包头市固阳县近50余年气候变化及其对土壤水分的影响

李宏伟，李秀华，夏雪莲，苏 亮，杨润兵，高振江

（1.包头市气象局，内蒙古包头 014030；2.包头市农业科学研究所，内蒙古包头 014013；3.固阳县气象局，内蒙古固阳 014200）

土壤水分是调控地——气反馈过程的重要参数之一，是农业管理的重要参数[1]，也是对气候因子变异最敏感的响应指标[2]。在气候变暖已成为全球变化的主要特征的大背景下，土壤水分必然发生相应变化。侯琼[3]，方文松[4]，王彦平[5]分别针对草原、农区以及农、牧、林区进行了相关研究，结果显示不同地区、不同植被类型下的土壤水分含量均呈现出不同程度的下降趋势，在干旱化这一特征上高度吻合。

固阳县属于典型的中温带半干旱易旱农作区，大气降水是土壤水分的主要来源，土壤水分状况成为当地农业高产、稳产的主要限制因素。本研究旨在通过气候变化和土壤水分的变化规律，以期在气候变化背景下最大限度地提高农田水分利用率，为农作区水分管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

固阳县位于 109°40′～ 110°41′E，40°42′～41°29′N，地处内蒙古高原的大青山西段，属丘陵山区地貌，地势南高北低，缓缓向北倾斜。固阳县属于典型的中温带半干旱大陆性气候，冬长夏短，四季分明，气候多样，寒暑变化强烈，气温差较大，干旱多风，降水量少且年际变化大，日照充足，蒸发迅速[6]。固阳县长期以来一直是一个以传统种植、养殖为主的农业经济县，农业生产在包头市经济中占有较大的比例。

1.2 数据来源及方法

文中气象资料采用固阳县气象局1960—2012年逐旬温度、降水量和蒸发量，土壤水分资料采用固阳县气象局1982—2012年3—11月固定地段逐旬土壤相对湿度。四季划分：春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月至翌年2月。土壤水分测定从春季土壤0～10 cm冻土层完全融化到冬季土壤冻结达到10 cm时结束，每旬逢8测定。时段划分：1960—1969 年、1970—1979 年、1980—1989 年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2012年，分别代表20世纪60年代、70年代、80年代、90年代和21世纪00年代、10年代初。气候变化趋势分析采用线性趋势法[7]：y＝ax+b，a为趋势倾向率或变化率，绝对值大小反映气候要素的变化程度。

2 结果与分析

2.1 包头市固阳县近50余年气候变化特征

2.1.1 气温 由图1可以看出，固阳县1960—2012年平均气温在波动中上升，以0.041℃/a的速度增温，年均气温53年上升了约2.1℃，增温态势达极显著水平（R＝0.722 4）。与上一个年代相比，20世纪70年代、80年代分别以0.5℃和0.2℃的幅度增温，90年代最大，达0.9℃。2010—2012年平均温度虽比2000—2009年下降了0.6℃，但总趋势是逐渐变暖的，见表1。从四季来看，冬季以0.061℃/a的幅度升温，高于夏季0.036℃/a、秋季0.035℃/a和春季0.032℃/a。

表1 固阳县不同时段平均温度 ℃

2.1.2 降水量 由图2可知，自1960年以来，固阳县年均降水量1965年最少，为118.9 mm，2003年降水最多，达438.5 mm，其余年份降水量均在其间上下波动，有缓慢上升的趋势。但夏季，也就是在农作物的需水旺季，降水量却表现出缓慢下降的态势。

从表2可以看出，固阳县主要降水集中在夏季，其降水量占全年降水量的53%～68%，其次是秋季和春季，分别占16%～30%和9%～17%，冬季降水量最少，占3%左右。另一方面，从1960—2012年的6个时段的平均降水量基本呈现低－高－低－高－低－高的态势。

表2 固阳县不同时段平均降水量 mm

2.2 固阳县近30余年土壤水分变化特征

2.2.1 土壤水分年变化 将20 cm土壤相对湿度按季节进行年代间统计，由图3看出，30余年来，无论是春季、夏季、秋季还是年均土壤水分都是在波动中下降的，且下降趋势显著，其中以秋季下降速度最快，每年为0.619%，春季下降速度其次，夏季每年为0.583%，下降速度最小。从表4可以看出，土壤相对湿度与上一年代相比，20世纪90年代比80年代升高了4个百分点，21世纪前10年又急剧下降了16个百分点，2010—2012年略有回升。春季、夏季和秋季土壤相对湿度变化情况与年平均一致。

表4 固阳县不同时段平均土壤相对湿度 %

2.2.2 土壤水分年内变化 由图4看出，进入3月份，由于春季土壤解冻后的冻融作用，土壤水分迅速增加，到4月份土壤相对湿度达到最高值62.8%。4、5月份是固阳县大风日数最多的2个月，随着气温升高，风力增大，地表水分蒸发加剧，加之春播作物生长发育对水分的需求，土壤水分开始缓慢降低。入夏后降水多，土壤水分有所升高，9月份达到63.3%。之后因降水量减少，作物成熟期需水量增大，土壤水分缓慢下降。在土壤冻结前，受作物成熟后需水减少，气温降低、蒸发减弱等因素影响，土壤水分再度增加，达到全年最高值70%。

2.3 土壤水分与气候变化的关系

土壤水分是受土壤状况、作物种类和综合气象条件共同影响的，其中综合气象条件的影响较大。温度通过影响蒸发而间接影响土壤水分，温度越高蒸散越强烈，土壤丢失水分越多[8]。土壤水分的主要来源是大气降水，因此，将各季节土壤水分与本季节温度、降水量进行相关分析。结果表明：各季节土壤水分与温度呈负相关，与降水量呈正相关。其中夏季温度和降水量对土壤水分的影响最大，夏季土壤水分与夏季温度显著负相关，与降水量呈极显著正相关。其余均未达显著水平。说明在雨热同季的夏季，土壤水分的主要影响因素是温度和大气降水，而春秋季节则不显著（表5）。

表5 各季节温度、降水量与土壤水分的相关分析结果

3 结论与讨论

固阳地区53年来温度呈显著升高趋势，年均温度53年增高了大约2.1℃。其中冬季增温幅度最大，其次是夏季和秋季，春季增温幅度最小。已有研究指出中国近50年（1961—2010年）平均地表气温约增加1.3℃[9]，且北方地区较南方地区增暖幅度更为明显，尤其以东北地区和内蒙古中东部增暖速度最大[10]。

固阳地区53年来年均降水量虽呈现缓慢增加趋势，但农作物需水的旺季夏季，降水量是缓慢下降的。另外，近年来极端天气气候事件如强暴雨、强雷暴、干旱等发生频率明显增加[11]，所以短时间内降水急、降水量大也是导致年均降水量缓慢增加的重要因素。

30余年来，固阳地区土壤水分呈显著下降趋势，以秋季下降速度最快，每年为0.619%，春季下降速度其次，夏季每年为0.583%，下降速度最小。表明这一地区已呈现干旱化，刘杰[12]等对我国83个地级市的研究表明，极端降水和干旱是影响农业经济最显著的因子，极端天气气候事件与农业经济产出之间的长期均衡关系十分显著，干旱的天数每增加1%，我国农业经济产出减少0.047%。

气象条件对土壤水分的影响表现为与温度呈负相关，与降水量呈正相关。夏季温度和降水量对土壤水分的影响分别达到显著和极显著的水平，春秋两季温度、降水量对土壤水分也有影响，但不显著。

参考文献：

［1］Bindlish R，Jackson T J，Gasiewski A J，et al.Soil Moisture mapping and AMSR-E validation using the PSR in SMEX02 ［J］.Remote Sensing of Environment，2006，113（2）：127-139.

［2］薛晓萍，王 新，张丽娟.基于支持向量机方法建立土壤湿度预测模型的探讨［J］.土壤通报，2007，38（3）：427-433.

［3］侯 琼，乌兰巴特尔.内蒙古典型草原区近40年气候变化及其对土壤水分的影响［J］.气象科技，2006，34（1）：102-106.

［4］方文松，陈怀亮，刘荣花，等.河南雨养农业区土壤水分与气候变化的关系［J］.中国农业气象，2007，28（3）：250-253.

［5］王彦平，孟 军，宋卫士，等.呼伦贝尔市土壤水分与气候变化的关系［J］.水土保持研究，2009，16（4）：255-258.

［6］白国平，白月波.包头气候［M］.北京：气象出版社，2014.

［7］魏凤英.现代气候统计诊断预测技术［M］.北京：气象出版社，1999：43-47.

［8］唐红艳，么 文，尹肖飞.气候变化对内蒙古兴安盟半干旱农区土壤水分的影响［J］.干旱地区农业研究，2009（1）：74-77.

［9］胡 琦，潘学标，邵长秀，等.1961—2010年中国农业热量资源分布和变化特征［J］.中国农业气象，2014，35（2）：119-127.

［10］秦大河，丁一汇，王绍武，等.中国西部生态环境变化与对策建议［J］.地球科学进展，2002，17（3）：314-319.

［11］丁一汇，任国臣，石广玉，等.气候变化国家评估报告（I）：中国气候变化的历史和未来趋势［J］.气候变化研究进展，2006，2（1）：3-8.

［12］刘 杰，许小峰，罗 慧.极端天气气候事件影响我国农业经济产出的实证研究［J］.中国科学：地球科学，2012，42（7）：1076-1082.