施晨晓， 陈珍莉, 刘霄燕， 王小洁

(1.海南省气象信息中心, 海南 海口 570203； 2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室, 海南 海口 570203)

土壤水分是土壤物理学研究中的一个重要分支，是水循环中的重要组成部分[1]。土壤中的水分变化大大地增加了陆气相互作用的复杂性，其不仅可以改变土壤表面的反照率，也可以改变土壤的热容量，同时对于地表植被的生长也起到一定的积极作用，这一系列的变化引起地表能量收支的变化[2]。土壤水分又与植被的蒸散、地表的蒸发运动相关联，较湿润的土壤有利于大气中含水量的增加，以及大气稳定度的降低，从而有利于降水的发生[3]。这一系列的正负反馈作用直接或间接影响当地气候的改变。因此，分析土壤水分变化规律及其与气候的关系具有重要意义。目前，关于土壤水分与气候因子关系的研究很多，一是利用实测数据资料探讨土壤水分与气候变化的关系[4-7]，二是利用遥感或卫星反演的数据研究土壤水分与气候变化的关系[8-10]，三是通过陆面模式或陆气耦合模式对两者进行讨论[11-13]。祁栋灵等[14]通过对低割龄橡胶林土壤水分的连续定位观测，对海南西部地区的低割龄橡胶林土壤水分的季节变化动态进行了分析和研究。张斌等[15]通过对海南儋州桉树林和椰林两种采样地进行连续定点采样收集，分析探讨了春季桉树林土壤水分的时空变化特征及其与椰林土壤水分的差异。刘国银等[16]通过研究2个芒果品种的叶片含水量与土壤水分的关系发现，芒果品种不同，生长期不同，其对土壤水分的反馈也不同。关于海南不同植被覆盖类型的土壤水分的研究还有很多[17-20]，其共性都是关于海南岛土壤水分的，研究区域基本在海南岛西部，且研究内容主要侧重于农作物或经济作物与土壤水分间的关系，并以此探讨农作物或经济作物是否适合当地种植，是否能够为当地带来更好的经济效益。王刚等[21]利用统计学的方法，仅对2005—2011年海口琼山站的气象资料和自然坡地的土壤湿度资料进行分析发现，自然坡地10～50 cm土层土壤湿度年变化呈正趋势，月变化呈波形变化，且随着土层深度的增加，土壤湿度的变化越小，各层次间的变化差异越显著。自然坡地的土壤湿度与地温呈负相关，与降水量呈负相关。关于海南岛土壤水分变化规律及其与气候因子间关系的研究较少。因此，笔者等利用2013—2017年观测的18个农业气象观测站的土壤体积含水量数据和1977—2017年的气象数据，分析海南岛0～50 cm土层的土壤体积含水量时空变化规律及其与主要气候因子的关系，以期为农业生产指导和气候评价提供依据。

1 资料来源与方法

1.1 研究区概况

海南岛位于中国南端，隔着琼州海峡，与雷州半岛相望，属热带季风气候，光照条件良好，雨热同期，对热带农业生产十分有利；但台风、暴雨、高温及干旱等气象灾害也十分突出。全岛地形特征是中间高四周平。受地形的影响，岛上的河流呈辐射状走向。海南岛拥有全国热带土地面积的42.5%，全岛的土壤质地分为粘壤土(28%)、细砂土(11%)、粘土(28%)、粉壤土(11%)、粉砂土(11%)和砂粘土(11%)。其中，粘土和粘壤土主要分布在海南岛北半部，粘土分布在海口市、文昌市、保亭县、万宁市和澄迈县；粘壤土分布在临高县、儋州市、屯昌县、五指山市和定安县；细砂土分布在沿海地区的三亚市和东方市；砂粘土分布在陵水县和乐东县，粉砂土分布在琼中县和琼海市，粉壤土分布在西部的白沙县和昌江县(封三图Ⅰ)。

1.2 资料来源

1.2.1 土壤水分数据 由于海南部分台站历史人工观测数据不完整，因此研究仅采用自动观测仪器自动观测，即2013—2017年的土壤水分数据，来自东方站、乐东站、南滨站、昌江站、五指山站、保亭站、陵水站、白沙站、琼中站、万宁站、儋州站、屯昌站、琼海站、临高站、澄迈站、定安站、琼山站和文昌站18个农业气象观测站(图1)。采用华云DZN3自动土壤水分观测仪采集数据。该观测仪利用频域反射法(FDR)测得土壤体积含水量。其工作原理是利用电信号频率与土壤电介质的关系和土壤电介质与土壤水分之间的关系，通过测量放置在土壤中的2个电极之间的电容形成的振荡回路所产生的信号频率的大小来测量出土壤水分[22]。土壤水分数据时间每1 h传输1次，每次传输5个不同深度，分别为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土层。

为了保证数据的可用性，需先将土壤水分数据进行质控处理，剔除偏离常年平均水平的异常值。其中，海口和三亚的土壤水分数据分别用琼山站和南滨站进行讨论。

图1 海南岛自动土壤水分观测站点分布

Fig.1 Distribution of automatic soil moisture observation stations in Hainan Island

1.2.2 气象资料 气象数据来源于与海南岛18个自动土壤水分观测站点相对应的数据，包含1977—2017年共41 a逐月、年的气温和降水量观测资料。

1.3 方法

1.3.1 气温及降水量的特征分析 通过建立一元回归方程分别对41 a气温(y1)和降水量(y2)与时间(x)之间的关系进行讨论。

y1=a1x1+b1x1=1,2,…,n

y2=a2x2+b2x2=1,2,…,n

(1)

式中，b1,b2为常数，a1和a2为气候倾向率，分别表示气温和降水量的变化速率，其值大小反映了上升或下降的速率。a1和a2>0，表示y1,y2随时间x呈上升趋势；反之，a1和a2<0，表示y1,y2随时间x呈下降趋势[23]。

1.3.2 土壤体积含水量与气温、降水量的相关系数 利用皮尔逊(Pearson)相关系数对土壤体积含水量与气温、降水量间的相关系数进行讨论。Pearson相关系数是表示2个随机变量线性相关的统计量，也可以作为两个总体相关系数ρ的估计，一般用r表示。

假设任意2个变量x1,x2,…,xn与y1,y2,…,yn，即土壤体积含水量(x)与气温(y)、降水量(y)间的相关关系，其样本的时间尺度为n，Pearson相关系数计算公式：

(2)

可用标准差的形式，即2个变量的标准差与协方差的比值[24]表示：

(3)

式中，分母SxSy表示土壤体积含水量与气温、降水量间的标准差，分子cov(x,y)表示土壤体积含水量与气温、降水量间的协方差。

相关系数r在-1≤r≤1。当r>0时，说明2个变量之间呈正相关，越接近1表示正相关越显著；反之，当r<0时，说明2个变量之间呈负相关，越接近-1表示负相关越显著。当r=0时，则2个变量之间相互独立[25]。

2 结果与分析

2.1 气温分布特征

海南岛41 a平均气温空间分布呈中间低四周高的环状分布，中部是气温的低值区，西部、南部至东南部沿海地区是气温的高值区。其中，三亚站的年均气温为25.4℃，全省最高，其次是陵水站，年均气温25.3℃，第三是东方站。最低气温出现在琼中站，年均气温为23.2℃，其次是五指山站(封三图Ⅱ)。这是由于海南岛的中部主要为山区，原始森林植被覆盖较多，导致中部山区的气温较其他区域偏低。同时也阻止了南北气流的交换和东西水汽的流通，使得山区的南部地区气温高于山北地区，山区的西部地区气温高于山东地区[26]。时间上，海南岛41 a的年均气温呈波动上升趋势，且以0.02℃/a的速度升温(图2)。从图2可知，海南岛全年各月平均气温较高，基本在18℃以上，最高月平均气温出现在6月，为28.3℃，最低月平均气温出现在1月，仅18.7℃。其中，东方站在5～10月的月均气温为海南岛最高，而三亚站的月均最高气温基本出现在秋冬季，这是由于下半年，海南岛受冷空气影响，冷空气受到中部山区的阻挡，未能达到最南边。

2.2 降水量分布特征

海南岛41 a平均降水空间分布以中部山区为中心，四周降水量依次减少，西部的降水量为全岛最少，尤其是东方站，其年均降水量仅为83.1 mm。东部地区受台风及季风影响，降水量仅次于中部地区(封三图Ⅲ)。从地形来看，东部地区属于迎风坡，而西部地区属于背风坡[26]。由此看出，降水基本集中在中东部地区。时间上，海南岛41 a的年均降水呈波动上升趋势，以0.61 mm/a的速度上升(图3)。从图3还可知，海南岛全年均有降水发生，在汛期期间降水频繁，且降水量较大，5～10月的平均降水量超过200 mm，而东方站在汛期期间的降水较其他地区少。

图2 海南岛41 a年均气温和月均气温分布

图3 海南岛41 a年均降水量和月均降水分布

Fig.3 Annual average precipitation and monthly average precipitation distribution for 41a in Hainan Island

综上所述，结合王春乙等[27]气候划分的方法，将海南岛大致分为中部湿润区，东、北及南部半湿润区以及西部半干旱区进行讨论。其中，中部湿润区主要包括琼中站、五指山站、白沙站和屯昌站；西部半干旱区包括昌江站和东方站，其余站为半湿润区。

2.3 海南岛不同土层土壤体积含水量的变化

2.3.1 时间变化 从图4可知，不同土层土壤体积含水量变化趋势基本一致，但各层间变化幅度存在一定差异。其中，10～20 cm土层的变化波动幅度较大，变幅为22.2%～29.9%；其次是0～10 cm土层，变幅为18.6%～26.2%；40～50 cm土层的波动幅度较为平缓，变幅为25.6%～30.6%。这是由于随着土壤深度的加深，受到外界环境及气候条件的影响相对较小。3月后，不同土层的土壤体积含水量随时间推移呈上升趋势，至9月后，呈下降趋势。全年在3月土壤体积含水量最低，除30～40 cm土层在10月后呈下降趋势外，其他层次土壤体积含水量在9月后呈下降趋势。这可能是因为前期降水量较大，造成降水在30～40 cm的积累，而降水下渗需要一定的时间，且不同的土壤类型对于下渗的快慢都有一定的影响。此外，30～40 cm土层的土壤体积含水量较40～50 cm土层高，尤其是在汛期降水量偏大期间，这可能与土壤中水分活动及土壤质地有关。

图4 海南岛2013—2017年不同土层月平均土壤体积含水量

Fig.4 Monthly average soil volumetric water content of each soil layer in Hainan Island from 2013 to 2017

2.3.2 空间变化 海南岛北部、东部及中部山区的土壤含水量基本在20.0%以上，西部和南部则偏少，尤其是东方站不同土层的含水量均在10.0%以下，是全岛最为干旱的地方。0～10 cm的土壤体积含水量以西北部的临高站、澄迈站及海口市北部部分地区为含水量大值区，其变化在32.5%～36.2%，并依次向南递减。东南部则以保亭站为较大值区，其变化在28.9%～32.5%，并依次向西、向东北递减。而中东部的屯昌站至琼海站一带的表层(0～10 cm)含水量在14.2%～17.8%，属于中东部含水量的较低值区。东方站位于海南岛的西部，其含水量的变化在3.1%～6.8%，表明表层土壤中的水分含量少，相较于其他市县，其表层较为干旱。以东方站为含水量低值区为中心，依次向中部山区缓慢增大(封三图Ⅳ)。

10～20 cm土层的含水量变化相较于表层(0～10 cm)含水量有所增大(封三图Ⅳ)，海口市大部及与文昌市相邻地区、文昌市北部沿海地区的含水量在36.7%～40.7%，较0～10 cm土层的大值区有所偏东。东南部含水量的大值区范围也有所扩大，从保亭站至陵水站至万宁站一带的含水量基本在30%以上。屯昌站至琼海站一带的低值区范围较0～10 cm土层有所缩小，而海南岛西部的低值区范围有所扩大，东方站的含水量仍在10.0%以下，其次是昌江站与南滨站，其含水量均在12.7%～16.6%。

海南岛大部分地区20～30 cm土层的含水量在20.0%以上，大值区位于琼山站和文昌站北部以及万宁站，基本在40.0%～44.6%。海南岛西部和南部仍是全岛含水量偏低的地区。此外，琼海站的含水量有所增大，靠近沿海、文昌站、万宁站及琼中站地区的含水量变化在26.2%～30.8%。屯昌站大部分地区的含水量都在20.0%以上，但在屯昌站所在县城周边地区，其含水量仍在20.0%以下(封三图Ⅳ)。

30～40 cm土层的土壤体积含水量较20～30 cm土层增大，从该层起以下的土壤中的水分含量基本很少出现剧烈波动的情况，基本稳定维持在某一范围内，并且受到外界的水热影响较小，能够保持一定的水分含量。土壤含水量大于27.0%的地区占全岛总面积的50%以上。东方站仍为全岛的低值区，仅在4.2%～8.8%变化，而南滨站30～40 cm土层的含水量最低(封三图Ⅳ)，这可能是由于该层的土壤质地造成。南滨站30～40 cm土层的土壤质地为粉砂土，该土质对于水分的储存有一定的影响。

40～50 cm土层土壤体积含水量的空间分布与30～40 cm土层基本一致，无太大变化。但在海南岛东北部无大值区，大值区仅位于万宁站沿海地区。屯昌站始终是中部的低值区，东方站为全岛的低值区，含水量较30～40 cm土层有所减少(封三图Ⅳ)。

综上所述，0～20 cm土层为耕作层，土壤中水分的交换较为频繁，受外界水热因子影响较大，但空间分布基本呈现以西北-东南为分界线，分界线以东的地区土壤含水量偏大(屯昌站除外)；分界线以西的地区土壤含水量偏小。结合气温和降水量，海南岛的西部和南部，从琼海站沿海地区往南一带的气温普遍偏高，即使降水量较大，但由于受当地土壤质地影响，导致南滨站、琼海站0～20 cm土层的土壤体积含水量偏低，而保亭站和陵水站土壤始终较为湿润。随着土壤深度的加深，万宁站是耕地层以下土壤体积含水量的大值区，这与当地的土壤质地是粘土有关，粘土可以保持一定的水分，且万宁站常受到台风暴雨的影响，土壤涵养水分的能力较强。东方站属于全岛干旱的区域，其气温虽不是全岛最高，但降水量是全岛最少，蒸发是全岛最大，且深层土壤质地是砂土，土壤涵养水分能力较差，导致东方站相较其他地区干旱。

2.4 不同土层土壤体积含水量与气温和降水的关系

2.4.1 不同土层土壤体积含水量随气温和降水的变化

1) 湿润区。以中部山区琼中站为例。 从图5可知， 1—3月的月均气温逐渐上升，但气温不高，不同土层的土壤体积含水量下降趋势明显，尤其是0～10 cm土层较其他层次变化剧烈。3—6月，随着月均气温的逐渐上升，各层的体积含水量也随着上升。6月后，气温虽呈下降趋势，但各层土壤体积含水量仍呈上升趋势。至12月，月均气温从20℃以上降至20℃以下，除了0～10 cm土层外，其余土层的土壤体积含水量也呈下降的趋势。1—3月的降水量偏少，不同土层的土壤体积含水量呈下降趋势。3月后降水量逐渐增多，不同土层的土壤体积含水量开始逐渐上升。虽然3—4月降水量增多，但除

图5 海南岛琼中站、南滨站和东方站不同土层土壤体积含水量与气温及降水量的关系

Fig.5 Relationship of soil volumetric water content in different soil layers with temperature and precipitation in Qiongzhong, Nanbin and Dongfang stations

0～10 cm土层与10～20 cm土层的土壤体积含水量有上升外，其余土层的土壤体积含水量仍略有下降，说明表层已受到降水的影响，但由于降水强度较低，降水未能下渗至20 cm土层以下。此时，降水量是0～20 cm土层土壤含水量变化的重要原因。6月和8月的降水量较前一个月有所减少，对应当月的各层土壤体积含水量也略有下降。即使6月在30 cm以上土层的土壤体积含水量略有小幅度的上升，但是30 cm以下土层的土壤体积含水量均呈小幅度下降趋势，这是由于30 cm以上土层的土壤水分活动较30 cm以下土层的活跃，土壤对降水量的反馈是正反馈，且降水强度低，气温偏高，蒸发作用也导致降水还未下渗至深层时就被蒸散。因此相较5月，6月深层的土壤含水量略有降低。由此可知，6月气温偏高是深层土壤含水量减少的重要原因，8月降水量减少是各层土壤体积含水量减少的重要原因。9—10月降水量增加，除40～50 cm土层的土壤体积含水量下降0.1%外，其余各层的土壤体积含水量均有上升，但其土壤体积含水量的最大值均未出现在10月，而是11月，且11月的降水量减少，说明土壤对降水量的反馈有一定的滞后性。

2) 半湿润区。以南部南滨站为例。 从图5可知，1—3月气温逐渐上升，但各层土壤体积含水量呈下降趋势。3月后，气温进一步上升，各层土壤体积含水量虽呈上升趋势，但变化不大。至7月，气温较6月有所降低。在7月，不同土层的土壤体积含水量有所增加，尤其是10～20 cm土层，增加8.5%，9月情况类似。虽然8月气温略有上升，但降水量较7月减少234.40 mm，水分偏少，导致各层土壤体积含水量均有降低， 其中10～20 cm土层的土壤体积含水量降幅最高，为4.0%； 40～50 cm土层的土壤体积含水量降幅最低，为0.7%。9月后，随着气温的降低，降水量的减少，不同土层的土壤体积含水量也随之减少。

3) 半干旱区。以西部东方站为例。从图5可知，东方站的各层土壤体积含水量偏小，均在6.0%以下。1—5月随着气温的升高，不同土层土壤体积含水量随之上升。1—5月降水量偏少，与邻近县昌江站相比，雨季要晚1个月。此时，不同土层土壤体积含水量在一定范围内小幅度波动，偶有上升也是强降水的影响。至6月，降水量迅速增加，气温上升，不同土层土壤体积含水量反而减少。7月降水量增加，达到全年最大值，气温下降，土壤体积含水量增加。8月气温略有上升，降水量有所减少，但降水量在200 mm以上，土壤体积含水量仍呈下降趋势。至9月后，气温明显下降，但气温仍在20℃以上，降水量明显减少，除9—10月不同土层土壤体积含水量增加外，10月后不同土层土壤体积含水量呈下降趋势。

2.4.2 不同土层土壤体积含水量与气温和降水的滞后相关分析

1)湿润区。从表1可知，土壤体积含水量与各月气温、降水量间相关系数互有正负。其中，5—6月的气温与4—10月的土壤体积含水量均呈负相关，但相关性不显著。8月的气温与当月的土壤体积含水量的相关系数为-0.923，呈显著负相关。5月和9月的降水量与4—10月的土壤体积含水量基本呈正相关，分别与10月和6月的土壤体积含水量呈负相关， 5月降水量与6月的土壤体积含水量显著正相关， 7月的降水量与6月和7月的土壤体积含水量的相关系数分别为0.915和-0.908，相关性显著。8月降水量与当月的土壤体积含水量相关系数为0.900，呈显著正相关。

表1 海南岛土壤体积含水量与各月气温、降水时滞的相关系数

注：表中*通过0.05显著性检验(P<0.05)，**通过0.01显著性检验(P<0.01)。

Note: * and ** indicate 5% and 1% significant levels respectively.

2) 半湿润区。土壤体积含水量与各月气温、降水量间相关系数互有正负(表1)。其中，4月气温与8月土壤体积含水量的相关系数为0.962，呈极显著正相关。5月、6月、8月和10月气温与各月的土壤体积含水量均呈负相关。5月和6月气温与当月土壤体积含水量的相关系数分别为-0.926、-0.945，呈显著负相关。8月气温与当月和9月的土壤体积含水量的相关系数分别为-0.909和-0.996，呈显著负相关。说明，该站气温与土壤体积含水量基本呈负相关，即随着气温的升高，当月及之后月份的土壤体积含水量也随之逐渐减小。5月和7月的降水量与各月的土壤体积含水量均呈正相关，其中5月降水量与6月的土壤体积含水量的相关系数为0.981，呈极显著正相关。

3) 半干旱区。与琼中站、南滨站相比，东方站的土壤体积含水量与气候之间的相关系数偏小，两者间的相关系数虽互有正负，但相关性总体较弱。气温方面，除8月气温与土壤体积含水量多数呈正相关外，其余各月绝大多数为负相关。其中，8月气温与7月土壤体积含水量的相关系数为0.899，呈极显著正相关；10月气温与9月土壤体积含水量的相关系数为-0.956，呈极显著负相关。对应降水量，8月、9月降水量与土壤体积含水量多数呈负相关。其中，9月降水量与4月土壤体积含水量的相关系数为-0.910，呈极显著负相关。由此可见，8—10月的土壤体积含水量受气温的影响较降水量大。

3 结论与讨论

海南岛气温空间分布特征以中部山区为中心，四周气温升高，海南岛的西部、南部至东南沿海地区气温为全岛最高。而降水量基本集中在海南岛中东部地区。海南岛近41 a的平均气温与降水量均呈波动上升趋势。从月尺度上看，海南岛最高月平均气温出现在6月，最低月平均气温出现在1月，汛期5—10月的平均降水量超过200 mm。

不同土层土壤体积含水量变化趋势基本一致，但各层间变化幅度存在一定的差异性。其中，10～20 cm土层的变化波动幅度较大，其次是0～10 cm土层，40～50 cm土层的波动幅度较为平缓。这是由于随着土壤深度的加深，受到外界环境及气候条件的影响相对较小。除30～40 cm土层在10月出现最大值，其余不同土层土壤体积含水量在9月出现最大值，这可能是因为前期降水量较大，造成降水在30～40 cm土层的积累，而降水下渗需要一定的时间，且不同的土壤类型对于下渗的快慢都有一定的影响。此外，30～40 cm土层的土壤体积含水量较40～50 cm土层大，尤其是在汛期降水量偏大期间，这可能与土壤中水分活动及土壤质地有关。

0～20 cm土层土壤中水分的交换较为频繁，受外界水热因子影响较大，空间分布基本呈现出以西北-东南为分界线，分界线以东的地区土壤含水量偏大(屯昌除外)；分界线以西的地区土壤含水量偏小的特征。结合气温和降水量，海南岛的西部和南部，从琼海沿海地区往南一带的气温普遍偏高，即使降水量较大，但由于受当地土壤质地影响，导致南滨站、琼海站0～20 cm土层的土壤体积含水量偏低，而保亭站、陵水站土壤始终较为湿润。随着土壤深度的加深，万宁站是耕地层以下土壤体积含水量的大值区，这与当地的土壤质地是粘土有关，粘土可以保持一定的水分，且万宁站常受到台风暴雨的影响，土壤涵养水分的能力较强。东方站属于全岛干旱的区域，其气温虽不是全岛最高，但降水量是全岛最少，蒸发是全岛最大，且深层土壤质地是砂土，土壤涵养水分能力较差，导致东方站相较其他地区干旱。

将海南岛大致分为湿润区、半湿润区以及半干旱区进行讨论发现，土壤体积含水量与气候因子之间存在彼此响应。在湿润区与半湿润区，当某月气温较前后月有明显的偏高，降水量较前后月有明显减少时，土壤体积含水量受气温的影响较降水量明显。反之，当某月降水量有明显的增大，而此时气温已不占主导影响因子时，土壤体积含水量受降水量的影响较气温大。而在半干旱区主要影响因素是气温，但降水也有不可忽视的作用。

该研究收集的土壤水分资料的时间序列较短，资料数量较少，使得土壤水分的规律变化仅限于月尺度、空间分布及垂直变化上，而年与季的变化并未进行讨论。随着观测时间的增加，资料时间序列越长，在后续的研究工作中也会着手此项工作。此外，海南省18个土壤水分自动观测站设在不同地形、地貌中，各站的土壤物理水分常数也不尽相同，因此各站间的土壤体积含水量也未考虑详尽，在后续的研究工作中，会将此问题进行考虑分析，并以此为依据对全省土壤水分进行区域划分分类。