三江平原土壤濕度變化及其對(duì)氣象條件的響應(yīng)

王 芳,張 宇,梁 靜

(1.佳木斯市氣象局,黑龍江 佳木斯 154004;2.成都信息工程大學(xué),成都 610000)

土壤濕度作為地表水文過(guò)程的一個(gè)綜合指標(biāo)，積累了地表水文過(guò)程的大量信息，是氣候系統(tǒng)中關(guān)鍵變量之一。土壤水分對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、土壤生產(chǎn)力起著十分重要的作用，也會(huì)通過(guò)與植被、大氣之間的傳輸改變能量收支平衡，影響氣候和生態(tài)系統(tǒng)的分布[1-2]。土壤濕度作為對(duì)氣候較敏感的因子，與氣候變化相互作用、相互影響，土壤濕度能通過(guò)熱量傳輸改變氣候，氣候變化又在長(zhǎng)期時(shí)間內(nèi)反饋影響土壤濕度的變化[3-5]。因此，分析土壤濕度的時(shí)空變化特征，認(rèn)識(shí)土壤水分變化規(guī)律，對(duì)土壤水分資源的合理利用及應(yīng)對(duì)氣候變化顯得尤為重要。

對(duì)土壤濕度與氣候變化之間關(guān)系和規(guī)律的研究得到眾多學(xué)者的關(guān)注和研究。馬柱國(guó)等[3]研究表明，40°N以北的地區(qū)深層土壤變濕，而淺層則變干；李琛等[6]研究指出，東北地區(qū)表層的土壤濕度有下降的趨勢(shì)，而深層以下則有上升的趨勢(shì)。郭維棟等[7]認(rèn)為東北地區(qū)到20世紀(jì)90年代以后土壤濕度仍比較低；左志燕等[8]指出整個(gè)中國(guó)東部地區(qū)的春季土壤在不同程度上有干旱化的現(xiàn)象。在土壤濕度與相關(guān)氣候因子關(guān)系方面，張秀芝等[9]、姜麗霞等[10]、韓俊杰等[11]指出，土壤濕度和降水之間呈正相關(guān)，而與氣溫之間則呈負(fù)相關(guān)；邱揚(yáng)等[12]研究指出，土壤水分的時(shí)空變異由多重尺度的土地利用、氣象、土壤、地形、人類(lèi)活動(dòng)等多種因子共同作用的結(jié)果，但單就某一地區(qū)而言，存在主控因子和重點(diǎn)尺度。

三江平原(43°49′—48°27′N(xiāo)，129°11′—135°05′E)位于黑龍江省東北部，西起小興安嶺，東至烏蘇里江，北起黑龍江，南抵興凱湖[13],總面積約10.89萬(wàn)km2，占全省總面積的23.9%。三江平原由23個(gè)縣(市)組成,是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地和糧食戰(zhàn)略后備基地[14]。然而，三江平原由于水資源豐富，土壤濕度過(guò)高，春、夏漬澇等農(nóng)業(yè)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了一定的影響。在全球氣候變暖背景下，黑龍江省氣候變暖尤為劇烈[15]，三江平原土壤濕度也相應(yīng)發(fā)生了變化。因此，有必要從氣象角度進(jìn)一步研究近年來(lái)三江平原土壤濕度時(shí)空變化特征和規(guī)律，為農(nóng)業(yè)(尤其旱作農(nóng)業(yè))生產(chǎn)及決策提供氣候數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

資料為1982—2017年黑龍江省三江平原23個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站的土壤濕度觀測(cè)資料(地中0—50 cm)，觀測(cè)資料為每旬逢8；氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)為同期23個(gè)國(guó)家氣象站的日常觀測(cè)數(shù)據(jù)。采用Microsoft Excel 2007 工具繪制曲線圖，ArcGIS工具繪制空間圖，DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)及M-K突變檢驗(yàn)分析等。黑龍江省土壤濕度旱澇參照指標(biāo)值為[10]：土壤相對(duì)濕度≤70%，土壤為偏干；在70%～90%，土壤濕度為正常；>90%，土壤為偏濕。

2 結(jié)果與分析

2.1 三江平原土壤濕度的年際變化特征

由圖1可以看出，近37 a來(lái)三江平原地中0—50 cm土壤相對(duì)濕度呈階段性變化，變化趨勢(shì)存有較好的一致性，但各層土壤相對(duì)濕度存在差異，呈現(xiàn)中間層(30—40 cm)土壤相對(duì)濕度最大，上下層遞減的趨勢(shì)。1982—1996年階段10—50 cm土壤相對(duì)濕度在90%左右，相對(duì)較高，處于偏濕狀態(tài)；1997—2013年階段土壤相對(duì)濕度基本處于70%～90%，相對(duì)較低，處于正常狀態(tài)；2014年后20—40 cm土壤相對(duì)濕度增高，處于偏濕狀態(tài)，與該時(shí)期降水量偏多有關(guān)。而0—10 cm土壤相對(duì)濕度時(shí)間變化趨勢(shì)與10—50 cm變化趨勢(shì)基本相同，但其濕度處于正常范圍內(nèi)，這是土壤表層水分散失較快之故。

圖1 三江平原0-50 cm土壤相對(duì)濕度年際變化

2.2 土壤濕度趨勢(shì)檢驗(yàn)及突變分析

采用M-K突變檢驗(yàn)法分別對(duì)三江平原地中(0—50 cm)的土壤相對(duì)濕度進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)(圖2)和突變分析(圖3)。可見(jiàn)看出：三江平原地中0—30 cm，40—50 cm土壤相對(duì)濕度總體呈降低趨勢(shì)。0—30 cm土壤相對(duì)濕度減少趨勢(shì)極顯著(UF超過(guò)信度線范圍，甚至超過(guò)0.001顯著性水平(U=±2.56))。40—50 cm土層的土壤相對(duì)濕度UF曲線1997年后呈減小的趨勢(shì)，并且UF值出現(xiàn)超過(guò)α=0.05的信度線(Uα=±1.96)，表明地中40—50 cm的土壤相對(duì)濕度減少的趨勢(shì)顯著。UF曲線和UB曲線交點(diǎn)在1997年，交點(diǎn)位置在信度線之間，地中40—50 cm的土壤相對(duì)濕度突變年為1997年。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，40—50 cm土壤相對(duì)濕度呈顯著線性變化，線性?xún)A向率為-1.96%/10 a，通過(guò)了p<0.05的顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；其他深度土壤相對(duì)濕度線性變化不顯著，呈非線性變化。

圖2 M-K法計(jì)算的土壤相對(duì)濕度的U(qk)分布曲線

圖3 三江平原0-50 cm土壤相對(duì)濕度M-K突變檢驗(yàn)曲線

2.3 三江平原土壤濕度空間分布特征

為研究三江平原土壤相對(duì)濕度的空間差異，因而分析了三江平原1982—2017年各層土壤平均相對(duì)濕度的空間分布由圖4可見(jiàn)，從總體上看，北部地區(qū)土壤相對(duì)濕度高于南部地區(qū)、東部略高于西部，土壤相對(duì)濕度由北到南、由東到西遞減。其中，三江平原北部和東北部20—50 cm土壤相對(duì)濕度處于偏濕狀態(tài)，除南部局部區(qū)域外，其他區(qū)域土壤相對(duì)濕度處于正常狀態(tài)；0—10 cm土壤相對(duì)濕度處于正常狀態(tài)。比較各土層土壤相對(duì)濕度空間分布，亦呈現(xiàn)30—40 cm土壤相對(duì)濕度最大，上下層遞減的趨勢(shì)。

圖4 三江平原0-50 cm土壤相對(duì)濕度空間分布

在土壤干濕狀況的具體地理位置上，三江平原東部的同江、撫遠(yuǎn)平均土壤相對(duì)濕度高于90%，屬濕潤(rùn)區(qū)；中部的寶清、勃利平均土壤相對(duì)濕度接近90%，屬較濕潤(rùn)區(qū)；南部的雞西、雞東、穆棱土壤濕度相對(duì)偏干；其他區(qū)域土壤相對(duì)濕度處于正常狀態(tài)。

2.4 土壤濕度對(duì)氣溫、降水等的響應(yīng)

由于土壤濕度受土壤類(lèi)型、土地利用、氣候、人類(lèi)活動(dòng)干擾等多種因素的影響，土壤濕度變化過(guò)程較為復(fù)雜，本文僅考慮氣溫、降水等氣候因素對(duì)土壤濕度的影響。三江平原1982—2016年土壤相對(duì)濕度、平均氣溫和降水量的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表1。由表1可知，1982—2016年三江平原4—9月生長(zhǎng)季平均氣溫與0—30 cm土層土壤相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)；4—9月生長(zhǎng)季降水量與0—20 cm，40—50 cm土層土壤相對(duì)濕度分別呈顯著和極顯著正相關(guān)。說(shuō)明三江平原4—9月生長(zhǎng)季氣溫、降水量的協(xié)同作用影響0—20 cm土層土壤相對(duì)濕度，這是因0—20 cm土層土壤常年耕作，土壤孔隙良好，降水入滲和氣溫蒸發(fā)與蒸散較快之故；20—30 cm和40—50 cm土壤相對(duì)濕度分別受氣溫和降水作用的影響；而地中30—40 cm土壤相對(duì)濕度受氣溫和降水作用的影響不大。

表1 地中土壤相對(duì)濕度與平均氣溫、降水量相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

分析表明，近36年來(lái)三江平原地中0—30 cm，40—50 cm土壤相對(duì)濕度呈顯著降低趨勢(shì)，30—40 cm土壤相對(duì)濕度無(wú)顯著變化。0—30 cm土壤相對(duì)濕度下降的趨勢(shì)與馬柱國(guó)[3]、李琛[6]等觀點(diǎn)一致，但30—40 cm土層、40—50 cm土壤相對(duì)濕度變化情況與馬柱國(guó)[3]、李琛[6]等觀點(diǎn)存在差異，馬柱國(guó)等[3]指出40°N以北的地區(qū)深層土壤變濕，李琛等[6]認(rèn)為東北地區(qū)深層土壤濕度有上升的趨勢(shì)，分析結(jié)果差異的原因可能與土壤、地形、尺度等有關(guān)。

張秀芝[9]、姜麗霞[10]、韓俊杰[11]等研究指出，土壤濕度和降水之間呈正相關(guān)，而與氣溫之間則呈負(fù)相關(guān)，與本文分析結(jié)果基本一致，但本文進(jìn)一步分析了氣溫、降水量對(duì)各層土壤相對(duì)濕度影響差異。本文分析認(rèn)為，三江平原0—20 cm土壤相對(duì)濕度主要受4—9月生長(zhǎng)季氣溫、降水量的協(xié)同作用影響，20—30 cm和40—50 cm土壤相對(duì)濕度分別受4—9月生長(zhǎng)季的氣溫和降水作用的影響；而30—40 cm土壤相對(duì)濕度受氣溫和降水作用的影響不大。

3.2 結(jié) 論

(1) 近36年來(lái)三江平原地中0—30 cm，40—50 cm土壤相對(duì)濕度呈顯著降低趨勢(shì)，并呈階段性變化，突變年在1997年；30—40 cm土壤相對(duì)濕度無(wú)顯著變化；各層土壤相對(duì)濕度垂直方向呈現(xiàn)中間層(30—40 cm )土壤相對(duì)濕度最大，上下層遞減的趨勢(shì)。1982—1996年、1997—2013年、2014年后各層土壤相對(duì)濕度分別處于相對(duì)較高(偏濕)、較低(正常)、較高(偏濕)階段。40—50 cm土壤相對(duì)濕度呈顯著線性變化，線性?xún)A向率為-1.96%/10 a，其他各層土壤相對(duì)濕度呈非線性變化。

(2) 三江平原土壤相對(duì)濕度的空間分布存在差異，土壤相對(duì)濕度由北到南、由東到西遞減趨勢(shì)。其中，三江平原北部和東北部20—50 cm土層土壤相對(duì)濕度處于偏濕狀態(tài)，除南部局部區(qū)域外，其他區(qū)域土壤相對(duì)濕度處于正常狀態(tài)；0—10 cm土層土壤相對(duì)濕度處于正常狀態(tài)。

(3) 三江平原氣溫、降水量對(duì)各層土壤相對(duì)濕度影響程度不同。0—20 cm土壤相對(duì)濕度主要受4—9月生長(zhǎng)季氣溫、降水量的協(xié)同作用影響，20—30 cm和40—50 cm土壤相對(duì)濕度分別受4—9月生長(zhǎng)季的氣溫和降水作用的影響；而30—40 cm土壤相對(duì)濕度受氣溫和降水作用的影響不大。