貴州省喀斯特區域粘壤土土壤濕度垂直分布對降水響應研究

鄒雙澤，白愛娟 ，田淙海，袁淑杰 ，谷曉平

(1.成都信息工程大學 大氣科學學院，四川 成都 610225；2.山西省氣象局，山西 太原 030002；3.貴州省生態氣象和衛星遙感中心，貴州 貴陽 550000)

土壤濕度是表征陸面狀況的一個重要物理量，在地—氣間水分與能量交換中起到支配和調控作用，是氣候變化中的敏感因子，與氣候變化相互制約、相互影響[1-3]，它通過改變土壤熱容量、地表反照率、地表蒸發和向大氣輸送感熱與潛熱等方式，影響區域氣候變化[4，5]。土壤濕度還影響著作物種植和生長，對農業發展具有重要作用。影響土壤濕度變化的因子有降水、氣溫、土壤類型等，其中降水對土壤濕度的影響最為明顯[6,7]。貴州省具有獨特的喀斯特地貌特征，該區域可溶巖成土速率緩慢、土層較淺薄、土壤蓄水和保水能力有限、生態環境脆弱[8,9]。土壤濕度是喀斯特生態環境的主要制約因子，土壤濕度的垂直分布和降水對土壤濕度的影響有其獨特性。貴州省土壤類型豐富，粘壤土是貴州喀斯特地區分布相對較廣的土壤類型之一，因此開展該省喀斯特區域粘壤土土壤濕度垂直分布對降水響應的研究，將為該區域開展氣候研究、改善生態環境、指導區域農業產業化布局和社會經濟發展提供理論依據。

國內外針對土壤濕度對降水響應的研究眾多。如，Small、Giorgi、Sloan[10]研究發現，在極端干旱的情況下，降水可以通過土壤干裂的縫隙直接影響深層土壤濕度；Chow、Chan、Shi等[11]通過數值模式模擬發現，青藏高原土壤濕度會影響東亞季風的強弱和長江流域夏季降水；姜麗霞、李帥、紀仰慧等[12]揭示了在作物種植期，0—30cm土壤濕度隨著降水強度的增加而顯著增加，隨著氣溫的增加而減小；左志燕、張人禾[13]研究了我國東北和長江中下游地區夏季降水與春季土壤濕度的聯系，表明春季土壤濕度偏濕，對應著夏季降水偏多；陳少勇、郭凱忠、董安祥[14]采用1961—2002年黃土高原降水量月資料和土壤重量含水率旬資料,發現黃土高原土壤濕度與降水呈極顯著的正相關；王毅榮[15]采用EOF和小波分析方法，發現甘南草原地區土壤水分年際演變與降水同向性較好，與氣溫呈反位向配置；黃勇、邱旭敏、黃國貴[16]利用水文氣象衛星產品研究了淮河流域表層土壤濕度的空間分布及與降水的關系，發現除山區和河流附近，表層土壤濕度對降水響應時間具有滯后性。

國內的研究區域主要集中在我國北部、西北部、東部等地，近年針對喀斯特區域降水對土壤濕度的影響研究才逐漸增多起來[17-19]。以往的研究主要關注表層土壤濕度，而降水對土壤水分垂直分布影響的研究較少，且所用站點資料時間分辨率多為旬、月和年。近年來，隨著觀測設備更新和土壤濕度自動觀測網絡的形成，利用更高時空分辨率的逐日資料支撐貴州喀斯特區域降水對土壤濕度的垂直分布影響的研究成為可能。土壤類型對土壤水分的垂直分布影響較大[20]。粘壤土是貴州喀斯特區域分布相對較廣的土壤類型之一，粘壤土土質細密、保水保肥力較強。

為了詳細分析貴州喀斯特區域土壤濕度垂直分布對降水的響應，本文利用該省喀斯特區域2011—2020年25個粘壤土土壤水分自動觀測站0—50cm土壤濕度逐日觀測資料和逐日降水、氣溫資料，應用統計分析方法分析了降水和氣溫對土壤濕度垂直分布的影響。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

貴州省地處云貴高原，位于103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N之間，氣候溫暖濕潤，年均氣溫14—16℃，年均降水量1100—1400mm；地勢西高東低，復雜多變，以高原山地為主；屬生態環境脆弱的喀斯特地域，喀斯特地貌面積129545.72km2，占全省國土面積的73.5 %[21]。

1.2 數據來源

本文所用資料均來自貴州省氣象局，主要包括2011—2020年貴州省25個粘壤土自動土壤水分觀測站(圖1)的逐日平均氣溫、降水量和0—50cm土壤濕度觀測資料。

圖1 貴州省粘壤土土壤濕度站點分布

1.3 研究方法

土壤濕度的垂直分布變化包括同一土層土壤濕度的變化量和土壤濕度的變化深度。為了定量分析降水對土壤濕度垂直分布的影響程度，本文定義了降水類型、土壤濕度增量、土壤濕度變化深度、土壤濕度變化深度頻率。本文中的土壤濕度指土壤相對濕度。

(1)

土壤濕度的觀測深度為50cm，共分為5層(0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—40cm、40—50cm)，10cm土壤濕度是指0—10cm土層的土壤相對濕度，以此類推。

降水類型：降水強度相同，而降水持續時間不同，土壤濕度的垂直分布變化不同。本文對降水持續時間做如下規定：

1日降水：1日降水量≥0.1mm；2日連續降水：連續2日，每日降水量均≥0.1mm；3日連續降水：連續3日，每日降水量均≥0.1mm；4日連續降水：連續4日，每日降水量均≥0.1mm。

本文參照中國氣象局降水強度等級劃分標準(GB/T 28592-2012)，將降水強度劃分為6個等級：0.0

由表1可見，降水強度為0.0

表1 貴州省粘壤土區域24種降水類型及樣本個數(2011—2020年)

土壤濕度增量(ΔW)：n(n=1—4)日降水量≥0.1mm時，第n日與第0日同一土層土壤濕度的變化量。若第0日降水量<0.1mm，10cm土壤濕度為W0；若第1日降水量≥0.1mm，10cm土壤濕度為W1；若第2日降水量<0.1mm，記為1日降水，10cm土壤濕度增量ΔW=W1-W0。以此類推。

土壤濕度變化深度(ΔH)：n(n=1—4)日降水量≥0.1mm時，第n日與第0日同一土層土壤濕度增量ΔW>0的土層深度的最大值。若10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量ΔW均小于等于0，土壤濕度變化深度ΔH=0cm；若10cm土壤濕度增量ΔW>0，20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量ΔW均小于等于0，土壤濕度變化深度ΔH=10cm。以此類推。

土壤濕度變化深度頻率(F)：如果某種降水類型的樣本總數為N，該類型土壤濕度變化深度為10cm的樣本數為m，則該類型下土壤濕度變化深度為10cm的頻率記F：

F=m/N×100%

(2)

2 結果及分析

2.1 降水對土壤濕度垂直分布的影響

本文分別統計了貴州省粘壤土區域24種降水類型對土壤濕度垂直分布的影響，包括0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量、土壤濕度變化深度及每種降水類型中0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度變化深度頻率。本文將主要分析貴州省粘壤土區域降水對土壤濕度增量和土壤濕度變化深度頻率的影響。由于篇幅限制，表2只列出了2日連續降水土壤濕度增量統計。從表2可以看出：①降水強度相同，隨降水持續時間增加，同一土層土壤濕度增量逐漸增大。0.0≤R≤1.0mm時，降水幾乎不引起土壤濕度的變化；1.1≤R≤9.9mm時，1—4日連續降水下，10cm土壤濕度的增量分別為0.11%—2.00%、0.40%—3.05%、0.50%—5.55%、0.54%—6.03%；10.0≤R≤24.9mm時，1—4日連續降水下，10cm土壤濕度的增量分別為0.50%—6%、0.60%—7.1%、0.72%—12.7%、1.00%—13.04%；25.0≤R≤49.9mm時，1—4日連續降水下，10cm土壤濕度的增量分別為0.40%—10.01%、0.66%—12.14%、0.60%—13.17%、0.89%—13.58%。R≥50.0mm時，10cm土壤濕度的增量分別為0.05%—13.00%、1.49%—13.75%、0.86%—13.99%、2.00%—14.75%。②降水持續時間相同，隨著降水強度越大，同一土層的土壤濕度增量增大。如2日連續降水下，1.1≤R≤9.9mm時，10cm土壤濕度的增量為0.40%—3.05%；10.0≤R≤24.9mm時，10cm土壤濕度的增量為0.60%—7.1%；25.0≤R≤49.9mm時，10cm土壤濕度的增量為0.66%—12.14%；R≥50.0mm時，10cm土壤濕度的增量為1.49%—13.75%。

表2 貴州省粘壤土區域2日連續降水下10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量統計

貴州省粘壤土區域24種降水類型10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度變化深度頻率分布見圖2。從圖2可見：①0.0

圖2 貴州省粘壤土區域24種降水類型土壤濕度變化深度頻率

綜上所述，當0.0≤R≤24.9mm，降水持續時間相同，隨著降水強度的增加，土壤濕度變化深度為0cm的頻率減少，土壤濕度變化深度為50cm的頻率增加。如2日連續降水，0.0≤R≤1.0mm、1.1≤R≤9.9mm和10.0≤R≤24.9mm下，土壤濕度變化深度為0cm的頻率分別為71%、38%和12%，而土壤濕度變化深度為50cm的頻率分別為7%、13%和42%。R≥25.0mm時，土壤濕度變化深度為50cm的頻率差異較小，如兩日連續降水，當25.0≤R≤49.9mm、50.0≤R≤99.9mm、R≥100.0mm下土壤濕度變化深度為50cm的頻率分別為69%、64%和80%。

2.2 氣溫對土壤濕度的影響

土壤濕度垂直分布變化不僅與降水強度、降水持續時間有關，還受到氣溫(t)的影響。本文將氣溫劃分為3個等級，即t<10.0℃、10.0≤t<20℃和t≥20.0℃，分別統計了在不同氣溫等級下，不同降水類型土壤濕度變化深度的頻率(圖3)。表3、4、5為不同氣溫條件下土壤濕度主要變化深度及土壤濕度增量。從表中數據可以看出：降水強度和持續時間相同，氣溫升高，同一土層的土壤濕度增量減少。以2日連續降水為例，t<10.0℃、t<20.0℃和t≥20.0℃，10.0≤R≤24.9mm時，10cm土壤濕度的增量分別為1.31%—11.34%、2.45%—10.84%和3.04%—10.10%，20cm土壤濕度的增量分別為2.72%—6.65%、1.13%—6.55%、1.84%—6.39%；25.0≤R≤49.9mm時，10cm土壤濕度的增量分別為3.64%—24.35%、6.12%—14.39%、2.87%—16.39%，20cm土壤濕度的增量分別為3.38%—11.53%、4.07%—9.40%、1.84%—8.39%；50.0≤R≤99.9mm時，10cm土壤濕度的增量分別為0.76%—22.19%、4.61%—24.05%、7.32%—17.26%，20cm土壤濕度的增量分別為3.23%—13.00%、3.21%—11.32%、4.09%—12.81%；R≥100.0mm時，20cm土壤濕度的增量分別為3.70%—14.40%和1.6%—14.0%。

表3 貴州省粘壤土區域10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度增量統計(t<10.0℃)

圖3 基于不同氣溫等級的貴州省粘壤土區域24種降水類型0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤濕度變化深度頻率((a)T<10.0℃；(b)10.0≤t<20℃；(c)t≥20.0℃)

降水強度和持續時間相同，氣溫變化對50cm土壤濕度增量的影響較小。以2日連續降水為例，10.0≤R≤24.9mm時，3個氣溫等級的50cm土壤濕度增量均小于3%；25.0≤R≤49.9mm時，50cm土壤濕度增量均小于5.5%；R≥50.0mm時，50cm土壤濕度增量均小于5%。

表4 貴州省粘壤土區域10、20、30、40、50cm土壤濕度增量統計(10.0≤t<20℃)

表5 貴州省粘壤土區域10、20、30、40、50cm土壤濕度增量統計(t≥20.0℃)

3 結論與討論

3.1 結論

貴州屬于喀斯特地貌發育區域，降水是影響該區域土壤濕度的重要氣象因子。而土壤濕度對降水的響應是一個復雜的過程，與降水強度降水持續時間、土壤類型和氣溫等諸多因素有關。不同強度的降水，土壤濕度變化的數值和深度不同；而相同強度的降水，持續時間不同，土壤濕度的垂直變化也不盡相同。

本文通過對貴州省25個自動土壤水分觀測站的土壤濕度、降水和氣溫日資料的統計分析，得出如下主要結論：①降水持續時間不同，土壤濕度垂直分布明顯不同，隨降水持續時間增加，同一土層土壤濕度增量變大。10.0≤R≤24.9mm時，1—4日連續降水土壤濕度主要變化深度在10—40cm、10—40cm、10—40cm和50cm，此時20cm土壤濕度增量分別為0.09%—4.75%、0.32%—5.79%、0.40%—5.50%、0.49%—6.04%，差異原因與水分向各層傳遞的滯后性和水分在土壤中調蓄作用有關。②降水強度不同，降水對喀斯特區域粘壤土土壤濕度的影響不同，隨著降水強度增加，土壤濕度變化的深度越深，深層土壤土壤濕度發生變化的頻率越大，同一土層土壤濕度增量增大。2日連續降水下，R≥100.0mm時，比R≤9.9mm時，50cm土壤濕度變化的頻率高72%，比10cm土壤濕度增量高約10%。③氣溫通過影響蒸發耗散等，間接作用土壤濕度垂直變化。氣溫升高，同一土層土壤濕度增量減少。如在2日連續降水下，25.0≤R≤49.9mm時，20cm土壤濕度增量在t<10.0℃、10.0≤t<20℃和t≥20.0℃3個氣溫等級下分別為3.38%—11.53%、4.07%—9.40%、1.84%—8.39%。④深層土壤不直接接觸空氣，土壤濕度受地面氣象條件的影響較小，而地下水補給和土壤特性對深層土壤濕度影響較大。因此，50cm土壤濕度變化與氣溫關系不顯著。以2日連續降水為例，無論氣溫高低，25.0≤R≤49.9mm時，50cm土壤濕度增量均小于3%；R≥50.0mm時，50cm土壤濕度增量均小于5%。

3.2 討論

本文創新地將降水類型細分為不同降水強度和降水持續時間，同時參考土壤類型和氣溫的不同，研究發現，喀斯特區域粘壤土土壤濕度垂直分布受降水影響顯著，隨降水強度和降水持續時間增加，同一土層土壤濕度增量增大，而氣溫對50cm土壤濕度變化的影響較小。本文只討論了降水對貴州分布較廣的粘壤土土壤水分垂直分布的影響，而貴州省自然環境復雜、土壤類型較多，降水和氣溫對不同類型土壤濕度的影響有待進一步研究和探討，以期了解喀斯特復雜地貌下土壤濕度對降水和氣溫的響應。