柴达木盆地南缘浅层地温对气候变化的响应

曾国云 王发科 哈金龙 许学莲 巩俐

摘要    利用1961—2019年柴達木盆地南缘气温、降水及浅层地温（0、10、20 cm）的数据，用数理统计方法分析了气温、降水及浅层地温变化特征，并分析了浅层地温对气温、降水变化的响应。结果表明，1961—2019年柴达木盆地南缘年平均气温呈升高趋势，升高倾向率为0.4 ℃/10 a;年降水量呈增加趋势，增加倾向率为8.0 mm/10 a。0、10、20 cm年平均地温均呈增加趋势，变化趋势大体趋于一致，增加倾向率分别为0.43、0.32、0.33 ℃/10 a;各浅层地温四季均呈现上升趋势，其中冬季增温趋势较小，春、夏、秋季增温较显著，但是随深度不同增温幅度各有差异;各浅层平均地温每年3月上旬至8月下旬随深度增加而降低，9月中旬至翌年2月下旬平均地温随深度的增加而升高，各层地温月平均最大值均出现在7月，最小值出现在1月。各浅层平均地温与年平均气温、年降水量均成正相关关系，年平均气温升高1 ℃，0、10、20 cm地温分别增加0.98、0.74、0.75 ℃;年降水量增加100 mm，0、10、20 cm地温分别增加0.89、0.67、0.77 ℃，年平均气温对地温的影响较年降水量影响明显。

关键词    浅层地温;气候变化特征;响应;柴达木盆地南缘

中图分类号    S162        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）22-0164-04                                                开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    Based on the datas of air temperature， precipitation and shallow ground temperature （0 cm， 10 cm， 20 cm） in the southern margin of the Caidamu Basin from 1961 to 2019， the variation characteristics of air temperature， precipitation and shallow ground temperature were analyzed by mathematical statistics method. The response of the ground temperature in the shallow layer to the air temperature and precipitation change was analyzed. The results showed that the annual mean temperature in the southern margin of the Caidamu Basin showed an increasing trend with an increasing trend rate of 0.4 ℃/10 a， and the annual precipitation showed an increasing trend with an increasing trend rate of 8.0 mm/10 a from 1961 to 2019. The annual mean ground temperature of 0 cm， 10 cm and 20 cm in the southern margin of the Caidamu Basin had an increasing trend， the trend of variation was generally consistent and increasing trend was 0.43 ℃/10 a，0.32 ℃/10 a and 0.33 ℃/10 a; ground temperature showed a rising trend in four seasons， and the increasing trend in winter was smaller than that in spring， summer and autumn， the extent of warming varied with depth; the mean ground temperature decreased with the increase of depth from early March to late August，and increased with the increase of depth from mid September to late February of the following year. The average maximum value of ground temperature appeared in July and the minimum value appeared in January. The average ground temperature of each shallow layer was positively correlated with the annual average temperature and annual precipitation. The annual average temperature increased by 1 ℃， and the ground temperature of 0 cm， 10 cm and 20 cm increased by 0.98 ℃， 0.74 ℃ and 0.75 ℃ respectively; the annual precipitation increased by 100 mm， and the ground temperature of 0 cm， 10 cm and 20 cm increased by 0.89 ℃， 0.67 ℃ and 0.77 ℃， respectively. The effect of air temperature on soil temperature was more obvious than that of annual precipitation.

Keywords    shallow ground temperature; characteristic of climate change; response; southern margin of the Chaidamu Basin

在全球变暖的情景下，以气温上升、气候变暖为主要特征的气候变化对世界经济、生态和社会系统产生了重大影响[1-2]。地温是衡量地表土壤热能的物理量，其变化比气温变化更具有保守性和滞后性。作为下垫面系统的一部分，地温的变化对土壤理化性质、生物学过程、土壤资源质量及农业生态环境等产生影响[3-4]。柴达木盆地南缘地处青藏高原东北部，区域内干燥少雨，太阳辐射强，光照资源丰富，是柴木盆地重要绿洲农业区，它既是气候变化敏感区，又是生态环境脆弱带。因此，在气候变暖背景下，分析柴达木盆地南缘浅层地温的变化特征，探讨气候变化对浅层地温的影响，以期为合理利用当地气候和土地资源，促进农业生产可持续发展等提供参考依据。

1    数据来源与研究方法

1.1    资料来源

选取1961—2019年柴达木盆地南缘格尔木、诺木洪、都兰3个气象站点气温及0～20 cm地温数据。季节划分：3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季。

1.2    研究方法

1.2.1    数理统计方法。应用逐步回归、概率统计、气候趋势系数等数理统计方法，分析气温、浅层地温的变化及影响，数据统计分析采用Excel 2016。

1.2.2    气候趋势系数。n个时刻的气候要素序列与自然数列1，2，3，…，n的相关系数，即

式中，r为气候要素序列趋势相关系数，可使用通常的相关系数统计检验方法，检验气候趋势是否显著，相关系数检验临界值r0.01=0.330。n为年数，xi为第i年的气候要素值，x为气候要素平均值，t=（n+1）/2，r值为正（负）时表示该要素在所计算的n年内有增加（减少）的趋势。

2    结果与分析

2.1    柴达木盆地南缘气候变化分析

2.1.1    气温变化。1961—2019年柴达木盆地南缘年平均气温为4.6 ℃，年平均气温最低为2.8 ℃，年平均气温最高为6.3 ℃。由图1可以看出，59年来平均气温呈升高趋势，升高倾向率为0.4 ℃/10 a，通过0.01显著检验，升温趋势明显。20世纪60年代平均气温为3.5 ℃，21世纪以来平均气温为5.4 ℃，21世纪以来年平均气温较20世纪60年代增加1.9 ℃。

2.1.2    降水量变化。1961—2019年柴达木盆地南缘年平均降水量为100 mm，年平均降水量最大为184.8 mm，年平均降水量最小为51.5 mm。59年来年降水量呈增加趋势，增加倾向率为8.0 mm/10 a，通过0.01显著检验，增加趋势明显（图1）。20世纪60—70年代降水量增加不明显，80—90年代降水量增加缓慢，21世纪以来降水量增加明显，21世纪以来年降水量较20世纪60年代增加31.9 mm。

2.2    柴达木盆地南缘浅层地温变化分析

2.2.1    浅层地温年际变化。由图2可以看出，近59年来柴达木盆地南缘0、10、20 cm浅层年平均地温呈增加趋势，变化趋势大体趋于一致，增加倾向率分别为0.43、0.32、0.33 ℃/10 a，增加趋势明显，通过0.01显著检验。在59年的变化中各层年平均地温均于1983年出现了历史最低点，分别为5.9、6.5、6.6 ℃;0 cm年平均地温于2006年出现最高点，为9.4 ℃，10、20 cm年平均地温于2016年出现最高点，均为9.2 ℃。20世纪60年代至80年代初期年平均地温增幅較平稳，80年代中后期以来升幅明显。21世纪以来年平均地温较20世纪60年代上升了1.3～1.8 ℃（图2）。

2.2.2    浅层地温的季节变化。近59年来，0、10、20 cm四季地温都呈现上升趋势，其中冬季增温趋势较小，春、夏、秋季增温较显著，但随深度不同增温幅度各有差异。0 cm平均地温四季增温较明显，增温倾向率达0.36～0.48 ℃/10 a;10 cm平均地温春季增温率明显低于夏、秋、冬季，增温倾向率为0.28～0.37 ℃/10 a;20 cm春、夏、秋季平均地温增温率明显高于冬季，增温倾向率达0.21～0.43 ℃/10 a。各层平均地温四季增温均通过0.01显著检验（表1）。

2.2.3    浅层地温月变化。从图3可以看出，每年3月上旬至8月下旬平均地温随深度增加而降低，表明热量由浅层向深层传递，是积蓄能量的过程;9月中旬至翌年2月下旬平均地温随深度的增加而升高，表明热量由深层向浅层传递，是释放能量的过程。各层地温月平均最大值均出现在7月，分别为23.3、21.1、19.8 ℃;各层地温月平均最小值出现在1月，分别为-10.1、 -6.9、-5.4 ℃。

2.3    柴达木盆地南缘浅层地温对气候变化的响应

2.3.1    浅层地温对气温的响应。空气与地面是相互接触的，当地面变热后，一部分热量会逐渐传递到空气中，当接近地表的空气变热后，受热逐渐膨胀，于是接近地表的空气会产生上升气流，此时就逐渐导致空气的温度发生改变。另一部分热量通过热传导方式传输到地表以下，从而改变土壤温度的变化[5]。

由图4可知，柴达木盆地南缘浅层平均地温与年平均气温成正相关关系，表明年平均地温随年平均气温的升高而增加，其中0 cm地温对气温变化相关最明显。年平均气温升高1 ℃，0、10、20 cm地温分别增加0.98、0.74、0.75 ℃，均通过0.01显著检验，相关性明显。

2.3.2    浅层地温对降水的响应。由图5可知，柴达木盆地南缘浅层平均地温与年降水量也成正相关关系，表明年平均地温随年降水量的升高而增加。年降水量增加100 mm，0、10、20 cm地温分别增加0.89、0.67、0.77 ℃，其中20 cm地温对降水量变化相关明显，通过0.01显著检验。

3    结论

（1）柴达木盆地南缘年平均气温呈升高趋势，升高倾向率为0.4 ℃/10 a，21世纪以来年平均气温较20世纪60年代增加1.9 ℃;年降水量呈增加趋势，增加倾向率为8.0 mm/10 a，21世纪以来年降水量较20世纪60年代增加31.9 mm。

（2）柴达木盆地南缘0、10、20 cm年平均地温均呈增加趋势，变化趋势大体趋于一致，增加倾向率分别为0.43、0.32、0.33 ℃/10 a，增加趋势明显。21世纪以来年平均地温较20世纪60年代上升了1.3～1.8 ℃。

（3）柴达木盆地南缘0、10、20 cm地温四季均呈现上升趋势，其中冬季增温趋势较小，春、夏、秋季增温较显著，但随深度不同增温幅度各有差异。

（4）柴达木南缘浅层平均地温每年3月上旬至8月下旬随着深度的增加而降低，9月中旬至翌年2月下旬的平均地温随着深度的增加而升高。各层地温的月平均最大值均出现在7月，最小值均出现在1月。

（5）柴达木南缘浅层平均地温与年平均气温、年降水量均成正相关关系。年平均气温升高1 ℃，0、10、20 cm地温分别增加0.98、0.74、0.75 ℃;年降水量增加100 mm，0、10、20 cm地温分别增加0.89、0.67、0.77 ℃，年平均气温对地温的影响较年降水量影响明显。

4    參考文献

[1] 田展，梁卓然，史军，等.近50年气候变化对中国小麦生产潜力的影响分析[J].中国农学通报，2013，29（9）：61-69.

[2] 郭建平.气候变化对中国农业生产的影响研究进展[J].应用气象学报，2015，26（1）：1-11.

[3] 李焕春，彦昌荣，赵沛义，等.不同施肥对阴山北麓旱作农田土壤呼吸作用的影响[J].华北农学报，2012，27（5）：224-229.

[4] 高春香，苏立娟，宋进化，等.内蒙古东北部冻土分布与地温关系[J].内蒙古气象，2004（1）：19-22.

[5] 隋景跃，张国林，戴海燕，等.近52年辽宁西部地区浅层地温变化特征分析[J].山西农业科学，2013，41（8）：852-855.