山東省土壤水分時(shí)空分布規(guī)律及分區(qū)

吳東麗 李琪 薛紅喜 沈超 丁琦

摘要：為了充分發(fā)揮土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)在氣象業(yè)務(wù)和科研工作中的作用，本研究以山東省為例，研究了土壤水分的時(shí)空分布規(guī)律，并利用K聚類分析方法進(jìn)行了分區(qū)研究。結(jié)果表明2016年山東省不同層次土壤的水分含量呈現(xiàn)出東部半島低于中、西部的規(guī)律;表層的土壤水分含量較低，且土壤含水量的空間差異小于深層。海陽和章丘2個(gè)典型站點(diǎn)表層土壤水分的波動(dòng)較下層更明顯;氣溫、相對濕度、氣壓、降水和土壤溫度等氣象因子在不同層次上對土壤水分含量有明顯的影響。利用K聚類分析方法結(jié)合站點(diǎn)的空間分布情況，可以將山東省分為4個(gè)區(qū)域，并在東西方向上依次分布。

關(guān)鍵詞：土壤水分;時(shí)空分布;分區(qū);K聚類

中圖分類號： F319.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號： 1000-4440（2019）03-0639-07

水分是土壤的一個(gè)重要組成部分，是農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)中影響植物生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，它不僅影響土壤的理化性質(zhì)，而且影響土壤物質(zhì)的傳輸和轉(zhuǎn)移，尤其制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移[1-3]。土壤水分也是研究農(nóng)業(yè)干旱的重要指標(biāo)，掌握土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，有利于對干旱進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警[4]。土壤水分還是重要的生態(tài)因子之一，它與降水和氣溫變化是相互的和密不可分的，是對氣候環(huán)境因子變異最敏感的響應(yīng)指標(biāo)之一[5-7]，土壤水分研究對認(rèn)識陸面水分輸送特征、形成機(jī)制以及改進(jìn)陸面模式、土壤濕度反演模型具有指導(dǎo)性意義8-10]。

已有的研究在土壤水分平衡[11]時(shí)空分布和變異[12-13]、影響因素[14]等方面積累了大量的成果。雖然使用遙感技術(shù)在大尺度土壤水分研究中的范例越來越多[15]，但土壤水分的原位、長時(shí)間觀測仍然是精確獲取資料和數(shù)據(jù)的重要手段。近年來隨著土壤水分自動(dòng)觀測儀器的不斷更新，為土壤水分研究提供了高頻次、長時(shí)間序列的數(shù)據(jù)資料，并廣泛應(yīng)用于遙感反演土壤水分產(chǎn)品的驗(yàn)證，土壤水分和干旱模型的標(biāo)定和驗(yàn)證以及揭示土壤水分的時(shí)空分布規(guī)律[16-19]。

中國氣象部門傳統(tǒng)的土壤水分觀測采用人工方式，間隔時(shí)間長，不能很好地顯示土壤水分的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，并且對觀測點(diǎn)的土壤有一定的破壞，已經(jīng)無法滿足氣象觀測業(yè)務(wù)發(fā)展和科研的需求[20]。自2009年開始，中國氣象局啟動(dòng)了土壤水分自動(dòng)觀測臺站的建設(shè)，截止2017年底已建成近2 000個(gè)土壤水分自動(dòng)觀測站，觀測間隔為1 h，目前已經(jīng)獲取了大量的第一手觀測資料，初步形成了全國土壤水分自動(dòng)觀測網(wǎng)。為了充分發(fā)揮自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)和科研工作中的作用，本研究以山東省為例，利用2016年山東省自動(dòng)觀測站的土壤水分觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行土壤水分時(shí)空分布規(guī)律及分區(qū)研究，從而為進(jìn)一步挖掘土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的價(jià)值，促進(jìn)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)化以及科研成果產(chǎn)出提供參考。

1 數(shù)據(jù)處理

本研究選取觀測到的土壤相對含水量（ swc）進(jìn)行分析。首先對山東省141個(gè)土壤水分自動(dòng)觀測站2016年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除每天觀測不足20次，每年觀測不足360 d的站點(diǎn)，篩選出85個(gè)站點(diǎn)。對85個(gè)站點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)（小時(shí)值）進(jìn)行質(zhì)量控制，依次進(jìn)行極值檢查（土壤相對含水量的范圍為[0，100]）、內(nèi)部一致性檢查（同時(shí)檢驗(yàn)觀測到的土壤體積含水量、土壤質(zhì)量含水量、土壤相對含水量的一致性）和時(shí)間一致性檢查（10-30 cm連續(xù)21h土壤相對含水量無變化的，40-60 cm連續(xù)3lh無變化的，80-100 cm連續(xù)120 h無變化的，全部連續(xù)相等的數(shù)據(jù)判為異常值），剔除異常值后，利用前后數(shù)據(jù)采用線性插值法進(jìn)行插補(bǔ)，得到完整的數(shù)據(jù)值，然后分別計(jì)算土壤相對含水量的日、旬、月和年均值。

利用GIS軟件研究土壤水分的空間分布特征，利用Sufer軟件研究土壤水分的時(shí)間分布特征。另外選取了與氣象觀測站點(diǎn)匹配較好的海陽和章丘的日值數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤水分與氣象要素的相關(guān)性分析。

因?yàn)?0 cm和20 cm的土壤水分受多種因素的影響，穩(wěn)定性不高，規(guī)律性不好，因此用30 cm的土壤水分月平均值，采用K聚類分析方法[21]結(jié)合站點(diǎn)空間分布情況進(jìn)行土壤水分的分區(qū)研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的時(shí)空分布規(guī)律

圖l是2016年山東省不同層次土壤水分的年均值分布情況。從圖1可以看出，山東省不同層次的土壤水分含量有較明顯的空間分異特征，呈現(xiàn)出山東東部半島的土壤水分含量低于中、西部的規(guī)律。表層的土壤水分含量較低，越往深層，土壤水分含量越高，另外從同一層次土壤含水量的變幅來看，表層的土壤含水量的空間差異要小于深層的。

本研究分別選取了山東半島的海陽和中西部的章丘2個(gè)典型站點(diǎn)，分析這2個(gè)站點(diǎn)2016年不同深度下土壤含水量的垂直分布特征及旬變化情況。從圖2可以看出，2016年山東半島海陽站點(diǎn)表層（10cm、20 cm）土壤水分在全年的波動(dòng)劇烈，中下層波動(dòng)較小，從旬值的極差也可以看出，各層土壤水分在全年都有一定幅度的變化（表1）。海陽站點(diǎn)土壤水分的最高值出現(xiàn)在60 cm處，最低值在10 cm處，各層之間土壤水分平均值的差異比較明顯。

章丘站點(diǎn)的土壤表層（ 10 cm）土壤水分在全年的波動(dòng)較大，20 cm以下土壤水分波動(dòng)迅速減小，80cm以下的深層土壤水分在全年的波動(dòng)極小，基本保持一致（圖2、表1）。土壤水分平均值的最高值在80 cm處，最低值在50 cm處，但各層土壤水分平均值之間的差異很小。

對比2個(gè)典型站點(diǎn)的土壤水分含量可以（圖2、表1）看出，海陽站點(diǎn)30 cm以上的土壤水分含量低于章丘站點(diǎn)，但30 cm以下的土壤水分含量高于章丘站點(diǎn)。章丘站點(diǎn)的土壤水分含量在時(shí)間上和垂直剖面上的變化幅度都小于海陽站點(diǎn)。

2.2 土壤水分含量與氣象要素的關(guān)系

從表2可以看出，海陽站點(diǎn)不同深度土壤水分含量與氣象要素之間有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，其中溫度、濕度和氣壓與土壤水分含量之間的關(guān)系大多達(dá)到了極顯著的相關(guān)水平。溫度和氣壓與中上層土壤（ 60cm及以上）的水分含量之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系，降水對20 -40 cm的土壤含水量有明顯的影響。

從表3可以看出，章丘站點(diǎn)土壤除100 cm深度外，其余各層土壤水分含量與溫度、濕度和氣壓之間的相關(guān)關(guān)系大多達(dá)到了極顯著水平。降水對土壤水分的影響較小，只是和表層的土壤水分含量之間有明顯的相關(guān)性，風(fēng)速和日照對土壤水分的影響也較小。

2.3 土壤水分分區(qū)研究

利用K聚類分析方法，對站點(diǎn)30 cm的土壤水分月平均值進(jìn)行處理和分析，并參考站點(diǎn)的空間分布情況，可以將山東省分為東部和中西部2大區(qū)域。然后對中西部的大類區(qū)再進(jìn)行一次K聚類分析，又可以分為2類，這2類中有一類在空間分布上不連續(xù)，考慮到分區(qū)的空間連續(xù)性原則，因此將中西部調(diào)整為3類，從而得到了山東省土壤水分的最終分區(qū)結(jié)果（圖3），其中I區(qū)為第一次K聚類直接分出來的，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)為第二次分類得到的。

從分區(qū)的結(jié)果來看，4個(gè)區(qū)域在東西方向上依次分布，I類區(qū)為山東半島水分含量低值區(qū)，分布在山東半島，包括威海、煙臺、青島全市以及濰坊和日照的東部區(qū)域;Ⅱ類區(qū)為中部水分含量中低值區(qū)，位于山東省的中部，包括東營、濱州、萊蕪、淄博、臨沂全市，濟(jì)南和德州的大部，泰安、濟(jì)寧的東部以及濰坊和日照的西部區(qū)域;Ⅲ類區(qū)為中西部水分含量高值區(qū)，在山東省的中西部，包括聊城、棗莊全市，濟(jì)寧的大部以及濟(jì)南、德州、泰安的西部;Ⅳ類區(qū)為西南部水分含量高值區(qū)，在山東的西南部，包括菏澤市。

圖4為4個(gè)區(qū)域的土壤水分含量月均值的變化。從圖中可以看出，4個(gè)區(qū)域的土壤水分含量年內(nèi)變化規(guī)則較一致，都有2個(gè)較明顯的起伏，但I(xiàn)類區(qū)的低值點(diǎn)分別在6月和9月，而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類區(qū)的低值點(diǎn)分別在5月和9月;Ⅱ、Ⅲ類區(qū)在1-3月有一個(gè)上升的過程，而Ⅳ類區(qū)在同期是一直下降的;另外從圖中也可以看出，4個(gè)區(qū)域的土壤水分含量月均值還是有較明顯的差異的。

3 討論

（1）土壤水分的垂直變化特征是表征土壤性狀的重要方面，它可以揭示土壤濕度垂直分布的年際變化規(guī)律及水循環(huán)特征，探討土壤濕度對降水、蒸發(fā)響應(yīng)的差異，并為改善陸面過程模式中的土壤濕度參數(shù)提供可靠依據(jù)[22-24]。按張秀芝等提出的土壤濕度垂直分布類型[22]，海陽站點(diǎn)土壤濕度屬于垂直急劇變化型，土壤上部的垂直梯度較大;章丘站點(diǎn)土壤濕度屬于夏季垂直均勻型，土壤水分的垂直分布較一致。土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)得到的結(jié)果與垂直分布類型較吻合，說明經(jīng)質(zhì)量控制過的土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)較為可靠，可以為相關(guān)的業(yè)務(wù)和科研工作提供有力的支撐。

（2）有關(guān)土壤水分與氣象要素之間關(guān)系的研究成果已有很多，本研究結(jié)果顯示，溫度（氣溫和地溫）與土壤水分之間有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與方文松等[25]、Cho等[26]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果也表明淺層的土壤含水量與降水有關(guān)，降水可以直接補(bǔ)充土壤水分，提高土壤墑情，尤其是淺層土壤水分，但是海陽站點(diǎn)土壤含水量與降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前人的結(jié)論相反[20，26-27]。這可能與所研究數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度（本研究是日尺度，前人的結(jié)論是年尺度）、區(qū)域水分特征、土地利用類型以及其他影響因素（如蒸發(fā)蒸騰）等有關(guān)[28]。另外本研究結(jié)果還顯示，在不同地區(qū)的不同層次土壤上，土壤水分與氣象要素之間的關(guān)系也不相同，這說明土壤水分的影響因素多而且復(fù)雜。由于受數(shù)據(jù)積累以及篇幅所限，本研究在這方面的研究還沒有展開，結(jié)論也具有很大的不確定性。后續(xù)將繼續(xù)收集多年的土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的氣象、水文、土壤類型等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討不同尺度下土壤水分與氣象要素之間的耦合關(guān)系。

（3）基于土壤水分含量進(jìn)行分區(qū)的研究報(bào)道很少，本研究嘗試?yán)肒聚類方法對土壤水分的月均值進(jìn)行處理，得到的分區(qū)結(jié)果是否合理，值得進(jìn)一步討論。

2016年山東東部降水偏少，而且東部為山地、丘陵，農(nóng)田少，灌溉也少，所以土壤水分含量較低;山東省西部以平原為主，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，灌溉較好，土壤水分含量較高，本研究結(jié)果與上述實(shí)際情況相符。另外本研究的分區(qū)結(jié)果與山東省西部平原、中部魯中山區(qū)、東部同東半島丘陵的地形特點(diǎn)也較吻合。綜上所述，4個(gè)區(qū)域的土壤水分含量及空間變化的差異性較明顯，符合區(qū)劃的自然分異原則，所以本研究的分區(qū)結(jié)果具有較高的合理性。

以上分析結(jié)果表明土壤水分自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了人工觀測間隔時(shí)間長、難以描述細(xì)節(jié)動(dòng)態(tài)等方面的不足，具有較好的應(yīng)用前景。但土壤水分自動(dòng)觀測業(yè)務(wù)工作開展的時(shí)間較短，因此本研究僅選取了2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空分布規(guī)律及分區(qū)研究，盡管結(jié)果符合常規(guī)，但其精確性還需深入研究，其長時(shí)間尺度下的穩(wěn)定性和可靠性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。隨著定位自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的逐年積累，其在不同時(shí)空尺度的土壤水分相關(guān)研究以及模型模擬方面都有較好的理論和應(yīng)用價(jià)值[29]。

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