劉 勇，朱永華，呂海深，許海婷，茍琪琪，崔晨韻，王振龍

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098；2.水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院水利水資源安徽省重點實驗室，安徽蚌埠233000）

現(xiàn)如今，在水資源匱乏的背景下，如何保障糧食安全，將是未來人類面臨的重大生存問題[1]。土壤水分是農(nóng)作物生長發(fā)育過程中最直接的水量來源，是指示土壤墑情，決定作物產(chǎn)量的一個重要指標(biāo)[2]。因此，在保障糧食產(chǎn)量的研究中，分析土壤含水量與氣溫和降水的變化趨勢就顯得十分重要。代立芹等[3]研究也表明了土壤水分是實現(xiàn)冬小麥產(chǎn)量及時、準(zhǔn)確、動態(tài)的預(yù)報與評估的重要指標(biāo)之一。

對同一地區(qū)來說，降水并不是影響土壤含水量的唯一因子[4-5]，土壤含水量還受土壤特性、太陽輻射、空氣相對濕度、風(fēng)速等多因素的共同影響，其中以氣溫和降水量的影響最顯著[6]。早在19 世紀(jì)初，孫丞虎[7]等利用中國東部11 a 的數(shù)據(jù)對淮河流域的研究得出土壤含水量與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系、與降水量呈正相關(guān)關(guān)系。黃勇[8]等通過歐洲衛(wèi)星氣象中心(EUMETSAT)基于衛(wèi)星遙感而研發(fā)的面向水文氣象衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品(H-SAF)中的土壤水分指數(shù)(SM-DAS-2)產(chǎn)品分析得出夏季是淮河流域表層土壤含水量與同期降水相關(guān)性最好的季節(jié)，春秋季節(jié)較差。王景凱等[9]通過運用3 組AMSR-E 地表土壤水產(chǎn)品分析得出降水減少、氣溫升高是導(dǎo)致中亞植物生長季土壤干化的主導(dǎo)因素之一。彭記永[10]等通過8 a 實測資料得出降水量和氣溫是影響鄭州地區(qū)土壤水分變化的主要氣候因素。劉士玲[11]等通過對2016年的實測資料得出廣西大青山5、15、30 cm 土壤水分的主要氣象控制因子為降水。目前，在土壤含水量對氣候變化的響應(yīng)方面也已開展了大量研究，如王丹[12]等的敏感性分析表明，不同地區(qū)土壤含水量對氣候變化響應(yīng)不同。李若麟等[13]研究表明土層土壤含水量可以對季節(jié)氣候信息進(jìn)行儲存，并隨著深度的增加，記憶性增長。鄧元紅[14]等研究表明西南地區(qū)0～10 cm土壤含水量對兩三個月的氣候預(yù)測具有更好的代表性。

從以上和其他大量研究成果來看[15-18]，土壤含水量與氣候因子(如氣溫、降水)密切相關(guān)，土壤含水量變化與氣候變化相互作用、相互影響[19]。通過長時間序列能更準(zhǔn)確的分析研究區(qū)域的土壤含水量和氣候特征的時空變化規(guī)律，盡管孫丞虎[7]、黃勇[8]對淮河流域土壤水分與氣候因子（氣溫、降水）的相關(guān)性有了一定認(rèn)識，但都缺乏長期土壤含水量實測資料，所以，對于淮河流域的土壤含水量與氣候因子（氣溫、降水）的內(nèi)在關(guān)聯(lián)的研究仍然不夠?；春恿饔蚴侵袊匾霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，其耕地面積占到了全國耕地面積的12%。生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)的1/6，提供的商品糧約占全國總量的1/4，在中國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位[20-21]。因此對淮河流域土壤含水量的研究有助于促進(jìn)糧食產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對全國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有一定的貢獻(xiàn)。為此，本文采用統(tǒng)計分析方法，以五道溝水文實驗站近33年（1986-2018年）實測數(shù)據(jù)為例，對不同土層深度（10、30、50、100 cm）土壤含水量和氣候因子（氣溫、降水）的特征以及兩者的關(guān)系進(jìn)行了分析。對進(jìn)一步認(rèn)識淮河流域氣候變化下的土壤水分資源，調(diào)節(jié)土壤水分的狀況和提高作物產(chǎn)量提供有效的依據(jù)[22]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域介于長江和黃河兩流域之間，地處中國南北氣候過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，流域面積約為27 萬km2，位于東經(jīng)111°55′～121°25′、30°55′～36°36′，流域多年平均降水量約750～1 400 mm，由南向北遞減，年內(nèi)和年際變化都很大，冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和旱澇轉(zhuǎn)變急劇。

1.2 數(shù)據(jù)獲取及方法

本研究所選用的土壤含水量資料由兩種方法測得：烘干法和TDT 法，均來自五道溝水文實驗站，詳情見表1。其中TDT 法連接CR1000 數(shù)據(jù)采集器，該采集器是一種能將電子信號轉(zhuǎn)換為工程單位的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、篩選，進(jìn)行可編程電學(xué)輸出[23]。CR1000 數(shù)據(jù)采集器具有程序掃描時間可設(shè)置、時鐘精度高和低功耗等優(yōu)點，并具有高精度性、高適應(yīng)性、高可靠性等特點[24]。氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來源于五道溝水文試驗站逐日實測數(shù)據(jù)。其中，土壤含水量均用體積含水率表示：

表1 土壤含水量相關(guān)信息Tab.1 Information on soil moisture content

本研究所選用的時間序列為1986-2018年，其中1986-2011年土壤含水量通過在五道溝水文試驗站內(nèi)編號為I2 的地下水位觀測井附近，每5日取樣后，采用烘干法測得。2012-2018年土壤含水量則通過五道溝水文試驗站內(nèi)的TDT 土壤水分傳感器測得。參考兩組數(shù)據(jù)垂直深度的交叉性，擬選取10、30、50、100 cm 土層深土壤含水量進(jìn)行分析，其中I2 井附近10、30、50 cm 深的土壤含水量由其相鄰?fù)翆油寥篮客ㄟ^算術(shù)平均的方法進(jìn)行換算得到，100 cm 深土壤含水量通過90 cm 與飽和含水量的線性插值獲取。TDT 土壤水分傳感器測得的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行使用。

在時間尺度上，氣溫、降水和土壤含水量擬采用季度和年平均時間尺度進(jìn)行分析。1986-2011年土壤含水量觀測時間為每月的5、10、15、20、25、30日?？紤]到該資料基本上能保留一些月時間尺度上的信息，所以選用這6次資料的平均值代表該月特征進(jìn)行客觀分析是可信的。2012-2018年土壤含水量觀測時間為逐日，則不存在上述問題。

1.3 研究方法

在本研究中，采取Mann-Kendall（以下簡稱M-K）檢驗法分析溫度、降水以及土壤含水量的變化趨勢，找出可能存在的突變點，并對土壤含水量與氣溫和降水作一元線性回歸分析，具體分析方法簡述如下。

1.3.1 M-K趨勢檢驗

（1）構(gòu)建n個樣本量（x1，x2，…，xn）的時間序列，假設(shè)H0表示該時間序列中的數(shù)據(jù)是獨立的，隨機(jī)變量同分布的樣本，沒有線性變化趨勢。

（2）計算檢驗的統(tǒng)計變量S：

式中：sgn為符號函數(shù)。

（3）S為正態(tài)分布，均值為0，方差：

（4）當(dāng)n＞10時，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計變量計算如下：

4.4.1 問題：和平路路段路燈上線率只有20%，對燕子超市7號小區(qū)的話統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，終端行為趨于規(guī)律性，在每天固定的時間集中做業(yè)務(wù)。相應(yīng)的上下行子載波利用率占有率高，下行最高93%，上行最高62%，而最大成功接入用戶數(shù)不超過50。如下圖所示：

（5）在一定的α 置信水平上，如果Z≥|Z1-α/2|則拒絕原假設(shè)，即通過了顯著性檢驗。

1.3.2 M-K突變檢驗

（1）對于具有n 個樣本量的時間序列x，各樣本之間相互獨立，設(shè)某一元素xi大于其前面要素的累計數(shù)為ri，構(gòu)造一秩序列：

（2）定義統(tǒng)計量：

其中UF1=0，E（sk），var（sk）是累計數(shù)sk的均值和方差：

（3）把時間序列x 逆序排列xn，xn-1，…，x1，在通過2.5式求出UBk，同時令UBk=-UFk（k=n，n-1，…，1），UB1=0。UFk和UBk曲線的交點如果在臨界線之間，則交點對應(yīng)的時刻為突變發(fā)生的時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 氣溫的年際變化特征

研究區(qū)多年平均氣溫為15.9 ℃。從圖1 看出，1986-2018年研究區(qū)年平均氣溫呈逐漸上升趨勢，增長率為0.19 ℃/10 a。其中，在2017年研究區(qū)年平均氣溫達(dá)最高值16.8 ℃，在1993年研究區(qū)年平均氣溫達(dá)最低值15.1 ℃，近33年年平均氣溫上升1.4 ℃。王振龍等[25]在分析1964-2009年氣溫統(tǒng)計資料時，也得出年平均氣溫整體呈上升趨勢，上升速率為0.14 ℃/10 a，這也進(jìn)一步說明了氣候變暖的趨勢明顯。

2.1.2 氣溫的季節(jié)變化特征

由圖3 可知，春、夏、秋3 個季節(jié)平均氣溫呈上升趨勢，增長率分別為0.3、0.01、0.01 ℃/10 a，而冬季氣溫呈下降趨勢，下降率為-0.2 ℃/10 a。其中，夏季平均氣溫最高，為26.9 ℃，冬季平均氣溫最低，為3.7 ℃，春季和秋季平均氣溫居中，分別為15.7、17.0 ℃。

在全球氣溫變暖的背景下，該研究區(qū)冬季氣溫卻呈下降趨勢，從季度日平均最高氣溫和最低氣溫角度分析，增長率方面，日平均最高溫度呈0.014 ℃/10 a速率上升，日平均最低氣溫呈0.39 ℃/10 a 速率下降。變化趨勢方面，日平均最高和最低氣溫均未通過檢驗，表明氣溫上升和下降趨勢不明顯。由此可分析，全球變暖確實影響了該區(qū)域的日平均最高溫度，而冬季氣溫下降的原因可能為日平均最低溫度的下降速率要高于最高溫度的上升速率。

M-K趨勢檢驗法結(jié)果見表2，只有春季氣溫通過顯著性檢驗，表明春季氣溫上升趨勢顯著。

表2 1986-2018年四季M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Tab.2 M-k trend test statistics of four seasons（1986-2018）

2.2 降水變化特征

2.2.1 降水量的年際變化特征

從圖4 看出，1986-2018年研究區(qū)年降水量呈波動上升趨勢，增長率為20.1 mm/10 a。由M-K 趨勢檢驗法，統(tǒng)計變量Z=0.08＜1.96，未通過0.05顯著性檢驗，表明研究區(qū)年降水量上升趨勢不顯著。這與陳柏麗等[26]研究得出的淮北平原降水量的年際變化特征相似。

M-K 突變檢驗結(jié)果見圖5，由圖5 可知，根據(jù)UFk和UBk交點的位置可以判定1987、1994-1995、2007、2017年為年降水量的突變年。將突變年分進(jìn)行滑動t檢驗法進(jìn)行顯著性檢驗（方法同2.1.1），結(jié)果均未通過（P＞0.05）顯著性檢驗，表明1986-2018年間無降水突變年。

2.2.2 降水量的季節(jié)變化特征

由圖6 看出，4 個季節(jié)中夏季平均降水量最大，為500.9 mm，冬季平均降水量最小，僅有93.35 mm，春季和秋季的平均降水量居中，分別為185.02、177.11 mm。其中，夏季和秋季降水量呈上升趨勢，增長率分別為5.1、25.0 mm/10 a，表明秋季降水量的增幅略大于夏季；春季和冬季降水量呈下降趨勢，下降率分別為-7.1、-2.3 mm/10 a，春季降幅略大于冬季。

M-K 趨勢檢驗結(jié)果見表3，均未通過顯著性檢驗，表明4個季節(jié)的降水量沒有顯著上升或下降趨勢。

2.3 土壤含水量變化特征

由圖7 可以看出，研究區(qū)10、30、50、100 cm 土層深度土壤含水量的變化趨勢有較好的一致性，2010年之前，土壤含水量的年際變化并不明顯，2010-2014年，土壤含水量整體呈急劇下降趨勢，2014年之后土壤含水量開始逐步上升。其中，10 cm 深土層土壤含水量呈上升趨勢，增長率為0.9%/10 a，30、50、100 cm深土層土壤含水量整體呈下降趨勢，下降率分別為-2.3、-0.6、-0.4%/10 a。

表3 1986-2018年四季降水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Tab.3 M-K trend test statistics of precipitation in four seasons（1986-2018）

M-K趨勢檢驗法結(jié)果見表4，均未通過顯著性檢驗，表明4個土層深度的土壤體積含水率上升或下降趨勢不顯著。

2010-2014年間，土壤含水量的曲線變化與之前相比，有明顯下降趨勢。分析其原因，首先將1986-2018劃分為不同周期，見表5。由表5 可以看出，第六周期年均降水在所有周期中處在最低位置，該周期內(nèi)年平均降水為827.9 mm，其中最大降水出現(xiàn)在2010年，為922.6 mm，最低降水出現(xiàn)在2012年，為730 mm。第六周期周期年平均氣溫與第一和第二周期相差較小，而從圖7可以看出，第一和第二周期土壤含水量變化曲線并無明顯趨勢。第六周期年平均氣溫為15.6 ℃，其中最高溫度出現(xiàn)在2013年，為21.3 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在2014年，為11.3 ℃。從以上分析來看，2010-2014年土壤含水量的年際變化曲線下降的可能原因是降水量的減少導(dǎo)致土壤含水量的急劇下降。

表4 1986-2018年不同深度土壤含水量M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Tab.4 M-k trend test statistics of soil moisture at different depths（1986-2018）

表5 周期劃分與周期年均氣溫、年均降水量Tab.5 Division of cycle and annual average temperature and precipitation

2.4 氣候變化對土壤含水量的影響

表6 各季節(jié)不同深度土壤含水量與平均降水、氣溫的相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient of soil water content with average precipitation and air temperature at different depths in different seasons

計算1986-2018年研究區(qū)春、夏、秋季10、30、50、100 cm 土層土壤含水量與不同季節(jié)平均氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)（表6）。可以看出，10、50、100 cm 土層土壤含水量與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與降水呈正相關(guān)；30 cm 土層土壤含水量春季與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與降水呈正相關(guān)；夏、秋兩個季節(jié)的土壤含水量與氣溫和降水均呈正相關(guān)，這可能是由于該地區(qū)降水多分布于夏秋兩季，30 cm 土層土壤含水量在這兩季主要受降水調(diào)控，使得氣溫對土壤水分的影響較小，所以30 cm 土層土壤水在秋季主要受降水的影響，農(nóng)業(yè)部門可重點依據(jù)秋季降水情況制定灌溉措施。此外，10 cm 深土層在夏、秋2 個季節(jié)，土壤含水量與降水呈顯著正相關(guān)，而100 cm 深土層在秋季與降水呈顯著正相關(guān)，這可能由于夏季作物耗水較多，土壤水分虧缺，使得降水只能補(bǔ)給表層土壤水，所以10 cm 土壤水對降水的響應(yīng)更顯著，但隨著夏季大量降水的補(bǔ)給，表層和淺層土壤水均處于濕潤狀態(tài)，作物用水充足，且秋季作物處于成熟期，作物耗水較少，所以秋季降水能夠進(jìn)一步補(bǔ)給深層土壤水，使得100 cm土壤水對降水的響應(yīng)更明顯。

3 討 論

本研究結(jié)果顯示在全球變暖的背景下，淮河流域的年平均氣溫存在顯著的上升趨勢，季節(jié)變化中春季上升趨勢明顯，而年降水雖有上升趨勢，但春季的降水呈下降趨勢。春季正是淮河流域主要農(nóng)作物冬小麥和冬油菜的生育所需水量的最大階段，望有關(guān)部門能參考本研究，對調(diào)節(jié)該階段農(nóng)作物灌溉用水量做出合理的安排。

相比前人研究，本研究所運用的土壤含水量資料，具有時間序列相對較長，真實度相對較高、數(shù)據(jù)相對較為完整等優(yōu)勢，更能精確的體現(xiàn)出不同季節(jié)、不同深度的土壤含水量與氣候因子的關(guān)系，在合理運用土壤水分資源，調(diào)節(jié)土壤水分狀況上可起到科學(xué)的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

（1）近33年來，淮河流域平均氣溫升高顯著，增長率為0.12 ℃/10 a。4 個季節(jié)氣溫曲線增長率分別為0.3，0.01，0.01，-0.2 ℃/10 a，其中春季氣溫有顯著的上升趨勢，冬季氣溫呈下降趨勢；其中氣溫存在突變年，為1994年。

（2）平均降水量整體呈上升趨勢，趨勢不顯著，四個季節(jié)降水增長率分別為-7.1，5.1，25.0，-2.3 mm/10 a，其中春、冬呈下降趨勢；降水無突變年。

（3）10 cm 深土壤含水量呈上升趨勢，趨勢不顯著，增長率為0.9%/10 a，30、50、100 cm 深土壤含水量整體呈下降趨勢，下降率分別為-2.3，-0.6，-0.4%/10 a。

（4）春季30 cm 土層深土壤含水量與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與降水呈正相關(guān)；夏、秋兩個季節(jié)的土壤含水量與氣溫和降水均呈正相關(guān)。夏季和秋季10 cm 土層土壤含水量與降水呈顯著正相關(guān)；100 cm土層深在秋季與降水呈顯著正相關(guān)。