賀雪梅，周顯信

（1.山西省氣象局，山西 太原030002；2.南京信息工程大學，江蘇 南京210044）

土壤水分動態(tài)受土壤透水性、地形地貌、土壤前期含水量、土地耕作措施等影響［1］，這些是土壤水分動態(tài)變化的內因。本文將探討土壤水分動態(tài)變化的外因，即：氣候變化，根據歷時性統(tǒng)計數據來分析全球變暖是否影響農田土壤儲水量。全球變暖的主要特征是全球氣溫逐漸呈現略微上升態(tài)勢［2］，這毫不例外地出現在中國內陸黃土高原上的呂梁地區(qū)。雖然呂梁市農田土壤水土流失現象嚴重且逐年加劇，極端降水事件的頻度和強度明顯增加，但這并不一定代表氣候變暖是其罪魁禍首［3～5］，通過分析歷時性觀測所得數據，借助SPSS數據分析得出的結論可知全球氣候變暖并不是黃土高原農田儲水量逐年減少的主要因素。

1 相關背景

1.1 應對氣候變化進展情況

21世紀人類面臨最嚴峻的環(huán)境問題是全球氣候變暖［6］。美國科學家把氣候變化稱為非傳統(tǒng)安全，甚至將其界定為美國未來最大的挑戰(zhàn)，宣揚其威脅將超過恐怖主義。因此，全球氣候變暖已經開始成為主要的國際政治和外交議題。為國際社會提供科學咨詢，幫助國際社會認識全球氣候變化事態(tài)的嚴峻性，聯合國環(huán)境署與世界氣象組織聯合成立了“政府間氣候變化專門委員會（Intergovern－mental Panel on Climate Change，縮寫為IPCC）”，并決定定期召開國際會議，磋商共同解決氣候變暖帶來的相關問題。1990年11月，第二次世界氣候大會順利召開，會上科學家和部長提議并通過了“科學技術會議聲明”和“部長宣言”，提出制定氣候變化公約，并認為當今科技己具備一些減少二氧化碳排放的技術，而且方法可行、經濟有效，推薦各國相互借鑒使用。此后，各國在聯合國框架下進行了多方位的全面會談，并就氣候公約問題達成了協議，多國約定共同遵守，并同意就共同的環(huán)境問題進行聯合治理。1992年6月，153個國家、地區(qū)和國際組織利用“聯合國環(huán)境與發(fā)展大會”，正式簽署氣候變化框架公約，這為各國協商解決環(huán)境問題提供了解決框架。該公約正式生效后，締約國家和國際組織的數量不斷增加。“聯合國環(huán)境與發(fā)展大會”最大的功績就是《京都議定書》的簽署，該協議于1997年12月在日本京都簽訂，故而得名。協議規(guī)定了發(fā)達國家減少排放溫室氣體的具體義務。此后，一方面，各國學者及研究人員進一步加強科學研究，探討有關氣候變化的科學理論依據及實踐原因，另一方面，各國政府采取多項措施以緩解氣候變暖帶來的種種負面效應，例如：增加植被覆蓋、減少溫室氣體排放等。然而，落實《京都議定書》卻步履艱難，2009年哥本哈根國際環(huán)境大會上，與會的192個國家僅僅達成了《哥本哈根協議》，且不具有法律約束力。時至今日，世界各國仍未就應對氣候變化達成共同認可且相互接受的行動方案，根本原因是相互利益牽制和各自利益沖突。

1.2 黃土高原水土特征

黃土高原水資源嚴重短缺，大部分屬于半干旱地區(qū)，水資源對高原生態(tài)穩(wěn)定和安全具有至關重要的作用。近年來，黃土高原荒漠化、鹽堿化和水土流失問題明顯惡化，植被退化、生物多樣性銳減現象頻發(fā)，干旱、沙塵暴等災害發(fā)生頻度和強度都出現加劇趨勢。同時，黃土高原人口增長較快，煤炭產業(yè)發(fā)展迅速加劇了水資源消耗，破壞了水資源的生態(tài)平衡，而且全球變暖加劇了這一不平衡趨勢。農田土壤儲水量變化及由此引發(fā)的氣候影響對認識黃土高原水資源變化、應對水資源危機等具有重要意義。

2 氣候變暖對黃土高原水資源的影響

水資源包括土壤儲水量、地下水、降水等。無論何種水資源形式都可以用土壤儲水量來形容。土壤儲水量作為植被生長與環(huán)境演化的重要指標之一，是研究陸氣水循環(huán)和氣候變化的一個重要物理量。具體過程是降水到達地面，部分儲存到土壤或蒸發(fā)返回大氣，部分經滲漏轉變成地下水，還有一部分轉化為徑流和被植被截流。陸氣水循環(huán)又稱大氣水循環(huán)，在整個陸氣水循環(huán)過程中，土壤儲存水是中間環(huán)節(jié)，既為水汽蒸散、滲漏提供水源基礎，又為水汽循環(huán)提供和積蓄循環(huán)動力，服務整個陸氣水循環(huán)［7］。土壤儲存水還供應著陸地植被生長，其主要消耗也集中于植被生長。植被活動的活躍性與土壤儲存水量變化成正相關，土壤儲存水量減少，植被活動就會減弱。環(huán)境惡化度與土壤儲存水量變化成反相關，土壤儲存水量減少，水土流失就會加重，同時土壤沙漠化也會加強，環(huán)境惡化就越嚴重。土壤儲存水與地表熱容量和地潛熱成正比關系，土壤儲水量越多，地表熱容量和地潛熱就越大，否則越小。同時，土壤儲水量還會影響地表反照率和地表感熱。土壤儲存水量變化與氣候變化之間存在一種互動關系，兩者相互影響，互相促進，因此，土壤儲存水量受到氣候研究人員的普遍關注。

3 土壤儲水量及其案例分析

3.1 土壤儲存水量概述

土壤儲存水量的時空變化特征及其與全球變暖的互動變化是研究人員最關心的問題。研究陸氣水循環(huán)和氣候變暖，以及與土壤濕度和植被生長之間的互動關系時，土壤儲水量可以作為一個物理指標和基礎參數［8］。但土壤儲水量的確定與變化及其時空變率，需要大范圍、長時間的觀測數據，而且需要對這些實際觀測數據資料進行高分辨率的分析、比較和研究，這些工作相當困難。但隨著科學技術的發(fā)展進步，新技術和新方法不斷出現，使得監(jiān)測土壤儲水量變化成為可能，即使微小的濕度變化也能通過新技術和新方法檢測到，這就加強了學者和專業(yè)人士對影響農田土壤儲水量變化因素的認識［9］。黃土高原是我國水資源短缺最嚴重的地區(qū)之一，正面臨著水土流失、植被退化、荒漠化和鹽堿化等自然災害，因此深入研究黃土高原儲水量變化與全球變暖之間的互動關系對于保護黃土高原的植被生長，解決黃土高原的水資源危機和環(huán)境問題大有裨益［8～10］。

3.2 案例數據來源及研究方法

本文選取山西省呂梁市孝義和興縣（分別代表呂梁平川和山區(qū)）1991年至2010年的土壤儲水量資料，采用曲線分析和SPSS統(tǒng)計的相關系數分析法。

3.3 案例結果分析

呂梁市地處山西中西部，現轄10縣1區(qū)2市（縣級），面積21 143km2，人口381萬人。呂梁市屬半干旱大陸性季風氣候，四季分明，差異懸殊。1981－2010年年平均氣溫9.4℃，平均氣溫1月份最低為－7.0℃，7月份最高為22.8℃，全年≥10℃的有效積溫2 534.7～3870.0℃，日照時數2 457.2～2 772.4h，無霜期140～198d，1981－2010年平均降水量466.7mm。

圖1顯示黃土高原上呂梁市整體農田土壤儲水量的年際變化，其特點是：變化趨勢平穩(wěn)，基本穩(wěn)定，不存在明顯突變現象。研究區(qū)土壤儲水量出現一個峰值和一個谷值，分別是8月底和6月下旬，其它月份根據這兩個極點呈現字母“W”狀態(tài)分布。9月上旬到11月上旬間的兩個月趨勢為先降后升，變化幅度并不明顯，但土壤儲水量仍維持高位水平。年內就農田土壤儲水量而言，孝義市大于興縣，從3月底到11月上旬，孝義地區(qū)農田土壤儲水量平均為187.31mm，谷值為140.3mm，峰值為221.9mm，而興縣地區(qū)平均為137.9mm，谷值為121.7mm，峰值為158.9mm。就農田土壤儲水量比較而言，孝義地區(qū)比興縣地區(qū)的變幅較大，孝義地區(qū)3月底到11月上旬的平均農田土壤儲水量峰值和谷值相差81.6mm，而興縣地區(qū)僅差37.2mm。說明黃土高原呂梁市農田土壤儲水量的年內變化存在空間差異。

圖1 農田土壤儲水量年內變化Fig.1 Yearly Variation of Soil Water Storage

圖2和圖3是關于孝義和興縣春、夏、秋和全年平均農田土壤儲水量的年際變化。顯而易見，1991年到2010年的20年中，孝義全年和春、夏、秋三季農田土壤儲水量均呈減少趨勢，其中，春、夏、秋三季農田土壤儲水量年際減少速率最快的為秋季，最慢的為夏季，春季居中，三季的年際平均減少速率依次為2.85mm·a－1、1.48mm·a－1、2.96mm·a－1，而全年農田土壤儲水量的年際減少速率平均為2.34mm·a－1。

圖2 孝義農田土壤儲水量季節(jié)和年際變化Fig.2 Seasonal and Yearly Variation of Soil Water Storage in Xiaoyi

圖3 興縣農田土壤儲水量季節(jié)和年際變化Fig.3 Seasonal and Yearly Variation of Soil Water Storage in Xingxian

但是，在相同時間段里，興縣地區(qū)與孝義地區(qū)全年和春、夏、秋三季農田土壤儲水量的年際變化趨勢并不一致。具體表現為：全年和春、夏兩季，興縣地區(qū)農田土壤儲水量均表現為增加趨勢，全年增加速率為0.01mm·a－1，春、夏兩季的增加速率分別為0.22mm·a－1和0.92mm·a－1，僅存在增加速率的差別，而秋季農田土壤儲水量則出現反方向變化，呈現減少趨勢，年際減少速率為1.37mm·a－1。這說明，黃土高原呂梁市農田土壤儲水量的年際變化趨勢因時空條件發(fā)生變化而產生不同的效果，同時變化速率也與呂梁市下轄縣市的不同地理位置和所處不同季節(jié)而表現不同。

表1是有關孝義和興縣春、夏、秋三季和全年平均農田土壤儲水量變化與溫度的關聯性圖表。一目了然，兩地農田土壤儲水量和溫度都呈反比關系，即溫度升高，農田土壤儲水量下降。按照統(tǒng)計數據，1991－2010年的20年間，孝義地區(qū)氣溫年際變化，無論是春、夏、秋三季，還是全年平均氣溫都呈逐年升高趨勢，但升高趨勢不明顯且增溫幅度基本持平。春、夏、秋 三 季 增 溫 率 分 別 為 0.065 ℃ ·a－1、0.074℃ ·a－1、0.091 ℃ ·a－1，全 年 增 溫 率 為0.077℃·a－1，基本處于春、夏、秋三季的平均水平。而同期，興縣地區(qū)的年際平均氣溫也表現為升高趨勢。增溫率分別是：春季0.065℃·a－1、夏季0.063℃·a－1、秋季0.043℃·a－1，而全年增溫率也基本處于三季平均水平線，約為0.058℃·a－1。以上數據表明，雖然呂梁地區(qū)存在年際增溫速度的季節(jié)和空間差異，但總體上黃土高原的呂梁市在變暖。

表1 土壤儲水量與溫度變化相關性Table 1 Relativity between Soil Water Storage and Temperature Change

表1是關于興縣、孝義農田土壤儲水量與溫度關聯性檢驗的相關數據。根據SPSS分析得出的數據可知，孝義地區(qū)平均農田土壤儲水量的年際變化與溫度之間的相關性在春、夏兩季和全年都達到極顯著水平，在秋季這種相關性并不顯著。對比之下，興縣地區(qū)平均農田土壤儲水量的年際變化與溫度之間的相關性在春、夏、秋三季和全年均未達到顯著水平。

綜合分析可知，孝義地區(qū)年內農田土壤儲水量與溫度的關系同比優(yōu)于興縣地區(qū)，而年際變化與溫度的關系環(huán)比優(yōu)于年內。整體來看，黃土高原呂梁市年內和年際平均農田土壤儲水量變化與溫度之間并不存在密切關系，因此，全球變暖或氣溫升高不是該地區(qū)農田土壤儲水量逐年減少的主要氣候因素。

4 結論

全球變暖雖然會改變海洋和冰川水體的存在方式，但是卻對內陸農田土壤儲水量的變化影響較小，甚至沒有明顯影響，至少在呂梁市如此。因此，全球變暖對以呂梁市為代表的黃土高原的農田生產影響并不大，2010年呂梁糧食總產量達12.5億kg，創(chuàng)歷史新高。農民人均可支配收入達6754元，比2009年增長10%。

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