王芳 梁靜，2 孫洪偉 高永剛

（1.佳木斯市氣象局，黑龍江 佳木斯 154004；2.成都信息工程大學，成都 610000；3.黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150030）

引言

土壤濕度是陸面過程的重要物理量，在陸—氣相互作用中直接決定地表和大氣之間物質和能量交換過程，從而影響局地、區(qū)域、乃至全球的氣候，是氣候變化的重要影響因子，也是反映地表水文變化的一個總體指標［1-4］。由于土壤中各種物理過程的熱力和水力結構特性，土壤的各種變化過程相對于大氣變化較為緩慢，從而使得土壤濕度具有一定“記憶性”［5］。土壤濕度“記憶性”國內外相關研究始于2000年左右，在不同區(qū)域、時空尺度、影響機制等方面取得了較大進展［4-9］。不同區(qū)域土壤濕度對氣候條件的響應存在差異，程善俊等［10］對黃土高原半干旱區(qū)研究發(fā)現，降水對淺層土壤濕度有顯著作用，而氣溫對深層土壤濕度的作用更明顯；王碩甫等［11］研究各層土壤濕度與氣溫、降水之間的相關性，發(fā)現50 cm土層相關性高于淺層10 cm。土壤濕度與氣候要素之間存在互饋效應［12-15］。孫丞虎等［16］研究認為，淮河流域各層次土壤濕度具有持續(xù)性特征，并與前期、同期、后期降水相關。Guo和Dirmeyer［17］基于全球土壤濕度數據及前蘇聯、美國（伊利諾斯州）、中國和蒙古的草原和農業(yè)區(qū)域的原位觀測資料，利用11個不同陸面模型模擬分析了土壤濕度年際動態(tài)變化表明，所有模型均可以合理的精度模擬土壤濕度異常。陸地土壤濕度異常狀態(tài)有記憶性，其記憶時長可達數周乃至數月［5，18-19］，這為氣候預測提供了新思路。因此揭示土壤濕度記憶性及其與水熱氣候條件的關系與規(guī)律不僅有助于氣候預測，亦可進行農業(yè)氣象干旱評估，指導農業(yè)生產。

三江平原位于黑龍江省東部，地貌廣闊低平，降水集中夏秋季，雨熱同期，是中國重要的糧食生產基地。受全球氣候變化影響，三江平原地區(qū)增溫明顯，土壤濕度也呈現較大變化［20-21］，農業(yè)生產不穩(wěn)定性增大，農業(yè)生產中需要土壤濕度異常預警信息［22］。然而，目前三江平原地區(qū)土壤濕度記憶性及其與水熱氣候條件的關系與規(guī)律研究成果卻鮮有報道。本文分析三江平原土壤濕度異常持續(xù)性，以期為氣候預測和干旱評價，指導農業(yè)生產提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

三江平原位于黑龍江省東部，西起小興安嶺，東至烏蘇里江，北起黑龍江，南抵興凱湖，總面積約1.089×105km2，占黑龍江全省總面積的23.9%，由23個縣（市）組成（圖1）。本文選取資料為1982—2020年黑龍江省三江平原19個農業(yè)氣象站的逐日氣象觀測資料及每旬逢8的土壤濕度（地中0—30 cm）觀測資料，每旬逢8的土壤濕度數據代表當旬土壤濕度值。

圖1 三江平原區(qū)域圖和氣象站分布Fig.1 Regionalmap and weather stations of Sanjiang Plain

1.2 土壤濕度記憶性的計算方法

土壤濕度記憶性，即土壤濕度異常持續(xù)的時間，仍是土壤濕度的函數。其大小主要是土壤濕度時間序列滯后一個月的自相關系數［23］，數值大小反映土壤濕度記憶性的強弱。某地前期土壤水分異常情況的延續(xù)，能影響到后期的天氣或氣候變化，所以土壤所具有的特殊記憶性也常常被用于短期的氣候變化預測［24-26］。

土壤濕度記憶時長的方法主要通過自相關系數來衡量，即相關系數連續(xù)通過顯著性t檢驗的總時長。其計算公式為

式（2）中，j為滯后時間；Xi為逐旬土壤濕度；n為樣本總旬數；為樣本總旬數的平均土壤濕度。

基于相關系數和自相關系數數理統(tǒng)計方法，利用Python、ArcGIS、DPS7.05統(tǒng)計軟件等工具計算和繪圖。

2 結果分析

2.1 三江平原土壤濕度的記憶性時空分布

圖2 1982—2020年三江平原0—10 cm春季（a）和夏季（d）、10—20 cm春季（b）和夏季（e）、20—30 cm春季（c）和夏季（f）土壤濕度的記憶時長Fig.2 Distributions ofmemory duration of soilmoisture at depth of 0-10 cm in spring（a）and summer（d），10-20 cm in spring（b）and summer（e），20-30 cm in spring（c）and summer（f）in the Sanjiang Plain during 1982-2020

分別計算1982—2020年黑龍江省三江平原19個農業(yè)氣象站0—30 cm土壤濕度在春季和夏季的記憶時長，發(fā)現三江平原土壤濕度的記憶時長在不同季節(jié)、不同土壤深度表現不同（圖2）。春、夏季土壤濕度記憶時長為10—40 d，且相關系數通過了0.05信度檢驗；秋季數據未通過信度檢驗；冬季無土壤濕度觀測數據。各層土壤濕度記憶性空間分布呈現中間層（10—20 cm）土壤濕度平均記憶時間最長，上下層遞減的趨勢；春季三江平原10—20 cm土層土壤濕度的記憶時長平均20 d，西部佳木斯、北部同江和南部穆棱記憶時長可達30—40 d；夏季三江平原10—20 cm土層土壤濕度的記憶時長平均為17 d，西部記憶天數明顯多于東部，西北部鶴崗、西南部雞西記憶時長也可達30—40 d。說明春、夏季三江平原土壤濕度的異常會影響超10 d的天氣；局地三江平原的土壤濕度記憶時間超過30 d（即1個多月），說明土壤濕度的異?？赡軐笃?—2個月的天氣或氣候造成影響。

土壤濕度記憶性的強弱是由土壤濕度時間序列的滯后一個月自相關系數決定的，1982—2020年三江平原土壤濕度的滯后自相關系系數分布見圖3。從圖3可知，三江平原土壤濕度滯后一個月相關系數夏季大于春季，夏季自相關系數普遍在0.5以上，且相關系數通過了0.01信度檢驗。10—20 cm、20—30 cm土層的土壤濕度記憶性較0—10 cm淺層有所增強。春季自相關系數平均為0.5以下，也呈隨著土層的增加土壤濕度記憶性增大的趨勢。這與趙家臻等［5］分析的“全國范圍內土壤濕度的記憶性夏季最強”的結論相一致。

圖3 1982—2020年三江平原0—10 cm春季（a）和夏季（d）、10—20 cm春季（b）和夏季（e）、20—30 cm春季（c）和夏季（f）土壤濕度時間序列滯后一個月的自相關系數Fig.3 Distributions of autocorrelation coefficients of tim e series of soilmoisture at depth of 0-10 cm in spring（a）and summer（d），10-20 cm in spring（b）and summer（e），20-30 cm in spring（c）and summer（f）in the Sanjiang Plain w ith onemonth lag during 1982-2020

春季從空間強弱分布上看，春季三江平原土壤濕度滯后一個月自相關系數大于0.5的區(qū)域主要呈西北—東南狹長型分布，隨著土壤深度的增加有擴大的趨勢。夏季空間分布為西部高于東部，隨著土壤深度的增加而增強。

2.2 土壤濕度與水、熱氣候條件關系

2.2.1土壤濕度與同期降水量

從1982—2020年三江平原0—30 cm土壤濕度與同期降水之間的相關關系可見（圖4），三江平原夏、秋季土壤濕度與同期降水量之間存在顯著的正相關關系，且絕大部分區(qū)域相關系數通過0.10信度檢驗；從空間分布上看，三江平原夏、秋季土壤濕度與同期降水量之間的正相關以0—10 cm土層最為顯著，隨著土壤深度的增加有減弱的趨勢。春季除0—10 cm土層外，10—30 cm土壤濕度與同期降水量之間大部分數據相關系數未通過顯著性檢驗。

2.2.2土壤濕度與同期溫度

1982—2020年三江平原0—30 cm土壤濕度與同期溫度之間的相關系數表明（圖5），三江平原土壤濕度與同期溫度之間為不顯著的負相關關系，大部分相關系數沒有通過0.10信度檢驗。從空間強弱分布上看也為西部負相關性強于東部，且隨著土壤深度的增加負相關減弱。

圖4 1982—2020年三江平原0—10 cm春季（a）、夏季（d）、秋季（g），10—20 cm春季（b）、夏季（e）、秋季（h），20—30 cm春季（c）、夏季（f）、秋季（i）土壤濕度與同期降水量的相關系數Fig.4 Distributions of correlation coefficients between soilmoisture at depth of 0-10 cm in spring（a），summer（d），and autumn（g），10-20 cm in spring（b），summer（e），and autumn（h），20-30 cm in spring（c），summer（f）and autumn（i）and the contemporaneous precipitation，respectively in the Sanjiang Plain during 1982-2020

2.2.3土壤濕度與同期溫濕指數

1982—2020年三江平原土壤濕度與同期溫濕指數的關系見圖6，三江平原夏、秋季土壤濕度與同期溫濕指數之間存在顯著的正相關關系，絕大部分相關系數通過了0.10信度檢驗；夏季最強，秋季次之，春季最弱。從空間分布看，0—10 cm土層土壤濕度與同期溫濕指數之間正相關關系較其他土層更為明顯，隨著土壤深度的增加有減弱的趨勢。

圖5 1982—2020年三江平原0—10 cm春季（a）、夏季（d）、秋季（g），10—20 cm春季（b）、夏季（e）、秋季（h），20—30 cm春季（c）、夏季（f）、秋季（i）深度土壤濕度與同期溫度的相關系數Fig.5 Distributions of correlation coefficients between soilmoisture at depth of 0-10 cm in spring（a），summer（d），and autumn（g），10-20 cm in spring（b），summ er（e）and autumn（h），20-30 cm in sp ring（c），summ er（f）and autumn（i）and the contemporaneous temperature，respectively in the Sanjiang Plain during 1982-2020

2.3 前期氣象條件對春季土壤濕度的影響

三江平原糧食作物一年一熟，春季土壤墑情的好壞直接影響糧食播種的進程。三江平原年降水量較高，水資源豐富，春季土壤濕度較大影響作物播種［27-29］。

由1982—2020年三江平原春季土壤濕度與前期秋冬季降水量、溫濕指數的相關系數分布可知（圖7和圖8），前期秋冬季降水量與當年春季（0—30 cm）土壤濕度顯著相關，秋冬季降水量是當年春季土壤濕度的主要來源，關系到當年春季土壤墑情高低。從空間分布上看，春季土壤濕度與前期秋冬季降水量正相關的區(qū)域在三江平原呈西北—東南狀分布，且隨著土壤深度的增加，范圍略有減少。

圖6 1982—2020年三江平原0—10 cm春季（a）、夏季（d）、秋季（g），10—20 cm春季（b）、夏季（e）、秋季（h），20—30 cm春季（c）、夏季（f）、秋季（i）深度土壤濕度與同期溫濕指數的相關系數Fig.6 Distributions of correlation coefficients between soilmoisture at depth of 0-10 cm in spring（a），summer（d），and autumn（g），10-20 cm in spring（b），summ er（e）and autumn（h），20-30 cm in sp ring（c），summ er（f）and autumn（i）and the contem poraneous temperature-hum idity index，respectively in the Sanjiang Plain during 1982-2020

圖7 1982—2020年春季三江平原0—10 cm（a）、10—20 cm（b）、20—30 cm（c）深度土壤濕度與前期秋冬季降水量的相關系數Fig.7 Distributions of correlation coefficients between soilmoisture at depth of 0-10 cm（a），10-20 cm（b），20-30 cm（c）in spring and the pre-autumn and w inter precipitation in Sanjiang Plain during 1982-2020

圖8 1982—2020年春季三江平原0—10 cm（a）、10—20 cm（b）、20—30 cm（c）深度土壤濕度與前期秋冬季溫濕指數的相關系數Fig.8 Distributions of correlation coefficients between soilmoisture at depth of 0-10 cm（a），10-20 cm（b），20-30 cm（c）in spring and the pre-autumn and w inter temperature-hum idity index in Sanjiang Plain during 1982-2020

三江平原春季土壤濕度與前期溫濕指數以負相關關系為主（圖8），從空間分布上看，只有表層（0—10 cm）大部區(qū)域的土壤濕度相關系數通過了0.10信度檢驗，說明三江平原春季土壤濕度還受前期秋冬季氣溫的影響。秋冬季氣溫的升高會使土壤存儲的熱量增多，促進次年淺層土壤的融凍，增加次年春季土壤濕度。這與李若麟等［4］研究得出的“上一年夏秋季溫濕指數與淺層（0—10 cm）土壤濕度存在較弱的負相關關系，顯著負相關區(qū)域零星地分布在北半球高緯度地區(qū)”相一致。

3 結論與討論

（1）1982—2020年三江平原土壤濕度的記憶性在不同季節(jié)表現不同。春季三江平原（10—20 cm）土壤濕度記憶時間平均為20 d，夏季三江平原（10—20 cm）土壤濕度記憶時間平均為17 d。三江平原土壤濕度記憶性強度夏季大于春季，空間分布以三江平原西部的記憶性較強，隨著土層深度的增加有增大的趨勢。夏季自相關系數普遍為0.5以上，且相關系數通過了0.01信度檢驗。

（2）降水是三江平原土壤濕度的主要來源，夏、秋季土壤濕度與同期降水量呈顯著正相關；同時受氣溫的影響，土壤濕度與同期溫濕指數也為顯著的正相關。三江平原春季土壤濕度與前期秋冬季降水呈顯著正相關，與前期溫濕指數呈負相關。

（3）春季，隨著氣溫的不斷升高，地表溫度也隨之升高，蒸發(fā)量增大，使得可融雪量減小，對于初始時刻異常偏濕的土壤而言，其“濕”信號會由于蒸發(fā)強度的增大迅速消失，對應土壤濕度的記憶性較弱。夏季，三江平原降水天氣增多，降水強度變大，土壤中由于蒸發(fā)和徑流散失掉的水分能快速得到補償，使得這種正異常得以延續(xù)，同時土壤水分補償速率隨降水頻次的增多而加快，土壤濕度記憶性也隨之加強。

（4）三江平原冬季的土壤濕度目前無觀測數據，同時其秋季土壤濕度的記憶性還有待進一步的明確。隨著衛(wèi)星遙感等新技術的發(fā)展，三江平原乃至東北地區(qū)的土壤濕度資料質量將更好、適用性更強，可對其土壤濕度記憶性進行全面深入的分析。