庫布齊沙漠地溫變化特征及其影響因子分析

劉鵬 張立欣

摘 要：以庫布齊沙漠試驗(yàn)站2018年1—12月地溫與氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析庫布齊沙漠地溫變化特征及其影響因子。結(jié)果表明，庫布齊沙漠20cm、40cm地溫常年在-10～35℃之間，地溫最高值在8月份;20cm地溫在12月份達(dá)到最低值，40cm地溫最低值滯后1個(gè)月;隨著土壤深度的增加，春、夏兩季地溫呈現(xiàn)下降趨勢，秋、冬兩季地溫呈現(xiàn)上升趨勢;月平均地溫8月份最高，20cm月平均地溫在1月份最低，40cm月平均地溫最低值約滯后1個(gè)月;各層地溫低于0℃持續(xù)時(shí)間為3個(gè)月左右;20cm各季節(jié)地溫大致呈正弦變化，40cm地溫近似一條直線;夏季地溫?cái)?shù)值在白天接近，春、秋、冬季地溫?cái)?shù)值在夜晚相近;各季節(jié)地溫最高值在00∶00—03∶00之間，地溫最低值在12∶00—18∶00之間;空氣溫度與地溫相關(guān)性最為顯著，其次為二氧化碳濃度，降雨直接導(dǎo)致地溫顯著下降，光照強(qiáng)度、空氣濕度和風(fēng)速對地溫的影響較小。

關(guān)鍵詞：

庫布齊;地溫;土壤深度;環(huán)境因子

中圖分類號(hào)：S152

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200315044

引言

氣候變化是一個(gè)典型的全球環(huán)境問題，大量監(jiān)測數(shù)據(jù)和科學(xué)研究表明：隨著全球溫室效應(yīng)范圍的持續(xù)擴(kuò)大，全球表面的平均溫度在不斷上升，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末全球地表溫度將在20世紀(jì)初的基礎(chǔ)上升高0.3～4.8℃[1，2]。地溫是地表面和地面以下不同深度處土壤溫度的統(tǒng)稱[3]，是連接土壤—植被—大氣的一個(gè)關(guān)鍵因素，影響著各種生物化學(xué)過程、植物的生長、發(fā)育和土壤的形成，同時(shí)也影響著大氣環(huán)流和氣候變化[4，5]。沙漠是陸地表面重要的地貌單元，沙漠地區(qū)環(huán)境相對惡劣，氣候復(fù)雜多變，區(qū)域間生態(tài)條件差別較大。地溫對沙漠水分蒸發(fā)循環(huán)、植被類型、數(shù)量及其分布等具有直接的重要影響[6，7]。

目前，中國關(guān)于地溫的研究主要是集中于東部農(nóng)業(yè)地區(qū)和青藏高原地區(qū)。龔強(qiáng)[8]根據(jù)遼寧省各地區(qū)氣象站近60a不同深度地溫資料，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)、不同土層儲(chǔ)能期存在差異。王選耀[9]對煙臺(tái)地區(qū)淺層土壤溫度的變化特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對土壤溫度預(yù)測精度優(yōu)于多元回歸模型。張煥平[10]采用氣候統(tǒng)計(jì)診斷方法對近40a青海淺層地溫分析，發(fā)現(xiàn)年平均地溫、四季平均淺層地溫呈上升趨勢，且夏季增幅最大、冬季最小。周刊社[11]選取西藏8個(gè)氣象站43a的地面觀測資料，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法，對地溫變化趨勢及與氣溫的突變關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各層地溫相關(guān)性顯著且地溫呈上升趨勢，藏西部和藏中部地溫增溫幅度整體高于藏東部。張娟[12]采用對比分析及線性趨勢等方法，對青海省玉樹縣巴塘高寒草甸土壤溫濕變化狀況進(jìn)行了詳細(xì)分析，找出了不同季節(jié)土壤溫濕度的變化規(guī)律。王勝[13]分析了敦煌地區(qū)不同程度的降水對土壤溫濕度的影響，降水量對地表物理量的影響較大。但對沙漠地區(qū)的地溫研究較少，沙漠地溫隨時(shí)間變化特征與機(jī)制需要更深入的探究。

本文以庫布齊沙漠2018年地溫觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了其日變化、月變化等特征，以及與環(huán)境因子間的響應(yīng)機(jī)制，為合理利用氣候特點(diǎn)提升作物種植質(zhì)量提供了科學(xué)依據(jù)，也為荒漠化治理提供一定的理論參考，對于探究作物的生態(tài)適應(yīng)性、合理開發(fā)利用荒漠化土地有重要意義。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

庫布齊沙漠位于北京西部，內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原的北部，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的杭錦旗、達(dá)拉特旗和準(zhǔn)格爾旗的部分地區(qū)，是中國第7大沙漠?？偯娣e約145萬hm2，以流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘為主，西、北、東3面緊鄰黃河，地勢平坦，南部高于北部。研究區(qū)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)選取在E108°43′，N40°32′，海拔1050m處，處于庫布齊沙漠東南部，氣候類型屬于中溫帶半干旱類型，晝夜溫差較大，四季不分明。年平均氣溫8.31℃，年大風(fēng)天數(shù)為25～35d，年降雨量約150mm，干旱少雨，蒸發(fā)量遠(yuǎn)超過降雨量，年平均日照時(shí)數(shù)約3000h，光照充足。

1.2?數(shù)據(jù)來源與方法

項(xiàng)目研究與億利集團(tuán)合作展開，依托獨(dú)立開發(fā)的“億利生態(tài)沙漠大數(shù)據(jù)平臺(tái)”與自主研發(fā)的“神農(nóng)物聯(lián)”系列物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)采集設(shè)備，創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測，全面推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)應(yīng)用。平臺(tái)目前采集數(shù)據(jù)已經(jīng)覆蓋全國8大沙漠、4大沙地以及青藏高原地區(qū)，并正在向“一帶一路”國家和地區(qū)延伸;實(shí)現(xiàn)了對氣象、土壤、水位等多種文本和圖片信息等的全面感知與獲取，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，采集范圍廣、類型豐富、數(shù)據(jù)量龐大，真實(shí)可靠。

2018年1—12月的地溫?cái)?shù)據(jù)來源于庫布齊沙漠-阿木古龍C試驗(yàn)站，儀器埋設(shè)深度分別為20cm、40cm;同時(shí)觀測空氣溫度、濕度、降雨、二氧化碳濃度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度等氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1h。以不同土層深度的地溫?cái)?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對研究區(qū)內(nèi)地溫隨時(shí)間變化特征及影響因子進(jìn)行分析。采用中國氣象學(xué)上四季劃分方法，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。采用Excel2019軟件進(jìn)行地溫及氣象因子數(shù)據(jù)整理、作圖，利用SPSS24軟件對地溫與氣象因子進(jìn)行pearson相關(guān)分析及逐步回歸分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同深度地溫年、月變化

庫布齊沙漠20cm、40cm土壤溫度常年在-10～35℃之間，變化相對較高。地溫的變化與土壤深度有著密切聯(lián)系，地溫變化幅度隨著土壤深度的不斷增加而減小，40cm地溫的變化幅度小于20cm處。全年20cm處地溫低于0℃的時(shí)間為88d;40cm處地溫低于0℃的時(shí)間為85d。20cm處年平均地溫為12.59℃，40cm處年平均地溫為12.97℃。地溫最高值在8月份，20cm處達(dá)到33.30℃，40cm處達(dá)到30.50℃;20cm處地溫在12月份達(dá)到最低值-11.60℃，40cm處地溫在1月份達(dá)到最低值-7.35℃。隨著土壤深度的增加，春、夏兩季20cm、40cm地溫呈現(xiàn)下降趨勢，秋、冬兩季20cm、40cm地溫呈現(xiàn)上升趨勢（圖1）。

地溫月平均變化趨勢基本相同（圖2），月平均地溫從2—8月呈現(xiàn)上升趨勢，8月份達(dá)到最高，20cm、40cm月平均地溫分別為28.54℃、27.21℃;9月份開始下降，20cm月平均地溫在1月份達(dá)到最低-5.14℃，40cm月平均地溫在2月份達(dá)到最低-3.69℃，40cm較20cm月平均地溫最低值出現(xiàn)時(shí)間滯后1個(gè)月。1月1日—3月2日，12月5—31日，20cm地溫低于0℃，持續(xù)時(shí)間為3個(gè)月左右;12月10—31日，1月1日—3月4日，40cm地溫低于0℃，持續(xù)時(shí)間為3個(gè)月左右。夏季40cm處較20cm處月平均地溫低，熱量向下輸送;冬季40cm處較20cm處月平均地溫高，熱量向上輸送。

2.2?地溫的季節(jié)、日變化

選取1月6日、4月9日、7月7日和10月7日4個(gè)典型晴天數(shù)據(jù)，代表春、夏、秋、冬各季節(jié)地溫日變化，以分析日變化的季節(jié)特征。20cm各季節(jié)地溫大致呈正弦變化，40cm地溫變化不顯著，近似1條直線。夏季20cm、40cm地溫?cái)?shù)值在白天接近，春、秋、冬季20cm、40cm地溫?cái)?shù)值在夜晚相近（圖3）。

1d中各層地溫均有1個(gè)最高值和1個(gè)最低值，20cm地溫最高值出現(xiàn)時(shí)間為00∶00—01∶00;最低值出現(xiàn)時(shí)間為12∶00—13∶00。40cm地溫最高值出現(xiàn)時(shí)間為00∶00—03∶00;最低值出現(xiàn)時(shí)間為14∶00—18∶00。隨著土壤深度的增加，空氣溫度、太陽輻射等對地溫的影響減弱，最值出現(xiàn)時(shí)間延后，地溫變化幅度減小;春、夏兩季20cm日平均地溫高于40cm，秋、冬兩季20cm日平均地溫低于40cm。如表1。

2.3?地溫與環(huán)境因子的關(guān)系

20cm地溫與40cm地溫相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.992（表2），線性關(guān)系顯著。環(huán)境因子對地溫具有顯著影響，不同環(huán)境因子對地溫的影響存在不同程度的差異?？諝鉁囟扰c地溫的線性關(guān)系最為顯著，其次為二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、空氣濕度、風(fēng)速，地溫與二氧化碳濃度、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與其它環(huán)境因子均呈正相關(guān)?？諝鉁囟扰c地溫的相關(guān)系數(shù)最高，與20cm、40cm地溫相關(guān)系數(shù)分別為0.912和0.895;隨著土壤深度的增加，空氣溫度與地溫的相關(guān)性降低，空氣溫度對地溫的影響減小。二氧化碳濃度與20cm、40cm地溫的相關(guān)系數(shù)分別為-0.557、-0.517，與地溫存在中等程度負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著二氧化碳濃度的升高，地溫降低;隨著土壤深度的增加，二氧化碳濃度與地溫的相關(guān)性降低，對地溫的影響減小。光照強(qiáng)度、空氣濕度、風(fēng)速與20cm、40cm地溫相關(guān)性較弱。

研究發(fā)現(xiàn)庫布齊沙漠-阿木古龍C試驗(yàn)站降雨極少，降雨量數(shù)據(jù)少，因此在逐步回歸分析中將降雨數(shù)據(jù)剔除，對降雨數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并與20cm地溫、氣溫做線性回歸分析（圖4），發(fā)現(xiàn)降雨之后，空氣溫度、地溫均呈明顯下降趨勢;降雨停止后，空氣溫度和地溫呈現(xiàn)上升趨勢，存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明降雨可以直接導(dǎo)致20cm地溫的下降。空氣溫度、二氧化碳濃度、降雨可直接影響地溫的變化幅度，而光照強(qiáng)度、空氣濕度、風(fēng)速只是引起20cm、40cm地溫變化的因素，并不會(huì)影響地溫的變化趨勢。

3?結(jié)論

庫布齊沙漠20cm、40cm地溫常年在-10～35℃之間，各層地溫最高值出現(xiàn)時(shí)間均是8月份;20cm地溫在12月份達(dá)到最低值，40cm地溫最低值約滯后1個(gè)月。隨著土壤深度的增加，春、夏季地溫呈現(xiàn)下降趨勢，秋、冬季地溫呈現(xiàn)上升趨勢。月平均地溫8月份最高，20cm月平均地溫在1月份最低，40cm月平均地溫最低值滯后1個(gè)月。20cm、40cm地溫低于0℃持續(xù)時(shí)間為3個(gè)月左右。

20cm各季節(jié)地溫大致呈正弦變化，40cm地溫近似1條直線。夏季20cm、40cm地溫?cái)?shù)值在白天接近，春、秋、冬季20cm、40cm地溫?cái)?shù)值在夜晚相近。各季節(jié)地溫日最高值在00∶00—03∶00之間，最低值在12∶00—18∶00之間。春、夏兩季20cm地溫日平均溫度高于40cm，秋、冬兩季則相反。

20cm地溫與40cm地溫相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.992，線性關(guān)系顯著。所有影響因子中，空氣溫度與地溫的線性關(guān)系最為顯著，其次為二氧化碳濃度，且隨著土壤深度的增加，空氣溫度與地溫的相關(guān)性降低，降雨直接導(dǎo)致地溫顯著下降;空氣濕度、光照強(qiáng)度和風(fēng)速對20cm、40cm地溫的影響較小。

參考文獻(xiàn)

[1]

陳有超，魯旭陽，李衛(wèi)朋，等.藏北典型高寒草原土壤微氣候?qū)υ鰷氐捻憫?yīng)[J].山地學(xué)報(bào)，2014，32（4）：401-406.

[2]中國氣象局.IPCC第五次評(píng)估報(bào)告解讀[N].中國氣象報(bào)，2014-5-22.

[3]張慧.地溫變化過程及其機(jī)理研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2017.

[4]胡健，呂一河，傅伯杰，孫飛翔.祁連山排露溝流域土壤水熱與降雨脈動(dòng)沿海拔梯度變化[J].干旱區(qū)研究，2017，34（01）：151-160.

[5]王蒙，董治寶，付鵬，等.巴丹吉林沙漠南緣土壤微量元素含量及其與植物群落的[J].中國沙漠，2016，36（4）：1063-1069.

[6]劉錚瑤，董治寶，王建博，等.巴丹吉林沙漠邊緣地區(qū)植被特征[J].中國沙漠，2016，36（5）：1348-1356.

[7]Wang N A，Ning K，Li Z L，et al. Holocene high lake-levels andpan-lake period on Badain Jaran Desert[J].Science China： EarthSciences，2016，59（8）： 1633-1641.

[8]龔強(qiáng)，汪宏宇，朱玲，等.遼寧省地溫場結(jié)構(gòu)及變化特征[J].冰川凍土，2017，39（03）：505-514.

[9]王選耀.煙臺(tái)地區(qū)土壤溫度變化特征及預(yù)測模型研究[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2010，26（04）：487-492.

[10]張煥平，張占峰，汪青春，等.近40年青海淺層地溫的變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（02）：146-152.

[11]周刊社，羅骕翾，杜軍，等.西藏高原地溫對氣溫變化的響應(yīng)[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2015，36（02）：129-138.

[12]張娟，沙占江，徐維新.青藏高原玉樹地區(qū)巴塘高寒草甸土壤溫濕特征分析[J].冰川凍土，2015，37（03）：635-642.

[13]王勝，張強(qiáng)，衛(wèi)國安，等.降水對荒漠土壤水熱性質(zhì)強(qiáng)迫研究[J].高原氣象，2004（02）：253-258.

（責(zé)任編輯?周康）