库布齐沙漠地温变化特征及其影响因子分析

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　　摘 要：以库布齐沙漠试验站2018年1—12月地温与气象数据为基础，分析库布齐沙漠地温变化特征及其影响因子。结果表明，库布齐沙漠20cm、40cm地温常年在-10～35℃之间，地温最高值在8月份;20cm地温在12月份达到最低值，40cm地温最低值滞后1个月;随着土壤深度的增加，春、夏两季地温呈现下降趋势，秋、冬两季地温呈现上升趋势;月平均地温8月份最高，20cm月平均地温在1月份最低，40cm月平均地温最低值约滞后1个月;各层地温低于0℃持续时间为3个月左右;20cm各季节地温大致呈正弦变化，40cm地温近似一条直线;夏季地温数值在白天接近，春、秋、冬季地温数值在夜晚相近;各季节地温最高值在00∶00—03∶00之间，地温最低值在12∶00—18∶00之间;空气温度与地温相关性最为显著，其次为二氧化碳浓度，降雨直接导致地温显著下降，光照强度、空气湿度和风速对地温的影响较小。
　　关键词：
　　库布齐;地温;土壤深度;环境因子
　　中图分类号：S152
　　文献标识码：A
　　DOI：10.19754/j.nyyjs.20200315044
　　引言
　　气候变化是一个典型的全球环境问题，大量监测数据和科学研究表明：随着全球温室效应范围的持续扩大，全球表面的平均温度在不断上升，预计到21世纪末全球地表温度将在20世纪初的基础上升高0.3～4.8℃[1，2]。地温是地表面和地面以下不同深度处土壤温度的统称[3]，是连接土壤—植被—大气的一个关键因素，影响着各种生物化学过程、植物的生长、发育和土壤的形成，同时也影响着大气环流和气候变化[4，5]。沙漠是陆地表面重要的地貌单元，沙漠地区环境相对恶劣，气候复杂多变，区域间生态条件差别较大。地温对沙漠水分蒸发循环、植被类型、数量及其分布等具有直接的重要影响[6，7]。
　　目前，中国关于地温的研究主要是集中于东部农业地区和青藏高原地区。龚强[8]根据辽宁省各地区气象站近60a不同深度地温资料，发现不同地区、不同土层储能期存在差异。王选耀[9]对烟台地区浅层土壤温度的變化特征进行了研究，发现BP人工神经网络模型对土壤温度预测精度优于多元回归模型。张焕平[10]采用气候统计诊断方法对近40a青海浅层地温分析，发现年平均地温、四季平均浅层地温呈上升趋势，且夏季增幅最大、冬季最小。周刊社[11]选取西藏8个气象站43a的地面观测资料，采用Mann-Kendall检验等方法，对地温变化趋势及与气温的突变关系进行分析，发现各层地温相关性显著且地温呈上升趋势，藏西部和藏中部地温增温幅度整体高于藏东部。张娟[12]采用对比分析及线性趋势等方法，对青海省玉树县巴塘高寒草甸土壤温湿变化状况进行了详细分析，找出了不同季节土壤温湿度的变化规律。王胜[13]分析了敦煌地区不同程度的降水对土壤温湿度的影响，降水量对地表物理量的影响较大。但对沙漠地区的地温研究较少，沙漠地温随时间变化特征与机制需要更深入的探究。
　　本文以库布齐沙漠2018年地温观测数据为基础，分析了其日变化、月变化等特征，以及与环境因子间的响应机制，为合理利用气候特点提升作物种植质量提供了科学依据，也为荒漠化治理提供一定的理论参考，对于探究作物的生态适应性、合理开发利用荒漠化土地有重要意义。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　库布齐沙漠位于北京西部，内蒙古鄂尔多斯高原的北部，内蒙古鄂尔多斯市的杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗的部分地区，是中国第7大沙漠。总面积约145万hm2，以流动、半流动沙丘为主，西、北、东3面紧邻黄河，地势平坦，南部高于北部。研究区实验站点选取在E108°43′，N40°32′，海拔1050m处，处于库布齐沙漠东南部，气候类型属于中温带半干旱类型，昼夜温差较大，四季不分明。年平均气温8.31℃，年大风天数为25～35d，年降雨量约150mm，干旱少雨，蒸发量远超过降雨量，年平均日照时数约3000h，光照充足。
　　1.2 数据来源与方法
　　项目研究与亿利集团合作展开，依托独立开发的“亿利生态沙漠大数据平台”与自主研发的“神农物联”系列物联网自动采集设备，创新生态环境实时监测，全面推进物联网+大数据应用。平台目前采集数据已经覆盖全国8大沙漠、4大沙地以及青藏高原地区，并正在向“一带一路”国家和地区延伸;实现了对气象、土壤、水位等多种文本和图片信息等的全面感知与获取，数据实时传输，采集范围广、类型丰富、数据量庞大，真实可靠。
　　2018年1—12月的地温数据来源于库布齐沙漠-阿木古龙C试验站，仪器埋设深度分别为20cm、40cm;同时观测空气温度、湿度、降雨、二氧化碳浓度、风速、光照强度等气象数据，数据采集频率为1h。以不同土层深度的地温数据作为基础，对研究区内地温随时间变化特征及影响因子进行分析。采用中国气象学上四季划分方法，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。采用Excel2019软件进行地温及气象因子数据整理、作图，利用SPSS24软件对地温与气象因子进行pearson相关分析及逐步回归分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同深度地温年、月变化
　　库布齐沙漠20cm、40cm土壤温度常年在-10～35℃之间，变化相对较高。地温的变化与土壤深度有着密切联系，地温变化幅度随着土壤深度的不断增加而减小，40cm地温的变化幅度小于20cm处。全年20cm处地温低于0℃的时间为88d;40cm处地温低于0℃的时间为85d。20cm处年平均地温为12.59℃，40cm处年平均地温为12.97℃。地温最高值在8月份，20cm处达到33.30℃，40cm处达到30.50℃;20cm处地温在12月份达到最低值-11.60℃，40cm处地温在1月份达到最低值-7.35℃。随着土壤深度的增加，春、夏两季20cm、40cm地温呈现下降趋势，秋、冬两季20cm、40cm地温呈现上升趋势（图1）。 　　地温月平均变化趋势基本相同（图2），月平均地温从2—8月呈现上升趋势，8月份达到最高，20cm、40cm月平均地温分别为28.54℃、27.21℃;9月份开始下降，20cm月平均地温在1月份达到最低-5.14℃，40cm月平均地温在2月份达到最低-3.69℃，40cm较20cm月平均地温最低值出现时间滞后1个月。1月1日—3月2日，12月5—31日，20cm地温低于0℃，持续时间为3个月左右;12月10—31日，1月1日—3月4日，40cm地温低于0℃，持续时间为3个月左右。夏季40cm处较20cm处月平均地温低，热量向下输送;冬季40cm处较20cm处月平均地温高，热量向上输送。
　　2.2 地温的季节、日变化
　　选取1月6日、4月9日、7月7日和10月7日4个典型晴天数据，代表春、夏、秋、冬各季节地温日变化，以分析日变化的季节特征。20cm各季节地温大致呈正弦变化，40cm地温变化不显著，近似1条直线。夏季20cm、40cm地温数值在白天接近，春、秋、冬季20cm、40cm地温数值在夜晚相近（图3）。
　　1d中各层地溫均有1个最高值和1个最低值，20cm地温最高值出现时间为00∶00—01∶00;最低值出现时间为12∶00—13∶00。40cm地温最高值出现时间为00∶00—03∶00;最低值出现时间为14∶00—18∶00。随着土壤深度的增加，空气温度、太阳辐射等对地温的影响减弱，最值出现时间延后，地温变化幅度减小;春、夏两季20cm日平均地温高于40cm，秋、冬两季20cm日平均地温低于40cm。如表1。
　　2.3 地温与环境因子的关系
　　20cm地温与40cm地温相关系数高达0.992（表2），线性关系显著。环境因子对地温具有显著影响，不同环境因子对地温的影响存在不同程度的差异。空气温度与地温的线性关系最为显著，其次为二氧化碳浓度、光照强度、空气湿度、风速，地温与二氧化碳浓度、风速呈负相关，与其它环境因子均呈正相关。空气温度与地温的相关系数最高，与20cm、40cm地温相关系数分别为0.912和0.895;随着土壤深度的增加，空气温度与地温的相关性降低，空气温度对地温的影响减小。二氧化碳浓度与20cm、40cm地温的相关系数分别为-0.557、-0.517，与地温存在中等程度负相关关系，随着二氧化碳浓度的升高，地温降低;随着土壤深度的增加，二氧化碳浓度与地温的相关性降低，对地温的影响减小。光照强度、空气湿度、风速与20cm、40cm地温相关性较弱。
　　研究发现库布齐沙漠-阿木古龙C试验站降雨极少，降雨量数据少，因此在逐步回归分析中将降雨数据剔除，对降雨数据单独进行统计并与20cm地温、气温做线性回归分析（图4），发现降雨之后，空气温度、地温均呈明显下降趋势;降雨停止后，空气温度和地温呈现上升趋势，存在明显的负相关关系，表明降雨可以直接导致20cm地温的下降。空气温度、二氧化碳浓度、降雨可直接影响地温的变化幅度，而光照强度、空气湿度、风速只是引起20cm、40cm地温变化的因素，并不会影响地温的变化趋势。
　　3 结论
　　库布齐沙漠20cm、40cm地温常年在-10～35℃之间，各层地温最高值出现时间均是8月份;20cm地温在12月份达到最低值，40cm地温最低值约滞后1个月。随着土壤深度的增加，春、夏季地温呈现下降趋势，秋、冬季地温呈现上升趋势。月平均地温8月份最高，20cm月平均地温在1月份最低，40cm月平均地温最低值滞后1个月。20cm、40cm地温低于0℃持续时间为3个月左右。
　　20cm各季节地温大致呈正弦变化，40cm地温近似1条直线。夏季20cm、40cm地温数值在白天接近，春、秋、冬季20cm、40cm地温数值在夜晚相近。各季节地温日最高值在00∶00—03∶00之间，最低值在12∶00—18∶00之间。春、夏两季20cm地温日平均温度高于40cm，秋、冬两季则相反。
　　20cm地温与40cm地温相关系数高达0.992，线性关系显著。所有影响因子中，空气温度与地温的线性关系最为显著，其次为二氧化碳浓度，且随着土壤深度的增加，空气温度与地温的相关性降低，降雨直接导致地温显著下降;空气湿度、光照强度和风速对20cm、40cm地温的影响较小。
　　参考文献
　　[1]
　　陈有超，鲁旭阳，李卫朋，等.藏北典型高寒草原土壤微气候对增温的响应[J].山地学报，2014，32（4）：401-406.
　　[2]中国气象局.IPCC第五次评估报告解读[N].中国气象报，2014-5-22.
　　[3]张慧.地温变化过程及其机理研究[D].北京：中国科学院大学，2017.
　　[4]胡健，吕一河，傅伯杰，孙飞翔.祁连山排露沟流域土壤水热与降雨脉动沿海拔梯度变化[J].干旱区研究，2017，34（01）：151-160.
　　[5]王蒙，董治宝，付鹏，等.巴丹吉林沙漠南缘土壤微量元素含量及其与植物群落的[J].中国沙漠，2016，36（4）：1063-1069.
　　[6]刘铮瑶，董治宝，王建博，等.巴丹吉林沙漠边缘地区植被特征[J].中国沙漠，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]龚强，汪宏宇，朱玲，等.辽宁省地温场结构及变化特征[J].冰川冻土，2017，39（03）：505-514.
　　[9]王选耀.烟台地区土壤温度变化特征及预测模型研究[J].农业系统科学与综合研究，2010，26（04）：487-492.
　　[10]张焕平，张占峰，汪青春，等.近40年青海浅层地温的变化特征[J].中国农业气象，2013，34（02）：146-152.
　　[11]周刊社，罗骕翾，杜军，等.西藏高原地温对气温变化的响应[J].中国农业气象，2015，36（02）：129-138.
　　[12]张娟，沙占江，徐维新.青藏高原玉树地区巴塘高寒草甸土壤温湿特征分析[J].冰川冻土，2015，37（03）：635-642.
　　[13]王胜，张强，卫国安，等.降水对荒漠土壤水热性质强迫研究[J].高原气象，2004（02）：253-258.
　　（责任编辑 周康）
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