庫布齊沙漠地溫變化特征及其影響因子分析

劉鵬 張立欣

摘 要：以庫布齊沙漠試驗站2018年1—12月地溫與氣象數據為基礎，分析庫布齊沙漠地溫變化特征及其影響因子。結果表明，庫布齊沙漠20cm、40cm地溫常年在-10～35℃之間，地溫最高值在8月份;20cm地溫在12月份達到最低值，40cm地溫最低值滯后1個月;隨著土壤深度的增加，春、夏兩季地溫呈現下降趨勢，秋、冬兩季地溫呈現上升趨勢;月平均地溫8月份最高，20cm月平均地溫在1月份最低，40cm月平均地溫最低值約滯后1個月;各層地溫低于0℃持續時間為3個月左右;20cm各季節地溫大致呈正弦變化，40cm地溫近似一條直線;夏季地溫數值在白天接近，春、秋、冬季地溫數值在夜晚相近;各季節地溫最高值在00∶00—03∶00之間，地溫最低值在12∶00—18∶00之間;空氣溫度與地溫相關性最為顯著，其次為二氧化碳濃度，降雨直接導致地溫顯著下降，光照強度、空氣濕度和風速對地溫的影響較小。

關鍵詞：

庫布齊;地溫;土壤深度;環境因子

中圖分類號：S152

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200315044

引言

氣候變化是一個典型的全球環境問題，大量監測數據和科學研究表明：隨著全球溫室效應范圍的持續擴大，全球表面的平均溫度在不斷上升，預計到21世紀末全球地表溫度將在20世紀初的基礎上升高0.3～4.8℃[1，2]。地溫是地表面和地面以下不同深度處土壤溫度的統稱[3]，是連接土壤—植被—大氣的一個關鍵因素，影響著各種生物化學過程、植物的生長、發育和土壤的形成，同時也影響著大氣環流和氣候變化[4，5]。沙漠是陸地表面重要的地貌單元，沙漠地區環境相對惡劣，氣候復雜多變，區域間生態條件差別較大。地溫對沙漠水分蒸發循環、植被類型、數量及其分布等具有直接的重要影響[6，7]。

目前，中國關于地溫的研究主要是集中于東部農業地區和青藏高原地區。龔強[8]根據遼寧省各地區氣象站近60a不同深度地溫資料，發現不同地區、不同土層儲能期存在差異。王選耀[9]對煙臺地區淺層土壤溫度的變化特征進行了研究，發現BP人工神經網絡模型對土壤溫度預測精度優于多元回歸模型。張煥平[10]采用氣候統計診斷方法對近40a青海淺層地溫分析，發現年平均地溫、四季平均淺層地溫呈上升趨勢，且夏季增幅最大、冬季最小。周刊社[11]選取西藏8個氣象站43a的地面觀測資料，采用Mann-Kendall檢驗等方法，對地溫變化趨勢及與氣溫的突變關系進行分析，發現各層地溫相關性顯著且地溫呈上升趨勢，藏西部和藏中部地溫增溫幅度整體高于藏東部。張娟[12]采用對比分析及線性趨勢等方法，對青海省玉樹縣巴塘高寒草甸土壤溫濕變化狀況進行了詳細分析，找出了不同季節土壤溫濕度的變化規律。王勝[13]分析了敦煌地區不同程度的降水對土壤溫濕度的影響，降水量對地表物理量的影響較大。但對沙漠地區的地溫研究較少，沙漠地溫隨時間變化特征與機制需要更深入的探究。

本文以庫布齊沙漠2018年地溫觀測數據為基礎，分析了其日變化、月變化等特征，以及與環境因子間的響應機制，為合理利用氣候特點提升作物種植質量提供了科學依據，也為荒漠化治理提供一定的理論參考，對于探究作物的生態適應性、合理開發利用荒漠化土地有重要意義。

1?材料與方法

1.1?研究區概況

庫布齊沙漠位于北京西部，內蒙古鄂爾多斯高原的北部，內蒙古鄂爾多斯市的杭錦旗、達拉特旗和準格爾旗的部分地區，是中國第7大沙漠。總面積約145萬hm2，以流動、半流動沙丘為主，西、北、東3面緊鄰黃河，地勢平坦，南部高于北部。研究區實驗站點選取在E108°43′，N40°32′，海拔1050m處，處于庫布齊沙漠東南部，氣候類型屬于中溫帶半干旱類型，晝夜溫差較大，四季不分明。年平均氣溫8.31℃，年大風天數為25～35d，年降雨量約150mm，干旱少雨，蒸發量遠超過降雨量，年平均日照時數約3000h，光照充足。

1.2?數據來源與方法

項目研究與億利集團合作展開，依托獨立開發的“億利生態沙漠大數據平臺”與自主研發的“神農物聯”系列物聯網自動采集設備，創新生態環境實時監測，全面推進物聯網+大數據應用。平臺目前采集數據已經覆蓋全國8大沙漠、4大沙地以及青藏高原地區，并正在向“一帶一路”國家和地區延伸;實現了對氣象、土壤、水位等多種文本和圖片信息等的全面感知與獲取，數據實時傳輸，采集范圍廣、類型豐富、數據量龐大，真實可靠。

2018年1—12月的地溫數據來源于庫布齊沙漠-阿木古龍C試驗站，儀器埋設深度分別為20cm、40cm;同時觀測空氣溫度、濕度、降雨、二氧化碳濃度、風速、光照強度等氣象數據，數據采集頻率為1h。以不同土層深度的地溫數據作為基礎，對研究區內地溫隨時間變化特征及影響因子進行分析。采用中國氣象學上四季劃分方法，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。采用Excel2019軟件進行地溫及氣象因子數據整理、作圖，利用SPSS24軟件對地溫與氣象因子進行pearson相關分析及逐步回歸分析。

2?結果與分析

2.1?不同深度地溫年、月變化

庫布齊沙漠20cm、40cm土壤溫度常年在-10～35℃之間，變化相對較高。地溫的變化與土壤深度有著密切聯系，地溫變化幅度隨著土壤深度的不斷增加而減小，40cm地溫的變化幅度小于20cm處。全年20cm處地溫低于0℃的時間為88d;40cm處地溫低于0℃的時間為85d。20cm處年平均地溫為12.59℃，40cm處年平均地溫為12.97℃。地溫最高值在8月份，20cm處達到33.30℃，40cm處達到30.50℃;20cm處地溫在12月份達到最低值-11.60℃，40cm處地溫在1月份達到最低值-7.35℃。隨著土壤深度的增加，春、夏兩季20cm、40cm地溫呈現下降趨勢，秋、冬兩季20cm、40cm地溫呈現上升趨勢（圖1）。

地溫月平均變化趨勢基本相同（圖2），月平均地溫從2—8月呈現上升趨勢，8月份達到最高，20cm、40cm月平均地溫分別為28.54℃、27.21℃;9月份開始下降，20cm月平均地溫在1月份達到最低-5.14℃，40cm月平均地溫在2月份達到最低-3.69℃，40cm較20cm月平均地溫最低值出現時間滯后1個月。1月1日—3月2日，12月5—31日，20cm地溫低于0℃，持續時間為3個月左右;12月10—31日，1月1日—3月4日，40cm地溫低于0℃，持續時間為3個月左右。夏季40cm處較20cm處月平均地溫低，熱量向下輸送;冬季40cm處較20cm處月平均地溫高，熱量向上輸送。

2.2?地溫的季節、日變化

選取1月6日、4月9日、7月7日和10月7日4個典型晴天數據，代表春、夏、秋、冬各季節地溫日變化，以分析日變化的季節特征。20cm各季節地溫大致呈正弦變化，40cm地溫變化不顯著，近似1條直線。夏季20cm、40cm地溫數值在白天接近，春、秋、冬季20cm、40cm地溫數值在夜晚相近（圖3）。

1d中各層地溫均有1個最高值和1個最低值，20cm地溫最高值出現時間為00∶00—01∶00;最低值出現時間為12∶00—13∶00。40cm地溫最高值出現時間為00∶00—03∶00;最低值出現時間為14∶00—18∶00。隨著土壤深度的增加，空氣溫度、太陽輻射等對地溫的影響減弱，最值出現時間延后，地溫變化幅度減小;春、夏兩季20cm日平均地溫高于40cm，秋、冬兩季20cm日平均地溫低于40cm。如表1。

2.3?地溫與環境因子的關系

20cm地溫與40cm地溫相關系數高達0.992（表2），線性關系顯著。環境因子對地溫具有顯著影響，不同環境因子對地溫的影響存在不同程度的差異。空氣溫度與地溫的線性關系最為顯著，其次為二氧化碳濃度、光照強度、空氣濕度、風速，地溫與二氧化碳濃度、風速呈負相關，與其它環境因子均呈正相關。空氣溫度與地溫的相關系數最高，與20cm、40cm地溫相關系數分別為0.912和0.895;隨著土壤深度的增加，空氣溫度與地溫的相關性降低，空氣溫度對地溫的影響減小。二氧化碳濃度與20cm、40cm地溫的相關系數分別為-0.557、-0.517，與地溫存在中等程度負相關關系，隨著二氧化碳濃度的升高，地溫降低;隨著土壤深度的增加，二氧化碳濃度與地溫的相關性降低，對地溫的影響減小。光照強度、空氣濕度、風速與20cm、40cm地溫相關性較弱。

研究發現庫布齊沙漠-阿木古龍C試驗站降雨極少，降雨量數據少，因此在逐步回歸分析中將降雨數據剔除，對降雨數據單獨進行統計并與20cm地溫、氣溫做線性回歸分析（圖4），發現降雨之后，空氣溫度、地溫均呈明顯下降趨勢;降雨停止后，空氣溫度和地溫呈現上升趨勢，存在明顯的負相關關系，表明降雨可以直接導致20cm地溫的下降。空氣溫度、二氧化碳濃度、降雨可直接影響地溫的變化幅度，而光照強度、空氣濕度、風速只是引起20cm、40cm地溫變化的因素，并不會影響地溫的變化趨勢。

3?結論

庫布齊沙漠20cm、40cm地溫常年在-10～35℃之間，各層地溫最高值出現時間均是8月份;20cm地溫在12月份達到最低值，40cm地溫最低值約滯后1個月。隨著土壤深度的增加，春、夏季地溫呈現下降趨勢，秋、冬季地溫呈現上升趨勢。月平均地溫8月份最高，20cm月平均地溫在1月份最低，40cm月平均地溫最低值滯后1個月。20cm、40cm地溫低于0℃持續時間為3個月左右。

20cm各季節地溫大致呈正弦變化，40cm地溫近似1條直線。夏季20cm、40cm地溫數值在白天接近，春、秋、冬季20cm、40cm地溫數值在夜晚相近。各季節地溫日最高值在00∶00—03∶00之間，最低值在12∶00—18∶00之間。春、夏兩季20cm地溫日平均溫度高于40cm，秋、冬兩季則相反。

20cm地溫與40cm地溫相關系數高達0.992，線性關系顯著。所有影響因子中，空氣溫度與地溫的線性關系最為顯著，其次為二氧化碳濃度，且隨著土壤深度的增加，空氣溫度與地溫的相關性降低，降雨直接導致地溫顯著下降;空氣濕度、光照強度和風速對20cm、40cm地溫的影響較小。

參考文獻

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（責任編輯?周康）