甘肅省1980—2021年淺層地溫變化特征分析

于海躍，劉新雨，張玉香

（甘肅省酒泉市氣象局，甘肅酒泉 735000）

0 引言

地溫是指土壤的溫度。通常在氣象觀測(cè)中把0～20 cm深度的地溫稱(chēng)為淺層地溫，40～320 cm地溫稱(chēng)作深層地溫[1]。地溫是反映土壤熱能狀況的主要指標(biāo)，地溫的分布狀況直接影響到作物種類(lèi)的分布。隨著氣候變暖趨勢(shì)加大，土壤溫度也出現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。地溫的升高會(huì)使作物的生育期加快，高海拔地區(qū)作物的適種范圍擴(kuò)大，也有助于作物產(chǎn)量的提高。但同時(shí)地溫的升高也會(huì)導(dǎo)致土壤水分散失，加劇干旱地區(qū)的旱情。

土壤溫度對(duì)于作物的影響是比較大的，因此需要測(cè)定土壤溫度指導(dǎo)農(nóng)業(yè)種植和農(nóng)業(yè)科研。土壤溫度影響著植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和土壤的形成，在作物生長(zhǎng)的整個(gè)發(fā)育期，地溫的影響是至關(guān)重要的[2]。例如，種子的萌發(fā)需要較好的土壤環(huán)境，只有土壤溫度、水分等條件達(dá)到一定的條件，種子才會(huì)發(fā)芽。一般耐寒的谷類(lèi)作物，種子萌發(fā)的平均地溫為1～5℃，喜溫作物為8～10℃。通過(guò)測(cè)量土壤的溫度就可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的播種，確保播種的效果。另外，作物的根系生長(zhǎng)直接受到土壤溫度等土壤條件的影響，一般當(dāng)土壤溫度在2～4℃時(shí)作物根系開(kāi)始生長(zhǎng)，土壤溫度達(dá)到10℃以上時(shí)，根系生長(zhǎng)比較快，地溫超過(guò)35℃時(shí)根系的生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制。為了確保作物的健康生長(zhǎng)，需要關(guān)注土壤溫度等環(huán)境的變化。土壤溫度還會(huì)對(duì)土壤的腐殖化過(guò)程、礦質(zhì)化過(guò)程以及植物的養(yǎng)分供應(yīng)等產(chǎn)生影響。因此現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要加強(qiáng)對(duì)土壤溫度的監(jiān)測(cè)，及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)，采取有效措施實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的生產(chǎn)目標(biāo)。

許多學(xué)者都對(duì)淺層地溫進(jìn)行了探討[3-11]，但對(duì)甘肅省淺層地溫特征分析比較少。筆者以甘肅省22個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1980—2021年地溫觀測(cè)資料為依據(jù)，通過(guò)氣候診斷方法分析甘肅省淺層地溫的變化特征，以期為優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

資料來(lái)源于甘肅省22個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站，1980—2021年逐日0、5、10、15、20 cm地溫觀測(cè)資料和逐日氣溫資料。

2 研究方法

采用一元線(xiàn)性回歸計(jì)算氣候傾向率，分析氣象要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。利用Morlet 小波變換能量譜和M-K突變檢驗(yàn)分析氣象要素周期和突變特征[12-13]。利用Kriging插值法揭示氣象要素的空間變化。

3 分析與結(jié)果

3.1 淺層地溫空間分布特征

對(duì)甘肅省22 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1980—2021 年逐日0、5、10、15、20 cm 地溫觀測(cè)資料分析顯示，甘肅省0 cm地溫空間分布呈東西高中部低的特點(diǎn)（圖1）。0 cm年平均溫度最高值出現(xiàn)在隴南的武都站，為16.7℃；西部敦煌市次之。中部祁連山邊坡地帶地溫相對(duì)較低，最低值出現(xiàn)在永昌站，為8.7℃?？梢钥闯龅販胤植继卣魇桥c地域和海拔高度密切相關(guān)的。5～20 cm地溫的分布特征與0 cm 地溫基本一致，都存在西部和東部2個(gè)高值區(qū)，中間海拔較高的地區(qū)溫度相對(duì)較低。

圖1 甘肅省1980—2021年淺層平均溫度分布

3.2 淺層地溫年平均溫度變化特征

3.2.1 淺層地溫年平均溫度變化趨勢(shì)選取甘肅西部的酒泉站和甘肅東部的天水站為例分析淺層地溫年平均溫度變化特征。從1980—2021 年地面0 cm 年平均溫度曲線(xiàn)（圖2）可以看出，地面0 cm溫度為逐年上升的趨勢(shì)。酒泉站氣候傾向率為0.53，1980—2021 年地溫升幅達(dá)到2.2℃。1984、1993、2010、2011年為異常偏低的年份，這與年平均氣溫的變化一致。天水站地面0 cm溫度的年變化特征與酒泉站基本一致，氣候傾向率為0.44，42年地溫升幅達(dá)到1.7℃。1984、1989、2021年為異常偏低的年份。地溫的逐年上升趨勢(shì)，使甘肅省作物種植結(jié)構(gòu)有了明顯的變化，例如在20世紀(jì)90年代酒泉市棉花種植區(qū)僅分布在敦煌、瓜州和金塔3個(gè)縣市，到了21世紀(jì)20年代，肅州區(qū)和玉門(mén)市也可以大面積種植。其他層次的變化與0 cm一致，均為逐年上升的趨勢(shì)。

圖2 酒泉站和天水站0 cm年平均溫度變化

3.2.2 淺層地溫的垂直變化特征以酒泉站為例，對(duì)0～20 cm 溫度垂直變化進(jìn)行分析（圖3），0～20 cm 溫度變化特征基本一致，20 世紀(jì)80—90 年代溫度偏低，進(jìn)入21世紀(jì)20年代溫度有顯著升高。隨著土壤的深度增大，溫度的變幅變小，0 cm溫度變幅最大，最高年份和最低年份的差值為3.4℃，20 cm溫度變幅最小，最高年份和最低年份的差值為2.6℃。這與韓璐等[14]在柴達(dá)木盆地土壤溫濕度變化特征及相關(guān)關(guān)系研究的結(jié)論一致。

圖3 酒泉站淺層地溫年平均變化

從各月5～20 cm 地溫與0 cm 地溫的差值曲線(xiàn)圖（圖4）可以看到，1—2月和9—12月，各層地溫分布特征是隨著土壤深度增加，地溫呈遞增的趨勢(shì)。3—8月正好相反，隨著土壤深度增加，地溫為遞減的特征。12月5～10 cm 各層地溫與0 cm 地溫差值為正向最大，6月各層地溫與0 cm地溫差值為負(fù)向最大。

圖4 酒泉站各月5～20 cm各層地溫與0 cm地溫差值

3.2.3 周期與突變從酒泉0 cm 平均溫度距平可以看出，在1980—1998年期間距平均為負(fù)值，是相對(duì)冷的階段，1999年以后，溫度顯著升高，雖然有個(gè)別年份距平值為負(fù)值，但總體趨勢(shì)為偏暖的特征（圖5），這與全球變暖的趨勢(shì)比較符合。對(duì)酒泉站1980—2021 年0 cm平均溫度序列進(jìn)行Morlet 小波變換能量譜和M-K 檢驗(yàn)。可以看出，0 cm 溫度有顯著的周期震蕩，存在8～10 年震蕩周期。M-K 檢驗(yàn)表明，在1999 年前后0 cm地溫序列存在突變，地溫上升較為明顯，5～20 cm特征與0 cm相似（圖略）。

圖5 酒泉站Morlet小波變換能量譜和M-K檢驗(yàn)

3.2.4 逐日淺層地溫年平均溫度變化特征作物的播種和地溫的變化密切相關(guān)[15]，例如馬鈴薯播種后，當(dāng)10 cm地溫5～7℃時(shí)開(kāi)始萌芽。如果播種后，10 cm地溫低于10℃，幼芽的生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制，不易出土。當(dāng)?shù)販卦?0～20℃時(shí)，幼芽就能很快出土，發(fā)育最適溫度是13～18℃。因此，當(dāng)10 cm 地溫穩(wěn)定通過(guò)8℃時(shí)，馬鈴薯是最佳的播種期。對(duì)于喜涼的谷物，5 cm地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃時(shí)就可以進(jìn)行播種了。分析各地地溫的日變化就可以得到各地作物的最佳播種期，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的依據(jù)。選取甘肅西部的酒泉站、中部的蘭州站、東部的天水站和祁連山邊坡的永昌站5 cm和10 cm的溫度日變化進(jìn)行分析，5 cm 地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃的日期天水最早為1 月28 日，永昌最晚為3 月6 日（圖6）。對(duì)于谷類(lèi)作物，甘肅東部播種期在1月底為宜，永昌在3 月上旬為宜。兩地播種期相差接近40 d。10 cm 地溫穩(wěn)定通過(guò)8℃的日期天水為3月12日、永昌為4月5日，對(duì)于馬鈴薯、玉米、棉花等作物適宜播種期相差近25 d。

圖6 甘肅4個(gè)代表站5、10 cm日平均溫度變化

4 氣溫對(duì)地溫的影響

對(duì)酒泉站逐日氣溫和淺層地溫資料進(jìn)行分析，由表1可以看出，0～20 cm地溫與氣溫之間有非常顯著的相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.96以上。其中0 cm地溫與氣溫的相關(guān)性最高。說(shuō)明氣溫的變化直接影響到地溫的變化。土壤熱容性較空氣大，隨著土壤層次的加深，對(duì)氣溫變化的響應(yīng)也逐漸減小。

表1 各層地溫與氣溫相關(guān)系數(shù)

從0～20 cm地溫與氣溫散點(diǎn)圖（圖7）可以看出，氣溫與地溫之間存在較好線(xiàn)性相關(guān)，氣溫升降時(shí)，地溫也會(huì)隨之升降。

圖7 0～20 cm地溫與氣溫散點(diǎn)圖

圖8 為氣溫和淺層地溫的日變化對(duì)比圖，0 cm 和5 cm的變化幅度較氣溫的變化幅度要大，10～20 cm地溫的變化幅度比氣溫的變化幅度小。在白天，受太陽(yáng)輻射的影響，地表增溫要比氣溫快，隨著土壤深度的增大，地溫變得逐漸平穩(wěn)，白天的太陽(yáng)輻射增溫可以影響到10 cm 左右。在夜間地面輻射加強(qiáng)，地表降溫幅度要比氣溫劇烈。5 cm 層次以下地溫的變化幅度要小于氣溫。

圖8 氣溫和淺層地溫的日變化對(duì)比圖

5 結(jié)論

甘肅省0～20 cm 地溫空間分布特征基本一致，呈南北高中部低的特點(diǎn)。淺層地溫為逐年上升的趨勢(shì)，1980—2021年地溫升幅達(dá)2.0℃左右，這與年平均氣溫的變化一致。0～20 cm溫度變化特征基本相同，隨著深度增加，溫度的變幅減小，0 cm溫度變幅最大，20 cm溫度變幅最小。9 月—次年2 月各層地溫分布特征是隨著土壤深度增加地溫呈遞增的趨勢(shì)。3—8 月正好相反，隨著土壤深度增加地溫遞減。淺層地溫存在8～10年震蕩周期，1999年地溫存在突變。5 cm地溫穩(wěn)定通過(guò)0℃的日期東部在1月底、西部在3月初，祁連山邊坡地帶在3 月上旬末，春小麥等作物適宜播種期相差較大，最大可達(dá)40 d左右。10 cm地溫穩(wěn)定通過(guò)8℃的日期東部在3月中旬之初，西部在3月末，祁連山邊坡地帶在4 月上旬，馬鈴薯、玉米、棉花等作物適宜播種期相差近25 d。氣溫與淺層地溫存在非常顯著的線(xiàn)性相關(guān)，在白天0～5 cm 溫度變化要大于氣溫的變化，在夜間僅地表溫度變化要大于氣溫，而5～20 cm 地溫變化要小于氣溫的變化。