山西省土壤湿度时空分布及与气候因素的耦合

刘立文, 段永红, 赵 涛

(山西农业大学资源环境学院，太谷 030801)

土壤湿度又称为土壤含水量，是影响植物生长的重要因素之一[1]，同时在陆地-大气相互作用中，土壤湿度对气候变化有重要影响[2-3]，因此土壤湿度在生态系统、农田灌溉、气候变化中都有不可比拟的作用[4-5]。土壤湿度的相关研究源于20世纪70年代[6]，尤其是20世纪90年代以后，研究者的研究重点从单一的实测数据到使用卫星辐射率资料同化系统对气候变化进行模拟，其中就包括对降水的预测和对土壤湿度模型的建立[7-9]。目前国内的研究区域仍然集中在定点监测，虽然精度高，但对区域的整体变化了解较少[10-12]。研究内容多集中在对局部地区或某一土地利用类型下土壤水的检测、土壤干层及土壤水分影响因子的确立[13-14]。此外山西由于其独特的黄土丘陵地貌和“两山夹一川”地形特征，各个地方气候条件都有较大差异，其土壤湿度变化空间分布不均匀。相关研究表明，土壤湿度的变化受到气候和季节的影响[15-16]，特别是气温和降水对土壤湿度有直接的影响，因此开展该区域的研究显得尤为必要。

利用中国气象局陆面数据同化系统(China meteorological administration land data assimilation system, CLDAS)山西省2017年3月到2018年2月的气象数据资料，从年、季节和月份尺度分析了山西省土壤湿度时空分布。与此同时，利用降雨和气温数据分析土壤湿度与气候变化的耦合关系，对进一步理解山西省农业旱情监测、水土状况改善和陆地-大气相互作用的机理等研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山西省地处华北西部的黄土高原的东边，省界从北纬34°34′～40°44′，东经110°14′～114°33′，东邻河北，西靠陕西，南接河南，北连内蒙古。山西省辖11个地级市，总面积为15.67万 km2。山西省是典型的由黄土覆盖的山地高原，东北部地势高而西南部的地势低。高原内部的高差很大，主要有山地、丘陵、台地、盆地等地貌，以山区、丘陵的地貌为主，占整个省的70%以上。山西省年平均气温3～14 ℃，南部和北部温差较大，冬季普遍低温且干燥，夏季全省普遍高温且多雨。山西省全省年降雨量为400～650 mm，但各个季节都有较大的差异。这是由于受地形的影响导致情况多变。由于山西省特殊的地形，南北比较狭长，所以南北纬度差异较大。同时由于海陆位置和各地土壤环境不同，使得山西省气候情况错综复杂，全省各地的植被也有显著差异，因而导致了土壤类型的多样化和复杂化。其中最主要的土壤类型包括地带性土壤类型、山地土壤类型和隐藏域土壤类型等。

1.2 数据源和数据处理

1.2.1 数据源

山西省2017年3月—2018年2月CLDAS-V2.0土壤湿度数据和气象数据来源于中国气象局国家气象信息中心。山西省的省界和县市界矢量数据来源于国家基础地理信息系统全国1∶400万数据库。

1.2.2 数据处理

首先将.nc数据转换为tiff格式数据，先用ArcGIS进行“点转栅格”转换为tiff数据，再用ArcGIS的Multidimernsion Tools下创建NetCDF栅格图层，再使用掩膜工具提取出所需研究区的数据。然后将获得的矢量地图作为底图，在ENVI用subset data from ROIs工具裁剪出山西省的矢量地图，然后使用ENVI中的Compute Statistics统计工具计算每个月、季和年的降水量、气温和土壤湿度的平均值。

1.3 研究方法

以2017年3月—2018年2月的降水量、气温数据和土壤湿度数据为数据源，结合山西省矢量图，获取山西省的气温数据、降水量数据和土壤湿度(0～10 cm)数据。

首先通过ENVI中的band math 工具通过平均值法，对应月内小时数据的均值进行处理并获得2017年山西省土壤湿度数据和气温数据、降水量的月值数据，在此基础上根据对应月份的均值获得季节值和年值。该方法弱化了极端值的影响[14]，其计算公式为

(1)

(2)

式中：Pj代表第j月土壤湿度；P(j,k)代表第j月对应的第k日的土壤湿度；Pi代表第i季(年)土壤湿度；P(i,j)代表第i季(年)对应的第j月的土壤湿度；n为总月(季)数。此外降水和气温的月、季和年均值也是通过此方法获取。

其次根据气象学的季节划分标准将季节划分为春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12—来年2月，并根据趋势分析方法，将山西省土壤湿度的月际和季际变化进行分析，计算公式为

(3)

式(3)中:S为回归方程的斜率；i代表月(季)的土壤湿度；n代表总月(季)数；Ci代表第i月(季)的最大土壤湿度。如果S>0，则表明土壤湿度增加，农业旱情逐渐缓解，如果S<0，则表明土壤湿度减少，农业旱情增加；在斜率趋于零的范围内，农业干旱则保持不变。

为进一步了解不同季节下的气温和降水量与土壤湿度变化的关系。通过相关分析方法，研究不同季节的气候因素主要是气温和降水量这两个因素对于在不同季节和不同月份下土壤湿度的响应特征，计算公式为

(4)

式(4)中：R为相关系数；X为土壤湿度数据；Xm为土壤湿度的平均值；Y为降雨量(气温)数据；Ym为降雨量(气温)的平均值。

2 结果分析

2.1 山西省土壤湿度的时空变化

2.1.1 土壤湿度空间分布特征

2017年山西省土壤平均湿度分布如图1所示。

图1 2017年山西省土壤平均湿度分布Fig.1 Distribution of average soil moisture in Shanxi Province in 2017

由图1可以看出，山西省区域内土壤湿度各地差异显著，格局明显。山西分为晋北、晋中、晋南。晋北地区与晋南地区相比较为干旱，土壤湿度低。最低值为0.07 m3/m3，最高值为0.27 m3/m3；晋中和晋北区域较为湿润，土壤湿度最低值为0.17 m3/m3，最高值为0.34 m3/m3，明显表现出湿度从北部到南部递增的趋势。但研究区域内也有零星区域与周围地方差异显著，这可能与局地各种因素导致[17-18]。其主要分布在运城和晋城地区，这部分地区表现出独立的土壤湿度特征，土壤含水量比周边地区都低。但是从研究区一年的土壤湿度变化整体来看，研究区还是具有显著差异。

2.1.2 土壤湿度季节尺度分布特征

2017年山西省各季土壤平均湿度分布如图2所示。

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

由图2可以看出，春季土壤湿度整体偏低，研究区平均土壤湿度为0.18 m3/m3，土壤湿度主要分布在0.13～0.19 m3/m3。在大同、朔州北部、忻州西部等地区位于研究区土壤湿度较低区域，大致都在0.16 m3/m3左右。到夏季的时候，降水量逐渐增多，土壤湿度不断提高，平均土壤湿度为0.24 m3/m3，比春季多0.06 m3/m3，且土壤湿度分布集中，分布在0.20～0.30 m3/m3的范围，且空间差异显著，但是仍然表现出南多北少、东多西少的特征。秋季土壤湿度达到一年的峰值，较夏季有小幅增加，土壤湿度主要分布在0.25～0.32 m3/m3。南北差异达到最大，分界线特别明显。以吕梁、太原、阳泉为边界，这些地方以北降水量较少，土壤含水量较少，比这些以南的地方土壤湿度更低。冬季土壤湿度为一年的最低值，比春季还低小一点，在晋北地区的土壤湿度主要分布在0.10～0.13 m3/m3，在晋中和晋南地区的土壤湿度主要分布在0.18～0.25 m3/m3。特别在晋中东部的土壤湿度最高。比较研究区春夏秋冬四季土壤湿度的空间分布可以得出，忻州以北终年土壤湿度都是低值分布；除晋中和太原、运城终年土壤湿度较高以外，其余地区土壤水分含量均随着夏秋季降水的补偿明显增加，如晋城、长治等地区。

2.1.3 土壤湿度月尺度分布特征

山西省各地区各月平均土壤湿度分布如图3所示。

图3 山西省各地区各月平均土壤湿度分布Fig.3 Monthly distribution of soil average humidity of Shanxi Province

由图3可知，3月份进入春季以后，土壤水分流失严重且万物开始，各植物需水量增大，导致土壤湿度普遍偏低，都在0.15～0.25 m3/m3，个别地区超过0.20 m3/m3，比平均湿度要高，主要分布在吕梁市。2017年4月土壤湿度情况和3月稍有不同，研究区南方相对于北方有着明显的土壤湿度的增加，但整体湿度还是很低，研究区大部分地区还是在平均值上下变化。研究区5月土壤湿度分布情况与4月有较大差异，可以看出，在研究区域大部分地区处于低谷，部分地区处于年度最低值，都在0.10～0.20 m3/m3,与此相反的研究区主要是长治地区土壤湿度增加明显。

研究区6—8月份，除了运城先降低后增加之外，其他地区均出现增长的趋势。但6月的平均土壤湿度与之前的3、4、5月的数值变化不大，到7月的平均土壤湿度与之前有所上升，是研究区由于雨季的到来，降水量的增加使得各地区土壤湿度都有明显增加。平均土壤湿度为0.24 m3/m3，土壤湿度达到0.20 m3/m3以上的地区占研究区的70%，土壤湿度在0.20 m3/m3以下的区域面积都有所下降。晋北地区的土壤湿度比之前都高，大部分都在0.20 m3/m3左右。研究区8月的平均土壤湿度为0.26 m3/m3，到达一个小高峰。土壤湿度均在0.20 m3/m3以下的仅有部分地区，主要分布在运城的南部、临汾和大同一些地区因降雨量较少，土壤湿度低。

研究区9月的平均土壤湿度为0.24 m3/m3，较8月有小幅降低，从9月的平均土壤湿度分布中可以看出，研究区的土壤湿度呈现出东西各异的情况，研究区西部比研究区东部的土壤湿度普遍要高，以古交-平遥-洪洞为交界,两边土壤平均湿度相差较大。最大差异可达到0.1 m3/m3。研究区10月的平均土壤湿度为0.28 m3/m3，是研究时限的最高值，此时正处于秋季中旬，降雨量并不是很大，但是土壤湿度却是最大，这是由于在夏季的降水储存在土壤中，加上秋季气温下降等各种因素导致湿度最大。同时由研究区东西差异显著转化为南北差异显著。土壤湿度最低值为0.10 m3/m3，而最高值为0.33 m3/m3。研究区11月的平均土壤湿度为0.23 m3/m3，比10月研究区下降明显，正处于秋季末旬，可以看出，11月的研究区北部比10月的研究区北部区域干旱化明显，同时研究区南部的土壤湿度也有所下降，这也与降雨量的不断下降成正比。晋城地区土壤湿度下降明显，最高只有0.16 m3/m3。

研究区12月的平均土壤湿度为0.18 m3/m3，比11月下降0.05 m3/m3。12月的研究区刚进入冬季，降水量和气温都不断减少。只是研究区北部区域，包括朔州、大同和忻州周边地区土壤湿度仍然处于较低的范围。研究区次年1月的平均土壤湿度为0.16 m3/m3，与12月差异不大。土壤湿度分布图也没有多少变化，这是因为这两月的气候环境相似。研究区次年2月的平均土壤湿度为0.18 m3/m3，比1月有一点点上升，但不是很明显。仍然可以明显看出土壤湿度较高的地区集中于研究区中部和南部，主要由于2月是冬季下旬，土壤中含有的冻土层渐渐消融，土壤中的水分析出，导致土壤湿度小幅上升。在晋中、长治周边地区土壤湿度较高，而在晋城市土壤湿度就较低，和研究区北部土壤湿度一样。这是由于其他的因素所导致的。

2.2 山西省土壤湿度变化与气候因素耦合

土壤湿度的变化受各种各样因素的影响，有土壤特性的影响、有地形的影响(坡位、坡度、坡向等)、有风速和风力的影响、有气候因素的影响、有利用土地方式不同的影响。在不同地点、不同季节下不同影响因素对土壤湿度的影响程度也有所差异[5]。山西是黄土高原，其中的气候因素和降水量这两因素对土壤湿度的影响程度最大。 因此对所需要的数据全都处理完之后，得到所需的气温数据和降水量数据。分别分析气温对土壤湿度的影响和降水量对土壤湿度的影响。气候因素与土壤湿度的变化关系如图4所示。

图4 气候因素与土壤湿度的变化关系Fig.4 The relationship between the climate factors and the soil moisture

从图4(a)可以看出，空气温度与土壤湿度有着相关性，在不同的时间下温度对土壤湿度的影响也不一样。在2—5月，空气温度与土壤湿度存在负相关关系，温度越低，土壤湿度越高，因为这个时间段是春季，温度相对于冬季会逐渐升高，随着温度的升高，在蒸散作用下使土壤中的水分渐渐蒸发，土壤含水量变少。在6—8月，由于正处于夏季，温度较高，但是从图中可见，随着温度的升高，土壤湿度也在增加，不符合常识，因此有其他因素也在影响土壤湿度。在9—11月，这个时间段是秋季，由图可以看出，温度在不断下降，土壤湿度也有不同程度的变化。在12月再到来年2月，温度先是下降再有一点回升，土壤湿度也是先是下降再有点回升。

从图4(b)可以看出降水量与土壤湿度的关系，降水量对土壤湿度的影响较大。在2—5月，属于春季，山西省的降水量还很少，当随着时间的变化降水量也不断增加，土壤湿度也在不断变化。在7—9月，是降水量最多的时间，土壤湿度也达到一个高峰，夏季的降水量对土壤湿度的影响最大。在9—11月是秋季时间段，降水量逐渐减少，在10月有小幅度的上升，土壤湿度也随之上升。10月之后，降水量急剧减少，土壤湿度也迅速下降。可见降水量和土壤湿度有着很大的相关性。在冬季(12月到来年2月)降水量逐渐变少，土壤湿度也不断下降。其中有些月份所测土壤湿度的变化与降水量变化并不完全一致，是因为土壤湿度的变化除了受作物消耗及蒸发作用影响外，还与降水时段出现在测墒前与测墒后有很大关系。

表1所示为各季平均降水量、平均气温与土壤湿度的相关系数。可以看出，各季土壤湿度与本季气温均为负相关，与降水量呈正相关。春季的降水量对土壤湿度呈正相关，且有较大的相关性，为0.66。气温在春季对土壤湿度有着较大的相关性，呈负相关。在夏季的时候，降水量对土壤湿度的影响达到最大为0.73，气温与土壤湿度的相关系数为-0.35，土壤湿度的变化对降水量的依赖性最明显。在秋季的时候，降水量与土壤湿度的相关系数为0.45，气温与土壤湿度的相关系数是-0.21。冬季的平均降水量与土壤湿度的相关系数是0.22，平均气温与土壤湿度的相关系数是-0.12。综合得出，山西省土壤湿度主要受降雨量的影响，气温也会影响土壤湿度的变化，但影响程度没有降雨量那么明显。夏季和秋季雨水较为充沛，土壤较为湿润。气温和降水量对湿度的影响都不太显著，这与山西冬季少雨寒冷有关系。而在夏季，降水量和气温与土壤湿度的相关性都较好，这与山西夏季高温多雨的特点分不开。夏季是降水最集中的季节，高温多雨的气候特点导致该地区夏季的地表蒸散和地表径流较大，同时秋季也是山西省的主要降水期，但是气温较夏季要低得多，导致降水和气温对土壤湿度的相关性小于夏季[19-20]。

表1 各季平均降水量、平均气温与土壤湿度的相关系数

3 结论

根据山西省2017年3月—2018年2月的土壤湿度资料、气温数据和降水量数据，研究分析了一年山西省的土壤湿度变化及其气候影响因素，对山西省土壤湿度变化有了初步的了解，得到的结论如下。

(1)山西省的土壤湿度在每个时间段均不同，在每个季节、每个月都有不一样的变化情况。但从山西省的空间分布特征来看，无论是按季节，还是按月份，山西省的土壤湿度分布情况都显示出东多西少、南多北少的分布格局。

(2)从季节尺度来看，从春到夏秋季节，土壤湿度逐渐增加，再到冬季土壤湿度减少，春季再次增加，形成一个四季循环。研究区内的同一地区在夏秋季节的土壤湿度变化显著，都是从低变高。从月尺度来看，3月到5月，土壤湿度变化并不大，从6月开始土壤湿度逐月增加，到10月达到年内最高值，之后土壤湿度不断减少，到达年内最低值。

(3)从降水量和气温对土壤湿度的相关分析可以得出：降水量在夏秋季节时比在春冬季节对土壤湿度的影响较大；而气温在春夏季节时比在秋冬季节时对土壤湿度的影响较大。综合分析得出：降水量会增加土壤湿度，在晋南地区最为显著，而气温会减少土壤湿度，在晋北地区最为显著。

深入认识土壤湿度及其相关内容需要从更深层土壤湿度入手，此外本文研究的时间段只有一年，时间跨度较小，影响因素方面只是做了气候因素(降雨量和气温)对土壤湿度的影响，但是土壤湿度的变化受多种因素的影响，如土地利用状况、土壤温度、太阳辐射、风速等。以后的研究中可以加入更多的土壤湿度数据，特别是深层(10 cm以下)土壤湿度资料，研究土壤在不同深度下的土壤湿度变化，并结合其他相关资料研究土壤湿度变异的原因，以期为区域农业旱情防治提出更多科学依据。