农田土壤储水量与温度变化的相关性研究——以气候变化背景下吕梁市为例<br/>

农田土壤储水量与温度变化的相关性研究——以气候变化背景下吕梁市为例

2015-04-25贺雪梅周显信

山西农业大学学报（自然科学版） 2015年5期

贺雪梅，周显信

（1.山西省气象局，山西太原030002；2.南京信息工程大学，江苏南京210044）

土壤水分动态受土壤透水性、地形地貌、土壤前期含水量、土地耕作措施等影响［1］，这些是土壤水分动态变化的内因。本文将探讨土壤水分动态变化的外因，即：气候变化，根据历时性统计数据来分析全球变暖是否影响农田土壤储水量。全球变暖的主要特征是全球气温逐渐呈现略微上升态势［2］，这毫不例外地出现在中国内陆黄土高原上的吕梁地区。虽然吕梁市农田土壤水土流失现象严重且逐年加剧，极端降水事件的频度和强度明显增加，但这并不一定代表气候变暖是其罪魁祸首［3～5］，通过分析历时性观测所得数据，借助SPSS数据分析得出的结论可知全球气候变暖并不是黄土高原农田储水量逐年减少的主要因素。

1 相关背景

1.1 应对气候变化进展情况

21世纪人类面临最严峻的环境问题是全球气候变暖［6］。美国科学家把气候变化称为非传统安全，甚至将其界定为美国未来最大的挑战，宣扬其威胁将超过恐怖主义。因此，全球气候变暖已经开始成为主要的国际政治和外交议题。为国际社会提供科学咨询，帮助国际社会认识全球气候变化事态的严峻性，联合国环境署与世界气象组织联合成立了“政府间气候变化专门委员会（Intergovern－mental Panel on Climate Change，缩写为IPCC）”，并决定定期召开国际会议，磋商共同解决气候变暖带来的相关问题。1990年11月，第二次世界气候大会顺利召开，会上科学家和部长提议并通过了“科学技术会议声明”和“部长宣言”，提出制定气候变化公约，并认为当今科技己具备一些减少二氧化碳排放的技术，而且方法可行、经济有效，推荐各国相互借鉴使用。此后，各国在联合国框架下进行了多方位的全面会谈，并就气候公约问题达成了协议，多国约定共同遵守，并同意就共同的环境问题进行联合治理。1992年6月，153个国家、地区和国际组织利用“联合国环境与发展大会”，正式签署气候变化框架公约，这为各国协商解决环境问题提供了解决框架。该公约正式生效后，缔约国家和国际组织的数量不断增加。“联合国环境与发展大会”最大的功绩就是《京都议定书》的签署，该协议于1997年12月在日本京都签订，故而得名。协议规定了发达国家减少排放温室气体的具体义务。此后，一方面，各国学者及研究人员进一步加强科学研究，探讨有关气候变化的科学理论依据及实践原因，另一方面，各国政府采取多项措施以缓解气候变暖带来的种种负面效应，例如：增加植被覆盖、减少温室气体排放等。然而，落实《京都议定书》却步履艰难，2009年哥本哈根国际环境大会上，与会的192个国家仅仅达成了《哥本哈根协议》，且不具有法律约束力。时至今日，世界各国仍未就应对气候变化达成共同认可且相互接受的行动方案，根本原因是相互利益牵制和各自利益冲突。

1.2 黄土高原水土特征

黄土高原水资源严重短缺，大部分属于半干旱地区，水资源对高原生态稳定和安全具有至关重要的作用。近年来，黄土高原荒漠化、盐碱化和水土流失问题明显恶化，植被退化、生物多样性锐减现象频发，干旱、沙尘暴等灾害发生频度和强度都出现加剧趋势。同时，黄土高原人口增长较快，煤炭产业发展迅速加剧了水资源消耗，破坏了水资源的生态平衡，而且全球变暖加剧了这一不平衡趋势。农田土壤储水量变化及由此引发的气候影响对认识黄土高原水资源变化、应对水资源危机等具有重要意义。

2 气候变暖对黄土高原水资源的影响

水资源包括土壤储水量、地下水、降水等。无论何种水资源形式都可以用土壤储水量来形容。土壤储水量作为植被生长与环境演化的重要指标之一，是研究陆气水循环和气候变化的一个重要物理量。具体过程是降水到达地面，部分储存到土壤或蒸发返回大气，部分经渗漏转变成地下水，还有一部分转化为径流和被植被截流。陆气水循环又称大气水循环，在整个陆气水循环过程中，土壤储存水是中间环节，既为水汽蒸散、渗漏提供水源基础，又为水汽循环提供和积蓄循环动力，服务整个陆气水循环［7］。土壤储存水还供应着陆地植被生长，其主要消耗也集中于植被生长。植被活动的活跃性与土壤储存水量变化成正相关，土壤储存水量减少，植被活动就会减弱。环境恶化度与土壤储存水量变化成反相关，土壤储存水量减少，水土流失就会加重，同时土壤沙漠化也会加强，环境恶化就越严重。土壤储存水与地表热容量和地潜热成正比关系，土壤储水量越多，地表热容量和地潜热就越大，否则越小。同时，土壤储水量还会影响地表反照率和地表感热。土壤储存水量变化与气候变化之间存在一种互动关系，两者相互影响，互相促进，因此，土壤储存水量受到气候研究人员的普遍关注。

3 土壤储水量及其案例分析

3.1 土壤储存水量概述

土壤储存水量的时空变化特征及其与全球变暖的互动变化是研究人员最关心的问题。研究陆气水循环和气候变暖，以及与土壤湿度和植被生长之间的互动关系时，土壤储水量可以作为一个物理指标和基础参数［8］。但土壤储水量的确定与变化及其时空变率，需要大范围、长时间的观测数据，而且需要对这些实际观测数据资料进行高分辨率的分析、比较和研究，这些工作相当困难。但随着科学技术的发展进步，新技术和新方法不断出现，使得监测土壤储水量变化成为可能，即使微小的湿度变化也能通过新技术和新方法检测到，这就加强了学者和专业人士对影响农田土壤储水量变化因素的认识［9］。黄土高原是我国水资源短缺最严重的地区之一，正面临着水土流失、植被退化、荒漠化和盐碱化等自然灾害，因此深入研究黄土高原储水量变化与全球变暖之间的互动关系对于保护黄土高原的植被生长，解决黄土高原的水资源危机和环境问题大有裨益［8～10］。

3.2 案例数据来源及研究方法

本文选取山西省吕梁市孝义和兴县（分别代表吕梁平川和山区）1991年至2010年的土壤储水量资料，采用曲线分析和SPSS统计的相关系数分析法。

3.3 案例结果分析

吕梁市地处山西中西部，现辖10县1区2市（县级），面积21 143km2，人口381万人。吕梁市属半干旱大陆性季风气候，四季分明，差异悬殊。1981－2010年年平均气温9.4℃，平均气温1月份最低为－7.0℃，7月份最高为22.8℃，全年≥10℃的有效积温2 534.7～3870.0℃，日照时数2 457.2～2 772.4h，无霜期140～198d，1981－2010年平均降水量466.7mm。

图1显示黄土高原上吕梁市整体农田土壤储水量的年际变化，其特点是：变化趋势平稳，基本稳定，不存在明显突变现象。研究区土壤储水量出现一个峰值和一个谷值，分别是8月底和6月下旬，其它月份根据这两个极点呈现字母“W”状态分布。9月上旬到11月上旬间的两个月趋势为先降后升，变化幅度并不明显，但土壤储水量仍维持高位水平。年内就农田土壤储水量而言，孝义市大于兴县，从3月底到11月上旬，孝义地区农田土壤储水量平均为187.31mm，谷值为140.3mm，峰值为221.9mm，而兴县地区平均为137.9mm，谷值为121.7mm，峰值为158.9mm。就农田土壤储水量比较而言，孝义地区比兴县地区的变幅较大，孝义地区3月底到11月上旬的平均农田土壤储水量峰值和谷值相差81.6mm，而兴县地区仅差37.2mm。说明黄土高原吕梁市农田土壤储水量的年内变化存在空间差异。

图1 农田土壤储水量年内变化Fig.1 Yearly Variation of Soil Water Storage

图2和图3是关于孝义和兴县春、夏、秋和全年平均农田土壤储水量的年际变化。显而易见，1991年到2010年的20年中，孝义全年和春、夏、秋三季农田土壤储水量均呈减少趋势，其中，春、夏、秋三季农田土壤储水量年际减少速率最快的为秋季，最慢的为夏季，春季居中，三季的年际平均减少速率依次为2.85mm·a－1、1.48mm·a－1、2.96mm·a－1，而全年农田土壤储水量的年际减少速率平均为2.34mm·a－1。

图2 孝义农田土壤储水量季节和年际变化Fig.2 Seasonal and Yearly Variation of Soil Water Storage in Xiaoyi

图3 兴县农田土壤储水量季节和年际变化Fig.3 Seasonal and Yearly Variation of Soil Water Storage in Xingxian

但是，在相同时间段里，兴县地区与孝义地区全年和春、夏、秋三季农田土壤储水量的年际变化趋势并不一致。具体表现为：全年和春、夏两季，兴县地区农田土壤储水量均表现为增加趋势，全年增加速率为0.01mm·a－1，春、夏两季的增加速率分别为0.22mm·a－1和0.92mm·a－1，仅存在增加速率的差别，而秋季农田土壤储水量则出现反方向变化，呈现减少趋势，年际减少速率为1.37mm·a－1。这说明，黄土高原吕梁市农田土壤储水量的年际变化趋势因时空条件发生变化而产生不同的效果，同时变化速率也与吕梁市下辖县市的不同地理位置和所处不同季节而表现不同。

表1是有关孝义和兴县春、夏、秋三季和全年平均农田土壤储水量变化与温度的关联性图表。一目了然，两地农田土壤储水量和温度都呈反比关系，即温度升高，农田土壤储水量下降。按照统计数据，1991－2010年的20年间，孝义地区气温年际变化，无论是春、夏、秋三季，还是全年平均气温都呈逐年升高趋势，但升高趋势不明显且增温幅度基本持平。春、夏、秋三季增温率分别为 0.065 ℃ ·a－1、0.074℃ ·a－1、0.091 ℃ ·a－1，全年增温率为0.077℃·a－1，基本处于春、夏、秋三季的平均水平。而同期，兴县地区的年际平均气温也表现为升高趋势。增温率分别是：春季0.065℃·a－1、夏季0.063℃·a－1、秋季0.043℃·a－1，而全年增温率也基本处于三季平均水平线，约为0.058℃·a－1。以上数据表明，虽然吕梁地区存在年际增温速度的季节和空间差异，但总体上黄土高原的吕梁市在变暖。

表1 土壤储水量与温度变化相关性Table 1 Relativity between Soil Water Storage and Temperature Change

表1是关于兴县、孝义农田土壤储水量与温度关联性检验的相关数据。根据SPSS分析得出的数据可知，孝义地区平均农田土壤储水量的年际变化与温度之间的相关性在春、夏两季和全年都达到极显著水平，在秋季这种相关性并不显著。对比之下，兴县地区平均农田土壤储水量的年际变化与温度之间的相关性在春、夏、秋三季和全年均未达到显著水平。

综合分析可知，孝义地区年内农田土壤储水量与温度的关系同比优于兴县地区，而年际变化与温度的关系环比优于年内。整体来看，黄土高原吕梁市年内和年际平均农田土壤储水量变化与温度之间并不存在密切关系，因此，全球变暖或气温升高不是该地区农田土壤储水量逐年减少的主要气候因素。