江西省土壤体积含水量对降水的响应特征

袁正国， 赖 亮， 徐全倩

江西省气象信息中心， 江西 南昌 330096

0 引 言

土壤水分是土壤—植物—大气耦合系统的一个关键因子，是水循环的一个主要环节，可以直接反映土地干旱、水分补充和流失的状况，对陆地气候相互作用起着至关重要的作用。当前在各种农业气象自动观测系统中能够观测不同深度的土壤水分，为干旱监测、农业气象预报和服务提供实时的土壤水分监测资料。国内外众多学者研究了土壤水分的影响因素。例如，方文松等(2011)利用湿度监测资料和水分渗透模型，分析了降水渗透深度与影响因子之间的关系，发现降水渗透深度与初始土壤湿度、过程降水量和雨后日数有明显的线性关系，随着后三者的增大渗透深度加深，其中初始土壤湿度影响最大，过程降水量和雨后日数次之。当土壤质地由轻变重，或由砂变粘，则渗透深度由深变浅。宋孝玉(2003)和包含(2011)等研究发现，土壤水分的动态变化与降水量和土壤蒸发量有着密切的联系，由于土壤蒸发向深层传递的滞后性和土壤自身的水分调蓄作用，不同土层土壤含水量的变化幅度明显不同，在降水时土壤含水量急剧上升，随后下降。李琪等(2015)研究表明，降水渗透深度与土壤初始含水率呈显著的正相关，且降水对各土层的影响随土层的加深而减弱。王海梅等(2016)研究了自然降水过程对典型草原土壤水分的影响发现，随着雨量的增加，各层土壤水分变化规律不同，0—10 cm、10—20 cm土层土壤水分增量与降水量之间存在二项式回归关系，大于25.5 mm的降水过程才能引起20—30 cm土层土壤水分的稳定增加，大于29 mm的降水过程能使 30—40 cm土层的土壤水分稳定增加，极端降水过程大于70.2 mm能引起40 cm以下土层土壤水分的稳定增加。汪星等(2021)分析自然降水对干化土壤水分恢复的有效性发现，从深层干化土壤水分恢复角度考虑，黄土丘陵半干旱区降水可以分为3种类型：表层入渗快速蒸发型、浅层入渗缓慢蒸发型和深层入渗补给型。在不同降水过程、蒸发、初始含水率等条件下，土壤体积含水量对降水的响应不一致。

文中引入响应比值分析方法，研究江西省土壤体积含水量在不同过程降水下的响应情况，以期为农业气象服务提供参考依据。

1 数据与方法

1.1数据来源

文中使用的资料为江西省气象信息中心提供的土壤体积含水量数据和降水观测数据。土壤体积含水量资料为经过质量控制的江西省36个站点2017—2020年4—9月逐小时土壤体积含水量观测数据，观测深度包括0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm、50—60 cm、70—80 cm、90—100 cm，分别用L1—L8表示。降水资料为经质量控制的江西省国家、区域气象观测站2017—2020年4—9月逐小时降水观测数据。文中规定连续出现的降水其时间间隔不足6 h的为同一降水过程，6 h及以上的为2次降水过程。将降水过程的降水量分成4个不同量级，即降水量小于10 mm、10—25 mm、25—50 mm、大于等于50 mm，分别用A1—A4表示。

1.2 土壤质地分类

基于吴克宁等(2019)对土壤质地分类的方法，对江西省52个土壤水分观测站的土壤质地进行分类，主要分为壤土、黏土和砂土类土壤质地，分别有36、15、1站，所占比例分别为69%、29%、2%。文中选取江西省数量最多的壤土质地土壤进行讨论。

1.3 土壤水分、降水的观测站匹配处理

由于土壤水分观测站中没有降水的观测要素，考虑利用邻近地面观测站的降水资料来替代。通过计算任一土壤水分站和国家气象站、区域气象站之间的欧氏距离进行站点匹配。匹配原则：同等情况下优先选取国家站点作为匹配站点；当匹配到距离相差2 km内的国家气象站和区域气象站时，优先采用国家气象站作为匹配站点；当匹配到距离相同的国家气象站或区域气象站时，优先采用与土壤水分观测站海拔高度差较小的气象站作为匹配站点。基于以上原则得到36个壤土质地土壤水分观测站(图1)地面匹配站，平均匹配距离小于5.5 km。

图1 江西省土壤水分观测站点分布

1.4 分析方法

一次降水过程后，土壤体积含水量对降水的响应具有不确定性，响应的时间长度也不尽相同，为了表征土壤体积含水量对一次降水过程的响应情况，采用降水引起的土壤体积含水量响应次数与降水过程次数的百分比(简称响应比)进行表征，其计算式：

P(l,φ,k,c)=YA(l,φ,k,c)/[YA(l,φ,k,c)

+YB(l,φ,k,c)].100%

(1)

其中，P为响应比，YA为降水过程中土壤体积含水量响应的次数，YB为降水过程中土壤体积含水量不响应的次数，l表示深度，φ为站点，k为不同的降水过程，c为同一量级降水过程的次数。

当降水过程导致响应发生时，土壤体积含水量会经历响应增长和响应减弱过程。通过分析响应开始、增加、减弱、结束时段内土壤体积含水量的变化情况，探究响应增长和减弱过程特征，设

DQm(l,φ)=|Q(l,φ,trm)-Q(l,φ,tr1)|

(2)

DQn(l,φ)=|Q(l,φ,trm)-Q(l,φ,tm)|

(3)

其中，tr1为该过程响应开始时刻，trm为该过程响应增长阶段结束时刻，trn为该过程响应减弱阶段结束时刻，其相应的土壤体积含水量分别为Q(l,φ,tr1)、Q(l,φ,trm)、DQm(l,φ)，表示土壤体积含水量在响应增长过程中的绝对增幅，DQn(l,φ)表示土壤体积含水量在响应减弱过程中的绝对降幅。

2 个例分析

分别从2017—2020年江西省A1、A2、A3、A4量级降水过程中选取1个典型个例进行分析。图2为2018年5月6日湖口、26日分宜、6月29日广丰、4月13日进贤站土壤体积含水量变化情况。2018年5月6日湖口降水过程属于A1类(图2a)，最大小时降水量为4.3 mm，过程降水量7.4 mm，土壤体积含水量在L1层变化较大，最大变化量不超过0.05 g/cm3，变化从最大小时降水量出现开始，其他层次几乎无变化,可以认为L2—L8层的土壤体积含水量对降水不响应。5月26—27日的分宜降水过程属于A2类(图2b)，最大小时降水量18.1 mm，出现在18时，过程降水总量21.6 mm，L1层土壤体积含水量从18时开始显著增长，在降水量达到最大值的1 h后增长到最大，达0.44 g/cm3，然后开始减少，从00时开始几乎无变化；而其他层土壤体积含水量也都不发生变化。6月29日的广丰降水过程属于A3类(图2c)，是典型的短时强降水类型，降水时间为15—17时，最大小时降水量22.5 mm，过程降水总量38.8 mm，土壤体积含水量在L1—L6层变化显著，L7层变化不明显，L8层几乎无变化，各个层次的变化趋势都是先快速增长，随后减小，最后在一定时段内几乎无变化。4月13日进贤降水过程属于A4类(图2d)，过程总降水量88.9 mm，为持续性降水过程，持续时长13 h，14时、15时的小时降水量均超过25 mm，L1—L8层的土壤体积含水量变化显著。从响应的深度变化来看，当降水量很小，没有达到一定量级时，土壤体积含水量不响应，但随着降水量的增大，响应由浅层逐渐扩展到深层，当降水量达到一定量级时，所有层均有响应。从响应过程看，响应使土壤体积含水量先快速增长，随后下降，当下降到一定程度便稳定维持且相对于降水前仍然维持在一个较高水平。因此，土壤体积含水量对降水的响应分为两个阶段：第一阶段土壤体积含水量快速增长并回落到一定水平，称为短期快速响应过程，第二阶段土壤体积含水量随时间变化很小，但这种变化维持的时间相对较长，但土壤体积含水量还处在一个较高水平，逐渐下降回落到降雨前的水平，称为缓慢响应过程。

图2 2018年5月6日01:00—13:00湖口(a)，5月26日:14:00—5月27日01:00分宜(b)，6月29日09:00—20:00广丰(c)，4月13日04:00—20:00进贤(d)土壤水分站小时降水量和各观测深度土壤体积含水量的变化Fig. 2 Variation curves of soil bulk water content in different precipitation processes during 01:00 BT-13:00 BT 6 May，2015 over Hukou (a)， 14:00 BT 26 May-01:00 BT 27 May，2018 over Fenyi (b)， 09:00 BT-20:00 BT 29 Jun，2018 over Guangfeng (c)，04:00 BT-20:00 BT 13 Apr，2018 over Jinxian (d)

3 响应比分析

2017—2020年4—9月江西省36个壤土质地土壤水分站出现的A1、A2、A3、A4降水过程在不同观测深度下各土壤体积含水量响应比范围的站数比如表1所示(仅列出站数比总和大于50%的情况)。A1过程站数比总和小于50%，A2过程只有L1层响应比总和达到50%，A3过程有L1、L2层响应比总和超过50%，A4过程各层响应比的站数比均超过50%，但是各层的站数比不尽相同，A4过程L2层站数比最高，达到84%。

表1 2017—2020年4—9月江西省不同降水过程在各观测深度的响应比的站数比统计

图3是利用2017—2020年江西省36个壤土质地土壤水分站土壤体积含水量数据和降水数据计算得到的不同降水过程在不同响应深度的平均响应比的变化情况。分析发现，A1过程的响应比平均值在所有观测深度都小于30%，认为A1过程在全层次不响应；A2过程的响应比平均值在L1层为82%，L2层为50%，其他层次小于50%，即认为A2过程在L1、L2层响应；A3过程的响应比平均值在L1、L2、L3、L4层依次为91%、82%、64%、50%，其他层次小于50%，即认为A3过程在L1—L4层响应；A4过程的响应比平均值在L1—L7层分别为94%、90%、83%、79%、68%、69%、52%，L8层小于50%，即认为A4过程在L1—L7层次响应。

文中定义一次降水过程中站数比和平均响应比均达50%才产生响应，因此土壤体积含水量对不同降水过程的响应可以总结为A1过程在各层均无响应，A2过程响应层达L1，A3达L2，A4达L6。

图3 2017—2020年江西省不同降水过程在各响应深度的平均响应比分布

4 响应特征分析

4.1 响应时间

分析降水发生后土壤体积含水量响应持续时间和相对于降水开始、结束的响应滞后时间(图4)发现，响应持续时间主要集中在0—9 h，其中49%的降水过程集中在3—6 h，其次是0—3 h的降水过程，所占比例在30%左右，而超过12 h的响应持续时间很少。从A4降水过程看，随深度的增加，响应的持续时间变化不大。响应的滞后时间为1 h的降水过程占比较高，随深度的增加响应滞后时间减少，但减小趋势不明显。

图4 2017—2020年江西省土壤体积含水量响应持续时间(a)和响应滞后时间(b)特征分析Fig. 4 Characteristics of response duration time (a) and response lag time (b) under various response conditions in Jiangxi province during 2017 to 2020

4.2 响应过程特征

图5为不同响应条件下响应增长和响应减弱阶段的绝对增幅和降幅分布情况，分析发现，不同响应条件下响应增幅差异变化很大，多数响应情况随响应值增大到一定幅度然后减小，同一响应深度降水量越大，土壤体积含水量增幅越大。同一降水过程类别条件下土壤层次越靠近地面，土壤体积含水量增幅越大。其中，L1、L2层以0.02—0.08 g/cm3增幅占比最高，约占50%—60%，L3—L6层以0—0.06 g/cm3增幅占比最高，约占60—80%。响应过程中土壤体积含水量降幅远小于增幅，55%—80%的降水个例仅下降0—0.001 g/cm3。同一响应深度层次，降水量越大，土壤体积含水量降幅越大；相同降水类别条件下，土壤层次越靠近地面，土壤体积含水量降幅越大。同一响应深度层次，降水量越大，土壤体积含水量相对增(降)幅越大；相同降水过程类别条件下，土壤层次越靠近地面，土壤体积含水量相对增(降)幅越大。响应过程中土壤体积含水量相对降幅远小于相对涨幅，60%—80%的降水过程仅下降1%以内。分析不同响应条件下绝对增(降)幅的响应过程占比情况发现降幅过程持续时间远大于增幅过程，说明增幅过程时间较短，降幅过程时间较长，即增、降幅过程之间的时间差异大，增、降幅过程不对称。

图5 2017—2020年江西省不同响应条件下土壤体积含水量的绝对增幅(a)、绝对降幅(b)的降水过程占比情况Fig. 5 Proportion of response cases of absolute increase amplitude (a) and absolute decrease amplitude (b) under different response condition in Jiangxi province during 2017 to 2020

5 结 论

文中利用2017—2020年江西省36站壤土质地土壤水分观测站土壤体积含水量资料和降水资料，研究了土壤体积含水量对不同过程降水的响应，得到结论如下

1) 不同类型降水过程响应差异大，土壤体积含水量对小于10 mm的降水过程无响应，10—25 mm的降水过程响应深度为0—10 cm，25—50 mm的降水过程响应深度为0—20 cm，大于50 mm的降水过程响应深度为0—60 cm。

2) 土壤体积含水量对降水过程的响应分为快速增长阶段和平稳减弱两个阶段，在快速增长阶段土壤体积含水量先快速增长到最大值，然后缓慢下降，且增长阶段的持续时间小于减弱阶段的持续时间，增长过程和减弱过程不对称。

3) 响应过程的持续时间主要集中在1—9 h，其中持续时间为3—6 h的高达49%。

本文仅针对江西省汛期36个壤土质地土壤水分站在不同层次、量级降水量响应特征和响应时间分析。其中，土壤水分站降水可以考虑采用黄少平等(2020)研究的格点降水进行替代，分析方法也还需要继续改进。结合周芳等(2018)研究的江西省汛期局地短时降水的时空分布特征，在不同初始含水率、渗透率以及不同地表覆盖物等情况下的土壤体积含水量对降水的响应，还有待进一步研究。