鄭州地區(qū)草地土壤水分時(shí)空變化特征及對(duì)氣候的響應(yīng)分析

彭記永，方文松

（1.河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州450003；2.中國(guó)氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450003）

土壤水分作為陸面過(guò)程研究中的重要參量，與氣候變化有著密切的聯(lián)系，影響著地表能量和水分的再分配過(guò)程[1-2]。土壤水分通過(guò)改變地表向大氣輸送的顯熱、潛熱和長(zhǎng)波輻射通量影響氣候變化，而氣候同樣會(huì)影響土壤含水量的變化，進(jìn)而影響土壤水分的蒸發(fā)和下滲，使地表的各種參數(shù)發(fā)生變化，兩者之間有相互影響的關(guān)系[3]。土壤水分對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究已有一些報(bào)道，李洪建等[4]利用定量觀測(cè)的方法，分析了黃土高原地區(qū)荒地的土壤水分時(shí)空變化特征，方文松等[5]研究了南陽(yáng)市土壤濕度變化規(guī)律與降水、氣溫的關(guān)系，李樹巖等[6]研究了河南省近20 a土壤水分時(shí)空變化特征，張洪芬等[7]分析了麥田土壤水分的變化特征，以及與冬小麥產(chǎn)量間的關(guān)系。大量研究表明，土壤水分與氣候因素（氣溫、降水）密切相關(guān)，土壤水分變化與氣候相互作用、相互影響。深入研究土壤水分及其變化規(guī)律，對(duì)研究地氣循環(huán)，以及氣候變化有重要意義。研究以鄭州為例，利用鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站8 a的土壤水分（0～100 cm）觀測(cè)資料，揭示了土壤水分變化特征以及對(duì)氣候的響應(yīng)關(guān)系，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣候區(qū)劃，以及土壤水分?jǐn)?shù)值模擬提供幫助。

1 材料及方法

觀測(cè)區(qū)緊鄰鄭州國(guó)家氣候觀測(cè)場(chǎng)，觀測(cè)面積為0.9 hm2，地段下墊面覆蓋類型為草地，長(zhǎng)年無(wú)灌溉。研究選取鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站8 a（2005～2012）土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)，共288次。每月3次定時(shí)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間一般為每月的8、18、28日。土壤水分的測(cè)定深度為100 cm，每次4個(gè)重復(fù)，每10 cm一個(gè)層次，共10層，用烘干稱重法（105℃）進(jìn)行測(cè)定。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別計(jì)算出不同深度的土壤重量含水率和相對(duì)濕度。R=100%×w/fc，式中R表示土壤相對(duì)濕度（%），w表示土壤重量含水率（%），fc表示田間持水量（用重量含水率表示）。氣象資料來(lái)源于鄭州市氣象局。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化趨勢(shì)

從圖1中可知，鄭州地區(qū)氣溫最近8 a處于一個(gè)較高的水平，年平均氣溫呈逐漸增高的趨勢(shì)，2007年氣溫為最近50 a最高，達(dá)16.0℃，為最暖年份。降水量年份間差異較大，而且降水量年內(nèi)分布很不均勻。繪制8 a的旬平均降水量和旬平均氣溫變化趨勢(shì)圖（圖2），氣溫呈現(xiàn)以年為周期的變化規(guī)律，1月氣溫降到最低，然后逐漸升高，6～8月氣溫維持在一個(gè)較高的水平，平均在25℃以上，9～12月氣溫逐漸下降。降水量分布不均，2008年7月中旬降水量達(dá)267.0 mm，而2007年9月中旬～2008年3月下旬，降水量?jī)H為60.3 mm。年降水主要集中在7～9月，其余月份相對(duì)較少。

圖1 年平均氣溫、降水量50 a變化特征

圖2 旬平均氣溫平均降水量變化特征

2.2 土壤濕度變化特征

2.2.1 土壤濕度時(shí)間變化規(guī)律 分析土壤水分變化特征發(fā)現(xiàn)，土壤水分呈現(xiàn)以年為周期的變化規(guī)律。圖3顯示：1～4月土壤水分變化較為平緩，相對(duì)濕度維持在60%～90%之間；5～6月土壤水分達(dá)到極小值，土壤表層甚至有干土層出現(xiàn)（相對(duì)濕度＜30%）；7～9月土壤水分含量增加，在降水較多的年份，土壤水分在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)達(dá)到飽和，甚至大于田間持水量（相對(duì)濕度≥100%）；10～12月土壤水分呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)。

圖3 不同層次土壤水分變化特征

由于每年1～4月降水較少，蒸發(fā)量也相對(duì)較小，土壤水分變化比較穩(wěn)定；5～6月降水沒有明顯增加，而氣溫顯著增高，地面蒸發(fā)量較大，表層土壤失墑嚴(yán)重，土壤水分含量急劇減少，容易出現(xiàn)干土層；7～9月是鄭州地區(qū)降水最多的月份，為土壤蓄墑期，土壤水分增大；10～12月降水相對(duì)減少，而氣溫也隨之降低，土壤水分變化較為平緩。

由圖3看出：0～10 cm土壤水分變化較為劇烈，相對(duì)濕度在27%～93%之間。土壤表層地氣交換明顯，越往下層變化幅度越小，90～100 cm變化幅度最小，相對(duì)濕度在64%～92%之間。

2.2.2 垂直變化特征 從圖4中可以看出，土壤水分在垂直方向呈現(xiàn)分階段變化特征，可以分為以下4個(gè)層次。

（1）土壤水分表層（0～10 cm）。該層地氣交換比較明顯，全年不同時(shí)期變化較大。6月容易出現(xiàn)干土層，相對(duì)濕度在20%～40%之間；降水較多的8～9月份，相對(duì)濕度會(huì)達(dá)到80%～100%。

圖4 土壤水分垂直變化特征

（2）土壤水分急變層（10～40 cm）。該層相對(duì)濕度在54%～81%之間，起到承上啟下的作用，在表層較干旱時(shí)，會(huì)補(bǔ)充表層水分；當(dāng)降水較多、表層土壤水分較大時(shí)，土壤水分會(huì)向下滲透，轉(zhuǎn)而影響下層土壤水分。

（3）土壤水分緩變層（40～80 cm）。該層從40 cm土壤水分逐漸增大，到80 cm達(dá)到最大值，相對(duì)濕度在56%～94%之間。

（4）土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層（80～100 cm）。這一層相對(duì)濕度在68%～85%之間，地氣交換較小，降水滲透到此層也較滯后，相對(duì)比較穩(wěn)定。研究表明[8]絕對(duì)的穩(wěn)定層在2 m以上是不存在的，只是變化的幅度較小。深層土壤是淺層和中層水分存儲(chǔ)和供應(yīng)的貯水庫(kù)，具有調(diào)節(jié)自然降水的功能：在失墑期，深層土壤水分不斷向上輸送，以增加上層土壤水分濕度；在增墑期，當(dāng)降水量大于上層土壤水分田間持水量時(shí)，水分不斷下滲，以儲(chǔ)存淺層土壤中過(guò)剩的水分；且在供應(yīng)和存儲(chǔ)的時(shí)間分布上有一個(gè)延遲。

2.3 土壤水分與氣候的相關(guān)分析

綜合分析土壤水分的時(shí)間變化特征和垂直變化特征，發(fā)現(xiàn)土壤水分變化受到土壤物理性質(zhì)、地表覆蓋類型、氣象條件等多種綜合因素的影響，主要可以分為兩個(gè)方面，即水分存儲(chǔ)和水分消耗。前者主要指降水、人工灌溉、地下水補(bǔ)給和水汽凝結(jié)；后者主要指土壤水分蒸發(fā)、植物蒸騰和地表徑流等。觀測(cè)地區(qū)常年地下水位>2 m，地表無(wú)徑流，長(zhǎng)年無(wú)灌溉，影響土壤水分變化的氣象因子主要是降水和氣溫。

利用spss數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)8 a旬平均土壤水分（W）和降水（r）、氣溫（t）進(jìn)行回歸分析，定量分析土壤水分對(duì)降水和氣溫等氣候要素的響應(yīng)關(guān)系（表1）。研究表明，土壤水分與氣候（降水和氣溫）的復(fù)相關(guān)系數(shù)R值（R均通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)）在0～10 cm達(dá)到最大R=0.770，然后逐漸減小，50～60 cm達(dá)到最小，隨后又逐漸增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。二元回歸方程均通過(guò)了F檢驗(yàn)（α=0.01），并且0～10 cm的F值達(dá)到最大（F=24.039）；0～100 cm復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.643（相關(guān)系數(shù)通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)），F(xiàn)值為11.600。

3 結(jié)論與討論

（1）土壤水分呈現(xiàn)以年為周期的變化規(guī)律，不同年份變化趨勢(shì)大致相同，但是受氣候條件影響，稍有差異。每年1～4月、11～12月土壤水分變化較為平緩；5～6月，土壤水分降到最低點(diǎn)，表層甚至出現(xiàn)干土層；7～8月份，土壤水分達(dá)到最大值，并一直保持到9～10月。土壤水分在垂直方向上呈現(xiàn)4個(gè)層次的變化規(guī)律，在降水正常年份，垂直變化趨勢(shì)較為一致。

表1 土壤水分變化量與降水量和氣溫的回歸分析

（2）鄭州地區(qū)土壤水分變化與氣溫和降水的變化有著密切的關(guān)系，氣候是影響土壤水分變化的主要因素，0～10 cm土壤水分對(duì)氣候的響應(yīng)最為靈敏。

（3）土壤水分受到前期土壤水分含量、氣溫、降水量、草地蒸發(fā)、地溫、風(fēng)速等多種因素的影響，并且降水是一個(gè)不連續(xù)的量，氣溫的變化也有很大的波動(dòng)。因此，降水量和氣溫對(duì)土壤水分的貢獻(xiàn)量大小有待于進(jìn)一步研究。

[1]姜麗霞，李 帥，紀(jì)仰慧，等.1980-2005年松嫩平原土壤濕度對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（1）：91-97.

[2]梁 蕓，張 峰，王小巍，等.黃土高原塬區(qū)麥田土壤水分變化特征及其對(duì)降水的響應(yīng)[J].土壤通報(bào).2012，43（1）：20-24.

[3]馬柱國(guó)，魏和林，符淙斌.土壤濕度與氣候變化關(guān)系的研究進(jìn)展與展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展.1999，14（3）：299-305.

[4]李洪建，王孟本，柴寶峰.黃土高原土壤水分變化的時(shí)空特征分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14（4）：515-519.

[5]方文松，陳懷亮，李樹巖，等.南陽(yáng)市土壤濕度與氣候變化的關(guān)系分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2007，30（4）：13-16.

[6]李樹巖，陳懷亮，方文松，等.河南省近20年土壤濕度的時(shí)空變化特征分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究.2007，25（6）：10-15.

[7]張紅芬，王勁松，黃斌.西峰黃土高原麥田土壤水分的垂直分布[J].土壤通報(bào)，2006，37（6）：1082-1085.

[8]“華北平原作物水分脅迫與干旱研究”課題組.作物水分脅迫與干旱研究[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1991.135-154.