王銘，何鋒，朱海霞，紀(jì)仰慧

(黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150030)

氣候變化背景下黑龍江省主要農(nóng)區(qū)土壤濕度時(shí)空分布規(guī)律及特征研究

王銘，何鋒，朱海霞，紀(jì)仰慧

(黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150030)

本研究利用黑龍江省26個(gè)縣市1981－2015年土壤重量含水率數(shù)據(jù),分析土壤濕度的空間變化規(guī)律，有針對(duì)性的選擇東部代表站點(diǎn)綏濱縣、西部代表站點(diǎn)泰來縣、南部代表站點(diǎn)五常縣、北部代表站點(diǎn)孫吳縣、中部代表站點(diǎn)綏棱縣和東南半山區(qū)代表站點(diǎn)穆棱縣分析土壤濕度時(shí)間變化規(guī)律。結(jié)果表明：黑龍江土壤濕度空間分布與當(dāng)?shù)啬杲邓砍收嚓P(guān)，與年度平均氣溫呈反向相關(guān)，且黑龍江各地區(qū)土壤濕度分布差異顯著。北部、中部、西部土壤干旱的趨勢不斷增強(qiáng)，東部以及牡丹江半山區(qū)土壤濕度近35 a變化趨勢不明顯。研究認(rèn)為氣候變化、農(nóng)事活動(dòng)對(duì)黑龍江省主要糧食產(chǎn)區(qū)土壤濕度分布以及變化趨勢都有重要的影響。

黑龍江??；土壤重量含水率；空間分布；時(shí)間變化

1 引言

上世紀(jì)80年代以來，全球氣候變化被更多的學(xué)者所關(guān)注，氣候變化領(lǐng)域內(nèi)的研究發(fā)展迅速，同時(shí)也成為前沿的、學(xué)科交叉最廣泛的領(lǐng)域之一，在1916—2015年的100 a里，全球平均溫度升高了0.78℃，前70 a全球緩慢變暖的階段；1985年以后，全球平均溫度以每10 a0.2℃的加速率升高[1]。黑龍江省氣候變化也有顯著加劇的特征[2]。氣候變化對(duì)土壤的影響較為直接同時(shí)也具有敏感性，氣候變化所導(dǎo)致的土壤荒漠化正在進(jìn)一步加劇。在全球大范圍氣候變化的大背景下，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，黑龍江省春季、夏季的干旱頻發(fā)；同樣局地性較強(qiáng)的降水導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)漬澇也不容忽視。近年來許多研究人員大量的研究了旱澇預(yù)測、旱澇區(qū)域演變以及干旱成因，成果涵蓋了生態(tài)、植物保護(hù)等領(lǐng)域，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。植物通過根系從土壤中直接吸收水分，土壤中的水分直接影響了植物的生長。農(nóng)田土壤濕度觀測起步較晚，觀測資料時(shí)間維度不足，觀測地段少制約了空間維度的研究參考值，隨著觀測資料的擴(kuò)容還可以繼續(xù)開展土壤旱澇預(yù)測方面的研究。在同一研究區(qū)域內(nèi)，當(dāng)?shù)貧夂虮尘爸萍s著土壤水分的變化范圍[3]，光照、溫度、降水、空氣濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因子中，氣溫、降水的影響最為直接[3－6]。本研究擬基于黑龍江省35 a來氣溫、降水、土壤濕度觀測資料，人為選擇有代表性的站點(diǎn)分析黑龍江省主要種植區(qū)土壤濕度的時(shí)間空間變化特征，本研究的成果將為黑龍江生態(tài)建設(shè)、防止土壤退化、改善土壤干旱化以及為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

2 研究資料與方法

2.1 資料來源

使用黑龍江省26個(gè)縣市土壤重量含水率數(shù)據(jù)分析土壤濕度的空間變化規(guī)律。黑龍江是農(nóng)業(yè)大省，是國家糧食安全的重要支撐。因此本研究著重為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，故而選擇綏濱、泰來、五常、孫吳、綏棱、穆棱分別代表東、西、南、北、中及半山區(qū)分析土壤濕度時(shí)間變化規(guī)律（表1），利用1981—2015年26個(gè)站點(diǎn)，2月28日－11月8日之間每旬逢8日，采用烘干稱重法測定土壤重量含水率數(shù)據(jù)，測定的土層深度為0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm共5個(gè)層次。土壤相對(duì)含水率是土壤重量含水率占田間持水量的百分比，不但能體現(xiàn)出土壤的干濕度，而且可以在不同性質(zhì)的土壤之間進(jìn)行比較。

表1 黑龍江省各區(qū)域代表站點(diǎn)信息

2.2 研究方法

2.2.1 Mann－Kendall方法

Mann－Kendall是世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)方法，能有效分辨某一自然過程是否存在確定的變化趨勢。對(duì)于非正態(tài)分布的氣象數(shù)據(jù)，有著較為突出的適用性，可以有效屏蔽自然波動(dòng)等干預(yù)因素。

設(shè)有一長度為k的時(shí)間序列，構(gòu)造秩序列dk，在小于i時(shí)刻的j時(shí)刻下：

在時(shí)間序列隨即獨(dú)立情況下，定義統(tǒng)計(jì)量：

定義dk的均值E（dk）和方差Var（dk）:

其中當(dāng)UF1=0時(shí)，表示UFK為正態(tài)分布，且該正態(tài)分布具有給定的顯著水平a，根據(jù)正態(tài)分布表得到臨界值Ua，當(dāng)UFK絕對(duì)值大于臨界值時(shí)，表示該序列存在明顯的增長或者減少趨勢。

2.2.2 氣象要素趨勢系數(shù)與傾向率

rxt表示要素序列x與自然數(shù)列i的相關(guān)系數(shù)，本研究中i表示年份。n表示自然序列i的樣本總數(shù)，xi是第i年的要素值。rxt＞0表示該要素序列在樣本總數(shù)的n年內(nèi)有線性遞增的趨勢，反之rxt＜0時(shí)，表示該要素序列在樣本總數(shù)的n年內(nèi)有線性遞減的趨勢[7]。

將氣象要素的變化趨勢用一次方程表示，即:

xt=a0+a1t（t=1，2，…，n）

式中，a1t為氣候傾向率；xt為氣象要素的擬合值，正負(fù)數(shù)值代表了趨勢的遞增與遞減。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤濕度的空間分布

分析26個(gè)縣市土壤重量含水率數(shù)據(jù)可見，黑龍江省主要農(nóng)區(qū)的土壤濕度存在明顯的差異。使用非參數(shù)Mann－Kendall趨勢檢驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)近35 a來土壤濕度變化分別與年降水量、3－10月平均氣溫存在顯著相關(guān)關(guān)系。在空間分布上來看土壤重量含水率與T3－10（3－10月平均氣溫）呈負(fù)相關(guān)趨勢，與R（年降水量）呈正態(tài)相關(guān)，結(jié)果和文獻(xiàn)[8]結(jié)論相吻合。三江平原東部T3－10相對(duì)偏低，R相對(duì)偏多，年平均土壤重量含水率在30%以上，可以劃分為濕潤地區(qū)；松嫩平原西南部T3－10相對(duì)偏高，R相對(duì)偏少，年平均土壤重量含水率不到11%，是黑龍江省的干旱區(qū)；松嫩平原東部、牡丹江西部、三江平原中部土壤濕度為24%－28%，是黑龍江省較濕潤區(qū)；黑河地區(qū)、三江平原西部和松嫩平原南部土壤濕度為18%－24%，為半干旱區(qū)。

3.2 土壤濕度的時(shí)間變化規(guī)律

北部的孫吳縣、中部的綏棱縣土壤重量含水率存在較為明顯的下降趨勢，西部的泰來縣土壤重量含水率下降態(tài)勢劇烈，表明在近35 a土壤干旱的趨勢不斷增強(qiáng)，Mann－Kendall趨勢檢驗(yàn)表示，未來一段時(shí)間里，黑龍江上述地區(qū)的土壤濕度可能進(jìn)一步下降，黑龍江中部和北部的半干旱區(qū)有可能退化。

泰來縣各深度土壤濕度在近5 a存在非常明顯的下降態(tài)勢，1981－1985年的5 a間0－50 cm土層的重量含水率為25%，2010年以后的5 a中重量含水率為20.6%，下降了4.4%；1985－1995年這10 a間，土壤重量含水率的震蕩下降幅度較小，下降趨勢也比較平緩，1995年后土壤濕度波動(dòng)幅度明顯變大，處于低幅的年份降至12以下。氣候傾向率的顯著水平也說明了泰來縣土壤干旱的風(fēng)險(xiǎn)正在加大。

東部的綏濱縣、南部的五?？h以及牡丹江半山區(qū)的穆棱縣各層土壤重量含水率變化趨勢較為平緩，不存在顯著的上升或者下降。

4 討論

土壤重量含水率的變化涉及到眾多因子，諸如氣候變化[9]、土壤屬性改變、氣象因子[13]、凍融作用、過度開墾、長期種植、種植結(jié)構(gòu)和耕作方式等都可以引起土壤性質(zhì)發(fā)生改變甚至退化。松嫩平原的黑土經(jīng)過60 a的大面積開墾和連年耕作，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸變少，土壤容重增加，總孔隙度變小，田間持水量下降[11]引起了土壤重量含水率的下降。全球氣候變化大背景下的黑龍江省氣候條件改變也是引起土壤濕度變化的另一個(gè)重要原因。本研究表明土壤重量含水率的變化趨勢與3-10月平均氣溫、年平均降水量等氣候要素的變化趨勢相關(guān)度高，說明氣候變化與土壤重量含水率之間存在一定的關(guān)系。年平均氣溫的上升[12]，年平均降水量的減少[13]，地表溫度的持續(xù)上升引起了土壤的干旱化。另外有學(xué)者研究認(rèn)為地下水位的下降可能是引起黑龍江土壤濕度下降的原因之一[11]。

土壤濕度指標(biāo)是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)干旱的重要指標(biāo)之一，在研究領(lǐng)域，土壤濕度的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)于揭示土壤退化因素有著重要的理論意義。在應(yīng)用前景上，對(duì)農(nóng)田干旱趨勢預(yù)報(bào)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、合理調(diào)整作物布局和政府農(nóng)業(yè)決策都具有重要的參考價(jià)值。

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S161.3

A

1002－252X（2017）02－0024－02

2017－3－1

王銘（1985－），男，黑龍江省哈爾濱市人，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，碩士生，工程師.