干旱半干旱区土壤水分对降水的脉动响应：以荒漠草原达茂旗为例

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-02-0260

干旱气象 ›› 2023, Vol. 41 ›› Issue (2): 260-267.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-02-0260

干旱半干旱区土壤水分对降水的脉动响应：以荒漠草原达茂旗为例

张存厚¹(), 崔崴², 越昆¹, 赵杏花³(), 吴英杰², 森迪¹

1.内蒙古自治区气象局生态与农业气象中心，内蒙古呼和浩特 010051
2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010020
3.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019

收稿日期:2022-06-01 修回日期:2022-11-22 出版日期:2023-04-30 发布日期:2023-05-09
通讯作者: 赵杏花（1981—），女，满族，呼和浩特市人，博士，教授，主要从事草地植物资源保护与利用方面的教学与科研。E-mail: zhaoxinghua2007@126.com。
作者简介:张存厚（1977—），男，汉族，呼和浩特市人，博士，正高级工程师，主要从事灾害监测评估与草地生态领域的研究。E-mail: zhangcunhou2004@163.com。
基金资助:
内蒙古自治区科技计划项目(2021GG0020);内蒙古自治区科技计划项目(2022YFHH0100);及鄂尔多斯市科技计划项目(2022YY018)

Fluctuating response of soil moisture to precipitation in arid and semi-arid areas: a case study of Damao County in desert steppe

ZHANG Cunhou¹(), CUI Wei², YUE Kun¹, ZHAO Xinghua³(), WU Yingjie², SEN Di¹

1. Centre of Ecology and Agricultural Meteorology， Inner Mongolia Meteorological Service， Hohhot 010051， China
2. Institute of Water Resources for Pastoral Area， Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China， Hohhot 010020， China
3. College of Desertification Control Science and Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010019， China

Received:2022-06-01 Revised:2022-11-22 Online:2023-04-30 Published:2023-05-09

摘要/Abstract

摘要：

大气降水是内蒙古干旱半干旱区荒漠草原土壤水分的主要补给来源，也是不同时空尺度上各种生物过程的重要驱动因子。土壤水分对降水响应过程的研究，对于调控地表覆被、科学恢复植被及促进大气降水向土壤水的有效转化具有重要价值。基于荒漠草原站点2012—2020年日降水量与2016—2020年4月下旬至10月下旬逐时降水量及0~50 cm各层土壤水分观测数据，研究降水分布格局及土壤水分对独立降水事件的响应过程。结果表明，研究区小于5.0 mm的降水事件占主导，属于典型的干旱半干旱区降水脉动事件，0~10 cm、>10~20 cm、>20~30 cm、>30~40 cm和>40~50 cm各层土壤水分响应的降水量阈值分别为3.2、9.2、14.3、16.7和25.3 mm。小雨级别独立降水事件能引起0~10 cm土壤水分响应的概率为36.0%，中雨级别独立降水事件能引起0~10 cm、>10~20 cm、>20~30 cm各层土壤水分响应的概率分别为100%、39.5%和7.0%，大雨及以上级别的独立降水事件可以引起0~50 cm各层土壤水分响应，随着土壤深度增加，土壤水分响应强度与概率呈递减态势。降水量、有效降水强度分别与0~40 cm各层土壤水分滞后时间存在显著的负相关关系，降水量与各层土壤水分增量存在极显著正相关关系。降水量与0~20 cm各层土壤水分增量符合多项式函数关系，与>20~50 cm各层土壤水分增量符合线性函数关系。

关键词: 土壤水分, 降水事件, 降水阈值, 滞后效应, 相关分析, 荒漠草原

Abstract:

Atmospheric precipitation is the main source of soil moisture in the desert grassland in arid and semi-arid areas of Inner Mongolia and an important driving factor of various biological processes at different spatial and temporal scales. The study on the response process of soil moisture to precipitation has important theoretical value for regulating land cover, restoring vegetation scientifically and promoting the effective conversion of atmospheric precipitation to soil water. Based on daily precipitation during 2012-2020, hourly precipitation and soil moisture observation data of 0-50 cm layers from late April to late October during 2016-2020 at an automatical meteorological station in the desert grassland, the precipitation distribution pattern and the response process of soil moisture to independent precipitation events were analyzed. The results show that the precipitation events less than 5.0 mm were dominant, which belonged to typical precipitation pulsation event in arid and semi-arid areas. The precipitation thresholds of soil moisture response for 0-10 cm, >10-20 cm, >20-30 cm, >30-40 cm and >40-50 cm layer were 3.2, 9.2, 14.3, 16.7 and 25.3 mm, respectively. The probability of 0-10 cm soil moisture response caused by independent precipitation event of light rain was 36.0%, and the probability of moderate rain causing soil moisture response in 0-10 cm, >10-20 cm, >20-30 cm layer were 100%, 39.5% and 7.0%, respectively, while heavy rain and above could cause soil moisture response in all layers of 0-50 cm. With the increase of soil depth, the probability and degree of soil moisture response to precipitation in each layer showed a decreasing trend. Correlation analysis showed that there was a significant negative correlation between precipitation (or effective precipitation intensity) and soil moisture lag time in each layer of 0-40 cm, and there was an extremely significant positive correlation between precipitation and soil moisture increment in each layer. The relationship between precipitation and soil moisture increment of 0-20 cm layers was polynomial function, and that between precipitation and soil moisture increment of >20-50 cm layers was linear function.

Key words: soil moisture, precipitation event, precipitation threshold, lag effect, correlation analysis, desert steppe

中图分类号:

S152.7

张存厚, 崔崴, 越昆, 赵杏花, 吴英杰, 森迪. 干旱半干旱区土壤水分对降水的脉动响应：以荒漠草原达茂旗为例[J]. 干旱气象, 2023, 41(2): 260-267.

ZHANG Cunhou, CUI Wei, YUE Kun, ZHAO Xinghua, WU Yingjie, SEN Di. Fluctuating response of soil moisture to precipitation in arid and semi-arid areas: a case study of Damao County in desert steppe[J]. Journal of Arid Meteorology, 2023, 41(2): 260-267.

图/表 7

图1 2012—2020年研究区各量级降水分布

Fig.1 Distribution of precipitation with different levels in study area during 2012-2020

图2 2016—2020年4月下旬至10月下旬研究区0~50 cm各层土壤相对湿度对小时降水量的响应

Fig.2 Response of soil relative humidity in each layer of 0-50 cm to hourly precipitation in the study area from late April to late October during 2016-2020

表1 不同级别独立降水事件引起0~50 cm各层土壤水分响应的概率单位：%

Tab.1 Probability of soil moisture response in each layer of 0-50 cm caused by independent precipitation events with different levels

降水级别	土壤深度/cm					样本量 /个数
降水级别	0~10	>10~20	>20~30	>30~40	>40~50	样本量 /个数
小雨	36.0					15
中雨	100.0	39.5	7.0			43
大雨	100.0	100.0	76.5	52.9	47.1	17
暴雨	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	5
大暴雨	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	1

表2 不同深度土壤水分达到最大值的滞后时间与降水及其他因子的相关分析

Tab.2 Correlation analysis between retardation time of soil moisture reaching maximum value and precipitation and other factors at different depths

相关因子	不同深度土壤水分达到最大值滞后时间
相关因子	0~10 cm	>10~20 cm	>20~30 cm	>30~40 cm	>40~50 cm
降水量	-0.131	-0.366**	-0.503**	-0.596**	-0.561*
有效降水强度	-0.441**	-0.597**	-0.427**	-0.527**	-0.351
0~10 cm层土壤水分初始值	-0.237*	-0.418**	-0.451**	-0.434*	-0.391
>10~20 cm层土壤水分初始值		-0.307*	-0.461**	-0.458*	-0.469*
>20~30 cm层土壤水分初始值			-0.429*	-0.428*	-0.448**
>30~40 cm层土壤水分初始值				-0.428**	-0.446
>40~50 cm层土壤水分初始值					-0.505*

图3 有效降水强度与不同深度土壤水分达到最大值滞后时间的关系

Fig.3 The relationship between the effective precipitation intensity and the retardation time of soil moisture reaching maximum value at different depths

表3 研究区独立降水事件降水量与不同深度土壤相对湿度增量的关系

Tab.3 Relationship between precipitation of independent rainfall event and soil relative humidity increment at different depths in the study area

土壤层	构建模型	多项式决定系数（R²）	Pearson 相关系数（r）	样本量
0~10 cm	y =-0.036x² + 3.432 5x + 8.901 6	0.561 6	0.704^**	61
>10~20 cm	y = -0.0238x² + 2.530 5x-9.600 9	0.506 4	0.681^**	50
>20~30 cm	y = 1.010 4x-6.339 9	0.628 9	0.794^**	32
>30~40 cm	y = 1.919 9x-16.315	0.789 3	0.888^**	17
>40~50 cm	y = 2.071 3x-24.565	0.781 8	0.884^**	18

图4 研究区独立降水事件降水量与0~50 cm各层土壤相对湿度增量的关系

Fig.4 The relationship between precipitation of independent rainfall event and soil relative humidity increment in each layer of 0-50 cm in the study area

参考文献 23

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干旱半干旱区土壤水分对降水的脉动响应：以荒漠草原达茂旗为例

Fluctuating response of soil moisture to precipitation in arid and semi-arid areas: a case study of Damao County in desert steppe

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