夏玉米生長(zhǎng)季耕作層地溫變化特征分析*

朱保美，周 清，陳成國(guó)，楊玉霞，楊以健

(1.山東省齊河縣氣象局，德州 251100；2.山東省德州市氣象局，德州 253078)

0 引言

近年來(lái)，在全球氣候變暖的大背景下，光能、熱能和水分等農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生了明顯的變化，對(duì)農(nóng)業(yè)會(huì)造成一定的影響[1]。地溫是衡量地表土壤熱能的物理量，是太陽(yáng)輻射、土壤熱量平衡和土壤熱學(xué)性質(zhì)共同作業(yè)的結(jié)果，不同生物氣候帶、不同季節(jié)變化和土壤不同組成、性質(zhì)及利用狀態(tài)均不同程度的影響土壤熱量的收支平衡，進(jìn)而影響土壤溫度的變化[2-3]。土壤溫度是土壤環(huán)境的重要要素，土壤溫度與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)，不僅影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境，還影響其生命活動(dòng)，包括種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、根系活動(dòng)和產(chǎn)量形成等[4]。國(guó)內(nèi)不少科技工作者對(duì)地溫的變化規(guī)律做了大量研究，如陳鵬獅[5]、周斌[6]等研究了遼寧省地溫變化規(guī)律及與氣溫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地溫與氣溫關(guān)系密切，并對(duì)播種期地溫進(jìn)行了預(yù)報(bào)；李煥[7]等對(duì)新疆阿勒泰地區(qū)近50年的暖季淺層地溫變化特征進(jìn)行了分析，表明該地區(qū)暖季淺層地溫呈上升趨勢(shì)，5～20cm土層的溫度與同期氣溫和地表溫度呈顯著相關(guān)關(guān)系；李帥[8]等對(duì)黑龍江春季淺層地溫變化特征進(jìn)行了研究，得出春季氣溫、淺層地溫波動(dòng)較大的結(jié)論。蔡鵬[9]等對(duì)山東濟(jì)寧市淺層地溫與氣溫變化的特征進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)年均地溫與氣溫呈極顯著正相關(guān)，氣溫極值的變化與地表溫度極值的變化相關(guān)性極為顯著。竇坤[10]等對(duì)山東菏澤0cm地溫變化特征及成因進(jìn)行分析，得出近53年來(lái)菏澤年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢(shì)。近年來(lái)，魯西北地區(qū)學(xué)者楊玉霞[11]、代玉田[12]、陳成國(guó)[13]等對(duì)該地區(qū)淺深層地溫變化特征進(jìn)行了探討，得出德州地區(qū)各層地溫均有增溫趨勢(shì)，氣溫升高和降水減少是地溫升溫的主要原因，研究成效明顯，但研究對(duì)象僅為德州當(dāng)?shù)?，沒(méi)有對(duì)德州10個(gè)縣市的地溫進(jìn)行整體分析，且所取數(shù)據(jù)僅局限于德州本站，研究資料單一，總體上說(shuō)，對(duì)地溫的研究還很不充分，特別是針對(duì)夏玉米生長(zhǎng)季期間地溫的變化尚未進(jìn)行有效的分析研究。夏玉米80%左右的根系大多分布在0～20cm土層中[14],土壤溫度的高低對(duì)作物的影響比氣溫更加直觀[15]。因此，文章著重對(duì)該地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季耕作層的地溫進(jìn)行研究，深入了解該時(shí)段地溫的變化規(guī)律，為農(nóng)民合理種植夏玉米，為相關(guān)部門提早部署指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)，為糧食生產(chǎn)安全提供有利保障。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

選取2007—2016年山東德州地區(qū)10個(gè)縣、市、區(qū)，1967—2016年德州市德城區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季(6—9月)耕作層5、10、15、20cm平均地溫，及同期150cm高度處的月平均氣溫資料。6—9月為該地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季。

1.2 方法

利用一元線性方程來(lái)計(jì)算地溫的年際變化趨勢(shì)及大小，并對(duì)趨勢(shì)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[16]。

y=ax+b

(1)

式(1)中，a為回歸系數(shù)、b為回歸常數(shù)，y為平均地溫，x為時(shí)間年份。a來(lái)表示各層平均地溫的趨勢(shì)變化，a×10表示不同層次平均地溫的氣候傾向率。

氣候突變是氣象要素變化過(guò)程中存在的某種不連續(xù)現(xiàn)象，通過(guò)計(jì)算累積距平，并常用累積距平曲線[16]來(lái)確定。通過(guò)公式(2)計(jì)算累積距平，數(shù)值絕對(duì)值最大時(shí)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間判斷為突變年份。

(2)

通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)折年份的信噪比，以檢驗(yàn)是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn)，即：

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米生長(zhǎng)季耕作層地溫的年際變化趨勢(shì)

2.1.1 夏玉米生長(zhǎng)季耕作層平均地溫

近10年德州地區(qū)各縣市夏玉米生長(zhǎng)季耕作層平均地溫絕大多數(shù)呈上升趨勢(shì)(表1)，各層上升幅度最大值均出現(xiàn)在齊河，為2.33～2.80℃/10年(P<0.01)，德州20cm土層升溫極顯著(P<0.01)，德州5cm、德州15cm、武城10cm、武城20cm、樂(lè)陵10cm、樂(lè)陵20cm、寧津10cm、慶云15cm、慶云20cm土層升溫明顯(P<0.05)，陵縣、平原、禹城3個(gè)縣市各土層升溫趨勢(shì)不明顯，臨邑、夏津各土層均呈不明顯下降趨勢(shì)。另外，寧津5cm平均地溫呈不明顯下降趨勢(shì)，其他各層呈不明顯上升趨勢(shì)。

表1 各縣市夏玉米生長(zhǎng)季、各月耕作層平均地溫的氣候傾向率(℃/10年)

2.1.2 夏玉米生長(zhǎng)季耕作層各月平均地溫

5cm土層各月大部分縣市呈升溫趨勢(shì)(表1)，6—9月升幅最大值均出現(xiàn)在齊河，為3.04℃/10年(P<0.01)、3.26℃/10年(P<0.01)、2.58℃/10年(P<0.05)、2.32℃/10年。6月臨邑下降趨勢(shì)顯著，為-1.46℃/10年(P<0.05)。6月、7月各有1站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平，6月、8月各有1站點(diǎn)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；其余各站未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

10cm土層各月大部分縣市仍呈升溫趨勢(shì)，6—9月升幅最大值仍均出現(xiàn)在齊河，為2.53℃/10年(P<0.01)、3.16℃/10年(P<0.01)、2.49℃/10年(P<0.05)、2.19℃/10年，6月臨邑下降趨勢(shì)顯著，為-1.66℃/10年(P<0.05)，慶云升溫顯著，為0.71℃/10年(P<0.05)。6月、7月各有1站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平，6月有2站點(diǎn)、8月有1站點(diǎn)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；其余各站未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

15cm土層各月大部分縣市仍呈升溫趨勢(shì)，6—9月升幅最大值仍均出現(xiàn)在齊河，為2.07℃/10年(P<0.05)、2.94℃/10年(P<0.01)、2.44℃/10年(P<0.05)、2.11℃/10年，6月臨邑下降趨勢(shì)極其顯著，為-1.92℃/10年(P<0.01)，慶云升溫顯著，為0.83℃/10年(P<0.05)。6—7月各有1站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平，6月有2站點(diǎn)、8月有1站點(diǎn)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；其余各站未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

20cm土層各月大部分縣市仍呈升溫趨勢(shì)，6—9月升幅最大值仍均出現(xiàn)在齊河，為2.06℃/10年(P<0.05)、2.86℃/10年(P<0.01)、2.34℃/10年(P<0.05)、2.06℃/10年，6月臨邑下降趨勢(shì)極其顯著，為-2.44℃/10年(P<0.01)，慶云升溫極其顯著，為1.38℃/10年(P<0.01)，7月臨邑、夏津下降趨勢(shì)顯著，分別為-1.79℃/10年(P<0.05)、-1.50℃/10年(P<0.05)。6月有2站點(diǎn)、7月有1站點(diǎn)達(dá)到極顯著水平，7月有2站點(diǎn)、6月和8月各有1站點(diǎn)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；其余各站未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

由此可見(jiàn)，德州地區(qū)各縣市夏玉米生長(zhǎng)季耕作層平均地溫、各月平均地溫大部分呈升溫趨勢(shì)，臨邑、夏津兩縣總體呈下降趨勢(shì)。

2.2 耕作層平均地溫與氣溫的關(guān)系及相關(guān)性分析

由于受土壤理化性質(zhì)等因素的影響，地溫與氣溫有一定的差別[5]。從表2可看到，地溫與氣溫的差值均為正值，說(shuō)明同時(shí)段的地溫比氣溫高，且隨著土壤深度的增加，兩者的差值逐漸減小。各縣市5cm地溫與氣溫的差值范圍為1.1～2.0℃，慶云差值最大，武城差值最?。?0cm地溫與氣溫的差值范圍為1.0～1.7℃，寧津、慶云差值最大，武城差值最小；15cm地溫與氣溫的差值范圍為0.8～1.5℃，寧津差值最大，武城差值最?。?0cm地溫與氣溫的差值范圍為0.6～1.3℃，寧津差值最大，武城、禹城差值最小。綜上所述，各層地氣溫差最大的是慶云、寧津，溫差最小的是武城，這主要是由于該地區(qū)慶云、寧津地理位置相對(duì)偏北，海拔相對(duì)較低，武城地理位置相對(duì)偏南偏西，海拔相對(duì)較高，受地理?xiàng)l件的影響，呈現(xiàn)出一定的地域性。

表2 夏玉米生長(zhǎng)季平均地溫—?dú)鉁夭钪?/p>

將歸一化處理過(guò)的各淺層地溫與同期氣溫做回歸分析(表3)，結(jié)果表明，淺層地溫變化與氣溫的變化存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨著土壤深度的增加，地溫同氣溫的相關(guān)程度有所下降，表明土層越淺，受氣溫的影響越大，隨著土層的加深，受氣溫的影響越小。

表3 德州地區(qū)耕作層地溫與氣溫的回歸分析

2.3 耕作層地溫的氣候突變分析

根據(jù)1967—2016年6—9月德州淺層平均地溫累積距平曲線(圖1)看出，近50年來(lái)，各月平均地溫都出現(xiàn)了一次顯著的波動(dòng)。6—7月平均地溫自20世紀(jì)60年代末至90年代末期呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，21世紀(jì)初至今呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；8月份平均地溫自20世紀(jì)60年代末至70年代末期呈下降趨勢(shì)，80年代初期至21世紀(jì)初呈現(xiàn)變化劇烈、升降幅度不大的波動(dòng)趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代初至今呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；9月份平均地溫自20世紀(jì)60年代末至80年代末呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，90年代初至今呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。

圖1 1967—2016年6—9月德州市耕作層平均地溫累積距平曲線

利用公式(2)和(3)分月計(jì)算氣候突變年份(圖2)，6月份5、10cm平均地溫在2004年發(fā)生了氣候突變，15cm和20cm平均地溫未發(fā)生突變現(xiàn)象；7月份10cm平均地溫在2005年發(fā)生了氣候突變，5、15和20cm未發(fā)生突變現(xiàn)象；8月份5～20cm平均地溫在1981年均發(fā)生了氣候突變。以上各月淺層地溫氣候突變前為相對(duì)偏冷期，突變后為相對(duì)偏暖期。

圖2 1967—2016年6—8月德州市耕作層平均地溫的變化曲線及其突變

3 結(jié)論

(1)近10年德州地區(qū)各縣市夏玉米生長(zhǎng)季耕作層平均地溫、各月平均地溫大部分呈上升趨勢(shì)，臨邑、夏津兩縣各土層均呈下降趨勢(shì)，各層上升幅度最大值均出現(xiàn)在齊河，為2.33～2.80℃/10年(P<0.01)。

(2)同時(shí)段的地溫高于氣溫，地氣溫差均為正值，各縣市地氣溫差范圍5cm為1.1～2.0℃，10cm為1.0～1.7℃，；15cm為0.8～1.5℃，20cm為0.6～1.3℃，各層地氣溫差最大的是慶云、寧津，溫差最小的是武城。淺層地溫與氣溫的變化存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨著土壤深度的增加，相關(guān)程度有所下降，表明土層越淺，受氣溫的影響越大，隨著土層的加深，受氣溫的影響越小。

(3)近50年來(lái)，各月平均地溫都出現(xiàn)了一次顯著的波動(dòng)。6月份5、10cm平均地溫在2004年發(fā)生了氣候突變，7月份10cm平均地溫在2005年發(fā)生了氣候突變，8月份5～20cm平均地溫在1981年均發(fā)生了氣候突變，以上各月淺層地溫氣候突變前為相對(duì)偏冷期，突變后為相對(duì)偏暖期。

(4)耕作層地溫不僅直接影響植物根系和幼苗的生長(zhǎng)，還影響到近地面大氣的溫?zé)釥顩r，同時(shí)它在微觀上對(duì)土壤水分、土壤養(yǎng)分的遷移和轉(zhuǎn)化都有著直接或間接的影響[18]。該地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季期間耕作層地溫的上升(個(gè)別縣市除外)，有利于夏玉米根系生長(zhǎng)和充分吸收深層養(yǎng)分、水分，增加玉米干物質(zhì)積累[19]，有利于夏玉米提高產(chǎn)量，降低生長(zhǎng)季后期其他氣象因素帶來(lái)的不利影響。另外，耕作層地溫升高促進(jìn)了土壤水分蒸發(fā)，加塊了地表水的蒸發(fā)支出，可能會(huì)使夏玉米生長(zhǎng)季面臨干旱或高溫?zé)岷Φ拇螖?shù)增加，建議合理利用肥水、及時(shí)灌溉。耕作層地溫的升高，還可逐步擴(kuò)大中、晚熟夏玉米的播種面積，但各個(gè)縣市區(qū)地溫的變化存在很大的差異，今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究應(yīng)更加注重結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)分析，區(qū)別對(duì)待。