郑州地区草地土壤水分时空变化特征及对气候的响应分析

彭记永，方文松

（1.河南省气象科学研究所，河南 郑州450003；2.中国气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州450003）

土壤水分作为陆面过程研究中的重要参量，与气候变化有着密切的联系，影响着地表能量和水分的再分配过程[1-2]。土壤水分通过改变地表向大气输送的显热、潜热和长波辐射通量影响气候变化，而气候同样会影响土壤含水量的变化，进而影响土壤水分的蒸发和下渗，使地表的各种参数发生变化，两者之间有相互影响的关系[3]。土壤水分对气候变化的响应研究已有一些报道，李洪建等[4]利用定量观测的方法，分析了黄土高原地区荒地的土壤水分时空变化特征，方文松等[5]研究了南阳市土壤湿度变化规律与降水、气温的关系，李树岩等[6]研究了河南省近20 a土壤水分时空变化特征，张洪芬等[7]分析了麦田土壤水分的变化特征，以及与冬小麦产量间的关系。大量研究表明，土壤水分与气候因素（气温、降水）密切相关，土壤水分变化与气候相互作用、相互影响。深入研究土壤水分及其变化规律，对研究地气循环，以及气候变化有重要意义。研究以郑州为例，利用郑州农业气象试验站8 a的土壤水分（0～100 cm）观测资料，揭示了土壤水分变化特征以及对气候的响应关系，以期为农业生产和气候区划，以及土壤水分数值模拟提供帮助。

1 材料及方法

观测区紧邻郑州国家气候观测场，观测面积为0.9 hm2，地段下垫面覆盖类型为草地，长年无灌溉。研究选取郑州农业气象试验站8 a（2005～2012）土壤水分观测数据，共288次。每月3次定时观测，观测时间一般为每月的8、18、28日。土壤水分的测定深度为100 cm，每次4个重复，每10 cm一个层次，共10层，用烘干称重法（105℃）进行测定。对上述数据进行处理，分别计算出不同深度的土壤重量含水率和相对湿度。R=100%×w/fc，式中R表示土壤相对湿度（%），w表示土壤重量含水率（%），fc表示田间持水量（用重量含水率表示）。气象资料来源于郑州市气象局。

2 结果与分析

2.1 气候变化趋势

从图1中可知，郑州地区气温最近8 a处于一个较高的水平，年平均气温呈逐渐增高的趋势，2007年气温为最近50 a最高，达16.0℃，为最暖年份。降水量年份间差异较大，而且降水量年内分布很不均匀。绘制8 a的旬平均降水量和旬平均气温变化趋势图（图2），气温呈现以年为周期的变化规律，1月气温降到最低，然后逐渐升高，6～8月气温维持在一个较高的水平，平均在25℃以上，9～12月气温逐渐下降。降水量分布不均，2008年7月中旬降水量达267.0 mm，而2007年9月中旬～2008年3月下旬，降水量仅为60.3 mm。年降水主要集中在7～9月，其余月份相对较少。

图1 年平均气温、降水量50 a变化特征

图2 旬平均气温平均降水量变化特征

2.2 土壤湿度变化特征

2.2.1 土壤湿度时间变化规律 分析土壤水分变化特征发现，土壤水分呈现以年为周期的变化规律。图3显示：1～4月土壤水分变化较为平缓，相对湿度维持在60%～90%之间；5～6月土壤水分达到极小值，土壤表层甚至有干土层出现（相对湿度＜30%）；7～9月土壤水分含量增加，在降水较多的年份，土壤水分在一段时间内会达到饱和，甚至大于田间持水量（相对湿度≥100%）；10～12月土壤水分呈现缓慢减小的趋势。

图3 不同层次土壤水分变化特征

由于每年1～4月降水较少，蒸发量也相对较小，土壤水分变化比较稳定；5～6月降水没有明显增加，而气温显著增高，地面蒸发量较大，表层土壤失墒严重，土壤水分含量急剧减少，容易出现干土层；7～9月是郑州地区降水最多的月份，为土壤蓄墒期，土壤水分增大；10～12月降水相对减少，而气温也随之降低，土壤水分变化较为平缓。

由图3看出：0～10 cm土壤水分变化较为剧烈，相对湿度在27%～93%之间。土壤表层地气交换明显，越往下层变化幅度越小，90～100 cm变化幅度最小，相对湿度在64%～92%之间。

2.2.2 垂直变化特征 从图4中可以看出，土壤水分在垂直方向呈现分阶段变化特征，可以分为以下4个层次。

（1）土壤水分表层（0～10 cm）。该层地气交换比较明显，全年不同时期变化较大。6月容易出现干土层，相对湿度在20%～40%之间；降水较多的8～9月份，相对湿度会达到80%～100%。

图4 土壤水分垂直变化特征

（2）土壤水分急变层（10～40 cm）。该层相对湿度在54%～81%之间，起到承上启下的作用，在表层较干旱时，会补充表层水分；当降水较多、表层土壤水分较大时，土壤水分会向下渗透，转而影响下层土壤水分。

（3）土壤水分缓变层（40～80 cm）。该层从40 cm土壤水分逐渐增大，到80 cm达到最大值，相对湿度在56%～94%之间。

（4）土壤水分相对稳定层（80～100 cm）。这一层相对湿度在68%～85%之间，地气交换较小，降水渗透到此层也较滞后，相对比较稳定。研究表明[8]绝对的稳定层在2 m以上是不存在的，只是变化的幅度较小。深层土壤是浅层和中层水分存储和供应的贮水库，具有调节自然降水的功能：在失墒期，深层土壤水分不断向上输送，以增加上层土壤水分湿度；在增墒期，当降水量大于上层土壤水分田间持水量时，水分不断下渗，以储存浅层土壤中过剩的水分；且在供应和存储的时间分布上有一个延迟。

2.3 土壤水分与气候的相关分析

综合分析土壤水分的时间变化特征和垂直变化特征，发现土壤水分变化受到土壤物理性质、地表覆盖类型、气象条件等多种综合因素的影响，主要可以分为两个方面，即水分存储和水分消耗。前者主要指降水、人工灌溉、地下水补给和水汽凝结；后者主要指土壤水分蒸发、植物蒸腾和地表径流等。观测地区常年地下水位>2 m，地表无径流，长年无灌溉，影响土壤水分变化的气象因子主要是降水和气温。

利用spss数理统计软件对8 a旬平均土壤水分（W）和降水（r）、气温（t）进行回归分析，定量分析土壤水分对降水和气温等气候要素的响应关系（表1）。研究表明，土壤水分与气候（降水和气温）的复相关系数R值（R均通过α=0.01的显著性检验）在0～10 cm达到最大R=0.770，然后逐渐减小，50～60 cm达到最小，随后又逐渐增大，呈现先减小后增大的趋势。二元回归方程均通过了F检验（α=0.01），并且0～10 cm的F值达到最大（F=24.039）；0～100 cm复相关系数为0.643（相关系数通过了α=0.01的显著性检验），F值为11.600。

3 结论与讨论

（1）土壤水分呈现以年为周期的变化规律，不同年份变化趋势大致相同，但是受气候条件影响，稍有差异。每年1～4月、11～12月土壤水分变化较为平缓；5～6月，土壤水分降到最低点，表层甚至出现干土层；7～8月份，土壤水分达到最大值，并一直保持到9～10月。土壤水分在垂直方向上呈现4个层次的变化规律，在降水正常年份，垂直变化趋势较为一致。

表1 土壤水分变化量与降水量和气温的回归分析

（2）郑州地区土壤水分变化与气温和降水的变化有着密切的关系，气候是影响土壤水分变化的主要因素，0～10 cm土壤水分对气候的响应最为灵敏。

（3）土壤水分受到前期土壤水分含量、气温、降水量、草地蒸发、地温、风速等多种因素的影响，并且降水是一个不连续的量，气温的变化也有很大的波动。因此，降水量和气温对土壤水分的贡献量大小有待于进一步研究。

[1]姜丽霞，李 帅，纪仰慧，等.1980-2005年松嫩平原土壤湿度对气候变化的响应[J].应用生态学报，2009，20（1）：91-97.

[2]梁 芸，张 峰，王小巍，等.黄土高原塬区麦田土壤水分变化特征及其对降水的响应[J].土壤通报.2012，43（1）：20-24.

[3]马柱国，魏和林，符淙斌.土壤湿度与气候变化关系的研究进展与展望[J].地球科学进展.1999，14（3）：299-305.

[4]李洪建，王孟本，柴宝峰.黄土高原土壤水分变化的时空特征分析[J].应用生态学报，2003，14（4）：515-519.

[5]方文松，陈怀亮，李树岩，等.南阳市土壤湿度与气候变化的关系分析[J].气象与环境科学，2007，30（4）：13-16.

[6]李树岩，陈怀亮，方文松，等.河南省近20年土壤湿度的时空变化特征分析[J].干旱地区农业研究.2007，25（6）：10-15.

[7]张红芬，王劲松，黄斌.西峰黄土高原麦田土壤水分的垂直分布[J].土壤通报，2006，37（6）：1082-1085.

[8]“华北平原作物水分胁迫与干旱研究”课题组.作物水分胁迫与干旱研究[M].郑州：河南科学技术出版社，1991.135-154.