土壤水分对植物生长发育、土壤生产力起着十分重要的作用,进一步也会通过与植被、大气之间的传输改变能量收支平衡,影响气候和生态系统分布[1-2]。土壤湿度作为对气候较敏感的因子,与气候变化相互作用、相互影响,土壤湿度能通过热量传输改变气候,气候变化又在长期时间内反馈影响土壤湿度变化[3-5]。因此,分析土壤湿度的时空变化特征,对掌握土壤水分变化、进行土壤水资源合理利用以应对气候变化显得尤为重要。

目前,中国区域土壤湿度的研究主要集中在土壤湿度本身的规律特点及其应用方面。多数学者利用实际观测土壤水分,针对不同区域尺度,分析了土壤湿度在水平和垂直方向上时空分布特征和周期性变化趋势[6-8],通过规律性分析反映土壤水分的动态变化;同时,分析土壤湿度与气象因子,尤其与温度、降水、相对湿度等[9-10]因子之间的相互关系,用以反映土壤水分对气候变化的响应,并基于影响因子建立区域土壤湿度定量模型[11-13],用来对土壤的旱涝状况进行监测预警,制定针对性的土壤水分管理措施[14-15]。目前这些研究工作中,受研究站点数量限制,从全国尺度分析土壤水分变化动态的研究较少。正是受观测资料欠缺的制约,土壤湿度在大尺度范围的研究工作存在一定局限性,从而使得利用RS和多种模式资料反演土壤湿度成为了近年来土壤湿度研究的一个重要方向[16-19]。同时,通过反演资料的应用,将土壤湿度作为一个重要输入参数和影响因子,在陆面过程模拟[20]、短期天气预报和中长期气候预测[21-22]中起着重要作用,其数据的有效性决定了结果的准确性。尽管通过土壤湿度反演扩宽了研究尺度,能够在一定程度上反映不同区域尺度土壤湿度变化特性,但反演资料本身仍存在一定的不确定性,无法完全替代实际观测结果。

本研究从实际准确性出发,利用全国范围内农业气象观测站的逐旬土壤湿度资料,分析了全国和12个气候区域尺度近30年土壤湿度时空分布规律,并进行了土壤湿度趋势分析及突变检测,以全面而准确地掌握不同区域实际土壤水分动态。

本文所用的土壤水分数据来源于国家气象信息中心,包括全国155个农业气象观测站点（图1）1981-2010年0~100 cm逐层的土壤重量含水率、土壤容重等,其中土壤重量含水率的获取采用烘干称重法,其时间分辨率为每旬一次（逢8日、18日、28日观测）,土壤容重为按年观测。考虑到50~100 cm土壤重量含水率的资料较少,因此土壤深度选取0~10 cm（1991年之前分0~5 cm、5~10 cm两个层次）、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm 5个层次,通过格式检查、界限值检查、垂直一致性检查等质量检查,对数据集进行了核查修正,保证了数据质量良好。由于观测固定地段没有进行灌溉,故土壤湿度不受灌溉的影响,反映农田自然条件下的状况。为了核定155个农业气象观测站的固定地段代表性作物,所选资料还包括农业气象观测站所在地段种植的作物名称和作物品种等。

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图1   中国土壤湿度站点分布及气候分区

Fig. 1   Distribution of soil moisture stations and climatic regions in China

2.2.1 气候分区 由于农业气象观测站点分布区域广,为了细化分析中国区域内土壤水分的变化规律,根据中国气候特点,将中国划分为12个气候区域[23]：东北、内蒙古、华北、黄淮、新疆、西北地区中东部、江淮、江汉、江南、华南、西南和青藏高原地区（图1）。区域气候特点和农业生产结构的差异,可通过区域内农业气象观测站点土壤湿度的分析,反映不同区域土壤湿度的分布及其变化差异。

2.2.2 土壤和作物类型划分 为了考虑区域内站点土壤的可代表性,对各个站点0~50 cm土壤质地类型进行划分。以土壤容重作为划分指标,参考土壤类型分类标准[24],具体将各个层次土壤划分为：黏土（0.8 g∙cm-3 ≤容重