鄭州地區草地土壤水分時空變化特征及對氣候的響應分析

彭記永，方文松

（1.河南省氣象科學研究所，河南 鄭州450003；2.中國氣象局農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，河南 鄭州450003）

土壤水分作為陸面過程研究中的重要參量，與氣候變化有著密切的聯系，影響著地表能量和水分的再分配過程[1-2]。土壤水分通過改變地表向大氣輸送的顯熱、潛熱和長波輻射通量影響氣候變化，而氣候同樣會影響土壤含水量的變化，進而影響土壤水分的蒸發和下滲，使地表的各種參數發生變化，兩者之間有相互影響的關系[3]。土壤水分對氣候變化的響應研究已有一些報道，李洪建等[4]利用定量觀測的方法，分析了黃土高原地區荒地的土壤水分時空變化特征，方文松等[5]研究了南陽市土壤濕度變化規律與降水、氣溫的關系，李樹巖等[6]研究了河南省近20 a土壤水分時空變化特征，張洪芬等[7]分析了麥田土壤水分的變化特征，以及與冬小麥產量間的關系。大量研究表明，土壤水分與氣候因素（氣溫、降水）密切相關，土壤水分變化與氣候相互作用、相互影響。深入研究土壤水分及其變化規律，對研究地氣循環，以及氣候變化有重要意義。研究以鄭州為例，利用鄭州農業氣象試驗站8 a的土壤水分（0～100 cm）觀測資料，揭示了土壤水分變化特征以及對氣候的響應關系，以期為農業生產和氣候區劃，以及土壤水分數值模擬提供幫助。

1 材料及方法

觀測區緊鄰鄭州國家氣候觀測場，觀測面積為0.9 hm2，地段下墊面覆蓋類型為草地，長年無灌溉。研究選取鄭州農業氣象試驗站8 a（2005～2012）土壤水分觀測數據，共288次。每月3次定時觀測，觀測時間一般為每月的8、18、28日。土壤水分的測定深度為100 cm，每次4個重復，每10 cm一個層次，共10層，用烘干稱重法（105℃）進行測定。對上述數據進行處理，分別計算出不同深度的土壤重量含水率和相對濕度。R=100%×w/fc，式中R表示土壤相對濕度（%），w表示土壤重量含水率（%），fc表示田間持水量（用重量含水率表示）。氣象資料來源于鄭州市氣象局。

2 結果與分析

2.1 氣候變化趨勢

從圖1中可知，鄭州地區氣溫最近8 a處于一個較高的水平，年平均氣溫呈逐漸增高的趨勢，2007年氣溫為最近50 a最高，達16.0℃，為最暖年份。降水量年份間差異較大，而且降水量年內分布很不均勻。繪制8 a的旬平均降水量和旬平均氣溫變化趨勢圖（圖2），氣溫呈現以年為周期的變化規律，1月氣溫降到最低，然后逐漸升高，6～8月氣溫維持在一個較高的水平，平均在25℃以上，9～12月氣溫逐漸下降。降水量分布不均，2008年7月中旬降水量達267.0 mm，而2007年9月中旬～2008年3月下旬，降水量僅為60.3 mm。年降水主要集中在7～9月，其余月份相對較少。

圖1 年平均氣溫、降水量50 a變化特征

圖2 旬平均氣溫平均降水量變化特征

2.2 土壤濕度變化特征

2.2.1 土壤濕度時間變化規律 分析土壤水分變化特征發現，土壤水分呈現以年為周期的變化規律。圖3顯示：1～4月土壤水分變化較為平緩，相對濕度維持在60%～90%之間；5～6月土壤水分達到極小值，土壤表層甚至有干土層出現（相對濕度＜30%）；7～9月土壤水分含量增加，在降水較多的年份，土壤水分在一段時間內會達到飽和，甚至大于田間持水量（相對濕度≥100%）；10～12月土壤水分呈現緩慢減小的趨勢。

圖3 不同層次土壤水分變化特征

由于每年1～4月降水較少，蒸發量也相對較小，土壤水分變化比較穩定；5～6月降水沒有明顯增加，而氣溫顯著增高，地面蒸發量較大，表層土壤失墑嚴重，土壤水分含量急劇減少，容易出現干土層；7～9月是鄭州地區降水最多的月份，為土壤蓄墑期，土壤水分增大；10～12月降水相對減少，而氣溫也隨之降低，土壤水分變化較為平緩。

由圖3看出：0～10 cm土壤水分變化較為劇烈，相對濕度在27%～93%之間。土壤表層地氣交換明顯，越往下層變化幅度越小，90～100 cm變化幅度最小，相對濕度在64%～92%之間。

2.2.2 垂直變化特征 從圖4中可以看出，土壤水分在垂直方向呈現分階段變化特征，可以分為以下4個層次。

（1）土壤水分表層（0～10 cm）。該層地氣交換比較明顯，全年不同時期變化較大。6月容易出現干土層，相對濕度在20%～40%之間；降水較多的8～9月份，相對濕度會達到80%～100%。

圖4 土壤水分垂直變化特征

（2）土壤水分急變層（10～40 cm）。該層相對濕度在54%～81%之間，起到承上啟下的作用，在表層較干旱時，會補充表層水分；當降水較多、表層土壤水分較大時，土壤水分會向下滲透，轉而影響下層土壤水分。

（3）土壤水分緩變層（40～80 cm）。該層從40 cm土壤水分逐漸增大，到80 cm達到最大值，相對濕度在56%～94%之間。

（4）土壤水分相對穩定層（80～100 cm）。這一層相對濕度在68%～85%之間，地氣交換較小，降水滲透到此層也較滯后，相對比較穩定。研究表明[8]絕對的穩定層在2 m以上是不存在的，只是變化的幅度較小。深層土壤是淺層和中層水分存儲和供應的貯水庫，具有調節自然降水的功能：在失墑期，深層土壤水分不斷向上輸送，以增加上層土壤水分濕度；在增墑期，當降水量大于上層土壤水分田間持水量時，水分不斷下滲，以儲存淺層土壤中過剩的水分；且在供應和存儲的時間分布上有一個延遲。

2.3 土壤水分與氣候的相關分析

綜合分析土壤水分的時間變化特征和垂直變化特征，發現土壤水分變化受到土壤物理性質、地表覆蓋類型、氣象條件等多種綜合因素的影響，主要可以分為兩個方面，即水分存儲和水分消耗。前者主要指降水、人工灌溉、地下水補給和水汽凝結；后者主要指土壤水分蒸發、植物蒸騰和地表徑流等。觀測地區常年地下水位>2 m，地表無徑流，長年無灌溉，影響土壤水分變化的氣象因子主要是降水和氣溫。

利用spss數理統計軟件對8 a旬平均土壤水分（W）和降水（r）、氣溫（t）進行回歸分析，定量分析土壤水分對降水和氣溫等氣候要素的響應關系（表1）。研究表明，土壤水分與氣候（降水和氣溫）的復相關系數R值（R均通過α=0.01的顯著性檢驗）在0～10 cm達到最大R=0.770，然后逐漸減小，50～60 cm達到最小，隨后又逐漸增大，呈現先減小后增大的趨勢。二元回歸方程均通過了F檢驗（α=0.01），并且0～10 cm的F值達到最大（F=24.039）；0～100 cm復相關系數為0.643（相關系數通過了α=0.01的顯著性檢驗），F值為11.600。

3 結論與討論

（1）土壤水分呈現以年為周期的變化規律，不同年份變化趨勢大致相同，但是受氣候條件影響，稍有差異。每年1～4月、11～12月土壤水分變化較為平緩；5～6月，土壤水分降到最低點，表層甚至出現干土層；7～8月份，土壤水分達到最大值，并一直保持到9～10月。土壤水分在垂直方向上呈現4個層次的變化規律，在降水正常年份，垂直變化趨勢較為一致。

表1 土壤水分變化量與降水量和氣溫的回歸分析

（2）鄭州地區土壤水分變化與氣溫和降水的變化有著密切的關系，氣候是影響土壤水分變化的主要因素，0～10 cm土壤水分對氣候的響應最為靈敏。

（3）土壤水分受到前期土壤水分含量、氣溫、降水量、草地蒸發、地溫、風速等多種因素的影響，并且降水是一個不連續的量，氣溫的變化也有很大的波動。因此，降水量和氣溫對土壤水分的貢獻量大小有待于進一步研究。

[1]姜麗霞，李 帥，紀仰慧，等.1980-2005年松嫩平原土壤濕度對氣候變化的響應[J].應用生態學報，2009，20（1）：91-97.

[2]梁 蕓，張 峰，王小巍，等.黃土高原塬區麥田土壤水分變化特征及其對降水的響應[J].土壤通報.2012，43（1）：20-24.

[3]馬柱國，魏和林，符淙斌.土壤濕度與氣候變化關系的研究進展與展望[J].地球科學進展.1999，14（3）：299-305.

[4]李洪建，王孟本，柴寶峰.黃土高原土壤水分變化的時空特征分析[J].應用生態學報，2003，14（4）：515-519.

[5]方文松，陳懷亮，李樹巖，等.南陽市土壤濕度與氣候變化的關系分析[J].氣象與環境科學，2007，30（4）：13-16.

[6]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].干旱地區農業研究.2007，25（6）：10-15.

[7]張紅芬，王勁松，黃斌.西峰黃土高原麥田土壤水分的垂直分布[J].土壤通報，2006，37（6）：1082-1085.

[8]“華北平原作物水分脅迫與干旱研究”課題組.作物水分脅迫與干旱研究[M].鄭州：河南科學技術出版社，1991.135-154.