1、第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023董世玉，朱忠礼，徐自为，等，2023.黑河流域表层土壤水分干化特征研究 J.高原气象，42（3）：771-784.DONG Shiyu，ZHU Zhongli，XU Ziwei，et al，2023.Characteristics of Surface Soil Moisture Drydown in the Heihe River Basin J.Plateau Meteorology，42（3）：771-784.DOI：10.7522/j.issn.1000-0
2、534.2022.00086.黑河流域表层土壤水分干化特征研究董世玉，朱忠礼，徐自为，刘绍民，柴琳娜（北京师范大学地理科学学部，地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875）摘要：土壤水分干化是指降水发生后土壤逐渐变干的过程，此过程一般包括重力排水、大气需求限制的蒸发以及水分限制的蒸发三个阶段，此三阶段在表层土壤中表现最为明显。黑河流域发源于祁连山中段，上中下游具有十分明显的景观地带性，探讨该地区表层土壤水分干化特征将为理解流域内不同环境下土壤蒸发的规律和影响因素提供理论支撑。本文基于2016-2020年黑河流域上中下游10个气象观测站点表层土壤水分、土壤温度、气温等资料，利用降水后的
3、土壤干化事件分析了各区域土壤水分、潜在蒸散、归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和土壤质地等因素与表层土壤干化速率的关系，并使用指数模型拟合干化事件，总结了各站点干化速率的季节间变化规律。2016-2020年黑河流域10个站点共识别出362个有效干化事件，分析结果表明：（1）土壤进入干化期后，干化速率随土壤含水率降低而逐渐减缓，约12天后，上游、中下游站点土壤干化速率皆趋于稳定，上游站点稳定在约0.04 cm3cm-3day-1，中下游则趋于0。（2）上中下游表层土壤90%的蒸发效率分别低于0.25、0.15和0.12，无法满
4、足大气需求，但若考虑土壤剖面5 cm以下的蒸散，其蒸发效率将接近1。（3）黑河上游表层土壤水分较高，土壤干化过程主要为大气需求限制阶段，中下游表层土壤水分较低，土壤干化过程为水分限制阶段。而就表层土壤蒸发速率而言，上游主要受大气水分需求影响，土壤蒸发速率随潜在蒸散的增加而增大，但当土壤水分超过0.4 cm3cm-3时，潜在蒸散和土壤水分的变化对干化速率无显著影响；中下游主要受水分供应影响，土壤蒸发速率随土壤水分的增加而逐渐增大，潜在蒸散对土壤蒸发速率的影响不显著。（4）植被对表层土壤水分干化速率的影响与下垫面植被类型及土壤干湿状态有关，而土壤质地对干化速率影响较小。（5）指数模型拟合的干化事件
5、具有明显的季节性特征。夏季各站点的干化速率（）及干化幅度（A）最大，土壤水分下限（w）最低，而对于下垫面为荒漠的地区，w易受降水的影响，其在夏季达到最大值；就流域整体而言，表层土壤水分的干化速率表现为夏季春季秋季，上中下游干化速率的季节间变异性随下垫面类型的变化（草甸、农田、灌木）逐渐增大。关键词：土壤水分；干化；土壤蒸发；原位观测；黑河流域文章编号：1000-0534（2023）03-0771-14 中图分类号：P461 文献标识码：ADOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000861 引言 土壤水分是连接陆面和大气的关键水文变量，在全球水循环及能量循环过程中起
6、着关键作用（McColl et al，2017a）。陆面-大气反馈过程中，土壤水分与大气状况相互影响，土壤水分可以在时空尺度上改变大气过程，是导致云雨形成的潜在因素（Koster and Suarez，2003；Tuttle and Salvucci，2016），而降水等天气状况也会造成土壤水分变化，从而影响陆气间的水热交换和碳循环（丁旭等，2022；赖欣等，2021）。土壤水分干化（drydown）是指在一次降水事件后，土壤水分持续减少的过程，相对于随机性的降水，在陆地表面该过程是可进行模拟的（Rondinelli et al，2015；Shellito et 收稿日期：20220627；定
7、稿日期：20220916资助项目：中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA20100101）作者简介：董世玉（1998-），女，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事水文气象与遥感研究.E-mail：通信作者：朱忠礼（1972-），男，河南商丘人，副教授，主要从事遥感水文与地貌学研究.E-mail：高原气象42 卷al，2016；McColl et al，2017b）。一般地，在大气形成降水后，其到达陆地表面后主要以径流、排水和蒸散的形式损失（McColl et al，2017b；Shellito et al，2018）。土壤水分损失过程通常包括：重力排水、能量限制和水分限制三个阶段，其中重力排
8、水阶段以排水和径流占主导地位，能量限制阶段也称为“第一阶段”蒸散（ET-I），水分限制阶段也称为“第二阶段”蒸散（ET-II）（McColl et al，2017b；Sehgal et al，2021；范科科等，2020）。在一次降水后，径流一般在几分钟内停止，排水在数小时内停止，ET-I阶段发生迅速，土壤干化主要以 ET-II阶段为主，因此在日尺度上分析干化过程时可以忽略径流和排水这两个过程，从而仅关注ET-I和ET-II阶段（Rondinelli et al，2015；Shellito et al，2016；McColl et al，2017b）。水分限制阶段的蒸散包括表层土壤蒸发和植被蒸
9、腾，对于表层土壤而言，一般只考虑土壤蒸发，而忽略植被蒸腾作用从根区土壤中带走水分的过程。土壤水分干化的持续时间取决于土壤干化速率，已有研究表明，土壤干化速率受到土壤水分状态、大气条件、植被和土壤质地等陆面和大气状况的复杂影响（McColl et al，2017b；Shellito et al，2018；Sehgal et al，2021；刘维成等，2021）。土壤水分干化速率的相关研究可以追溯到20世纪 60 年代（Manabe，1969）。Rodriguez-Iturbe et al（1999）通过将降水描述为泊松过程来描述点尺度的土壤水分动态。Laio et al（2001）指出通过绘制土
10、壤水分的损失速率随土壤水分降低的曲线，可以得到关于土壤水文状况和土壤持水特性（如田间持水量和萎蔫系数等）的主要信息。而不同的观测方法之间存在差异，卫星土壤水分数据与原位观测的土壤水分和陆面模型模拟相比，前者的干化速率更快（Rondinelli et al，2015；Shellito et al，2016；Shellito et al，2018），这主要归因于前者的探测深度相对较浅。McColl et al（2017b）使用SMAP一年的表层土壤水分数据，通过指数衰减函数拟合干化事件，研究了全球范围内土壤水分干化动态，发现干化速率随着干燥度指数、土壤含砂量的增加而增大，同时指出，干化时间尺度仍存
11、在大量无法解释的差异，植被可能是导致此差异的主要因素。但其仅考虑了每个地点的土壤质地、干燥度指数和植被类型等静态因素，未考虑自然环境的动态效应，而土壤干化过程响应的是观测范围内变化的气象驱动因素、地表特征、土壤-植被和大气需求（Sehgal et al，2021；Rodriguez-Iturbe，2000）。对于浅层土壤能否准确识别水文状况和蒸散的限制阶段，Dong et al（2022a）使用通量塔和原位不同深度的土壤水分观测数据证明了表层土壤水分能够识别蒸散状态的改变。以上研究表明，不同地区的土壤水分干化速率和影响因素存在较大差异，因此，使用原位观测的表层土壤水分数据揭示不同生态系统下的土
12、壤水分干化特征及其动态影响因子对于更全面地理解气候系统中陆面水文过程和陆面大气交互具有重要意义。黑河流域是我国第二大内陆河流域，上中下游随着海拔高度的变化呈现出明显的地带性，具有冰川、冻土、森林、草原、绿洲、荒漠等多元自然景观（Liu et al，2018）。目前，在小尺度对土壤水分动态的研究多集中于干旱或半干旱地区（Kurc and Small，2004），缺少不同生态系统的相互对比；对于干化速率的影响因素分析，多集中于土壤质地、干燥度、下垫面等静态环境因素；研究的时间尺度集中于单一季节，缺少季节间变化的分析；此外，遥感观测的数据在高寒地区多缺失。本文将基于黑河流域地表过程综合观测网，研究黑
13、河流域上中下游2016-2020年景观各异的10个站点的表层土壤水分干化特征，探究高寒草甸、荒漠和绿洲等环境中的土壤蒸发及其影响因素，进一步理解动态环境因素下土壤水分进入大气的过程，并分析由指数模型拟合的土壤干化速率等参数的季节特征。2 数据来源与方法介绍 2.1研究区概况与数据来源黑河流域（37.7N-42.7N，97.1E-102.0E）是我国第二大内陆河流域，发源于祁连山中段，流入内蒙古额济纳旗居延海。流域地势南高北低，按海拔高度和自然地理特点分为上游祁连山地、中游河西走廊平原和下游阿拉善高原三个地貌类型区，上游地势高寒，年均温-54，年降水量250500 mm，年蒸发量约700 mm；
14、中游年均温68，年降水量约140 mm，年蒸发能力达1410 mm；下游年降水量低于50 mm，年蒸发能力高达2250 mm，是黑河流域严重缺水区和生态环境脆弱区；上、中、下游土壤理化性质差别较大（高宇等，2013；怀保娟等，2014；王建栋等，2020）。研究涉及的气象站点包括位于黑河上游的阿柔超级站、大沙龙站、景阳岭站、垭口站，黑河中游的大满超级站、花寨子站、黑河遥感站，以及黑河下游的四道桥超级站、混合林站、荒漠站。观测要素有土壤水分、土壤温度、空气温湿度、气压、772董世玉等：黑河流域表层土壤水分干化特征研究3 期降水量、风速、风向、四分量辐射等（Liu et al，2011，2018）
15、。考虑到表层土壤水分对降水等大气状况的响应最为明显，且深层土壤与浅层土壤联系密切，所以仅分析表层土壤水分（4 cm）的干化动态。数据来源于国家青藏高原科学数据中心的祁连山综合观测网：黑河流域地表过程综合观测网（http：/ m土地覆盖分类产品数据集（1985-2019）（V2.0）（杨爱霞等，2020；Zhong et al，2015）。潜在蒸散代表了大气水分需求，本文使用FAO（联合国粮农组织）于 1998年给出的修正 Penman-Monteith方程（Allen et al，1998）进行估算，得到各站点每日潜在蒸散数据。使用归一化植被指数（NDVI）量化各站点的植被覆盖和植被生产力，采
16、用的数据为MODIS的MOD13A1和MYD13A1，空间分辨率为500 m，时间分辨率为16天，在剔除异常值后，使用线性插值得到各站点每日的NDVI数据（Didan and Huete，2015）。土壤质地数据为黑河数字土壤制图产品：土壤质地（粒径组成）空间分布数据集，代表深度为表层深度 020 cm，空间分辨率 1000 m（史文娇等，2016）。本文根据各站点的经纬度提取该产品对应站点的土壤质地，见表1，其中景阳岭站和垭口站数据缺失，根据各站点土壤含砂率的不同，将站点数据分为三类：I类的土壤含砂率为20%30%，包括阿柔、大沙龙、大满和四道桥这四个站，II类为30%50%，包括花寨子和黑河遥感两个站，III类为60%80%，包括混合林和荒漠两个站。2.2研究方法2.2.1干化识别目前主要有两种识别干化的方法：第一种是使用降水数据，通过分析土壤水分时间序列，以两个显著的降水事件之间的间隔进行定义，例如Shellito et al（2016）、Salvia et al（2018）；第二种是直接分析土壤水分时间序列，把干化事件定义为土壤水分不断减少的时期（McColl et al，20