錫林郭勒草原生長季地—?dú)鉁囟茸兓卣骷跋嚓P(guān)性

楊麗萍，李　丹，秦　艷，張存厚，Oxana Vishnyakova，呂迪波

(1.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010051；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010010；3.俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院普通與實(shí)驗(yàn)生物學(xué)研究所，俄羅斯　烏蘭烏德　670047)

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錫林郭勒草原生長季地—?dú)鉁囟茸兓卣骷跋嚓P(guān)性

楊麗萍1，李丹1，秦艷2，張存厚1，Oxana Vishnyakova3，呂迪波1

(1.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特010010；3.俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院普通與實(shí)驗(yàn)生物學(xué)研究所，俄羅斯烏蘭烏德670047)

利用錫林郭勒草原8個氣象站1960—2014年5—9月氣溫和0～40 cm地溫逐旬觀測資料，采用線性傾向估計、5 a滑動平均、線性回歸等統(tǒng)計方法，分析錫林郭勒草原生長季地—?dú)鉁囟鹊淖兓卣骷跋嚓P(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：近55 a來，錫林郭勒草原生長季地—?dú)鉁囟榷汲曙@著上升趨勢，“前冷后暖”特點(diǎn)十分明顯，且0～20 cm地溫的增幅遠(yuǎn)高于氣溫，40 cm地溫增幅則低于氣溫。生長季地—?dú)鉁囟仍伦兓省暗汀摺汀睊佄锞€形狀，最高值出現(xiàn)在7月。5—8月地溫隨土層深度增加而下降，而9月地溫隨深度變化不明顯。各層地溫與氣溫呈顯著正相關(guān)，且隨深度增加相關(guān)性逐漸減小；地—?dú)鉁囟染€性關(guān)系模型在各層擬合效果較好，用于預(yù)測和估算各層地溫，基本可以滿足該地區(qū)牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的需要。

錫林郭勒草原；地溫；氣溫；相關(guān)關(guān)系

引　言

全球氣候變暖已經(jīng)是不爭的事實(shí)，草原生態(tài)系統(tǒng)的退化目前也成為備受關(guān)注的全球性生態(tài)環(huán)境問題，尤其是在干旱、半干旱區(qū)，草原生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化具有極強(qiáng)的敏感性。我國草原區(qū)氣候暖干化的趨勢非常明顯[1]，且北方最為顯著[2]。地溫是表征氣候變化的主要?dú)庀笠刂?，下墊面溫度和不同深度的土壤溫度統(tǒng)稱地溫[3]。地溫是影響植物生長的重要?dú)庀笠蜃樱瑢χ参镞\(yùn)輸水分、吸收養(yǎng)分和土壤中有效養(yǎng)分的變化等有重要影響[4]，從而影響種子的萌發(fā)、幼苗和根系的生長發(fā)育。地溫的農(nóng)業(yè)氣象學(xué)意義極其重要[5]，在農(nóng)作物、牧草返青過程中，其貢獻(xiàn)率甚至大于其它氣象因子[6]。近年來，許多學(xué)者對地溫變化規(guī)律開展研究[7-12]，然而，相對于氣溫，地溫資料的獲取較氣溫更為復(fù)雜和煩瑣。因此，利用實(shí)測或中長期天氣預(yù)報的氣溫來估算地溫，對于調(diào)整畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)、合理安排生產(chǎn)時間、預(yù)測牧草生長發(fā)育和科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)等牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

錫林郭勒草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，是歐亞大陸草原的重要組成部分，也是我國溫帶典型干草原氣候區(qū)，華北地區(qū)的重要生態(tài)屏障。錫林郭勒草原與內(nèi)蒙古氣溫變化一致，具有明顯變暖趨勢[13]。以往錫林郭勒草原氣候變化研究主要集中在氣溫、降水等方面，而對不同土層深度地溫長時間序列變化及其與氣溫的關(guān)系研究較少。因此，本文針對錫林郭勒草原生長季(5—9月)地—?dú)鉁囟茸兓卣骷跋嚓P(guān)關(guān)系開展研究，為做好該區(qū)牧業(yè)氣象服務(wù)提供一定的理論基礎(chǔ)，有助于揭示土壤溫度對牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響，對恢復(fù)草原生態(tài)和牧業(yè)生產(chǎn)布局具有一定的指導(dǎo)意義。

1　資料與方法

所用資料為內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局提供的1960—2014年5—9月(牧草生長季)錫林郭勒盟東烏旗、二連浩特、阿巴嘎旗、蘇左旗、朱日和、西烏旗、錫林浩特、多倫縣8個氣象觀測站的旬平均氣溫和0、5、10、15、20、40 cm旬平均地溫觀測資料。其中，部分氣象站的個別缺測數(shù)據(jù)用多年平均值代替。

采用線性傾向估計方法、5 a滑動平均法[14]分析氣候變化趨勢，利用線性回歸法進(jìn)行地—?dú)鉁囟认嚓P(guān)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1地—?dú)鉁囟茸兓卣?/p>

2.1.1年際變化

在全球氣候變暖背景下，1960—2014年錫林郭勒草原牧草生長季不同土層深度平均地溫與氣溫總體呈波動上升趨勢，且變化規(guī)律基本一致，“前冷后暖”特點(diǎn)十分明顯(圖1)，與全國、錫林郭勒盟及多倫縣氣溫變化趨勢一致[15-18]。近55 a來，生長季氣溫傾向率為0.353 ℃·(10 a)-1，0～40 cm地溫傾向率分別為0.445、0.448、0.446、0.393、0.408、0.321 ℃·(10 a)-1，可見0～20 cm地溫增幅遠(yuǎn)高于氣溫的增幅。整個時段內(nèi)地—?dú)鉁囟却笾驴煞譃?個階段：1960—1992年溫度變化不大，持續(xù)在較低水平上波動，為相對冷期；1993—2001年溫度急劇升高；2002—2014年溫度變化不大，持續(xù)在較高水平上波動，是歷年來溫度最高時期，2007年溫度出現(xiàn)最高峰值，此階段為相對暖期。

2.1.2月變化

近55 a來，錫林郭勒草原生長季不同土層深度地溫月變化曲線均呈“低—高—低”拋物線形狀，與氣溫變化趨勢相一致。其中5—7月溫度呈上升趨勢，最高值均出現(xiàn)在7月，之后開始下降，9月降為最低值(圖2)。0～20 cm各層地溫基本都高于氣溫，地—?dú)鉁夭疃酁檎?，僅5月20 cm地溫低于氣溫，地—?dú)鉁夭顬樨?fù)值；40 cm地溫5—7月低于氣溫，地—?dú)鉁夭顬樨?fù)值。5—8月，地—?dú)鉁夭铍S土層深度增加呈降低趨勢；9月地—?dú)鉁夭铍S土層深度變化相對不大，且從5 cm開始隨土層深度增加溫差逐漸增大(表1)。

圖1　1960—2014年錫林郭勒草原牧草生長季不同土層深度平均地溫與氣溫的年際變化

圖2　1960—2014年5—9月錫林郭勒草原

土層深度/cm5月6月7月8月9月04.45.04.64.13.052.22.82.93.02.7101.21.82.22.73.0150.30.91.52.33.120-0.40.20.92.03.240-1.4-1.2-0.31.33.6

2.1.3地溫垂直變化

由于土層熱量衰減性質(zhì)，不同土層之間存在著一定的熱量傳遞。1960—2014年，錫林郭勒草原8個臺站及5—8月平均地溫，基本都表現(xiàn)為隨土層深度增加而下降的垂直變化規(guī)律，而9月平均地溫不同深度變化不大(圖3)。8個臺站地溫隨土層深度下降幅度較為劇烈，并表現(xiàn)出很好的一致性。其中，位于錫林郭勒草原東南端的多倫縣下降幅度最大，到40 cm處下降了5.2 ℃，其次是東烏旗，下降了5.1 ℃，蘇左旗下降幅度最小為2.9 ℃(圖3a)。土層溫度的劇變有利于土壤微生長的活動，且能降低土壤表層的水分蒸發(fā)，增加降水的有效性。

除9月外，其余月份地溫垂直變化曲線表現(xiàn)出越遠(yuǎn)離地表地溫變化幅度越小的特征(圖3b)。5—7月各層地溫垂直方向上的梯度基本相同，受太陽輻射影響，地表溫度逐漸升高，且高于其它各土層的地溫，熱量由上至下傳遞；8月地溫梯度較前期有所減緩，土壤接受到的太陽輻射逐漸減弱，各層地溫都有所降低，且地表溫度仍高于其它各土層的溫度，熱量依然向下傳遞，但上層地溫的傳遞速率高于下層地溫的傳遞速率；9月地溫垂直梯度方向發(fā)生改變，各層地溫相差不大，5 cm以下土層熱量開始由下向上傳遞。與張翠華等[19]研究結(jié)果相同。

圖3　1960—2014年生長季錫林郭勒草原各站(a)和各月(b)地溫的垂直變化

2.2地—?dú)鉁囟鹊南嚓P(guān)關(guān)系

2.2.1構(gòu)建模型

為進(jìn)一步探討錫林郭勒草原生長季地溫與氣溫的關(guān)系，不考慮其它影響因子，利用1960—2014年不同土層深度(0、5、10、15、20、40 cm)5—9月各旬平均地溫與氣溫時間序列進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)各層地溫與氣溫均呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)(表2)。其中0～10 cm地溫與氣溫相關(guān)系數(shù)均>0.9，隨土層深度增加相關(guān)系數(shù)多呈逐漸減小趨勢，這與曹興等[20]研究結(jié)果一致；40 cm地溫與氣溫相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)最小是9月中旬，為0.605。

以相關(guān)系數(shù)最高的0 cm和最低的40 cm 5月各旬平均地溫與氣溫為例，選取1960—2000年時間序列建立線性關(guān)系模型(圖4)，其線性關(guān)系式如下：

(1)

(2)

式中，y表示旬平均地溫；x為旬平均氣溫。

2.2.2模型檢驗(yàn)

利用2001—2014年數(shù)據(jù)對上述地—?dú)鉁囟染€性關(guān)系模型進(jìn)行檢驗(yàn)，通過校準(zhǔn)檢驗(yàn)時段的模擬值與實(shí)測值對比發(fā)現(xiàn)，上述模型對5月0 cm、40 cm地溫的擬合效果較好，模擬值與實(shí)測值具有較好的同步性(圖5)，除5月下旬40 cm地溫外，其余均通過α=0.01(F0.01=9.330)的顯著性檢驗(yàn)，F(xiàn)檢驗(yàn)值依次為：F5上-0(257.2)>F5中-0(89.603)>F5下-0(47.006)>F5上-40(13.822)>F5中-40(9.971)>F5下-40(2.145)。另外發(fā)現(xiàn)，5月0 cm地溫模擬值與實(shí)測值非常接近，兩者平均絕對誤差(MAE)較小，最大為1.28 ℃，僅為實(shí)測值的6.0%(即平均相對誤差)；5月40 cm地溫模擬值與實(shí)測值個別年份相差較大，其MAE普遍高于0 cm地溫，最大為2.20 ℃，為實(shí)測值的13.5%?？梢?，上述地—?dú)鉁囟汝P(guān)系模型的預(yù)測效果較好，且0 cm較40 cm地溫擬合度更高，用地—?dú)鉁囟汝P(guān)系模型來預(yù)測和估算各層地溫，基本可以滿足牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐需要。

表2　1960—2014年錫林郭勒草原生長季各旬不同土層深度地溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)

圖4　1960—2000年5月各旬錫林郭勒草原0 cm和40 cm地溫與氣溫的關(guān)系

圖5　2001—2014年5月各旬錫林郭勒草原0 cm、40 cm地溫模擬值與實(shí)測值

3　結(jié)論與討論

(1)近55 a來，錫林郭勒草原生長季平均地—?dú)鉁囟榷汲什▌由仙厔?，“前冷后暖”的特征十分明顯，0～20 cm地溫增幅遠(yuǎn)高于氣溫的增幅，40 cm地溫增幅則低于氣溫。生長季不同土層深度地溫與氣溫的月變化趨勢一致，呈“低—高—低”拋物線形狀，最高值出現(xiàn)在7月。

(2)整個生長季8個臺站地溫都表現(xiàn)出隨土層深度增加而下降的垂直變化規(guī)律，表明不同土層之間存在著一定的熱傳遞；5—8月平均地溫隨土層深度增加而降低，9月平均地溫隨土層深度增加略有升高趨勢，表明受太陽輻射影響，生長季不同時期各土層熱量傳遞速率及方向會隨之改變。

(3)生長季各層地溫與氣溫均呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，且隨深度增加相關(guān)性逐漸減弱；地—?dú)鉁囟染€性關(guān)系模型對各層地溫的擬合效果較好，且有較好的同步性。除5月下旬40 cm地溫外，模擬值與實(shí)測值平均誤差較小，用該關(guān)系模型預(yù)測和估算各層地溫基本可以滿足牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐需要。

氣候變暖引起熱量條件有所改善，對草原生態(tài)系統(tǒng)有一定的影響。一方面，有利于牧草返青期提前，黃枯期推后，草場利用時間延長；另一方面，地溫持續(xù)升高，凍土層變淺，這為越冬病菌、蟲卵等提供了有利的氣候環(huán)境，致使病蟲害更加頻繁發(fā)生，從而加劇草地植被破壞，影響到牧業(yè)生產(chǎn)。因此，對氣候變暖、地溫持續(xù)升高應(yīng)做好預(yù)測預(yù)報，提高風(fēng)險防范意識，做到趨利避害。本文在分析錫林郭勒草原生長季地—?dú)鉁囟茸兓卣骷跋嚓P(guān)關(guān)系時，僅利用單一氣溫資料來估算地溫，計算方法簡便、資料易于獲取。但在遇特殊天氣條件(如大風(fēng)、降雨降雪等因素)，地溫與氣溫的關(guān)系有可能出現(xiàn)種種復(fù)雜情況，有待今后進(jìn)一步研究。

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Variation Characteristics of Air Temperature and Ground Temperature and Their Correlation in Xilinguole Grassland During Growing Season from 1960 to 2014

YANG Liping1, LI Dan1, QIN Yan2, ZHANG Cunhou1, Oxana Vishnyakova3, LV Dibo1

(1.EcologyandAgriculturalMeteorologicalCentre,InnerMongoliaMeteorologicalBureau,Hohhot010051,China; 2.GrasslandResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalScience,Hohhot010010,China；3.InstituteofGeneralandExperimentalBiology,SiberianBranch,RussianAcademyofSciences,Ulan-Ude670047,Russia)

Based on the 10-day air temperature and ground temperature at 0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 40 cm depths of 8 weather stations in Xilinguole grassland from May to September during 1960-2014, the variation characteristics of air temperature and ground temperature and their correlation during growing season were analyzed by using the statistic methods of linear tendency estimation, 5-year moving mean, linear regression. The results show that the air temperature and ground temperatures in different depths during growing season all presented significant rising trend in Xilinguole grassland in recent 55 years, the characteristic with ‘previous cooling and later warming’ was very obvious, and the rising rates of ground temperature at 0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm and 20 cm depths were much higher than that of air temperature, while for ground temperature at 40 cm depth it was lower than that of air temperature. The monthly changes of air temperature and ground temperature during growing season showed parabola shape with ‘low-high-low’, the peak was in July. The ground temperature decreased with increase of soil depth from May to August, while it didn’t change almost in September. There was significantly positive correlation between ground temperature in different depths and air temperature, and the correlation decreased with increase of soil depth. The fitting effect of the linear regression model between air temperature and ground temperature in each layer was better, and the model could be used to predict and estimate ground temperature in different depths, the predicting result could basically meet the needs of stockbreeding production in Xilinguole grassland.

Xilinguole grassland; ground temperature; air temperature; correlation

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0617

2016-01-27；改回日期：2016-05-30

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2014MS0352)、國家自然科學(xué)基金(31200540)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)(2014CB1388011)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程(CAAS-ASTIP-IGR2015-04)、國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAD13B07)和國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-35-29)共同資助

楊麗萍，女，博士，高級工程師，主要從事生態(tài)氣象、遙感等領(lǐng)域研究. E-mail:ylp725121@126.com

秦艷，女，博士，高級工程師，主要從事草類種子與種質(zhì)資源研究. E-mail:qinyan_80@163.com

1006-7639(2016)-04-0617-06DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0617

P423

A

楊麗萍，李丹，秦艷，等.錫林郭勒草原生長季地—?dú)鉁囟茸兓卣骷跋嚓P(guān)性[J].干旱氣象，2016，34(4)：617-622, [YANG Liping, LI Dan, QIN Yan, et al. Variation Characteristics of Air Temperature and Ground Temperature and Their Correlation in Xilinguole Grassland During Growing Season from 1960 to 2014[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):617-622],