鄧 彪, 肖天貴

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.四川省氣候中心,四川成都610072)

四川是農(nóng)業(yè)大省,盆地為主要糧食產(chǎn)區(qū)。由于環(huán)流背景和地形條件影響,四川盆地區(qū)幾乎年年有干旱,分布地域廣,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)農(nóng)業(yè)危害大[1-2]。據(jù)旱澇資料分析,四川大旱年集中在16、17、20世紀(jì),特別是20世紀(jì)后期發(fā)生頻率最高,大旱年平均3年左右一遇[3]。

土壤水是一種重要的水資源[4-6],降水或灌溉都要轉(zhuǎn)化成土壤水才能被植物吸收,土壤水分是農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)或環(huán)境條件之一。土壤耕作層又稱表土層,厚度一般約20cm左右,耕作層土壤水分的多少直接影響到作物的播種出苗和正常生長(zhǎng)發(fā)育,能敏感地反映出大氣降水、灌溉和地下水補(bǔ)給與農(nóng)田蒸散的動(dòng)態(tài)平衡結(jié)果。土壤濕度是表示土壤干濕程度的物理量,又稱土壤水分含量,區(qū)域某時(shí)段某層次的土壤含水量多少是評(píng)估農(nóng)業(yè)干旱和農(nóng)田灌溉的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者從水資源評(píng)價(jià)、水循環(huán)及地表水文過程、氣候變化診斷分析、農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估以及未來土壤濕度預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與研究[5-13],為區(qū)域充分利用土壤水分資源,合理安排農(nóng)、林、牧業(yè)生產(chǎn),指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉,改善生態(tài)環(huán)境提供了科學(xué)依據(jù)。然而,由于土壤水分觀測(cè)資料的匱乏,針對(duì)四川省盆地區(qū)的土壤水分時(shí)空分布和變化規(guī)律進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較少見。

文中以四川省盆地區(qū)土壤表層(0～20cm)的土壤相對(duì)濕度為討論對(duì)象,采用氣象統(tǒng)計(jì)分析方法,結(jié)合降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)等氣象資料,探討四川盆地區(qū)土壤濕度時(shí)空變化特征及影響土壤濕度變化的主要?dú)庀笠蜃?對(duì)盆地丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估以及農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

圖1 四川盆地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)分布圖

1 資料與方法

文中所用土壤濕度和氣象資料均來源于四川省氣象信息中心。土壤濕度資料為四川省盆地區(qū)36個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)(圖1)每旬逢8測(cè)得的土壤濕度資料,每月觀測(cè)3次,每10cm為1個(gè)層次,收集有2個(gè)層次(0～10cm、10～20cm);其中22站資料長(zhǎng)度為1994～2011年,其余站點(diǎn)資料年限較短,僅作分析時(shí)參考用。根據(jù)盆地氣候特點(diǎn)和中國(guó)氣象地理區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn),將四川盆地區(qū)大致分為盆東北(包括達(dá)州、巴中、廣安、南充市)、盆西北(包括廣元、綿陽、德陽、成都市)、盆中(包括遂寧、資陽、內(nèi)江、自貢市)、盆南(包括瀘州、宜賓、樂山、眉山、雅安市)共4個(gè)研究區(qū)域來分析和表述。

采用烘干稱重法測(cè)量,用土壤重量含水率(%)表示土壤濕度:土壤重量含水率(%)={土壤含水量(g)/干土重量(g)}×100%;每層土壤相對(duì)濕度(%)計(jì)算式為:土壤相對(duì)濕度(%)={土壤重量含水率(%)/田間持水量(%)}×100%;田間持水量采用田間小區(qū)灌水法測(cè)定,即土壤排除重力水后測(cè)定的土壤濕度;表層土壤相對(duì)濕度用0～10cm、10～20cm兩層土壤相對(duì)濕度的平均值(%)表示,用于分析四川省盆地區(qū)土壤水分的時(shí)空變化規(guī)律。

利用旋轉(zhuǎn)正交函數(shù)(REOF)方法對(duì)四川盆地區(qū)土壤水分進(jìn)行時(shí)空變化特征的分析。REOF分析方法是一種分解矩陣數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)特征和提取主要數(shù)據(jù)特征量的方法。時(shí)間趨勢(shì)變化采用線性傾向分析,各要素的傾向率主要用一元線性回歸方程擬合求得;此外,用相關(guān)分析法確定不同區(qū)域影響土壤水分的主要?dú)庀笠蜃?并利用多元回歸方程建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

2 四川盆地區(qū)表層土壤相對(duì)濕度時(shí)空特征

2.1 年平均土壤濕度時(shí)空變化

圖2是盆地表層土壤相對(duì)濕度多年平均空間分布圖,可見盆地表層土壤相對(duì)濕度多年平均在65%以上,盆地東北部、南部較高,一般平均在80%～90%;盆地中部、西北部較低,平均在70%～80%,其中盆中丘陵臺(tái)地平均低于70%;空間分布大致從南到北逐漸減小。圖3給出盆地區(qū)表層土壤相對(duì)濕度年際變化曲線,從區(qū)域平均年際變化來看,盆地區(qū)土壤濕度的呈現(xiàn)弱的上升趨勢(shì),1990年代后期變化相對(duì)平穩(wěn),2000年以后波動(dòng)較大,以2006年為界,前升后降。

圖2 表層土壤相對(duì)濕度多年平均空間分布

表1是盆地各站表層土壤相對(duì)濕度年際變化趨勢(shì)系數(shù),系數(shù)的正負(fù)顯示盆地各區(qū)域土壤濕度年際變化趨勢(shì)各異(圖4)。大致認(rèn)為,盆地東北部、南部土壤濕度變化以減小趨勢(shì)為主,以大竹、宣漢、巴中、蒼溪、樂山、犍為站為中心的區(qū)域有變干趨勢(shì);盆地西部、西北部土壤濕度以增加趨勢(shì)為主,以三臺(tái)、綿陽、名山、廣元站為代表的區(qū)域在逐年變濕;盆地中部丘陵地區(qū)干濕趨勢(shì)局地性強(qiáng),從遂寧、樂至、安岳、仁壽、榮縣、高坪、營(yíng)山等站的趨勢(shì)系數(shù)可以看到這點(diǎn)。

表1 盆地站點(diǎn)表層土壤相對(duì)濕度趨勢(shì)系數(shù)

2.2 土壤濕度不同季節(jié)分布特征

盆地土壤濕度季節(jié)變化呈雙峰型特點(diǎn)(圖5),秋季高,春季低,夏季波動(dòng)明顯,初夏高,盛夏低。年內(nèi)10月中旬最高為84.8%,7月下旬最低為75.2%。常年盆地冬暖少雨,從12月份開始土壤濕度開始緩慢下降,春季回溫快,植物生長(zhǎng)發(fā)育加快,農(nóng)田蒸散增加,3～4月份土壤濕度保持在較低水平,冬干春旱?，F(xiàn)。夏季多雨,土壤累積水分快;盆東雨季來得早,但盛夏多高溫伏旱;盆西夏旱頻率高,而7～8月份易出現(xiàn)澇;6～8月份土壤濕度上升較快下降亦快,波動(dòng)大。盆地秋季多綿雨,土壤偏濕,9月土壤濕度迅速升高并保持較高水平。

圖4 表層土壤相對(duì)濕度變化趨勢(shì)空間分布

圖5 盆地區(qū)表層土壤相對(duì)濕度旬平均年變化特征

圖6 盆地區(qū)表層土壤相對(duì)濕度不同季節(jié)分布

按1月、4月、7月、10月來統(tǒng)計(jì)冬、春、夏、秋季平均土壤相對(duì)濕度,分析四季土壤濕度的空間分布特征。如圖6(a～d)所示,冬季土壤濕度盆西北低,部分地區(qū)土壤相對(duì)濕度在70%以下,廣元63.8%為盆區(qū)冬季最低;盆東北、盆南高,土壤相對(duì)濕度在85%以上,漢源92.9%為盆區(qū)冬季最高。春季土壤濕度保持在較低水平,盆區(qū)春季最小為64.1%(東興),最高為90.6%(漢源);分布與冬季類似,由盆西北向盆東北、盆南逐漸升高,但土壤相對(duì)濕不足70%的范圍更大,并向盆中拓展。夏季土壤相對(duì)濕度在68.0%～94.9%,以遂寧為中心的盆中丘區(qū)土壤濕度不足70%,由盆中向四周依次升高;夏季土壤含水量總體上較冬、春季多。秋季土壤濕度最高,盆地區(qū)土壤相對(duì)濕度均在70%以上,分布在72.9～91.4。

盆地區(qū)冬干夏雨季風(fēng)氣候特點(diǎn)明顯,土壤干濕狀況亦呈現(xiàn)出冬春季相對(duì)偏干、夏秋季相對(duì)偏濕的季節(jié)變化;空間分布上盆西北、盆中四季相對(duì)偏干,盆東北、盆南則相對(duì)偏濕。

2.3 基于REOF方法的土壤濕度時(shí)空變化特征

四川盆地區(qū)年平均土壤濕度總體水平較高,年際變化趨勢(shì)區(qū)域各異,季節(jié)差異大,易形成季節(jié)性農(nóng)業(yè)干旱。利用REOF方法分析盆地表層土壤濕度場(chǎng),進(jìn)一步探討盆地農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空變化特征。由表2可見,REOF分解獲得的前3個(gè)典型模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)達(dá)到65.6%,基本可以代表盆地區(qū)土壤濕度空間分布變化狀況。圖7給出四川盆地區(qū)表層土壤濕度前3個(gè)模態(tài)的特征分布及時(shí)間系數(shù)變化趨勢(shì)。

表2 盆地表層土壤濕度場(chǎng)各模態(tài)方差(%)

圖7 四川盆地區(qū)表層土壤濕度分布前三個(gè)特征類型

第一模態(tài)特征向量解釋了總體方差24.9%,是盆地區(qū)表層土壤濕度主要空間分布結(jié)構(gòu)類型,主要為由西到東呈現(xiàn)正-負(fù)分布型,具體是盆西北、盆西、盆中為正分布,而盆東北、盆南為負(fù)分布。正負(fù)區(qū)域土壤濕度變化趨勢(shì)不一致,具有反相位特征,即此區(qū)域土壤濕度增加則彼區(qū)域就減少。從所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化可以看出,這種空間分布結(jié)構(gòu)的盆地區(qū)土壤濕度年代際變化特征明顯,時(shí)間序列表現(xiàn)為明顯上升趨勢(shì)(圖7a)。2002年以前時(shí)間系數(shù)為負(fù)值,以后則為正值,說明近10年四川盆地區(qū)土壤濕度空間模式變化與2002年以前相反,以西部偏濕東部偏干為主要特征,這與2.1節(jié)分析盆地區(qū)域土壤干濕變化趨勢(shì)特點(diǎn)相符。

第二模態(tài)特征向量解釋了總體方差24.6%,也是盆地區(qū)表層土壤濕度主要空間分布結(jié)構(gòu)型,由北到南主要表現(xiàn)為正-負(fù)-正分布型,土壤濕度變化趨勢(shì)不一致,盆北、盆南增加,盆中、盆西減少或反相位變化。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化反映出這種模態(tài)具有年際變化特征,時(shí)間序列為弱下降趨勢(shì)(圖7b)。2006年盆地中東部大旱之后,旱情有所減弱,盆地南部的干旱卻有增加趨勢(shì),2011年夏秋季,盆地南部持續(xù)高溫少雨,導(dǎo)致伏秋連旱嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。第二模態(tài)特征從另一角度反映出盆地農(nóng)業(yè)干旱的變化事實(shí)。

第三模態(tài)特征向量解釋了總體方差16.4%,由東北到西南帶狀區(qū)域主要為正分布型,表明土壤濕度變化趨勢(shì)一致。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化表現(xiàn)上升-下降-上升的周期振蕩特征(圖7c),反映出盆東北、盆西南區(qū)域土壤濕度由偏濕到偏干,再逐漸偏濕的周期變化狀況。其中1994年、2001年以及2010年的干旱事件能較好反襯出盆地土壤濕度時(shí)空分布特點(diǎn)。

2.4 盆地不同區(qū)域土壤干濕頻率年變化特征

根據(jù)四川盆地農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)應(yīng)用實(shí)踐,土壤相對(duì)濕度在60%～85%,適于作物生長(zhǎng);大于85%土壤過濕,土壤通透能力降低,不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育;小于60%表示輕度缺水,干旱開始露頭,需要及時(shí)灌溉。從研究分區(qū)中選出土壤測(cè)墑代表站(表3),分別統(tǒng)計(jì)不同分區(qū)逐旬土壤耕作層干濕頻率,討論盆地不同區(qū)域土壤干濕年變化特征。

表3 盆地不同分區(qū)選取代表站點(diǎn)表

圖8(a)是盆地各區(qū)域表層土壤相對(duì)濕度≤60%的出現(xiàn)頻率年變化,反映4個(gè)區(qū)域土壤干旱頻率變化特征。盆西北3、4月份頻率最高,9、10月份頻率最低,呈單峰型年變化特征,說明盆西北冬干春旱重;盆東北7、8月份頻率最高,12、1月份最低,呈單峰型年變化特點(diǎn),盆東北夏伏旱明顯;盆中干旱頻率呈現(xiàn)雙峰型特點(diǎn),3、4月份和7、8月份先后出現(xiàn)頻率高點(diǎn),初夏(6月)與秋冬季出現(xiàn)頻率低點(diǎn),盆地中部年內(nèi)出現(xiàn)兩段旱,春夏季干旱交錯(cuò)疊加;盆南年變化特征不明顯,但各時(shí)段出現(xiàn)頻率較低,時(shí)段頻率最高仍不足15%。

圖8(b)是盆地各區(qū)域表層土壤相對(duì)濕度＞85%的出現(xiàn)頻率年變化,反映4個(gè)區(qū)域土壤偏濕頻率變化情況。盆南年內(nèi)大部分時(shí)段偏濕頻率高于其他3個(gè)區(qū),偏濕頻率年變化不明顯;其余3個(gè)分區(qū)變化特點(diǎn)是,11月至次年6月,土壤偏濕頻率盆東北最大,盆中次之,盆西北最小;7～10月,土壤偏濕頻率盆東北最小,盆中次大,盆西北最大。

圖8 盆地各分區(qū)土壤干(≤60%)濕(＞85%)頻率年變化曲線

3 氣象因子對(duì)盆地不同區(qū)域表層土壤濕度影響分析

氣象條件是影響土壤表層干濕變化的主要因素之一。從研究分區(qū)中選擇代表站(表4),分別計(jì)算1994～2011年逐旬表層土壤相對(duì)濕度(Y)與對(duì)應(yīng)旬平均氣溫(T)、旬降水量(R)、旬日照時(shí)數(shù)(S)的相關(guān)系數(shù),并建立多元線性回歸方程,探討盆地不同區(qū)域表層土壤濕度與氣溫、降水、日照因子的相關(guān)性及影響。

表4 表層土壤相對(duì)濕度與氣象因子相關(guān)、回歸分析

從表4可以看出,盆地區(qū)表層土壤濕度與日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān),與降水為正相關(guān),并且均通過0.01顯著水平檢驗(yàn);與氣溫相關(guān)性方面,3站點(diǎn)有差異,大竹、遂寧負(fù)相關(guān)性顯著,而綿陽相關(guān)性不明顯。

盆地表層土壤濕度與氣溫、降水、日照關(guān)系密切,回歸方程均通過F0.01的顯著性檢驗(yàn),表明降水減少,氣溫升高、日照增多,盆地表層土壤濕度變干,反之則變濕。標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)能更好比較各氣象因子對(duì)土壤濕度的影響大小。盆東北表層土壤濕度受氣溫變化影響最大,其后是降水、日照,即氣溫＞降水＞日照。盆地中南部則相反,日照條件影響最大,其后為降水、氣溫,即日照＞降水＞氣溫。盆西北表層土壤濕度變化與氣溫影響無關(guān),主要受降水與日照條件影響,即降水＞日照。

4 結(jié)論

(1)盆地表層土壤相對(duì)濕度多年平均值較高,空間分布大致是從南到北逐漸減小;盆地區(qū)平均年際變化呈現(xiàn)弱的上升趨勢(shì),其各區(qū)域土壤濕度年際變化趨勢(shì)各異,盆地東北部、南部土壤濕度變化以減小趨勢(shì)為主,盆地西部、西北部土壤濕度以增加趨勢(shì)為主。

(2)盆地表層土壤濕度常年季節(jié)變化呈雙峰型特點(diǎn):秋季高,春季低;夏季波動(dòng)明顯,初夏高、盛夏低;土壤干濕狀況總體呈現(xiàn)出冬春季相對(duì)偏干、夏秋季相對(duì)偏濕的季節(jié)變化。盆地不同區(qū)域表層土壤干濕頻率特點(diǎn)表現(xiàn)為盆西北春季偏干、夏季偏濕,盆東北春季偏濕、夏季偏干,盆中春夏兩季均偏干,盆南偏濕頻率高于偏干。

(3)通過REOF分析,盆地區(qū)表層土壤濕度時(shí)空變化特征可用3種模態(tài)表示,一類是盆地由西到東呈現(xiàn)正-負(fù)分布型,具有年代際變化特征;二類是盆地由北到南主要表現(xiàn)為正-負(fù)-正分布型,有年際變化特點(diǎn);三類是盆地東北到盆地西南為帶狀正相位分布型,具有一定周期變化特征。盆地區(qū)表層土壤濕度時(shí)空變化有近50%年份表現(xiàn)為一、二類時(shí)空特征。

(4)盆地表層土壤濕度變化與氣溫、降水、日照相關(guān)密切,通過回歸分析表明,盆東北表層土壤濕度變化受氣溫高低影響最大,3個(gè)因子影響效應(yīng)依次為氣溫＞降水＞日照;盆地中南部則相反,日照時(shí)數(shù)多少影響最大,依次為日照＞降水＞氣溫;盆西北表層土壤濕度變化與氣溫影響無關(guān),主要受降水與日照條件影響。不同區(qū)域氣象因子差異化原因有待進(jìn)一步分析。

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