新鄉(xiāng)市土壤濕度時空變化與氣候變化的關系

張文冉

摘 要：本文通過分析新鄉(xiāng)市土壤濕度的變化規(guī)律及其與氣象要素的相互關系，建立氣象因子與土壤濕度的回歸方程。結果表明：新鄉(xiāng)市近35a土壤年平均濕度或最低濕度顯著下降，年平均土壤濕度下降0.4%左右;淺層和深層降低了土壤水分水平之間的垂直變化;新鄉(xiāng)市不同深度的土壤水分與氣溫均呈顯著正相關，同時隨著土壤深度的變化，相關性逐漸減小;新鄉(xiāng)市土壤水分與季節(jié)溫度變化呈負相關，與降水呈正相關。土壤水分隨季節(jié)溫度和降水量的二元回歸方程通過了F檢驗，春季、秋季和冬季通過了F0.01的顯著性檢驗，夏季通過了F0.05的顯著性檢驗。

關鍵詞：土壤濕度;時空分布;回歸方程

中圖分類號：S152.71 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0149-03

Abstract： Based on the analysis of the variation law of soil moisture and its relationship with meteorological factors in Xinxiang City， the regression equation between meteorological factors and soil moisture was established. The results show that： the annual average or minimum soil moisture in Xinxiang City had decreased significantly in the past 35 years， and the annual average soil moisture had decreased by about 0.4%; the vertical variation between shallow and deep soil moisture levels had been reduced; There was a significant positive correlation between soil moisture and air temperature at different depths in Xinxiang City， and the correlation decreased gradually with the change of soil depth; Soil moisture in Xinxiang was negatively correlated with seasonal temperature change and positively correlated with precipitation. The binary regression equation of soil moisture with seasonal temperature and precipitation passed F test， the significance test in spring， autumn and winter was 0.01， and the significance test in summer was 0.05.

Keywords： soil moisture;spatial and temporal distribution;regression equation

土壤濕度的變化會引起土壤熱容量和地表反照率的改變，導致地表和低層大氣之間水熱平衡過程發(fā)生變化。本文通過分析新鄉(xiāng)市土壤濕度的變化規(guī)律及其與氣象要素的相互關系，建立氣象因子與土壤濕度的回歸方程，充分發(fā)揮氣候資源的作用，保持生態(tài)平衡，對提高防災減災能力具有重要的理論意義和實際價值。

1 土壤濕度時空變化特征

1.1 新鄉(xiāng)市土壤濕度年內旬變化特征

通過分析1980—2016年新鄉(xiāng)市旬平均土壤濕度變化可知：0～50cm旬平均土壤濕度最大值出現在9月下旬，值為27.96%;土壤濕度最小值出現在6月中旬，值為16.36%。全年土壤濕度變化表現為“兩頭高中間低”。究其原因，在于春季多風少雨，日照多，蒸發(fā)量大;夏季由于氣溫高，降水分布不均，作物需水量大，蒸發(fā)蒸騰量大[1]。

通過對新鄉(xiāng)市1980—2016年各旬10～50cm的土壤相對濕度資料進行分析可知：新鄉(xiāng)市地區(qū)土壤濕度變化具有明顯的季節(jié)特征，主要是由于6—7月氣溫較高，造成作物蒸騰量大，導致土壤濕度相對較低;10～50cm土壤濕度變化幅度較大，全年表現為“兩峰兩谷”的波浪式變化。80～100cm土壤濕度季節(jié)變化（圖略）不明顯，最低值出現在夏季（6—8月），淺層土壤濕度變化幅度比深層大。土壤濕度隨土壤深度、季節(jié)和天氣背景而變化。春季、夏季和秋季土壤水分隨深度減少，冬季增長。隨著深度的加深，上下土壤水分相關性逐漸減弱。

1.2 新鄉(xiāng)市土壤濕度空間分布特征

新鄉(xiāng)市土壤濕度的空間分布特征為：東南部高，西北部偏低。

2 土壤濕度的垂直分布特征

由于冬季（12—次年2月）溫度較低，淺層土壤含水量較高，深層土壤含水量較低;春季隨著氣溫的不斷上升，大風天氣偏多而降水偏少，造成表層土壤水分最小;夏季土壤水分變化主要受降水和蒸發(fā)的影響，由于夏季降水較大，土壤水分變化幅度較大;秋季淺層土壤水分較高，變化較為穩(wěn)定。從土壤水分的層次變化來看，淺層（0≤-40cm）土壤水分變化幅度大于深層（50～100cm）。全年內，淺層土壤水分變化幅度較大，深層變化幅度很小[2]。

由于向下層延伸具有滯后性，滯后時間約為10d。6—8月由于氣溫高、蒸發(fā)量增大，上層土壤濕度相對較小，30cm以下濕度分布均勻;其他月份土壤濕度垂直變化較大。同時，存在明顯的季節(jié)變化。上半年，上部土壤水分較高;6—8月土壤水分最小。由于土壤性質不同，土壤濕度最大值所處的深度也不相同。

3 土壤濕度時空變化與氣候因子之間的相互關系

對于土壤濕度與氣候變化之間的相互關系，國內外學者做了大量研究，主要集中在土壤濕度與降水之間的正反饋及與溫度之間的負反饋。氣候條件的變化可導致土壤濕度發(fā)生變化，而土壤濕度的變化同樣可引起氣候變化，如降水、氣溫等。由此也看出，氣溫和降水是影響土壤濕度的重要氣候因子。

3.1 土壤濕度與溫度的關系

溫度變化對植物生長發(fā)育和地面蒸發(fā)有一定影響。由于土壤深層和淺層水分交換，溫度變化對深層和淺層土壤水分也有一定影響[3]。溫度變化對植物生長和地面蒸發(fā)有一定影響，由于土壤水分的交換，溫度變化也會對深層和淺層的土壤水分產生影響。為了分析土壤水分與氣候變化的關系，對0～30cm、40～60cm和70～100cm的土壤平均含水量進行逐年分析，建立了回歸方程，（其中Y為土壤水分，T為氣溫變化量），如表1所示。從表1可以看出，土壤水分與氣溫在不同水平上的關系已達到非常顯著的相關，且隨著氣溫水平的增加，相關性逐漸降低，說明淺層土壤水分受氣溫的影響很大，即淺層土壤水分受氣溫變化的影響明顯。不同深度土壤水分變化與降水量的相關性通過了極顯著檢驗，同時深層土壤水分變化與淺層土壤水分相比，受降水的影響更大，這與土壤水分的變化有著密切關系，與前面分析的土壤水分垂直變化特征相一致。

分析新鄉(xiāng)市各季平均土壤濕度與對應氣溫的定量關系，將0～30cm土壤濕度與氣溫的對應的季統(tǒng)計值進行相關分析，建立回歸方程（其中Y為土壤水分，R為降水量），結果見表2。可以看出，春季、秋季和冬季土壤水分與氣溫呈極顯著負相關，已通過F0.01的顯著性檢驗，但夏季相關性不明顯。

6—9月氣溫與土壤水分呈顯著負相關，無論是提前還是滯后。10月到次年5月，溫度與對應月份的土壤濕度為較明顯的正相關，均通過α=0.1（α為F的臨界值）的顯著性水平檢驗。其中，4月氣溫與該月土壤濕度的相關性最大，相關系數為0.657，通過α=0.001顯著性水平檢驗。其次，6月溫度與土壤濕度相關系數達-0.562。

通過圖1可知，5月的溫度偏高時，該月或下月的土壤濕度相對較小。5月上旬土壤濕度或月度土壤濕度較大時，5月份平均氣溫偏低。此外，6—9月氣溫與各月土壤濕度表現為明顯的負相關，均通過α=0.1的顯著性水平檢驗。1月、2月、7月和12月溫度與土壤濕度相關性不大。其中，12月氣溫同前期土壤濕度呈正相關，但相關系數較小。

3.2 土壤濕度與降水量的關系

通過分析0～30cm、40～60cm以及70～100cm各層土壤濕度與年降水量的相關性，建立回歸方程（如表3所示）。從表3可知，不同層次的土壤水分與降水量的相關性達到了極顯著水平，但隨著水平的增加，相關性逐漸增強，說明用較深的土壤水分來反映年降水量的變化要好于反映淺層降水的變化，與早期分析的土壤水分垂直變化相一致。

利用新鄉(xiāng)市各季平均40～100cm的土壤濕度與對應降水量分析其關系，將對應的季統(tǒng)計值進行相關分析，建立回歸方程（如表4所示）。由此可知，新鄉(xiāng)市降水主要集中在夏季，降水是影響土壤濕度的變化主要因素。春季、夏季和秋季土壤濕度與降水量均呈極顯著正相關，而冬季相關不明顯。

3.3 土壤濕度與氣溫、降水量的二元關系

通過對各季0～100cm土壤平均濕度和氣溫、降水量進行二元回歸分析，建立了二元回歸方程，如表5所示。其中，T、R分別為氣溫和降水量。可見，各季土壤濕度與氣溫和降水量的相關性十分顯著。春季、秋季和冬季相關性都通過了F0.01的顯著性檢驗，夏季的相關性通過了F0.05的檢驗。

3.4 土壤濕度與日照時數、土壤溫度的關系

日照時數對土壤濕度的影響主要通過土壤表面的蒸騰來體現，同時蒸騰又與土壤溫度關系密切，因此土壤溫度對土壤濕度具有重要影響，尤其是5—8月的土壤溫度對土壤濕度影響最大。本文統(tǒng)計新鄉(xiāng)市5月1日—8月31日的土壤濕度變化趨勢，對每天每層土壤濕度和土壤溫度求算術平均值。從日平均濕度和溫度走勢來看，0～40cm內土壤濕度和土壤溫度變化基本一致，土壤濕度與土壤溫度表現為負相關，計算的相關性也說明了這一點。

研究表明，土壤濕度對土壤溫度的變化有著重要影響，各層土壤濕度與土壤溫度密切相關，土壤溫度對土壤中水分的變化和運動具有重要影響。

本文選取0～30cm深度的濕度值研究土壤濕度變化的影響因素及其關系，并對兩者關系進行擬合得出回歸方程，并對建立的回歸方程進行了α=0.05的顯著性檢驗。可以看出，兩者關系非常密切，如圖2所示。

4 結論

本文根據1980—2016年新鄉(xiāng)市氣象站資料分析土壤水分與氣象因子的關系發(fā)現：

①新鄉(xiāng)市近35a土壤年平均濕度或最低濕度顯著下降，年平均土壤濕度下降0.4%左右;淺層和深層降低了土壤水分水平之間的垂直變化。

②新鄉(xiāng)市不同深度的土壤水分與氣溫均呈顯著正相關，同時隨著土壤深度的變化，相關性逐漸減小。

③新鄉(xiāng)市土壤水分與季節(jié)溫度變化呈負相關，與降水呈正相關。土壤水分隨季節(jié)溫度和降水量的二元回歸方程通過了F檢驗，春季、秋季和冬季的顯著性檢驗為0.01，夏季的顯著性檢驗為0.05。

參考文獻：

[1]孔凡忠，劉繼敏，張翠英，等.魯西南地區(qū)土壤墑情變化規(guī)律分析[J].中國農業(yè)氣象，2008（2）：162-165.

[2]李樹巖，陳懷亮，方文松，等.河南省近20年土壤濕度的時空變化特征分析[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2007（6）：10-15.

[3]林潔，陳效民，張勇.氣候變化與土壤濕度關系的研究進展[J].土壤通報，2012（5）：1271-1276.