近50年京津冀气候变化及其对土壤水分的影响

于占江， 杨 鹏

(1.南京信息工程大学，江苏 南京 210044； 2.石家庄市气象局，河北 石家庄 050081)

京津冀包括北京市、天津市和河北省，属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，一年内四季分明，地域广阔，由西北向的燕山-太行山山系构造向东南逐步过渡为平原，呈现出西北高东南低的地形特点[1]。近50年来，随着京津冀工农业的高速发展和人口的不断增加，加上受全球气候变暖的影响，京津冀水资源承载力已发生明显的衰变迹象，同时地下水开采量占总用水量的80%以上，总用水量的1/3依靠超采地下水维持，已成为最受关注的问题，目前京津冀地区的水资源承载能力超过警戒线，对于工农业生产造成的不利风险突出。土壤湿度是地表水文过程的一个综合指标，既体现了降水和蒸发的综合作用，同时也受到地表径流、土壤水下渗的综合影响。林洁等[2]研究结果表明，温度和降水是影响土壤水分的主要气象因子。GOYAL等[3-6]报道，土壤水分一方面受降水、蒸发和太阳辐射等气候因素的影响，另一方面也受土地利用、灌溉和耕作措施等人为因素的影响。郭维栋等[7]研究表明，土壤水分的变化使得地表的各种参数相应地发生改变，进而对气候变化产生影响，反之，气候变化也能够使土壤的含水量发生变化，其影响主要体现在年代际和年际尺度上。卞韬等[8-11]分析了我国不同地区的多年温度变化特征、气温和降水变化特征。王绍武等[12]对近百年全球气候变暖进行了分析。尤卫红等[13]研究了连续小波变换在云南近百年气温和降水变化分析中的应用。

在已有的研究中，关于气候变化对土壤湿度影响主要分为两类，一类是利用实测资料对气候变化和土壤水的关系进行探讨和诊断分析，另一类是通过运用大气环流模式及陆面模式或陆气耦合模式对两者关系进行数值模拟的研究。笔者采用第一类方式，利用气象和农业气象观测站的气象要素观测资料和土壤湿度观测数据，重点分析0～50 cm土层土壤湿度的变化规律及其与气温、降水及蒸发的关系，旨在探明土壤水分时空变化及其对气候变化的敏感性，以期为农业生产评估及气候评价提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

数据由中国气象局气象科学共享服务平台(http://data.cma.cn/)提供，时间序列为1961-2015年。在京津冀地区200多个气象站中选择气温、降水、蒸发皿蒸发量等时间较长的完整序列，测站环境评分均在70分以上(按照中国气象局对测站探测环境评分标准评分)且均匀分布的87个气象站数据，并对错误数据以及缺测较为严重的台站数据进行剔除处理[14]。蒸发量观测20世纪70年代初期趋于完善，2013年由人工观测改为自动观测，为了数据的一致性，蒸发量数据时间序列为1971-2015年。农业气象观测站观测起始于20世纪80年代，每月的8日、18日和28日进行观测，选取京津冀地区32个农业气象观测站10 cm、20 cm和50 cm 3个不同土层土壤相对湿度数据。对每个站点的气象资料进行了整理，获取年份和季节序列。其中，春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12月至次年2月。

1.2 研究方法

利用线性倾向估计法分析气温、降水、蒸发量等气候变化特征，利用相关系数法分析土壤相对湿度与气温、降水和蒸发量的相关性，并利用线性倾向估计法分析各个影响因子的变化趋势。

1.2.1 气候倾向率 将气候要素x的趋势变化用一次性方程，即为气象要素的拟合值表示，其方程如下。

(1)

1.2.2 相关系数 为弄清气象要素在气候变化中升降的定量程度，并对其进行统计检验，计算了土壤相对湿度与各要素序列之间的相关系数(rxt)[15]。

(2)

1.3 气候变化与土壤相对湿度的相关性

气温、降水的变化对植株生长发育和地面蒸发有一定影响，同时影响土壤深浅层水分的交换。研究选取冀东滦河区域遵化市作为研究区域，统计分析不同季节下气温、降水、蒸发量与10 cm、20 cm和50 cm不同深度土壤相对湿度的关系。利用多元回归方法建立不同季节、不同深度土壤相对湿度与气温、降水量和蒸发量的多元回归方程，以此弄清气候变化对土壤水分的影响。

2 结果与分析

2.1 气候变化特征

2.1.1 气温 从图1看出，1960-2014年京津冀地区年平均气温、平均最高气温和平均最低气温的变化趋势基本保持一致，呈逐渐上升趋势，倾向率分别为0.25℃/10a、0.17℃/10a和0.39℃/10a，相关系数均通过0.01显著性水平检验。平均最低气温倾向率最大，升温最快，其次是平均气温，平均最高气温升温最慢，近56年的平均气温、平均最高气温、平均最低气温分别上升2.2℃、1.4℃和1.0℃。

图11960-2014年京津冀地区年平均气温、最高气温和最低气温的变化

Fig.1 Variation in annual average,maximum and minimum temperature in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1960-2014

从图2可知，1988年是京津冀地区平均气温正、负距平分界线，1988年之前以负距平为主，正距平仅占14.3%，而在1988年之后以正距平为主，占75%。1997-2009年连续13年呈偏暖状态。表明，气温变化存在明显的季节性差异，春季、夏季、秋季和冬季平均气温倾向率分别为0.303 ℃/10a、0.176 ℃/10a、0.121 ℃/10a和0.369 ℃/10a，且均通过显著性检验(a=0.05)，以冬季贡献最大，升温最快，秋季最小。

图2 1960-2014年京津冀地区年平均气温距平的变化

Fig.2 Variation in annual average temperature anomaly curve in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1960-2014

2.1.2 降水 从图3看出，1960-2015年京津冀地区年平均降水量距平值均呈波动下降趋势，气候倾向率为-9.6 mm/10a，未通过显著性检验(a=0.05)。说明，近56年来京津冀年平均降水量下降趋势不显著。春季和秋季降水量均呈增加趋势，其均值分别为67.20 mm和88.11 mm，气候倾向率分别为3.23 mm/10a和3.92 mm/10a，均未达显著性水平，秋季降水量增幅略大于春季；夏季降水量均值为359.51 mm，气候倾向率为-16.76 mm/10a，且通过显著性检验(a=0.05)，呈明显减少趋势，有明显年代际变化。近56年来京津冀地区年平均降水量空间分布不均，由东南向西北方向整体呈逐渐递减趋势(图4)。

图3 1960-2015年年平均降水量距平的变化

Fig.3 Variation in annual average precipitation anomaly curve in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1961-2015

图4 京津冀年平均降水量空间分布

Fig.4 Spatial distribution of average precipitation in Beijing-Tianjin-Hebei Region

2.1.3 蒸发量 从图5看出，1970-2015年京津冀区域蒸发皿蒸发量的逐年变化呈显著下降趋势，气候倾向率为-54.9 mm/10a。蒸发量呈季节性，春季、夏季、秋季和冬季蒸发量均值611.7 mm、626.1 mm、334.3 mm和141.6 mm，气候倾向率距平百分率分别为-4.7%/10a、-1.7%/10a、-4.0%/10a和-2.8%/10a，春季蒸发量下降速率大于夏季，夏季平均蒸发量占全年平均蒸发量的37%，蒸发速率在4个季节中最大，平均蒸发量依次为夏季>春季>秋季>冬季，蒸发量下降速率依次为春季>秋季>冬季>夏季。

图5 1970-2015年京津冀蒸发皿蒸发量变化

Fig.5 Variation in pan evaporation in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1970-2015

2.2 土壤水分的变化特征

2.2.1 水分常数的分布 土壤水分常数是根据土壤水所受的力及其与作物生长的关系，在一定的条件下测得的土壤含水量。通常用土壤凋萎系数、田间最大持水量和土壤容重等表达。土壤凋萎系数是指植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，也称凋萎含水率或萎蔫点；土壤容重是一定容积的土壤(包括土粒及粒间的孔隙)烘干后的重量与同容积水重的比值，又称土壤假比重；田间持水量指在地下水较深以及排水较好的土地上灌水或降水充分后，在防止水分蒸发的前提下经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量。从图6看出，在空间分布上，土壤凋萎系数和土壤最大田间持水量均从西北坝上高原地区向东南部平原地区递增；土壤容重则呈相反的分布趋势，由西北向东南呈递减趋势。其分布特点主要由当地的土壤性质和结构决定。

图6 0～50 cm土壤凋萎系数、容重及田间持水量的空间分布

Fig.6 Spatial distribution of wilting coefficient,soil volume weight and field moisture holding capacity of soil with 0-50 cm depth

2.2.2 土壤相对湿度 从图7看出，京津冀地区0～50 cm土层土壤相对湿度为55%～85%，在北部自西向东递增，在南部自西向东递减。从图8可知，随着土层深度的增加，土壤相对湿度逐渐增大，其年际间呈波浪型变化，不同土层土壤相对湿度年际变化趋势一致。2010年以后，10 cm、20 cm和50 cm土壤相对湿度呈下降趋势，且下降速率较快，下降趋势较为显著。

2.3 气候变化对土壤相对湿度的影响

从图9看出，土壤相对湿度与降水量的年变化趋势基本保持一致，呈正相关性，尤其在1998年、2008年和2012年峰值处吻合较好，土壤相对湿度分别为79%、74%和93%；而与蒸发量(蒸发皿蒸发以蒸发量1/2表示)年变化趋势呈负相关。降水量较多年份，年蒸发量较小，年平均土壤相对湿度较大；降水量少的年份，年蒸发量较大，年平均土壤相对湿度较小。

图7 0～50 cm土壤相对湿度的空间分布

Fig.7 Spatial distribution of relative humidity of soil with 0-50 cm depth

图8 1996-2015年京津冀地区土壤相对湿度的年变化

Fig.8 Annual variation of soil relative humidity in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1996-2015

图9 1996-2015年京津冀地区年平均降水量、蒸发量和土壤相对湿度的变化

Fig.9 Variation in annual average precipitation,evaporation and soil relative humidity in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1996-2015

从表1可知，京津冀地区不同季节的气温、降水、蒸发量与10 cm、20 cm和50 cm土层土壤相对湿度的相关性存在差异，10 cm、20 cm和50 cmF值(平均)分别为9.418 0、7.942 0和8.091 1。不同深度土壤相对湿度与降水量呈显著正相关，与气温、蒸发量呈负相关，夏季最为显著，秋季次之，春季较差；10 cm浅层土壤相对湿度受年降水量的影响最为显著。

表1 土壤相对湿度(y)与气温(t)、降水(r)及蒸发量(v)的关系

注：*表示通过0.05显著性检验。

Note: * indicates significance of difference atP<0.05 level.

3 结论与讨论

研究结果表明，近50年来，京津冀地区平均气温升高显著，以冬季最为明显；平均降水量整体呈减少趋势，空间分布由东南向西北方向逐渐递减；蒸发皿蒸发量呈下降趋势。土壤凋萎系数和土壤最大田间持水量从西北坝上高原地区向东南部平原地区递增；土壤容重由西北向东南呈递减趋势。土壤相对湿度与降水量呈显著正相关，与气温、蒸发量呈负相关，夏季最为显著，秋季次之，春季较差；降水量对10 cm浅层土壤的相对湿度影响较大。

气温、降水和蒸发量都与土壤湿度有一定的相关关系，说明气温高、降水少、蒸发快是导致京津冀地区土壤干化趋势明显的原因之一。干旱的发生和加剧给农业生产造成严重的危害，在全球变暖的气候背景下，干旱面积在不断扩大，京津冀地区的土壤湿度对气温和降水都较为敏感，旱涝灾害频发的可能性增大，因此，应该采取各种措施提高雨水资源的利用率，必要时采取灌溉措施对土壤湿度进行调控[16-17]。