贵州喀斯特区域土壤湿度变化规律研究

袁淑杰，何兴潼，何 源，谷晓平，潘 媞，于 飞

(1.成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225；2.贵州省山地环境气候研究所，贵阳 550002；3.四川省气象局气象服务中心，成都 610072)

0 引 言

土壤湿度作为地表水文过程的一个综合指标，积累了地表水文过程的大量信息，也是表征陆面状况的一个重要物理量，调控着陆面水和能量的收支平衡过程，对全球气候变化及水循环起着重要作用[1-3]。近年来，在全球变暖的背景下，水资源缺失[4]导致的干旱频发及区域气候异常愈发严重，直接威胁到工农业生产及人类生存环境，以中国贵州为代表的喀斯特地区，生态系统十分脆弱，土壤-植物-大气系统运行规律也表现出独特性[5]，土壤湿度成为喀斯特生态环境的主要制约因子[6]，因此，针对喀斯特区域土壤湿度时空变化特征的研究对于喀斯特区域生态恢复、农业产业化布局及社会经济发展等具有指导作用[7]。

目前中国土壤湿度时空分布特征的研究主要集中在：基于观测资料的某一地区土壤湿度时空分布、土壤湿度与气象要素的相关性研究；基于再分析资料、卫星资料等配合模式的土壤湿度的模拟及时空分布特征。研究区域多集中在东北、华东地区，全国性的研究较少，针对喀斯特区域的研究更少，站点的空间分布较为稀疏[8-12]。马柱国等[13]应用前人的分析资料和分析结论，总结了土壤湿度与降水量有明显的正相关关系。Alan Robock等[14]利用各国土壤湿度实测资料研究发现，与温度升高的夏季干燥预测相反，对于长记录的台站，前1m的夏季土壤水分随温度升高而增加，降水增加的趋势超过了增加蒸发的补偿。陈少勇等[15]利用黄土高原59个气象站 1961-2002 年月降水量和 29 个农业气象观测站从建站到2002年逐年4-10月旬土壤湿度资料发现，土壤湿度处于动态变化，一般从7月份开始土壤湿度增加，但随地区不同幅度有差异。王磊等[16]利用1981-1994年新疆土壤湿度资料研究发现土壤湿度和气候因子之间存在相互响应，土壤湿度与气温普遍存在负相关，与降水之间总体响应不明显。王修信等[17]发现到深度20 cm时，地面气象因素对土壤湿度影响微弱，在深度40 cm时，两者几乎无关。刘博等[18]研究贵州一次降雨过程发现，降雨使10、20 cm深度土壤湿度显著增加，随深度增加，土壤湿度减小，0～30 cm土层的作物根系分布密集，使土壤保水能力较强。

上述研究所用资料时间尺度大多为旬、月、年，而利用逐日实时观测资料较少，且站点分布较为稀疏。近几年来，随着土壤湿度自动观测站与观测网络的建立，利用逐日实测资料为分析研究该区域土壤湿度时空分布特征提供了有力的支撑，故本文利用贵州喀斯特区域53个土壤湿度自动观测站2011-2015年10～100 cm逐日实测资料，应用EOF分析法，探寻贵州喀斯特区域土壤湿度的时空分布，并分析可能蒸散、降水量与土壤湿度关系。

1 资料与方法

本研究所用资料均来自于贵州省气象局，主要包括：2011-2015年53个自动土壤水分观测站(图1)的逐日平均土壤湿度、降水、平均气温、平均地表温度、平均相对湿度、平均风速和日照时数资料。

图1 贵州喀斯特区域站点分布Fig.1 Meteorological station distribution map of Krast in Guizhou

本研究中土壤湿度均指土壤相对湿度，即：

(1)

10 cm土壤湿度为0～10 cm土层的土壤湿度值，20～100 cm以此类推。

此外，本文根据《GBT 20481～2006 气象干旱等级》[19]，通过土壤相对湿度(R)对干旱进行等级分类(如表1所示)以及选用Penman-Monteith公式计算可能蒸散，该方法根据水汽扩散理论和能量平衡，综合考虑了温度、相对湿度、风速、辐射、日照等因子的影响。

表1 土壤相对湿度干旱指数的干旱等级划分Tab.1 Drought classification of soil relative humidity drought index

2 结果分析

2.1 土壤湿度空间分布

利用贵州喀斯特区域2011-2015年53个土壤湿度自动观测站10～100 cm逐日土壤湿度观测资料，计算5年平均逐旬0～100 cm土壤湿度，应用Arcgis克里金插值法，得到逐旬土壤湿度空间分布图。图2为贵州喀斯特区域10 cm土壤湿度1、3、5、7、9、11月中旬土壤湿度空间分布，表2为10 cm土壤湿度统计特征。20～100 cm土壤湿度空间分布图与相关统计特征表略。可以看出：

图2 10 cm土壤湿度空间分布(2011-2015)Fig.2 Spatial distribution of soil moisture in 10 cm (2011-2015)

(1)10～20 cm土壤湿度空间分布较为一致，同一时间，毕节、六盘水、铜仁等地土壤湿度相对较高，威宁、沿河、印江、思南、册亨土壤湿度相对较低。

(2)10 cm土壤湿度7中旬为42%～82%，9月中旬35%～84%，有些地区有轻、中、重旱发生；3、5月中旬为60%～79%，土壤较湿润；11、1月中旬土壤湿度为70%～89%，土壤湿润。

表2 10 cm土壤湿度统计特征Tab.2 Statistical characteristics of soil moisture in 10 cm

20 cm土壤湿度7、9月中旬为50%～79%，较10 cm稍高；3、5月中旬介于60%～79%，11、1月中旬为70%～89%，与10 cm相当。

(3)30～50 cm土壤湿度空间分布较为一致，与10、20 cm土壤湿度空间分布不同。同一时间，遵义、都匀、铜仁、安顺、兴义、六盘水、册亨地区土壤湿度相对较高，威宁、沿河、正安、天柱、瓮安、福泉土壤湿度相对较低。

(4)30～50 cm土壤湿度7、9月中旬为土壤湿度70%～79%，土壤较湿润；1、3、5月中旬土壤湿度介于70%～89%，土壤湿润；11月中旬土壤湿度介于80%～100%，土壤湿润，均比10、20 cm土壤湿度高。

(5)60～100 cm土壤湿度空间分布较为一致，同一时间，安顺、都匀、六盘水、铜仁、凯里、仁怀、遵义地区土壤湿度相对较高，威宁、沿河、正安、榕江、从江、罗甸、务川、凤冈土壤湿度相对较低。

(6)60～100 cm土壤湿度相差不大，1、3、5、7、9、11月中旬土壤湿度均为70%～89%，土壤湿润，与30～50 cm土壤湿度相近。

(7)总体来讲，同一时间，威宁、沿河、正安、印江、思南地区10～100 cm土壤湿度均较小，铜仁、安顺、都匀地区均较大。

2.2 土壤湿度场EOF特征向量

2.2.1 不同深度土壤湿度特征向量累计贡献率

利用贵州喀斯特区域2011-2015年53个土壤湿度自动观测站土壤湿度观测资料进行EOF原始场分析，得出EOF分解后各个主分量的贡献方差和累计方差贡献率(表3)。列出前三主分量各自方差与累计方差，结果如下：

表3 10～100 cm土壤湿度累计方差贡献率(2011-2015)Tab.3 Contribution rate of cumulative variance of 10～100 cm soil moisture in 2011-2015

(1)前三主分量累计方差>98%，所以前三主分量能够很好的代替原始场的状况。相比于第三主分量，第二主分量累计方差贡献率较高，收敛速度快，更具有代表性，故第一主分量、第二主分量能够很好的代表原始场及扰动场状况。

(2)第一主分量所占累计方差的贡献率极高，均超过97%，代表着贵州2011-2015年土壤湿度分布的一般情况或者平均情况。

2.2.2 不同深度土壤湿度EOF特征向量

图3、4为应用EOF方法计算得到的贵州喀斯特区域不同深度土壤湿度第一主分量及对应时间序列，由图3、4可见：

(1)贵州喀斯特区域10～100 cm土壤湿度最大值集中在习水、罗甸、毕节、铜仁、盘县、册亨、仁怀等地，最小值区则在威宁、务川、榕江、从江地区。

(2)贵州喀斯特区域东北部地区务川、沿河、印江等地特征向量较小，西南部安龙、惠水、关岭等地特征向量值较大。

(3)时间系数上看，10～100 cm土壤湿度时间走势大致相同，其中，1月中旬、11月中旬、9月下旬、6月上旬出现极大值，表明对应时间土壤湿度达到最大值，反之，3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出现极小值，对应时间土壤湿度实际值较小。

贵州喀斯特区域土壤湿度第二主分量(图略)可以代表贵州喀斯特区域10～100 cm扰动场，除20 cm为以仁怀、习水为中心的分布外，其余土层均为东北-西南向相反分布类型。从时间系数来看，系数越远离0，两种相反分布型差别越大；从走势上来看，除100 cm走势不一致外，其余大致走势一致。

2.3 可能蒸散、降水对土壤湿度的影响

2.3.1 可能蒸散、降水量空间分布

利用贵州喀斯特区域2011-2015年52个地面气象站逐日平均气温、平均地表温度、平均相对湿度、平均风速、日照时数和降水量资料，分别计算其逐日可能蒸散，再计算5年平均逐旬可能蒸散与降水量，应用Arcgis克里金插值法，得到可能蒸散、降水量逐旬空间分布图，并统计相关可能蒸散、降水量特征。图5、6为贵州喀斯特区域1、3、5、7、9、11月中旬可能蒸散、降水量空间分布，表3、4为可能蒸散、降水量统计特征。

由图5可见，贵州喀斯特区域2011-2015年旬平均可能蒸散在以11、1月中旬最小，为11～20 mm；3月中旬居中，为21～30 mm；5、9月中旬较大，为26～35 mm；7月中旬最大，为31～40 mm。

由图6可见，贵州喀斯特区域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，大部为40～80 mm；7月中旬最大，可达60～100 mm。

图3 不同深度土壤湿度第一主分量Fig.3 The first principal component of soil moisture in different depths

图4 土壤湿度第一主分量时间序列Fig.4 The first principal component time sequence diagram of soil moisture

2.3.2 可能蒸散、降水量对土壤湿度的影响

上述讨论可知，可能蒸散、降水量与土壤湿度的空间分布并不一致，可能蒸散、降水量对土壤湿度的影响有一定程度的滞后性，当旬土壤湿度并不一定与当旬可能蒸散、降水量相关性最好，而可能与前几旬可能蒸散、降水量相关性更好，可能蒸散、降水量对土壤湿度影响的滞后时间可能不同。

根据前人研究成果[20]，本文选取温暖农业气候区(镇远为代表站，下同)、温和农业气候区(凤冈)，温凉农业气候区(纳雍)为代表，研究可能蒸散、降水量对土壤湿度的影响。对春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-2月)分别计算某旬土壤湿度和当旬可能蒸散与降水、前一旬可能蒸散与降水、前两旬可能蒸散与降水、前三旬可能蒸散与降水计算相关性。

表4为2011-2015年镇远10～100 cm土壤湿度与可能蒸散、降水量相关性。由表4可见，春季可能蒸散均未通过显著性检验；夏季当旬可能蒸散与10 cm土壤湿度相关系数绝对值最大，为-0.53，通过0.01显著性检验，负相关，即夏季当旬可能蒸散与10 cm土壤湿度相关性最好，夏季当旬可能蒸散对10 cm土壤湿度的影响最大；秋季前两旬可能蒸散与10 cm土壤湿度相关性最好，通过0.01显著性检验，负相关，秋季前两旬可能蒸散对10 cm土壤湿度的影响最大；冬季前一旬可能蒸散与10 cm土壤湿度相关性最好，通过0.01显著性检验，正相关，冬季前一旬可能蒸散对10 cm土壤湿度的影响最大。春季前两旬降水量与10 cm土壤湿度相关系数绝对值最大，为0.41，通过0.05显著性检验，正相关，即春季前两旬降水量与10 cm土壤湿度相关性最好，春季前两旬降水量对10 cm土壤湿度的影响最大，夏季当旬降水量与10 cm土壤湿度相关性最好，夏季当旬降水量对10 cm土壤湿度影响最大。秋、冬季均未通过显著性检验。

图5 可能蒸散空间分布(2011-2015年)Fig.5 Spatial distribution of possible evapotranspiration (2011-2015)

图6 降水量空间分布(2011-2015年)Fig.6 Spatial distribution of precipitation (2011-2015)

春季夏季秋季冬季当旬可能蒸散-0.26 -0.53**-0.51**-0.41*前一旬可能蒸散-0.15 -0.43**-0.51**-0.46**前两旬可能蒸散0.02 -0.30 -0.55**-0.40*前三旬可能蒸散0.19 -0.30 -0.46**-0.38 当旬降水量0.30*0.32*0.06 0.10 前一旬降水量0.31*0.27 0.14 0.16 前两旬降水量0.41*0.27 0.16 -0.04 前三旬降水量0.40*0.17 0.19 0.03

注：*表示通过了0.05的显著性检验，**表示通过0.01的显著性检验。

应用同样方法，对其他土层及其他站点分析结果表明：

(1)春季：镇远、纳雍、凤冈可能蒸散与0～100 cm土壤湿度的相关性较差，可能蒸散对10～100 cm土壤湿度的影响较小。

夏季：镇远、纳雍、凤冈前一旬或前两旬可能蒸散与10～50 cm土壤湿度相关系数较大，相关性较好，均为负相关。镇远、纳雍、凤冈可能蒸散对10～50 cm土壤湿度的影响较大。可能蒸散与60～100 cm土壤湿度的相关性较差，镇远、纳雍、凤冈可能蒸散对60～100 cm土壤湿度的影响较小。

秋季：镇远、纳雍、凤冈前一旬或者前两旬可能蒸散与10～50 cm土壤湿度的相关性较好，镇远、纳雍、凤冈可能蒸散对0～50 cm土壤湿度的影响较大，可能蒸散对60～100 cm土壤湿度影响较小。

冬季：镇远、纳雍、凤冈可能蒸散与10～100 cm土壤湿度的相关性较差，镇远、纳雍、凤冈可能蒸散对10～100 cm土壤湿度的影响较小。

(2)春季：镇远、纳雍、凤冈前两旬降水与10～50 cm土壤湿度的相关性较好，为正相关，降水对10～50 cm土壤湿度的影响较大，降水对60～100 cm土壤湿度的影响较小。

夏季：镇远、纳雍、凤冈降水与土壤湿度的相关性较好，降水对土壤湿度的影响较大。镇远前一旬降水与10～60 cm土壤湿度相关性较好，为正相关；纳雍前一旬或当旬降水与10～50 cm土壤湿度影响相关性较好；凤冈前一旬或当旬降水对10～30 cm土壤湿度影响最大。

秋季：镇远、纳雍降水与土壤湿度的相关性均未通过显著性检验，凤冈前一旬或前两旬降水对土壤湿度影响最大。

冬季：镇远、纳雍、凤冈降水与土壤湿度的相关性较好，降水对土壤湿度的影响较大。镇远、凤冈冬季前一旬降水对10～20 cm土壤湿度影响最大；纳雍前三旬降水对60～100 cm影响最大，为负相关。

3 结 语

(1)10～20 cm土壤湿度空间分布较为相似，30～50 cm土壤空间分布较为相似，60～100 cm土壤空间分布较为一致。总体来讲，同一时间，威宁、沿河、正安、印江、思南地区10～100 cm土壤湿度均较小，铜仁、安顺、都匀地区均较大。

(2)时间上，10～50 cm土壤湿度7、9月中旬相对偏低，3、5月中旬居中，11、1月中旬偏高。10 cm土壤湿度7、9月中旬为50%～69%，3、5月中旬为60%～79%，土壤较湿润；11、1月中旬土壤湿度为70%～89%，土壤湿润。20 cm土壤湿度7、9月中旬为50%～79%，较10 cm稍高；3、5月中旬介于60%～79%，11、1月中旬为70%～89%，与10 cm相当。30～50 cm土壤湿度均比10～20 cm土壤湿度高，7、9月中旬为70%～79%，1、3、5月中旬土壤湿度介于70%～89%， 11月中旬为80%～100%。

(3)60～100 cm土壤湿度相差不大，1、3、5、7、9、11月中旬土壤湿度均为70%～89%，土壤湿润，与30～50 cm土壤湿度相近。

(4)10～100 cm土壤湿度场第一主分量、第二主分量收敛速度快，方差累计贡献率超过98%，能够很好的代表原始场和扰动场状况。第一主分量最大值集中在习水、罗甸、毕节、铜仁、盘县、册亨、仁怀，最小值主要在威宁、务川、榕江、从江。贵州喀斯特区域东北部地区务川、沿河、印江等地特征向量较小，西南部安龙、惠水、关岭等地特征向量值较大。

(5)时间系数上，10～100 cm土壤湿度时间序列所代表的土壤湿度的时间走势大致相同，1月、11月中旬、9月下旬、6月上旬出现极大值，表明对应时间土壤湿度达到最大值，反之，3月中旬、4月下旬、8月中旬、10月中旬出现极小值，对应时间土壤湿度实际值较小。

(6)镇远、纳雍、凤冈春季可能蒸散对土壤湿度的影响较小；夏季可能蒸散对10～50 cm影响的滞后时间为一旬，60～100 cm两者相关性较低；秋季可能蒸散对10～50 cm土壤湿度影响的滞后时间为一旬或者两旬，60～100 cm两者相关性较低；冬季，10～50 cm可能蒸散对土壤湿度的影响较小。

(4)春季，镇远降水对10～60 cm土壤湿度影响的之后时间为两旬，纳雍降水对土壤湿度影响不明显，凤冈春季降水对10～30 cm土壤湿度影响的滞后时间为当旬或一旬；夏季，镇远、纳雍、凤冈降水对10～30 cm土壤湿度影响滞后时间为当旬或者一旬；秋季，镇远、纳雍、凤冈降水对土壤湿度影响不明显。冬季，镇远、凤冈降水对10～20 cm影响滞后时间为一旬。

本文仅讨论了贵州喀斯特地区10～100 cm土壤水分时空分布特征，以及简要的探讨了降水、气温及土层相互作用的影响，而对地下水、植被、灌溉及土质等影响还未涉及，贵州喀斯特地区土壤水分未来变化的相关情况有待进一步研究和探讨。