吉林省春季土壤濕度與氣候因子關(guān)系

郭 巧 王冬妮 李忠輝 晏曉英

（吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林長春 130062）

1 引言

土壤濕度是表征土壤干濕程度的重要指標(biāo)，其時空變異是國內(nèi)外研究的熱點[1-3]。大量研究表明，土壤濕度時空變異是由多重尺度上的土地利用、氣象、地形、土壤質(zhì)地、人為活動等因子綜合作用的結(jié)果。就某一具體地區(qū)而言，存在重點尺度和主控因子。氣候因子（尤其是降水）具有空間差異大、時間變化頻率高等特點，是影響土壤濕度變異最為重要的因子。觀測研究是分析土壤濕度及其變化的最直接準(zhǔn)確的手段[4]。王杰等[5]研究了吉林省春季土壤水分的空間分布，指出田間持水量和降水量是影響吉林省土壤含水率分布的主要因素。姜麗霞等[6]研究表明，氣溫和降水量是影響松嫩平原作物生長季表層土壤濕度變化的主要氣候因素。韓俊杰等[7]研究表明，土壤濕度空間分布與氣溫、降水量空間分布分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)。馬曉剛[8]基于秋季降水量制作春播關(guān)鍵期土壤墑情預(yù)測。馬柱國等[9]研究表明，20世紀(jì)80年代中國東部區(qū)域土壤濕度與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水量呈正相關(guān)關(guān)系。前人研究得到比較一致的結(jié)論是氣溫、降水量是影響土壤濕度的主要氣候因子，但主控因子、影響程度等仍存在區(qū)域差異。就吉林省而言，氣溫、降水對春季土壤濕度影響程度、影響時效等問題仍是空白。本文以吉林省春季候尺度土壤濕度資料為基礎(chǔ)，在季節(jié)尺度上揭示春季土壤濕度與氣溫、降水量2個氣候因子的關(guān)系，在候尺度上揭示氣溫、降水量2個氣象因子的影響時效問題，對科學(xué)認(rèn)識氣候因子對土壤濕度的影響、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐均具有重要意義。

2 資料和方法

2.1 研究區(qū)概況

吉林省位于我國東北地區(qū)中部，有耕地553.78萬hm2，占全省土地總面積的29.6%。全省地勢由東南向西北傾斜，呈現(xiàn)明顯的東南高、西北低的特征，以中部大黑山為界，分東部山地和中西部平原兩大地貌區(qū)，中西部平原區(qū)是我國重要的商品糧基地之一。吉林省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光、熱、水季節(jié)、區(qū)域差異較大。全省年均氣溫為2.8～7.6℃；年均日照時數(shù)為2 133～2 904h；年均降水量為371～918mm，其中80%降水集中在夏季，以東部降水量最多。西部是吉林省較為干旱的地區(qū)，歷史上就有“十年九旱”“八百里旱?！敝Q，尤以春旱最為嚴(yán)重，頻率可達(dá)60%～70%。

2.2 資料與預(yù)處理

本研究整理了全省45個土壤墑情觀測站點2003—2018年春季候（2013年及以前年份逢3日、8日觀測，2014年開始逢5日、10日觀測）土壤含水量及對應(yīng)田間持水量數(shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)來自各觀測站。由于土壤含水量受其質(zhì)地影響，不適合站點、區(qū)域之間橫向比較。因此按式（1）將其換算為土壤相對濕度。土壤相對濕度達(dá)到田間持水量（fc）后記為99。將土壤相對濕度侯值處理為年值。

式中，R為土壤相對濕度，單位為%；W為土壤重量含水量（g/g）；fc為土壤田間持水量（g/g）。

根據(jù)吉林省氣候、土壤、植被等方面的地理差異，將土壤濕度觀測站分為西部、中部、東部3個區(qū)域，具體分區(qū)情況見圖1。

圖1 吉林省土壤濕度觀測站分布

考慮前一年秋冬季氣候因子對第二年春季土壤濕度的影響。因此，選取2002—2018年45個土壤濕度觀測站逐日平均氣溫、降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于吉林省氣象信息中心。

2.3 研究方法

2.3.1 空間分區(qū)

應(yīng)用克里金空間插值方法，對4個層次土壤相對濕度進(jìn)行空間插值，生成柵格數(shù)據(jù)。參照北方春玉米干旱等級[1]和吉林省干旱業(yè)務(wù)服務(wù)指標(biāo)，定義土壤相對濕度干旱等級為重旱：R≤40%；中旱：40%＜R≤50%；輕旱：50%＜R≤60%；適宜：60%＜R≤90%；過濕：R＞90%。據(jù)此，對上述柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類，生成不同層次土壤相對濕度空間分布。

2.3.2 時滯相關(guān)分析

土壤濕度與氣候因子之間存在滯后性，因此采用時滯相關(guān)分析法[10-11]。即，不同時滯下土壤濕度與氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)。具體方法如下式：

式中，n為序列的樣本數(shù)；k為滯后時間（k=0，±1，±2，……），根據(jù)經(jīng)驗其數(shù)值≤n/4。

3 結(jié)果與分析

3.1 春季土壤相對濕度時空分布

圖2為不同層次2003—2018年平均土壤相對濕度分布?？梢姡质⊥寥老鄬穸瓤傮w上呈西低東高分布趨勢，各層次分布趨勢基本一致；但隨著深度增加，中旱、輕旱范圍逐漸縮小或消失，過濕的范圍逐漸擴(kuò)大。高值區(qū)在東南部白山、通化一帶，由此地向西北、東北兩個方向逐漸下降，最低值出現(xiàn)在西部偏南區(qū)域。從10cm、15cm、20cm、30cm各層次看，西部依次為60%、63%、66%、66%；中部依次為81%、84%、85%、87%；東部依次為86%、88%、89%、89%?？梢?，在3個區(qū)域均為10cm＜15cm＜20cm＜30cm。西部濕度值在40%～70%，尤其偏南的白城、洮南、通榆、長嶺、乾安等地，表層10cm濕度值在40%～60%，是吉林省春旱最嚴(yán)重的地區(qū)。中部為過渡地帶，濕度值多在70%～85%。東部濕度值多在80%以上，尤其東南部白山、通化北部濕度值在90%以上，該區(qū)域春季經(jīng)常出現(xiàn)土壤偏濕現(xiàn)象。

圖2 2003—2018年吉林省春季10cm（a）、15cm（b）、20cm（c）、30cm（d）土壤相對濕度分布（單位：%）

圖3為2003—2018年吉林省春季不同層次土壤相對濕度年際變化曲線。由圖可見，同一區(qū)域不同層次濕度波動趨勢有一致性，但無明顯周期，也無明顯趨勢變化。這與文獻(xiàn)[5]中指出的同區(qū)域內(nèi)2個土層越近，土壤含水量的相關(guān)性越好是一致的；與文獻(xiàn)[6]中松嫩平原生長季濕度變化具有相似性也是一致的。本研究的16a中，西部2003年、2006—2009年、2018年為輕旱年份，其余為適宜年份；中部2013年、2014年為過濕年份，其余均為適宜年份；東部2010年、2013年為過濕年份，其余均為適宜年份。可見，2010年為轉(zhuǎn)折期，土壤由之前的適宜、輕旱向適宜、偏濕狀態(tài)發(fā)展。這個結(jié)果與文獻(xiàn)[4]中近幾年中國區(qū)域土壤濕度有變濕趨勢以及遼寧省春季土壤濕度平穩(wěn)—偏干—偏濕的變化趨勢是一致的。

圖3 2003—2018年吉林省各區(qū)域春季10cm（a）、15cm（b）、20cm（c）、30cm（d）平均土壤相對濕度年際變化

3.2 春季土壤濕度與季節(jié)降水、氣溫關(guān)系

3.2.1 土壤濕度與季節(jié)降水關(guān)系

由表1可見，各季節(jié)降水與土壤濕度呈呈正相關(guān)關(guān)系，前一年冬季降水與各區(qū)所有層土壤濕度相關(guān)顯著（P＜0.05）；除西部10cm外，前一年秋季降水與各區(qū)其他層土壤濕度相關(guān)顯著，與當(dāng)年春季降水相關(guān)不顯著（P＜0.05）。這說明，在吉林省區(qū)域內(nèi)，春季土壤濕度高低主要受前一年秋、冬季節(jié)降水多少影響，當(dāng)年春季降水僅對西部10cm表層土壤有顯著影響。按季節(jié)看，中、西部為前一年冬季降水＞前一年秋季降水＞當(dāng)年春季降水；東部則是前一年秋季降水＞前一年冬季降水＞當(dāng)年春季降水。不同季節(jié)降水對濕度影響差異與氣候季節(jié)變化、空間差異及土壤自身性質(zhì)有關(guān)。吉林省一般11月土壤開始凍結(jié)，4月開始化凍。秋季降水在土壤中凍結(jié)形成底墑，東部氣溫相對較低，土壤封凍早、水分散失少。另外，東部白漿土土壤黏重，持水能力強(qiáng)[5]。因此，秋季降水在東部影響大。冬季降水以積雪形式較長時間覆蓋在地表，春季尤其是初春東部土壤常出現(xiàn)偏濕或飽和現(xiàn)象，積雪融化易產(chǎn)生徑流，而中西部積雪融化能夠補(bǔ)充到土壤中，所以冬季降水對中西部影響大。春季土壤水分變化進(jìn)入活躍期，土壤收入、支出起伏較大，降水有效性時長變短。按層次看，秋季降水在3個區(qū)均表現(xiàn)為30cm＞20cm＞15cm＞10cm；冬季降水在3個區(qū)表現(xiàn)規(guī)律不一致，但共同特征是15cm土層相關(guān)系數(shù)最大；春季降水在3個區(qū)一致表現(xiàn)為10cm＞15cm＞20cm＞30cm。這說明，對于0—30cm耕層，秋季降水對深層影響大，冬季降水對中間層影響大，春季降水對淺層影響大。這是由于土壤表層受氣候因子影響大，秋季降水形成的底墑更易在深層貯存；而冬季降水少（約占全年總降水量的5%），加之蒸發(fā)作用，滲透深度有限，主要影響中間層；春季降水影響時效短，對淺層影響大于深層。

3.2.2 春季土壤濕度與季節(jié)氣溫關(guān)系

由表1可見，平均氣溫與土壤濕度為負(fù)相關(guān)關(guān)系。在地表能量收支方程中Rn=H＋LE＋G，假定Rn（地表凈輻射）和G（熱通量）均為常數(shù)，而H（感熱通量）隨氣溫的增高而變?。俣ǖ乇頊囟萒s為常數(shù)），這時LE（潛熱通量）必然增大，土壤將失去更多的水分，土壤濕度勢必下降[9]。當(dāng)年春季氣溫與西部10cm、15cm和中、東部0—30cm所有層次相關(guān)顯著（P＜0.05），前一年冬季氣溫與西部0—30cm、中部10cm、15cm相關(guān)顯著（P＜0.05），其他均未通過顯著性檢驗。這說明春季土壤濕度主要受春季氣溫、前一年冬季氣溫影響。按區(qū)域看，前一年冬季氣溫為西部＞中部＞東部，當(dāng)年春季氣溫為西部＜中部＜東部。冬季氣溫高意味著積雪蒸發(fā)量大，春季來自積雪補(bǔ)充的水分就少，冬季氣溫的影響與其西高東低的分布是一致的。春季氣溫影響東高西低，主要是各季節(jié)降水呈東多西少分布，水分充足地區(qū)的蒸發(fā)和蒸散會更強(qiáng)烈，對土壤濕度影響就更大。按層次看，3個區(qū)域一致表現(xiàn)為10cm＞15cm＞20cm＞30cm，各季節(jié)氣溫對土壤淺層影響大于深層。

表1 春季土壤相對濕度與季節(jié)氣溫、降水量相關(guān)系數(shù)

3.3 季內(nèi)土壤濕度與氣溫、降水關(guān)系

3.3.1 土壤濕度季內(nèi)分布

由于土壤濕度從表層到深層有很好的一致性，不同層土壤濕度仍能反映氣候尺度上土壤濕度的分布和變化情況[16-17]。因此，以10cm為例繪制了2003—2018年土壤相對濕度季內(nèi)變化（圖4）。由圖可見，西部濕度呈平穩(wěn)—下降—上升—下降變化，2個峰值分別為3月第4候和5月第3候，2個谷值分別為4月第4候和5月第6候。前期土壤濕度穩(wěn)定少變；進(jìn)入4月，隨著氣溫攀升，水分損失大于補(bǔ)充，期間土壤濕度不斷下降。4月第5候開始緩慢上升，5月第3候達(dá)到峰值，而后再次下降。中部土壤濕度變化與西部類似，不再贅述。東部土壤濕度總體上呈直線下降趨勢，在4月第5候—5月第2候波動較大?？v觀3個區(qū)域，可以看出，3月第4候的第一次土壤采樣的土壤濕度是整個春季最高的，經(jīng)過平穩(wěn)或緩慢下降后，4月開始相對穩(wěn)定狀態(tài)被打破，開始波動變化。這與吉林省氣候特點有關(guān)，4月初吉林省各地氣溫接近5℃，土壤化凍深度20cm左右。氣溫回升、土壤解凍是打破土壤濕度穩(wěn)定狀態(tài)的主要原因。

圖4 吉林省春季土壤相對濕度季內(nèi)變化

3.3.2 氣溫、降水對土壤濕度影響時效

通過上述分析可知，4月開始土壤濕度呈波動變化，氣候因子影響的有效時長變短。利用時滯相關(guān)分析法，在候尺度上，計算4—5月候土壤濕度與前4候平均氣溫、降水量的相關(guān)關(guān)系（表2—表4）?？v觀3個區(qū)域，平均氣溫對西部0～20cm、中部0～30cm、東部0～30cm土壤濕度影響的時滯為-4～0候，即前4候內(nèi)平均氣溫對上述土壤濕度有顯著影響。降水量對西部0～30cm、中部0～30cm土壤濕度影響的時滯為-2～0候，對東部0～30cm土壤濕度影響的時滯為-1～0候，即在西部和中部，前2候內(nèi)降水對土壤濕度有顯著影響；在東部，前1候降水對土壤濕度有顯著影響?？梢?，氣溫對各區(qū)域土壤濕度的影響持續(xù)時間長，可能還要長于本研究所采用的時滯；降水影響時效為1～2候。從表2—表4中還可看出，西部、中部降水量與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)大于氣溫，東部氣溫與土壤濕度的相關(guān)系數(shù)大于降水量，說明在西部、中部地區(qū)，春季土壤濕度受降水影響大于氣溫，在東部地區(qū)，則是氣溫的影響大于降水。另外，時滯越小相關(guān)系數(shù)越大，也就是說距土壤濕度測定越近的氣候要素對土壤濕度影響也就越大。土壤深度越深相關(guān)系數(shù)減小，即氣候要素對土壤濕度影響由表層向深層逐漸減弱。

表2 西部土壤濕度與氣溫、降水時滯相關(guān)系數(shù)

表3 中部土壤濕度與氣溫、降水時滯相關(guān)系數(shù)

表4 東部土壤濕度與氣溫、降水時滯相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)語

（1）吉林省春季土壤濕度總體上呈西低東高分布趨勢，低值區(qū)在西部偏南區(qū)域，是吉林省春旱最嚴(yán)重的地區(qū)；高值區(qū)在東南部白山、通化一帶，該區(qū)域春季常出現(xiàn)土壤偏濕現(xiàn)象。2003—2018年，輕旱年基本發(fā)生在2010年以前，2010年是土壤由適宜、輕旱向適宜、偏濕狀態(tài)發(fā)展的轉(zhuǎn)折期，這與吉林省2010年以來春旱明顯減輕，僅2018年出現(xiàn)春旱的實際相符。

（2）季節(jié)尺度上，影響吉林省春季土壤濕度的主要氣候因子是前一年秋冬季降水、前一年冬季氣溫、當(dāng)年春季氣溫。冬季降水對中西部影響最大，秋季降水對東部影響最大，春季降水有效性時長較短。秋季降水對深層影響大，冬季降水對中間層影響大，春季降水對淺層影響大。前一年冬季氣溫對土壤濕度影響西部＞中部＞東部，當(dāng)年春季氣溫對土壤濕度的影響西部＜中部＜東部。各季節(jié)氣溫對土壤淺層影響大于深層。

（3）候尺度上，影響吉林省春季土壤濕度波動的氣候因子時效區(qū)域差異不大，氣溫對各區(qū)域土壤濕度的影響時效為4候（甚至更長），降水影響時效為1～2候。另外，時滯小的氣候要素對土壤濕度影響越大，氣候要素對土壤濕度影響由表層向深層逐漸減弱。

（4）季節(jié)尺度、候尺度氣候因子對土壤濕度的影響存在區(qū)域、層次、時效等多種特征，認(rèn)識氣候因子影響土壤濕度的地域規(guī)律，對開展不同時效的土壤濕度預(yù)測、改進(jìn)地氣耦合模式、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐均具有重要意義。