朱国锋
, 蒲焘
ZHU Guo-feng, PU Tao
中图分类号: P426.1/P467
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2012)07-0872-06
收稿日期: 2011-09-11
修回日期: 2011-11-8
网络出版日期: 2012-07-20
版权声明: 2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:
作者简介:
作者简介：朱国锋（1983-）,男,甘肃平凉人,博士,主要从事寒区水文与水资源研究。E-mail：guofeng_zhu@yahoo.cn
展开
摘要
以1992~2010年横断山区16个观测站土壤相对湿度资料为基础,通过Kriging插值法分析土壤相对湿度季节分异和空间分异特征。结果表明：横断山区年土壤相对湿度自1992年以来整体呈波动增加趋势,年际变化倾向率为0.51% /a;横断山区土壤相对湿度表现为西南和东北部较高,东南和西北部较低,中部土壤相对湿度增加趋势强于边缘,深层土壤的相对湿度整体大于浅层土壤。春、夏季土壤相对湿度增加趋势比秋、冬季明显。
关键词：
Abstract
Based on soil relative moisture data in ten days from 16 observation stations of Hengduan Mountainous Region in 1992-2010, spatial and temporal changes of soil relative moisture were analyzed in the paper with Kriging interpolation method. The results showed that the soil relative moisture in Hengduan Mountainous Region had been in a increasing tendency since 1992 with the inclination rate of 0.51%/a. The soil relative moisture were high relatively in the southwest and the northeast of Hengduan Mountains whereas low in the southeast and the northwest. The values of soil relative moisture in deep soils were higher than that in shallow soil. As far as the seasonal change, the increasing trend of soil relative moisture in spring and summer were greater than that in autumn and winter.
Keywords：
土壤相对湿度是土壤水分状况的综合反映,能反映出地表水文过程的大部分信息[1~3]。土壤湿度本身也受到植被类型、地形、降水和蒸散发等诸多因子的影响[4~7]。近100 a来中国地面气温上升0.4~0.8℃,近50 a来降水量整体呈减少趋势[8~10]。在气候变化的影响下,横断山高海拔地区生态系统发生明显变化,冰川消融加剧,局部地区土壤侵蚀加强,水土流失加剧,使土壤水文过程发生改变。土壤湿度是陆面过程模式中最重要而又难以测定的参数[11~13],由于土壤湿度实测资料的缺乏, 目前大尺度陆面过程模式中对土壤湿度的物理描述比较粗糙。本文以横断山区为研究区域收集土壤相对湿度数据, 通过Kriging插值方法来研究不同深度土壤剖面相对湿度的时空变异特征[14~21],试图分析不同时空背景下剖面土壤相对湿度的空间分布特征和变异规律,深化对土壤相对湿度变化过程理解,以期为该区域开展陆面过程模式尤其是分布式水文模式研究奠定基础。
以区域代表性和数据连续性为依据,选取横断山区16个土壤湿度监测站(表1、图1) 1992~2010年旬土壤相对湿度实测值（未受灌溉等人为因素影响）,分别进行春、夏、秋、冬、年土壤相对湿度的分析。观测深度分别为10、20和50 cm。土壤含水率小于3%的土层为干土层,干土层小于3 cm的忽略,大于3 cm的按实际干土层厚度计录。观测日期为每月8、18和28日, 观测日用土钻在不同土壤深度取原状土,用铝盒装好原状土后在温度为105℃的烘箱内连续烘烤12 h,测得土壤含水率,用土壤含水率和采样点的田间持水量（站点开始观测时测定）计算土壤相对湿度：R=[Mwater/Swater] ×100%,式中,R为土壤相对湿度;Mwater为土壤含水率;Swater为田间持水量。
土壤相对湿度和相关气象资料来自于中国气象局国家气象信息中心(http://www.nmic.gov.cn/)。季节的划分采用气象季节。
横断山区多年年均土壤相对湿度在66.6%~89.5%之间,不同季节和年均土壤相对湿度的空间分异明显。整体来看,中部的大雪山和夹金山,南部的云岭和玉龙雪山一带土壤相对湿度较高,平均值在60.7%~97.4%之间。横断山北缘和中部的沙鲁里山东坡至宁静山西坡,横断山东缘的太白山、邛崃山和大凉山一带, 土壤相对湿度较低,平均值在23.9%~60.7%之间。就土壤相对湿度的垂直分布而言,10 cm土壤相对湿度在66.6%~89.0%之间,平均为77.4%;20 cm在70.8%~92.6%之间,平均为81.3 mm;50 cm在78.7%~89.5%之间,平均为84.2%;在春季、冬季和年平均干土层厚度大于3 cm,夏季和秋季小于3 cm（表2、图2）。降水对不同层位土壤相对湿度影响较大,降水较少的春、冬季和年不同深度土壤相对湿度由小到大依次为10、20、50 cm, 降水较多的夏季为50、10、20 cm, 秋季为10、50、20 cm,各层土壤湿度差距不大,降水较少的春和冬季,深层土壤相对湿度明显大于浅层土壤,降水较多的夏季和秋季浅层土壤更容易吸收到来自降水的水分,其湿度略大于深层土壤。
表1 横断山区农业气象观测站土壤水分观测站点
Table 1 Soil moisture stations of agrometeorological station in Hengduan Mountains
| 站点 | 经度（°）E | 纬度（°）N | 气温（℃） | 降水（mm） |
|---|---|---|---|---|
| 石渠 | 98.1 | 33.0 | 0.55 | 764 |
| 察隅 | 97.5 | 28.7 | 13.6 | 1052 |
| 稻城 | 100.3 | 29.1 | 5.5 | 711 |
| 灌县 | 103.7 | 31.0 | 15.9 | 746 |
| 温江 | 103.8 | 30.7 | 16.7 | 727 |
| 邛崃 | 103.5 | 30.4 | 16.7 | 761 |
| 洪雅 | 103.4 | 29.9 | 17.5 | 1354 |
| 汉源 | 102.7 | 29.4 | 18.0 | 639 |
| 昭觉 | 102.9 | 28.0 | 11.3 | 744 |
| 西昌 | 102.3 | 27.9 | 16.9 | 909 |
| 六库 | 98.9 | 26.9 | 21.0 | 614 |
| 丽江 | 100.5 | 26.8 | 13.8 | 820 |
| 米易 | 102.1 | 26.9 | 19.2 | 1157 |
| 宁南 | 102.8 | 27.1 | 19.7 | 976 |
| 保山 | 99.2 | 25.1 | 17.0 | 660 |
| 楚雄 | 101.5 | 25.0 | 17.1 | 619 |
图1 横断山区土壤水分观测站空间分布
Fig. 1 Spatial distribution of soil moisture stations in Hengduan Mountains
春季土壤相对湿度整体较低,东北部西起沙鲁里山,东至邛崃山的区域土壤相对湿度较高,平均值在72.9%~97.4%,沙鲁里山以西10 cm土层土壤相对湿度较低,平均值在11.6%~48.4%,随土层加深土壤相对湿度逐渐增加。夏季土壤相对湿度普遍上升至60%以上,在大雪山以东和邛崃山以西中间地带和云岭一带土壤相对湿度在95.6%~99.0%,沙鲁里山以西和大凉山一带相对湿度较低,在60.9%~81.7%,其余地区土壤相对湿度较高,不同深度土层土壤相对湿度差距不大。秋季土壤相对湿度值普遍较高,由于西南季风和东南季风衰退导致降水较少,低值区面积开始扩大,沙鲁里山、哈马雪山一线以西,太白山、邛崃山和大凉山以东相对湿度普遍降至85%以下,不同深度土壤的相对湿度差异不明显,冬季土壤相对湿度值普遍偏低,低值区域分布广泛,哈马雪山、沙鲁里山以东,锦屏山、大雪山以西形成一个纵贯横断山区东北、西南较高值区域,区内相对湿度在45%~75%,其余区域相对湿度普遍低于45%,随土层深度增加土壤相对湿度明显增加。
春、夏、季、冬季和年均土壤相对湿度的空间分布都表现为西南和东北部较高,东南和西北部较低的分布趋势,土壤相对湿度较高区域的空间分布与西南季风影响强度有很强的一致性,这说明季风降水对横断山区土壤相对湿度的空间分布有显著的影响。土壤相对湿度等值区域在横断山西南部呈纬向分布,其余区域经向分布趋势明显,这是因为雨季横断山西南部受到西南季风的强烈影响,降水、蒸发等影响土壤相对湿度的因素空间上沿纬向分布,但是随着季风深入横断山内部,在高大纵向山系的影响下逐渐形成了东西阻隔、南北贯通的现象,西南季风几乎完全沿纵向山系向横断山北部延伸。区内复杂的地形通过影响降水、气温、风速等气候因素进而影响到了土壤相对湿度的空间分布。
横断山地区土壤相对湿度年际变化存在较明显的空间差异,北部沙鲁里山以西,南部云岭以西,东南部锦屏山、大凉山一带土壤相对湿度增加幅度较大,倾向率在(0.55%~1.35%)/ a之间,沙鲁里山、哈马雪山和玉龙雪山一线以东,大雪山、锦屏山以西的纵贯横断山区的广阔地带土壤相对湿度增加幅度较小,平均年际倾向率在(0.01%~0.55%)/ a之间,南部的玉龙雪山地区、北部的大雪山、夹金山一带和西部的宁静山地区分布着三个土壤相对湿度增加不明显的区域。春季正高倾向率中心面积广阔,呈西北-东南走向分布在横断山区中部沙鲁里山一带,倾向率在1.15%~1.42%,由横断山中心向边缘地带延伸倾向率逐渐减小。夏季正高倾向率分布区移至沙鲁里山、哈马雪山和锦屏山一带,在玉龙雪山和大雪山一带形成两个负倾向率孤立区域。秋季土壤相对湿度倾向率整体上从东北到西南呈递减趋势,在横断山中部和南部地区,正高倾向率分布区域向南延伸。与其他季节相比,冬季倾向率空间变化纬向分异非常明显,由北向南土壤相对湿度依次递减,在中部地区低倾向率分布区域向北延伸。
表2 1992~2009年横断山区土壤相对湿度空间分布（%）
Table 2 Spatial distribution of relative soil moisture in Hengduan Mountains in 1992-2009（%）
| 春季平均 | 夏季平均 | 秋季平均 | 冬季平均 | 雨季平均 | 干季平均 | 多年平均 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 干土层 | >3 mm | <3 mm | <3 mm | >3 mm | <3 mm | >3 mm | >3 mm |
| 10 cm | 69 | 87.9 | 89.0 | 66.6 | 87.4 | 67.4 | 77.4 |
| 20 cm | 70.8 | 88.7 | 92.6 | 73.1 | 89.2 | 73.4 | 81.3 |
| 50 cm | 78.7 | 86.2 | 89.5 | 82.4 | 86.5 | 81.9 | 84.2 |
图2 横断山区年均土壤相对湿度插值
Fig.2 Annual relative soil moisture interpolation in Hengduan Mountains in 1992-2009
横断山区土壤相对湿度的年际变化以波动增加为主,10、20和50 cm的年均土壤相对湿度倾向率分别为0.53%/a、0.55%/a、0.44%/a,在1995、2002和2006年土壤相对湿度出现了明显波动,在这些年份降水与潜在蒸发量也发生明显的波动,说明气象因素的波动对土壤相对湿度的影响是显著的（图3）。1992~2005年春季土壤相对湿度整体上呈波动上升趋势,增加幅度在四季中最大,2006~2010年连续5 a呈下降趋势。春季10、20和50 cm土壤相对湿度的倾向率依次为0.91%/a、1.00% /a和1.03%/a,各土层变化趋势基本一致,50 cm处波动明显小于10和20 cm处。夏季土壤相对湿度变化也呈波动上升趋势,10、20和50 cm的倾向率依次为0.61%/a、0.76%/a和0.97%/a,各土层波动都较明显（图4）。秋季土壤相对湿度增加幅度较小,10、20和50 cm的倾向率依次为0.28%/a、0.11%/a和0.26%/a,2002年出现相对湿度的异常低值,比较发现同期的降水量也较少。冬季土壤相对湿度的变化趋势与其它季节一致,10、20和50 cm的倾向率依次为0.26%/a、0.35%/a和0.45%/a。横断山区土壤相对湿度变化的强烈程度由大到小依次为春季、夏季、冬季和秋季。分析发现,土壤相对湿度在年代际变化上表现出较为一致的变化规律,在年际变化上较为复杂,表明横断山区土壤水分的变化在较长时间尺度上会表现出较明显的分异的规律,在较短时间尺度上反映了山区气候变化的复杂性。
利用2010年各站点的旬值数据分析了横断山区土壤相对湿度的年内变化,相对湿度年内变化范围为46.58%~97.92%,最大值出现在横断山南部秋季10 cm土层,最小值出现在横断山南部春季3月10 cm土层,各点土壤相对湿度值由大到小为夏、秋、冬和春季, 土壤相对湿度与降水量成正比关系,与潜在蒸发量呈反比关系（图5）。各观测土层相对湿度从大到小为50、20和10 cm,随土层深度增加,土壤相对湿度增大,相对湿度的波动减小,土壤相对湿度对外界变化的反应的敏感性降低。
横断山北部土壤相对湿度夏秋季较高,冬春季较低,年内变化不明显,各层位变化趋势基本一致,接近于土壤相对湿度的自然分布规律,这主要是由于横断山北部降水受季风影响较南部和中部弱,人类活动对生态环境的扰动也弱于南部和中部。横断山中部地区10 cm土壤相对湿度季节波动较大,冬春季较低,5~6月份土壤相对湿度急剧升高,其原因是5月份西南季风影响到横断山中部地区,降水量增大,9月下旬季风开始减弱,土壤相对湿度急剧下降;20 cm土壤相对湿度变化趋势与10 cm基本一致,但是变化幅度比10 cm缓和很多;50 cm土壤相对湿度的变化趋势与10 cm一致,夏秋季降水丰富,土壤相对湿度较高。横断山南部地区土壤相对湿度从4月开始明显上升,11月开始明显下降,10和20 cm土壤相对湿度变化幅度较大,50 cm变化幅度较小。横断山土壤相对湿度变化存在时间差,一般南部4月土壤相对湿度开始上升,然后上升区域逐渐向北扩展,10月整个横断山区土壤相对湿度都开始明显下降,这与西南季风在横断山区的强度变化过程基本一致,可见西南季风对横断山区土壤相对湿度的年内变化有很大的影响。在整个变化过程中浅层土壤的波动强于深层土壤,说明浅层土壤的相对湿度更容易受到外界环境的影响,敏感性强于深层土壤。
图3 1992~2010年横断山区10、20和50 cm土壤相对湿度年际变化
Fig.3 Interannual variation of relative soil moisture in layer 10 cm,20 cm and 50 cm in Hengduan Mountains in 1992-2010
图4 1992~2010年横断山区土壤平均相对湿度年际变化倾向率插值
Fig.4 The tendency interpolation of mean relative soil moisture in Hengduan Mountains in 1992-2010
图5 横断山区土壤相对湿度年内变化
Fig.5 Monthly variation of relative soil moisture in the Hengduan Mountains
1） 1992~2009年横断山地区多年年均土壤相对湿度在66.6%~89.5%之间,土壤相对湿度表现为西南和东北部较高,东南和西北部较低。
2） 自1992年以来表现出统计意义上的增加,中部土壤相对湿度增加趋势强于边缘,深层土壤的相对湿度整体上大于浅层土壤。春、夏季土壤相对湿度增加趋势比秋、冬季明显。
3） 10和20 cm土壤相对湿度变化幅度较大,50 cm变化幅度相对较小,从4月开始土壤相对湿度开始明显上升,5~10月土壤相对湿度较高,11月开始明显下降,11月至翌年4月土壤相对湿度较低。
The authors have declared that no competing interests exist.
| [1] |
The hydrological cycle and its influence on climate [J]. |
| [2] |
全球变化和中国未来的生态环境 [J].
|
| [3] |
土壤湿度和气候变化关系研究中的某些问题 [J]. |
| [4] |
地下水位下降对区域气候影响的虚拟试验 [J]. |
| [5] |
干旱区潜水蒸发埋深及土质关系实验分析 [J].
|
| [6] |
玉龙雪山周边典型河流雨季水化学特征分析 [J].
|
| [7] |
Integration of atmospheric sciences and hydrology for the development of decision support systems in sustainable water management [J]. |
| [8] |
近50年来中国气候变化特征的再分析 [J]. |
| [9] |
季风区边缘近500年的降水变化特征 [J].
|
| [10] |
中国北方地区四季的时空演变特征 [J]. |
| [11] |
土壤湿度的一种统计预报模型初步试验 [J]. |
| [12] |
分布式流域水文模型水量过程模拟——以黄河河源区为例 [J].
|
| [13] |
|
| [14] |
农田土壤水分和盐分空间分布的指示克立格分析评价 [J]. |
| [15] |
基于地统计学的北运河下游土壤养分空间分布 [J].
|
| [16] |
基于PRISM和泰森多边形的地形要素日降水量空间插值研究 [J].
|
| [17] |
Conditional spectral simulation with phase identification [J].
|
| [18] |
Compensating for estimation smoothing in Kriging [J].
|
| [19] |
Accounting for estimation optimality criteria in simulated annealing [J].
|
| [20] |
Correcting the smooth effect of ordinary Kriging estimates [J].
|
| [21] |
An alternative measure of reliability of ordinary kriging estimates [J]. |
/
| 〈 |
|
〉 |
