貴州省不同地貌類型土壤濕度變化及其對氣候變化的響應

趙飛飛,張顯云,付 婷,廖留峰,聶士海

(1.貴州大學 礦業學院,貴陽 550025;2.貴州省生態氣象和衛星遙感中心,貴陽 550002)

土壤濕度(Soil Moisture，SM)一般是指非飽和土壤中存儲的水量[1]，它不僅是植被生長發育所需水分的主要來源，還是陸氣系統中的一個重要參數[2-5]。土壤濕度蘊含了地表水文變化過程的大部分信息，并通過影響地表的反照率、熱容量、光合作用、蒸發和蒸騰，改變向大氣傳輸的感熱、潛熱通量等，從而影響氣候變化[6-7]，因此，土壤濕度對天氣及氣候的時空演變具有不可估量的作用[8]，開展土壤濕度變化及其對氣溫、降水變化響應的研究，揭示土壤濕度與氣象因子間的耦合作用，對土壤水資源的合理利用及氣候變化的研究具有重要意義。

土壤濕度對氣候的反饋機制具有顯著的地域差異性[9-10]，已有學者對區域土壤濕度的時空演變特征及其與氣候因子間的關系進行了大量研究。王芳等[11]對三江平原土壤濕度的變化特征、氣象因子對土壤濕度的影響進行了研究，結果表明研究區土壤濕度呈降低趨勢，氣溫、降水對不同深度層土壤濕度的影響程度存在差異。嚴麗等[12]的研究結果表明隴東黃土高原農田表層的土壤濕度與氣溫呈負相關、與降水呈正相關。王碩甫等[13]研究了西南地區土壤濕度的時空變化特征，結果表明貴州省土壤濕度下降最為顯著；西南地區土壤濕度與降水、氣溫間的相關性分別為正相關和負相關；相較于淺層土壤的土壤濕度，中層土壤的土壤濕度與氣溫、降水間的相關性更高。袁淑杰等[14]認為氣象因子對土壤濕度的影響具有滯后性，降水是影響土壤濕度的主要因子。陳姍姍等[15]基于歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)發布的第四代再分析資料(ERA-Interim)，發現東北凍土區土壤濕度總體呈下降趨勢，蒸散發和降水是誘發該現象的主要原因。

根據貴州省林業局發布的貴州省巖溶地區第三次石漠化監測成果公報(http:∥lyj.guizhou.gov.cn/)可知，貴州是全國石漠化面積最大、類型最多、程度最深、危害最為嚴重的省份，其地勢格局復雜、生態環境脆弱，導致在貴州境內進行大范圍土壤濕度的采集難度大。土壤濕度對生態地質環境安全和社會經濟發展具有十分重要的意義，但迄今為止針對貴州喀斯特區域大范圍、不同地貌類型、不同土層深度層土壤濕度的時空變化及其對氣候變化響應的相關研究較少。有鑒于此，本文在研究貴州土壤濕度時空變化特征的基礎上，采用一元線性回歸、滑動平均法、M-K突變檢驗、滑動T檢驗法和Pearson相關分析法，揭示不同地貌類型下土壤濕度對氣候變化的響應。

1 研究區概況

貴州省位于中國西南腹地(24°37′—29°13′N，103°36′—109°35′E)，屬亞熱帶濕潤季風氣候，常年降雨量充沛，平均溫度為14～16℃。貴州屬典型喀斯特山區，平均海拔1 100 m，地勢西高東低，境內崇山峻嶺，山脈連綿，河谷交錯，地勢格局極為復雜，地貌類型主要有高原、山地、丘陵和盆地，其中山地和丘陵面積占全省面積的92.5%[16]。根據地形、巖性、地質構造條件以及巖溶發育的特征，將貴州省分為6個地貌區，即峰叢洼地、喀斯特槽谷、喀斯特高原、喀斯特盆地、喀斯特峽谷、非喀斯特區[17-18](圖1)。

圖1 研究區地理位置及地貌類型

2 數據與方法

2.1 數 據

再分析土壤濕度數據集與傳統的土壤濕度監測數據相比，具有時間跨度長、空間連續性好等優點。ECMWF發布的第五代再分析資料(ERA5)使用了最新的地球系統模式、數據同化方法等，對氣候變化的模擬更好，在中國區域的數據質量較高。Chen等[19]的研究表明，與ERA-Interim資料相比，ERA5土壤濕度數據在中國大部分地區與實測數據間的相關性較好。王一昕[20]也對ERA5土壤濕度數據在中國區域的適用性進行了評估，結果表明ERA5土壤濕度能夠較好地再現土壤濕度的年際和季節周期。ECMWF發布的ERA5溫度、降水數據集在中國的可靠性也通過衛星及站點觀測資料等得到了較好的驗證[2,22]。

本文采用ERA5土壤濕度(https:∥cds.climate.copernicus.eu/)作為研究數據源，其單位為體積比(m3/m3)，所采用土壤濕度數據的時間分辨率為月，空間分辨率為0.1°×0.1°，土層深度分別為0—7 cm，7—28 cm，28—100 cm(以下分別簡稱為：表層、中層、深層)，時間跨度為1979—2009年。此外，氣象數據(氣溫和降水)同樣源于ERA5，其時空分辨率、時間跨度與土壤濕度保持一致。

2.2 方 法

采用一元線性回歸[15]、滑動平均法計算分析1979—2009年土壤濕度、氣溫和降水的時空變化趨勢；采用M-K突變檢驗[17]及滑動T檢驗[23]相結合，對研究時段內土壤濕度的突變性檢驗，在此基礎上采用Pearson相關系數分析土壤濕度與氣象因子間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 土壤濕度與氣象因子時空變化特征

3.1.1 土壤濕度的時域變化特征 圖2為1979—2009年貴州省土壤濕度及氣象因子的時間變化特征曲線。由圖2A，2B及2C可知，貴州省各層土壤濕度均呈現出不同幅度的波動變化，變化趨勢總體上具有較強的相似性，呈現出明顯的下降趨勢；不同土層深度土壤濕度的下降速率存在差異，由大到小依次為：深層>中層>表層；各層土壤濕度在1979—1986年呈增加趨勢，而1987—1999年趨于平穩，至2000年后則呈現出明顯的下降趨勢。值得注意的是，1979—2009年研究區各層土壤濕度均呈現出2～3 a的變化周期，這與我國西南地區土壤濕度的變化周期一致[24]；2009年貴州省各層土壤濕度均達到最小值，這可能與2009—2010年西南地區降水偏少，發生特大干旱有關[25]。由圖2D可知，溫度作為影響土壤濕度的重要因子，31 a來總體呈顯著上升趨勢，速率達0.02℃/a。其中，1979—1984年貴州省溫度呈下降趨勢，1985—1995年溫度變化較為平緩，而自1996年后溫度呈上升趨勢。從圖2E可看出，多年降水變化呈現出顯著的下降趨勢，其中2002年后急劇下降，至2009年達到最小降雨量。

圖2 1979-2009年貴州省土壤濕度及氣象因子的時間變化特征曲線

綜上所述，31 a來研究區溫度總體表現為上升趨勢、降水表現為下降趨勢，導致研究區不同深度土壤濕度總體呈現出下降趨勢，導致2000年后各深度層的土壤濕度快速向干旱化方向發展。

3.1.2 土壤濕度變化趨勢的空間特征 采用一元線性回歸逐像元對土壤濕度、溫度及降水的變化率進行計算，得1979—2009年貴州省土壤濕度及氣象因子變化趨勢的空間分布特征(圖3)。由圖3可知，貴州省表層、中層土壤濕度呈下降趨勢。貴州西部地區降水偏少，加之存在不同程度的石漠化，地表水資源相對貧乏且漏失嚴重，導致該地區土壤濕度的下降速率明顯高于東部；而峰叢洼地地區因其巖層含水性特點，降水快速注入地下，匯入地下河系，土壤蓄水能力較差，造成峰叢洼地地區的土壤濕度下降速率更快；而深層土壤濕度在非喀斯特部分地區土壤濕度出現了增加的情況，面積約占全省面積的0.18%；全省溫度總體呈上升趨勢，最大增溫速率約為最小速率的4倍；降水呈下降趨勢。

圖3 1979-2009年貴州省土壤濕度及氣象因子變化趨勢的空間分布特征

綜上所述，除深層部分區域外，貴州省不同深度層土壤濕度呈現出不同程度的下降，下降速率由東向西遞增。土壤濕度與溫度、降水的變化趨勢具有一定的相似性。峰叢洼地地區溫度上升速率及降水減少速率較快等原因，不同深度的土壤濕度下降趨勢較為明顯。由此可知，土壤濕度的變化趨勢與溫度、降水均存在相關性。然而，深層土壤濕度在非喀斯特地區出現了上升趨勢，有待進一步分析。

3.2 土壤濕度與氣象因子間的相關性分析

3.2.1 土壤濕度與氣象因子突變檢驗 由3.1.1節可知，31 a來研究區不同深度的土壤濕度與氣象因子呈波動變化態勢，土壤濕度與氣象因子可能存在突變現象。基于M-K突變檢驗與滑動T檢驗(滑動年數5 a)相結合的方法，對研究區土壤濕度、溫度及降水進行突變檢驗。

M-K突變檢驗結果見圖4。由圖4A，4B，4C可知，表層、中層、深層土壤濕度的UF曲線均在1985年附近及以后均小于0，且均在2002年后超過0.05顯著水平線，表明不同深度層土壤濕度呈現出顯著下降趨勢；由圖4D，4E可知，1998年以后研究區溫度增溫趨勢加劇，并在2007年超出顯著水平線，上升趨勢明顯，而2004年前降水長期在“0”刻度上下波動，2004年后呈持續下降趨勢。在0.05顯著水平線區間，表層、中層土壤濕度的UF與UB曲線相交于2001年左右(圖4A，4B)，并于2002年后兩者呈顯著下降趨勢，結合滑動T檢驗分析知，2001年土壤濕度出現的下降突變可信。由圖4C可看出，深層土壤濕度的UF與UB曲線在0.05顯著水平線區間中存在多個交點(1992年、1998年、2001年)，結合下降趨勢與滑動T檢驗，僅2001年為可信突變點。溫度的UF與UB曲線同樣存在多個交點(1998年、1999年、2000年)，且2000年后溫度上升明顯，表明溫度在2000年發生突變。圖4E可看出，降水的UF與UB曲線相交于2005年且通過滑動T檢驗，且在2005年后下降顯著。綜合幾個因素，土壤濕度在2000年后表現為顯著降低趨勢。

圖4 1979-2009年貴州省土壤濕度及氣象因子M-K突變檢驗

綜上所述，基于M-K突變檢驗、滑動T檢驗，發現貴州省不同深度層土壤濕度以均在2001年左右發生突變，而溫度與降水則分別于2000年和2005年發生突變。為更好揭示土壤濕度與氣象因子間的響應關系，以2001年為界，分別對1979—2000年和2001—2009年不同地貌類型下不同深度層土壤濕度與溫度及降水間的相關關系進行分析，以期揭示貴州省不同地貌類型下土壤濕度對氣候變化的響應以及找出導致研究區土壤濕度突變的主導因素。

3.2.2 土壤濕度與氣象因子間的時域相關性 貴州省不同地貌區土壤濕度與氣候因子間的相關系數見圖5。從全省看，相較于溫度，31 a來研究區降水與不同深度層土壤濕度間的相關性更強。其中，表層土壤濕度和中層土壤濕度與降水間的相關性相當，相關系數分別為0.76，0.75(p<0.001)，而深層土壤濕度與降水間的相關性稍弱(R=0.71,p<0.001)，這主要是因為研究區表層土壤濕度的主要直接來源是降水和降雪，深層土壤的水分是通過表層土壤的滲透而得，顧及蒸發蒸散等的消耗，達到深層土壤的降水較少，從而導致其與降水間的相關性較其他兩層弱。各層土壤濕度與溫度均呈現出顯著負相關，隨著深度加深，相關性逐漸減弱。以上表明降水是影響土壤濕度變化的主要因素，而溫度的上升可能會造成土壤的干化。

圖5 貴州省不同地貌區土壤濕度與氣候因子間的時域相關系數

從不同地貌類型看，由于峰叢洼地、喀斯特槽谷、喀斯特高原和非喀斯特區降水較為充沛，地表水資源相對豐富，31 a來對應地區的土壤濕度與降水呈顯著正相關，與溫度呈顯著負相關，且降水對各層土壤濕度的影響更大，這與全省結果相符；而在喀斯特盆地、喀斯特峽谷區域，各層土壤濕度與溫度間的相關性更強，平均相關系數分別約-0.77，-0.80(p<0.01)，說明這兩種地貌下溫度與土壤濕度間的關系更加密切。其次，在同種地貌下，不同深度的土壤濕度與溫度、降水間的相關性也有所差異，如喀斯特槽谷和非喀斯特區，深層土壤濕度與溫度、降水間的相關性小于表層土壤濕度和中層土壤濕度，而表層、中層土壤濕度與溫度、降水的相關性更為顯著。

結合土壤濕度突變，相較于2000年以前，2001年以后表層土壤濕度與降水間的相關性增加了約6.25%(R從0.64增加到0.68，二者相關性檢驗的p<0.05)；中層和深層土壤濕度與降水間的相關性分別減少了13.24%，23.88%，這是由于研究區年降水呈下降趨勢，導致土壤入滲深度減小，從而使得降水與土壤濕度間的相關性減弱，這一現象對于深層土壤更為明顯；而土壤濕度與溫度間的負相關性卻分別增加了96.30%，130.77%，185.71%。從地貌類型看，喀斯特高原地區降水與各層土壤濕度的相關性分別減弱了6.67%，19.67%，39.34%，而與溫度的負相關性卻分別增強了107.69%，162.5%，242.11%；峰叢洼地、喀斯特槽谷、喀斯特盆地、喀斯特峽谷土壤濕度與溫度、降水間的相關性總體都有不同程度增強(峰叢洼地中層土壤濕度、喀斯特槽谷深層土壤濕度除外)，但土壤濕度與溫度間的相關性增幅更為明顯。其中，峰叢洼地地區土壤濕度與溫度間相關性的增幅最為突出，其三層土壤濕度與溫度間相關性的增強幅度約為降水的3.4～8.7倍。但也存在一定的例外，如非喀斯特區的表層、中層土壤濕度，以及喀斯特槽谷表層土壤濕度，它們與降水間相關性的增強幅度則大于溫度且顯著。降水分布的不均勻和區域溫度變化的不同，加之不同地貌區巖性、地形、地質構造條件以及巖溶發育特征不盡相同，造就了貴州省不同地貌條件下的土壤濕度與氣象因素間相關程度的差異性。

綜上所述，1979—2009年貴州省不同地貌下不同土層深度的土壤濕度與溫度、降水間的相關性具有差異性，降水是控制土壤濕度變化的主要氣候因子，但在全球變暖的趨勢下，溫度與土壤濕度的負相關性逐漸增強，降雨減少與氣溫增加可能是造成研究區土壤濕度下降突變的主要因素，以喀斯特高原、峰叢洼地最為突出。溫度的上升可能會較大地影響土壤濕度的衰減，并可能會成為驅動土壤濕度變化的主導因素。

3.2.3 土壤濕度與氣象因子間相關性的空間分布特征 1979—2009年貴州省不同深度的土壤濕度與氣象因子間的相關關系分布見圖6。由圖6可知，全省土壤濕度整體上與溫度的負相關性由東向西遞增；而土壤濕度與降水呈正相關，空間上表現為東高西低的特點，這主要與貴州省降水呈西多東少的分布特征有關。其中，土壤濕度與溫度負相關性較高的地區主要為喀斯特峽谷、喀斯特盆地和峰叢洼地東部。土壤濕度與溫度也存在正相關的地區，如：喀斯特高原東南部(深層土壤)，其原因有待進一步分析。隨著土層深度的增加，峰叢洼地土壤濕度與降水間的相關性逐漸增強，但在喀斯特高原地區則有所減弱。喀斯特槽谷土壤濕度與降水的平均相關系數高于其他地貌類型。值得注意的是，在喀斯特高原東南部、峰叢洼地東部各層土壤濕度與溫度、降水間的相關性較弱，表明溫度和降水可能均不是控制該地區土壤濕度變化的主要因素。

圖6 1979-2009年貴州省土壤濕度與氣象因子間相關關系的空間分布特征

基于3.2.1節中的突變檢驗結果，分別計算了1979—2000年、2001—2009年貴州省不同深度土壤濕度與氣象因子間的相關關系。計算結果表明，相比于1979—2000年、2001—2009年土壤濕度與溫度間的正相關性增強，這一現象主要集中在喀斯特高原、喀斯特槽谷、峰叢洼地以及非喀斯特區的交界處。喀斯特槽谷南部土壤濕度與溫度間的正相關性隨著土層深度的增加逐漸增強，而與降水間的相關性則逐漸減弱。土壤濕度與降水間的正相關性有所增強，但同時也出現了負相關地區，主要分布于喀斯特高原南部地區，并隨著土層深度的增加，降水對土壤濕度的抑制作用也隨之增強，這有待進一步分析。

綜上所述，多年來貴州省土壤濕度與溫度間的相關性呈出由東向西遞增(負相關性)的特征；土壤濕度與降水呈正相關，空間上表現為東高西低。以2001年為界，貴州省土壤濕度與溫度間的相關性增強，而不同地貌類型下土壤濕度與溫度及降水間相關性的空間分布在2001年前后也有較大差異，主要表現在喀斯特槽谷南部、喀斯特高原南部。

4 討 論

在溫度及降水的共同作用下，貴州省表層、中層、深層土壤濕度均呈顯著下降趨勢，這與左志燕[7]、王碩甫[13]及鄧元紅[24]等的研究結果一致。由不同地貌下不同土層深度的土壤濕度與氣候因子間的相關性可知，全省土壤濕度與降水間具有更強的相關性，但土壤濕度與氣候因子間的相關性在不同地貌類型下存在差異。以2001年為分界點，分析不同時間段各層土壤濕度與氣象因子間的相關性知，2001年后土壤濕度與溫度間的相關性增強，而與降水間的相關性則出現不同程度的減弱，該現象在峰叢洼地、喀斯特高原地區更為突出，表明2001年后溫度對土壤濕度的影響大于降水，這與Li等[23]的研究結果相似。由不同深度土壤濕度與氣象因子間相關性的空間分布發現，部分地區(喀斯特高原東南部，峰叢洼地東部)各層土壤濕度與溫度、降水間的相關性不強，這表明該地區可能存在其他主導著土壤濕度變化的因素。

本文研究尚存在以下不足：(1)受ERA5再分析資料空間分辨率的限制，本研究未能揭示出小區域的土壤濕度變化特征及其與氣候因子間的相關性特征；(2)土壤濕度是溫度、降水、植被覆蓋、蒸發、土壤類型、土地利用等影響因素共同作用的結果，而本研究僅分析了土壤濕度與溫度及降水間的相關關系；(3)因區域氣候因子變化較為復雜，僅從空間位置上探究了不同地貌類型下土壤濕度、溫度及降水的變化特征及響應關系。鑒于以上不足，還需結合空間分辨率更高的多源遙感數據及氣象資料，綜合考慮多種因素的共同作用，進一步探究不同地貌類型下土壤濕度變化的形成機理。

5 結 論

(1)31年來，貴州省各深度的年平均土壤濕度均呈顯著下降趨勢，但長期趨勢存在一定差異性，深層(28—100 cm)土壤濕度變化速率大于中層(0—7 cm)和表層(7—28 cm)；溫度以0.02℃/a的速度上升，降水呈下降趨勢，二者的綜合作用促成了研究區土壤濕度的下降。

(2)受溫度、降水空間異質性的影響，貴州省土壤濕度下降趨勢表現為由東向西逐漸增大；受溫度上升、降水減少等的影響，峰叢洼地各深度的土壤濕度下降最為明顯，年最大下降速率達-0.001 4 m3/m3。

(3)多年來，貴州省各層土壤濕度與降水間的相關性較強且相關性顯著(R>0.7)，高于其與溫度間的最大相關系數(-0.54)，但近年來二者間的相關性呈衰減趨勢，空間分布上呈現出東高西低的態勢，這說明多年來降水可能是影響貴州省各層土壤濕度的主要因素。但在喀斯特盆地和喀斯特峽谷地區，溫度與各層土壤濕度的平均相關系數分別約為-0.77，-0.80(p<0.01)，強于降水與土壤濕度間的相關性(R分別為0.65，0.70，p<0.01)。

(4)基于M-K突變檢驗、滑動T檢驗法，發現各層土壤濕度均在2001年左右發生突變。以2001年為界，發現2001年后全省各深度層土壤濕度與降水間的相關性平均減小約10.29%，而與溫度間的相關性卻平均增加了約137.59%；其中以喀斯特高原尤為突出，土壤濕度與降水、溫度的相關性分別變化了-21.89%，170.77%；峰叢洼地各層土壤濕度與溫度間相關性的增強幅度約為降水的3.4～8.7倍。空間分布上，2001年后喀斯特槽谷南部土壤濕度與溫度間的正相關性隨著土層深度的增加而增強；喀斯特高原南部土壤濕度與降水間的負相關性增強，表明溫度可能是造成土壤濕度突變下降的主導因素。