農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量與溫度變化的相關(guān)性研究——以氣候變化背景下呂梁市為例

賀雪梅，周顯信

（1.山西省氣象局，山西 太原030002；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044）

土壤水分動(dòng)態(tài)受土壤透水性、地形地貌、土壤前期含水量、土地耕作措施等影響［1］，這些是土壤水分動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)因。本文將探討土壤水分動(dòng)態(tài)變化的外因，即：氣候變化，根據(jù)歷時(shí)性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來分析全球變暖是否影響農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量。全球變暖的主要特征是全球氣溫逐漸呈現(xiàn)略微上升態(tài)勢(shì)［2］，這毫不例外地出現(xiàn)在中國(guó)內(nèi)陸黃土高原上的呂梁地區(qū)。雖然呂梁市農(nóng)田土壤水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重且逐年加劇，極端降水事件的頻度和強(qiáng)度明顯增加，但這并不一定代表氣候變暖是其罪魁禍?zhǔn)祝?～5］，通過分析歷時(shí)性觀測(cè)所得數(shù)據(jù)，借助SPSS數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論可知全球氣候變暖并不是黃土高原農(nóng)田儲(chǔ)水量逐年減少的主要因素。

1 相關(guān)背景

1.1 應(yīng)對(duì)氣候變化進(jìn)展情況

21世紀(jì)人類面臨最嚴(yán)峻的環(huán)境問題是全球氣候變暖［6］。美國(guó)科學(xué)家把氣候變化稱為非傳統(tǒng)安全，甚至將其界定為美國(guó)未來最大的挑戰(zhàn)，宣揚(yáng)其威脅將超過恐怖主義。因此，全球氣候變暖已經(jīng)開始成為主要的國(guó)際政治和外交議題。為國(guó)際社會(huì)提供科學(xué)咨詢，幫助國(guó)際社會(huì)認(rèn)識(shí)全球氣候變化事態(tài)的嚴(yán)峻性，聯(lián)合國(guó)環(huán)境署與世界氣象組織聯(lián)合成立了“政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovern－mental Panel on Climate Change，縮寫為IPCC）”，并決定定期召開國(guó)際會(huì)議，磋商共同解決氣候變暖帶來的相關(guān)問題。1990年11月，第二次世界氣候大會(huì)順利召開，會(huì)上科學(xué)家和部長(zhǎng)提議并通過了“科學(xué)技術(shù)會(huì)議聲明”和“部長(zhǎng)宣言”，提出制定氣候變化公約，并認(rèn)為當(dāng)今科技己具備一些減少二氧化碳排放的技術(shù)，而且方法可行、經(jīng)濟(jì)有效，推薦各國(guó)相互借鑒使用。此后，各國(guó)在聯(lián)合國(guó)框架下進(jìn)行了多方位的全面會(huì)談，并就氣候公約問題達(dá)成了協(xié)議，多國(guó)約定共同遵守，并同意就共同的環(huán)境問題進(jìn)行聯(lián)合治理。1992年6月，153個(gè)國(guó)家、地區(qū)和國(guó)際組織利用“聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，正式簽署氣候變化框架公約，這為各國(guó)協(xié)商解決環(huán)境問題提供了解決框架。該公約正式生效后，締約國(guó)家和國(guó)際組織的數(shù)量不斷增加?！奥?lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”最大的功績(jī)就是《京都議定書》的簽署，該協(xié)議于1997年12月在日本京都簽訂，故而得名。協(xié)議規(guī)定了發(fā)達(dá)國(guó)家減少排放溫室氣體的具體義務(wù)。此后，一方面，各國(guó)學(xué)者及研究人員進(jìn)一步加強(qiáng)科學(xué)研究，探討有關(guān)氣候變化的科學(xué)理論依據(jù)及實(shí)踐原因，另一方面，各國(guó)政府采取多項(xiàng)措施以緩解氣候變暖帶來的種種負(fù)面效應(yīng)，例如：增加植被覆蓋、減少溫室氣體排放等。然而，落實(shí)《京都議定書》卻步履艱難，2009年哥本哈根國(guó)際環(huán)境大會(huì)上，與會(huì)的192個(gè)國(guó)家僅僅達(dá)成了《哥本哈根協(xié)議》，且不具有法律約束力。時(shí)至今日，世界各國(guó)仍未就應(yīng)對(duì)氣候變化達(dá)成共同認(rèn)可且相互接受的行動(dòng)方案，根本原因是相互利益牽制和各自利益沖突。

1.2 黃土高原水土特征

黃土高原水資源嚴(yán)重短缺，大部分屬于半干旱地區(qū)，水資源對(duì)高原生態(tài)穩(wěn)定和安全具有至關(guān)重要的作用。近年來，黃土高原荒漠化、鹽堿化和水土流失問題明顯惡化，植被退化、生物多樣性銳減現(xiàn)象頻發(fā)，干旱、沙塵暴等災(zāi)害發(fā)生頻度和強(qiáng)度都出現(xiàn)加劇趨勢(shì)。同時(shí)，黃土高原人口增長(zhǎng)較快，煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速加劇了水資源消耗，破壞了水資源的生態(tài)平衡，而且全球變暖加劇了這一不平衡趨勢(shì)。農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量變化及由此引發(fā)的氣候影響對(duì)認(rèn)識(shí)黃土高原水資源變化、應(yīng)對(duì)水資源危機(jī)等具有重要意義。

2 氣候變暖對(duì)黃土高原水資源的影響

水資源包括土壤儲(chǔ)水量、地下水、降水等。無論何種水資源形式都可以用土壤儲(chǔ)水量來形容。土壤儲(chǔ)水量作為植被生長(zhǎng)與環(huán)境演化的重要指標(biāo)之一，是研究陸氣水循環(huán)和氣候變化的一個(gè)重要物理量。具體過程是降水到達(dá)地面，部分儲(chǔ)存到土壤或蒸發(fā)返回大氣，部分經(jīng)滲漏轉(zhuǎn)變成地下水，還有一部分轉(zhuǎn)化為徑流和被植被截流。陸氣水循環(huán)又稱大氣水循環(huán)，在整個(gè)陸氣水循環(huán)過程中，土壤儲(chǔ)存水是中間環(huán)節(jié)，既為水汽蒸散、滲漏提供水源基礎(chǔ)，又為水汽循環(huán)提供和積蓄循環(huán)動(dòng)力，服務(wù)整個(gè)陸氣水循環(huán)［7］。土壤儲(chǔ)存水還供應(yīng)著陸地植被生長(zhǎng)，其主要消耗也集中于植被生長(zhǎng)。植被活動(dòng)的活躍性與土壤儲(chǔ)存水量變化成正相關(guān)，土壤儲(chǔ)存水量減少，植被活動(dòng)就會(huì)減弱。環(huán)境惡化度與土壤儲(chǔ)存水量變化成反相關(guān)，土壤儲(chǔ)存水量減少，水土流失就會(huì)加重，同時(shí)土壤沙漠化也會(huì)加強(qiáng)，環(huán)境惡化就越嚴(yán)重。土壤儲(chǔ)存水與地表熱容量和地潛熱成正比關(guān)系，土壤儲(chǔ)水量越多，地表熱容量和地潛熱就越大，否則越小。同時(shí)，土壤儲(chǔ)水量還會(huì)影響地表反照率和地表感熱。土壤儲(chǔ)存水量變化與氣候變化之間存在一種互動(dòng)關(guān)系，兩者相互影響，互相促進(jìn)，因此，土壤儲(chǔ)存水量受到氣候研究人員的普遍關(guān)注。

3 土壤儲(chǔ)水量及其案例分析

3.1 土壤儲(chǔ)存水量概述

土壤儲(chǔ)存水量的時(shí)空變化特征及其與全球變暖的互動(dòng)變化是研究人員最關(guān)心的問題。研究陸氣水循環(huán)和氣候變暖，以及與土壤濕度和植被生長(zhǎng)之間的互動(dòng)關(guān)系時(shí)，土壤儲(chǔ)水量可以作為一個(gè)物理指標(biāo)和基礎(chǔ)參數(shù)［8］。但土壤儲(chǔ)水量的確定與變化及其時(shí)空變率，需要大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且需要對(duì)這些實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行高分辨率的分析、比較和研究，這些工作相當(dāng)困難。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，新技術(shù)和新方法不斷出現(xiàn)，使得監(jiān)測(cè)土壤儲(chǔ)水量變化成為可能，即使微小的濕度變化也能通過新技術(shù)和新方法檢測(cè)到，這就加強(qiáng)了學(xué)者和專業(yè)人士對(duì)影響農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量變化因素的認(rèn)識(shí)［9］。黃土高原是我國(guó)水資源短缺最嚴(yán)重的地區(qū)之一，正面臨著水土流失、植被退化、荒漠化和鹽堿化等自然災(zāi)害，因此深入研究黃土高原儲(chǔ)水量變化與全球變暖之間的互動(dòng)關(guān)系對(duì)于保護(hù)黃土高原的植被生長(zhǎng)，解決黃土高原的水資源危機(jī)和環(huán)境問題大有裨益［8～10］。

3.2 案例數(shù)據(jù)來源及研究方法

本文選取山西省呂梁市孝義和興縣（分別代表呂梁平川和山區(qū)）1991年至2010年的土壤儲(chǔ)水量資料，采用曲線分析和SPSS統(tǒng)計(jì)的相關(guān)系數(shù)分析法。

3.3 案例結(jié)果分析

呂梁市地處山西中西部，現(xiàn)轄10縣1區(qū)2市（縣級(jí)），面積21 143km2，人口381萬人。呂梁市屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，差異懸殊。1981－2010年年平均氣溫9.4℃，平均氣溫1月份最低為－7.0℃，7月份最高為22.8℃，全年≥10℃的有效積溫2 534.7～3870.0℃，日照時(shí)數(shù)2 457.2～2 772.4h，無霜期140～198d，1981－2010年平均降水量466.7mm。

圖1顯示黃土高原上呂梁市整體農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年際變化，其特點(diǎn)是：變化趨勢(shì)平穩(wěn)，基本穩(wěn)定，不存在明顯突變現(xiàn)象。研究區(qū)土壤儲(chǔ)水量出現(xiàn)一個(gè)峰值和一個(gè)谷值，分別是8月底和6月下旬，其它月份根據(jù)這兩個(gè)極點(diǎn)呈現(xiàn)字母“W”狀態(tài)分布。9月上旬到11月上旬間的兩個(gè)月趨勢(shì)為先降后升，變化幅度并不明顯，但土壤儲(chǔ)水量仍維持高位水平。年內(nèi)就農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量而言，孝義市大于興縣，從3月底到11月上旬，孝義地區(qū)農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量平均為187.31mm，谷值為140.3mm，峰值為221.9mm，而興縣地區(qū)平均為137.9mm，谷值為121.7mm，峰值為158.9mm。就農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量比較而言，孝義地區(qū)比興縣地區(qū)的變幅較大，孝義地區(qū)3月底到11月上旬的平均農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量峰值和谷值相差81.6mm，而興縣地區(qū)僅差37.2mm。說明黃土高原呂梁市農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年內(nèi)變化存在空間差異。

圖1 農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量年內(nèi)變化Fig.1 Yearly Variation of Soil Water Storage

圖2和圖3是關(guān)于孝義和興縣春、夏、秋和全年平均農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年際變化。顯而易見，1991年到2010年的20年中，孝義全年和春、夏、秋三季農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量均呈減少趨勢(shì)，其中，春、夏、秋三季農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量年際減少速率最快的為秋季，最慢的為夏季，春季居中，三季的年際平均減少速率依次為2.85mm·a－1、1.48mm·a－1、2.96mm·a－1，而全年農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年際減少速率平均為2.34mm·a－1。

圖2 孝義農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量季節(jié)和年際變化Fig.2 Seasonal and Yearly Variation of Soil Water Storage in Xiaoyi

圖3 興縣農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量季節(jié)和年際變化Fig.3 Seasonal and Yearly Variation of Soil Water Storage in Xingxian

但是，在相同時(shí)間段里，興縣地區(qū)與孝義地區(qū)全年和春、夏、秋三季農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年際變化趨勢(shì)并不一致。具體表現(xiàn)為：全年和春、夏兩季，興縣地區(qū)農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，全年增加速率為0.01mm·a－1，春、夏兩季的增加速率分別為0.22mm·a－1和0.92mm·a－1，僅存在增加速率的差別，而秋季農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量則出現(xiàn)反方向變化，呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，年際減少速率為1.37mm·a－1。這說明，黃土高原呂梁市農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年際變化趨勢(shì)因時(shí)空條件發(fā)生變化而產(chǎn)生不同的效果，同時(shí)變化速率也與呂梁市下轄縣市的不同地理位置和所處不同季節(jié)而表現(xiàn)不同。

表1是有關(guān)孝義和興縣春、夏、秋三季和全年平均農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量變化與溫度的關(guān)聯(lián)性圖表。一目了然，兩地農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量和溫度都呈反比關(guān)系，即溫度升高，農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量下降。按照統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1991－2010年的20年間，孝義地區(qū)氣溫年際變化，無論是春、夏、秋三季，還是全年平均氣溫都呈逐年升高趨勢(shì)，但升高趨勢(shì)不明顯且增溫幅度基本持平。春、夏、秋 三 季 增 溫 率 分 別 為 0.065 ℃ ·a－1、0.074℃ ·a－1、0.091 ℃ ·a－1，全 年 增 溫 率 為0.077℃·a－1，基本處于春、夏、秋三季的平均水平。而同期，興縣地區(qū)的年際平均氣溫也表現(xiàn)為升高趨勢(shì)。增溫率分別是：春季0.065℃·a－1、夏季0.063℃·a－1、秋季0.043℃·a－1，而全年增溫率也基本處于三季平均水平線，約為0.058℃·a－1。以上數(shù)據(jù)表明，雖然呂梁地區(qū)存在年際增溫速度的季節(jié)和空間差異，但總體上黃土高原的呂梁市在變暖。

表1 土壤儲(chǔ)水量與溫度變化相關(guān)性Table 1 Relativity between Soil Water Storage and Temperature Change

表1是關(guān)于興縣、孝義農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量與溫度關(guān)聯(lián)性檢驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)SPSS分析得出的數(shù)據(jù)可知，孝義地區(qū)平均農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年際變化與溫度之間的相關(guān)性在春、夏兩季和全年都達(dá)到極顯著水平，在秋季這種相關(guān)性并不顯著。對(duì)比之下，興縣地區(qū)平均農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的年際變化與溫度之間的相關(guān)性在春、夏、秋三季和全年均未達(dá)到顯著水平。

綜合分析可知，孝義地區(qū)年內(nèi)農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量與溫度的關(guān)系同比優(yōu)于興縣地區(qū)，而年際變化與溫度的關(guān)系環(huán)比優(yōu)于年內(nèi)。整體來看，黃土高原呂梁市年內(nèi)和年際平均農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量變化與溫度之間并不存在密切關(guān)系，因此，全球變暖或氣溫升高不是該地區(qū)農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量逐年減少的主要?dú)夂蛞蛩亍?/p>

4 結(jié)論

全球變暖雖然會(huì)改變海洋和冰川水體的存在方式，但是卻對(duì)內(nèi)陸農(nóng)田土壤儲(chǔ)水量的變化影響較小，甚至沒有明顯影響，至少在呂梁市如此。因此，全球變暖對(duì)以呂梁市為代表的黃土高原的農(nóng)田生產(chǎn)影響并不大，2010年呂梁糧食總產(chǎn)量達(dá)12.5億kg，創(chuàng)歷史新高。農(nóng)民人均可支配收入達(dá)6754元，比2009年增長(zhǎng)10%。

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