寒區(qū)春季融雪期表層土壤濕度變化與影響因素分析

王子龍 林百健 姜秋香 付 強(qiáng) 陳偉杰 孫 健

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

土壤濕度是土壤旱澇評(píng)價(jià)的直觀指標(biāo)，在控制陸氣間水熱平衡中起著重要作用[1-2]。土壤是水熱循環(huán)的關(guān)鍵紐帶，其濕度主要通過輻射通量、潛熱通量和感熱通量等方式的變化而變化，從而影響云和降水的時(shí)空分布特征[3-5]。溫度和降水作為改變土壤濕度的主控因子，其時(shí)空分布存在一定差異性，導(dǎo)致土壤濕度變化的空間異質(zhì)性較高[6-7]。尤其在季節(jié)性積雪區(qū)，溫度回升、積雪融化、降雨均會(huì)對(duì)春季表層土壤濕度產(chǎn)生較大影響。因此，探究溫度和降水對(duì)春季表層土壤濕度的影響具有重要意義。

在季節(jié)性積雪區(qū)，由于多年來全球變暖及積雪的顯著減少，導(dǎo)致春季土壤水熱狀況發(fā)生較大變化[8-9]。梳理相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，春季土壤濕度研究主要集中于分布特征及影響因素方面。MCNAMARA等[10]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型模擬分析了土壤濕度的變化特征，認(rèn)為春季后期土壤濕度主要由降雨、融雪和蒸發(fā)之間的水熱平衡作用驅(qū)動(dòng)；CLARK等[11]根據(jù)美國西部春季土壤濕度和土壤溫度在區(qū)域上的演變特征，證實(shí)了積雪在年際間空間位置上的分布不均，將導(dǎo)致土壤濕度、土壤溫度和相關(guān)生物產(chǎn)生較大差異；SHINODA[12]利用雪深數(shù)據(jù)及其與土壤濕度間的相關(guān)程度，發(fā)現(xiàn)年際間季節(jié)性積雪累積量越大，則春季土壤濕度越高，反之則低；STEWART等[13]和HAMLET等[14]研究了美國西部?jī)?nèi)陸地區(qū)春季土壤水分及地表徑流情況，發(fā)現(xiàn)引起土壤水分和徑流變化的主控因素為春季降雨而非積雪，積雪的作用相對(duì)微弱；LOPEZMORENO等[15]發(fā)現(xiàn)，積雪累積和消融過程中，由于森林地區(qū)樹木截取、遮蔭及短波輻射的限制，導(dǎo)致局部土壤濕度空間分布存在差異；劉緒軍等[16]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤在凍融交替時(shí)期，大氣環(huán)境與土壤水熱之間存在強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，大氣環(huán)境變化必然導(dǎo)致土壤水分、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；DOUVILLE等[17]利用Meteo-France GCM模型研究了融雪作用，結(jié)果表明，春季融雪對(duì)夏季土壤濕度影響較大，而對(duì)氣溫影響相對(duì)較弱。在量化區(qū)域表層土壤濕度變化過程中，需要表層土壤濕度的長期數(shù)據(jù)資料，由于傳統(tǒng)手段獲取土壤濕度數(shù)據(jù)主要通過地面觀測(cè)，而在非植物生長期數(shù)據(jù)缺失較為嚴(yán)重，且時(shí)空分布存在不連續(xù)現(xiàn)象[18-19]。因此，長時(shí)間序列的春季表層土壤濕度及其影響因素研究數(shù)據(jù)主要源于遙感輸出、模型模擬和數(shù)據(jù)同化等，這為研究土壤濕度與影響因素間的相互關(guān)系提供了有力保障。目前，從區(qū)域視角和時(shí)序演變維度開展春季融雪時(shí)期表層土壤濕度變化及其具體驅(qū)動(dòng)因素的研究相對(duì)較少，而這方面研究對(duì)于深入了解春季土壤濕度時(shí)空變化規(guī)律具有實(shí)際意義。

鑒于此，為研究春季融雪期表層土壤濕度變化及其具體驅(qū)動(dòng)因素，本文以多年遙感和模擬數(shù)據(jù)為基本資料，針對(duì)松嫩平原黑土區(qū)春季融雪期表層土壤濕度變化特征，通過定性和定量分析的方法，揭示積雪、降雨、溫度因素對(duì)表層土壤濕度變化的影響，以期為春季表層土壤水資源循環(huán)效應(yīng)提供參考，為農(nóng)作物規(guī)劃、合理安排播種及灌溉時(shí)間提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of study area

松嫩平原黑土區(qū)位于黑龍江省，該區(qū)域地理位置為44°～52°N、124°～130°E，共有23個(gè)縣市區(qū)，是我國重要糧食生產(chǎn)基地，如圖1所示。受大陸性季風(fēng)氣候影響，該地區(qū)屬于典型的半濕潤半干旱地區(qū)，且冬季寒冷漫長，夏季濕熱多雨。該區(qū)域是我國典型的三大季節(jié)性積雪區(qū)之一，冬季積雪累積期主要集中在12月至次年2月，此時(shí)期整個(gè)研究區(qū)均有積雪覆蓋，歷年2月積雪覆蓋厚度達(dá)到最大，多年來最大積雪覆蓋厚度均值達(dá)17.9 cm，且3月積雪開始融化，至4月中旬融化完全，因此，定義3月為融雪前期，4月為融雪后期，農(nóng)作物播種期在歷年5月。受地理位置的影響，其淺層土壤主要以黑土和黑鈣土為主，歷年來最低氣溫均出現(xiàn)在1月，最高氣溫出現(xiàn)在8月，年平均氣溫在2.5～4.7℃之間變化，年降水量為529 mm，年蒸發(fā)量為1 326 mm，生態(tài)植被對(duì)氣候變化較為敏感。

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1積雪數(shù)據(jù)

本文使用的積雪數(shù)據(jù)集來自中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥west dc.westgis.ac.cn/)提供的長時(shí)間序列雪深數(shù)據(jù)集，此數(shù)據(jù)集原始數(shù)據(jù)源于美國冰雪數(shù)據(jù)中心(https:∥nsidc.org/)提供的逐日被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)，由我國學(xué)者結(jié)合中國實(shí)際情況在Chang算法上進(jìn)行雪深反演得到。其空間分辨率為0.25°×0.25°，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，且使用廣泛[20-22]。本文采用的數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為1979—2010年，鑒于數(shù)據(jù)原始格式為ASCII碼，需要采用 ArcGIS 10.2 軟件進(jìn)行處理，并統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Albers投影，將日雪深數(shù)據(jù)集合成最大雪深數(shù)據(jù)，并提取松嫩平原黑土區(qū)雪深數(shù)據(jù)集。

1.2.2GLDAS數(shù)據(jù)

GLDAS數(shù)據(jù)是由美國航空航天局(NASA)戈達(dá)德空間飛行中心(GSFC)、美國海洋和大氣局(NOAA)國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)聯(lián)合發(fā)布。充分將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，并采用最優(yōu)陸面模式通過最先進(jìn)的同化技術(shù)，從而生成陸面氣溫、降雨量及土壤濕度等通量數(shù)據(jù)[23]。本文采用的氣溫、降雨量、土壤濕度數(shù)據(jù)來自于GLDAS-2與NOAH模型結(jié)合所生成，選取時(shí)間尺度范圍為1979—2010年，其空間分辨率為0.25°×0.25°。其中降雨量單位為kg/(m2·s),轉(zhuǎn)換為月降水量(mm)；氣溫單位換算為℃，由于表層土壤濕度對(duì)氣候的響應(yīng)較為敏感，且對(duì)前期氣候因素記憶性較短[24]，故文中選取表層土壤濕度0～10 cm數(shù)據(jù)集，并將土壤濕度單位換算為m3/m3。目前，已從多方面驗(yàn)證GLDAS數(shù)據(jù)集，證明其質(zhì)量可靠性較高，在氣候、水文等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6,25-31]。

1.3 研究方法

在數(shù)據(jù)處理分析過程中，使用的方法主要包括一元線性回歸分析、相關(guān)分析、滑動(dòng)平均法、F檢驗(yàn)法及相對(duì)貢獻(xiàn)率法。具體方法介紹如下：

(1)為探究寒區(qū)春季融雪期表層土壤濕度、積雪深度、溫度、降雨量及總降水量的時(shí)空變化情況，基于一元線性回歸方法，分析研究對(duì)象在1979—2010年間長序列變化趨勢(shì)，其線性趨勢(shì)采用最小二乘法擬合，計(jì)算公式為

(1)

式中Trend——趨勢(shì)斜率

n——研究時(shí)段年數(shù)

i——年序號(hào)

Mi——第i年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)值

(2)針對(duì)表層土壤濕度與各影響因子間的相關(guān)性特征，通過逐像元的空間分析方法，計(jì)算不同時(shí)期各因子與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)，從而辨析春季融雪期表層土壤濕度與不同時(shí)期降雨量、積雪量、氣溫及總降水量間的響應(yīng)關(guān)系，其計(jì)算公式為

(2)

式中ρxy——x與y變量間的相關(guān)系數(shù)

xi——第i年不同時(shí)期的土壤濕度

yi——第i年不同時(shí)期的降雨量、積雪深度、氣溫和總降水量

(3)在計(jì)算春季總降水量時(shí)，需要將雪深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雪水當(dāng)量數(shù)據(jù)[32]，其轉(zhuǎn)換公式為

(3)

式中θSWE——雪水當(dāng)量

ρ——積雪密度d——積雪深度

z——積雪深度變化量

(4)為定量研究多年各時(shí)期的降雨量、積雪深度、溫度及總降水量對(duì)春季表層土壤濕度的貢獻(xiàn)量，通過二元線性回歸方法，對(duì)不同時(shí)期的積雪場(chǎng)、降雨場(chǎng)、降水場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行回歸，這一理論在分離海表溫度內(nèi)外部變化上應(yīng)用較為廣泛[33-34]，其回歸方程為

S*=aPi+bTi+C

(4)

式中S*——土壤濕度回歸場(chǎng)

Pi——各時(shí)段積雪、降雨、降水的時(shí)間序列

Ti——各時(shí)段溫度的時(shí)間序列

a、b——回歸系數(shù)

C——常數(shù)項(xiàng)

根據(jù)式(4)可知，積雪深度、降雨量、總降水量對(duì)春季融雪期表層土壤濕度變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率計(jì)算式為

(5)

式中 ΔS*、ΔPi——第1個(gè)10年與最后1個(gè)10年平均S*和總降水量的變化量

同理可知，氣溫對(duì)春季土壤濕度變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率計(jì)算式為

(6)

式中 ΔTi——第1個(gè)10年與最后1個(gè)10年平均溫度的變化量

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤濕度與影響因子時(shí)空變化特征

2.1.1時(shí)間變化特征

圖2 1979—2010年松嫩平原黑土區(qū)不同時(shí)期各影響因子和土壤濕度異常變化曲線Fig.2 Anomalous changes of various influencing factors and soil moisture in different periods of black soil region of Songnen Plain from 1979 to 2010

近百年來，由于土壤濕度和大氣間形成的反饋機(jī)制嚴(yán)重影響了能量和水分的交換，導(dǎo)致全球變暖和局部土壤干燥更加明顯[6]。自20世紀(jì)50年代以來，東北地區(qū)春季氣溫大幅上升和局部降水減少導(dǎo)致表層土壤濕度發(fā)生較大變化[35]。圖2(圖中藍(lán)線為距平時(shí)間序列，紅線為3年滑動(dòng)平均值，K是計(jì)算的趨勢(shì)值)為1979—2010年松嫩平原黑土區(qū)春季融雪期表層土壤濕度及影響因子的時(shí)間變化特征曲線。由圖2a、2b可知，30多年來，松嫩平原黑土區(qū)在融雪前、后期溫度變化均呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，其中1979—1995年間增加趨勢(shì)較為迅速，而自1995年后增溫現(xiàn)象趨于平緩；由圖2c可知，就整個(gè)融雪期平均溫度變化趨勢(shì)而言，自1985年起溫度開始迅速提升，且整體變化一直呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但整個(gè)融雪期平均升溫速率明顯高于其融雪前、后期溫度變化速率。由于地理位置所致，研究區(qū)融雪后期會(huì)伴隨降雨現(xiàn)象，由圖2f可知，融雪后期降雨量在長時(shí)間尺度上減小速率為0.18 mm/(10 a)，但其整體波動(dòng)幅度較大，僅在2000年以后表現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)；融雪作為影響春季表層土壤濕度的重要因子，由圖2g可知，其長期變化趨勢(shì)整體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，多年降低趨勢(shì)速率達(dá)0.53 cm/(10 a)，但積雪深度在2010年發(fā)生突變，突變后積雪深度距平值達(dá)11.34 cm。較降雨量和降雪量多年變化特征相比，由圖2h可知，多年總降水量變化呈降低趨勢(shì)，其多年變化速率為-0.61 mm/(10 a)，其中1985—1997年間下降最為明顯，此后其整體變化呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但由于積雪在2010年出現(xiàn)極大雪深現(xiàn)象，導(dǎo)致總降水量在此年度較大。鑒于氣溫和降水的變化必然將導(dǎo)致土壤濕度發(fā)生變動(dòng)，由圖2d可知，在松嫩平原黑土區(qū)，多年融雪前期表層土壤濕度以每10年0.004 m3/m3的速率下降，且顯著超過了95%的置信水平；如圖2e所示，由于融雪后期降雨的影響，導(dǎo)致多年來融雪后期表層土壤濕度年代際波動(dòng)特征較融雪前期存在一定差異性，主要表現(xiàn)為1979—1987年融雪后期表層土壤濕度快速向干旱化方向過渡，在1987—1997年間融雪后期表層土壤濕度保持相對(duì)穩(wěn)定，變幅較小，而在1997年以后朝著濕潤化方向發(fā)展。

圖3 1979—2010年松嫩平原黑土區(qū)不同時(shí)期各影響因子和土壤濕度空間變化趨勢(shì)Fig.3 Spatial variation trends of various influencing factors and soil moisture in different periods of black soil region of Songnen Plain from 1979 to 2010

2.1.2空間變化特征

圖3(圖中黑點(diǎn)處為變化趨勢(shì)通過95%顯著性檢驗(yàn)的地區(qū))為32年來融雪各時(shí)期表層土壤濕度及影響因子的空間分布特征。由圖3a可知，融雪前期多年溫度升高了0.8～1.5℃，且南部的升溫速率明顯高于北部，但僅東南少部分地區(qū)趨勢(shì)變化較為顯著(P<0.05)；由圖3b可知，融雪后期溫度的升溫速率約為前期升溫速率的兩倍，而其空間趨勢(shì)分布特征由西南向西北方向遞減；由圖3c可知，多年融雪期平均溫度整體呈增加趨勢(shì)，且增溫幅度由北向南依次遞增，尤其在綏化市以南地區(qū)增溫最為顯著；由圖3d可知，松嫩平原黑土區(qū)多年積雪深度變化呈現(xiàn)南增北減趨勢(shì)，其減小趨勢(shì)表現(xiàn)最為明顯地區(qū)主要在北安市和五大連池市等地；由圖3e可知，多年融雪前期表層土壤濕度在整個(gè)研究區(qū)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但其降低程度存在一定差異，如五大連池市下降趨勢(shì)最為明顯(P<0.05)，而在依安、呼蘭縣及其以南地區(qū)在均值-0.000 4 m3/m3左右波動(dòng)，且較為顯著，其余地區(qū)下降幅度相對(duì)較低。至融雪后期殘留的積雪完全融化，由圖3f可知，多年融雪后期降雨量呈南增北減的趨勢(shì)，尤其在呼蘭縣以南地區(qū)增加幅度相對(duì)較高；由圖3g可知，融雪期總降水量的增加趨勢(shì)主要分布在研究區(qū)西南一帶，其像元統(tǒng)計(jì)量占研究區(qū)像元總數(shù)的48.2%，其余地區(qū)呈減小趨勢(shì)，極少部分地區(qū)通過了顯著性檢驗(yàn)；由圖3h可知，就融雪后期表層土壤濕度而言，由于其主要受溫度、降雨和融雪的影響，故研究區(qū)大部分地區(qū)變化趨勢(shì)與積雪深度(圖3d)、降雨量(圖3f)、總降水量(圖3g)均存在一定的相似處，主要表現(xiàn)為南部地區(qū)均高于北部地區(qū)，但少數(shù)地區(qū)也存在一定的差異，如在慶安縣部分地區(qū)土壤濕度也會(huì)表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。綜上所述，松嫩平原黑土區(qū)融雪前期表層土壤濕度表現(xiàn)為不同程度的降低趨勢(shì)，而融雪后期表層土壤濕度則呈現(xiàn)南增北減趨勢(shì)，由此可知，融雪前期表層土壤濕度變化趨勢(shì)與溫度變化有關(guān)，而融雪后期表層土壤濕度變化趨勢(shì)與降水有關(guān)，但融雪前期降雪和后期溫度可能也在一定程度上影響土壤濕度，因此需要更進(jìn)一步分析其具體影響特征。

2.2 表層土壤濕度與各因子間相關(guān)關(guān)系分析

為探索春季融雪期表層土壤濕度與各影響因子間的響應(yīng)關(guān)系，基于1979—2010年各融雪時(shí)期表層土壤濕度及影響因子數(shù)據(jù)，分析春季融雪時(shí)期表層土壤濕度與各因子間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖4a、4d可知，多年來融雪前期表層土壤濕度與此時(shí)期溫度的相關(guān)程度較弱，但其與多年積雪深度之間存在較好的相關(guān)性，即當(dāng)冬季積雪深度偏高(或偏低)時(shí)，融雪前期表層土壤濕度增加(或減少)；由圖4e可知，融雪后期表層土壤濕度與冬季積雪深度不存在相關(guān)性，表明冬季積雪深度對(duì)春季融雪后期表層土壤濕度影響較低。綜上可知，隨著春季溫度的不斷升高，冬季積雪在融雪前期已基本融化，從而在融化前期補(bǔ)給表層土壤，而后期補(bǔ)給表層土壤水分含量相對(duì)較少，因此積雪已不再是影響融雪后期土壤濕度的主要因素，但對(duì)融雪后期土壤濕度影響還存在一定的不確定性。圖4b、4c為融雪后期溫度、降雨量與融雪后期表層土壤濕度的相關(guān)關(guān)系，其結(jié)果表明，融雪后期降雨量和此時(shí)期表層土壤濕度相關(guān)程度較高，而融雪后期溫度與此時(shí)期表層土壤濕度相關(guān)程度較弱。由此可知，融雪后期降雨量是影響此時(shí)期表層土壤濕度的關(guān)鍵因素；就整個(gè)積雪融化期而言，進(jìn)一步計(jì)算了融雪期總降水量與融雪后期表層土壤濕度的相關(guān)關(guān)系，由圖4f可知，總降水量與融雪后期表層土壤濕度間存在一定的相關(guān)性。綜上可知，融雪后期表層土壤濕度對(duì)融化期總降水量和融化后期降雨量的依賴性要強(qiáng)于溫度，但年際內(nèi)降水的積極作用可能會(huì)在一定程度上掩蓋溫度對(duì)表層土壤濕度的作用，主要由于降水和溫度對(duì)表層土壤濕度影響存在一定的空間局限性。鑒于此，需進(jìn)一步明確春季表層土壤濕度對(duì)降水和溫度在空間上的具體響應(yīng)關(guān)系。

圖4 各影響因子與不同時(shí)期土壤濕度的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation between meteorological factors and soil moisture in different periods

2.3 表層土壤濕度與溫濕指數(shù)間相關(guān)關(guān)系

由于表層土壤濕度的記憶性相對(duì)較短，對(duì)前期氣候信息的存儲(chǔ)能力有限，且表層土壤受外界因素影響較大[24]，因此短時(shí)間尺度上溫度和降水最能直觀反映表層土壤濕度的變化情況。為了更好反映空間位置上表層土壤濕度對(duì)影響因子共同作用下的響應(yīng)程度，引入溫濕指數(shù)的概念，其主要通過降水量和溫度的比值來描述，以此辨析春季融雪時(shí)期表層土壤濕度和積雪深度、溫度、降雨量及總降水量同時(shí)作用下的響應(yīng)關(guān)系。

松嫩平原黑土區(qū)春季融雪時(shí)期表層土壤濕度對(duì)不同溫濕指數(shù)的相關(guān)關(guān)系如圖5所示。圖5a為融雪前期表層土壤濕度與溫濕指數(shù)(積雪深度與融雪前期溫度比值)間的相關(guān)關(guān)系，由圖可知，除嫩江縣、依安縣等地區(qū)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)外，其余地區(qū)均呈正相關(guān)關(guān)系，且大部分地區(qū)均通過了90%的置信水平檢驗(yàn)；圖5b為融雪后期表層土壤濕度和溫濕指數(shù)(積雪深度與融雪期平均溫度比值)間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示，嫩江縣及其周邊地區(qū)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，而其南部地區(qū)正相關(guān)關(guān)系較弱或呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其在綏棱縣、慶安縣等地負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)。由此可知，鑒于影響因子時(shí)空變化的非均勻性，松嫩平原黑土區(qū)大部分地區(qū)融雪前期表層土壤濕度主要受積雪的影響，但在研究區(qū)北部由于積雪深度偏大且融化時(shí)間相對(duì)遲緩，導(dǎo)致部分地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)現(xiàn)象；隨著溫度的不斷升高，研究區(qū)殘留積雪在融雪后期全部融化，故其北部表層土壤濕度表現(xiàn)為正相關(guān)現(xiàn)象，而研究區(qū)南部由于積雪的補(bǔ)給作用降低，從而溫度的蒸發(fā)作用增強(qiáng)。由圖5c可知，融雪后期表層土壤濕度與溫濕指數(shù)(融雪后期降雨量與融雪后期溫度比值)呈正相關(guān)關(guān)系，且大部分地區(qū)相關(guān)程度較高，而相關(guān)系數(shù)在空間上表現(xiàn)為由北向南逐漸遞增規(guī)律，這主要與融雪后期降雨呈南多北少的分布特征有關(guān)。圖5d表示融雪后期表層土壤濕度與溫濕指數(shù)(總降水量與平均溫度比值)間相關(guān)關(guān)系，由圖可知，在研究區(qū)南部和北部地區(qū)正相關(guān)系數(shù)較高，表明該地區(qū)對(duì)降水的作用較為明顯，而在研究區(qū)中間地區(qū)相關(guān)現(xiàn)象不明顯，其主要原因是由于在總降水少的部分地區(qū)，溫度對(duì)表層土壤濕度的蒸發(fā)作用與降水對(duì)表層土壤濕度的補(bǔ)給作用相當(dāng)，故兩者之間的反向作用相互弱化了其對(duì)表層土壤濕度影響。綜上所述，在季節(jié)性積雪區(qū)，積雪作為冬季主要的地表覆蓋物會(huì)累積至次年春季，從而起到增加春季表層土壤濕度的作用，然而融雪水只是春季表層土壤水分的補(bǔ)給來源之一，在積雪作用減弱時(shí)期，降雨則是土壤濕度的重要補(bǔ)充，而溫度控制表層土壤水分的蒸發(fā)過程，故溫度作用一定程度上會(huì)縮小土壤濕潤化進(jìn)程。

圖5 土壤濕度與不同時(shí)段溫濕指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系Fig.5 Response of soil moisture to temperature and humidity index in different time periods

2.4 表層土壤濕度變化與影響因子間的響應(yīng)規(guī)律

基于松嫩平原黑土區(qū)多年各影響因子變化特征，從而辨析春季表層土壤濕度的響應(yīng)機(jī)制。圖6為春季表層土壤濕度變化速率與影響因子間多年變化速率關(guān)系。如圖6a所示，融雪前期土壤濕度的變化速率為積雪深度和溫度兩種因素誘導(dǎo)所致。當(dāng)多年溫度整體呈增加趨勢(shì)時(shí)，融雪前期表層土壤濕度均呈減小趨勢(shì)；由溫度的變化方向可知，溫度幅度增加越明顯，則土壤濕度減小程度越大；而由積雪深度幅度變化方向可知，積雪深度幅度朝著增加趨勢(shì)方向發(fā)展時(shí)，融雪前期表層土壤濕度減小程度逐漸減弱；當(dāng)積雪深度減小速率和溫度增加速率幅度均較大時(shí)，土壤濕度減小最為明顯，但伴隨著積雪深度速率的增加，土壤濕度減小速率相對(duì)降低。由此可知，多年溫度變化速率決定了融雪前期表層土壤濕度的發(fā)展方向，但多年積雪深度的增加速率沒有導(dǎo)致融雪前期土壤濕度向增加趨勢(shì)方向發(fā)展，因此，只能說相應(yīng)積雪深度的增加速率對(duì)土壤濕度減小起到了一個(gè)抑制作用。圖6b為融雪后期表層土壤濕度變化速率與此時(shí)期溫度、降雨量變化速率關(guān)系。由圖可知，降雨作為影響融雪后期表層土壤濕度關(guān)鍵因子，主要起到了“控制器”的作用，其主要表現(xiàn)如下：當(dāng)多年融雪后期降雨量速率大于0 mm/a時(shí)，土壤濕度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，反之，除個(gè)別地區(qū)土壤濕度大于零外，大部分土壤濕度呈減小趨勢(shì)，而小部分地區(qū)土壤濕度大于零可能由于融雪后期殘留的積雪融化所致；溫度越高，那么土壤水分蒸發(fā)作用越明顯，故沿溫度速率增加的方向可知，土壤濕度呈微弱減小趨勢(shì)，但影響關(guān)系存在不明顯現(xiàn)象。圖6c表示融雪后期土壤濕度與多年積雪深度及融雪期平均溫度的速率變化關(guān)系，由圖可知，融雪后期表層土壤濕度變化趨勢(shì)在平均溫度和積雪深度的作用下沒有明顯的變化規(guī)律。圖6d為融雪后期表層土壤濕度與多年冬春季節(jié)累計(jì)總降水量及平均溫度的關(guān)系，由圖可知，融雪后期土壤濕度的變化速率由總降水量變化速率決定，而溫度的速率變化表現(xiàn)不明顯，其主要表現(xiàn)在當(dāng)總降水量速率增加時(shí)，融雪后期表層土壤濕度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，從而也進(jìn)一步印證了降水是控制融雪后期表層土壤濕度的主要因素，控制了土壤濕度的變化方向，總降水量速率變化會(huì)在一定程度上掩蓋溫度作用的影響。

圖6 土壤濕度變化速率與積雪深度、降雨量、總降水量及溫度變化速率關(guān)系Fig.6 Relationships between soil moisture change and snow, rainfall, total precipitation and temperature trends

2.5 表層土壤濕度變化與影響因子間貢獻(xiàn)率計(jì)算

在季節(jié)性積雪區(qū)，冬季最大積雪深度、春季溫度及降雨量的時(shí)空演變會(huì)對(duì)表層土壤濕度變化產(chǎn)生一定的影響[10]，因此，針對(duì)融雪期土壤濕度變化趨勢(shì)及其與影響因子間響應(yīng)關(guān)系，基于定量化方法計(jì)算了影響融雪期表層土壤濕度因素的貢獻(xiàn)率，進(jìn)而明確了長時(shí)間序列上影響因子變化對(duì)土壤濕度的具體驅(qū)動(dòng)因素。由于本文計(jì)算的貢獻(xiàn)率為相對(duì)貢獻(xiàn)率，故其相對(duì)貢獻(xiàn)率之和為100%，其結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，各影響因子對(duì)表層土壤濕度貢獻(xiàn)率存在一定的空間異質(zhì)性。圖7a、7d為融雪前期表層土壤濕度變化與此時(shí)期溫度及積雪深度貢獻(xiàn)率空間分布圖，總體來看，積雪深度變化趨勢(shì)對(duì)融雪前期土壤濕度的平均相對(duì)貢獻(xiàn)率為39.4%，而溫度變化趨勢(shì)的平均相對(duì)貢獻(xiàn)率60.6%，從而進(jìn)一步說明融雪前期溫度的升高作用強(qiáng)于降雪減少所引起的表層土壤濕度變化，同時(shí)溫度的升高和降雪的減少作用將導(dǎo)致融雪前期土壤濕度的降低趨勢(shì)放大了1倍。圖7b、7e為融雪后期溫度、降雨量對(duì)融雪后期土壤濕度變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率，研究區(qū)南部地區(qū)降雨的貢獻(xiàn)率較高，而北部地區(qū)溫度的貢獻(xiàn)率較高。整體而言，融雪后期降雨對(duì)融雪后期表層土壤濕度的平均貢獻(xiàn)率為59.6%，融雪后期溫度的平均貢獻(xiàn)率為40.4%，由此可知，降雨的貢獻(xiàn)率明顯強(qiáng)于溫度的貢獻(xiàn)率，再次證明降雨是影響融雪后期土壤濕度變化的主要因子。圖7c、7f為融雪期平均溫度及總降水量對(duì)春季融雪后期表層土壤濕度變化的貢獻(xiàn)率，其中松嫩平原黑土區(qū)總降水量對(duì)土壤濕度的相對(duì)貢獻(xiàn)率均值為55.9%，平均溫度的貢獻(xiàn)率均值為44.1%，結(jié)果表明，當(dāng)降雪和降雨同時(shí)作用時(shí)，總降水量多年變化趨勢(shì)作用依舊高于溫度變化趨勢(shì)作用，而這種變化趨勢(shì)作用會(huì)在一定程度上影響春季融雪后期表層土壤濕度的干濕化進(jìn)程。

圖7 總降水量、積雪深度、降雨量、溫度對(duì)不同時(shí)期土壤濕度的相對(duì)貢獻(xiàn)率Fig.7 Relative contribution rates of precipitation, snow cover, rainfall and temperature to soil moisture in different periods

3 討論

在季節(jié)性積雪區(qū)，春季融雪期表層土壤濕度變化受多方面因素影響，而氣溫和降水是春季表層土壤濕度變化的主要因素[10]，氣候影響因子變化會(huì)在一定程度上制約局部地區(qū)春季表層土壤濕度時(shí)空分布特征。研究結(jié)果表明，融雪期表層土壤水分變化主要受融雪和降雨的影響[25]，但由于多年來春季溫度的變暖加劇了春季表層土壤水分蒸發(fā)程度[36]，同時(shí)降水的變化也進(jìn)一步影響著表層土壤水分含量[37]，這導(dǎo)致中國東北地區(qū)春季土壤濕度整體呈降低趨勢(shì)[38]。鑒于此，本文從定性和定量角度探索了融雪不同時(shí)期表層土壤濕度變化的具體驅(qū)動(dòng)因素。

基于氣候影響因子共同作用下，融雪前、后期表層土壤濕度變化各不相同，32年來，融雪前期表層土壤濕度下降趨勢(shì)最為明顯，而融雪后期則呈先下降后上升趨勢(shì)。根據(jù)年際內(nèi)融雪期表層土壤濕度和影響因子間的相關(guān)性結(jié)果可知，融雪前期表層土壤濕度對(duì)積雪深度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，而后期相關(guān)程度較弱，由此判定，松嫩平原黑土區(qū)大部分積雪在融雪前期融化，融雪水與表層土壤濕度表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，但這種正相關(guān)關(guān)系會(huì)存在一定的時(shí)間限制，當(dāng)超過季節(jié)性時(shí)間尺度限制時(shí)，其對(duì)表層土壤濕度的影響相對(duì)變?nèi)酰@與AMBADAN等[26]研究結(jié)果相似；融雪后期降雨量和總降水量與此時(shí)期表層土壤濕度相關(guān)性較強(qiáng)，而溫度對(duì)融雪前后期相關(guān)性均較弱，通過溫濕指數(shù)與表層土壤濕度在空間位置上相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，只有在積雪和降雨較少的地區(qū)，溫度對(duì)土壤濕度的影響才會(huì)明顯，由此可知，當(dāng)降雨和融雪總量達(dá)到一定程度時(shí)，降水作用會(huì)掩蓋溫度的蒸發(fā)作用，從而導(dǎo)致播種前期表層土壤濕潤。

在氣候影響因子不可改變的背景下，正確認(rèn)識(shí)融雪期表層土壤濕度變化規(guī)律及其具體影響因素顯得尤為重要。通過定性分析和相對(duì)貢獻(xiàn)率結(jié)果可知，多年春季融雪時(shí)期表層土壤水分變化趨勢(shì)主要與溫度、融雪和降雨變化趨勢(shì)有關(guān)，但融雪前后期影響因素也存在一定差異性。融雪前期表層土壤濕度變化主要由溫度變化速率驅(qū)動(dòng)，而融雪后期則由降雨量和總降水量變化速率驅(qū)動(dòng)。在半濕潤半干旱地區(qū)，氣溫的上升趨勢(shì)將導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)作用明顯，從而使土壤濕度減小，由于土壤濕度減少，則土壤吸力增加，這將導(dǎo)致蒸散作用減弱，表層土壤顯熱和潛熱發(fā)生變化，這又進(jìn)一步加劇了升溫過程，從而導(dǎo)致升溫-蒸散-土壤濕度間形成一種暖干化的反饋過程[39-40]。但融雪后期降雨趨勢(shì)變化作用可能會(huì)影響這種反饋過程，這對(duì)生態(tài)環(huán)境、春季播種及合理利用水資源產(chǎn)生積極影響。

本文在探討春季表層土壤濕度對(duì)影響因子的響應(yīng)因素時(shí)存在一些不足，由于微波遙感及數(shù)據(jù)同化模擬空間分辨率較低，每個(gè)像元所代表的區(qū)域尺度較大，且極個(gè)別像元存在一定的誤差；在實(shí)際中土壤濕度會(huì)受到植被、地形、土壤性質(zhì)等多種因素的影響；在探究溫度、降雨量及總降水量變化趨勢(shì)貢獻(xiàn)率時(shí)是通過線性回歸方法計(jì)算，而氣候影響因子變化較為復(fù)雜，只能從相對(duì)角度上作為一個(gè)參考變量進(jìn)行比對(duì)。鑒于以上不足，對(duì)于響應(yīng)因素方面可能存在一定的局限性。因此，需進(jìn)一步使用多種遙感數(shù)據(jù)，綜合考慮多因素共同影響的作用。在全球變暖的大背景下，有助于正確了解不同時(shí)空尺度上土壤水分及環(huán)境因子的響應(yīng)特征，從而為春播期農(nóng)業(yè)規(guī)劃給予一定的指導(dǎo)。

4 結(jié)論

(1)32年來，松嫩平原黑土區(qū)春季融雪前期表層土壤濕度總體呈減小趨勢(shì)，但融雪后期則呈先下降后上升趨勢(shì)；受空間異質(zhì)性的影響，融雪前期表層土壤濕度在整個(gè)研究區(qū)域均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而融雪后期表層土壤濕度南部地區(qū)呈升高趨勢(shì)，北部呈下降趨勢(shì)，并且從南部到北部逐漸遞減。

(2)在研究區(qū)南部，融雪前期表層土壤濕度主要受積雪影響，融雪后期表層土壤濕度主要受降雨影響，在研究區(qū)北部，融雪后期表層土壤濕度主要受積雪和降雨的綜合影響；不同地區(qū)融雪后期表層土壤濕度對(duì)降水和溫度的影響存在差異，只有在積雪和降雨較少的地區(qū)，溫度的蒸發(fā)作用才相對(duì)較為明顯，反之則被降水作用所掩蓋。

(3)在春季融雪前、后，表層土壤濕度變化趨勢(shì)響應(yīng)因素存在差異。融雪前期溫度變化趨勢(shì)決定此時(shí)期表層土壤濕度的變化方向，而積雪變化趨勢(shì)在一定程度上會(huì)限制土壤濕度的干旱化過程，同時(shí)溫度的升高和降雪的減少導(dǎo)致融雪前期表層土壤濕度干旱化程度放大一倍；而融雪后期表層土壤濕度主要由降雨和總降水變化趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，降雨和總降水對(duì)融雪后期表層土壤濕度的積極作用會(huì)影響土壤濕度暖干化的反饋過程，對(duì)春季融雪后期表層土壤濕度變化產(chǎn)生積極影響。