四川盆地区表层土壤湿度时空变化特征分析

邓 彪, 肖天贵

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.四川省气候中心,四川成都610072)

四川是农业大省,盆地为主要粮食产区。由于环流背景和地形条件影响,四川盆地区几乎年年有干旱,分布地域广,持续时间长,对农业危害大[1-2]。据旱涝资料分析,四川大旱年集中在16、17、20世纪,特别是20世纪后期发生频率最高,大旱年平均3年左右一遇[3]。

土壤水是一种重要的水资源[4-6],降水或灌溉都要转化成土壤水才能被植物吸收,土壤水分是农作物正常生长发育的重要物质或环境条件之一。土壤耕作层又称表土层,厚度一般约20cm左右,耕作层土壤水分的多少直接影响到作物的播种出苗和正常生长发育,能敏感地反映出大气降水、灌溉和地下水补给与农田蒸散的动态平衡结果。土壤湿度是表示土壤干湿程度的物理量,又称土壤水分含量,区域某时段某层次的土壤含水量多少是评估农业干旱和农田灌溉的重要指标。国内许多学者从水资源评价、水循环及地表水文过程、气候变化诊断分析、农业干旱评估以及未来土壤湿度预测等方面进行了大量的试验与研究[5-13],为区域充分利用土壤水分资源,合理安排农、林、牧业生产,指导农业灌溉,改善生态环境提供了科学依据。然而,由于土壤水分观测资料的匮乏,针对四川省盆地区的土壤水分时空分布和变化规律进行研究的文献较少见。

文中以四川省盆地区土壤表层(0～20cm)的土壤相对湿度为讨论对象,采用气象统计分析方法,结合降水、气温、日照时数等气象资料,探讨四川盆地区土壤湿度时空变化特征及影响土壤湿度变化的主要气象因子,对盆地丘陵区农业干旱评估以及农业防灾减灾具有重要意义。

图1 四川盆地区农业气象站点分布图

1 资料与方法

文中所用土壤湿度和气象资料均来源于四川省气象信息中心。土壤湿度资料为四川省盆地区36个农业气象站点(图1)每旬逢8测得的土壤湿度资料,每月观测3次,每10cm为1个层次,收集有2个层次(0～10cm、10～20cm);其中22站资料长度为1994～2011年,其余站点资料年限较短,仅作分析时参考用。根据盆地气候特点和中国气象地理区划标准,将四川盆地区大致分为盆东北(包括达州、巴中、广安、南充市)、盆西北(包括广元、绵阳、德阳、成都市)、盆中(包括遂宁、资阳、内江、自贡市)、盆南(包括泸州、宜宾、乐山、眉山、雅安市)共4个研究区域来分析和表述。

采用烘干称重法测量,用土壤重量含水率(%)表示土壤湿度:土壤重量含水率(%)={土壤含水量(g)/干土重量(g)}×100%;每层土壤相对湿度(%)计算式为:土壤相对湿度(%)={土壤重量含水率(%)/田间持水量(%)}×100%;田间持水量采用田间小区灌水法测定,即土壤排除重力水后测定的土壤湿度;表层土壤相对湿度用0～10cm、10～20cm两层土壤相对湿度的平均值(%)表示,用于分析四川省盆地区土壤水分的时空变化规律。

利用旋转正交函数(REOF)方法对四川盆地区土壤水分进行时空变化特征的分析。REOF分析方法是一种分解矩阵数据中的结构特征和提取主要数据特征量的方法。时间趋势变化采用线性倾向分析,各要素的倾向率主要用一元线性回归方程拟合求得;此外,用相关分析法确定不同区域影响土壤水分的主要气象因子,并利用多元回归方程建立统计关系。

2 四川盆地区表层土壤相对湿度时空特征

2.1 年平均土壤湿度时空变化

图2是盆地表层土壤相对湿度多年平均空间分布图,可见盆地表层土壤相对湿度多年平均在65%以上,盆地东北部、南部较高,一般平均在80%～90%;盆地中部、西北部较低,平均在70%～80%,其中盆中丘陵台地平均低于70%;空间分布大致从南到北逐渐减小。图3给出盆地区表层土壤相对湿度年际变化曲线,从区域平均年际变化来看,盆地区土壤湿度的呈现弱的上升趋势,1990年代后期变化相对平稳,2000年以后波动较大,以2006年为界,前升后降。

图2 表层土壤相对湿度多年平均空间分布

表1是盆地各站表层土壤相对湿度年际变化趋势系数,系数的正负显示盆地各区域土壤湿度年际变化趋势各异(图4)。大致认为,盆地东北部、南部土壤湿度变化以减小趋势为主,以大竹、宣汉、巴中、苍溪、乐山、犍为站为中心的区域有变干趋势;盆地西部、西北部土壤湿度以增加趋势为主,以三台、绵阳、名山、广元站为代表的区域在逐年变湿;盆地中部丘陵地区干湿趋势局地性强,从遂宁、乐至、安岳、仁寿、荣县、高坪、营山等站的趋势系数可以看到这点。

表1 盆地站点表层土壤相对湿度趋势系数

2.2 土壤湿度不同季节分布特征

盆地土壤湿度季节变化呈双峰型特点(图5),秋季高,春季低,夏季波动明显,初夏高,盛夏低。年内10月中旬最高为84.8%,7月下旬最低为75.2%。常年盆地冬暖少雨,从12月份开始土壤湿度开始缓慢下降,春季回温快,植物生长发育加快,农田蒸散增加,3～4月份土壤湿度保持在较低水平,冬干春旱常现。夏季多雨,土壤累积水分快;盆东雨季来得早,但盛夏多高温伏旱;盆西夏旱频率高,而7～8月份易出现涝;6～8月份土壤湿度上升较快下降亦快,波动大。盆地秋季多绵雨,土壤偏湿,9月土壤湿度迅速升高并保持较高水平。

图4 表层土壤相对湿度变化趋势空间分布

图5 盆地区表层土壤相对湿度旬平均年变化特征

图6 盆地区表层土壤相对湿度不同季节分布

按1月、4月、7月、10月来统计冬、春、夏、秋季平均土壤相对湿度,分析四季土壤湿度的空间分布特征。如图6(a～d)所示,冬季土壤湿度盆西北低,部分地区土壤相对湿度在70%以下,广元63.8%为盆区冬季最低;盆东北、盆南高,土壤相对湿度在85%以上,汉源92.9%为盆区冬季最高。春季土壤湿度保持在较低水平,盆区春季最小为64.1%(东兴),最高为90.6%(汉源);分布与冬季类似,由盆西北向盆东北、盆南逐渐升高,但土壤相对湿不足70%的范围更大,并向盆中拓展。夏季土壤相对湿度在68.0%～94.9%,以遂宁为中心的盆中丘区土壤湿度不足70%,由盆中向四周依次升高;夏季土壤含水量总体上较冬、春季多。秋季土壤湿度最高,盆地区土壤相对湿度均在70%以上,分布在72.9～91.4。

盆地区冬干夏雨季风气候特点明显,土壤干湿状况亦呈现出冬春季相对偏干、夏秋季相对偏湿的季节变化;空间分布上盆西北、盆中四季相对偏干,盆东北、盆南则相对偏湿。

2.3 基于REOF方法的土壤湿度时空变化特征

四川盆地区年平均土壤湿度总体水平较高,年际变化趋势区域各异,季节差异大,易形成季节性农业干旱。利用REOF方法分析盆地表层土壤湿度场,进一步探讨盆地农业干旱时空变化特征。由表2可见,REOF分解获得的前3个典型模态的累积方差贡献达到65.6%,基本可以代表盆地区土壤湿度空间分布变化状况。图7给出四川盆地区表层土壤湿度前3个模态的特征分布及时间系数变化趋势。

表2 盆地表层土壤湿度场各模态方差(%)

图7 四川盆地区表层土壤湿度分布前三个特征类型

第一模态特征向量解释了总体方差24.9%,是盆地区表层土壤湿度主要空间分布结构类型,主要为由西到东呈现正-负分布型,具体是盆西北、盆西、盆中为正分布,而盆东北、盆南为负分布。正负区域土壤湿度变化趋势不一致,具有反相位特征,即此区域土壤湿度增加则彼区域就减少。从所对应的时间系数变化可以看出,这种空间分布结构的盆地区土壤湿度年代际变化特征明显,时间序列表现为明显上升趋势(图7a)。2002年以前时间系数为负值,以后则为正值,说明近10年四川盆地区土壤湿度空间模式变化与2002年以前相反,以西部偏湿东部偏干为主要特征,这与2.1节分析盆地区域土壤干湿变化趋势特点相符。

第二模态特征向量解释了总体方差24.6%,也是盆地区表层土壤湿度主要空间分布结构型,由北到南主要表现为正-负-正分布型,土壤湿度变化趋势不一致,盆北、盆南增加,盆中、盆西减少或反相位变化。对应的时间系数变化反映出这种模态具有年际变化特征,时间序列为弱下降趋势(图7b)。2006年盆地中东部大旱之后,旱情有所减弱,盆地南部的干旱却有增加趋势,2011年夏秋季,盆地南部持续高温少雨,导致伏秋连旱严重危害农业生产。第二模态特征从另一角度反映出盆地农业干旱的变化事实。

第三模态特征向量解释了总体方差16.4%,由东北到西南带状区域主要为正分布型,表明土壤湿度变化趋势一致。对应的时间系数变化表现上升-下降-上升的周期振荡特征(图7c),反映出盆东北、盆西南区域土壤湿度由偏湿到偏干,再逐渐偏湿的周期变化状况。其中1994年、2001年以及2010年的干旱事件能较好反衬出盆地土壤湿度时空分布特点。

2.4 盆地不同区域土壤干湿频率年变化特征

根据四川盆地农业气象服务应用实践,土壤相对湿度在60%～85%,适于作物生长;大于85%土壤过湿,土壤通透能力降低,不利于作物生长发育;小于60%表示轻度缺水,干旱开始露头,需要及时灌溉。从研究分区中选出土壤测墒代表站(表3),分别统计不同分区逐旬土壤耕作层干湿频率,讨论盆地不同区域土壤干湿年变化特征。

表3 盆地不同分区选取代表站点表

图8(a)是盆地各区域表层土壤相对湿度≤60%的出现频率年变化,反映4个区域土壤干旱频率变化特征。盆西北3、4月份频率最高,9、10月份频率最低,呈单峰型年变化特征,说明盆西北冬干春旱重;盆东北7、8月份频率最高,12、1月份最低,呈单峰型年变化特点,盆东北夏伏旱明显;盆中干旱频率呈现双峰型特点,3、4月份和7、8月份先后出现频率高点,初夏(6月)与秋冬季出现频率低点,盆地中部年内出现两段旱,春夏季干旱交错叠加;盆南年变化特征不明显,但各时段出现频率较低,时段频率最高仍不足15%。

图8(b)是盆地各区域表层土壤相对湿度＞85%的出现频率年变化,反映4个区域土壤偏湿频率变化情况。盆南年内大部分时段偏湿频率高于其他3个区,偏湿频率年变化不明显;其余3个分区变化特点是,11月至次年6月,土壤偏湿频率盆东北最大,盆中次之,盆西北最小;7～10月,土壤偏湿频率盆东北最小,盆中次大,盆西北最大。

图8 盆地各分区土壤干(≤60%)湿(＞85%)频率年变化曲线

3 气象因子对盆地不同区域表层土壤湿度影响分析

气象条件是影响土壤表层干湿变化的主要因素之一。从研究分区中选择代表站(表4),分别计算1994～2011年逐旬表层土壤相对湿度(Y)与对应旬平均气温(T)、旬降水量(R)、旬日照时数(S)的相关系数,并建立多元线性回归方程,探讨盆地不同区域表层土壤湿度与气温、降水、日照因子的相关性及影响。

表4 表层土壤相对湿度与气象因子相关、回归分析

从表4可以看出,盆地区表层土壤湿度与日照时数呈负相关,与降水为正相关,并且均通过0.01显著水平检验;与气温相关性方面,3站点有差异,大竹、遂宁负相关性显著,而绵阳相关性不明显。

盆地表层土壤湿度与气温、降水、日照关系密切,回归方程均通过F0.01的显著性检验,表明降水减少,气温升高、日照增多,盆地表层土壤湿度变干,反之则变湿。标准化回归系数能更好比较各气象因子对土壤湿度的影响大小。盆东北表层土壤湿度受气温变化影响最大,其后是降水、日照,即气温＞降水＞日照。盆地中南部则相反,日照条件影响最大,其后为降水、气温,即日照＞降水＞气温。盆西北表层土壤湿度变化与气温影响无关,主要受降水与日照条件影响,即降水＞日照。

4 结论

(1)盆地表层土壤相对湿度多年平均值较高,空间分布大致是从南到北逐渐减小;盆地区平均年际变化呈现弱的上升趋势,其各区域土壤湿度年际变化趋势各异,盆地东北部、南部土壤湿度变化以减小趋势为主,盆地西部、西北部土壤湿度以增加趋势为主。

(2)盆地表层土壤湿度常年季节变化呈双峰型特点:秋季高,春季低;夏季波动明显,初夏高、盛夏低;土壤干湿状况总体呈现出冬春季相对偏干、夏秋季相对偏湿的季节变化。盆地不同区域表层土壤干湿频率特点表现为盆西北春季偏干、夏季偏湿,盆东北春季偏湿、夏季偏干,盆中春夏两季均偏干,盆南偏湿频率高于偏干。

(3)通过REOF分析,盆地区表层土壤湿度时空变化特征可用3种模态表示,一类是盆地由西到东呈现正-负分布型,具有年代际变化特征;二类是盆地由北到南主要表现为正-负-正分布型,有年际变化特点;三类是盆地东北到盆地西南为带状正相位分布型,具有一定周期变化特征。盆地区表层土壤湿度时空变化有近50%年份表现为一、二类时空特征。

(4)盆地表层土壤湿度变化与气温、降水、日照相关密切,通过回归分析表明,盆东北表层土壤湿度变化受气温高低影响最大,3个因子影响效应依次为气温＞降水＞日照;盆地中南部则相反,日照时数多少影响最大,依次为日照＞降水＞气温;盆西北表层土壤湿度变化与气温影响无关,主要受降水与日照条件影响。不同区域气象因子差异化原因有待进一步分析。

[1] 四川省农业区划办公室,四川省政府救灾办公室.四川农业灾害与减灾对策[M].四川科学技术出版社,1999.

[2] 陈淑全,罗富顺,熊志强,等.四川气候[M].成都:四川科学技术出版社,1997.

[3] 詹兆渝,刘庆,陈文秀,等.中国气象灾害大典四川卷[M].北京:气象出版社,2005.

[4] 刘丽芳,许新宜,王会肖,等.土壤水资源评价研究进展[J].北京师范大学学报(自然科学版),2009,45(5):621-625.

[5] 由懋正,王会肖.农田土壤水资源评价[M].北京:气象出版社,1996.

[6] 康绍忠.干旱缺水条件下麦田蒸散量的计算方法研究[J].地理学报,1990,45(4):475-483.

[7] 马柱国,魏和林,符宗斌.中国东部区域土壤湿度变化及其与气候变率的关系[J].气象学报,2000,58(3):278-287.

[8] 张秀芝,吴迅英,何金海.中国土壤湿度的垂直变化特征[J].气象学报,2004,62(1):51-61.

[9] 邓天宏,方文松,付祥军,等.冬小麦夏玉米土壤水分预报及优化灌溉模型[J].气象科技,2005,33(1):68-72.

[10] 高蓉,陈少勇,董安祥,等.西北地区东部耕作层土壤湿度近22年变化分析[J].干旱地区农业研究,2008,28(6):186-195.

[11] 罗长寿,魏朝富,李瑞雪.时序模型在四川盆地土壤水分动态预报中的应用[J].西南农业大学学报,2002,24(5):464-466.

[12] 王改改,郑畅,魏朝富,等.四川盆地丘陵区土壤水分垂直变异特征研究[J].灌溉排水学报,2009,28(2):98-100.

[13] 陈少勇,郭凯忠,董安祥.黄土高原土壤湿度变化规律研究[J].高原气象,2008,27(3):530-537.