四川盆地區表層土壤濕度時空變化特征分析

鄧 彪, 肖天貴

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.四川省氣候中心,四川成都610072)

四川是農業大省,盆地為主要糧食產區。由于環流背景和地形條件影響,四川盆地區幾乎年年有干旱,分布地域廣,持續時間長,對農業危害大[1-2]。據旱澇資料分析,四川大旱年集中在16、17、20世紀,特別是20世紀后期發生頻率最高,大旱年平均3年左右一遇[3]。

土壤水是一種重要的水資源[4-6],降水或灌溉都要轉化成土壤水才能被植物吸收,土壤水分是農作物正常生長發育的重要物質或環境條件之一。土壤耕作層又稱表土層,厚度一般約20cm左右,耕作層土壤水分的多少直接影響到作物的播種出苗和正常生長發育,能敏感地反映出大氣降水、灌溉和地下水補給與農田蒸散的動態平衡結果。土壤濕度是表示土壤干濕程度的物理量,又稱土壤水分含量,區域某時段某層次的土壤含水量多少是評估農業干旱和農田灌溉的重要指標。國內許多學者從水資源評價、水循環及地表水文過程、氣候變化診斷分析、農業干旱評估以及未來土壤濕度預測等方面進行了大量的試驗與研究[5-13],為區域充分利用土壤水分資源,合理安排農、林、牧業生產,指導農業灌溉,改善生態環境提供了科學依據。然而,由于土壤水分觀測資料的匱乏,針對四川省盆地區的土壤水分時空分布和變化規律進行研究的文獻較少見。

文中以四川省盆地區土壤表層(0～20cm)的土壤相對濕度為討論對象,采用氣象統計分析方法,結合降水、氣溫、日照時數等氣象資料,探討四川盆地區土壤濕度時空變化特征及影響土壤濕度變化的主要氣象因子,對盆地丘陵區農業干旱評估以及農業防災減災具有重要意義。

圖1 四川盆地區農業氣象站點分布圖

1 資料與方法

文中所用土壤濕度和氣象資料均來源于四川省氣象信息中心。土壤濕度資料為四川省盆地區36個農業氣象站點(圖1)每旬逢8測得的土壤濕度資料,每月觀測3次,每10cm為1個層次,收集有2個層次(0～10cm、10～20cm);其中22站資料長度為1994～2011年,其余站點資料年限較短,僅作分析時參考用。根據盆地氣候特點和中國氣象地理區劃標準,將四川盆地區大致分為盆東北(包括達州、巴中、廣安、南充市)、盆西北(包括廣元、綿陽、德陽、成都市)、盆中(包括遂寧、資陽、內江、自貢市)、盆南(包括瀘州、宜賓、樂山、眉山、雅安市)共4個研究區域來分析和表述。

采用烘干稱重法測量,用土壤重量含水率(%)表示土壤濕度:土壤重量含水率(%)={土壤含水量(g)/干土重量(g)}×100%;每層土壤相對濕度(%)計算式為:土壤相對濕度(%)={土壤重量含水率(%)/田間持水量(%)}×100%;田間持水量采用田間小區灌水法測定,即土壤排除重力水后測定的土壤濕度;表層土壤相對濕度用0～10cm、10～20cm兩層土壤相對濕度的平均值(%)表示,用于分析四川省盆地區土壤水分的時空變化規律。

利用旋轉正交函數(REOF)方法對四川盆地區土壤水分進行時空變化特征的分析。REOF分析方法是一種分解矩陣數據中的結構特征和提取主要數據特征量的方法。時間趨勢變化采用線性傾向分析,各要素的傾向率主要用一元線性回歸方程擬合求得;此外,用相關分析法確定不同區域影響土壤水分的主要氣象因子,并利用多元回歸方程建立統計關系。

2 四川盆地區表層土壤相對濕度時空特征

2.1 年平均土壤濕度時空變化

圖2是盆地表層土壤相對濕度多年平均空間分布圖,可見盆地表層土壤相對濕度多年平均在65%以上,盆地東北部、南部較高,一般平均在80%～90%;盆地中部、西北部較低,平均在70%～80%,其中盆中丘陵臺地平均低于70%;空間分布大致從南到北逐漸減小。圖3給出盆地區表層土壤相對濕度年際變化曲線,從區域平均年際變化來看,盆地區土壤濕度的呈現弱的上升趨勢,1990年代后期變化相對平穩,2000年以后波動較大,以2006年為界,前升后降。

圖2 表層土壤相對濕度多年平均空間分布

表1是盆地各站表層土壤相對濕度年際變化趨勢系數,系數的正負顯示盆地各區域土壤濕度年際變化趨勢各異(圖4)。大致認為,盆地東北部、南部土壤濕度變化以減小趨勢為主,以大竹、宣漢、巴中、蒼溪、樂山、犍為站為中心的區域有變干趨勢;盆地西部、西北部土壤濕度以增加趨勢為主,以三臺、綿陽、名山、廣元站為代表的區域在逐年變濕;盆地中部丘陵地區干濕趨勢局地性強,從遂寧、樂至、安岳、仁壽、榮縣、高坪、營山等站的趨勢系數可以看到這點。

表1 盆地站點表層土壤相對濕度趨勢系數

2.2 土壤濕度不同季節分布特征

盆地土壤濕度季節變化呈雙峰型特點(圖5),秋季高,春季低,夏季波動明顯,初夏高,盛夏低。年內10月中旬最高為84.8%,7月下旬最低為75.2%。常年盆地冬暖少雨,從12月份開始土壤濕度開始緩慢下降,春季回溫快,植物生長發育加快,農田蒸散增加,3～4月份土壤濕度保持在較低水平,冬干春旱常現。夏季多雨,土壤累積水分快;盆東雨季來得早,但盛夏多高溫伏旱;盆西夏旱頻率高,而7～8月份易出現澇;6～8月份土壤濕度上升較快下降亦快,波動大。盆地秋季多綿雨,土壤偏濕,9月土壤濕度迅速升高并保持較高水平。

圖4 表層土壤相對濕度變化趨勢空間分布

圖5 盆地區表層土壤相對濕度旬平均年變化特征

圖6 盆地區表層土壤相對濕度不同季節分布

按1月、4月、7月、10月來統計冬、春、夏、秋季平均土壤相對濕度,分析四季土壤濕度的空間分布特征。如圖6(a～d)所示,冬季土壤濕度盆西北低,部分地區土壤相對濕度在70%以下,廣元63.8%為盆區冬季最低;盆東北、盆南高,土壤相對濕度在85%以上,漢源92.9%為盆區冬季最高。春季土壤濕度保持在較低水平,盆區春季最小為64.1%(東興),最高為90.6%(漢源);分布與冬季類似,由盆西北向盆東北、盆南逐漸升高,但土壤相對濕不足70%的范圍更大,并向盆中拓展。夏季土壤相對濕度在68.0%～94.9%,以遂寧為中心的盆中丘區土壤濕度不足70%,由盆中向四周依次升高;夏季土壤含水量總體上較冬、春季多。秋季土壤濕度最高,盆地區土壤相對濕度均在70%以上,分布在72.9～91.4。

盆地區冬干夏雨季風氣候特點明顯,土壤干濕狀況亦呈現出冬春季相對偏干、夏秋季相對偏濕的季節變化;空間分布上盆西北、盆中四季相對偏干,盆東北、盆南則相對偏濕。

2.3 基于REOF方法的土壤濕度時空變化特征

四川盆地區年平均土壤濕度總體水平較高,年際變化趨勢區域各異,季節差異大,易形成季節性農業干旱。利用REOF方法分析盆地表層土壤濕度場,進一步探討盆地農業干旱時空變化特征。由表2可見,REOF分解獲得的前3個典型模態的累積方差貢獻達到65.6%,基本可以代表盆地區土壤濕度空間分布變化狀況。圖7給出四川盆地區表層土壤濕度前3個模態的特征分布及時間系數變化趨勢。

表2 盆地表層土壤濕度場各模態方差(%)

圖7 四川盆地區表層土壤濕度分布前三個特征類型

第一模態特征向量解釋了總體方差24.9%,是盆地區表層土壤濕度主要空間分布結構類型,主要為由西到東呈現正-負分布型,具體是盆西北、盆西、盆中為正分布,而盆東北、盆南為負分布。正負區域土壤濕度變化趨勢不一致,具有反相位特征,即此區域土壤濕度增加則彼區域就減少。從所對應的時間系數變化可以看出,這種空間分布結構的盆地區土壤濕度年代際變化特征明顯,時間序列表現為明顯上升趨勢(圖7a)。2002年以前時間系數為負值,以后則為正值,說明近10年四川盆地區土壤濕度空間模式變化與2002年以前相反,以西部偏濕東部偏干為主要特征,這與2.1節分析盆地區域土壤干濕變化趨勢特點相符。

第二模態特征向量解釋了總體方差24.6%,也是盆地區表層土壤濕度主要空間分布結構型,由北到南主要表現為正-負-正分布型,土壤濕度變化趨勢不一致,盆北、盆南增加,盆中、盆西減少或反相位變化。對應的時間系數變化反映出這種模態具有年際變化特征,時間序列為弱下降趨勢(圖7b)。2006年盆地中東部大旱之后,旱情有所減弱,盆地南部的干旱卻有增加趨勢,2011年夏秋季,盆地南部持續高溫少雨,導致伏秋連旱嚴重危害農業生產。第二模態特征從另一角度反映出盆地農業干旱的變化事實。

第三模態特征向量解釋了總體方差16.4%,由東北到西南帶狀區域主要為正分布型,表明土壤濕度變化趨勢一致。對應的時間系數變化表現上升-下降-上升的周期振蕩特征(圖7c),反映出盆東北、盆西南區域土壤濕度由偏濕到偏干,再逐漸偏濕的周期變化狀況。其中1994年、2001年以及2010年的干旱事件能較好反襯出盆地土壤濕度時空分布特點。

2.4 盆地不同區域土壤干濕頻率年變化特征

根據四川盆地農業氣象服務應用實踐,土壤相對濕度在60%～85%,適于作物生長;大于85%土壤過濕,土壤通透能力降低,不利于作物生長發育;小于60%表示輕度缺水,干旱開始露頭,需要及時灌溉。從研究分區中選出土壤測墑代表站(表3),分別統計不同分區逐旬土壤耕作層干濕頻率,討論盆地不同區域土壤干濕年變化特征。

表3 盆地不同分區選取代表站點表

圖8(a)是盆地各區域表層土壤相對濕度≤60%的出現頻率年變化,反映4個區域土壤干旱頻率變化特征。盆西北3、4月份頻率最高,9、10月份頻率最低,呈單峰型年變化特征,說明盆西北冬干春旱重;盆東北7、8月份頻率最高,12、1月份最低,呈單峰型年變化特點,盆東北夏伏旱明顯;盆中干旱頻率呈現雙峰型特點,3、4月份和7、8月份先后出現頻率高點,初夏(6月)與秋冬季出現頻率低點,盆地中部年內出現兩段旱,春夏季干旱交錯疊加;盆南年變化特征不明顯,但各時段出現頻率較低,時段頻率最高仍不足15%。

圖8(b)是盆地各區域表層土壤相對濕度＞85%的出現頻率年變化,反映4個區域土壤偏濕頻率變化情況。盆南年內大部分時段偏濕頻率高于其他3個區,偏濕頻率年變化不明顯;其余3個分區變化特點是,11月至次年6月,土壤偏濕頻率盆東北最大,盆中次之,盆西北最小;7～10月,土壤偏濕頻率盆東北最小,盆中次大,盆西北最大。

圖8 盆地各分區土壤干(≤60%)濕(＞85%)頻率年變化曲線

3 氣象因子對盆地不同區域表層土壤濕度影響分析

氣象條件是影響土壤表層干濕變化的主要因素之一。從研究分區中選擇代表站(表4),分別計算1994～2011年逐旬表層土壤相對濕度(Y)與對應旬平均氣溫(T)、旬降水量(R)、旬日照時數(S)的相關系數,并建立多元線性回歸方程,探討盆地不同區域表層土壤濕度與氣溫、降水、日照因子的相關性及影響。

表4 表層土壤相對濕度與氣象因子相關、回歸分析

從表4可以看出,盆地區表層土壤濕度與日照時數呈負相關,與降水為正相關,并且均通過0.01顯著水平檢驗;與氣溫相關性方面,3站點有差異,大竹、遂寧負相關性顯著,而綿陽相關性不明顯。

盆地表層土壤濕度與氣溫、降水、日照關系密切,回歸方程均通過F0.01的顯著性檢驗,表明降水減少,氣溫升高、日照增多,盆地表層土壤濕度變干,反之則變濕。標準化回歸系數能更好比較各氣象因子對土壤濕度的影響大小。盆東北表層土壤濕度受氣溫變化影響最大,其后是降水、日照,即氣溫＞降水＞日照。盆地中南部則相反,日照條件影響最大,其后為降水、氣溫,即日照＞降水＞氣溫。盆西北表層土壤濕度變化與氣溫影響無關,主要受降水與日照條件影響,即降水＞日照。

4 結論

(1)盆地表層土壤相對濕度多年平均值較高,空間分布大致是從南到北逐漸減小;盆地區平均年際變化呈現弱的上升趨勢,其各區域土壤濕度年際變化趨勢各異,盆地東北部、南部土壤濕度變化以減小趨勢為主,盆地西部、西北部土壤濕度以增加趨勢為主。

(2)盆地表層土壤濕度常年季節變化呈雙峰型特點:秋季高,春季低;夏季波動明顯,初夏高、盛夏低;土壤干濕狀況總體呈現出冬春季相對偏干、夏秋季相對偏濕的季節變化。盆地不同區域表層土壤干濕頻率特點表現為盆西北春季偏干、夏季偏濕,盆東北春季偏濕、夏季偏干,盆中春夏兩季均偏干,盆南偏濕頻率高于偏干。

(3)通過REOF分析,盆地區表層土壤濕度時空變化特征可用3種模態表示,一類是盆地由西到東呈現正-負分布型,具有年代際變化特征;二類是盆地由北到南主要表現為正-負-正分布型,有年際變化特點;三類是盆地東北到盆地西南為帶狀正相位分布型,具有一定周期變化特征。盆地區表層土壤濕度時空變化有近50%年份表現為一、二類時空特征。

(4)盆地表層土壤濕度變化與氣溫、降水、日照相關密切,通過回歸分析表明,盆東北表層土壤濕度變化受氣溫高低影響最大,3個因子影響效應依次為氣溫＞降水＞日照;盆地中南部則相反,日照時數多少影響最大,依次為日照＞降水＞氣溫;盆西北表層土壤濕度變化與氣溫影響無關,主要受降水與日照條件影響。不同區域氣象因子差異化原因有待進一步分析。

[1] 四川省農業區劃辦公室,四川省政府救災辦公室.四川農業災害與減災對策[M].四川科學技術出版社,1999.

[2] 陳淑全,羅富順,熊志強,等.四川氣候[M].成都:四川科學技術出版社,1997.

[3] 詹兆渝,劉慶,陳文秀,等.中國氣象災害大典四川卷[M].北京:氣象出版社,2005.

[4] 劉麗芳,許新宜,王會肖,等.土壤水資源評價研究進展[J].北京師范大學學報(自然科學版),2009,45(5):621-625.

[5] 由懋正,王會肖.農田土壤水資源評價[M].北京:氣象出版社,1996.

[6] 康紹忠.干旱缺水條件下麥田蒸散量的計算方法研究[J].地理學報,1990,45(4):475-483.

[7] 馬柱國,魏和林,符宗斌.中國東部區域土壤濕度變化及其與氣候變率的關系[J].氣象學報,2000,58(3):278-287.

[8] 張秀芝,吳迅英,何金海.中國土壤濕度的垂直變化特征[J].氣象學報,2004,62(1):51-61.

[9] 鄧天宏,方文松,付祥軍,等.冬小麥夏玉米土壤水分預報及優化灌溉模型[J].氣象科技,2005,33(1):68-72.

[10] 高蓉,陳少勇,董安祥,等.西北地區東部耕作層土壤濕度近22年變化分析[J].干旱地區農業研究,2008,28(6):186-195.

[11] 羅長壽,魏朝富,李瑞雪.時序模型在四川盆地土壤水分動態預報中的應用[J].西南農業大學學報,2002,24(5):464-466.

[12] 王改改,鄭暢,魏朝富,等.四川盆地丘陵區土壤水分垂直變異特征研究[J].灌溉排水學報,2009,28(2):98-100.

[13] 陳少勇,郭凱忠,董安祥.黃土高原土壤濕度變化規律研究[J].高原氣象,2008,27(3):530-537.