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(xué)，成都 610000；3.黑龍江省氣象科學(xué)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(zhì)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(biāo)［1-4］。由于土壤中各種物理過程的熱力和水力結(jié)構(gòu)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(nèi)外相關(guān)研究始于2000年左右，在不同區(qū)域、時空尺度、影響機(jī)制等方面取得了較大進(jìn)展［4-9］。不同區(qū)域土壤濕度對氣候條件的響應(yīng)存在差異，程善俊等［10］對黃土高原半干旱區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)性，發(fā)現(xiàn)50 cm土層相關(guān)性高于淺層10 cm。土壤濕度與氣候要素之間存在互饋效應(yīng)［12-15］。孫丞虎等［16］研究認(rèn)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(guān)。Guo和Dirmeyer［17］基于全球土壤濕度數(shù)據(jù)及前蘇聯(lián)、美國（伊利諾斯州）、中國和蒙古的草原和農(nóng)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(dá)數(shù)周乃至數(shù)月［5，18-19］，這為氣候預(yù)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(guān)系與規(guī)律不僅有助于氣候預(yù)測，亦可進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣象干旱評估，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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(chǎn)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(xiàn)較大變化［20-21］，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性增大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要土壤濕度異常預(yù)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(guān)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(yù)測和干旱評價，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)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(shù)據(jù)代表當(dāng)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(shù)。其大小主要是土壤濕度時間序列滯后一個月的自相關(guān)系數(shù)［23］，數(shù)值大小反映土壤濕度記憶性的強(qiáng)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(yù)測［24-26］。

土壤濕度記憶時長的方法主要通過自相關(guān)系數(shù)來衡量，即相關(guān)系數(shù)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?dāng)?shù)；為樣本總旬?dāng)?shù)的平均土壤濕度。

基于相關(guān)系數(shù)和自相關(guān)系數(shù)數(shù)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(jié)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(nóng)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(xiàn)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(xiàn)不同（圖2）。春、夏季土壤濕度記憶時長為10—40 d，且相關(guān)系數(shù)通過了0.05信度檢驗；秋季數(shù)據(jù)未通過信度檢驗；冬季無土壤濕度觀測數(shù)據(jù)。各層土壤濕度記憶性空間分布呈現(xiàn)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(dá)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(shù)明顯多于東部，西北部鶴崗、西南部雞西記憶時長也可達(dá)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），說明土壤濕度的異常可能對后期1—2個月的天氣或氣候造成影響。

土壤濕度記憶性的強(qiáng)弱是由土壤濕度時間序列的滯后一個月自相關(guān)系數(shù)決定的，1982—2020年三江平原土壤濕度的滯后自相關(guān)系系數(shù)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(guān)系數(shù)夏季大于春季，夏季自相關(guān)系數(shù)普遍在0.5以上，且相關(guān)系數(shù)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(qiáng)。春季自相關(guān)系數(shù)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(nèi)土壤濕度的記憶性夏季最強(qiáng)”的結(jié)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(guān)系數(shù)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(qiáng)弱分布上看，春季三江平原土壤濕度滯后一個月自相關(guān)系數(shù)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(kuò)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(qiáng)。

2.2 土壤濕度與水、熱氣候條件關(guān)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(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系，且絕大部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)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(guān)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?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)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(fù)相關(guān)關(guān)系，大部分相關(guān)系數(shù)沒有通過0.10信度檢驗。從空間強(qiáng)弱分布上看也為西部負(fù)相關(guān)性強(qiáng)于東部，且隨著土壤深度的增加負(fù)相關(guān)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(guān)系數(shù)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(shù)

1982—2020年三江平原土壤濕度與同期溫濕指數(shù)的關(guān)系見圖6，三江平原夏、秋季土壤濕度與同期溫濕指數(shù)之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，絕大部分相關(guān)系數(shù)通過了0.10信度檢驗；夏季最強(qiáng)，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(shù)之間正相關(guān)關(guān)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(guān)系數(shù)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(jìn)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(shù)的相關(guān)系數(shù)分布可知（圖7和圖8），前期秋冬季降水量與當(dāng)年春季（0—30 cm）土壤濕度顯著相關(guān)，秋冬季降水量是當(dāng)年春季土壤濕度的主要來源，關(guān)系到當(dāng)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(guān)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(shù)的相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)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(shù)的相關(guān)系數(shù)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(shù)以負(fù)相關(guān)關(guān)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(guān)系數(shù)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(jìn)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(shù)與淺層（0—10 cm）土壤濕度存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域零星地分布在北半球高緯度地區(qū)”相一致。

3 結(jié)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(xiàn)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(qiáng)度夏季大于春季，空間分布以三江平原西部的記憶性較強(qiáng)，隨著土層深度的增加有增大的趨勢。夏季自相關(guān)系數(shù)普遍為0.5以上，且相關(guān)系數(shù)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(guān)；同時受氣溫的影響，土壤濕度與同期溫濕指數(shù)也為顯著的正相關(guān)。三江平原春季土壤濕度與前期秋冬季降水呈顯著正相關(guān)，與前期溫濕指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

（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(qiáng)度的增大迅速消失，對應(yīng)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(qiáng)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(bǔ)償，使得這種正異常得以延續(xù)，同時土壤水分補(bǔ)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(qiáng)。

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