甘肃省1980—2021年浅层地温变化特征分析

于海跃，刘新雨，张玉香

（甘肃省酒泉市气象局，甘肃酒泉 735000）

0 引言

地温是指土壤的温度。通常在气象观测中把0～20 cm深度的地温称为浅层地温，40～320 cm地温称作深层地温[1]。地温是反映土壤热能状况的主要指标，地温的分布状况直接影响到作物种类的分布。随着气候变暖趋势加大，土壤温度也出现逐年上升的趋势。地温的升高会使作物的生育期加快，高海拔地区作物的适种范围扩大，也有助于作物产量的提高。但同时地温的升高也会导致土壤水分散失，加剧干旱地区的旱情。

土壤温度对于作物的影响是比较大的，因此需要测定土壤温度指导农业种植和农业科研。土壤温度影响着植物的生长、发育和土壤的形成，在作物生长的整个发育期，地温的影响是至关重要的[2]。例如，种子的萌发需要较好的土壤环境，只有土壤温度、水分等条件达到一定的条件，种子才会发芽。一般耐寒的谷类作物，种子萌发的平均地温为1～5℃，喜温作物为8～10℃。通过测量土壤的温度就可以实现科学合理的播种，确保播种的效果。另外，作物的根系生长直接受到土壤温度等土壤条件的影响，一般当土壤温度在2～4℃时作物根系开始生长，土壤温度达到10℃以上时，根系生长比较快，地温超过35℃时根系的生长就会受到抑制。为了确保作物的健康生长，需要关注土壤温度等环境的变化。土壤温度还会对土壤的腐殖化过程、矿质化过程以及植物的养分供应等产生影响。因此现代农业需要加强对土壤温度的监测，及时指导生产，采取有效措施实现优质高产的生产目标。

许多学者都对浅层地温进行了探讨[3-11]，但对甘肃省浅层地温特征分析比较少。笔者以甘肃省22个国家气象观测站1980—2021年地温观测资料为依据，通过气候诊断方法分析甘肃省浅层地温的变化特征，以期为优化农业生产结构和农业可持续发展提供科学依据。

1 资料与方法

资料来源于甘肃省22个国家气象观测站，1980—2021年逐日0、5、10、15、20 cm地温观测资料和逐日气温资料。

2 研究方法

采用一元线性回归计算气候倾向率，分析气象要素的长期变化趋势。利用Morlet 小波变换能量谱和M-K突变检验分析气象要素周期和突变特征[12-13]。利用Kriging插值法揭示气象要素的空间变化。

3 分析与结果

3.1 浅层地温空间分布特征

对甘肃省22 个国家气象观测站1980—2021 年逐日0、5、10、15、20 cm 地温观测资料分析显示，甘肃省0 cm地温空间分布呈东西高中部低的特点（图1）。0 cm年平均温度最高值出现在陇南的武都站，为16.7℃；西部敦煌市次之。中部祁连山边坡地带地温相对较低，最低值出现在永昌站，为8.7℃。可以看出地温分布特征是与地域和海拔高度密切相关的。5～20 cm地温的分布特征与0 cm 地温基本一致，都存在西部和东部2个高值区，中间海拔较高的地区温度相对较低。

图1 甘肃省1980—2021年浅层平均温度分布

3.2 浅层地温年平均温度变化特征

3.2.1 浅层地温年平均温度变化趋势选取甘肃西部的酒泉站和甘肃东部的天水站为例分析浅层地温年平均温度变化特征。从1980—2021 年地面0 cm 年平均温度曲线（图2）可以看出，地面0 cm温度为逐年上升的趋势。酒泉站气候倾向率为0.53，1980—2021 年地温升幅达到2.2℃。1984、1993、2010、2011年为异常偏低的年份，这与年平均气温的变化一致。天水站地面0 cm温度的年变化特征与酒泉站基本一致，气候倾向率为0.44，42年地温升幅达到1.7℃。1984、1989、2021年为异常偏低的年份。地温的逐年上升趋势，使甘肃省作物种植结构有了明显的变化，例如在20世纪90年代酒泉市棉花种植区仅分布在敦煌、瓜州和金塔3个县市，到了21世纪20年代，肃州区和玉门市也可以大面积种植。其他层次的变化与0 cm一致，均为逐年上升的趋势。

图2 酒泉站和天水站0 cm年平均温度变化

3.2.2 浅层地温的垂直变化特征以酒泉站为例，对0～20 cm 温度垂直变化进行分析（图3），0～20 cm 温度变化特征基本一致，20 世纪80—90 年代温度偏低，进入21世纪20年代温度有显著升高。随着土壤的深度增大，温度的变幅变小，0 cm温度变幅最大，最高年份和最低年份的差值为3.4℃，20 cm温度变幅最小，最高年份和最低年份的差值为2.6℃。这与韩璐等[14]在柴达木盆地土壤温湿度变化特征及相关关系研究的结论一致。

图3 酒泉站浅层地温年平均变化

从各月5～20 cm 地温与0 cm 地温的差值曲线图（图4）可以看到，1—2月和9—12月，各层地温分布特征是随着土壤深度增加，地温呈递增的趋势。3—8月正好相反，随着土壤深度增加，地温为递减的特征。12月5～10 cm 各层地温与0 cm 地温差值为正向最大，6月各层地温与0 cm地温差值为负向最大。

图4 酒泉站各月5～20 cm各层地温与0 cm地温差值

3.2.3 周期与突变从酒泉0 cm 平均温度距平可以看出，在1980—1998年期间距平均为负值，是相对冷的阶段，1999年以后，温度显著升高，虽然有个别年份距平值为负值，但总体趋势为偏暖的特征（图5），这与全球变暖的趋势比较符合。对酒泉站1980—2021 年0 cm平均温度序列进行Morlet 小波变换能量谱和M-K 检验。可以看出，0 cm 温度有显著的周期震荡，存在8～10 年震荡周期。M-K 检验表明，在1999 年前后0 cm地温序列存在突变，地温上升较为明显，5～20 cm特征与0 cm相似（图略）。

图5 酒泉站Morlet小波变换能量谱和M-K检验

3.2.4 逐日浅层地温年平均温度变化特征作物的播种和地温的变化密切相关[15]，例如马铃薯播种后，当10 cm地温5～7℃时开始萌芽。如果播种后，10 cm地温低于10℃，幼芽的生长就会受到抑制，不易出土。当地温在10～20℃时，幼芽就能很快出土，发育最适温度是13～18℃。因此，当10 cm 地温稳定通过8℃时，马铃薯是最佳的播种期。对于喜凉的谷物，5 cm地温稳定通过0℃时就可以进行播种了。分析各地地温的日变化就可以得到各地作物的最佳播种期，为指导农业生产提供有力的依据。选取甘肃西部的酒泉站、中部的兰州站、东部的天水站和祁连山边坡的永昌站5 cm和10 cm的温度日变化进行分析，5 cm 地温稳定通过0℃的日期天水最早为1 月28 日，永昌最晚为3 月6 日（图6）。对于谷类作物，甘肃东部播种期在1月底为宜，永昌在3 月上旬为宜。两地播种期相差接近40 d。10 cm 地温稳定通过8℃的日期天水为3月12日、永昌为4月5日，对于马铃薯、玉米、棉花等作物适宜播种期相差近25 d。

图6 甘肃4个代表站5、10 cm日平均温度变化

4 气温对地温的影响

对酒泉站逐日气温和浅层地温资料进行分析，由表1可以看出，0～20 cm地温与气温之间有非常显著的相关，相关系数均在0.96以上。其中0 cm地温与气温的相关性最高。说明气温的变化直接影响到地温的变化。土壤热容性较空气大，随着土壤层次的加深，对气温变化的响应也逐渐减小。

表1 各层地温与气温相关系数

从0～20 cm地温与气温散点图（图7）可以看出，气温与地温之间存在较好线性相关，气温升降时，地温也会随之升降。

图7 0～20 cm地温与气温散点图

图8 为气温和浅层地温的日变化对比图，0 cm 和5 cm的变化幅度较气温的变化幅度要大，10～20 cm地温的变化幅度比气温的变化幅度小。在白天，受太阳辐射的影响，地表增温要比气温快，随着土壤深度的增大，地温变得逐渐平稳，白天的太阳辐射增温可以影响到10 cm 左右。在夜间地面辐射加强，地表降温幅度要比气温剧烈。5 cm 层次以下地温的变化幅度要小于气温。

图8 气温和浅层地温的日变化对比图

5 结论

甘肃省0～20 cm 地温空间分布特征基本一致，呈南北高中部低的特点。浅层地温为逐年上升的趋势，1980—2021年地温升幅达2.0℃左右，这与年平均气温的变化一致。0～20 cm温度变化特征基本相同，随着深度增加，温度的变幅减小，0 cm温度变幅最大，20 cm温度变幅最小。9 月—次年2 月各层地温分布特征是随着土壤深度增加地温呈递增的趋势。3—8 月正好相反，随着土壤深度增加地温递减。浅层地温存在8～10年震荡周期，1999年地温存在突变。5 cm地温稳定通过0℃的日期东部在1月底、西部在3月初，祁连山边坡地带在3 月上旬末，春小麦等作物适宜播种期相差较大，最大可达40 d左右。10 cm地温稳定通过8℃的日期东部在3月中旬之初，西部在3月末，祁连山边坡地带在4 月上旬，马铃薯、玉米、棉花等作物适宜播种期相差近25 d。气温与浅层地温存在非常显著的线性相关，在白天0～5 cm 温度变化要大于气温的变化，在夜间仅地表温度变化要大于气温，而5～20 cm 地温变化要小于气温的变化。