贵州温暖湿润农业气候区土壤湿度与气象因子关系研究

(.成都信息工程大学 大气科学学院,四川 成都605;.成都市环境保护科学研究院,四川 成都6007)

贵州温暖湿润农业气候区土壤湿度与气象因子关系研究

祖 坤1,漆定梅2,张 碧1,常姝婷1,袁淑杰1
(1.成都信息工程大学 大气科学学院,四川 成都610225;2.成都市环境保护科学研究院,四川 成都610072)

土壤湿度是揭示地表水分变化过程最为直接的参数,对气候变化起着非常重要的作用,同时影响着农作物的产量。气象因子与土壤湿度关系密切,对土壤湿度的变化起着决定性作用。开展贵州省温暖湿润农业气候区土壤湿度与气象因子关系研究,对深入认识和了解该区域土壤水分变化具有重要的意义。利用贵州温暖湿润农业气候区2011—2015年逐日日平均土壤温度、风速、日照时数、降水量、空气湿度、土壤湿度等气象资料,运用统计方法,分析了不同条件下1月、4月、7月土壤温度、风速、辐射与土壤湿度的关系。结果表明:①降水量和空气湿度不同,土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系不同。②当降水量和大气湿度相对较少时,如果土壤温度升高，风速、辐射增加,土壤湿度降低。

贵州温暖湿润农业气候区;土壤湿度;气象因子

土壤湿度是揭示地表水分变化过程最为直接的参数,对气候变化起着非常重要的作用。土壤湿度作为气候变化研究中的一个重要的物理量,一直受到人们的重视。气候异常变化和极端天气的出现都与土壤湿度的异常变化有关,土壤湿度还影响农作物的产量。气象因子与土壤湿度关系密切,对土壤湿度变化起着决定性作用。国内外学者对两者之间的关系已进行了许多研究。方文松等[1]利用南阳市1981—2001年的气象观测资料和土壤湿度资料,得出土壤湿度与各季气温变化呈明显的负相关,与降水量呈明显正相关;程善俊等[2]利用1948—2010年黄土高原半干旱区气温、降水和土壤湿度资料,得出土壤湿度和降水呈正相关关系,且相关性随深度增加而逐渐减小,与气温呈负相关关系,深层相关性大于表层;邓文君等[3]利用1965—2005年美国NASA10cm土壤浅层月平均土壤湿度资料和中国南方168个站点降水资料,得出10cm土壤湿度与降水成正相关关系;姜丽霞等[4]利用黑龙江32个农业气象站1980—2005年作物生长季的旬土壤湿度、月平均气温和月降水资料,得出作物生长季内表层土壤湿度与气温呈极显著负相关关系,与降水呈极显著正相关关系,以气温更为显著;王磊等[5]利用中国西北区西部7个农业试验站1981—2001年0—40cm的土壤湿度、降水、气温、水面蒸发和相对湿度观测资料得出土壤湿度和气候因子之间存在相互响应的关系,土壤湿度与气温普遍存在负相关,土壤湿度与降水之间总体响应不明显;王丹等[6]采用1984—2007年黑龙江省73个气象观测站的气温、降水数据和13个土壤湿度观测站土壤观测数据,利用EOF、相关分析等数理分析方法,对黑龙江省土壤湿度与气温、降水量之间的关系进行了研究,得出不同区域土壤湿度与气温、降水量之间的关系不同;Seyfried等[7]对森林土壤湿度与蒸发的关系进行了研究与讨论,并建立了相关模型;马志红[8]利用相关分析、趋势倾向率分析等方法,分析了郑州市近30年土壤湿度与气温、降水的关系,得出各季节影响土壤湿度的主要因子不同,春季气温是影响土壤湿度变化的主要限制因子,夏秋两季主要受降水变化影响,冬季受气温的影响大于降水的影响。

本文在借鉴前人研究的基础上,运用2011—2015年贵州省温暖湿润农业气候区土壤湿度及气象因子逐日自动观测资料,分析气象因子对土壤湿度的影响,对更深入地认识和了解该区域土壤水分变化具有十分重要的意义。

1 研究区域概况

贵州省属温暖湿润的农业气候区,主要是指铜仁地区。铜仁地区位于贵州高原东部、武陵山区腹地,属亚热带温暖湿润性季风型气候,常年年平均气温在15℃左右,平均年降水量在1000—1400mm,年平均相对湿度在86%左右,光照条件较差。本文选取贵州省铜仁、施秉两个农业气象观测站进行土壤湿度与气象因子关系研究。

2 资料来源和研究方法

2.1 资料来源

本文所用资料均来自贵州省气象局的铜仁、施秉两个农业气象观测站观测资料,包括2011—2015年逐日日平均土壤温度、风速、日照时数、降水量、空气湿度和土壤湿度(土壤湿度指0—10cm的相对湿度)。

2.2 研究方法

滑动平均法:对样本量为n的序列x,其滑动平均序列表示为:

(1)

式中,k为滑动长度。

相关分析法:将自变量与因变量做相关性分析,得到相关系数r,判断相关性是否通过显著性检验。

回归分析法:对数据进行拟合分析,根据数学模型拟合后的系数,分析拟合结果的优劣,得到拟合度较好的数学模型。

太阳总辐射模型:根据前人研究结果,太阳总辐射可表示为[9]:

Q=Q0×(a+b×s)

(2)

式中,a、b为经验系数,s为日照百分率,Q0为某日某地水平面得到的天文辐射,计算公式为:

(3)

ωs=arccos(-tanφtanδ)

(4)

式中,φ为该地纬度,δ为太阳赤纬。本文辐射均指太阳总辐射。

3 土温、风速、辐射与土壤湿度的关系

气象要素对土壤湿度的影响有一定的滞后性。即某日土壤湿度并不与当日气象要素有关,而是与前几日或前几十日气象要素滑动平均值相关性更好,不同气象要素滑动天数也会不同。刘丽霞[10]等研究表明,40天滑动累积降水量和10天滑动平均大气湿度与土壤湿度相关性较好。因此,本文中降水量指40天滑动累积降水量,大气湿度指10天滑动平均大气湿度、土壤温度、风速、辐射均指滑动平均值。

3.1 施秉土温、风速、辐射与土壤湿度关系

我们对施秉2011—2015年逐日平均土壤温度、平均风速、辐射分别进行不同日数滑动平均并与土壤湿度做相关性分析,表1中相关系数(r值)越大,两者相关性越好;负值表示负相关,结果见表1。从表1可见,逐日平均土壤温度40天滑动平均值、平均风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度的相关系数最大,即相关程度最好,本文分别对1月、4月、7月建立回归方程进行讨论。

表1 施秉日平均土壤温度、风速、辐射滑动日数与土壤湿度的相关系数(r值)

1月土温、风速、辐射与土壤湿度的关系:施秉2011—2015年1月降水量较其他月偏少。表2为降水量40天滑动累积值(简称“降水量”)小于30mm、大气湿度10天滑动平均值(简称“大气湿度”)70%—85%、土壤温度、风速、辐射分别进行40天滑动平均、15天滑动平均、20天滑动平均与土壤湿度的回归模型和相关系数,均通过0.05水平的显著性检验,其中辐射与土壤湿度相关程度最高。土壤温度40天滑动平均值与土壤湿度呈正相关;风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即土壤温度升高、土壤湿度增加;风速、辐射增加,土壤湿度降低。

表2 施秉土温、风速、辐射与土壤湿度关系(2011—2015年1月)

注:**表示通过0.05水平的显著性检验，表3—6、表8—12同。

4月土温、风速、辐射与土壤湿度的关系:施秉2011年4月降水比2012—2015年4月偏少,处于干旱情况。表3为施秉2011年4月降水量在30—50mm、大气湿度70%—85%、土壤湿度30%以下时,土壤温度40天滑动平均值、风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数。土壤温度、风速、辐射与土壤湿度的相关性均通过了0.05水平的显著性检验,土壤温度与土壤湿度相关性最高;土壤温度40天滑动平均值、风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值均与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、风速、辐射增加,土壤湿度降低。

表3 施秉土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2011年4月)

施秉2012—2015年4月降水量较2011年偏多。表4为降水量在150—300mm、大气湿度75%—90%、土壤湿度70%—100%、土壤温度40天滑动平均值、风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数。土壤温度、风速、辐射与土壤湿度相关性均通过0.05水平的显著性检验,土壤温度与土壤湿度的相关程度最好。土壤温度40天滑动平均值、风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、风速、辐射增加,土壤湿度降低。

表4 施秉土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2012—2015年4月)

7月土温、风速、辐射与土壤湿度的关系:施秉2011年7月降水量较2012—2015年7月偏少。表5为降水量在150—250mm、大气湿度65%—80%、土壤湿度20%—60%、土壤温度40天滑动平均值、风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数。土壤温度、风速、辐射与土壤湿度的相关性均通过0.05水平的显著性检验,其中土壤温度与土壤湿度的相关程度最好。土壤温度40天滑动平均值、风速15天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、风速、辐射增加,土壤湿度降低。

表5 施秉土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2011年7月)

施秉2012—2015年7月较2011年7月降水偏多。表6为降水量大于300mm、大气湿度为80—100%时,土壤温度40天滑动平均、辐射20天滑动平均与土壤湿度的回归模型和相关系数。结果表明,土壤温度与土壤湿度的相关性最好。土壤温度40天滑动平均值、辐射20天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、辐射增加,土壤湿度降低。风速15天滑动平均值与土壤湿度相关性未通过水平为0.05的显著性检验,故不进行拟合分析。

表6 施秉土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2012—2015年7月)

综上所述,在上述5种情况下,施秉的土壤温度与土壤湿度的相关性均通过0.05水平的显著性检验,只有2011—2015年施秉1月土壤温度偏高时降水量也较其他天数偏多,土壤温度与土壤湿度呈正相关；其余情况下,施秉的土壤温度与土壤湿度呈负相关。即当降水量和大气湿度相对较少时,随着土壤温度的升高,土壤湿度降低。只在一种情况下,风速与土壤湿度未通过0.05水平显著性检验,其余情况的风速与土壤湿度均通过0.05水平显著性检验并呈负相关。当降水量和大气湿度相对较少时,随着风速的增加,土壤湿度降低。在上述五种情况下,辐射与土壤湿度的相关性均通过0.05水平的显著性检验,并呈负相关;当降水量和大气湿度相对较少时,随着辐射的增加,施秉的土壤湿度降低。

3.2 铜仁土温、风速、辐射与土壤湿度关系

本文对铜仁2011—2015年逐日平均土壤温度、平均风速、辐射分别进行了不同日数的滑动平均和土壤湿度做了相关性分析,结果见表7。从表7可见,逐日平均土壤温度40天滑动平均值、平均风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度的的相关系数最大,即相关程度最好。本文分别对1月、4月、7月建立了回归方程并进行了讨论。

表7 铜仁日平均土壤温度、风速、辐射滑动日数与土壤湿度的相关系数(r值)

1月土温、风速、辐射与土壤湿度的关系:表8为贵州省铜仁2011—2015年1月降水量小于30mm、大气湿度70%—85%、土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数。结果表明,辐射与土壤湿度的相关程度最高。铜仁的土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、风速、辐射增加,土壤湿度降低。

表8 铜仁土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2011—2015年1月)

4月土温、风速、辐射与土壤湿度的关系:铜仁的降水量2011年4月降水量较2012—2015年4月偏少。表9为降水量在小于55mm、大气湿度范围在70%—90%、土壤湿度小于60%的条件下,土壤温度40天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数,辐射与土壤湿度相关性最高。土壤温度40天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、辐射增加,土壤湿度降低。风速10天滑动平均值与土壤湿度相关系数为r=0.2003,相关性未通过水平为0.05的显著性检验,故不进行拟合分析。

表9 铜仁土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2011年4月)

表10 铜仁土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2012—2015年4月)

铜仁2012—2015年4月的降水量较2011年偏多。表10为铜仁降水量在大于150mm、大气湿度为80%—95%、土壤湿度大于70%、土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数,辐射与土壤湿度的相关程度最高。土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、风速、辐射增加,土壤湿度降低。

7月土温、风速、辐射与土壤湿度的关系:铜仁2011年7月的降水量较2012—2015年7月偏少。表11为降水量小于350mm、大气湿度65%—80%、10cm土壤相对湿度小于64%的条件下,2011年7月土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数。结果表明,风速与土壤湿度的相关程度最高。土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、风速、辐射增加,土壤湿度降低。

表11 铜仁土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2011年7月)

铜仁2012—2015年7月降水量较2011年7月偏多。表12为降水量大于450mm、大气湿度在85%—100%、10cm土壤相对湿度超过60%的条件下,2012—2015年7月土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度的回归模型和相关系数,表明地表温度与土壤湿度的相关性最好。土壤温度40天滑动平均值、风速10天滑动平均值、辐射25天滑动平均值与土壤湿度呈负相关。即如果土壤温度升高、风速、辐射增加,土壤湿度降低。

表12 铜仁土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系(2012—2015年7月)

综上所述,在上述五种情况下,铜仁土壤温度与土壤湿度的相关性均通过水平为0.05的显著性检验,并呈负相关。当降水量和大气湿度相对较小时,随着土壤温度的升高,土壤湿度降低。只有在一种情况下风速与土壤湿度未通过水平为0.05的显著性检验,其余情况的风速与相对湿度均通过水平为0.05的显著性检验并呈负相关。当降水量和大气湿度相对较小时,随着风速的增加,土壤湿度降低。在上述五种情况下,辐射与土壤湿度的相关性均通过水平为0.05的显著性检验,并呈负相关。当降水量和大气湿度相对较小时,随着辐射的增加,土壤湿度降低。

4 讨论及结论

综上所述,土壤温度、风速、辐射与土壤湿度关系密切,但在不同的降水量和空气湿度下,土壤温度、风速、辐射对土壤湿度的影响不同。主要表现为:①土壤温度与土壤湿度的相关性均通过0.05水平的显著性检验。当降水量和大气湿度相对较小时,土壤温度与土壤湿度呈负相关关系。随着土壤温度的升高,土壤湿度降低。施秉2011—2015年1月降水量较多,土壤温度与土壤湿度呈正相关，随着土壤温度的升高,土壤湿度升高。②大多数情况下,风速与土壤湿度通过了0.05水平的显著性检验,并呈负相关关系。当降水量和大气湿度相对较小时,随着风速的增加,土壤湿度降低。③辐射与土壤湿度的相关性均通过0.05水平的显著性检验,并呈负相关关系。当降水量和大气湿度相对较小时,随着辐射的增加,土壤湿度降低。

气象因子对土壤湿度变化起着决定性作用,本文的讨论再一次证实了这一结论,但两者关系复杂。当降水量和空气湿度不同时,土壤温度、风速、辐射与土壤湿度的关系不同。本文研究成果为今后土壤湿度的预测、土壤湿度和气象因子的关系研究等方面的理论研究和应用提供了参考与借鉴。

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StudyonRelationshipBetweenSoilHumidityandMeteorologicalFactorsinWarmandMoistAgro-climaticZonesofGuizhouProvince

ZU Kun1,QI Ding-mei2,ZHANG Bi1,CHANG Shu-ting1,YUAN Shu-jie1
(1.School of Atmospheric Sciences,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China;2.Chengdu Academy of Environmental Sciences,Chengdu 610072,China)

Soil humidity was the most direct indicator that revealed the variation of moisture of the earth′s surface,which played an crucial role in changing the climate and also effects on the output crops.Meteorological factors closely associated with soil moisture,and played an significant role in the change of soil humidity.The launch of this study on the relationship between soil humidity and meteorological factors in warm and moist agroclimatic zones of Guizhou was meaningful for acquiring in-depth understanding of the variation in soil moisture in karst landform.This paper used statistical methods to analyze the relationships between soil humidity and three other factors:Soil temperature,wind speed and radiation in January,April and July under different conditions based on daily meteorological data collected from 2011 to 2015 in warm and moist agroclimatic zones of Guizhou,China.The data included but was not limited to average daily soil temperature,wind speed,sunlight hours,precipitation,air humidity,soil humidity.The results indicated that:Firstly,the relationships between soil humidity and three other factors:Soil temperature,wind speed and radiation were not alike under different amount of precipitations and air humidity.Secondly,when the amount of precipitation and air humidity were small,soil humidity decreased when soil temperature,wind speed the amount of radiation increased.

Guizhou warm and moist agroclimatic zones;soil humidity;meteorological factors

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.02.008

P463.23；X16

A

1005-8141(2017)02-0165-04

2016-12-21；

2017-01-03

成都信息工程大学科研基金项目(编号:KYTZ201305);国家自然科学基金项目(编号:41365008);干旱气象科学基金项目“四川省玉米干旱灾害风险评估研究”(编号:IAM201304)。

祖坤(1994-),男,云南省昆明人,本科,主要从事应用气象学、气象防灾减灾等方面的研究。

袁淑杰(1966-),女,河北省抚宁人,博士,教授,主要从事应用气象、气象防灾减灾等方面的研究。