1983—2019年黑龙江省春季土壤湿度时空变化特征及影响因素

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本站小编 Free考研考试/2021-12-29

潘明溪^,¹^,², 张丽娟^,¹, 曲成军³, 潘涛¹, 张帆¹^,⁴

1.哈尔滨师范大学寒区环监测与信息服务重点实验室,哈尔滨 150025

2.漠河市气象局,漠河 165300

3.黑龙江省气象台,哈尔滨 150030

4.大庆师范学院经济管理学院,大庆 163000

Spatial and temporal variability of soil moisture in relation with meteorological factors in spring from 1983 to 2019 in Heilongjiang province

PAN Mingxi^,¹^,², ZHANG Lijuan^,¹, QU Chengjun³, PAN Tao¹, ZHANG Fan¹^,⁴

1. Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold Regions, Harbin Normal University, Harbin 150025, China

2. Mohe Meteorological Bureau, Mohe 165300, China

3. Heilongjiang Meteorological Observatory, Harbin 150030, China

4. School of Economics and Management, Daqing Normal University, Daqing 163000, Heilongjiang, China

通讯作者: 张丽娟（1965-）,女,河北唐山人,博士,教授,博士生导师,主要从事生态系统模拟研究。 E-mail: zlj19650205@163.com

收稿日期:2020-02-7接受日期:2020-11-11网络出版日期:2021-04-10

基金资助:

国家自然科学基金项目.41771067

Received:2020-02-7Accepted:2020-11-11Online:2021-04-10
作者简介 About authors
潘明溪（1991-）,女,黑龙江大庆人,硕士研究生,主要从事生态系统模拟研究。 E-mail: mhjpmx@126.com

摘要
春季土壤湿度是影响东北粮食产量和品质的重要因素。在气候变暖的背景下,东北春季土壤湿度如何变化,鲜有研究。本文基于1983—2019年黑龙江省22个农业气象站的土壤湿度和气象观测资料,采用方差分析、突变分析及空间分析等方法,分析20世纪80年代以来黑龙江省春季土壤湿度的时空变化特征及其影响因素。结果表明：1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度均值为88.22%,0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度平均值分别为82.63%、89.66%、92.36%,土壤湿度随深度增加而增加,各层均未出现干旱状态。但各层土壤湿度均出现极显著下降趋势,21世纪最初10年较20世纪80年代各层土壤湿度下降6%~15%,在20世纪80年代末进入偏干期。黑龙江省春季土壤湿度呈现由东到西逐渐减小的趋势,32%左右的观测站点呈现显著下降趋势,主要集中在黑龙江省西部及东部地区。前秋季降水量、积雪期长度和积雪初日是影响各层及各月份土壤湿度最重要的因素,其对土壤湿度的影响能持续到5月份,并能影响到20~30 cm。积雪深度及积雪终日对4月份表层土壤湿度有重要影响。地表温度、日平均气温、日平均风速和降水量也是影响不同时期不同深度土壤湿度的关键因素。
关键词： 春季土壤湿度;时空变化;影响机制;黑龙江

Abstract

Soil moisture in spring is an important factor affecting grain yield and quality in Northeast China, which has been rarely studied in terms of variability of soil moisture during spring season in this region under the background of climate change. Soil and meteorological data of 22 agricultural meteorological stations from 1983 to 2019 in Heilongjiang province are used to examine the spatio-temporal variability of soil moisture in spring since the 1980s, by methods of classical statistics and geostatistics such as variance analysis, mutation analysis, and spatial analysis. The results show that the mean soil moisture (0-30 cm depth) is 88.22% in the study area in the spring of 1983-2019, and the mean values of soil moisture at depths of 10 cm, 20 cm, and 30 cm are 82.63%, 89.66%, and 92.36%, respectively, that is to say, soil moisture increases with depth. Soil moisture of each layer is not in status of drought, but shows decreasing trends. Compared with the 1980s, soil moisture of each layer decreased by 6%-15% in the 2010s, being in a dry stage since the 1980s. From east to west, soil moisture in spring presents a decreasing trend and it decreased significantly at about 32% of observation points, which are located mainly in the west and east of the province. The most important factors affecting the soil moisture in each layer and month are precipitation in the preceding autumn, snow accumulation period and beginning date of snow cover, which can affect soil moisture at 30 cm depth until May. Snow depth and ending date of snow cover have important effects on the surface soil moisture in April. Surface temperature, daily mean temperature, daily mean wind velocity and precipitation are also key factors influencing soil moisture at different depths in different periods.

Keywords：soil moisture in spring;spatial and temporal variability;influence mechanism;Heilongjiang

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本文引用格式
潘明溪, 张丽娟, 曲成军, 潘涛, 张帆. 1983—2019年黑龙江省春季土壤湿度时空变化特征及影响因素. 地理研究[J], 2021, 40(4): 1111-1124 doi:10.11821/dlyj020200081
PAN Mingxi, ZHANG Lijuan, QU Chengjun, PAN Tao, ZHANG Fan. Spatial and temporal variability of soil moisture in relation with meteorological factors in spring from 1983 to 2019 in Heilongjiang province. Geographical Research[J], 2021, 40(4): 1111-1124 doi:10.11821/dlyj020200081

1 引言

干旱会影响到工业生产、城乡供水、人民生活和生态环境,给国民经济造成重大损失。Obasi的研究表明,气象灾害损失占各类自然灾害损失的85%左右,其中50%的损失由干旱所致^[1]。在气候变暖背景下,由地表增温引起的全球大范围变干现象已成为不争的事实^[2,3],研究表明21世纪气候变化影响下,全球干旱频率和强度仍将增加^[4,5]。黑龙江省地处中高纬,且靠近全球变暖中心（亚洲大陆中北部的东部,贝加尔湖附近）,在近百年来年均气温倾向率为1.8℃/100a^[6,7]。大量研究表明自20世纪90年代中期以后,黑龙江省进入降水减少和干旱多发阶段,干旱程度显著加剧、范围明显扩大,且有研究预测在未来20年黑龙江省干旱趋强,且干旱高发区存在一定的北移趋势^[8,9,10]。同时在黑龙江省一年中春旱最为严重,这主要是由于受季风影响,黑龙江省降水量的分布具有明显的季节分配特征,春季（3—5月）各地降水量仅占全年降水量的10%~20%^[11],但蒸发量较大,5月更是一年中蒸发量最大的月份。黑龙江省严峻的春旱形势直接影响了粮食产量,而黑龙江省又是全国最大的粮食产区,因此对黑龙江省春旱特征进行分析显得尤为重要。土壤湿度指标是目前研究成熟的农业干旱指标。土壤湿度作为地表水文过程的一个综合指标,积累了地表水文过程的大量信息^[12],能够客观定量的反映土壤的缺水程度、评价农业干旱^[13,14]。近年来对黑龙江省土壤湿度的研究有很多,但主要集中在全年及生长期（5—9月）土壤湿度时空变化^{[15,16,17,18,19]},对春季土壤湿度研究较少。李百超等曾分析了黑龙江省5个代表站春季播种期间（4月28日）各土层土壤湿度变化趋势^[20],但还没有涉及到春季土壤湿度空间变化,对于影响黑龙江省春季土壤湿度变化的因素也鲜有研究。本文利用黑龙江省22个农业气象站1983—2019年春季（3—5月）0~30 cm土壤湿度资料,分析了黑龙江省春季土壤湿度的时空变化特征,同时结合气象站气象数据,定量分析影响土壤湿度的气象因子。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

黑龙江省位于121°11′E~135°05′E、43°26′N~53°33′N（图1）。全省耕地面积1594.09万hm²,占全省土地总面积的33.87%,地貌特征为“五山一水一草三分田”。地势大致是西北、北部和东南部高,东北、西南部低。黑龙江省属于寒温带与温带大陆性季风气候。从东向西,依干燥度指标可分为湿润区、半湿润区和半干旱区。全省气候的主要特征是春季低温干旱,夏季温热多雨,秋季易涝早霜,冬季寒冷漫长,无霜期短,气候地域性差异大。黑龙江省是中国稳定积雪区之一,冬季积雪期主要集中在11月至次年4月,此时期整个研究区均有积雪覆盖,2月积雪深度达到最大值,3月积雪开始融化,至4月中旬融化完全,而农作物播种期一般在5月。粮食作物以水稻、小麦、玉米和大豆为主。

图1

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图1研究区位置图

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 1Location of research area

2.2 数据来源

本文利用哈尔滨、牡丹江、佳木斯、齐齐哈尔等22个农业气象站春季（3—5月）每旬土壤湿度资料,时间尺度为1983—2019年,深度涉及0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 3个土层,资料来源于黑龙江省气象局。黑龙江省境内共有31个具有土壤湿度数据的农业气象站,土壤湿度观测最早起始于1980年,但各站点土壤湿度数据起始时间不同,自1980—1987年不等^[17],为保持数据连续性,本文选取了22个农业气象站1983—2019年的土壤湿度数据,这些站点多分布在两大产粮区三江平原与松嫩平原的黑龙江省境内区域,具有一定的代表性,能够较好反映出黑龙江省主要农区的气候特征。选取0~30 cm土层进行分析,主要因为过往研究表明0~30 cm土层中土壤有效水分含量的变异率总是最大^[21],且为耕作层。农业气象站土壤湿度观测均在气象观测场内,土地利用类型均为草地,在研究期间均无灌溉情况。各农业气象站土壤类型有所不同,多为黑壤土、砂壤土、粘壤土、壤土、黄沙土、暗棕壤等,为排除土壤类型对土壤湿度的影响,本文采用土壤相对湿度来表征土壤湿度。土壤相对湿度（relative humidity of soil,RHS）为土壤重量含水率占田间持水量的比值,以百分率（%）表示。田间持水量是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量,且被认为是一个常数^[22],因此土壤相对湿度在表征土壤湿度的同时,可以比较不同区域的土壤干湿程度。利用土壤相对湿度评价干旱等级,定义为重旱：RHS≤40%;中旱：40%<RHS≤50%;轻旱：50%<RHS≤60%;适宜：60%<RHS≤90%;饱和：RHS>90%。

利用1983—2019年黑龙江省气象局22个农业气象站观测数据进行土壤湿度与气象要素间的相关性分析,本文选取的影响春季土壤湿度的气象要素包括平均气温、总降水量、前秋季降水量、平均地表温度、平均风速、日照时数、积雪期长度、累计积雪深度、积雪初日和积雪终日。其中气温、降水量、地温、风速、日照时数均为1983—2019年3—5月,前秋季降水为前一年9—11月降水量,积雪期长度为前一年8月到当年7月积雪开始和积雪结束间的日数,累计积雪深度为前一年8月到当年7月积雪深度的总和。

本文研究所用数据均来自黑龙江省气象局的历史整编气象数据,是经过黑龙江省气象局气候中心资料审核修正后的数据,对异常数据已经进行了修正和剔除,并经过中国气象局气候中心业务审核通过后,形成的数据库,因此本文在分析过程中,不再需要重复进行气象数据的异常分布和剔除。

2.3 研究方法

2.3.1 方差分析单因素方差分析用来研究一个控制变量的不同水平是否对观测变量产生了显著影响^[23]。本文主要比较不同土层深度土壤湿度及不同时间土壤湿度是否有显著差异,以F检验来判断差异是否显著,公式为：

（1）

F = \frac{\frac{S S_{A}}{r - 1}}{\frac{S S_{E}}{n - 1}}

式中：SS_A为组间离差平方和;SS_E为组内离差平方和;若

F > F_{\frac{α}{2}} (r - 1, n - r)

,则表明差异显著,反之则无显著差异。

2.3.2 气候倾向率为了反映1983—2012年土壤水分的变化趋势,采用线性倾向率估计：

（2）

y_{i} = a + b \times t_{i}

式中：y_i为土壤湿度;t_i为对应的时间;i为土壤湿度序列;a和b系数由最小二乘法估算得到,回归系数b即可反映土壤湿度的变化趋势,b>0表示呈增加趋势,b<0表示呈减小趋势。

2.3.3 空间分析研究土壤湿度空间分布特征大多采用ArcGIS软件中地统计分析模块下的Kriging插值方法,该方法基于空间相关模型,其优势是在地形、气象因子异质性较大时有较强的适用性,既能够体现地理要素在较大时空尺度上的一致性,又能体现出区域的独特性^[24]。

2.3.4 相关分析相关分析是一种研究现象间是否存在某种依存关系,并对具有依存关系的现象的相关方向及相关程度进行研究的理论和方法^[25]。本文主要利用Pearson相关分析方法,对土壤湿度与气象因子间的相关性进行定量分析。

3 结果分析

3.1 1983—2019年黑龙江省春季土壤湿度时序变化特征

3.1.1 各层土壤湿度时序变化特征 1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土层土壤湿度变化范围在75.31%~101.92%之间,平均值为88.22%（图2）,未呈现干旱状态,变异系数为0.08,年际间变化幅度接近10%。1983—2019年黑龙江省春季0~30cm土层土壤湿度呈波动性下降趋势,年际倾向率为-0.26%·a^-1,呈显著变干趋势（P<0.01）。21世纪最初10年相比20世纪80年代,0~30 cm土层土壤湿度降低了10.48%。1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土层土壤湿度在1989年左右发生突变（图3）,由相对偏湿期进入相对偏干期。

图2

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图21983—2019年黑龙江省春季土壤湿度年际变化

Fig. 2Interannual soil moisture variability in Heilongjiang province during spring season from 1983 to 2019

图3

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图31983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土层土壤湿度变化趋势突变点检测

Fig. 3Discontinuity of soil moisture in each layers in spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

1983—2019年黑龙江省春季0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度平均值分别为82.63%、89.66%、92.36%,土壤湿度随深度增加逐渐增大,未呈现干旱状态。方差分析结果显示0~10 cm与10~20 cm、20~30 cm均具有显著差异（P<0.05）,而10~20 cm与20~30 cm之间不存在显著差异（P>0.05）。这说明表层土壤湿度明显小于10~20 cm、20~30 cm土层。0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度均呈波动下降趋势,但0~10 cm土层土壤湿度变化不显著,10~20 cm、20~30 cm土层均呈显著变干趋势（P<0.01）,倾向率分别为-0.14%·a^-1、-0.28%·a^-1、-0.37%·a^-1。21世纪最初的10年各层土壤湿度较20世纪80年代降低了5.68%、11.08%、14.92%。进行MK检验得到,各土层土壤湿度均在1989年左右发生突变（图略）,由相对偏湿期进入相对偏干期。

3.1.2 各月份土壤湿度时序变化特征 1983—2019年黑龙江省3月、4月、5月0~30 cm土壤湿度平均值分别为91.29%、89.54%、84.73%,取值范围分别为65.85%~111.11%、76.01%~105.21%、71.87~95.73%,变异系数分别为0.110、0.08、0.07,其中3月土壤湿度变异系数最大。方差分析结果显示5月土壤湿度与3月、4月具有显著差异（P<0.05）,说明5月土壤湿度明显小于3月、4月。1983—2019年黑龙江省各月土壤湿度年际变化趋势如图4所示,可以看出各月土壤湿度均呈波动下降趋势,年际变化特征相似,年际变化倾向率分别为-0.41%·a^-1、-0.29%·a^-1、-0.08%·a^-1,3月、4月土壤湿度呈显著变干趋势（P<0.01）,而5月土壤湿度无显著变化（P>0.05）。21世纪最初10年各月土壤湿度较1980s分别下降了16.56%、11.64%和3.00%。进行MK检验得到（图略）,3月、4月土壤湿度分别在1993年和1989年发生突变,由偏湿期进入相对偏干期,而5月土壤湿度在1984年发生突变由偏湿期进入相对偏干期,又于2014年发生突变进入偏湿期。

图4

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图41983—2019年黑龙江省春季各月土壤湿度年际变化

Fig. 4Interannual soil moisture variability of each month in spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

1983—2019年黑龙江省春季各月0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度平均值如表1所示,可见3—5月各月土壤湿度均随深度增加而增大,同一月份不同土层间土壤湿度变异系数并无差异,同一土层中3月土壤湿度变异系数最大。方差分析结果显示,3月、5月0~10 cm土层与10~20 cm、20~30 cm均具有显著差异（P<0.05）,说明3月、5月表层土壤与深层土壤相比明显较干;而4月各土层间均有显著差异（P<0.05）,即4月不同深度土壤湿度差异较大,随深度增加土壤湿度明显增大。1983—2019年黑龙江省各月不同土层土壤湿度均呈现波动下降趋势。其中3月、4月0~10 cm土壤湿度下降趋势不显著,10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度呈显著下降趋势,且土壤湿度下降速率随土层深度增加而增大;而5月不同土层土壤湿度均无显著变化。进行MK检验得到,同一月份不同土层土壤湿度突变时间相似,3月、4月各土层在1996年和1989年前后发生突变,由偏湿期进入相对偏干期,而5月土壤湿度在1984年前后发生突变由偏湿期进入相对偏干期,又于2015年前后发生突变进入偏湿期（图略）。

Tab. 1
表1
表11983—2019年黑龙江省春季各月不同土层土壤湿度情况统计表
Tab. 1Statistical table of soil moisture of each month and depth in spring from 1983 to 2019 in Heilongjiang province

	3月			4月			5月
	0~10 cm	10~20 cm	20~30 cm	0~10 cm	10~20 cm	20~30 cm	0~10 cm	10~20 cm	20~30 cm
最小值(%)	60.58	66.79	70.18	72.07	78.20	78.65	61.97	75.01	79.10
最大值(%)	114.12	114.59	115.65	94.55	108.15	116.20	92.18	98.91	100.17
平均值(%)	86.49	91.8	94.02	82.46	90.67	94.09	79.18	86.65	89.22
变异系数	0.12	0.11	0.12	0.08	0.07	0.08	0.08	0.06	0.05
年际变化倾向率(%·a^-1)	-0.28	-0.43^*	-0.58^**	-0.13	-0.30^**	-0.44^**	-0.03	-0.11	-0.10

注：^**表示通过显著性水平为0.01检验;^*表示通过显著性水平为0.05检验。

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3.2 1983—2019年黑龙江省春季土壤湿度空间分布及变化

3.2.1 各层土壤湿度空间分布及变化特征 1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度在空间上呈现明显的区域性差异（图5a）,大致呈现由东到西逐渐减小的趋势,取值范围在70.21%~117.98%之间,差距较大。其中高值区集中在三江平原东部,抚远站土壤湿度最高;低值区位于松嫩平原西南部,集中在大庆及齐齐哈尔西南部。1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度年际变化倾向率空间分布（图5b）显示,77%站点的土壤湿度呈现下降趋势,下降幅度在-0.01~-1.99%·a^-1之间,32%站点呈显著下降趋势（P<0.05）,主要集中在黑龙江省东部、北部及西南部海伦-青冈-巴彦一带。23%站点的土壤湿度呈现上升趋势,上升幅度在0.08~0.51%·a^-1之间,只有五大连池呈显著上升趋势（P<0.01）。

图5

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图51983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度空间分布和变化

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 5Spatial distribution and variability of soil moisture in spring at 0-30cm depth in Heilongjiang province from 1983 to 2019

1983—2019年黑龙江省春季0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度在空间分布上具有较好的一致性（图6）,均呈现东高西低的空间分布特征,高值区、低值区分布位置与0~30 cm土层相似。但取值范围上0~10 cm与10~20 cm及20~30 cm土层相差较大,0~10 cm土层取值在55%~110%之间,10~20 cm及20~30 cm土层取值范围在70%~125%之间,0~10 cm土层与深层土壤相比更干,其中泰来0~10 cm土层土壤湿度低于60%,呈轻度干旱。各土层土壤湿度空间变化具有较好的一致性（图7）,大部分地区土壤湿度均呈下降趋势,下降速率较快的地区主要位于黑龙江省北部、东部及海伦-青冈-巴彦一带,部分呈上升趋势的站点主要分布在黑龙江省西南部、富锦-虎林一带及五大连池。0~10 cm、10~20 cm土层均有70%左右的站点呈下降趋势,呈显著下降趋势的站点（P<0.05）分别占22.73%、31.81%,而呈显著上升趋势的站点（P<0.01）仅有五大连池。20~30 cm土层近90%的站点均呈下降趋势,呈显著下降趋势的站点占31.81%,无呈显著上升趋势站点。

图6

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图61983—2019年黑龙江省春季各土层土壤湿度空间分布

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 6Spatial distribution of soil moisture of each layers in spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

图7

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图71983—2019年黑龙江省春季各土层土壤湿度年际倾向率空间分布

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 7Spatial distribution of interannual tendency rate of soil moisture of each layers in spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

3.2.2 各月土壤湿度空间分布及变化特征 1983—2019年黑龙江省春季各月0~30 cm土壤湿度在空间分布上具有较好的一致性（图8）,均表现为由东到西逐渐减小的趋势。随月份推移,土壤湿度高值区范围逐渐缩小,空间分布差异性降低。1983—2019年黑龙江省春季各月土壤湿度在空间变化上也具有较好的一致性（图9）,黑龙江省的东部、北部及西南部分地区均是土壤湿度下降最快的区域,尤其是抚远、同江、饶河附近,嘉荫、黑河一带,以及海伦、青冈、巴彦一带更显著。3月、4月和5月土壤湿度显著下降的站点占比分别为27.27%、31.81%和9.09%。约30%的站点土壤湿度呈现上升趋势,但是仅五大连池地区土壤湿度上升趋势显著性（P<0.01）。各月土壤湿度年际倾向率的变化范围分别为-2.61~0.46%·a^-1、-2.36~0.52%·a^-1、-1.09~0.53%·a^-1。变干显著区域集中在黑龙江省的西部和东部。

图8

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图81983—2019年黑龙江省春季各月0~30 cm土层土壤湿度空间分布

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 8Spatial distribution of soil moisture of each month at 0-30 cm depth in spring in Heilongjiang Province from 1983 to 2019

图9

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图91983—2019年黑龙江省春季各月0~30 cm土层土壤湿度年际倾向率空间变化

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 9Spatial distribution of interannual tendency rate of soil moisture of each month at 0-30 cm depth in spring in Heilongjiang Province from 1983 to 2019

图10

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图101983—2019年黑龙江省春季4月各土层土壤湿度空间分布

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 10Spatial distribution of soil moisture of each month and depth in spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

1983—2019年黑龙江省春季各月0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土壤湿度空间分布已基本一致,均呈现东高西低、北高南低的基本特征（以4月各层土壤湿度为例,图10）。0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土壤湿度分布在50.40%~125.57%、67.68%~130.14%、75.05%~133.38%之间。随深度增加,土壤湿度高值区范围增大;随月份推移,土壤湿度空间差异性逐渐减小。春季各月不同土层土壤湿度空间变化较为一致,各月不同土层土壤湿度下降速率较快的地区均集中在黑龙江省东部、北部及西南部海伦-青冈一带（以4月各层土壤湿度为例,图11）。各月20~30 cm土层土壤湿度呈上升趋势的范围与0~10 cm、10~20 cm土层相比明显较小,5月不同深度土层土壤湿度下降速率高值区范围明显缩小,且呈显著变化的站点数减少。

图11

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图111983—2019年黑龙江省春季4月各土层土壤湿度年际倾向率空间变化

注：基于国家自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站的标准地图（GS(2019)3333号）绘制,底图无修改。
Fig. 11Spatial distribution of interannual tendency rate of soil moisture of each month and depth in spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

3.3 黑龙江省春季土壤湿度变化机制分析

3.3.1 春季土壤湿度影响因素分析大量研究表明土壤湿度与降水、气温等气象因子密切相关,结合黑龙江省气候特征,本文选取了10个气象要素,分别为地表温度、日平均气温、日平均风速、总降水、日平均日照时数、积雪期长度、前秋季降水、积雪终日、累积雪深、积雪初日与土壤湿度进行相关分析。

如表2所示,与春季各层土壤湿度呈显著或极显著相关的气象要素有春季地表温度、春季日平均气温、春季日平均风速、积雪期长度、前秋季降水量和积雪初日。其中相关系数最高的是前秋季降水量、积雪初日和积雪期长度。春季各层土壤湿度与前秋季降水量、积雪期长度、平均风速均成正比,说明前秋季降水量越大,积雪期长度越长,风速越大,春季各层土壤湿度越大;与积雪初日、日平均气温、日平均地表温度呈负相关,说明积雪初日越晚,日平均气温、日平均地表温度越高,各层土壤湿度越小。分析认为,由于黑龙江省冬季土壤冻结,冻结前的前秋季降水量影响春季土壤底墒,所以与春季土壤湿度呈正比;积雪对春季土壤起保墒作用,积雪初日越早,积雪期越长,保墒作用越强;风速越大,春季土壤湿度越大,可能与积雪融化速率有关,风速大,积雪在短时间集中融化,或风速大引起土壤解冻,所造成的春季土壤湿度偏高,其影响大于风速大所造成的蒸发影响。

Tab. 2
表2
表21983—2019年黑龙江省春季各层土壤湿度与气象因子的相关系数
Tab. 2The correlation coefficients between soil moisture and meteorological factor at each layers in spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

土层深度	地温	气温	风速	春季降水量	日照	积雪期长度	前秋季降水量	累计雪深	积雪初日	积雪终日
0~30 cm	-0.37^*	-0.40^**	0.41^*	0.05	0.08	0.45^**	0.59^**	0.07	-0.47^**	0.19
0~10 cm	-0.17	-0.43^**	0.24	0.20	0.00	0.37^*	0.61^**	0.18	-0.40^*	0.13
10~20 cm	-0.36^*	-0.42^*	0.42^**	0.04	0.09	0.47^**	0.57^**	0.06	-0.47^**	0.20
20~30 cm	-0.47^**	-0.41^*	0.51^**	-0.06	0.15	0.48^**	0.54^**	-0.02	-0.49^**	0.21

注：^**表示通过显著性水平为0.01检验;^*表示通过显著性水平为0.05检验。

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计算春季各月0~30 cm土层土壤湿度与气象因子的关系（表3）,结果显示春季各月0~30 cm土层土壤湿度呈显著相关的因素与春季各层相关因素基本相同,主要有各月地表温度、各月日平均气温、各月日平均风速、积雪期长度和前秋季降水,其主要区别在于这些因素与各月土壤湿度的影响有所侧重和不同,除此之外,5月份土壤湿度受到月降水量的影响。值得关注的是,前秋季降水量影响春季各月土壤湿度,积雪期长度及积雪初日影响3月、4月份土壤湿度,而对5月份土壤湿度影响不大。积雪终日与4月份土壤湿度呈显著正相关,积雪终日集中在3月末到4月中旬,积雪终日决定了积雪融水对土壤水分的补充,积雪终日越晚,4月土壤湿度越大。日平均风速与4月份土壤湿度呈显著正相关,也进一步说明了风速大引起积雪融化或土壤解冻而造成的土壤湿度偏大的现象。而降水量只影响了5月份土壤湿度,说明了降水量对解冻后土壤湿度的影响。

Tab. 3
表3
表31983—2019年黑龙江省各月0~30 cm土层土壤湿度与气象因子的相关系数
Tab. 3The correlation coefficients between soil moisture and meteorological factor at 0-30 cm depth in each month of spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

月份	同期地温	同期气温	同期风速	同期降水	日照	积雪期长度	前秋季降水量	累计雪深	积雪初日	积雪终日
3月	-0.34^*	-0.25	0.16	-0.27	0.12	0.39^*	0.61^**	-0.05	-0.48^**	0.09
4月	-0.23	-0.34^*	0.44^**	0.13	-0.06	0.57^**	0.50^**	0.18	-0.44^**	0.36^*
5月	-0.10	-0.55^**	0.18	0.55^**	-0.30	0.29	0.37^*	0.21	-0.29	0.12

注：^**表示通过显著性水平为0.01检验;^*表示通过显著性水平为0.05检验。

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进一步以各月各土层为计算单位,计算土壤湿度与气象因子的关系（表4）。所得结论基本与上述相同。前秋季降水量和积雪期长度是影响各月各层土壤湿度的最重要因素。但积雪初日与积雪期长度对0~10 cm土壤湿度的影响略小,对10 cm以下土壤湿度影响较大,一直持续到5月份,说明积雪保墒作用强。除此之外,可以看到,3月份10 cm以下土壤湿度与日平均地温有关,与其他因素无显著相关关系;4月份20 cm以上土壤湿度与日平均气温呈显著负相关,与积雪终日呈显著正相关,4月份10 cm以下土壤湿度与日平均风度呈显著正相关,4月份表层土壤湿度与雪深和积雪终日呈显著正相关,说明4月份表层土壤湿度受积雪影响明显;5月份各层土壤湿度均与日平均气温和降水量显著相关,表层土壤湿度与日照时数显著相关。

Tab. 4
表4
表41983—2019年黑龙江省各月不同土层土壤湿度与气象因子的相关分析
Tab. 4The correlation coefficients between soil moisture and meteorological factor at different depths in each month of spring in Heilongjiang province from 1983 to 2019

土层	月份	同期地温	同期气温	同期风速	同期降水量	同期日照	积雪期长度	累计积雪深度	前秋季降水量	积雪初日	积雪终日
0~10 cm	3月	-0.23	-0.25	0.05	-0.22	0.17	0.29	0.00	0.61^**	-0.48^**	-0.02
	4月	-0.05	-0.41^*	0.27	0.18	-0.15	0.49^**	0.36^*	0.51^**	-0.28	0.39^*
	5月	-0.02	-0.54^**	0.10	0.64^**	-0.43^**	0.17	0.19	0.35^*	-0.20	0.04
10~20 cm	3月	-0.34^*	-0.20	0.16	-0.25	0.11	0.38^*	-0.07	0.61^**	-0.46^**	-0.07
	4月	-0.28	-0.34^*	0.45^**	0.08	-0.04	0.56^**	0.14	0.48^**	-0.43^**	0.36^*
	5月	-0.18	-0.55^**	0.25	0.46^**	-0.29	0.34^*	0.19	0.39^*	-0.31	0.16
20~30 cm	3月	-0.46^**	-0.24	0.24	-0.28	0.06	0.42^**	-0.12	0.58^**	-0.44^**	0.17
	4月	-0.31	-0.21	0.54^**	0.03	0.01	0.54^**	-0.01	0.46^**	-0.52^**	0.26
	5月	-0.16	-0.52^**	0.23	0.43^**	-0.24	0.37^*	0.21	0.40^*	-0.37^*	0.16

注：^**表示通过显著性水平为0.01检验;^*表示通过显著性水平为0.05检验。

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综合以上分析可以得出,对春季土壤湿度影响最显著的是前秋季降水量、积雪初日及积雪期长度。累计积雪深度、积雪终日、地温、风速、气温和春季降水量对不同时期不同深度土壤湿度有不同程度的影响。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度分布在75.31%~101.92%之间,变化速率为-0.26%·a^-1,呈显著下降趋势。春季3—5月0~30 cm土壤湿度取值范围分别为65.85%~111.11%、76.01%~105.21%、71.87~95.73%,5月土壤湿度显著低于3月、4月;土壤湿度在3月、4月呈显著变干趋势,而5月无显著变化。

（2）从垂向上看,随土层由浅到深,土壤湿度逐渐增加,0~10 cm土层湿度与深层存在显著差异,表层土壤湿度偏小。1983—2019年10~20 cm、20~30 cm土壤湿度呈极显著下降,0~10 cm无显著变化。

（3）1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度在空间分布上呈现由东到西逐渐减小的趋势;除五大连池外呈显著上升趋势外,32%站点呈现显著下降趋势,主要集中在黑龙江省西南部及东部地区;1983—2019年黑龙江省春季0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度在空间分布上具有较好的一致性;3月、4月和5月土壤湿度显著下降的站点分别占27.27%、31.81%、9.09%,变干显著区域集中在黑龙江省的西部和东部。

（4）前秋季降水量、积雪期长度及积雪初日是影响黑龙江省土壤湿度最重要的因素,对土壤湿度的影响能持续到5月,并能影响到20~30 cm;地表日平均温度、日平均气温、日平均风速和降水量也对不同深度不同月份土壤湿度产生了不同程度影响。

4.2 讨论

（1）已有****曾针对黑龙江省春旱变化特征进行了研究,认为近50年来黑龙江省春季土壤逐渐向干旱发展^[8,26],1990年以来这种干旱化趋势尤为明显,西南部亚干旱地区的干旱化相对更严重。本文采用春季土壤湿度观测数据,得出了黑龙江省春季土壤湿度从20世纪80年代以来整体呈现显著下降趋势,土壤湿度在1989年左右出现突变,进入相对变干期。从空间分布来看西南部土壤湿度偏低且下降趋势较为显著,即西南部土壤变干情况更为严重。李百超等曾选取5个代表站对黑龙江省春季土壤湿度变化进行研究,得到黑龙江省各地土壤湿度总体呈下降趋势,北部、西部和东部的黑河市、龙江县、富锦县土壤湿度下降趋势显著,且变化趋势突变时间集中在20世纪90年代初;中部和南部的海伦县、双城县土壤湿度下降不显著,但有达到下降显著的趋势^[20]。本文分析认为虽然黑龙江省春季土壤湿度总体呈现下降趋势,但仍有个别站点土壤湿度呈上升趋势。特别是五大连池,3个土层均呈显著上升趋势。这种上升趋势是否与局地气候有关还需进一步分析。同时本文通过对0~30 cm各土层土壤湿度进行分析,得到0~10 cm土层土壤湿度较低,且变化并不显著,与其他土层存在显著差异,这种差异性可能是由于表层土壤受气候因素影响较大,具体原因仍需深入考证。

（2）大量研究表明土壤湿度与气候因子密切相关。目前对土壤湿度影响因子的研究中,大部分****主要关注气温与降水两大气象要素^[27]。而对于季节性积雪区来说,大量研究表明积雪对土壤湿度具有一定的影响。很多****研究表明积雪可以促进土壤水分变化速率^[28],对浅层（0~40 cm）土壤水分的影响较明显^[29],且积雪深度越大^[30]、积雪日数越长^[31]对土壤浅层水分的影响越大、作用时间越长。目前大部分****解释积雪对浅层土壤湿度的影响机制主要基于两个方面,一是积雪覆盖通过阻碍土壤含水率、温度与环境之间的能量交换,减小含水率和温度的变化幅度^[32],从而起到保墒作用;二是在融化期,以融雪水的形式补给土壤水分,增加土壤湿度^[33]。但本文研究表明,前秋季降水、积雪期长度及积雪初日是春季土壤湿度的主要影响因素,春季土壤水分的来源主要是封冻前保留在土壤中的水分,而长期的积雪覆盖使得土壤温湿度相对稳定,减少土壤水分的流失,从而达到保墒的效果,且持续时间较长;而融雪水对土壤水分的补充仅表现在融雪期,作用时间较短,黑龙江省积雪融水对春季土壤湿度的补给作用相对较小,仅影响4月土壤湿度。

（3）蒸发量是影响春季土壤湿度的重要因素,由于黑龙江省3月、4月多数站点没有蒸发量观测,多数台站5月开始观测蒸发量,因此,本文在分析过程中,没有引入蒸发量因素。但蒸发量主要受风速、气温的影响,因此,风速和气温也间接地反映了蒸发量的影响。

致谢：

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文数据来源说明、结果分析、讨论梳理方面的修改意见,使本文获益匪浅。

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文中引用次数倒序
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