吉林省春季土壤湿度与气候因子关系

郭 巧 王冬妮 李忠辉 晏晓英

（吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062）

1 引言

土壤湿度是表征土壤干湿程度的重要指标，其时空变异是国内外研究的热点[1-3]。大量研究表明，土壤湿度时空变异是由多重尺度上的土地利用、气象、地形、土壤质地、人为活动等因子综合作用的结果。就某一具体地区而言，存在重点尺度和主控因子。气候因子（尤其是降水）具有空间差异大、时间变化频率高等特点，是影响土壤湿度变异最为重要的因子。观测研究是分析土壤湿度及其变化的最直接准确的手段[4]。王杰等[5]研究了吉林省春季土壤水分的空间分布，指出田间持水量和降水量是影响吉林省土壤含水率分布的主要因素。姜丽霞等[6]研究表明，气温和降水量是影响松嫩平原作物生长季表层土壤湿度变化的主要气候因素。韩俊杰等[7]研究表明，土壤湿度空间分布与气温、降水量空间分布分别呈负相关和正相关。马晓刚[8]基于秋季降水量制作春播关键期土壤墒情预测。马柱国等[9]研究表明，20世纪80年代中国东部区域土壤湿度与气温呈负相关关系，与降水量呈正相关关系。前人研究得到比较一致的结论是气温、降水量是影响土壤湿度的主要气候因子，但主控因子、影响程度等仍存在区域差异。就吉林省而言，气温、降水对春季土壤湿度影响程度、影响时效等问题仍是空白。本文以吉林省春季候尺度土壤湿度资料为基础，在季节尺度上揭示春季土壤湿度与气温、降水量2个气候因子的关系，在候尺度上揭示气温、降水量2个气象因子的影响时效问题，对科学认识气候因子对土壤湿度的影响、指导农业生产实践均具有重要意义。

2 资料和方法

2.1 研究区概况

吉林省位于我国东北地区中部，有耕地553.78万hm2，占全省土地总面积的29.6%。全省地势由东南向西北倾斜，呈现明显的东南高、西北低的特征，以中部大黑山为界，分东部山地和中西部平原两大地貌区，中西部平原区是我国重要的商品粮基地之一。吉林省属于温带大陆性季风气候，光、热、水季节、区域差异较大。全省年均气温为2.8～7.6℃；年均日照时数为2 133～2 904h；年均降水量为371～918mm，其中80%降水集中在夏季，以东部降水量最多。西部是吉林省较为干旱的地区，历史上就有“十年九旱”“八百里旱海”之称，尤以春旱最为严重，频率可达60%～70%。

2.2 资料与预处理

本研究整理了全省45个土壤墒情观测站点2003—2018年春季候（2013年及以前年份逢3日、8日观测，2014年开始逢5日、10日观测）土壤含水量及对应田间持水量数据，以上数据来自各观测站。由于土壤含水量受其质地影响，不适合站点、区域之间横向比较。因此按式（1）将其换算为土壤相对湿度。土壤相对湿度达到田间持水量（fc）后记为99。将土壤相对湿度侯值处理为年值。

式中，R为土壤相对湿度，单位为%；W为土壤重量含水量（g/g）；fc为土壤田间持水量（g/g）。

根据吉林省气候、土壤、植被等方面的地理差异，将土壤湿度观测站分为西部、中部、东部3个区域，具体分区情况见图1。

图1 吉林省土壤湿度观测站分布

考虑前一年秋冬季气候因子对第二年春季土壤湿度的影响。因此，选取2002—2018年45个土壤湿度观测站逐日平均气温、降水量数据，数据来源于吉林省气象信息中心。

2.3 研究方法

2.3.1 空间分区

应用克里金空间插值方法，对4个层次土壤相对湿度进行空间插值，生成栅格数据。参照北方春玉米干旱等级[1]和吉林省干旱业务服务指标，定义土壤相对湿度干旱等级为重旱：R≤40%；中旱：40%＜R≤50%；轻旱：50%＜R≤60%；适宜：60%＜R≤90%；过湿：R＞90%。据此，对上述栅格数据进行重新分类，生成不同层次土壤相对湿度空间分布。

2.3.2 时滞相关分析

土壤湿度与气候因子之间存在滞后性，因此采用时滞相关分析法[10-11]。即，不同时滞下土壤湿度与气温、降水量的相关系数。具体方法如下式：

式中，n为序列的样本数；k为滞后时间（k=0，±1，±2，……），根据经验其数值≤n/4。

3 结果与分析

3.1 春季土壤相对湿度时空分布

图2为不同层次2003—2018年平均土壤相对湿度分布。可见，吉林省土壤相对湿度总体上呈西低东高分布趋势，各层次分布趋势基本一致；但随着深度增加，中旱、轻旱范围逐渐缩小或消失，过湿的范围逐渐扩大。高值区在东南部白山、通化一带，由此地向西北、东北两个方向逐渐下降，最低值出现在西部偏南区域。从10cm、15cm、20cm、30cm各层次看，西部依次为60%、63%、66%、66%；中部依次为81%、84%、85%、87%；东部依次为86%、88%、89%、89%。可见，在3个区域均为10cm＜15cm＜20cm＜30cm。西部湿度值在40%～70%，尤其偏南的白城、洮南、通榆、长岭、乾安等地，表层10cm湿度值在40%～60%，是吉林省春旱最严重的地区。中部为过渡地带，湿度值多在70%～85%。东部湿度值多在80%以上，尤其东南部白山、通化北部湿度值在90%以上，该区域春季经常出现土壤偏湿现象。

图2 2003—2018年吉林省春季10cm（a）、15cm（b）、20cm（c）、30cm（d）土壤相对湿度分布（单位：%）

图3为2003—2018年吉林省春季不同层次土壤相对湿度年际变化曲线。由图可见，同一区域不同层次湿度波动趋势有一致性，但无明显周期，也无明显趋势变化。这与文献[5]中指出的同区域内2个土层越近，土壤含水量的相关性越好是一致的；与文献[6]中松嫩平原生长季湿度变化具有相似性也是一致的。本研究的16a中，西部2003年、2006—2009年、2018年为轻旱年份，其余为适宜年份；中部2013年、2014年为过湿年份，其余均为适宜年份；东部2010年、2013年为过湿年份，其余均为适宜年份。可见，2010年为转折期，土壤由之前的适宜、轻旱向适宜、偏湿状态发展。这个结果与文献[4]中近几年中国区域土壤湿度有变湿趋势以及辽宁省春季土壤湿度平稳—偏干—偏湿的变化趋势是一致的。

图3 2003—2018年吉林省各区域春季10cm（a）、15cm（b）、20cm（c）、30cm（d）平均土壤相对湿度年际变化

3.2 春季土壤湿度与季节降水、气温关系

3.2.1 土壤湿度与季节降水关系

由表1可见，各季节降水与土壤湿度呈呈正相关关系，前一年冬季降水与各区所有层土壤湿度相关显著（P＜0.05）；除西部10cm外，前一年秋季降水与各区其他层土壤湿度相关显著，与当年春季降水相关不显著（P＜0.05）。这说明，在吉林省区域内，春季土壤湿度高低主要受前一年秋、冬季节降水多少影响，当年春季降水仅对西部10cm表层土壤有显著影响。按季节看，中、西部为前一年冬季降水＞前一年秋季降水＞当年春季降水；东部则是前一年秋季降水＞前一年冬季降水＞当年春季降水。不同季节降水对湿度影响差异与气候季节变化、空间差异及土壤自身性质有关。吉林省一般11月土壤开始冻结，4月开始化冻。秋季降水在土壤中冻结形成底墒，东部气温相对较低，土壤封冻早、水分散失少。另外，东部白浆土土壤黏重，持水能力强[5]。因此，秋季降水在东部影响大。冬季降水以积雪形式较长时间覆盖在地表，春季尤其是初春东部土壤常出现偏湿或饱和现象，积雪融化易产生径流，而中西部积雪融化能够补充到土壤中，所以冬季降水对中西部影响大。春季土壤水分变化进入活跃期，土壤收入、支出起伏较大，降水有效性时长变短。按层次看，秋季降水在3个区均表现为30cm＞20cm＞15cm＞10cm；冬季降水在3个区表现规律不一致，但共同特征是15cm土层相关系数最大；春季降水在3个区一致表现为10cm＞15cm＞20cm＞30cm。这说明，对于0—30cm耕层，秋季降水对深层影响大，冬季降水对中间层影响大，春季降水对浅层影响大。这是由于土壤表层受气候因子影响大，秋季降水形成的底墒更易在深层贮存；而冬季降水少（约占全年总降水量的5%），加之蒸发作用，渗透深度有限，主要影响中间层；春季降水影响时效短，对浅层影响大于深层。

3.2.2 春季土壤湿度与季节气温关系

由表1可见，平均气温与土壤湿度为负相关关系。在地表能量收支方程中Rn=H＋LE＋G，假定Rn（地表净辐射）和G（热通量）均为常数，而H（感热通量）随气温的增高而变小（假定地表温度Ts为常数），这时LE（潜热通量）必然增大，土壤将失去更多的水分，土壤湿度势必下降[9]。当年春季气温与西部10cm、15cm和中、东部0—30cm所有层次相关显著（P＜0.05），前一年冬季气温与西部0—30cm、中部10cm、15cm相关显著（P＜0.05），其他均未通过显著性检验。这说明春季土壤湿度主要受春季气温、前一年冬季气温影响。按区域看，前一年冬季气温为西部＞中部＞东部，当年春季气温为西部＜中部＜东部。冬季气温高意味着积雪蒸发量大，春季来自积雪补充的水分就少，冬季气温的影响与其西高东低的分布是一致的。春季气温影响东高西低，主要是各季节降水呈东多西少分布，水分充足地区的蒸发和蒸散会更强烈，对土壤湿度影响就更大。按层次看，3个区域一致表现为10cm＞15cm＞20cm＞30cm，各季节气温对土壤浅层影响大于深层。

表1 春季土壤相对湿度与季节气温、降水量相关系数

3.3 季内土壤湿度与气温、降水关系

3.3.1 土壤湿度季内分布

由于土壤湿度从表层到深层有很好的一致性，不同层土壤湿度仍能反映气候尺度上土壤湿度的分布和变化情况[16-17]。因此，以10cm为例绘制了2003—2018年土壤相对湿度季内变化（图4）。由图可见，西部湿度呈平稳—下降—上升—下降变化，2个峰值分别为3月第4候和5月第3候，2个谷值分别为4月第4候和5月第6候。前期土壤湿度稳定少变；进入4月，随着气温攀升，水分损失大于补充，期间土壤湿度不断下降。4月第5候开始缓慢上升，5月第3候达到峰值，而后再次下降。中部土壤湿度变化与西部类似，不再赘述。东部土壤湿度总体上呈直线下降趋势，在4月第5候—5月第2候波动较大。纵观3个区域，可以看出，3月第4候的第一次土壤采样的土壤湿度是整个春季最高的，经过平稳或缓慢下降后，4月开始相对稳定状态被打破，开始波动变化。这与吉林省气候特点有关，4月初吉林省各地气温接近5℃，土壤化冻深度20cm左右。气温回升、土壤解冻是打破土壤湿度稳定状态的主要原因。

图4 吉林省春季土壤相对湿度季内变化

3.3.2 气温、降水对土壤湿度影响时效

通过上述分析可知，4月开始土壤湿度呈波动变化，气候因子影响的有效时长变短。利用时滞相关分析法，在候尺度上，计算4—5月候土壤湿度与前4候平均气温、降水量的相关关系（表2—表4）。纵观3个区域，平均气温对西部0～20cm、中部0～30cm、东部0～30cm土壤湿度影响的时滞为-4～0候，即前4候内平均气温对上述土壤湿度有显著影响。降水量对西部0～30cm、中部0～30cm土壤湿度影响的时滞为-2～0候，对东部0～30cm土壤湿度影响的时滞为-1～0候，即在西部和中部，前2候内降水对土壤湿度有显著影响；在东部，前1候降水对土壤湿度有显著影响。可见，气温对各区域土壤湿度的影响持续时间长，可能还要长于本研究所采用的时滞；降水影响时效为1～2候。从表2—表4中还可看出，西部、中部降水量与土壤湿度的相关系数大于气温，东部气温与土壤湿度的相关系数大于降水量，说明在西部、中部地区，春季土壤湿度受降水影响大于气温，在东部地区，则是气温的影响大于降水。另外，时滞越小相关系数越大，也就是说距土壤湿度测定越近的气候要素对土壤湿度影响也就越大。土壤深度越深相关系数减小，即气候要素对土壤湿度影响由表层向深层逐渐减弱。

表2 西部土壤湿度与气温、降水时滞相关系数

表3 中部土壤湿度与气温、降水时滞相关系数

表4 东部土壤湿度与气温、降水时滞相关系数

4 结语

（1）吉林省春季土壤湿度总体上呈西低东高分布趋势，低值区在西部偏南区域，是吉林省春旱最严重的地区；高值区在东南部白山、通化一带，该区域春季常出现土壤偏湿现象。2003—2018年，轻旱年基本发生在2010年以前，2010年是土壤由适宜、轻旱向适宜、偏湿状态发展的转折期，这与吉林省2010年以来春旱明显减轻，仅2018年出现春旱的实际相符。

（2）季节尺度上，影响吉林省春季土壤湿度的主要气候因子是前一年秋冬季降水、前一年冬季气温、当年春季气温。冬季降水对中西部影响最大，秋季降水对东部影响最大，春季降水有效性时长较短。秋季降水对深层影响大，冬季降水对中间层影响大，春季降水对浅层影响大。前一年冬季气温对土壤湿度影响西部＞中部＞东部，当年春季气温对土壤湿度的影响西部＜中部＜东部。各季节气温对土壤浅层影响大于深层。

（3）候尺度上，影响吉林省春季土壤湿度波动的气候因子时效区域差异不大，气温对各区域土壤湿度的影响时效为4候（甚至更长），降水影响时效为1～2候。另外，时滞小的气候要素对土壤湿度影响越大，气候要素对土壤湿度影响由表层向深层逐渐减弱。

（4）季节尺度、候尺度气候因子对土壤湿度的影响存在区域、层次、时效等多种特征，认识气候因子影响土壤湿度的地域规律，对开展不同时效的土壤湿度预测、改进地气耦合模式、指导农业生产实践均具有重要意义。