土壤湿度变化和气温降水的关系

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土壤湿度是地表水文平衡过程的一个综合指标。在影响土壤湿度的环境因子中，降水和蒸发是两个最主要的因素，因此，土壤湿度是对气候变化反应敏感的环境因子。土壤湿度变化和气候变化实际上相互作用且密不可分。从短期气候变化的角度看，土壤湿度可以通过改变地表反照率及土壤热容量和向大气输送感热影响气候［1－2］。但在年际到年代际的时间尺度上，土壤湿度更多地受到气候变化的影响。近100a来全球气候变暖已引起人们广泛关注，全球变暖导致地表蒸发增加，引发全球干旱化的发展和加剧；另外城市化进程，人为地过牧、过垦等造成地表覆盖的减小，导致蒸发增加，土壤含水量减小。中国北方干旱化趋势就是我国在全球气候变化背景下出现的一个突出的环境问题［3］。前人研究表明，中国西北地区是气候变暖的主要地区之一［4］。陇东黄土高原地处我国北方半湿润气候向半干旱气候过渡的地带，土壤季节性缺水明显，受周边地区风沙影响严重［5］。气候变化使得影响土壤湿度的主要气象因素明显恶化［6－7］，对已经比较脆弱的生态和农业生产构成严重威胁。目前，关于该地区或周边区域土壤湿度的研究较多，但由于资料长度限制，多着重于土壤湿度的一般分布规律和空间特征的分析，而对土壤湿度演变特征及其与气候变化的关系研究较少。该地区作为一个典型的雨养农业区，土壤湿度不仅直接影响农业生产，也是决定自然生态环境质量的一个重要因素。了解全球气候变暖背景下土壤湿度的变化特征及主要影响因素，对合理利用气候资源，调整农业生态布局，采取有效手段抑制土壤水分恶化，改善水土状况，积极应对气候变化具有重要意义。

1研究区概况

选取甘肃省庆阳市西峰区西峰气象站（35°44′N，107°38′E）为代表站进行研究。该站位于陇东黄土高原东部的董志塬。董志塬面积910km2，由塬地、川地和河流滩地组成，海拔高度1421m，是黄土高原保存较为完整的一块塬面。该塬黄土层深厚，气候属半干旱半湿润区，农业为典型的旱作农业。年平均降水量527．1mm，年平均温度8．7℃，平均日照2457．8h，具有典型的黄土高原地理和气候特征。西峰区气象站是陇东地区较为重要的农业气象试验站，其所测土壤湿度数据是甘肃东部黄土高原土壤含水状况的典型代表，故本文选取西峰区气象站为代表站进行研究。

2资料来源

2．1土壤湿度数据本研究所采用的土壤湿度资料分为两部分，前者来源于中国气象局气象数据共享网的《中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集》。该数据集包含了1991年9月至2010年12月中国778个农业气象站逐旬观测记录的农作物生长发育状况报告，具体内容包括：作物名称；发育期名称；发育期日期；发育程度；发育期距平；干土层厚度；10，20，50，70，100cm土壤相对湿度（用百分数表示）。另外，分层土壤湿度数据来源于国际土壤湿度网络共享数据（http：∥www．ipf．tuwien．ac．at／insitu／），该数据集包括中国境内40个农业气象站1981—1999年每年3—11月每旬第8d利用土钻法人工取土得到的分层土壤湿度（土壤含水量占干土质量百分比）观测记录。取土深度为1m，每10cm为一层，共分11层（0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60，60—70，70—80，80—90，90—100cm），每个点取1次，共4个重复。然后利用烘箱烘干，称重后计算土壤含水量，4次重复的平均即土壤的平均含水量。观测结果已转化为体积含水量。土壤水文与物理特性常数来自于1980年和1998年的测定值。在土壤湿度观测的固定测定地段内，土壤、耕作制度等变化相对较小，因此，年际间非气象因子的影响较小。

2．2气象数据本研究所采用的气象数据同样来源于中国气象局气象数据共享网（http：∥cdc．cma．gov．cn／）的《中国地面气候资料年值数据集》和《中国地面气候资料月值数据集》。该数据集包括中国752个基本、基准地面气象观测站及自动站1951年以来气候资料年值、月值数据集。本文主要选取该数据集中西峰区站的温度和降水要素进行分析。

3研究方法

在本研究中，采用线性趋势法分析温度、降水等气象要素以及土壤湿度的变化趋势，线性趋势变化可用一元方程描述和建立变量y（x）与其所对应的时间x的一元线性回归方程：y（x）＝ax＋b。式中：a为斜率，亦即趋势倾向率或变化率；b为截距，a，b可用最小二乘法进行估计。趋势显著性检验采用F检验［8－9］。在分析土壤相对湿度与气象要素的相关关系时使用皮尔逊相关分析法，其计算公式如下：式中：n———样本数；珡X———变量x的均值；珚Y———变量y的均值；rxy———变量x和变量y的相关系数。通过该系数可以确定，如果r值通过0．05的显著性水平（p＜0．05），则认为土壤湿度与气象要素变化紧密相关。本研究采用非参数检验法［10］对气温、降水资料序列进行突变检测，该方法为无母数检定法，不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，适用于类型变量和顺序变量，计算方便简单。在气候序列平稳前提下对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：式中：ri———第i个样本xi大于xj（2≤j≤i）的累计值。在时间序列随机独立的假设下，定义统计量：当│UFk│≥Ua时（Ua为显著水平的临界值），表明序列存在明显的增长或减少趋势。所有UFk将组成一条曲线UF。把同样的方法引用到反序列中，得到另一条曲线UB，UF或UB的值超过临界直线时，表明增长或减少趋势显著，超出临界线的区域为出现突变的区域，两条曲线的交点若在临界线之间，则对应的便是突变开始时间。潜在蒸散量采用FAO推荐的Penman—Monteith方法［11－12］计算。

4结果与分析

4．1近50a气温、降水变化主要特征

1961—2010年的50a间西峰区气温呈明显上升趋势，年平均气温以0．5℃／10a的速度增加，其中春、夏、秋、冬各季的平均气温分别以0．5，0．2，0．4，0．6℃／10a的速度增加，冬季增温最明显。年代际间的增温幅度以21世纪初的10a最为明显（表1），80年代增温最小。50a来气温呈波动上升，20世纪80年代后期前气温降低，之后逐渐上升。这与陈隆勋等［13］研究得出的全国平均气温变化特征相似。50a来年降水量以平均20．9mm／10a的速度下降，季节降水量的变化存在明显差异，春、秋季降水量分别以5．4和19．2mm／10a的速度下降，而夏、冬季降水分别以2．7和1．6mm／10a速度增加。降水的年代际变化差异也较大，21世纪初10a平均年降水量为546．3mm，较20世纪90年代增加了72．6mm，是降水量增加幅度最大的年代。20世纪90年代平均年降水量仅为473．7mm，较80年代减少了89．2mm，是降水量最少，减少幅度最大的年代（表1）。50a来年降水量呈波动式减少，80年代初前后降水量增加，之后一直呈降低趋势。1995年是降减少最大的年份，年降水量仅为333．8mm，21世纪初的几年有所增加。

4．2近20a土壤湿度变化规律

4．2．1土壤湿度年代、季节变化不同年份气候、环境等条件变化使土壤湿度条件存在年际间差异［14］。从图1可以看出，20a来各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势。1992年以后土壤湿度在1997年和1995年降到最低值，21世纪初10a略有增加。为进一步分析土壤湿度的变化规律，分别计算出不同层次各季土壤湿度变化率（表2）。总体来看，近20a春季不论浅层还是较深层土壤湿度呈下降趋势，是各季中土壤湿度减少最明显的季节，且表层土壤湿度更易受到气候条件变化的影响。20a来夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律，但变化率明显低于春季。秋季土壤湿度变化与春季和夏季稍有不同，10—50cm土壤湿度呈下降趋势，70cm和100cm呈上升趋势。对20a间西峰区逐年平均土壤湿度和降水量进行了对比分析。由其时间演变曲线（图1）可以看出，土壤湿度及降水量年际变化振荡比较明显，呈多波动分布，两者达到显著相关水平，且降水变化较土壤湿度变化更剧烈。年平均湿度最小值出现在1995年，为55％。最大值出现在2003年，为74％，是最小年的1．35倍。而年降水量最小值出现在1995年，为333．8mm，最大值出现在2003年，为828．2mm，是最小年的2．49倍。1997—2003年土壤湿度持续增加，1992—1995年不断下降。而年降水量波动变化较大。1992—1995年降水量持续降低，1999—2003年持续升高。所测土壤湿度的变化与降水量变化并不完全一致，是因为土壤湿度的变化除了受作物消耗及蒸发作用影响外，还与降水时段出现在测墒前与测墒后有很大关系。

4．2．2土壤湿度的月变化为了分析西峰区麦田土壤湿度在小麦生长期对时间的敏感变化，分别研究了土壤湿度的月、旬变化。其中旬、月变化总趋势是8—11月为土壤蓄墒期，3—7月为土壤失墒期。为了分析土壤湿度的月变化，对西峰区8—11月与次年3—7月0—100cm土壤湿度进行了分析。由土壤湿度月变化图（图2）可以看出，8—11月与次年3—7月的土壤湿度变化趋势为先增加再减少，高峰期在10，11月。土壤湿度最低值出现在6，7月，可将这2个阶段分为秋季增墒期和春末夏初失墒期。（1）秋季增墒期。根据西北地区东部降水季节变化［7］，陇东地区年降水主要集中在7—8月，降水充足，期间麦田正处于休闲期，是土壤蓄水的关键时期，9—11月是冬小麦播种、出苗至停止生长阶段。期间作物耗水量和蒸发量都很少，有利于土壤冬前水分储备，以至于到11月土壤湿度达到最大值。（2）春末夏初失墒期。3—4月为春季少雨期以及冬小麦的返青拔节期。该期耗水量大，降水不能满足作物的需求，土壤湿度下降。5—6月为春末夏初阶段。该期间冬小麦处于抽穗至乳熟期，耗水量大增，气温升高，蒸发量变大，使土壤水分损失较大，失墒严重，为一年之中土壤湿度的最低值期。

4．2．3土壤湿度的旬变化为了进一步分析西峰区土壤湿度对时间的敏感变化，分析了西峰区7月中旬至11月上旬及次年3月上旬至7月上旬逐旬0—100cm土层土壤体积含水量。由图2可以看出，7月中旬至8月下旬该区处于降水高峰期，土壤水分得到补充，土壤墒情得到不断改善；9月上旬至10月上旬，降水量急剧减少。由于期间作物消耗水量较少，加之秋季多连阴雨天气，蒸发量较少，土壤湿度持续增长。3月上旬至4月中旬为冬小麦返青至拔节期。该期耗水量增加，平均降水量略有增加，含水量有小波动变化。4月下旬至6月下旬，小麦处于孕穗期、腊熟期。该期间西峰区处于春末夏初阶段，作物耗水量远大于降水量，土壤湿度不断降低。7月上旬，降水量增加，冬小麦处于成熟至收获期。该期需水量大减，土壤湿度略有增加。

4．3气候变化对土壤湿度的影响

自然降水是陇东土壤水分最主要的来源，气温通过蒸发影响土壤湿度。计算1991—2010年西峰区春、夏、秋季10，20，50，70，100cm土壤湿度百分率与不同季节平均气温、降水量的相关系数（表3）。可以看出，就表层土壤而言，各季土壤湿度与本季气温均为负相关，与降水量呈正相关。春季土壤湿度与上年夏、秋季平均气温负相关；夏季土壤湿度与春季平均气温、降水相关显著；秋季土壤湿度与夏季降水呈正相关。就较深层土壤而言，春季土壤湿度与上年夏、秋季气温、降水呈显著相关；夏季则与春季气温、降水及该季气温显著相关；秋季雨水丰沛，较深层土壤湿度与各季气温、降水相关均不显著。可见雨季的气候条件不仅影响到该季土壤湿度条件，而且影响到次年春季的土壤湿度，尤其是深层的土壤湿度条件，即所谓的“秋雨春用”。

4．4蒸散对土壤湿度的影响

潜在蒸散量（E0）包括地面蒸发和植物蒸腾在内的土壤水分散失，综合反映了气温、水汽压、日照和风速等气象要素对土壤水分散失的影响。作为土壤水分循环的一个重要方面，蒸散对土壤湿度有明显制约作用。由潜在蒸发与土壤湿度季节变化和年变化曲线（图3—4）可以看出，潜在蒸发与土壤湿度变化趋势基本相反，蒸发强烈导致土壤水分支出增加。图3—4反映了西峰地区潜在蒸散量和土壤湿度的月份和年际变化。可以看出，潜在蒸散量对土壤湿度的影响月份和年际变化均呈现出反位相的特点。在月变化上，蒸散量峰值出现在7月，对应的土壤湿度谷值出现在6，7月份，基本呈同步变化趋势。年际变化上，3—11月蒸散量峰、谷值出现在1997年和2003年，与之对应的土壤湿度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量与土壤湿度的反位关系表现得较为明显。5结论

（1）50a来陇东气温呈波动上升，降水量呈波动减少。20世纪80年代后期气温以上升为主，降水以下降为主，与王飞等［15］的“1985—1993年为暖湿期，降水量和年均气温均较高”的结论比较接近。陇东气温在1993年发生暖突变，降水突变点并不明显。1995年是降水负距平最大的年份。

（2）20a来陇东各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势，21世纪初10a略有增加。春季各层土壤湿度呈下降趋势，是各季中土壤湿度减少最明显的季节，表层土壤湿度更易受到气候条件变化的影响。夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律，但变化率明显低于春季。秋季土壤湿度变化与春季和夏季稍有不同。10—50cm土壤湿度呈下降趋势，70cm和100cm呈上升趋势。西峰区土壤湿度年际变化振荡明显，呈多波动变化，其变化较年降水量相对迟缓。土壤湿度与降水量的相对变化除了受作物消耗及蒸发作用影响外，还与降水时段出现在测墒前与测墒后有很大关系。土壤湿度具有明显的时间变化规律。逐月、逐旬土壤湿度变化曲线基本呈V形分布，土壤湿度低谷在6，7月，可分为春末夏初失墒期与秋季增墒期。以上结论与王劲松等［16］，王润元等［17］在西峰15第3期严丽等：陇东黄土高原农田土壤湿度演变对气候变化的响应区和陇东地区开展的土壤湿度研究所得出的结论较为接近，与王锡稳等［18］在黄土高原或西北地区对土壤水分所进行的研究得出的结论基本一致。

（3）就表层土壤而言，各季土壤湿度与该季气温均为负相关，与降水量呈正相关。春季土壤湿度与上年夏、秋季平均气温负相关；夏季土壤湿度与春季平均气温、降水显著相关；秋季土壤湿度与夏季降水呈正相关。就较深层土壤而言，春季土壤湿度与上年夏、秋季气温、降水呈显著相关；夏季则与春季气温、降水、该季气温显著相关；秋季雨水丰沛，较深层土壤湿度与各季气温、降水相关均不显著。雨季的天气和气候条件不仅影响到该季土壤湿度条件，而且影响到次年春季的土壤湿度，尤其是深层的土壤湿度条件，即所谓的“秋雨春用”。

（4）潜在蒸发与土壤湿度变化趋势基本相反，蒸发强烈导致土壤水分支出增加。潜在蒸散量对土壤湿度的影响月份和年际变化均呈现出反位相的特点。在月变化上，蒸散量峰值出现在7月，对应的土壤湿度谷值位于6，7月，基本呈同步变化趋势。年际变化上，3—11月蒸散量峰、谷值出现在1997年和2003年，与之对应的土壤湿度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量与土壤湿度的反位关系表现得较为明显。该结论与王润元等［17］在陇东地区所取得的研究成果趋势上基本一致，但因为他们采取的是土壤储水量指标，计算方法和数据处理手段和本文也不尽相同，所以分析结果稍有出入。陇东地区是黄土高原典型半干旱区，土壤湿度的变化直接影响植被生长，改变下垫面状况对后期气候也有明显的影响。本研究着眼于农田土壤湿度变化与气温和降水的响应关系，对进一步认识陇东黄土高原地区土壤干旱及其变化规律有着重要意义，从而为实时种植作物，充分利用土壤水分资源，调节土壤水分状况以及提高作物产量提供有效的依据。