1948—2021年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究.pdf

第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:郭艺甘甫平闫柏琨等.年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究.自然资源遥感():.(.():.)年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究郭 艺 甘甫平 闫柏琨 白 娟 邢乃琛 刘 琪(中国自然资源航空物探遥感中心北京)摘要:本研究联合 年.数据和 年.数据构建河南省 年逐月土壤含水量数据集 利用 趋势分析和突变检验、小波分析、互相关分析揭示河南省土壤含水量的时空分布特征及主要影响因素 结果表明:重构的 年逐月土壤含水量与.提供的月度土壤含水量的平均偏差为.平均绝对误差为.均方根误差为.数据是可信的 基于该构建的土壤含水量数据 年土壤含水量则以./的速度减少其中春季河南省土壤含水量的变化率为./夏季土壤含水量的变化率为./秋季土壤含水量的变化率为./冬季土壤含水量的变化率为./空间上土壤含水量变化整体上由南向北递减与降水和蒸散发具有明显的一致性 垂向上单位深度土壤含水量为./小波分析与互相关分析表明降水是影响土壤含水量的主要因素 本研究不仅揭示了河南省长时间序列的土壤含水量及其时空分布特征还可为河南省地表水资源科学管理提供依据关键词:土壤含水量 趋势分析 小波分析 互相关分析 河南省中图法分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:中国地质调查局地质调查项目“流域水循环要素与自然资源遥感调查监测”(编号:)资助第一作者:郭 艺()女博士工程师主要从事水文地质、环境地质、水文遥感方面的研究:.引言土壤水是大气降水、地表水和地下水相互转化的纽带在水分交换过程中起着重要作用 土壤含水量指保存在不饱和土壤层孔隙中的水分对于农业发展、生态建设、气候变化和碳循环等具有重要意义 传统的土壤含水量的监测主要为人工田间监测费时费力且空间代表性不强 随着遥感技术的发展利用传感器获取的地表反射或辐射的能量反演土壤含水量具有较强的空间代表性能够频繁持久地提供地表环境变化特征 国内外学者已经做了大量的土壤水遥感反演研究证明了基于卫星遥感数据可以获得高空间分辨率的土壤水时空动态变化 全球陆面数据同化系统()数据是全球变化与水循环研究的重要数据源之一近年来大量学者对 数据的通用性和精度进行了研究 程善俊等利用 数据分析了 年黄土高原半干旱区气温、降水和土壤的变化趋势讨论了气温和降水对土壤湿度的影响和贡献 沈润平等通过对比分析站点实测数据和不同遥感数据的土壤含水量产品发现 的 模型的土壤含水量数据在中国地区整体精度最高 张述文等利用 数据和 产品研究了中国区域土壤湿度对降水的耦合特征 吴盼等通过融合 土壤含水量数据与温度植被干旱指数()数据将青藏高原的土壤含水量降尺度至 空间分辨率 孙茂军等基于 与 数据反演了湟水河流域土壤含水量 刘佩佩等利用陕西省 年 个站点土壤温度观测数据评估了 不同版本的土壤温度数据发现.数据可以模拟出土壤温度的季节尺度变化和日变化基于上述研究背景本研究首先联合.与.陆面模型数据重构 年河南省土壤含水量 其次利用 趋势分析自 然 资 源 遥 感 年和突变检验揭示分析河南省土壤含水量的时空分布特征 最后利用小波分析与空间互相关分析揭示影响河南省土壤含水量的主要因素为土壤水资源的合理利用提供了理论基础 数据源 数据是通过融合近实时地面基站观测数据和卫星数据产品提供陆地表面状态变量及通量的实时数据 陆面模型已从 更新至 有 个组成部分:.和.完全使用普林斯顿气象强迫输入数据并提供 年期间的数据.是结合 年至今的模型和观测数据进行的.产品包括同化了 重力数据的从 年至今的数据 目前 驱动了 种陆面模型():()和 ()可以提供全球范围内高空间分辨率(.)数据时间跨度有 一值、一值和一月一值 本研究利用空间分辨率为.每月一值的.模型(以下称.)和.模型(以下称.)分别计算 年和 年 层()土壤含水量 同时利用上述模型中提供的气温数据、降水数据和蒸散发数据计算相应研究时段内的气温、降水和蒸散发 研究方法)年土壤含水量数据构建.模型相较于.模型存在一定的改进因此.数据相较于.数据具有更高的精度 但.模型仅提供 年以后的数据 而 .模型提供 年的数据 鉴于.数据和.数据存在交集因此本研究提出通过对比 个数据集提供的参数之间的回归相关性构建 年逐月土壤含水量 整个过程分为 步:第一步根据.和.提供的 年气温、降水、蒸散发和土壤含水量数据比较两者之间的相关性构建 个数据集之间的经验公式 第二步利用经验公式和.数据估算 年逐月气温、降水、蒸散发和土壤含水量利用该时期的.数据开展构建数据的质量评估 第三步经过评估合格后 年土壤含水量数据由 年的重建数据和.提供的 年数据构成)趋势分析与突变检验 检验方法的全称是 检验方法是一种非参数统计检验方法主要包括趋势分析和突变检验计算简便且检测效果良好因此被广泛使用在趋势检验和突变检验方面 趋势性检验的结果主要包括变化率 值和显著性水平 值 值为正代表上升趋势为负则表示下降 对于 值当 .时说明存在显著性变化趋势.时变化不显著 其原理简单为存在时间序列 则 趋势分析的统计量 为:()()()()()即 服从标准正态分布衡量趋势大小的指标为:()式中 ()的样本累计数定义 为:第 期郭 艺等:年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究()其他 ()定义时间序列的标准正态分布统计量 为:()()()()()()()()()()式中:()为 的均值()为 的方差其中 并且在给定显著性水平 下若 则表明序列存在明显的趋势变化将时间序列按逆序排列重复上述步骤同时使得 ()其中 通过分析统计序列 和 的交点分析突变的时间节点 若 则说明序列呈现上升趋势反之则为下降趋势 当其超过显著性水平的临界值表明时间数据的上升或者下降趋势显著)小波分析 小波分析是在 世纪 年代初发展起来的新方法可以分析整个数据的变化和局部变化克服了短时傅里叶变换固定分辨率的缺点小波分析具有在低频部分存在较高频率分辨率和较低的时间分辨率以及在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率的优点 本研究利用小波分析确定时间序列的不同周期出现在哪个时域和频域上 一个时间序列()的 连续小波变换为:()()()()()()式中:为伸缩尺度也称为尺度因子反映的是小波的周期长度 为平移因子反映的是时间上的平移 为无量纲频率 为复数)数据质量评估 评估指标包括相关系数、平均偏差、平均绝对误差和均方根误差()计算公式分别为:()()()()()()()()()式中 和 分别为.和.时间序列的第 个数据 结果与分析.基于.与.的土壤含水量数据构建图 为基于.与.的气温、降水、蒸散发和土壤含水量之间的关系 由图 可知基于.的气温、降水、蒸散发和土壤含水量与基于.得到的相应数据具有高度的线性相关性.和.提供的 年逐月气温之间的线性关系见图()利用该线性关系计算的 年逐月气温与.提供的气温为.为.为.和.提供的 年的月度降水之间的线性关系见图()利用该线性关系计算的 年逐月降水与.提供的月降水量的为.为.为.和.提供的 年的月度蒸散发之间的线性关系见图()利用该线性关系计算的 年逐月蒸散发与.提供的月蒸散发的为 .为.为.和.提供的 年的月度土壤含水量之间的线性关系见图()利用该线性关系计算的 年逐月土壤含水量与.提供的月度土壤含水量的为.为.为.自 然 资 源 遥 感 年()气温()降水()蒸散发 ()土壤含水量图 基于.与.的气温、降水、蒸散发和土壤含水量之间的关系.上述参数的平均偏差、平均绝对误差和 与各参数的平均值相比可以忽略不计因此认为本研究构建的数据是可信的 因此综合.和.数据集构建的 年河南省数据集由 年的重建数据和 年的.数据组成该数据既保留了.的数据质量也综合.数据延长了数据时间长度(图)()气温时间序列()降水时间序列()蒸散发时间序列()土壤含水量时间序列图 基于.与.构建的 年河南省气温、降水、蒸散发和土壤含水量时间序列.第 期郭 艺等:年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究.河南省土壤含水量的年际变化特征河南省 年平均气温、年降水、年蒸散发和年平均土壤含水量分别为.和.其变异系数分别为.和.趋势分析(图)表明 年年平均气温、年降水和年蒸散发增加速度分别为././和./年平均土壤含水量则以./的速度减少其中仅温度的变化符合.的显著性水平 突变分析表明河南省 年后的平均气温呈显著增加状态 年降水虽然持续减少但未通过.的显著性水平在 年和 年有 次具有显著性的突变 年蒸散发在 世纪 年代 世纪初显著减少并在 年具有一次有显著意义的突变 年平均土壤含水量时增时减但在 年和 年以后具有显著意义的减少并在 年具有一次有显著意义的突变()年平均气温()年降水()年蒸散发()年平均土壤含水量图 年河南省年平均气温、年降水、年蒸散发和年平均土壤含水量的 突变分析.河南省土壤含水量的季节变化特征图 为河南省 年不同季节土壤含图 年河南省土壤含水量季节变化趋势.水量的年际变化趋势图 为不同季节土壤含水量的 突变分析 综合图 和图 可知整体上 年春季河南省土壤含水量的变化率为./(仅 年后其降低的趋势具有显著性水平)春季土壤含水量的突变点 年和 年 年夏季土壤含水量的变化率为./(不具显著性)夏季土壤含水量的突变点 年末 年初 年秋季土壤含水量的变化率为./(不具有显著性)秋季土壤含水量的突变点 年和 年 年冬季土壤含水量的变化率()春季()夏季图 年河南省土壤含水量季节变化的 突变检验.自 然 资 源 遥 感 年()秋季()冬季图 年河南省土壤含水量季节变化的 突变检验.为./(不具显著性)冬季土壤含水量的突变点 年、年、年和 年.土壤含水量的空间分布特征图 左、右列分别为河南省 和 年平均年降水、蒸散发和土壤含水量分布 由图 可知整体上河南省土壤含水量呈现自南向北减少的趋势其空间分布特征与年降水和年蒸散发的空间分布具有一致性 就局部而言三门峡市和洛阳市南部、平顶山市西部的土壤含水量具有东西向的条带状高值区域 商丘市北部和开封市中部呈东西向的条带状的高值区域()年平均年降水()年平均年降水()年平均年蒸散发()年平均年蒸散发图 年以及 年河南省平均年降水、蒸散发和土壤含水量空间分布.第 期郭 艺等:年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究()年平均年土壤含水量()年平均年土壤含水量图 年以及 年河南省平均年降水、蒸散发和土壤含水量空间分布.讨论.河南省土壤含水量随深度的变化规律 模型提供了 个土壤层(及 )的土壤含水量不同深度的土壤含水量年内的分布特征不同 年各层逐月土壤含水量减去各层平均土壤含水量得到土壤含水量距平值根据该距平值可以判断土壤含水量的年内盈亏状态 由图()可知)和 深度的土壤含水量在春季均处于亏损状态秋季均处于盈余状态 夏季)和)深度的土壤含水量为盈余状态)和 深度的土壤含水量为亏损状态 冬季)深度的土壤含水量为平衡状态)和)深度的土壤含水量为亏损状态)深度的土壤含水量为盈余状态()季节分布特征()深度变化规律图 年河南省不同深度土壤含水量季节分布特征及随深度的变化规律.不同深度的单位深度土壤含水量差异较大 年)土壤层的平均土壤含水量为.变异系数为.单位深度土壤含水量为./)土壤层的平均土壤含水量为.变异系数为.单位深度土壤含水量为./)土壤层的平均土壤含水量为.变异系数为.单位深度土壤含水量为./土壤层的平均土壤含水量为.变异系数为.单位深度土壤含水量为./综合 陆面模型提供的不同土壤层深度的土壤含水量可知随着土壤层深度的增加以及土壤层厚度的增加土壤含水量呈线性增加(图()土壤含水量与土壤深度之间的线性关系为:.(.)即整体上单位深度土壤含水量为./自 然 资 源 遥 感 年降水、蒸散发和植被覆盖影响了土壤含水量的垂向变化 受蒸散发的直接影响表层土壤单位深度土壤含水量较小 随着土壤埋深增加蒸散发能力逐渐减小使得单位深度土壤含水量增加植物的根系深度一般在 左右植物耗水导致该层的单位深度土壤含水量最小 当土壤埋深超过 时植物根系减少导致耗水量逐渐减少使得单位深度土壤含水量增加.河南省土壤含水量的影响因素由图()可知河南省降水与土壤含水量呈正比降水多的年份土壤含水量就多降水与土壤含水量之间的相关系数为.蒸散发对土壤含水量的影响不大但降水与蒸散发的差值(净补给量)与土壤含水量之间的呈正相关关系相关系数为.上述结果表明土壤含水量受降水和蒸散发的综合影响但降水的影响权重更大 由图()可知用水量与土壤含水量之间无显著关系且考虑用水量后的补给量(即净补给量与用水量的差值)和土壤含水量之间的相关系数与净补给量和土壤含水量之间的相关系数相似 因此影响土壤含水量的主要因素为气象因素()气象因素()用水量图 土壤含水量与气象因素(降水、蒸散发)和用水量之间的关系.小波分析可以用来揭示时间序列不同时域和频域的周期变化特征 本研究分别对河南省 年平均年气温、年降水、年蒸散发和年平均土壤含水量进行连续小波变换(图)图中红()年平均气温()年降水()年蒸散发()年平均土壤含水量图 年河南省年平均气温、降水、蒸散发和土壤含水量的 连续小波变换.第 期郭 艺等:年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究色与蓝色分别表示能量密度的峰值和谷值颜色深浅表示能量密度的相对变化 白色虚线圈闭的值为通过了 置信水平检验 由图 可知土壤含水量在 年具有 的周期性该周期性主要是受气温和降水的周期性影响 年除了表现出高度的年内变化特征还具有 的周期性该周期性主要是受降水的周期性影响由图 可知年降水的周期性和年蒸散发的周期性具有互补的表现形式且土壤含水量的周期性主要受降水的影响.河南省土壤含水量相对气象因素的滞后性气象因子(降水和蒸散发)对地表水资源的影响一方面表现在时间分布上一方面表现在空间分布上 就时间方面来说地表水资源与降水时间变化特征具有一致性降水多的年份/月份地表水资源增加降水少的年份/月份地表水资源下降但受到地表入渗能力的影响相对于降水地表水资源具有一定的滞后性 变量之间的互相关系数可以揭示滞后时间 图 为 年年尺度和月尺度土壤含水量与降水和蒸散发之间的互相关系数分布 由图()可知年尺度的土壤含水量与降水之间的相关性较高最大互相关系数为滞后时间为 时的.相比年降水年蒸散发与土壤含水量之间的互相关系数不大 由图()可知月尺度的土壤含水量与降水和蒸散发之间的相关性都较高其中土壤含水量与降水之间的最大互相关系数为滞后时间为 个月的.土壤含水量与蒸散发之间的最大互相关系数为滞后时间为 个月的.()年尺度降水和蒸散发与土壤含水量()月尺度降水和蒸散发与土壤含水量图 年年尺度和月尺度降水和蒸散发与土壤含水量之间的互相关系数分布.图 为 年及 年河南省年降水、年蒸散发与土壤含水量之间的互相关系数空间分布 由图 可知整体上降水对土壤含水量的影响要大于蒸散发 年河南省北()年年降水与土壤含水量()年年降水与土壤含水量图 年以及 年河南省年降水、蒸散发与土壤含水量之间的互相关系数空间分布.自 然 资 源 遥 感 年()年蒸散发与土壤含水量()年蒸散发与土壤含水量图 年以及 年河南省年降水、蒸散发与土壤含水量之间的互相关系数空间分布.部城市如安阳市和濮阳市其土壤含水量主要受蒸散发和降水的综合影响 而郑州市、洛阳市北部、南阳市西部和信阳市主要受降水的影响 相较于 年 年蒸散发对河南省土壤含水量的影响逐渐加重 河南省北部地区受蒸散发的影响较大南部地区受降水的影响较大 结论本文基于.陆面模型提供的 年土壤含水量数据和.陆面模型提供的 年土壤含水量数据重现构建了 年逐月河南省土壤含水量并利用统计方法分析了河南省土壤含水量的主要时空分布规律主要结论如下:)年河南省土壤含水量平均值为.趋势分析结果表明河南省土壤含水量以./的速度减少其中春季河南省土壤含水量的变化率为./夏季土壤含水量的变化率为 ./秋季土壤含水量的变化率为 ./冬季土壤含水量的变化率为./)空间上土壤含水量主要受降水和蒸散发的综合影响表现出由南向北递减的空间变化特征 垂向上单位深度土壤含水量的平均值为./其中)和)土壤层的单位深度土壤含水量为./././和./)小波分析与互相关分析表明降水是影响土壤含水量的主要因素土壤含水量在 年具有 的周期性土壤含水量滞后于降水 个月左右尽管本研究可以为河南省土壤含水量本底值以及影响因素提供参考和框架但是不得不承认的是本研究所利用的土壤含水量仅为地表以下 内的土壤含水量不能代表整个土壤层 在下一步的研究中应考虑如何融合其他数据以揭示整个土壤层含水量参考文献():雷志鹏胡和平杨诗秀.土壤水研究进展与评述.水科学进展():.():.:.():.解文艳樊贵盛.土壤含水量对土壤入渗能力的影响.太原理工大学学报():.():.张学礼胡振琪初士立.土壤含水量测定方法研究进展.土壤通报():.:.():.朱国锋蒲 焘何元庆等.横断山区土壤相对湿度时空分异.地理科学():.():.第 期郭 艺等:年河南省土壤含水量时空分布特征及其影响因素研究 赵立军.基于 数据的北京地区土壤含水量遥感信息模型研究.北京:中国农业大学.:.:.():.():.():.():.刘任莉佘敦先李 敏等.利用卫星观测数据评估 与 水文模型的适用性.武汉大学学报(信息科学版)():.():.钱 安易 爽孙广通等.水文模型在青藏高原的适定性分析.大地测量与地球动力学():.():.王 文崔 巍王 鹏.模型水文产品与中国地面观测及卫星观测数据的对比.水电能源科学():.():.王晨阳马元喜.不同土壤水分条件下小麦根系生态生理效应的研究.华北农学报():.():.王 洁边宇晗陈裕迪等.基于 陆地水储量估算土壤湿度变化:以中国东部季风区为例.南水北调与水利科技():.:.():.汪小菊王 文王 鹏.月气温数据在中国区的适用性评估.水电能源科学():.():.许顺芳王林松陈 超等.利用 及气象数据评估 水文模型在青藏高原的适用性.大地测量与地球动力学():.():.程善俊管晓丹黄建平等.利用 资料分析黄土高原半干旱区土壤湿度对气候变化的响应.干旱气象():.():.沈润平张 悦师春香等.长时间序列多源土壤湿度产品在中国地区的比较分析.气象科学():.():.张述文刘 源曹帮军等.和 产品的中国土壤湿度降水耦合分析及变化趋势.气候与环境研究():.():.吴 盼冯雨晴梁四海等.基于 与 降尺度反演土壤含水量.北京师范大学学报(自然科学版)():.()():.孙茂军李 霞李小刚等.基于 与 数据的湟水河流域土壤水反演.世界地质():.():.刘佩佩宋海清鲍炜炜等.和 土壤温度数据在陕西省的适用性评估.气象科技():.():.艾 宁强大宏刘长海等.半干旱黄土区山地枣林春季土壤水分动态变化研究.农业现代化研究():.():.何其华何永华包维楷.干旱半干旱区山地土壤水分动态变化.山地学报():.():.自 然 资 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