贵州省喀斯特区域粘壤土土壤湿度垂直分布对降水响应研究

邹双泽，白爱娟 ，田淙海，袁淑杰 ，谷晓平

(1.成都信息工程大学 大气科学学院，四川 成都 610225；2.山西省气象局，山西 太原 030002；3.贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵州 贵阳 550000)

土壤湿度是表征陆面状况的一个重要物理量，在地—气间水分与能量交换中起到支配和调控作用，是气候变化中的敏感因子，与气候变化相互制约、相互影响[1-3]，它通过改变土壤热容量、地表反照率、地表蒸发和向大气输送感热与潜热等方式，影响区域气候变化[4，5]。土壤湿度还影响着作物种植和生长，对农业发展具有重要作用。影响土壤湿度变化的因子有降水、气温、土壤类型等，其中降水对土壤湿度的影响最为明显[6,7]。贵州省具有独特的喀斯特地貌特征，该区域可溶岩成土速率缓慢、土层较浅薄、土壤蓄水和保水能力有限、生态环境脆弱[8,9]。土壤湿度是喀斯特生态环境的主要制约因子，土壤湿度的垂直分布和降水对土壤湿度的影响有其独特性。贵州省土壤类型丰富，粘壤土是贵州喀斯特地区分布相对较广的土壤类型之一，因此开展该省喀斯特区域粘壤土土壤湿度垂直分布对降水响应的研究，将为该区域开展气候研究、改善生态环境、指导区域农业产业化布局和社会经济发展提供理论依据。

国内外针对土壤湿度对降水响应的研究众多。如，Small、Giorgi、Sloan[10]研究发现，在极端干旱的情况下，降水可以通过土壤干裂的缝隙直接影响深层土壤湿度；Chow、Chan、Shi等[11]通过数值模式模拟发现，青藏高原土壤湿度会影响东亚季风的强弱和长江流域夏季降水；姜丽霞、李帅、纪仰慧等[12]揭示了在作物种植期，0—30cm土壤湿度随着降水强度的增加而显著增加，随着气温的增加而减小；左志燕、张人禾[13]研究了我国东北和长江中下游地区夏季降水与春季土壤湿度的联系，表明春季土壤湿度偏湿，对应着夏季降水偏多；陈少勇、郭凯忠、董安祥[14]采用1961—2002年黄土高原降水量月资料和土壤重量含水率旬资料,发现黄土高原土壤湿度与降水呈极显著的正相关；王毅荣[15]采用EOF和小波分析方法，发现甘南草原地区土壤水分年际演变与降水同向性较好，与气温呈反位向配置；黄勇、邱旭敏、黄国贵[16]利用水文气象卫星产品研究了淮河流域表层土壤湿度的空间分布及与降水的关系，发现除山区和河流附近，表层土壤湿度对降水响应时间具有滞后性。

国内的研究区域主要集中在我国北部、西北部、东部等地，近年针对喀斯特区域降水对土壤湿度的影响研究才逐渐增多起来[17-19]。以往的研究主要关注表层土壤湿度，而降水对土壤水分垂直分布影响的研究较少，且所用站点资料时间分辨率多为旬、月和年。近年来，随着观测设备更新和土壤湿度自动观测网络的形成，利用更高时空分辨率的逐日资料支撑贵州喀斯特区域降水对土壤湿度的垂直分布影响的研究成为可能。土壤类型对土壤水分的垂直分布影响较大[20]。粘壤土是贵州喀斯特区域分布相对较广的土壤类型之一，粘壤土土质细密、保水保肥力较强。

为了详细分析贵州喀斯特区域土壤湿度垂直分布对降水的响应，本文利用该省喀斯特区域2011—2020年25个粘壤土土壤水分自动观测站0—50cm土壤湿度逐日观测资料和逐日降水、气温资料，应用统计分析方法分析了降水和气温对土壤湿度垂直分布的影响。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

贵州省地处云贵高原，位于103°36′—109°35′E、24°37′—29°13′N之间，气候温暖湿润，年均气温14—16℃，年均降水量1100—1400mm；地势西高东低，复杂多变，以高原山地为主；属生态环境脆弱的喀斯特地域，喀斯特地貌面积129545.72km2，占全省国土面积的73.5 %[21]。

1.2 数据来源

本文所用资料均来自贵州省气象局，主要包括2011—2020年贵州省25个粘壤土自动土壤水分观测站(图1)的逐日平均气温、降水量和0—50cm土壤湿度观测资料。

图1 贵州省粘壤土土壤湿度站点分布

1.3 研究方法

土壤湿度的垂直分布变化包括同一土层土壤湿度的变化量和土壤湿度的变化深度。为了定量分析降水对土壤湿度垂直分布的影响程度，本文定义了降水类型、土壤湿度增量、土壤湿度变化深度、土壤湿度变化深度频率。本文中的土壤湿度指土壤相对湿度。

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土壤湿度的观测深度为50cm，共分为5层(0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—40cm、40—50cm)，10cm土壤湿度是指0—10cm土层的土壤相对湿度，以此类推。

降水类型：降水强度相同，而降水持续时间不同，土壤湿度的垂直分布变化不同。本文对降水持续时间做如下规定：

1日降水：1日降水量≥0.1mm；2日连续降水：连续2日，每日降水量均≥0.1mm；3日连续降水：连续3日，每日降水量均≥0.1mm；4日连续降水：连续4日，每日降水量均≥0.1mm。

本文参照中国气象局降水强度等级划分标准(GB/T 28592-2012)，将降水强度划分为6个等级：0.0

由表1可见，降水强度为0.0

表1 贵州省粘壤土区域24种降水类型及样本个数(2011—2020年)

土壤湿度增量(ΔW)：n(n=1—4)日降水量≥0.1mm时，第n日与第0日同一土层土壤湿度的变化量。若第0日降水量<0.1mm，10cm土壤湿度为W0；若第1日降水量≥0.1mm，10cm土壤湿度为W1；若第2日降水量<0.1mm，记为1日降水，10cm土壤湿度增量ΔW=W1-W0。以此类推。

土壤湿度变化深度(ΔH)：n(n=1—4)日降水量≥0.1mm时，第n日与第0日同一土层土壤湿度增量ΔW>0的土层深度的最大值。若10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度增量ΔW均小于等于0，土壤湿度变化深度ΔH=0cm；若10cm土壤湿度增量ΔW>0，20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度增量ΔW均小于等于0，土壤湿度变化深度ΔH=10cm。以此类推。

土壤湿度变化深度频率(F)：如果某种降水类型的样本总数为N，该类型土壤湿度变化深度为10cm的样本数为m，则该类型下土壤湿度变化深度为10cm的频率记F：

F=m/N×100%

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2 结果及分析

2.1 降水对土壤湿度垂直分布的影响

本文分别统计了贵州省粘壤土区域24种降水类型对土壤湿度垂直分布的影响，包括0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度增量、土壤湿度变化深度及每种降水类型中0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度变化深度频率。本文将主要分析贵州省粘壤土区域降水对土壤湿度增量和土壤湿度变化深度频率的影响。由于篇幅限制，表2只列出了2日连续降水土壤湿度增量统计。从表2可以看出：①降水强度相同，随降水持续时间增加，同一土层土壤湿度增量逐渐增大。0.0≤R≤1.0mm时，降水几乎不引起土壤湿度的变化；1.1≤R≤9.9mm时，1—4日连续降水下，10cm土壤湿度的增量分别为0.11%—2.00%、0.40%—3.05%、0.50%—5.55%、0.54%—6.03%；10.0≤R≤24.9mm时，1—4日连续降水下，10cm土壤湿度的增量分别为0.50%—6%、0.60%—7.1%、0.72%—12.7%、1.00%—13.04%；25.0≤R≤49.9mm时，1—4日连续降水下，10cm土壤湿度的增量分别为0.40%—10.01%、0.66%—12.14%、0.60%—13.17%、0.89%—13.58%。R≥50.0mm时，10cm土壤湿度的增量分别为0.05%—13.00%、1.49%—13.75%、0.86%—13.99%、2.00%—14.75%。②降水持续时间相同，随着降水强度越大，同一土层的土壤湿度增量增大。如2日连续降水下，1.1≤R≤9.9mm时，10cm土壤湿度的增量为0.40%—3.05%；10.0≤R≤24.9mm时，10cm土壤湿度的增量为0.60%—7.1%；25.0≤R≤49.9mm时，10cm土壤湿度的增量为0.66%—12.14%；R≥50.0mm时，10cm土壤湿度的增量为1.49%—13.75%。

表2 贵州省粘壤土区域2日连续降水下10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度增量统计

贵州省粘壤土区域24种降水类型10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度变化深度频率分布见图2。从图2可见：①0.0

图2 贵州省粘壤土区域24种降水类型土壤湿度变化深度频率

综上所述，当0.0≤R≤24.9mm，降水持续时间相同，随着降水强度的增加，土壤湿度变化深度为0cm的频率减少，土壤湿度变化深度为50cm的频率增加。如2日连续降水，0.0≤R≤1.0mm、1.1≤R≤9.9mm和10.0≤R≤24.9mm下，土壤湿度变化深度为0cm的频率分别为71%、38%和12%，而土壤湿度变化深度为50cm的频率分别为7%、13%和42%。R≥25.0mm时，土壤湿度变化深度为50cm的频率差异较小，如两日连续降水，当25.0≤R≤49.9mm、50.0≤R≤99.9mm、R≥100.0mm下土壤湿度变化深度为50cm的频率分别为69%、64%和80%。

2.2 气温对土壤湿度的影响

土壤湿度垂直分布变化不仅与降水强度、降水持续时间有关，还受到气温(t)的影响。本文将气温划分为3个等级，即t<10.0℃、10.0≤t<20℃和t≥20.0℃，分别统计了在不同气温等级下，不同降水类型土壤湿度变化深度的频率(图3)。表3、4、5为不同气温条件下土壤湿度主要变化深度及土壤湿度增量。从表中数据可以看出：降水强度和持续时间相同，气温升高，同一土层的土壤湿度增量减少。以2日连续降水为例，t<10.0℃、t<20.0℃和t≥20.0℃，10.0≤R≤24.9mm时，10cm土壤湿度的增量分别为1.31%—11.34%、2.45%—10.84%和3.04%—10.10%，20cm土壤湿度的增量分别为2.72%—6.65%、1.13%—6.55%、1.84%—6.39%；25.0≤R≤49.9mm时，10cm土壤湿度的增量分别为3.64%—24.35%、6.12%—14.39%、2.87%—16.39%，20cm土壤湿度的增量分别为3.38%—11.53%、4.07%—9.40%、1.84%—8.39%；50.0≤R≤99.9mm时，10cm土壤湿度的增量分别为0.76%—22.19%、4.61%—24.05%、7.32%—17.26%，20cm土壤湿度的增量分别为3.23%—13.00%、3.21%—11.32%、4.09%—12.81%；R≥100.0mm时，20cm土壤湿度的增量分别为3.70%—14.40%和1.6%—14.0%。

表3 贵州省粘壤土区域10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度增量统计(t<10.0℃)

图3 基于不同气温等级的贵州省粘壤土区域24种降水类型0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm土壤湿度变化深度频率((a)T<10.0℃；(b)10.0≤t<20℃；(c)t≥20.0℃)

降水强度和持续时间相同，气温变化对50cm土壤湿度增量的影响较小。以2日连续降水为例，10.0≤R≤24.9mm时，3个气温等级的50cm土壤湿度增量均小于3%；25.0≤R≤49.9mm时，50cm土壤湿度增量均小于5.5%；R≥50.0mm时，50cm土壤湿度增量均小于5%。

表4 贵州省粘壤土区域10、20、30、40、50cm土壤湿度增量统计(10.0≤t<20℃)

表5 贵州省粘壤土区域10、20、30、40、50cm土壤湿度增量统计(t≥20.0℃)

3 结论与讨论

3.1 结论

贵州属于喀斯特地貌发育区域，降水是影响该区域土壤湿度的重要气象因子。而土壤湿度对降水的响应是一个复杂的过程，与降水强度降水持续时间、土壤类型和气温等诸多因素有关。不同强度的降水，土壤湿度变化的数值和深度不同；而相同强度的降水，持续时间不同，土壤湿度的垂直变化也不尽相同。

本文通过对贵州省25个自动土壤水分观测站的土壤湿度、降水和气温日资料的统计分析，得出如下主要结论：①降水持续时间不同，土壤湿度垂直分布明显不同，随降水持续时间增加，同一土层土壤湿度增量变大。10.0≤R≤24.9mm时，1—4日连续降水土壤湿度主要变化深度在10—40cm、10—40cm、10—40cm和50cm，此时20cm土壤湿度增量分别为0.09%—4.75%、0.32%—5.79%、0.40%—5.50%、0.49%—6.04%，差异原因与水分向各层传递的滞后性和水分在土壤中调蓄作用有关。②降水强度不同，降水对喀斯特区域粘壤土土壤湿度的影响不同，随着降水强度增加，土壤湿度变化的深度越深，深层土壤土壤湿度发生变化的频率越大，同一土层土壤湿度增量增大。2日连续降水下，R≥100.0mm时，比R≤9.9mm时，50cm土壤湿度变化的频率高72%，比10cm土壤湿度增量高约10%。③气温通过影响蒸发耗散等，间接作用土壤湿度垂直变化。气温升高，同一土层土壤湿度增量减少。如在2日连续降水下，25.0≤R≤49.9mm时，20cm土壤湿度增量在t<10.0℃、10.0≤t<20℃和t≥20.0℃3个气温等级下分别为3.38%—11.53%、4.07%—9.40%、1.84%—8.39%。④深层土壤不直接接触空气，土壤湿度受地面气象条件的影响较小，而地下水补给和土壤特性对深层土壤湿度影响较大。因此，50cm土壤湿度变化与气温关系不显著。以2日连续降水为例，无论气温高低，25.0≤R≤49.9mm时，50cm土壤湿度增量均小于3%；R≥50.0mm时，50cm土壤湿度增量均小于5%。

3.2 讨论

本文创新地将降水类型细分为不同降水强度和降水持续时间，同时参考土壤类型和气温的不同，研究发现，喀斯特区域粘壤土土壤湿度垂直分布受降水影响显著，随降水强度和降水持续时间增加，同一土层土壤湿度增量增大，而气温对50cm土壤湿度变化的影响较小。本文只讨论了降水对贵州分布较广的粘壤土土壤水分垂直分布的影响，而贵州省自然环境复杂、土壤类型较多，降水和气温对不同类型土壤湿度的影响有待进一步研究和探讨，以期了解喀斯特复杂地貌下土壤湿度对降水和气温的响应。