近50年京津冀氣候變化及其對土壤水分的影響

于占江， 楊 鵬

(1.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 2.石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081)

京津冀包括北京市、天津市和河北省，屬于溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，一年內(nèi)四季分明，地域廣闊，由西北向的燕山-太行山山系構(gòu)造向東南逐步過渡為平原，呈現(xiàn)出西北高東南低的地形特點[1]。近50年來，隨著京津冀工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展和人口的不斷增加，加上受全球氣候變暖的影響，京津冀水資源承載力已發(fā)生明顯的衰變跡象，同時地下水開采量占總用水量的80%以上，總用水量的1/3依靠超采地下水維持，已成為最受關(guān)注的問題，目前京津冀地區(qū)的水資源承載能力超過警戒線，對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的不利風(fēng)險突出。土壤濕度是地表水文過程的一個綜合指標(biāo)，既體現(xiàn)了降水和蒸發(fā)的綜合作用，同時也受到地表徑流、土壤水下滲的綜合影響。林潔等[2]研究結(jié)果表明，溫度和降水是影響土壤水分的主要氣象因子。GOYAL等[3-6]報道，土壤水分一方面受降水、蒸發(fā)和太陽輻射等氣候因素的影響，另一方面也受土地利用、灌溉和耕作措施等人為因素的影響。郭維棟等[7]研究表明，土壤水分的變化使得地表的各種參數(shù)相應(yīng)地發(fā)生改變，進(jìn)而對氣候變化產(chǎn)生影響，反之，氣候變化也能夠使土壤的含水量發(fā)生變化，其影響主要體現(xiàn)在年代際和年際尺度上。卞韜等[8-11]分析了我國不同地區(qū)的多年溫度變化特征、氣溫和降水變化特征。王紹武等[12]對近百年全球氣候變暖進(jìn)行了分析。尤衛(wèi)紅等[13]研究了連續(xù)小波變換在云南近百年氣溫和降水變化分析中的應(yīng)用。

在已有的研究中，關(guān)于氣候變化對土壤濕度影響主要分為兩類，一類是利用實測資料對氣候變化和土壤水的關(guān)系進(jìn)行探討和診斷分析，另一類是通過運用大氣環(huán)流模式及陸面模式或陸氣耦合模式對兩者關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬的研究。筆者采用第一類方式，利用氣象和農(nóng)業(yè)氣象觀測站的氣象要素觀測資料和土壤濕度觀測數(shù)據(jù)，重點分析0～50 cm土層土壤濕度的變化規(guī)律及其與氣溫、降水及蒸發(fā)的關(guān)系，旨在探明土壤水分時空變化及其對氣候變化的敏感性，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)評估及氣候評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)由中國氣象局氣象科學(xué)共享服務(wù)平臺(http://data.cma.cn/)提供，時間序列為1961-2015年。在京津冀地區(qū)200多個氣象站中選擇氣溫、降水、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量等時間較長的完整序列，測站環(huán)境評分均在70分以上(按照中國氣象局對測站探測環(huán)境評分標(biāo)準(zhǔn)評分)且均勻分布的87個氣象站數(shù)據(jù)，并對錯誤數(shù)據(jù)以及缺測較為嚴(yán)重的臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理[14]。蒸發(fā)量觀測20世紀(jì)70年代初期趨于完善，2013年由人工觀測改為自動觀測，為了數(shù)據(jù)的一致性，蒸發(fā)量數(shù)據(jù)時間序列為1971-2015年。農(nóng)業(yè)氣象觀測站觀測起始于20世紀(jì)80年代，每月的8日、18日和28日進(jìn)行觀測，選取京津冀地區(qū)32個農(nóng)業(yè)氣象觀測站10 cm、20 cm和50 cm 3個不同土層土壤相對濕度數(shù)據(jù)。對每個站點的氣象資料進(jìn)行了整理，獲取年份和季節(jié)序列。其中，春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月至次年2月。

1.2 研究方法

利用線性傾向估計法分析氣溫、降水、蒸發(fā)量等氣候變化特征，利用相關(guān)系數(shù)法分析土壤相對濕度與氣溫、降水和蒸發(fā)量的相關(guān)性，并利用線性傾向估計法分析各個影響因子的變化趨勢。

1.2.1 氣候傾向率 將氣候要素x的趨勢變化用一次性方程，即為氣象要素的擬合值表示，其方程如下。

(1)

1.2.2 相關(guān)系數(shù) 為弄清氣象要素在氣候變化中升降的定量程度，并對其進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，計算了土壤相對濕度與各要素序列之間的相關(guān)系數(shù)(rxt)[15]。

(2)

1.3 氣候變化與土壤相對濕度的相關(guān)性

氣溫、降水的變化對植株生長發(fā)育和地面蒸發(fā)有一定影響，同時影響土壤深淺層水分的交換。研究選取冀東灤河區(qū)域遵化市作為研究區(qū)域，統(tǒng)計分析不同季節(jié)下氣溫、降水、蒸發(fā)量與10 cm、20 cm和50 cm不同深度土壤相對濕度的關(guān)系。利用多元回歸方法建立不同季節(jié)、不同深度土壤相對濕度與氣溫、降水量和蒸發(fā)量的多元回歸方程，以此弄清氣候變化對土壤水分的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

2.1.1 氣溫 從圖1看出，1960-2014年京津冀地區(qū)年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫的變化趨勢基本保持一致，呈逐漸上升趨勢，傾向率分別為0.25℃/10a、0.17℃/10a和0.39℃/10a，相關(guān)系數(shù)均通過0.01顯著性水平檢驗。平均最低氣溫傾向率最大，升溫最快，其次是平均氣溫，平均最高氣溫升溫最慢，近56年的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫分別上升2.2℃、1.4℃和1.0℃。

圖11960-2014年京津冀地區(qū)年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的變化

Fig.1 Variation in annual average,maximum and minimum temperature in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1960-2014

從圖2可知，1988年是京津冀地區(qū)平均氣溫正、負(fù)距平分界線，1988年之前以負(fù)距平為主，正距平僅占14.3%，而在1988年之后以正距平為主，占75%。1997-2009年連續(xù)13年呈偏暖狀態(tài)。表明，氣溫變化存在明顯的季節(jié)性差異，春季、夏季、秋季和冬季平均氣溫傾向率分別為0.303 ℃/10a、0.176 ℃/10a、0.121 ℃/10a和0.369 ℃/10a，且均通過顯著性檢驗(a=0.05)，以冬季貢獻(xiàn)最大，升溫最快，秋季最小。

圖2 1960-2014年京津冀地區(qū)年平均氣溫距平的變化

Fig.2 Variation in annual average temperature anomaly curve in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1960-2014

2.1.2 降水 從圖3看出，1960-2015年京津冀地區(qū)年平均降水量距平值均呈波動下降趨勢，氣候傾向率為-9.6 mm/10a，未通過顯著性檢驗(a=0.05)。說明，近56年來京津冀年平均降水量下降趨勢不顯著。春季和秋季降水量均呈增加趨勢，其均值分別為67.20 mm和88.11 mm，氣候傾向率分別為3.23 mm/10a和3.92 mm/10a，均未達(dá)顯著性水平，秋季降水量增幅略大于春季；夏季降水量均值為359.51 mm，氣候傾向率為-16.76 mm/10a，且通過顯著性檢驗(a=0.05)，呈明顯減少趨勢，有明顯年代際變化。近56年來京津冀地區(qū)年平均降水量空間分布不均，由東南向西北方向整體呈逐漸遞減趨勢(圖4)。

圖3 1960-2015年年平均降水量距平的變化

Fig.3 Variation in annual average precipitation anomaly curve in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1961-2015

圖4 京津冀年平均降水量空間分布

Fig.4 Spatial distribution of average precipitation in Beijing-Tianjin-Hebei Region

2.1.3 蒸發(fā)量 從圖5看出，1970-2015年京津冀區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的逐年變化呈顯著下降趨勢，氣候傾向率為-54.9 mm/10a。蒸發(fā)量呈季節(jié)性，春季、夏季、秋季和冬季蒸發(fā)量均值611.7 mm、626.1 mm、334.3 mm和141.6 mm，氣候傾向率距平百分率分別為-4.7%/10a、-1.7%/10a、-4.0%/10a和-2.8%/10a，春季蒸發(fā)量下降速率大于夏季，夏季平均蒸發(fā)量占全年平均蒸發(fā)量的37%，蒸發(fā)速率在4個季節(jié)中最大，平均蒸發(fā)量依次為夏季>春季>秋季>冬季，蒸發(fā)量下降速率依次為春季>秋季>冬季>夏季。

圖5 1970-2015年京津冀蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化

Fig.5 Variation in pan evaporation in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1970-2015

2.2 土壤水分的變化特征

2.2.1 水分常數(shù)的分布 土壤水分常數(shù)是根據(jù)土壤水所受的力及其與作物生長的關(guān)系，在一定的條件下測得的土壤含水量。通常用土壤凋萎系數(shù)、田間最大持水量和土壤容重等表達(dá)。土壤凋萎系數(shù)是指植物開始發(fā)生永久凋萎時的土壤含水率，也稱凋萎含水率或萎蔫點；土壤容重是一定容積的土壤(包括土粒及粒間的孔隙)烘干后的重量與同容積水重的比值，又稱土壤假比重；田間持水量指在地下水較深以及排水較好的土地上灌水或降水充分后，在防止水分蒸發(fā)的前提下經(jīng)過一定時間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量。從圖6看出，在空間分布上，土壤凋萎系數(shù)和土壤最大田間持水量均從西北壩上高原地區(qū)向東南部平原地區(qū)遞增；土壤容重則呈相反的分布趨勢，由西北向東南呈遞減趨勢。其分布特點主要由當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)和結(jié)構(gòu)決定。

圖6 0～50 cm土壤凋萎系數(shù)、容重及田間持水量的空間分布

Fig.6 Spatial distribution of wilting coefficient,soil volume weight and field moisture holding capacity of soil with 0-50 cm depth

2.2.2 土壤相對濕度 從圖7看出，京津冀地區(qū)0～50 cm土層土壤相對濕度為55%～85%，在北部自西向東遞增，在南部自西向東遞減。從圖8可知，隨著土層深度的增加，土壤相對濕度逐漸增大，其年際間呈波浪型變化，不同土層土壤相對濕度年際變化趨勢一致。2010年以后，10 cm、20 cm和50 cm土壤相對濕度呈下降趨勢，且下降速率較快，下降趨勢較為顯著。

2.3 氣候變化對土壤相對濕度的影響

從圖9看出，土壤相對濕度與降水量的年變化趨勢基本保持一致，呈正相關(guān)性，尤其在1998年、2008年和2012年峰值處吻合較好，土壤相對濕度分別為79%、74%和93%；而與蒸發(fā)量(蒸發(fā)皿蒸發(fā)以蒸發(fā)量1/2表示)年變化趨勢呈負(fù)相關(guān)。降水量較多年份，年蒸發(fā)量較小，年平均土壤相對濕度較大；降水量少的年份，年蒸發(fā)量較大，年平均土壤相對濕度較小。

圖7 0～50 cm土壤相對濕度的空間分布

Fig.7 Spatial distribution of relative humidity of soil with 0-50 cm depth

圖8 1996-2015年京津冀地區(qū)土壤相對濕度的年變化

Fig.8 Annual variation of soil relative humidity in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1996-2015

圖9 1996-2015年京津冀地區(qū)年平均降水量、蒸發(fā)量和土壤相對濕度的變化

Fig.9 Variation in annual average precipitation,evaporation and soil relative humidity in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1996-2015

從表1可知，京津冀地區(qū)不同季節(jié)的氣溫、降水、蒸發(fā)量與10 cm、20 cm和50 cm土層土壤相對濕度的相關(guān)性存在差異，10 cm、20 cm和50 cmF值(平均)分別為9.418 0、7.942 0和8.091 1。不同深度土壤相對濕度與降水量呈顯著正相關(guān)，與氣溫、蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)，夏季最為顯著，秋季次之，春季較差；10 cm淺層土壤相對濕度受年降水量的影響最為顯著。

表1 土壤相對濕度(y)與氣溫(t)、降水(r)及蒸發(fā)量(v)的關(guān)系

注：*表示通過0.05顯著性檢驗。

Note: * indicates significance of difference atP<0.05 level.

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，近50年來，京津冀地區(qū)平均氣溫升高顯著，以冬季最為明顯；平均降水量整體呈減少趨勢，空間分布由東南向西北方向逐漸遞減；蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈下降趨勢。土壤凋萎系數(shù)和土壤最大田間持水量從西北壩上高原地區(qū)向東南部平原地區(qū)遞增；土壤容重由西北向東南呈遞減趨勢。土壤相對濕度與降水量呈顯著正相關(guān)，與氣溫、蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)，夏季最為顯著，秋季次之，春季較差；降水量對10 cm淺層土壤的相對濕度影響較大。

氣溫、降水和蒸發(fā)量都與土壤濕度有一定的相關(guān)關(guān)系，說明氣溫高、降水少、蒸發(fā)快是導(dǎo)致京津冀地區(qū)土壤干化趨勢明顯的原因之一。干旱的發(fā)生和加劇給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的危害，在全球變暖的氣候背景下，干旱面積在不斷擴(kuò)大，京津冀地區(qū)的土壤濕度對氣溫和降水都較為敏感，旱澇災(zāi)害頻發(fā)的可能性增大，因此，應(yīng)該采取各種措施提高雨水資源的利用率，必要時采取灌溉措施對土壤濕度進(jìn)行調(diào)控[16-17]。