三江平原土壤湿度记忆性及其与水热气候条件的关系

王芳 梁静，2 孙洪伟 高永刚

（1.佳木斯市气象局，黑龙江 佳木斯 154004；2.成都信息工程大学，成都 610000；3.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150030）

引言

土壤湿度是陆面过程的重要物理量，在陆—气相互作用中直接决定地表和大气之间物质和能量交换过程，从而影响局地、区域、乃至全球的气候，是气候变化的重要影响因子，也是反映地表水文变化的一个总体指标［1-4］。由于土壤中各种物理过程的热力和水力结构特性，土壤的各种变化过程相对于大气变化较为缓慢，从而使得土壤湿度具有一定“记忆性”［5］。土壤湿度“记忆性”国内外相关研究始于2000年左右，在不同区域、时空尺度、影响机制等方面取得了较大进展［4-9］。不同区域土壤湿度对气候条件的响应存在差异，程善俊等［10］对黄土高原半干旱区研究发现，降水对浅层土壤湿度有显著作用，而气温对深层土壤湿度的作用更明显；王硕甫等［11］研究各层土壤湿度与气温、降水之间的相关性，发现50 cm土层相关性高于浅层10 cm。土壤湿度与气候要素之间存在互馈效应［12-15］。孙丞虎等［16］研究认为，淮河流域各层次土壤湿度具有持续性特征，并与前期、同期、后期降水相关。Guo和Dirmeyer［17］基于全球土壤湿度数据及前苏联、美国（伊利诺斯州）、中国和蒙古的草原和农业区域的原位观测资料，利用11个不同陆面模型模拟分析了土壤湿度年际动态变化表明，所有模型均可以合理的精度模拟土壤湿度异常。陆地土壤湿度异常状态有记忆性，其记忆时长可达数周乃至数月［5，18-19］，这为气候预测提供了新思路。因此揭示土壤湿度记忆性及其与水热气候条件的关系与规律不仅有助于气候预测，亦可进行农业气象干旱评估，指导农业生产。

三江平原位于黑龙江省东部，地貌广阔低平，降水集中夏秋季，雨热同期，是中国重要的粮食生产基地。受全球气候变化影响，三江平原地区增温明显，土壤湿度也呈现较大变化［20-21］，农业生产不稳定性增大，农业生产中需要土壤湿度异常预警信息［22］。然而，目前三江平原地区土壤湿度记忆性及其与水热气候条件的关系与规律研究成果却鲜有报道。本文分析三江平原土壤湿度异常持续性，以期为气候预测和干旱评价，指导农业生产提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

三江平原位于黑龙江省东部，西起小兴安岭，东至乌苏里江，北起黑龙江，南抵兴凯湖，总面积约1.089×105km2，占黑龙江全省总面积的23.9%，由23个县（市）组成（图1）。本文选取资料为1982—2020年黑龙江省三江平原19个农业气象站的逐日气象观测资料及每旬逢8的土壤湿度（地中0—30 cm）观测资料，每旬逢8的土壤湿度数据代表当旬土壤湿度值。

图1 三江平原区域图和气象站分布Fig.1 Regionalmap and weather stations of Sanjiang Plain

1.2 土壤湿度记忆性的计算方法

土壤湿度记忆性，即土壤湿度异常持续的时间，仍是土壤湿度的函数。其大小主要是土壤湿度时间序列滞后一个月的自相关系数［23］，数值大小反映土壤湿度记忆性的强弱。某地前期土壤水分异常情况的延续，能影响到后期的天气或气候变化，所以土壤所具有的特殊记忆性也常常被用于短期的气候变化预测［24-26］。

土壤湿度记忆时长的方法主要通过自相关系数来衡量，即相关系数连续通过显著性t检验的总时长。其计算公式为

式（2）中，j为滞后时间；Xi为逐旬土壤湿度；n为样本总旬数；为样本总旬数的平均土壤湿度。

基于相关系数和自相关系数数理统计方法，利用Python、ArcGIS、DPS7.05统计软件等工具计算和绘图。

2 结果分析

2.1 三江平原土壤湿度的记忆性时空分布

图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）土壤湿度的记忆时长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

分别计算1982—2020年黑龙江省三江平原19个农业气象站0—30 cm土壤湿度在春季和夏季的记忆时长，发现三江平原土壤湿度的记忆时长在不同季节、不同土壤深度表现不同（图2）。春、夏季土壤湿度记忆时长为10—40 d，且相关系数通过了0.05信度检验；秋季数据未通过信度检验；冬季无土壤湿度观测数据。各层土壤湿度记忆性空间分布呈现中间层（10—20 cm）土壤湿度平均记忆时间最长，上下层递减的趋势；春季三江平原10—20 cm土层土壤湿度的记忆时长平均20 d，西部佳木斯、北部同江和南部穆棱记忆时长可达30—40 d；夏季三江平原10—20 cm土层土壤湿度的记忆时长平均为17 d，西部记忆天数明显多于东部，西北部鹤岗、西南部鸡西记忆时长也可达30—40 d。说明春、夏季三江平原土壤湿度的异常会影响超10 d的天气；局地三江平原的土壤湿度记忆时间超过30 d（即1个多月），说明土壤湿度的异常可能对后期1—2个月的天气或气候造成影响。

土壤湿度记忆性的强弱是由土壤湿度时间序列的滞后一个月自相关系数决定的，1982—2020年三江平原土壤湿度的滞后自相关系系数分布见图3。从图3可知，三江平原土壤湿度滞后一个月相关系数夏季大于春季，夏季自相关系数普遍在0.5以上，且相关系数通过了0.01信度检验。10—20 cm、20—30 cm土层的土壤湿度记忆性较0—10 cm浅层有所增强。春季自相关系数平均为0.5以下，也呈随着土层的增加土壤湿度记忆性增大的趋势。这与赵家臻等［5］分析的“全国范围内土壤湿度的记忆性夏季最强”的结论相一致。

图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）土壤湿度时间序列滞后一个月的自相关系数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

春季从空间强弱分布上看，春季三江平原土壤湿度滞后一个月自相关系数大于0.5的区域主要呈西北—东南狭长型分布，随着土壤深度的增加有扩大的趋势。夏季空间分布为西部高于东部，随着土壤深度的增加而增强。

2.2 土壤湿度与水、热气候条件关系

2.2.1土壤湿度与同期降水量

从1982—2020年三江平原0—30 cm土壤湿度与同期降水之间的相关关系可见（图4），三江平原夏、秋季土壤湿度与同期降水量之间存在显著的正相关关系，且绝大部分区域相关系数通过0.10信度检验；从空间分布上看，三江平原夏、秋季土壤湿度与同期降水量之间的正相关以0—10 cm土层最为显著，随着土壤深度的增加有减弱的趋势。春季除0—10 cm土层外，10—30 cm土壤湿度与同期降水量之间大部分数据相关系数未通过显著性检验。

2.2.2土壤湿度与同期温度

1982—2020年三江平原0—30 cm土壤湿度与同期温度之间的相关系数表明（图5），三江平原土壤湿度与同期温度之间为不显著的负相关关系，大部分相关系数没有通过0.10信度检验。从空间强弱分布上看也为西部负相关性强于东部，且随着土壤深度的增加负相关减弱。

图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）土壤湿度与同期降水量的相关系数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土壤湿度与同期温湿指数

1982—2020年三江平原土壤湿度与同期温湿指数的关系见图6，三江平原夏、秋季土壤湿度与同期温湿指数之间存在显著的正相关关系，绝大部分相关系数通过了0.10信度检验；夏季最强，秋季次之，春季最弱。从空间分布看，0—10 cm土层土壤湿度与同期温湿指数之间正相关关系较其他土层更为明显，随着土壤深度的增加有减弱的趋势。

图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）深度土壤湿度与同期温度的相关系数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 前期气象条件对春季土壤湿度的影响

三江平原粮食作物一年一熟，春季土壤墒情的好坏直接影响粮食播种的进程。三江平原年降水量较高，水资源丰富，春季土壤湿度较大影响作物播种［27-29］。

由1982—2020年三江平原春季土壤湿度与前期秋冬季降水量、温湿指数的相关系数分布可知（图7和图8），前期秋冬季降水量与当年春季（0—30 cm）土壤湿度显著相关，秋冬季降水量是当年春季土壤湿度的主要来源，关系到当年春季土壤墒情高低。从空间分布上看，春季土壤湿度与前期秋冬季降水量正相关的区域在三江平原呈西北—东南状分布，且随着土壤深度的增加，范围略有减少。

图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）深度土壤湿度与同期温湿指数的相关系数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

图7 1982—2020年春季三江平原0—10 cm（a）、10—20 cm（b）、20—30 cm（c）深度土壤湿度与前期秋冬季降水量的相关系数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

图8 1982—2020年春季三江平原0—10 cm（a）、10—20 cm（b）、20—30 cm（c）深度土壤湿度与前期秋冬季温湿指数的相关系数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

三江平原春季土壤湿度与前期温湿指数以负相关关系为主（图8），从空间分布上看，只有表层（0—10 cm）大部区域的土壤湿度相关系数通过了0.10信度检验，说明三江平原春季土壤湿度还受前期秋冬季气温的影响。秋冬季气温的升高会使土壤存储的热量增多，促进次年浅层土壤的融冻，增加次年春季土壤湿度。这与李若麟等［4］研究得出的“上一年夏秋季温湿指数与浅层（0—10 cm）土壤湿度存在较弱的负相关关系，显著负相关区域零星地分布在北半球高纬度地区”相一致。

3 结论与讨论

（1）1982—2020年三江平原土壤湿度的记忆性在不同季节表现不同。春季三江平原（10—20 cm）土壤湿度记忆时间平均为20 d，夏季三江平原（10—20 cm）土壤湿度记忆时间平均为17 d。三江平原土壤湿度记忆性强度夏季大于春季，空间分布以三江平原西部的记忆性较强，随着土层深度的增加有增大的趋势。夏季自相关系数普遍为0.5以上，且相关系数通过了0.01信度检验。

（2）降水是三江平原土壤湿度的主要来源，夏、秋季土壤湿度与同期降水量呈显著正相关；同时受气温的影响，土壤湿度与同期温湿指数也为显著的正相关。三江平原春季土壤湿度与前期秋冬季降水呈显著正相关，与前期温湿指数呈负相关。

（3）春季，随着气温的不断升高，地表温度也随之升高，蒸发量增大，使得可融雪量减小，对于初始时刻异常偏湿的土壤而言，其“湿”信号会由于蒸发强度的增大迅速消失，对应土壤湿度的记忆性较弱。夏季，三江平原降水天气增多，降水强度变大，土壤中由于蒸发和径流散失掉的水分能快速得到补偿，使得这种正异常得以延续，同时土壤水分补偿速率随降水频次的增多而加快，土壤湿度记忆性也随之加强。

（4）三江平原冬季的土壤湿度目前无观测数据，同时其秋季土壤湿度的记忆性还有待进一步的明确。随着卫星遥感等新技术的发展，三江平原乃至东北地区的土壤湿度资料质量将更好、适用性更强，可对其土壤湿度记忆性进行全面深入的分析。