白 曉, 張?zhí)m慧, 王一博, 田 杰, 賀纏生,2, 劉國華

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 旱區(qū)流域科學(xué)與水資源研究中心,西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000; 2.美國西密歇根大學(xué)地理系, 美國 密歇根卡拉馬祖 49008)

祁連山區(qū)不同土地覆被類型下土壤水分變異特征

白 曉1, 張?zhí)m慧1, 王一博1, 田 杰1, 賀纏生1,2, 劉國華1

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 旱區(qū)流域科學(xué)與水資源研究中心,西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000; 2.美國西密歇根大學(xué)地理系, 美國 密歇根卡拉馬祖 49008)

結(jié)合土壤、植被、地形等要素，建立黑河上游土壤水文觀測體系，收集代表黑河上游區(qū)域特征的36個(gè)定位觀測點(diǎn)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和12個(gè)氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法揭示祁連山區(qū)區(qū)域尺度上7種土地覆被類型下的土壤水分變異特征。結(jié)果表明，降水和植被特征是影響生長期土壤水分的主要因素。降水量大的土地覆被類型上土壤水分值較高。同時(shí)土壤水分值越低，降水補(bǔ)給和蒸散發(fā)消耗所引起的相對(duì)波動(dòng)就越大，導(dǎo)致其變異性越大。由于植被根系對(duì)土壤水分的顯著影響，高蓋度草地、低蓋度草地的土壤水分值在剖面各層變化不大，而農(nóng)田、草甸、灌叢、林地和裸地土壤水分值隨深度變化較明顯。草甸、灌叢、裸地土壤水分整體均在夏季最高、秋季次之、春季最低。農(nóng)田和高蓋度草地土壤水分均呈現(xiàn)秋季最高、夏季次之、春季最低。土壤水分變異程度除灌叢外，存在春季變異最大，夏季次之和秋季最小的規(guī)律。降水是導(dǎo)致土壤水分值和變異系數(shù)在夏、秋季變化的主要因素，而土壤凍融過程則是導(dǎo)致其在春季變化的主要因素?？偠灾?，祁連山區(qū)土壤水分具有明顯的空間分布差異與季節(jié)變化特征，與不同土地覆被類型的降水條件、植被特性和人工影響都有著密切的關(guān)系。

土壤水分; 變異特征; 經(jīng)典統(tǒng)計(jì); 定位觀測; 祁連山區(qū)

土壤水是一種重要的水資源，是四水(大氣降水、地表水、土壤水、地下水)轉(zhuǎn)化的紐帶，在水資源的形成、轉(zhuǎn)化與消耗過程中是不可或缺的成分[1]。由于土壤水分具有很強(qiáng)的時(shí)空變異性，對(duì)區(qū)域水資源分布格局、生態(tài)環(huán)境和河川徑流等均有重要影響[2-4]。因而，研究土壤水分時(shí)空變異性是國際水文學(xué)、土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)[5]。當(dāng)前，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的采集從傳統(tǒng)的烘干法采集，發(fā)展到了應(yīng)用半自動(dòng)與全自動(dòng)監(jiān)測的中子儀、時(shí)域反射儀、電容和時(shí)域傳輸儀等儀器進(jìn)行采集；同時(shí)，從點(diǎn)尺度的監(jiān)測發(fā)展到利用電磁感應(yīng)、電阻率層析成像、探地雷達(dá)和遙感等方法進(jìn)行面尺度上的監(jiān)測。當(dāng)前獲取土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的途徑可劃分為遙感方法、經(jīng)典烘干法與傳感器法三大類。遙感方法可以獲得大面積的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，Sahoo[6]、焦俏[7]、胡蝶[8]等基于遙感土壤水分產(chǎn)品分析區(qū)域土壤水分變異特征。由于遙感數(shù)據(jù)時(shí)間尺度上不連續(xù)，空間精度不高，限制了其應(yīng)用。并且，由于遙感傳感器只能探測到地表電磁波信號(hào)[9]，也制約了其在深層土壤水分中的研究。

基于經(jīng)典烘干法能夠得到直接的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，是最準(zhǔn)確的土壤水分測定方法，被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究[10]?；诮?jīng)典烘干法的研究大多集中在小于50 km2的小流域尺度[11-13]，在大集水區(qū)尺度(>100 km2)上采用傳統(tǒng)烘干法開展的研究較少。目前，僅趙琛等[14]分析了黑河上游(2.75×104km2)土壤水分的空間分布特征，王云強(qiáng)等[15-16]則在黃土高原(62.38×104km2)分析了區(qū)域尺度上的空間和時(shí)間變異特征。雖然經(jīng)典烘干法采樣數(shù)據(jù)精度高，但因采樣成本因素很難完成大范圍長時(shí)段土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的獲取，限制了該方法在大尺度上的應(yīng)用。

基于土壤水分傳感器可以避免遙感和經(jīng)典烘干法采樣的缺陷，時(shí)域反射儀(Time-Domain Reflectometry，TDR)是常用傳感器手段之一。田鳳霞等[17]在祁連山旱泉溝流域(22.32 km2)，劉鵠等[18]在排露溝流域(2.95 km2)，傅伯杰等[19]在黃土高原羊圈溝流域分別進(jìn)行了土壤水分變異特征研究。此外，中子儀也被廣泛應(yīng)用于土壤水分測定[20]。與TDR相比，ECH2O傳感器操作簡便、價(jià)格低廉；與經(jīng)典烘干法相比，節(jié)省人力，可定位觀測，近年來在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。Rosenbaum等[21]在德國西部Wüstebach流域(0.27 km2)，Han等[22]在美國印第安納州東北部的Cedar Creek流域上游(0.02 km2)，Liu等[23]在黑河流域(14.29×104km2)，F(xiàn)u等[24]在黃土高原大南溝流域(3.5 km2)，Yang，Qin，Zhao等[25-28]在青藏高原中部那曲地區(qū)(1.0×104km2)進(jìn)行了大量研究。當(dāng)前，基于ECH2O傳感器定位觀測數(shù)據(jù)的研究主要集中在土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性上，試圖通過時(shí)間穩(wěn)定性獲取大尺度土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)[29-32]，較少關(guān)注土地覆被和利用狀況下的土壤水分變異特征。

祁連山區(qū)是疏勒河、黑河和石羊河三大內(nèi)流河的發(fā)源地與主要產(chǎn)水區(qū)，是西北地區(qū)主要商品糧基地和經(jīng)濟(jì)作物集中產(chǎn)區(qū)河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)的水源地。祁連山區(qū)河川徑流主要依賴于流域蓄水補(bǔ)給，土壤水是其中最重要的一環(huán)，它既是地下蓄水的重要組成部分，又是地下蓄水的主要補(bǔ)給來源。因此研究土壤水分的變異特征對(duì)于祁連山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文基于土壤水文定位觀測體系采集的土壤水分和氣象站數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象、植被特性、人工影響等要素，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)法分析祁連山整個(gè)黑河上游區(qū)域土壤水分在不同土地覆被類型下的整體狀況、剖面特征和不同時(shí)間尺度上的分布特征與變異規(guī)律，以期為深化不同土地覆被和利用狀況對(duì)生態(tài)水文過程影響的認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取祁連山區(qū)的黑河流域上游區(qū)域(圖1)，位于38°12′—39°22′N、97°46′—101°11′E，面積為2.75萬km2。該區(qū)域西起嘉峪關(guān)，東至山丹定羌廟，北與河西走廊接壤，東西分別和石羊河、疏勒河流域毗鄰，以高山冰雪凍土帶、山區(qū)植被帶為主要地理景觀。大致以39°N緯線為界區(qū)分，區(qū)域南部水分和氣候相對(duì)較好，植被覆蓋良好，垂直帶譜明顯；北部水分和氣候相對(duì)較差，植被稀疏，裸地廣布。海拔高程范圍1 700～5 600 m，多年平均氣溫-5～4℃，年降水量300～600 mm。近年來，由于人口增多，放牧超載，導(dǎo)致草場急劇退化，鼠害嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)能力大幅下降[14]。研究區(qū)內(nèi)主要土地覆被類型有草地、裸地和林地，分別占黑河上游面積的47%，21%，14%[33]，位于扁都口附近的農(nóng)田定位觀測點(diǎn)在作物生長期有灌溉發(fā)生。

1.2 研究方法

1.2.1 定位觀測點(diǎn)布設(shè)與采樣方法 為了盡可能覆蓋黑河上游區(qū)域，獲取長期的土壤水分狀況，本文選取黑河上游代表性土地覆被類型，并結(jié)合實(shí)地地形特征、高程海拔區(qū)間等要素，在區(qū)域內(nèi)布設(shè)36個(gè)定位觀測點(diǎn)，基本代表區(qū)域主要土地覆被類型(圖1)。36個(gè)定位點(diǎn)均使用Garmin Oregon 550型GPS記錄經(jīng)緯度和海拔，經(jīng)緯度精度誤差在1 m，海拔精度誤差在3～5 m；使用地質(zhì)羅盤測量采樣點(diǎn)的坡度和坡向，詳細(xì)記錄該點(diǎn)的土壤類型、土壤剖面特征、植被狀況、根系深度，并拍照留存[14]。

圖1黑河上游區(qū)域定位觀測點(diǎn)和氣象站分布

定位觀測點(diǎn)采用美國DECAGON公司的ECH2O土壤監(jiān)測系統(tǒng)采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，傳感器采用5 TE探針，數(shù)據(jù)采集儀為EM50。5 TE土壤水分傳感器可靠、精度高，其探針通過確定土壤的介電常數(shù)來確定體積含水量。數(shù)據(jù)精度為±3%，校正后可達(dá)±1%～2%。ECH2O系統(tǒng)在土壤剖面中布設(shè)的情況見圖2，為防止探針阻礙土壤水分下滲，5個(gè)5 TE傳感器分別以0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—50 cm，50—70 cm的層位側(cè)向插入土壤中，采集5層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)[14]。數(shù)據(jù)采集儀EM50放入防水盒，防水盒縫隙使用高強(qiáng)度玻璃膠密封并裹上厚防水袋埋于距5 TE探針50 cm以外處。定位觀測點(diǎn)系統(tǒng)采樣間隔為30 min，每半年更換一次電池。2014年8月采集36個(gè)定位觀測點(diǎn)5層土壤環(huán)刀樣品，隨即進(jìn)行土壤水文參數(shù)測量和ECH2O校準(zhǔn)。

1.2.2 數(shù)據(jù)獲取 本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為12個(gè)氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)，36個(gè)定位觀測點(diǎn)2014年1月1日至2014年12月31日的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)由12個(gè)氣象站提供，可分為兩部分：(1)研究區(qū)內(nèi)自行布設(shè)的4個(gè)自動(dòng)氣象站，分別位于扁都口、大野口、寺大隆林區(qū)、康樂草原；(2)“黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)(HiWATER)”布設(shè)的8個(gè)氣象站作為補(bǔ)充，分別是阿柔陽坡站、阿柔陰坡站、阿柔超級(jí)站、大沙龍站、峨堡站、黃藏寺站、黃草溝站和景陽嶺站[34-35](圖1)。根據(jù)黑河流域1 km×1 km土地覆蓋數(shù)據(jù)(基金委國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)“寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”)[36]，結(jié)合實(shí)地考察，定位觀測點(diǎn)位于7種主要土地覆被類型上，分別是：低蓋度草地(14個(gè))、高蓋度草地(12個(gè))、裸地(幾乎無植被，2個(gè))、林地(3個(gè))、灌叢(2個(gè))、農(nóng)田(1個(gè))和草甸(2個(gè))。草地、林地、灌叢和農(nóng)田對(duì)應(yīng)土壤類型為栗鈣土和少量寒鈣土，裸地對(duì)應(yīng)土壤類型為成土母質(zhì)，草甸對(duì)應(yīng)土壤類型為寒凍氈土。此外，本文土壤水分基于觀測數(shù)據(jù)分析，對(duì)于土壤凍結(jié)水不做討論。

圖2定位觀測點(diǎn)ECH2O布設(shè)示意圖

1.2.4 計(jì)算方法 本文采用加權(quán)平均值、變異系數(shù)和距平參數(shù)等統(tǒng)計(jì)量分析不同土地覆被類型整個(gè)剖面和各層土壤水分空間變異。相應(yīng)公式如下：

加權(quán)平均值：

(1)

整個(gè)剖面變異系數(shù)：

(2)

各層變異系數(shù)：

(3)

距平參數(shù)：

(4)

式中：n為土壤水分測量總次數(shù)；j代表第j次測量；m為剖面層數(shù)；ai為第i層土壤厚度；A為整個(gè)剖面的厚度，單位均為cm。SMi為第i層土壤水分。mean(SM)x為第x種土地覆被類型土壤水分加權(quán)平均值，mean(SM)xz為第x種土地覆被類型第z月土壤水分加權(quán)平均值，MEAN(SM)x為第x種土地覆被類型土壤水分加權(quán)年均值，加權(quán)平均值可以反映剖面土壤水分的整體狀況。CV(SM)x為第x種土地覆被類型整個(gè)剖面土壤水分的變異系數(shù)，CV(SM)xy為第x種土地覆被類型下第y層土壤水分的變異系數(shù)。變異系數(shù)可消除測量尺度和量綱的影響，客觀地反映土壤水分變化的離散程度。CV(SM)x和CV(SM)xy取值范圍均為[0，100%]，值越大表示土壤水分離散程度越大。T為距平參數(shù)，即土壤水分月平均值和年平均值之差，T>0為正距平，T<0則為負(fù)距平。距平參數(shù)通過計(jì)算年內(nèi)土壤水分偏離平均值的大小和時(shí)間長短來反映土壤水分偏離平均狀態(tài)的程度，與變異系數(shù)不同之處在于能夠從時(shí)間的角度分析變異程度。

本文采用MATLAB R2014 a、SPSS 22和Excel 2013計(jì)算各變量的統(tǒng)計(jì)特征值，地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 10.3和Origin Pro 9進(jìn)行空間分析和圖件輸出。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地覆被類型下土壤水分狀況

依據(jù)黑河上游不同類型植被NDVI變化狀況[38]，確定植被生長期為4月20日至10月10日。利用2014年生長期數(shù)據(jù)(表1)分析得知，7種不同土地覆被類型下的土壤水分由大到小的順序?yàn)椋汗鄥?、林地、裸地、草甸、高蓋度草地、農(nóng)田和低蓋度草地；其變異系數(shù)順序?yàn)椋旱蜕w度草地、高蓋度草地、草甸、農(nóng)田、林地、灌叢、裸地。

降水是土壤水分的主要來源，導(dǎo)致不同類型上土壤水分的差異。根據(jù)王超等[39]的研究可知，黑河上游降水多寡順序大致為：灌叢、高蓋度草地、農(nóng)田、林地、裸地、草甸、低蓋度草地。除高蓋度草地和農(nóng)田外，基本是降水量大的土地覆被類型上土壤水分值較高。這是由于高蓋度草地和農(nóng)田雖然降水較林地多，但對(duì)土壤水分的消耗大，導(dǎo)致其土壤水分較低。除裸地和農(nóng)田外，其他土地覆被類型上土壤水分值越低，變異系數(shù)則越高，兩者Pearson系數(shù)為-0.82。這是由于土壤水分值越低，降水補(bǔ)給和蒸散發(fā)消耗所引起的相對(duì)波動(dòng)就越大，導(dǎo)致其變異性較大。農(nóng)田主要受人工灌溉的影響，導(dǎo)致其不符合上述規(guī)律。而裸地則僅有土壤蒸發(fā)并無植被蒸騰，其他類型均有植被覆蓋，故而生長期內(nèi)裸地變異性最小。總的說來，降水和植被特征是影響生長期土壤水分的主要因素。

表1 不同土地覆被類型下土壤水分描述性統(tǒng)計(jì)特征值

2.2 不同土地覆被類型下土壤水分剖面分布特征

圖3是祁連山區(qū)7種土地覆被類型下5層土壤水分及其變異系數(shù)的剖面分布。不同土地覆被類型下土壤水分在0—70 cm剖面范圍內(nèi)的垂直分布規(guī)律為：農(nóng)田和高蓋度草地均為隨深度增加而減??；草甸則一直波動(dòng)變化；低蓋度草地表層含水量較低，10—70 cm均為波動(dòng)變化且變化趨勢與草甸相反；灌叢也一直波動(dòng)變化，從表層開始先減小后增加，至50—70 cm層又減?。涣值睾吐愕鼐鶠橄仍黾釉贉p小。總的來說，高蓋度草地、低蓋度草地的土壤水分值在剖面各層變化不大，而農(nóng)田、草甸、灌叢、林地和裸地土壤水分值隨深度變化較明顯。這是由于植被根系對(duì)土壤水分有顯著影響。對(duì)比灌叢和林地，草地的根系持水能力有限，各層土壤水分差異不大。農(nóng)田則由于人工灌溉，導(dǎo)致其上層土壤水分高于下層。草甸因根系區(qū)緊密的草氈層阻礙土壤水分下滲，在根系下部形成相對(duì)干層，阻礙深層土壤毛管水向上運(yùn)動(dòng)，水分滯留深層，形成草甸土壤水分特殊的剖面分布規(guī)律。灌叢表層受灌叢對(duì)降水的截留作用土壤水分較高，根系隨土層深度增加先增多后減少，持水性也先增加后減小，從而土壤水分也增加后減小。林地中，表層受枯枝落葉對(duì)降水的截留作用，土壤水分值較小；在10—30 cm層由于草本植物根系增多，其持水性作用變大，之后根系減少，因而土壤水分也隨之呈現(xiàn)出先增高后減少的規(guī)律。裸地則是因?yàn)橥寥腊l(fā)育尚處于原始成土過程，表層導(dǎo)水性較好，水分能快速入滲至與表層結(jié)構(gòu)有很大差異的下層，而表層水分在太陽輻射作用下形成相對(duì)干層，使得下層由于和表層缺乏毛管及張力作用，水分滯留下層，表層細(xì)顆粒物質(zhì)因淋溶淀積在下層(經(jīng)實(shí)驗(yàn)室粒度測定，第20—50 cm層砂粒含量明顯少于其他層)，阻礙土壤水分向深層運(yùn)動(dòng)，所以裸地土壤水分在20—30 cm層最高，大于深層和表層。

隨著土層深度的增加，土壤水分變異程度分布規(guī)律為：農(nóng)田先增加后減小，草甸和灌叢為先減小后增加再減小，低蓋度草地、高蓋度草地、林地和裸地均為隨深度遞減。農(nóng)田表層土壤水分有灌溉補(bǔ)給，變異性較小。草甸、草地土壤水分變異性均在淺層較大，深層趨于穩(wěn)定，但其穩(wěn)定的土壤層則有不同。草甸穩(wěn)定層為20 cm，該層土壤水分較高，根系主要集中在該層并形成草氈層，草氈層持水性好且排水性差，因此該層土壤水分穩(wěn)定。草地穩(wěn)定層為25 cm左右，究其原因?yàn)楸韺油寥浪州^差，根系較草甸深。灌叢各層土壤水分變異不大，與林下枯枝落葉層對(duì)土壤蒸散的減緩和根系的持水性有關(guān)。林地表層土壤水分受降水影響大，下層逐漸減小。裸地剖面變異規(guī)律和土壤水分分布規(guī)律形成原因一樣，表層受降水影響大，土壤蒸散促使其下形成相對(duì)干層，又有細(xì)顆粒物淋溶淀積，土壤水分滯留，導(dǎo)致表層以下各層變異均較小。

總而言之，由于植被根系對(duì)土壤水分的顯著影響，高蓋度草地、低蓋度草地的土壤水分值在剖面各層變化不大，而農(nóng)田、草甸、灌叢、林地和裸地土壤水分值隨深度變化較明顯。隨著土層深度的增加，土壤水分變異程度分布規(guī)律為：農(nóng)田先增加后減小，草甸和灌叢為先減小后增加再減小，低蓋度草地、高蓋度草地、林地和裸地均隨深度遞減。其中灌叢、林地和低蓋度草地剖面土壤水分分布規(guī)律與前人研究[18]不一致，可能原因是前人研究集中于小流域尺度，僅代表該流域土壤水分狀況，而本文為區(qū)域尺度(2.75×104km2)，所用數(shù)據(jù)來自多點(diǎn)觀測，造成本文部分結(jié)果與前人研究的差異。

2.3 土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)特征

2.3.1 不同土地覆被類型下土壤水分年內(nèi)變化趨勢 當(dāng)溫度降低至0℃以下，土壤凍結(jié)，本文所用ECH2O傳感器無法測量全部土壤水分，僅為土壤未凍結(jié)部分的水分，故舍去氣溫低于0℃的數(shù)值。圖4是祁連山區(qū)7種不同土地覆被類型下土壤水分隨時(shí)間變化狀況，采樣頻率30 min一次。由圖4可知，3月中下旬所有土地覆被類型土壤水分開始上升，裸地、高蓋度草地、低蓋度草地和草甸上升明顯，林地和灌叢變化緩慢；4月中下旬再次上升達(dá)到較高水平，裸地、灌叢、低蓋度草地、草甸、農(nóng)田波動(dòng)較大，林地平穩(wěn)上升，高蓋度草地變化不明顯；裸地、草甸和農(nóng)田3種土地覆被類型土壤水分于11月1日左右開始顯著下降；林地、灌叢和高蓋度草地于11月中旬開始顯著下降。7種土地覆被類型下土壤水分均在3—5月整體表現(xiàn)為上升趨勢，9月1日以后整體表現(xiàn)為下降趨勢，與季節(jié)交替，降水和溫度變化大有關(guān)?？梢园l(fā)現(xiàn)土壤水分和降水的關(guān)系密切，隨降水變化而變化。然而因?yàn)槠钸B山區(qū)氣候差異顯著，本文所用氣象站難以完全反映區(qū)域氣候特征，導(dǎo)致土壤水分和降水不能完全對(duì)應(yīng)。

2.3.2 不同土地覆被類型下土壤水分季節(jié)變化特征 圖5所示是不同土地覆被類型下土壤水分隨季節(jié)的變化狀況，本文春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12—2月，因冬季氣溫大都低于0℃，故舍去冬季，僅統(tǒng)計(jì)春、夏、秋三個(gè)季節(jié)氣溫高于0℃的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。草甸、灌叢、裸地類型下土壤水分整體均有夏季最高、秋季次之、春季略小的規(guī)律。夏、秋兩季降水量較大，基本占全年降水量的90%以上[39-40]，因而土壤水分值較高，春季土壤水分較低。農(nóng)田和高蓋度草地土壤水分均呈現(xiàn)秋季最高、夏季次之、春季最低，夏季大于春季是因?yàn)榻邓龆?，秋季大于夏季是因?yàn)榭葜β淙~覆蓋和溫度的降低減緩了土壤水分的蒸散。低蓋度草地土壤水分為夏季最高、春季次之、秋季最低，是由于夏季降水最多，春季凍土融水較多的緣故。林地土壤水分有夏季最大、春秋相差不大的規(guī)律，是因?yàn)榱值乜葜β淙~和苔蘚層減緩了春秋兩季溫度變化的趨勢，土壤水分蒸發(fā)緩慢，導(dǎo)致土壤水分較高。

土壤水分變異程度上除灌叢外，存在春季變異最大，夏季次之、秋季最小的規(guī)律。春季溫度變化較大，凍融作用頻繁交替發(fā)生，且降水逐漸增加，土壤水分變化大。夏季降水最多，溫度高，蒸散發(fā)劇烈，土壤水分補(bǔ)充和消耗均較劇烈。秋季地表枯枝落葉增加，且溫度降低，減緩?fù)寥浪终舭l(fā)，造成土壤水分變異小。灌叢土壤水分變異春季最大、秋季次之、夏季最小，可能是因?yàn)楣鄥餐寥莱炙团潘阅茏兓木壒?。因而，降水和植被是?dǎo)致土壤水分值和變異系數(shù)在夏、秋兩季變化的主要因素，而土壤凍融過程則是導(dǎo)致其在春季變化的主要因素。

注：土壤水分為2014年生長期數(shù)據(jù)，各層以中間深度為土層深度坐標(biāo)，如0—10 cm層的坐標(biāo)為5 cm。其中，林地因儀器故障50—70 cm層數(shù)據(jù)缺測。

圖3不同土地覆被類型下土壤水分及變異系數(shù)剖面分布

注：降水為黑河上游10個(gè)氣象站的平均值，其物理含義是降水量，單位為mm；農(nóng)田、草甸、低蓋度草地、高蓋度草地、灌叢、林地和裸地的物理含義是土壤體積含水量，單位為cm3/cm3(%)。

圖4不同土地覆被類型下土壤水分年內(nèi)變化

注：上圖中土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為平均值MEAN+標(biāo)準(zhǔn)差STD。

圖5不同土地覆被類型下土壤水分及其變異系數(shù)季節(jié)變化

2.3.3 不同土地覆被類型下土壤水分月變化特征 圖6是祁連山區(qū)7種土地覆被類型下土壤水分3—10月變化狀況。由圖6可知，土壤水分變化有如下規(guī)律：3—5月和9—10月土壤水分變化劇烈，其余月份變化平穩(wěn)。參考圖4降水，從5月份開始，隨著雨季的來臨，降水量大幅增加，土壤水分也隨著上升。在6月，7月，8月份降水達(dá)到全年最大值，據(jù)估算，6—9月可達(dá)75%以上[39]，土壤水分也達(dá)到一年中的最高值；8月份植被進(jìn)入生長旺盛期，降水小于植物蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗，土壤水分呈現(xiàn)出降低趨勢，進(jìn)入9月份，植物生長期結(jié)束，土壤水分主要為土壤蒸發(fā)消耗，并且植物凋落物的增加減緩了土壤蒸發(fā)，農(nóng)田、灌叢和林地土壤水分有升高趨勢。所以，降水和植被特征同樣是影響土壤水分月變化的主要因素。

圖6不同土地覆被類型下土壤水分月變化

表2所列為不同土地覆被類型下土壤水分年內(nèi)3—10月的距平統(tǒng)計(jì)量，可以得到：(1) 農(nóng)田、草甸、灌叢、林地和裸地土壤水分正距平持續(xù)時(shí)間長于負(fù)距平，草地則相反；(2) 土地覆被類型組成越均一，出現(xiàn)±1%距平的時(shí)間越短。灌叢根系的持水能力和時(shí)間較草地和農(nóng)田強(qiáng)且長，正距平和±1%距平持續(xù)時(shí)間的長短可能與植被生長期長短有關(guān)。從土地覆被類型下土壤水分極值出現(xiàn)時(shí)間來看，最大值草甸、低蓋度草地、高蓋度草地、林地和裸地均在夏季，農(nóng)田在秋季，灌叢在春季，最小值出現(xiàn)時(shí)間均為春季，結(jié)合圖6中降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，究其原因，夏季降水最多，春季較少。灌叢土壤水分5月份最高的原因可能是土壤水分本底值高，冬季土壤內(nèi)凍土發(fā)育，解凍所需熱量較多，到了5月份溫度較高才使深層完全解凍，因此5月份土壤水分最高。

表2 不同土地覆被類型下土壤水分年內(nèi)分布

注：正、負(fù)距平時(shí)長均為距平絕對(duì)值>1%的月份數(shù)，±1%距平時(shí)長為距平絕對(duì)值≤1%的月份數(shù)，單位為個(gè)月；max，min出現(xiàn)時(shí)間為年內(nèi)最大值、最小值出現(xiàn)的月份，表內(nèi)數(shù)字即為出現(xiàn)的月份。

3 結(jié) 論

本文基于定位觀測體系采集的土壤水分和氣象站數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象、植被特性和人類活動(dòng)等要素，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)法分了析區(qū)域土壤水分在不同植被類型下的整體狀況、剖面特征和不同時(shí)間尺度上的分布特征與變異規(guī)律。結(jié)果表明：

(1) 降水和植被特征是影響生長期土壤水分的主要因素。除高蓋度草地和農(nóng)田外，降水量大的土地覆被類型上土壤水分值較高。這是由于高蓋度草地和農(nóng)田雖然降水較林地多，但對(duì)土壤水分的消耗大，導(dǎo)致其土壤水分較低。此外，土壤水分值越低，降水補(bǔ)給和蒸散發(fā)消耗所引起的相對(duì)波動(dòng)就越大，導(dǎo)致其變異性較大。農(nóng)田主要受人工灌溉的影響，導(dǎo)致其不符合上述規(guī)律。而裸地則僅有土壤蒸發(fā)并無植被蒸騰，其他類型均有植被覆蓋，故生長期內(nèi)裸地變異性最小。

(2) 由于植被根系對(duì)土壤水分的顯著影響，高蓋度草地、低蓋度草地的土壤水分值在剖面各層變化不大，而農(nóng)田、草甸、灌叢、林地和裸地土壤水分值隨深度變化較明顯。隨著土層深度的增加，土壤水分變異程度分布規(guī)律為：農(nóng)田先增加后減小，草甸和灌叢為先減小后增加再減小，低蓋度草地、高蓋度草地、林地和裸地均隨深度遞減。

(3) 草甸、灌叢、裸地土壤水分整體均在夏季最高、秋季次之、春季最小。農(nóng)田和高蓋度草地土壤水分均呈現(xiàn)秋季最高、夏季次之、春季最低，而林地夏季最大、春秋相差不大。土壤水分變異程度上除灌叢外，存在春季變異最大，夏季次之和秋季最小的規(guī)律。降水是導(dǎo)致土壤水分值和變異系數(shù)在夏、秋兩季變化的主要因素，而土壤凍融過程則是導(dǎo)致其在春季變化的主要因素。

總而言之，祁連山區(qū)土壤水分具有明顯的空間分布差異與季節(jié)變化特征，與不同土地覆被類型的降水條件、植被特性和人工影響都有著密切的關(guān)系。

致謝：蘭州大學(xué)旱區(qū)流域科學(xué)與水資源研究中心和水文水資源工程系研究團(tuán)隊(duì)自2012年以來連續(xù)4個(gè)夏秋在祁連山區(qū)艱苦卓絕，風(fēng)餐露宿，建立黑河上游土壤水文定位觀測體系，取得了寶貴數(shù)據(jù)。本文用到HiWATER的8個(gè)氣象站數(shù)據(jù)來自基金委國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)“寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”，在此一并致謝！

[1] 張俊娥,陸垂裕,秦大庸,等.基于分布式水文模型的區(qū)域“四水”轉(zhuǎn)化[J].水科學(xué)進(jìn)展,2011,22(5):595-604.

[2] 郭忠升,邵明安.雨水資源、土壤水資源與土壤水分植被承載力[J].自然資源學(xué)報(bào),2003,18(5):522-528.

[3] 王延平,邵明安,張興昌.陜北黃土區(qū)陡坡地人工植被的土壤水分生態(tài)環(huán)境[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(8):3769-3778.

[4] 王金葉,王彥輝,李新,等.祁連山排露溝流域水分狀況與徑流形成[J].冰川凍土,2006,28(1):62-69.

[5] Zhang Y M, Chen Y N, Pan B R. Distribution and floristics of desert plant communities in the lower reaches of Tarim River, southern Xinjiang, People′s Republic of China[J]. Journal of Arid Environments, 2005,63(4):772-784.

[6] Sahoo A K, Lannoy G J M D, Reichle R H, et al. Assimilation and downscaling of satellite observed soil moisture over the Little River Experimental Watershed in Georgia, USA[J]. Advances in Water Resources, 2013,52(2):19-33.

[7] 焦俏,王飛,李銳,等. ERS衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)在黃土高原近地表土壤水分中的應(yīng)用研究[J].土壤學(xué)報(bào),2014,51(6):1388-1397.

[8] 胡蝶,郭鈮,沙莎,等. Radarsat-2/SAR和MODIS數(shù)據(jù)聯(lián)合反演黃土高原地區(qū)植被覆蓋下土壤水分研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2015,30(5):860-867.

[9] Piles M, Camps A, Vall-Llossera M, et al. Downscaling SMOS-derived soil moisture using MODIS visible/infrared data[J]. Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2011,49(9):3156-3166.

[10] 劉志明,張柏,晏明,等.土壤水分與干旱遙感研究的進(jìn)展與趨勢[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004,18(4):576-583.

[11] Hupet F, Vanclooster M. Intraseasonal dynamics of soil moisture variability within a small agricultural maize cropped field[J]. Journal of Hydrology, 2002,261(1):86-101.

[12] Brocca L, Morbidelli R, Melone F, et al. Soil moisture spatial variability in experimental areas of central Italy[J]. Journal of Hydrology, 2007,333(2/4):356-373.

[13] Penna D, Borga M, Norbiato D, et al. Hillslope scale soil moisture variability in a steep alpine terrain[J]. Journal of Hydrology, 2009,364(3):311-327.

[14] 趙琛,張?zhí)m慧,李金麟,等.黑河上游土壤含水量的空間分布與環(huán)境因子的關(guān)系[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,50(3):338-347.

[15] 王云強(qiáng),邵明安,劉志鵬.黃土高原區(qū)域尺度土壤水分空間變異性[J].水科學(xué)進(jìn)展,2012,23(3):310-316.

[16] Wang Y, Shao M, Liu Z. Large-scale spatial variability of dried soil layers and related factors across the entire Loess Plateau of China[J]. Geoderma, 2010,159(1):99-108.

[17] 田風(fēng)霞,趙傳燕,王瑤.祁連山東段土壤水分時(shí)空分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2010,28(6):23-29.

[18] 劉鵠,趙文智,何志斌,等.祁連山淺山區(qū)不同植被類型土壤水分時(shí)間異質(zhì)性[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(5):2389-2394.

[19] 傅伯杰,楊志堅(jiān),王仰麟,等.黃土丘陵坡地土壤水分空間分布數(shù)學(xué)模型[J].中國科學(xué)D輯:地球科學(xué),2001,31(3):185-191.

[20] 毛飛,任三學(xué),劉庚山,郭安紅,張佳華.中子儀測量農(nóng)田土壤水分精度的比較研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2005,13(4):103-106.

[21] Rosenbaum U, Bogena H R, Herbst M, et al. Seasonal and event dynamics of spatial soil moisture patterns at the small catchment scale[J]. Water Resources Research, 2012,48(10):3472-3476.

[22] Han E, Heathman G C, Merwade V, et al. Application of observation operators for field scale soil moisture averages and variances in agricultural landscapes[J]. Journal of Hydrology, 2012,444(6):34-50.

[23] Liu H, Zhao W, He Z, et al. Soil moisture dynamics across landscape types in an arid inland river basin of Northwest China[J]. Hydrological Processes, 2015,29(15):3328-3341.

[24] Fu B J, Wang J, Chen L, Qiu Y. The effects of land use on soil moisture variation in the Danangou catchment of the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2003,54(1):197-213.

[25] Yang K, Ding B, Wu H, et al. A multiscale soil moisture and freeze-thaw monitoring network on the third pole[J]. Bulletin of the American Meteorological Society,2013,94(12):1907-1916.

[26] Qin J, Yang K, Lu N, et al. Spatial upscaling of in-situ soil moisture measurements based on MODIS-derived apparent thermal inertia[J]. Remote Sensing of Environment, 2013,138(6):1-9.

[27] Zhao L, Yang K, Qin J, et al. Spatiotemporal analysis of soil moisture observations within a Tibetan mesoscale area and its implication to regional soil moisture measurements[J]. Journal of Hydrology, 2013,482(5):92-104.

[28] Zhao L, Yang K, Qin J, et al. The scale-dependence of SMOS soil moisture accuracy and its improvement through land data assimilation in the central Tibetan Plateau[J]. Remote Sensing of Environment, 2014,152(5):345-355.

[29] Penna D, Brocca L, Borga M, et al. Soil moisture temporal stability at different depths on two alpine hillslopes during wet and dry periods[J]. Journal of Hydrology, 2013,477(1):55-71.

[30] Jia Y H, Shao M A, Jia X X. Spatial pattern of soil moisture and its temporal stability within profiles on a loessial slope in northwestern China[J]. Journal of Hydrology, 2013,495(15):150-161.

[31] Wang T, Wedin D A, Franz T E, et al. Effect of vegetation on the temporal stability of soil moisture in grass-stabilized semi-arid sand dunes[J]. Journal of Hydrology, 2015,521(4):447-459.

[32] Zhang P, Shao M, Zhang X. Scale-dependence of temporal stability of surface-soil moisture in a desert area in northwestern China[J]. Journal of Hydrology, 2015,527(16):1034-1044.

[33] Jin X, Zhang L H, Gu J, et al. Modeling the impacts of spatial heterogeneity in soil hydraulic properties on hydrological process in the upper reach of the Heihe River in the Qilian Mountains, Northwest China[J]. Hydrological Processes, 2015,29(15):3318-3327.

[34] Liu S M, Xu Z W, Wang W Z, et al. A comparison of eddy-covariance and large aperture scintillometer measurements with respect to the energy balance closure problem [J]. Hydrology & Earth System Sciences & Discussions, 2011,15(4):1291-1306.

[35] Li X, Cheng G D, Liu S M, et al. Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research (HiWATER): Scientific objectives and experimental design[J]. Bulletin of the American Meteorological Society,2013,94(8):1145-1160.

[36] Ran Y H, Li X, Lu L, et al. Large-scale land cover mapping with the integration of multi-source information based on the Dempster-Shafer theory[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2012,26(1):169-191.

[37] Cobos D R. Calibrating ECH2O Soil Moisture Sensors[EB/OL]. http:∥manuals. decagon. com/Application%20 Notes/13393_Calibrating%20 ECH2 O%20 Probes_Print. pdf, 2011-11-17.

[38] 顧娟,李新,黃春林.基于時(shí)序MODIS NDVI的黑河流域土地覆蓋分類研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2010,25(3):317-326.

[39] 王超,趙傳燕.TRMM多衛(wèi)星資料在黑河上游降水時(shí)空特征研究中的應(yīng)用[J].自然資源學(xué)報(bào),2013,28(5):862-872.

[40] 王寧練,賀建橋,蔣熹,等.祁連山中段北坡最大降水高度帶觀測與研究[J].冰川凍土,2009,31(3):395-403.

VariationsofSoilMoistureUnderDifferentLandUseandLandCoverTypesintheQilianMountain,China

BAI Xiao1, ZHANG Lanhui1, WANG Yibo1, TIAN Jie1, HE Chansheng1,2, LIU Guohua1

(1.CenterforDrylandWaterResourcesResearchandWatershedScience,KeyLaboratoryofWestChina′sEnvironmentalSystem,MinistryofEducation,CollegeofEarthandEnvironmentalScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.DepartmentofGeography,WesternMichiganUniversity,Kalamazoo,MI49008,USA)

Soil moisture links the atmospheric precipitation, surface water, and groundwater together, its spatiotemporal variability influences both ecological and hydrological processes. Considering soil properties, vegetation, terrain, and other factors, we established the soil hydrological observation system with 36 in-situ soil moisture observation stations in the Qilian Mountain, Northwest China. We analyzed the variability of soil moisture in the study area by using the classical statistical methods. Results show that precipitation and vegetation characteristics are the main factors affecting the variability of soil moisture. Large precipitation on land cover types led to high soil moisture. Lower soil moisture resulted in higher volatility of evapotranspiration and precipitation recharge, leading to the greater variability. Due to the significant influence of vegetation roots on soil moisture, soil moisture in high cover grassland and low cover grassland showed little change along the soil profile, while soil moisture in the farmland, meadows, shrubs, forestland and bare land showed sharp change with the soil depth. For meadows, shrubs, bare land, the soil moisture was highest in summer and autumn, it was minimal in spring. Soil moisture contents in farmland and high coverage grassland were the highest in fall, followed by summer, soil moisture content was the lowest in spring. In addition to the shrubs, soil moisture variation extent was the largest in spring, followed by summer, and it was minimum in autumn. Precipitation was the main factor affecting the coefficient of variation of soil moisture in the summer and autumn while soil freezing and thawing process was the major factor controlling the soil moisture in spring.

soil moisture; variation characteristics; land use and land cover; in-situ observation; Qilian Mountain

2016-06-08

：2016-06-20

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(91125010);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41530752)

白曉(1993—),男,陜西漢中人,碩士研究生,主要從事水文過程與遙感水文研究。E-mail:baix2010@lzu.edu.cn

張?zhí)m慧(1983—),女,甘肅白銀人,博士,講師,主要從事氣候變化及其影響下的水文響應(yīng)研究。E-mail:lhzhang@lzu.edu.cn

S152.7

：A

：1005-3409(2017)02-0017-09