气候变化背景下黑龙江省主要农区土壤湿度时空分布规律及特征研究

2017-09-22王铭何锋朱海霞纪仰慧

黑龙江气象 2017年2期

关键词：土壤湿度重量气候变化

王铭，何锋，朱海霞，纪仰慧

(黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨150030)

气候变化背景下黑龙江省主要农区土壤湿度时空分布规律及特征研究

王铭，何锋，朱海霞，纪仰慧

(黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨150030)

本研究利用黑龙江省26个县市1981－2015年土壤重量含水率数据,分析土壤湿度的空间变化规律，有针对性的选择东部代表站点绥滨县、西部代表站点泰来县、南部代表站点五常县、北部代表站点孙吴县、中部代表站点绥棱县和东南半山区代表站点穆棱县分析土壤湿度时间变化规律。结果表明：黑龙江土壤湿度空间分布与当地年降水量呈正相关，与年度平均气温呈反向相关，且黑龙江各地区土壤湿度分布差异显著。北部、中部、西部土壤干旱的趋势不断增强，东部以及牡丹江半山区土壤湿度近35 a变化趋势不明显。研究认为气候变化、农事活动对黑龙江省主要粮食产区土壤湿度分布以及变化趋势都有重要的影响。

黑龙江省；土壤重量含水率；空间分布；时间变化

1 引言

上世纪80年代以来，全球气候变化被更多的学者所关注，气候变化领域内的研究发展迅速，同时也成为前沿的、学科交叉最广泛的领域之一，在1916—2015年的100 a里，全球平均温度升高了0.78℃，前70 a全球缓慢变暖的阶段；1985年以后，全球平均温度以每10 a0.2℃的加速率升高[1]。黑龙江省气候变化也有显著加剧的特征[2]。气候变化对土壤的影响较为直接同时也具有敏感性，气候变化所导致的土壤荒漠化正在进一步加剧。在全球大范围气候变化的大背景下，进入20世纪90年代，黑龙江省春季、夏季的干旱频发；同样局地性较强的降水导致的农业渍涝也不容忽视。近年来许多研究人员大量的研究了旱涝预测、旱涝区域演变以及干旱成因，成果涵盖了生态、植物保护等领域，对指导农业生产有重大意义。植物通过根系从土壤中直接吸收水分，土壤中的水分直接影响了植物的生长。农田土壤湿度观测起步较晚，观测资料时间维度不足，观测地段少制约了空间维度的研究参考值，随着观测资料的扩容还可以继续开展土壤旱涝预测方面的研究。在同一研究区域内，当地气候背景制约着土壤水分的变化范围[3]，光照、温度、降水、空气湿度、风向、风速等气象因子中，气温、降水的影响最为直接[3－6]。本研究拟基于黑龙江省35 a来气温、降水、土壤湿度观测资料，人为选择有代表性的站点分析黑龙江省主要种植区土壤湿度的时间空间变化特征，本研究的成果将为黑龙江生态建设、防止土壤退化、改善土壤干旱化以及为农业生产提供理论参考。

2 研究资料与方法

2.1 资料来源

使用黑龙江省26个县市土壤重量含水率数据分析土壤湿度的空间变化规律。黑龙江是农业大省，是国家粮食安全的重要支撑。因此本研究着重为农业生产提供理论基础，故而选择绥滨、泰来、五常、孙吴、绥棱、穆棱分别代表东、西、南、北、中及半山区分析土壤湿度时间变化规律（表1），利用1981—2015年26个站点，2月28日－11月8日之间每旬逢8日，采用烘干称重法测定土壤重量含水率数据，测定的土层深度为0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm共5个层次。土壤相对含水率是土壤重量含水率占田间持水量的百分比，不但能体现出土壤的干湿度，而且可以在不同性质的土壤之间进行比较。

表1 黑龙江省各区域代表站点信息

2.2 研究方法

2.2.1 Mann－Kendall方法

Mann－Kendall是世界气象组织推荐并广泛应用的统计方法，能有效分辨某一自然过程是否存在确定的变化趋势。对于非正态分布的气象数据，有着较为突出的适用性，可以有效屏蔽自然波动等干预因素。

设有一长度为k的时间序列，构造秩序列dk，在小于i时刻的j时刻下：

在时间序列随即独立情况下，定义统计量：

定义dk的均值E（dk）和方差Var（dk）:

其中当UF1=0时，表示UFK为正态分布，且该正态分布具有给定的显著水平a，根据正态分布表得到临界值Ua，当UFK绝对值大于临界值时，表示该序列存在明显的增长或者减少趋势。

2.2.2 气象要素趋势系数与倾向率

rxt表示要素序列x与自然数列i的相关系数，本研究中i表示年份。n表示自然序列i的样本总数，xi是第i年的要素值。rxt＞0表示该要素序列在样本总数的n年内有线性递增的趋势，反之rxt＜0时，表示该要素序列在样本总数的n年内有线性递减的趋势[7]。

将气象要素的变化趋势用一次方程表示，即:

xt=a0+a1t（t=1，2，…，n）

式中，a1t为气候倾向率；xt为气象要素的拟合值，正负数值代表了趋势的递增与递减。

3 结果与分析

3.1 土壤湿度的空间分布

分析26个县市土壤重量含水率数据可见，黑龙江省主要农区的土壤湿度存在明显的差异。使用非参数Mann－Kendall趋势检验方法，发现近35 a来土壤湿度变化分别与年降水量、3－10月平均气温存在显著相关关系。在空间分布上来看土壤重量含水率与T3－10（3－10月平均气温）呈负相关趋势，与R（年降水量）呈正态相关，结果和文献[8]结论相吻合。三江平原东部T3－10相对偏低，R相对偏多，年平均土壤重量含水率在30%以上，可以划分为湿润地区；松嫩平原西南部T3－10相对偏高，R相对偏少，年平均土壤重量含水率不到11%，是黑龙江省的干旱区；松嫩平原东部、牡丹江西部、三江平原中部土壤湿度为24%－28%，是黑龙江省较湿润区；黑河地区、三江平原西部和松嫩平原南部土壤湿度为18%－24%，为半干旱区。

3.2 土壤湿度的时间变化规律

北部的孙吴县、中部的绥棱县土壤重量含水率存在较为明显的下降趋势，西部的泰来县土壤重量含水率下降态势剧烈，表明在近35 a土壤干旱的趋势不断增强，Mann－Kendall趋势检验表示，未来一段时间里，黑龙江上述地区的土壤湿度可能进一步下降，黑龙江中部和北部的半干旱区有可能退化。

泰来县各深度土壤湿度在近5 a存在非常明显的下降态势，1981－1985年的5 a间0－50 cm土层的重量含水率为25%，2010年以后的5 a中重量含水率为20.6%，下降了4.4%；1985－1995年这10 a间，土壤重量含水率的震荡下降幅度较小，下降趋势也比较平缓，1995年后土壤湿度波动幅度明显变大，处于低幅的年份降至12以下。气候倾向率的显著水平也说明了泰来县土壤干旱的风险正在加大。

东部的绥滨县、南部的五常县以及牡丹江半山区的穆棱县各层土壤重量含水率变化趋势较为平缓，不存在显著的上升或者下降。

4 讨论

土壤重量含水率的变化涉及到众多因子，诸如气候变化[9]、土壤属性改变、气象因子[13]、冻融作用、过度开垦、长期种植、种植结构和耕作方式等都可以引起土壤性质发生改变甚至退化。松嫩平原的黑土经过60 a的大面积开垦和连年耕作，土壤有机质含量逐渐变少，土壤容重增加，总孔隙度变小，田间持水量下降[11]引起了土壤重量含水率的下降。全球气候变化大背景下的黑龙江省气候条件改变也是引起土壤湿度变化的另一个重要原因。本研究表明土壤重量含水率的变化趋势与3-10月平均气温、年平均降水量等气候要素的变化趋势相关度高，说明气候变化与土壤重量含水率之间存在一定的关系。年平均气温的上升[12]，年平均降水量的减少[13]，地表温度的持续上升引起了土壤的干旱化。另外有学者研究认为地下水位的下降可能是引起黑龙江土壤湿度下降的原因之一[11]。

土壤湿度指标是评价农业干旱的重要指标之一，在研究领域，土壤湿度的时空变化规律对于揭示土壤退化因素有着重要的理论意义。在应用前景上，对农田干旱趋势预报、指导农业生产、合理调整作物布局和政府农业决策都具有重要的参考价值。

[1]朱海霞,宫丽娟,曲辉辉,等.1981—2010年黑龙江省夏季土壤湿度演变特征[J].气象与环境学报,2012,28( 5):34-39.

[2]高永刚,那济海,顾红,等.黑龙江省气候变化特征分析[J].东北林业大学学报,2007,35(3):47-50

[3]程德瑜.农业气候学[M].北京:气象出版社,1994:99.

[4]关锋,译.气候变化引起的复杂地形夏季土壤水分变化[EB/OL].[2011-6-20].

[5]张学霞,葛全胜,郑景云.北京地区气候变化和植被的关系—基于遥感数据和物候资料的分析[J].植物生态学报,2004,28(4):499-506.

[6]IPCCWorkingGroupⅠ.Scientificassessmentofclimatechange[R]Cambridge:CambridgePublishingHouse, 1992:58-125.

[7]施能,陈家其,屠其璞.中国近100年来4个年代际的气候变化特征[J].气象学报,1995,53(4):431-439.

[8]马柱国,魏和林,符淙斌.中国东部区域土壤湿度的变化及其与气候变率的关系[J].气象学报,2000,58(3): 278-287.

[9]孙凤华,杨素英,陈鹏狮.东北地区近44年的气候暖干化趋势分析及可能影响[J].生态学杂志,2005,24(7): 751-755,762.

[10]杨新,郭江峰,刘洪鹄.东北典型黑土区土壤风蚀环境分析[J].地理科学,2006,26(4):443-448.

[11]于丹,沈波,谢军.东北黑土区水土流失危害及其防治途径[J].水土保持通报,1992,12(20):25-34.