新乡市土壤湿度时空变化与气候变化的关系

张文冉

摘 要：本文通过分析新乡市土壤湿度的变化规律及其与气象要素的相互关系，建立气象因子与土壤湿度的回归方程。结果表明：新乡市近35a土壤年平均湿度或最低湿度显著下降，年平均土壤湿度下降0.4%左右;浅层和深层降低了土壤水分水平之间的垂直变化;新乡市不同深度的土壤水分与气温均呈显著正相关，同时随着土壤深度的变化，相关性逐渐减小;新乡市土壤水分与季节温度变化呈负相关，与降水呈正相关。土壤水分隨季节温度和降水量的二元回归方程通过了F检验，春季、秋季和冬季通过了F0.01的显著性检验，夏季通过了F0.05的显著性检验。

关键词：土壤湿度;时空分布;回归方程

中图分类号：S152.71 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0149-03

Abstract： Based on the analysis of the variation law of soil moisture and its relationship with meteorological factors in Xinxiang City， the regression equation between meteorological factors and soil moisture was established. The results show that： the annual average or minimum soil moisture in Xinxiang City had decreased significantly in the past 35 years， and the annual average soil moisture had decreased by about 0.4%; the vertical variation between shallow and deep soil moisture levels had been reduced; There was a significant positive correlation between soil moisture and air temperature at different depths in Xinxiang City， and the correlation decreased gradually with the change of soil depth; Soil moisture in Xinxiang was negatively correlated with seasonal temperature change and positively correlated with precipitation. The binary regression equation of soil moisture with seasonal temperature and precipitation passed F test， the significance test in spring， autumn and winter was 0.01， and the significance test in summer was 0.05.

Keywords： soil moisture;spatial and temporal distribution;regression equation

土壤湿度的变化会引起土壤热容量和地表反照率的改变，导致地表和低层大气之间水热平衡过程发生变化。本文通过分析新乡市土壤湿度的变化规律及其与气象要素的相互关系，建立气象因子与土壤湿度的回归方程，充分发挥气候资源的作用，保持生态平衡，对提高防灾减灾能力具有重要的理论意义和实际价值。

1 土壤湿度时空变化特征

1.1 新乡市土壤湿度年内旬变化特征

通过分析1980—2016年新乡市旬平均土壤湿度变化可知：0～50cm旬平均土壤湿度最大值出现在9月下旬，值为27.96%;土壤湿度最小值出现在6月中旬，值为16.36%。全年土壤湿度变化表现为“两头高中间低”。究其原因，在于春季多风少雨，日照多，蒸发量大;夏季由于气温高，降水分布不均，作物需水量大，蒸发蒸腾量大[1]。

通过对新乡市1980—2016年各旬10～50cm的土壤相对湿度资料进行分析可知：新乡市地区土壤湿度变化具有明显的季节特征，主要是由于6—7月气温较高，造成作物蒸腾量大，导致土壤湿度相对较低;10～50cm土壤湿度变化幅度较大，全年表现为“两峰两谷”的波浪式变化。80～100cm土壤湿度季节变化（图略）不明显，最低值出现在夏季（6—8月），浅层土壤湿度变化幅度比深层大。土壤湿度随土壤深度、季节和天气背景而变化。春季、夏季和秋季土壤水分随深度减少，冬季增长。随着深度的加深，上下土壤水分相关性逐渐减弱。

1.2 新乡市土壤湿度空间分布特征

新乡市土壤湿度的空间分布特征为：东南部高，西北部偏低。

2 土壤湿度的垂直分布特征

由于冬季（12—次年2月）温度较低，浅层土壤含水量较高，深层土壤含水量较低;春季随着气温的不断上升，大风天气偏多而降水偏少，造成表层土壤水分最小;夏季土壤水分变化主要受降水和蒸发的影响，由于夏季降水较大，土壤水分变化幅度较大;秋季浅层土壤水分较高，变化较为稳定。从土壤水分的层次变化来看，浅层（0≤-40cm）土壤水分变化幅度大于深层（50～100cm）。全年内，浅层土壤水分变化幅度较大，深层变化幅度很小[2]。

由于向下层延伸具有滞后性，滞后时间约为10d。6—8月由于气温高、蒸发量增大，上层土壤湿度相对较小，30cm以下湿度分布均匀;其他月份土壤湿度垂直变化较大。同时，存在明显的季节变化。上半年，上部土壤水分较高;6—8月土壤水分最小。由于土壤性质不同，土壤湿度最大值所处的深度也不相同。

3 土壤湿度时空变化与气候因子之间的相互关系

对于土壤湿度与气候变化之间的相互关系，国内外学者做了大量研究，主要集中在土壤湿度与降水之间的正反馈及与温度之间的负反馈。气候条件的变化可导致土壤湿度发生变化，而土壤湿度的变化同样可引起气候变化，如降水、气温等。由此也看出，气温和降水是影响土壤湿度的重要气候因子。

3.1 土壤湿度与温度的關系

温度变化对植物生长发育和地面蒸发有一定影响。由于土壤深层和浅层水分交换，温度变化对深层和浅层土壤水分也有一定影响[3]。温度变化对植物生长和地面蒸发有一定影响，由于土壤水分的交换，温度变化也会对深层和浅层的土壤水分产生影响。为了分析土壤水分与气候变化的关系，对0～30cm、40～60cm和70～100cm的土壤平均含水量进行逐年分析，建立了回归方程，（其中Y为土壤水分，T为气温变化量），如表1所示。从表1可以看出，土壤水分与气温在不同水平上的关系已达到非常显著的相关，且随着气温水平的增加，相关性逐渐降低，说明浅层土壤水分受气温的影响很大，即浅层土壤水分受气温变化的影响明显。不同深度土壤水分变化与降水量的相关性通过了极显著检验，同时深层土壤水分变化与浅层土壤水分相比，受降水的影响更大，这与土壤水分的变化有着密切关系，与前面分析的土壤水分垂直变化特征相一致。

分析新乡市各季平均土壤湿度与对应气温的定量关系，将0～30cm土壤湿度与气温的对应的季统计值进行相关分析，建立回归方程（其中Y为土壤水分，R为降水量），结果见表2。可以看出，春季、秋季和冬季土壤水分与气温呈极显著负相关，已通过F0.01的显著性检验，但夏季相关性不明显。

6—9月气温与土壤水分呈显著负相关，无论是提前还是滞后。10月到次年5月，温度与对应月份的土壤湿度为较明显的正相关，均通过α=0.1（α为F的临界值）的显著性水平检验。其中，4月气温与该月土壤湿度的相关性最大，相关系数为0.657，通过α=0.001显著性水平检验。其次，6月温度与土壤湿度相关系数达-0.562。

通过图1可知，5月的温度偏高时，该月或下月的土壤湿度相对较小。5月上旬土壤湿度或月度土壤湿度较大时，5月份平均气温偏低。此外，6—9月气温与各月土壤湿度表现为明显的负相关，均通过α=0.1的显著性水平检验。1月、2月、7月和12月温度与土壤湿度相关性不大。其中，12月气温同前期土壤湿度呈正相关，但相关系数较小。

3.2 土壤湿度与降水量的关系

通过分析0～30cm、40～60cm以及70～100cm各层土壤湿度与年降水量的相关性，建立回归方程（如表3所示）。从表3可知，不同层次的土壤水分与降水量的相关性达到了极显著水平，但随着水平的增加，相关性逐渐增强，说明用较深的土壤水分来反映年降水量的变化要好于反映浅层降水的变化，与早期分析的土壤水分垂直变化相一致。

利用新乡市各季平均40～100cm的土壤湿度与对应降水量分析其关系，将对应的季统计值进行相关分析，建立回归方程（如表4所示）。由此可知，新乡市降水主要集中在夏季，降水是影响土壤湿度的变化主要因素。春季、夏季和秋季土壤湿度与降水量均呈极显著正相关，而冬季相关不明显。

3.3 土壤湿度与气温、降水量的二元关系

通过对各季0～100cm土壤平均湿度和气温、降水量进行二元回归分析，建立了二元回归方程，如表5所示。其中，T、R分别为气温和降水量。可见，各季土壤湿度与气温和降水量的相关性十分显著。春季、秋季和冬季相关性都通过了F0.01的显著性检验，夏季的相关性通过了F0.05的检验。

3.4 土壤湿度与日照时数、土壤温度的关系

日照时数对土壤湿度的影响主要通过土壤表面的蒸腾来体现，同时蒸腾又与土壤温度关系密切，因此土壤温度对土壤湿度具有重要影响，尤其是5—8月的土壤温度对土壤湿度影响最大。本文统计新乡市5月1日—8月31日的土壤湿度变化趋势，对每天每层土壤湿度和土壤温度求算术平均值。从日平均湿度和温度走势来看，0～40cm内土壤湿度和土壤温度变化基本一致，土壤湿度与土壤温度表现为负相关，计算的相关性也说明了这一点。

研究表明，土壤湿度对土壤温度的变化有着重要影响，各层土壤湿度与土壤温度密切相关，土壤温度对土壤中水分的变化和运动具有重要影响。

本文选取0～30cm深度的湿度值研究土壤湿度变化的影响因素及其关系，并对两者关系进行拟合得出回归方程，并对建立的回归方程进行了α=0.05的显著性检验。可以看出，两者关系非常密切，如图2所示。

4 结论

本文根据1980—2016年新乡市气象站资料分析土壤水分与气象因子的关系发现：

①新乡市近35a土壤年平均湿度或最低湿度显著下降，年平均土壤湿度下降0.4%左右;浅层和深层降低了土壤水分水平之间的垂直变化。

②新乡市不同深度的土壤水分与气温均呈显著正相关，同时随着土壤深度的变化，相关性逐渐减小。

③新乡市土壤水分与季节温度变化呈负相关，与降水呈正相关。土壤水分随季节温度和降水量的二元回归方程通过了F检验，春季、秋季和冬季的显著性检验为0.01，夏季的显著性检验为0.05。

参考文献：

[1]孔凡忠，刘继敏，张翠英，等.鲁西南地区土壤墒情变化规律分析[J].中国农业气象，2008（2）：162-165.

[2]李树岩，陈怀亮，方文松，等.河南省近20年土壤湿度的时空变化特征分析[J].干旱地区农业研究，2007（6）：10-15.

[3]林洁，陈效民，张勇.气候变化与土壤湿度关系的研究进展[J].土壤通报，2012（5）：1271-1276.