山西省土壤濕度時(shí)空分布及與氣候因素的耦合

劉立文, 段永紅, 趙 濤

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太谷 030801)

土壤濕度又稱為土壤含水量，是影響植物生長的重要因素之一[1]，同時(shí)在陸地-大氣相互作用中，土壤濕度對(duì)氣候變化有重要影響[2-3]，因此土壤濕度在生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田灌溉、氣候變化中都有不可比擬的作用[4-5]。土壤濕度的相關(guān)研究源于20世紀(jì)70年代[6]，尤其是20世紀(jì)90年代以后，研究者的研究重點(diǎn)從單一的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)到使用衛(wèi)星輻射率資料同化系統(tǒng)對(duì)氣候變化進(jìn)行模擬，其中就包括對(duì)降水的預(yù)測(cè)和對(duì)土壤濕度模型的建立[7-9]。目前國內(nèi)的研究區(qū)域仍然集中在定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，雖然精度高，但對(duì)區(qū)域的整體變化了解較少[10-12]。研究內(nèi)容多集中在對(duì)局部地區(qū)或某一土地利用類型下土壤水的檢測(cè)、土壤干層及土壤水分影響因子的確立[13-14]。此外山西由于其獨(dú)特的黃土丘陵地貌和“兩山夾一川”地形特征，各個(gè)地方氣候條件都有較大差異，其土壤濕度變化空間分布不均勻。相關(guān)研究表明，土壤濕度的變化受到氣候和季節(jié)的影響[15-16]，特別是氣溫和降水對(duì)土壤濕度有直接的影響，因此開展該區(qū)域的研究顯得尤為必要。

利用中國氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(China meteorological administration land data assimilation system, CLDAS)山西省2017年3月到2018年2月的氣象數(shù)據(jù)資料，從年、季節(jié)和月份尺度分析了山西省土壤濕度時(shí)空分布。與此同時(shí)，利用降雨和氣溫?cái)?shù)據(jù)分析土壤濕度與氣候變化的耦合關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步理解山西省農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)、水土狀況改善和陸地-大氣相互作用的機(jī)理等研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省地處華北西部的黃土高原的東邊，省界從北緯34°34′～40°44′，東經(jīng)110°14′～114°33′，東鄰河北，西靠陜西，南接河南，北連內(nèi)蒙古。山西省轄11個(gè)地級(jí)市，總面積為15.67萬 km2。山西省是典型的由黃土覆蓋的山地高原，東北部地勢(shì)高而西南部的地勢(shì)低。高原內(nèi)部的高差很大，主要有山地、丘陵、臺(tái)地、盆地等地貌，以山區(qū)、丘陵的地貌為主，占整個(gè)省的70%以上。山西省年平均氣溫3～14 ℃，南部和北部溫差較大，冬季普遍低溫且干燥，夏季全省普遍高溫且多雨。山西省全省年降雨量為400～650 mm，但各個(gè)季節(jié)都有較大的差異。這是由于受地形的影響導(dǎo)致情況多變。由于山西省特殊的地形，南北比較狹長，所以南北緯度差異較大。同時(shí)由于海陸位置和各地土壤環(huán)境不同，使得山西省氣候情況錯(cuò)綜復(fù)雜，全省各地的植被也有顯著差異，因而導(dǎo)致了土壤類型的多樣化和復(fù)雜化。其中最主要的土壤類型包括地帶性土壤類型、山地土壤類型和隱藏域土壤類型等。

1.2 數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)源

山西省2017年3月—2018年2月CLDAS-V2.0土壤濕度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心。山西省的省界和縣市界矢量數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)全國1∶400萬數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

首先將.nc數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為tiff格式數(shù)據(jù)，先用ArcGIS進(jìn)行“點(diǎn)轉(zhuǎn)柵格”轉(zhuǎn)換為tiff數(shù)據(jù)，再用ArcGIS的Multidimernsion Tools下創(chuàng)建NetCDF柵格圖層，再使用掩膜工具提取出所需研究區(qū)的數(shù)據(jù)。然后將獲得的矢量地圖作為底圖，在ENVI用subset data from ROIs工具裁剪出山西省的矢量地圖，然后使用ENVI中的Compute Statistics統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算每個(gè)月、季和年的降水量、氣溫和土壤濕度的平均值。

1.3 研究方法

以2017年3月—2018年2月的降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)和土壤濕度數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)合山西省矢量圖，獲取山西省的氣溫?cái)?shù)據(jù)、降水量數(shù)據(jù)和土壤濕度(0～10 cm)數(shù)據(jù)。

首先通過ENVI中的band math 工具通過平均值法，對(duì)應(yīng)月內(nèi)小時(shí)數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行處理并獲得2017年山西省土壤濕度數(shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)、降水量的月值數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)對(duì)應(yīng)月份的均值獲得季節(jié)值和年值。該方法弱化了極端值的影響[14]，其計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：Pj代表第j月土壤濕度；P(j,k)代表第j月對(duì)應(yīng)的第k日的土壤濕度；Pi代表第i季(年)土壤濕度；P(i,j)代表第i季(年)對(duì)應(yīng)的第j月的土壤濕度；n為總月(季)數(shù)。此外降水和氣溫的月、季和年均值也是通過此方法獲取。

其次根據(jù)氣象學(xué)的季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)將季節(jié)劃分為春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12—來年2月，并根據(jù)趨勢(shì)分析方法，將山西省土壤濕度的月際和季際變化進(jìn)行分析，計(jì)算公式為

(3)

式(3)中:S為回歸方程的斜率；i代表月(季)的土壤濕度；n代表總月(季)數(shù)；Ci代表第i月(季)的最大土壤濕度。如果S>0，則表明土壤濕度增加，農(nóng)業(yè)旱情逐漸緩解，如果S<0，則表明土壤濕度減少，農(nóng)業(yè)旱情增加；在斜率趨于零的范圍內(nèi)，農(nóng)業(yè)干旱則保持不變。

為進(jìn)一步了解不同季節(jié)下的氣溫和降水量與土壤濕度變化的關(guān)系。通過相關(guān)分析方法，研究不同季節(jié)的氣候因素主要是氣溫和降水量這兩個(gè)因素對(duì)于在不同季節(jié)和不同月份下土壤濕度的響應(yīng)特征，計(jì)算公式為

(4)

式(4)中：R為相關(guān)系數(shù)；X為土壤濕度數(shù)據(jù)；Xm為土壤濕度的平均值；Y為降雨量(氣溫)數(shù)據(jù)；Ym為降雨量(氣溫)的平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 山西省土壤濕度的時(shí)空變化

2.1.1 土壤濕度空間分布特征

2017年山西省土壤平均濕度分布如圖1所示。

圖1 2017年山西省土壤平均濕度分布Fig.1 Distribution of average soil moisture in Shanxi Province in 2017

由圖1可以看出，山西省區(qū)域內(nèi)土壤濕度各地差異顯著，格局明顯。山西分為晉北、晉中、晉南。晉北地區(qū)與晉南地區(qū)相比較為干旱，土壤濕度低。最低值為0.07 m3/m3，最高值為0.27 m3/m3；晉中和晉北區(qū)域較為濕潤，土壤濕度最低值為0.17 m3/m3，最高值為0.34 m3/m3，明顯表現(xiàn)出濕度從北部到南部遞增的趨勢(shì)。但研究區(qū)域內(nèi)也有零星區(qū)域與周圍地方差異顯著，這可能與局地各種因素導(dǎo)致[17-18]。其主要分布在運(yùn)城和晉城地區(qū)，這部分地區(qū)表現(xiàn)出獨(dú)立的土壤濕度特征，土壤含水量比周邊地區(qū)都低。但是從研究區(qū)一年的土壤濕度變化整體來看，研究區(qū)還是具有顯著差異。

2.1.2 土壤濕度季節(jié)尺度分布特征

2017年山西省各季土壤平均濕度分布如圖2所示。

圖2 2017年山西省各季土壤平均濕度分布Fig.2 Seasonal distribution of soil average humidity of Shanxi Province in 2017

由圖2可以看出，春季土壤濕度整體偏低，研究區(qū)平均土壤濕度為0.18 m3/m3，土壤濕度主要分布在0.13～0.19 m3/m3。在大同、朔州北部、忻州西部等地區(qū)位于研究區(qū)土壤濕度較低區(qū)域，大致都在0.16 m3/m3左右。到夏季的時(shí)候，降水量逐漸增多，土壤濕度不斷提高，平均土壤濕度為0.24 m3/m3，比春季多0.06 m3/m3，且土壤濕度分布集中，分布在0.20～0.30 m3/m3的范圍，且空間差異顯著，但是仍然表現(xiàn)出南多北少、東多西少的特征。秋季土壤濕度達(dá)到一年的峰值，較夏季有小幅增加，土壤濕度主要分布在0.25～0.32 m3/m3。南北差異達(dá)到最大，分界線特別明顯。以呂梁、太原、陽泉為邊界，這些地方以北降水量較少，土壤含水量較少，比這些以南的地方土壤濕度更低。冬季土壤濕度為一年的最低值，比春季還低小一點(diǎn)，在晉北地區(qū)的土壤濕度主要分布在0.10～0.13 m3/m3，在晉中和晉南地區(qū)的土壤濕度主要分布在0.18～0.25 m3/m3。特別在晉中東部的土壤濕度最高。比較研究區(qū)春夏秋冬四季土壤濕度的空間分布可以得出，忻州以北終年土壤濕度都是低值分布；除晉中和太原、運(yùn)城終年土壤濕度較高以外，其余地區(qū)土壤水分含量均隨著夏秋季降水的補(bǔ)償明顯增加，如晉城、長治等地區(qū)。

2.1.3 土壤濕度月尺度分布特征

山西省各地區(qū)各月平均土壤濕度分布如圖3所示。

圖3 山西省各地區(qū)各月平均土壤濕度分布Fig.3 Monthly distribution of soil average humidity of Shanxi Province

由圖3可知，3月份進(jìn)入春季以后，土壤水分流失嚴(yán)重且萬物開始，各植物需水量增大，導(dǎo)致土壤濕度普遍偏低，都在0.15～0.25 m3/m3，個(gè)別地區(qū)超過0.20 m3/m3，比平均濕度要高，主要分布在呂梁市。2017年4月土壤濕度情況和3月稍有不同，研究區(qū)南方相對(duì)于北方有著明顯的土壤濕度的增加，但整體濕度還是很低，研究區(qū)大部分地區(qū)還是在平均值上下變化。研究區(qū)5月土壤濕度分布情況與4月有較大差異，可以看出，在研究區(qū)域大部分地區(qū)處于低谷，部分地區(qū)處于年度最低值，都在0.10～0.20 m3/m3,與此相反的研究區(qū)主要是長治地區(qū)土壤濕度增加明顯。

研究區(qū)6—8月份，除了運(yùn)城先降低后增加之外，其他地區(qū)均出現(xiàn)增長的趨勢(shì)。但6月的平均土壤濕度與之前的3、4、5月的數(shù)值變化不大，到7月的平均土壤濕度與之前有所上升，是研究區(qū)由于雨季的到來，降水量的增加使得各地區(qū)土壤濕度都有明顯增加。平均土壤濕度為0.24 m3/m3，土壤濕度達(dá)到0.20 m3/m3以上的地區(qū)占研究區(qū)的70%，土壤濕度在0.20 m3/m3以下的區(qū)域面積都有所下降。晉北地區(qū)的土壤濕度比之前都高，大部分都在0.20 m3/m3左右。研究區(qū)8月的平均土壤濕度為0.26 m3/m3，到達(dá)一個(gè)小高峰。土壤濕度均在0.20 m3/m3以下的僅有部分地區(qū)，主要分布在運(yùn)城的南部、臨汾和大同一些地區(qū)因降雨量較少，土壤濕度低。

研究區(qū)9月的平均土壤濕度為0.24 m3/m3，較8月有小幅降低，從9月的平均土壤濕度分布中可以看出，研究區(qū)的土壤濕度呈現(xiàn)出東西各異的情況，研究區(qū)西部比研究區(qū)東部的土壤濕度普遍要高，以古交-平遙-洪洞為交界,兩邊土壤平均濕度相差較大。最大差異可達(dá)到0.1 m3/m3。研究區(qū)10月的平均土壤濕度為0.28 m3/m3，是研究時(shí)限的最高值，此時(shí)正處于秋季中旬，降雨量并不是很大，但是土壤濕度卻是最大，這是由于在夏季的降水儲(chǔ)存在土壤中，加上秋季氣溫下降等各種因素導(dǎo)致濕度最大。同時(shí)由研究區(qū)東西差異顯著轉(zhuǎn)化為南北差異顯著。土壤濕度最低值為0.10 m3/m3，而最高值為0.33 m3/m3。研究區(qū)11月的平均土壤濕度為0.23 m3/m3，比10月研究區(qū)下降明顯，正處于秋季末旬，可以看出，11月的研究區(qū)北部比10月的研究區(qū)北部區(qū)域干旱化明顯，同時(shí)研究區(qū)南部的土壤濕度也有所下降，這也與降雨量的不斷下降成正比。晉城地區(qū)土壤濕度下降明顯，最高只有0.16 m3/m3。

研究區(qū)12月的平均土壤濕度為0.18 m3/m3，比11月下降0.05 m3/m3。12月的研究區(qū)剛進(jìn)入冬季，降水量和氣溫都不斷減少。只是研究區(qū)北部區(qū)域，包括朔州、大同和忻州周邊地區(qū)土壤濕度仍然處于較低的范圍。研究區(qū)次年1月的平均土壤濕度為0.16 m3/m3，與12月差異不大。土壤濕度分布圖也沒有多少變化，這是因?yàn)檫@兩月的氣候環(huán)境相似。研究區(qū)次年2月的平均土壤濕度為0.18 m3/m3，比1月有一點(diǎn)點(diǎn)上升，但不是很明顯。仍然可以明顯看出土壤濕度較高的地區(qū)集中于研究區(qū)中部和南部，主要由于2月是冬季下旬，土壤中含有的凍土層漸漸消融，土壤中的水分析出，導(dǎo)致土壤濕度小幅上升。在晉中、長治周邊地區(qū)土壤濕度較高，而在晉城市土壤濕度就較低，和研究區(qū)北部土壤濕度一樣。這是由于其他的因素所導(dǎo)致的。

2.2 山西省土壤濕度變化與氣候因素耦合

土壤濕度的變化受各種各樣因素的影響，有土壤特性的影響、有地形的影響(坡位、坡度、坡向等)、有風(fēng)速和風(fēng)力的影響、有氣候因素的影響、有利用土地方式不同的影響。在不同地點(diǎn)、不同季節(jié)下不同影響因素對(duì)土壤濕度的影響程度也有所差異[5]。山西是黃土高原，其中的氣候因素和降水量這兩因素對(duì)土壤濕度的影響程度最大。 因此對(duì)所需要的數(shù)據(jù)全都處理完之后，得到所需的氣溫?cái)?shù)據(jù)和降水量數(shù)據(jù)。分別分析氣溫對(duì)土壤濕度的影響和降水量對(duì)土壤濕度的影響。氣候因素與土壤濕度的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 氣候因素與土壤濕度的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between the climate factors and the soil moisture

從圖4(a)可以看出，空氣溫度與土壤濕度有著相關(guān)性，在不同的時(shí)間下溫度對(duì)土壤濕度的影響也不一樣。在2—5月，空氣溫度與土壤濕度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度越低，土壤濕度越高，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間段是春季，溫度相對(duì)于冬季會(huì)逐漸升高，隨著溫度的升高，在蒸散作用下使土壤中的水分漸漸蒸發(fā)，土壤含水量變少。在6—8月，由于正處于夏季，溫度較高，但是從圖中可見，隨著溫度的升高，土壤濕度也在增加，不符合常識(shí)，因此有其他因素也在影響土壤濕度。在9—11月，這個(gè)時(shí)間段是秋季，由圖可以看出，溫度在不斷下降，土壤濕度也有不同程度的變化。在12月再到來年2月，溫度先是下降再有一點(diǎn)回升，土壤濕度也是先是下降再有點(diǎn)回升。

從圖4(b)可以看出降水量與土壤濕度的關(guān)系，降水量對(duì)土壤濕度的影響較大。在2—5月，屬于春季，山西省的降水量還很少，當(dāng)隨著時(shí)間的變化降水量也不斷增加，土壤濕度也在不斷變化。在7—9月，是降水量最多的時(shí)間，土壤濕度也達(dá)到一個(gè)高峰，夏季的降水量對(duì)土壤濕度的影響最大。在9—11月是秋季時(shí)間段，降水量逐漸減少，在10月有小幅度的上升，土壤濕度也隨之上升。10月之后，降水量急劇減少，土壤濕度也迅速下降。可見降水量和土壤濕度有著很大的相關(guān)性。在冬季(12月到來年2月)降水量逐漸變少，土壤濕度也不斷下降。其中有些月份所測(cè)土壤濕度的變化與降水量變化并不完全一致，是因?yàn)橥寥罎穸鹊淖兓耸茏魑锵募罢舭l(fā)作用影響外，還與降水時(shí)段出現(xiàn)在測(cè)墑前與測(cè)墑后有很大關(guān)系。

表1所示為各季平均降水量、平均氣溫與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，各季土壤濕度與本季氣溫均為負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)。春季的降水量對(duì)土壤濕度呈正相關(guān)，且有較大的相關(guān)性，為0.66。氣溫在春季對(duì)土壤濕度有著較大的相關(guān)性，呈負(fù)相關(guān)。在夏季的時(shí)候，降水量對(duì)土壤濕度的影響達(dá)到最大為0.73，氣溫與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)為-0.35，土壤濕度的變化對(duì)降水量的依賴性最明顯。在秋季的時(shí)候，降水量與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)為0.45，氣溫與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)是-0.21。冬季的平均降水量與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)是0.22，平均氣溫與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)是-0.12。綜合得出，山西省土壤濕度主要受降雨量的影響，氣溫也會(huì)影響土壤濕度的變化，但影響程度沒有降雨量那么明顯。夏季和秋季雨水較為充沛，土壤較為濕潤。氣溫和降水量對(duì)濕度的影響都不太顯著，這與山西冬季少雨寒冷有關(guān)系。而在夏季，降水量和氣溫與土壤濕度的相關(guān)性都較好，這與山西夏季高溫多雨的特點(diǎn)分不開。夏季是降水最集中的季節(jié)，高溫多雨的氣候特點(diǎn)導(dǎo)致該地區(qū)夏季的地表蒸散和地表徑流較大，同時(shí)秋季也是山西省的主要降水期，但是氣溫較夏季要低得多，導(dǎo)致降水和氣溫對(duì)土壤濕度的相關(guān)性小于夏季[19-20]。

表1 各季平均降水量、平均氣溫與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

根據(jù)山西省2017年3月—2018年2月的土壤濕度資料、氣溫?cái)?shù)據(jù)和降水量數(shù)據(jù)，研究分析了一年山西省的土壤濕度變化及其氣候影響因素，對(duì)山西省土壤濕度變化有了初步的了解，得到的結(jié)論如下。

(1)山西省的土壤濕度在每個(gè)時(shí)間段均不同，在每個(gè)季節(jié)、每個(gè)月都有不一樣的變化情況。但從山西省的空間分布特征來看，無論是按季節(jié)，還是按月份，山西省的土壤濕度分布情況都顯示出東多西少、南多北少的分布格局。

(2)從季節(jié)尺度來看，從春到夏秋季節(jié)，土壤濕度逐漸增加，再到冬季土壤濕度減少，春季再次增加，形成一個(gè)四季循環(huán)。研究區(qū)內(nèi)的同一地區(qū)在夏秋季節(jié)的土壤濕度變化顯著，都是從低變高。從月尺度來看，3月到5月，土壤濕度變化并不大，從6月開始土壤濕度逐月增加，到10月達(dá)到年內(nèi)最高值，之后土壤濕度不斷減少，到達(dá)年內(nèi)最低值。

(3)從降水量和氣溫對(duì)土壤濕度的相關(guān)分析可以得出：降水量在夏秋季節(jié)時(shí)比在春冬季節(jié)對(duì)土壤濕度的影響較大；而氣溫在春夏季節(jié)時(shí)比在秋冬季節(jié)時(shí)對(duì)土壤濕度的影響較大。綜合分析得出：降水量會(huì)增加土壤濕度，在晉南地區(qū)最為顯著，而氣溫會(huì)減少土壤濕度，在晉北地區(qū)最為顯著。

深入認(rèn)識(shí)土壤濕度及其相關(guān)內(nèi)容需要從更深層土壤濕度入手，此外本文研究的時(shí)間段只有一年，時(shí)間跨度較小，影響因素方面只是做了氣候因素(降雨量和氣溫)對(duì)土壤濕度的影響，但是土壤濕度的變化受多種因素的影響，如土地利用狀況、土壤溫度、太陽輻射、風(fēng)速等。以后的研究中可以加入更多的土壤濕度數(shù)據(jù)，特別是深層(10 cm以下)土壤濕度資料，研究土壤在不同深度下的土壤濕度變化，并結(jié)合其他相關(guān)資料研究土壤濕度變異的原因，以期為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱情防治提出更多科學(xué)依據(jù)。