三江平原土壤濕度變化及其對氣象條件的響應

王 芳,張 宇,梁 靜

(1.佳木斯市氣象局,黑龍江 佳木斯 154004;2.成都信息工程大學,成都 610000)

土壤濕度作為地表水文過程的一個綜合指標，積累了地表水文過程的大量信息，是氣候系統中關鍵變量之一。土壤水分對植物的生長發育、土壤生產力起著十分重要的作用，也會通過與植被、大氣之間的傳輸改變能量收支平衡，影響氣候和生態系統的分布[1-2]。土壤濕度作為對氣候較敏感的因子，與氣候變化相互作用、相互影響，土壤濕度能通過熱量傳輸改變氣候，氣候變化又在長期時間內反饋影響土壤濕度的變化[3-5]。因此，分析土壤濕度的時空變化特征，認識土壤水分變化規律，對土壤水分資源的合理利用及應對氣候變化顯得尤為重要。

對土壤濕度與氣候變化之間關系和規律的研究得到眾多學者的關注和研究。馬柱國等[3]研究表明，40°N以北的地區深層土壤變濕，而淺層則變干；李琛等[6]研究指出，東北地區表層的土壤濕度有下降的趨勢，而深層以下則有上升的趨勢。郭維棟等[7]認為東北地區到20世紀90年代以后土壤濕度仍比較低；左志燕等[8]指出整個中國東部地區的春季土壤在不同程度上有干旱化的現象。在土壤濕度與相關氣候因子關系方面，張秀芝等[9]、姜麗霞等[10]、韓俊杰等[11]指出，土壤濕度和降水之間呈正相關，而與氣溫之間則呈負相關；邱揚等[12]研究指出，土壤水分的時空變異由多重尺度的土地利用、氣象、土壤、地形、人類活動等多種因子共同作用的結果，但單就某一地區而言，存在主控因子和重點尺度。

三江平原(43°49′—48°27′N，129°11′—135°05′E)位于黑龍江省東北部，西起小興安嶺，東至烏蘇里江，北起黑龍江，南抵興凱湖[13],總面積約10.89萬km2，占全省總面積的23.9%。三江平原由23個縣(市)組成,是我國重要的商品糧生產基地和糧食戰略后備基地[14]。然而，三江平原由于水資源豐富，土壤濕度過高，春、夏漬澇等農業災害頻發，對農業生產造成了一定的影響。在全球氣候變暖背景下，黑龍江省氣候變暖尤為劇烈[15]，三江平原土壤濕度也相應發生了變化。因此，有必要從氣象角度進一步研究近年來三江平原土壤濕度時空變化特征和規律，為農業(尤其旱作農業)生產及決策提供氣候數據。

1 材料與方法

資料為1982—2017年黑龍江省三江平原23個農業氣象站的土壤濕度觀測資料(地中0—50 cm)，觀測資料為每旬逢8；氣溫降水數據為同期23個國家氣象站的日常觀測數據。采用Microsoft Excel 2007 工具繪制曲線圖，ArcGIS工具繪制空間圖，DPS 7.05統計軟件進行相關統計及M-K突變檢驗分析等。黑龍江省土壤濕度旱澇參照指標值為[10]：土壤相對濕度≤70%，土壤為偏干；在70%～90%，土壤濕度為正常；>90%，土壤為偏濕。

2 結果與分析

2.1 三江平原土壤濕度的年際變化特征

由圖1可以看出，近37 a來三江平原地中0—50 cm土壤相對濕度呈階段性變化，變化趨勢存有較好的一致性，但各層土壤相對濕度存在差異，呈現中間層(30—40 cm)土壤相對濕度最大，上下層遞減的趨勢。1982—1996年階段10—50 cm土壤相對濕度在90%左右，相對較高，處于偏濕狀態；1997—2013年階段土壤相對濕度基本處于70%～90%，相對較低，處于正常狀態；2014年后20—40 cm土壤相對濕度增高，處于偏濕狀態，與該時期降水量偏多有關。而0—10 cm土壤相對濕度時間變化趨勢與10—50 cm變化趨勢基本相同，但其濕度處于正常范圍內，這是土壤表層水分散失較快之故。

圖1 三江平原0-50 cm土壤相對濕度年際變化

2.2 土壤濕度趨勢檢驗及突變分析

采用M-K突變檢驗法分別對三江平原地中(0—50 cm)的土壤相對濕度進行趨勢檢驗(圖2)和突變分析(圖3)。可見看出：三江平原地中0—30 cm，40—50 cm土壤相對濕度總體呈降低趨勢。0—30 cm土壤相對濕度減少趨勢極顯著(UF超過信度線范圍，甚至超過0.001顯著性水平(U=±2.56))。40—50 cm土層的土壤相對濕度UF曲線1997年后呈減小的趨勢，并且UF值出現超過α=0.05的信度線(Uα=±1.96)，表明地中40—50 cm的土壤相對濕度減少的趨勢顯著。UF曲線和UB曲線交點在1997年，交點位置在信度線之間，地中40—50 cm的土壤相對濕度突變年為1997年。經統計分析，40—50 cm土壤相對濕度呈顯著線性變化，線性傾向率為-1.96%/10 a，通過了p<0.05的顯著性統計檢驗；其他深度土壤相對濕度線性變化不顯著，呈非線性變化。

圖2 M-K法計算的土壤相對濕度的U(qk)分布曲線

圖3 三江平原0-50 cm土壤相對濕度M-K突變檢驗曲線

2.3 三江平原土壤濕度空間分布特征

為研究三江平原土壤相對濕度的空間差異，因而分析了三江平原1982—2017年各層土壤平均相對濕度的空間分布由圖4可見，從總體上看，北部地區土壤相對濕度高于南部地區、東部略高于西部，土壤相對濕度由北到南、由東到西遞減。其中，三江平原北部和東北部20—50 cm土壤相對濕度處于偏濕狀態，除南部局部區域外，其他區域土壤相對濕度處于正常狀態；0—10 cm土壤相對濕度處于正常狀態。比較各土層土壤相對濕度空間分布，亦呈現30—40 cm土壤相對濕度最大，上下層遞減的趨勢。

圖4 三江平原0-50 cm土壤相對濕度空間分布

在土壤干濕狀況的具體地理位置上，三江平原東部的同江、撫遠平均土壤相對濕度高于90%，屬濕潤區；中部的寶清、勃利平均土壤相對濕度接近90%，屬較濕潤區；南部的雞西、雞東、穆棱土壤濕度相對偏干；其他區域土壤相對濕度處于正常狀態。

2.4 土壤濕度對氣溫、降水等的響應

由于土壤濕度受土壤類型、土地利用、氣候、人類活動干擾等多種因素的影響，土壤濕度變化過程較為復雜，本文僅考慮氣溫、降水等氣候因素對土壤濕度的影響。三江平原1982—2016年土壤相對濕度、平均氣溫和降水量的相關關系見表1。由表1可知，1982—2016年三江平原4—9月生長季平均氣溫與0—30 cm土層土壤相對濕度呈顯著負相關；4—9月生長季降水量與0—20 cm，40—50 cm土層土壤相對濕度分別呈顯著和極顯著正相關。說明三江平原4—9月生長季氣溫、降水量的協同作用影響0—20 cm土層土壤相對濕度，這是因0—20 cm土層土壤常年耕作，土壤孔隙良好，降水入滲和氣溫蒸發與蒸散較快之故；20—30 cm和40—50 cm土壤相對濕度分別受氣溫和降水作用的影響；而地中30—40 cm土壤相對濕度受氣溫和降水作用的影響不大。

表1 地中土壤相對濕度與平均氣溫、降水量相關系數

3 討論與結論

3.1 討 論

分析表明，近36年來三江平原地中0—30 cm，40—50 cm土壤相對濕度呈顯著降低趨勢，30—40 cm土壤相對濕度無顯著變化。0—30 cm土壤相對濕度下降的趨勢與馬柱國[3]、李琛[6]等觀點一致，但30—40 cm土層、40—50 cm土壤相對濕度變化情況與馬柱國[3]、李琛[6]等觀點存在差異，馬柱國等[3]指出40°N以北的地區深層土壤變濕，李琛等[6]認為東北地區深層土壤濕度有上升的趨勢，分析結果差異的原因可能與土壤、地形、尺度等有關。

張秀芝[9]、姜麗霞[10]、韓俊杰[11]等研究指出，土壤濕度和降水之間呈正相關，而與氣溫之間則呈負相關，與本文分析結果基本一致，但本文進一步分析了氣溫、降水量對各層土壤相對濕度影響差異。本文分析認為，三江平原0—20 cm土壤相對濕度主要受4—9月生長季氣溫、降水量的協同作用影響，20—30 cm和40—50 cm土壤相對濕度分別受4—9月生長季的氣溫和降水作用的影響；而30—40 cm土壤相對濕度受氣溫和降水作用的影響不大。

3.2 結 論

(1) 近36年來三江平原地中0—30 cm，40—50 cm土壤相對濕度呈顯著降低趨勢，并呈階段性變化，突變年在1997年；30—40 cm土壤相對濕度無顯著變化；各層土壤相對濕度垂直方向呈現中間層(30—40 cm )土壤相對濕度最大，上下層遞減的趨勢。1982—1996年、1997—2013年、2014年后各層土壤相對濕度分別處于相對較高(偏濕)、較低(正常)、較高(偏濕)階段。40—50 cm土壤相對濕度呈顯著線性變化，線性傾向率為-1.96%/10 a，其他各層土壤相對濕度呈非線性變化。

(2) 三江平原土壤相對濕度的空間分布存在差異，土壤相對濕度由北到南、由東到西遞減趨勢。其中，三江平原北部和東北部20—50 cm土層土壤相對濕度處于偏濕狀態，除南部局部區域外，其他區域土壤相對濕度處于正常狀態；0—10 cm土層土壤相對濕度處于正常狀態。

(3) 三江平原氣溫、降水量對各層土壤相對濕度影響程度不同。0—20 cm土壤相對濕度主要受4—9月生長季氣溫、降水量的協同作用影響，20—30 cm和40—50 cm土壤相對濕度分別受4—9月生長季的氣溫和降水作用的影響；而30—40 cm土壤相對濕度受氣溫和降水作用的影響不大。