解后各個主分量的貢獻方差和累計方差貢獻率(表3)。列出前三主分量各自方差與累計方差，結果如下：

表3 10～100 cm土壤濕度累計方差貢獻率(2011-2015)Tab.3 Contribution rate of cumulative variance of 10～100 cm soil moisture in 2011-2015

(1)前三主分量累計方差>98%，所以前三主分量能夠很好的代替原始場的狀況。相比于第三主分量，第二主分量累計方差貢獻率較高，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及擾動場狀況。

(2)第一主分量所占累計方差的貢獻率極高，均超過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為應用EOF方法計算得到的貴州喀斯特區域不同深度土壤濕度第一主分量及對應時間序列，由圖3、4可見：

(1)貴州喀斯特區域10～100 cm土壤濕度最大值集中在習水、羅甸、畢節、銅仁、盤縣、冊亨、仁懷等地，最小值區則在威寧、務川、榕江、從江地區。

(2)貴州喀斯特區域東北部地區務川、沿河、印江等地特征向量較小，西南部安龍、惠水、關嶺等地特征向量值較大。

(3)時間系數上看，10～100 cm土壤濕度時間走勢大致相同，其中，1月中旬、11月中旬、9月下旬、6月上旬出現極大值，表明對應時間土壤濕度達到最大值，反之，3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出現極小值，對應時間土壤濕度實際值較小。

貴州喀斯特區域土壤濕度第二主分量(圖略)可以代表貴州喀斯特區域10～100 cm擾動場，除20 cm為以仁懷、習水為中心的分布外，其余土層均為東北-西南向相反分布類型。從時間系數來看，系數越遠離0，兩種相反分布型差別越大；從走勢上來看，除100 cm走勢不一致外，其余大致走勢一致。

2.3 可能蒸散、降水對土壤濕度的影響

2.3.1 可能蒸散、降水量空間分布

利用貴州喀斯特區域2011-2015年52個地面氣象站逐日平均氣溫、平均地表溫度、平均相對濕度、平均風速、日照時數和降水量資料，分別計算其逐日可能蒸散，再計算5年平均逐旬可能蒸散與降水量，應用Arcgis克里金插值法，得到可能蒸散、降水量逐旬空間分布圖，并統計相關可能蒸散、降水量特征。圖5、6為貴州喀斯特區域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、降水量統計特征。

由圖5可見，貴州喀斯特區域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，貴州喀斯特區域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、降水量對土壤濕度的影響有一定程度的滯后性，當旬土壤濕度并不一定與當旬可能蒸散、降水量相關性最好，而可能與前幾旬可能蒸散、降水量相關性更好，可能蒸散、降水量對土壤濕度影響的滯后時間可能不同。

根據前人研究成果[20]，本文選取溫暖農業氣候區(鎮遠為代表站，下同)、溫和農業氣候區(鳳岡)，溫涼農業氣候區(納雍)為代表，研究可能蒸散、降水量對土壤濕度的影響。對春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-2月)分別計算某旬土壤濕度和當旬可能蒸散與降水、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算相關性。

表4為2011-2015年鎮遠10～100 cm土壤濕度與可能蒸散、降水量相關性。由表4可見，春季可能蒸散均未通過顯著性檢驗；夏季當旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關系數絕對值最大，為-0.53，通過0.01顯著性檢驗，負相關，即夏季當旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關性最好，夏季當旬可能蒸散對10 cm土壤濕度的影響最大；秋季前兩旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關性最好，通過0.01顯著性檢驗，負相關，秋季前兩旬可能蒸散對10 cm土壤濕度的影響最大；冬季前一旬可能蒸散與10 cm土壤濕度相關性最好，通過0.01顯著性檢驗，正相關，冬季前一旬可能蒸散對10 cm土壤濕度的影響最大。春季前兩旬降水量與10 cm土壤濕度相關系數絕對值最大，為0.41，通過0.05顯著性檢驗，正相關，即春季前兩旬降水量與10 cm土壤濕度相關性最好，春季前兩旬降水量對10 cm土壤濕度的影響最大，夏季當旬降水量與10 cm土壤濕度相關性最好，夏季當旬降水量對10 cm土壤濕度影響最大。秋、冬季均未通過顯著性檢驗。

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：*表示通過了0.05的顯著性檢驗，**表示通過0.01的顯著性檢驗。

應用同樣方法，對其他土層及其他站點分析結果表明：

(1)春季：鎮遠、納雍、鳳岡可能蒸散與0～100 cm土壤濕度的相關性較差，可能蒸散對10～100 cm土壤濕度的影響較小。

夏季：鎮遠、納雍、鳳岡前一旬或前兩旬可能蒸散與10～50 cm土壤濕度相關系數較大，相關性較好，均為負相關。鎮遠、納雍、鳳岡可能蒸散對10～50 cm土壤濕度的影響較大。可能蒸散與60～100 cm土壤濕度的相關性較差，鎮遠、納雍、鳳岡可能蒸散對60～100 cm土壤濕度的影響較小。

秋季：鎮遠、納雍、鳳岡前一旬或者前兩旬可能蒸散與10～50 cm土壤濕度的相關性較好，鎮遠、納雍、鳳岡可能蒸散對0～50 cm土壤濕度的影響較大，可能蒸散對60～100 cm土壤濕度影響較小。

冬季：鎮遠、納雍、鳳岡可能蒸散與10～100 cm土壤濕度的相關性較差，鎮遠、納雍、鳳岡可能蒸散對10～100 cm土壤濕度的影響較小。

(2)春季：鎮遠、納雍、鳳岡前兩旬降水與10～50 cm土壤濕度的相關性較好，為正相關，降水對10～50 cm土壤濕度的影響較大，降水對60～100 cm土壤濕度的影響較小。

夏季：鎮遠、納雍、鳳岡降水與土壤濕度的相關性較好，降水對土壤濕度的影響較大。鎮遠前一旬降水與10～60 cm土壤濕度相關性較好，為正相關；納雍前一旬或當旬降水與10～50 cm土壤濕度影響相關性較好；鳳岡前一旬或當旬降水對10～30 cm土壤濕度影響最大。

秋季：鎮遠、納雍降水與土壤濕度的相關性均未通過顯著性檢驗，鳳岡前一旬或前兩旬降水對土壤濕度影響最大。

冬季：鎮遠、納雍、鳳岡降水與土壤濕度的相關性較好，降水對土壤濕度的影響較大。鎮遠、鳳岡冬季前一旬降水對10～20 cm土壤濕度影響最大；納雍前三旬降水對60～100 cm影響最大，為負相關。

3 結 語

(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。總體來講，同一時間，威寧、沿河、正安、印江、思南地區10～100 cm土壤濕度均較小，銅仁、安順、都勻地區均較大。

(2)時間上，10～50 cm土壤濕度7、9月中旬相對偏低，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；11、1月中旬土壤濕度為70%～89%，土壤濕潤。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。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，與30～50 cm土壤濕度相近。

(4)10～100 cm土壤濕度場第一主分量、第二主分量收斂速度快，方差累計貢獻率超過98%，能夠很好的代表原始場和擾動場狀況。第一主分量最大值集中在習水、羅甸、畢節、銅仁、盤縣、冊亨、仁懷，最小值主要在威寧、務川、榕江、從江。貴州喀斯特區域東北部地區務川、沿河、印江等地特征向量較小，西南部安龍、惠水、關嶺等地特征向量值較大。

(5)時間系數上，10～100 cm土壤濕度時間序列所代表的土壤濕度的時間走勢大致相同，1月、11月中旬、9月下旬、6月上旬出現極大值，表明對應時間土壤濕度達到最大值，反之，3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出現極小值，對應時間土壤濕度實際值較小。

(6)鎮遠、納雍、鳳岡春季可能蒸散對土壤濕度的影響較小；夏季可能蒸散對10～50 cm影響的滯后時間為一旬，60～100 cm兩者相關性較低；秋季可能蒸散對10～50 cm土壤濕度影響的滯后時間為一旬或者兩旬，60～100 cm兩者相關性較低；冬季，10～50 cm可能蒸散對土壤濕度的影響較小。

(4)春季，鎮遠降水對10～60 cm土壤濕度影響的之后時間為兩旬，納雍降水對土壤濕度影響不明顯，鳳岡春季降水對10～30 cm土壤濕度影響的滯后時間為當旬或一旬；夏季，鎮遠、納雍、鳳岡降水對10～30 cm土壤濕度影響滯后時間為當旬或者一旬；秋季，鎮遠、納雍、鳳岡降水對土壤濕度影響不明顯。冬季，鎮遠、鳳岡降水對10～20 cm影響滯后時間為一旬。

本文僅討論了貴州喀斯特地區10～100 cm土壤水分時空分布特征，以及簡要的探討了降水、氣溫及土層相互作用的影響，而對地下水、植被、灌溉及土質等影響還未涉及，貴州喀斯特地區土壤水分未來變化的相關情況有待進一步研究和探討。