论文部分内容阅读
摘 要：为了给淮北平原冬小麦抗旱和节水灌溉工作提供参考依据，选取1992—2013年淮北平原冬小麦土壤相对湿度旬值和逐月降水、气温数据，分析土壤相对湿度的年际变化特征，采用相关分析方法探讨不同土层土壤相对湿度与降水和气温的相关关系，并建立不同土层土壤相对湿度与降水和气温的回归方程。结果表明：淮北平原冬小麦平均土壤相对湿度以每年0.19%的速度下降，10、20、50cm土层下降速度分别为每年0.08%、0.11%、0.31%。淮北平原冬小麦土壤相对湿度与降水呈正相关，10cm土层土壤相对湿度与降水相关性最强;与气温呈负相关，20cm土层土壤相对湿度与气温相关性最强;20cm土层土壤相对湿度与降水和气温的相关性最强。
关键词：土壤相对湿度;降水;气温;相关性分析;淮北平原
中图分类号 S152.7 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）05-0120-03
Abstract： The ten-day value of soil relative humidity， monthly precipitation and air temperature data of winter wheat in Huaibei Plain from 1992 to 2013 were selected， the interannual variation characteristics of soil relative humidity were analyzed， the correlation between soil relative humidity and precipitation and air temperature in different soil layers were discussed by using correlation analysis method， and the regression equations between soil relative humidity and precipitation and air temperature in different soil layers were established. The results showed that the average soil relative humidity of winter wheat in Huaibei Plain decreased at an annual rate of 0.19%， and the decreasing rates of 10cm， 20cm and 50cm were 0.08%， 0.11% and 0.31% respectively. There is a positive correlation between the relative humidity of winter wheat and precipitation in Huaibei Plain. The relative humidity of 10cm soil layer has the strongest correlation with precipitation and negative correlation with air temperature， and the relative humidity of 20cm soil layer has the strongest correlation with air temperature. The correlation between soil relative humidity and precipitation and air temperature is the strongest in 20cm soil layer， which can provide reference for water-saving irrigation and drought relief of winter wheat in Huaibei Plain.
Key words： Soil relative humidity; Precipitation; Temperature; Correlation analysis; Huaibei Plain
土壤相對湿度是指土壤含水量与田间持水量的百分比，主要受到降水、气温、植被类型及地形条件等因素的影响[1]。根据土壤相对湿度可以知道土壤含水的程度，对于抗旱和灌溉工作具有重要的参考价值。随着人类经济社会的发展，气候变化显著[2-4]，其可能引发的干旱对农业生产影响巨大[5-6]。土壤相对湿度是表征农业旱情的一个综合指标，是植物生产发育过程中重要的影响因子[7]，掌握其动态变化特征及其与有关因素的相关关系，对农业生产具有一定的指导意义。王富强等[7]采用相关分析和偏相关分析方法对郑州市土壤相对湿度的变化情况进行了分析，并探讨了该地区土壤相对湿度与降水、气温的相关关系。王莹等[8]研究了辽西地区春季土壤相对湿度变化特征，并分析了其与底墒、前秋降水、前冬80cm地温和同期降水的相关性。潘汉雄等[9]运用地统计方法分析中国耕地土壤相对湿度时空分异特征与规律。王素萍等[10]将前期气象干旱要素引入到土壤相对湿度的相关分析中。由此可见，变化特征及其影响要素是土壤相对湿度重要的基础研究方向。淮北平原是我国重要的农业生产基地之一，但干旱问题时常制约该地区农业生产的持续发展。为此，笔者收集1992—2013年淮北平原冬小麦不同土层（10、20、50cm）土壤相对湿度和降水、气温数据，分析土壤相对湿度变化特征，并运用相关分析和偏相关分析研究其与降水、气温的相关关系，以期为淮北平原冬小麦抗旱、节水灌溉等提供参考。 1 资料与方法
1.1 数据来源 土壤相对湿度和气象数据来源于中国气象数据共享网（http：//data.cma.cn/），其中土壤相对湿度来源于农气资料中的《中国农作物生长发育和农田土壤相对湿度旬值数据集》，气象数据来源于地面资料中的《中国地面气候资料日值数据集（V3.0）》。淮北平原监测站点有1992—2013年完整的冬小麦逐旬（10—12月，次年1—5月）土壤相对湿度（10、20、50cm）数据，选取这22年淮北平原的冬小麦土壤相对湿度、降水、气温数据进行研究。
1.2 研究方法
1.2.1 相关分析 相关分析就是研究2个或2个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系以及用一定函数来表达现象相互关系的统计分析方法[7]。
式中：R为变量x与y的相关系数;n为变量x、y观测值的数量;xi为变量x的第i个观测值，[x]为变量x的平均值;yi为变量y的第i个观测值，[y]为变量y的平均值。
1.2.2 偏相关分析 偏相关分析是在多变量的情况下，当控制其他变量影响后，研究2个变量间的直线相关程度[6]。
式中：z为控制变量;rx，y，z为控制变量z时变量x与y的偏相关系数;rx，y为变量x与y的相关系数;rx，z为变量x与z的相关系数;ry，z为变量y与z的相关系数。
2 结果与分析
2.1 淮北平原冬小麦土壤相对湿度的变化特征
2.1.1 年际变化特征 利用1992—2013年淮北平原冬小麦土壤相对湿度10、20、50cm的旬数据，计算出0～50cm年平均土壤相对湿度。由图1可知：（1）1992—2004年淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度波动较大，2004年以后波动幅度减小，但普遍低于往年值;（2）1995年出现骤降，其原因是1994年春夏旱接秋旱，时长7个月，影響范围遍及整个淮北平原，2003年上升显著主要是受当年淮北平原洪涝灾害影响;（3）1992—2013年淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度呈显著下降趋势，倾向率为-0.19%/年，说明淮北平原冬小麦的土壤逐渐变干;（4）1992—2006年的土壤相对湿度呈上升趋势，倾向率0.0012%/年，之后倾向率为负值，呈下降趋势。为进一步分析其变化情况，作M-K突变检验如图2所示。由图2可知，淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度在2007年左右发生突变。
2.1.2 不同土层变化特征 由图3可知：10、20、50cm土层土壤相对湿度分别为72.1%～86.4%、76.7%～88.8%、80.0%～92.1%，说明土壤层越深，土壤相对湿度值越大;10cm和20cm土层土壤相对湿度最大的年份均为2003年，50cm土层土壤相对湿度最大的年份为1998年;10、20、50cm土层土壤相对湿度呈减小趋势，倾向率为-0.08%/年、-0.11%/年、-0.31%/年，说明3个层次的土壤水分含量均在减少，呈逐年变干的趋势。
2.2 淮北平原冬小麦土壤相对湿度的影响因素
2.2.1 土壤相对湿度与降水的相关性 为分析淮北平原冬小麦土壤相对湿度与降水的相关关系，利用冬小麦生育期（10—12月，次年1—5月）对应的月降水数据，将其分别与不同土层土壤相对湿度建立回归方程（表1）。由表1可知，土壤相对湿度与降水呈正相关，土壤相对湿度与10、20、50cm土层土壤相对湿度相关系数分别为0.1609、0.0032、0.0648，相关系数随土层深度增加先减小后增大;10cm土层土壤相对湿度与降水间的相关性最强，50cm次之，20cm相关性最弱。由此可见，淮北平原冬小麦10cm浅层土壤相对湿度受降水影响更明显，大于10cm的土层土壤相对湿度与降水的相关性较弱。
2.2.2 土壤相对湿度与气温的相关性 为分析淮北平原冬小麦土壤相对湿度与气温的相关关系，分别将不同土层（10、20、50cm）平均土壤相对湿度与冬小麦生育期内平均气温进行相关分析，建立回归方程（表2）。由表2可知，土壤相对湿度与气温呈负相关关系，相关系数的绝对值随土层深度增加先增大后减小;20cm土层土壤相对湿度与气温负相关性最强，其次为50cm土层。
2.2.3 土壤相对湿度与降水和气温的偏相关分析 为了只分析淮北平原冬小麦不同土层土壤相对湿度与降水之间的相关关系，不考虑气温对土壤相对湿度和降水的影响，采用偏相关分析方法分析单独2个变量间的联系。将不同土层土壤相对湿度和降水数据导入SPSS 25统计软件，土壤相对湿度与气温间的偏相关分析同理可得，结果如表3所示。由表3可知，土壤相对湿度与降水的偏相关系数偏均大于相关系数，土层越深相关性越弱;土壤相对湿度与气温的偏相关系数绝对值也均大于相关系数绝对值，偏相关系数绝对值先增大后减小，20cm土层土壤相对湿度与气温负相关性最强。
2.2.4 二元回归分析 为了分析降水和气温对土壤相对湿度的共同影响，利用SPSS 25软件作二元线性回归分析（通过了0.05显著性检验），结果如表4所示。由表4可知，20cm土层土壤相对湿度与降水和气温的关系更密切，复相关系数随土层深度增加先增大后减小。
3 结论与讨论
研究结果表明：淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度（1992—2013年）呈下降趋势，倾向率为-0.19%/年;10、20、50cm土层土壤相对湿度呈下降趋势，倾向率分别为-0.08%/年、-0.11%/年、-0.31%/年，表明淮北平原冬小麦土壤呈变干趋势。淮北平原冬小麦不同层次（10、20、50cm）土壤相对湿度与降水呈正相关关系，10cm土层土壤相对湿度与降水关系最密切;与气温呈负相关关系，相关性随土层深度增加先增大后减小，20cm土层土壤相对湿度与气温关系最明显;20cm土壤相对湿度与降水和气温的相关性最大。
本研究运用相关分析方法定量分析了淮北平原冬小麦不同土层土壤相对湿度的变化特征，并分析了其与降水和气温的相关关系，可为淮北平原抗旱减灾、农业节水灌溉等工作提供参考。今后可考虑研究其他土壤或作物类型、其他气象要素等对土壤相对湿度的影响，以期为区域抗旱预警和节水灌溉工作提供更全面的依据。
参考文献
[1]SL424-2008，旱情等级标准[S].北京：中国水利水电出版社，2009.
[2]韩兰英，张强，贾建英，等.气候变暖背景下中国干旱强度、频次和持续时间及其南北差异性[J].中国沙漠，2019，39（5）：1-10.
[3]Dai A. Drought under global warming：a review[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews：Climate Change，2011，2（1）：45-65.
[4]Palmer W C. Meteorological Drought[R]. US. Weather Bureau，1965：45-58.
[5]杨志勇，刘琳，曹永强，等.农业干旱灾害风险评价及预测预警研究进展[J].水利经济，2011，29（2）：12-17.
[6]黄荣辉，杜振彩.全球变暖背景下中国旱涝气候灾害的演变特征及趋势[J].自然杂志，2010，32（4）：187-195.
[7]王富强，王雷，陈希.郑州市土壤相对湿度变化特征及影响因素分析[J].节水灌溉，2015，40（2）：8-11.
[8]王莹，张晓月，张琪，等.辽西地区春季土壤相对湿度变化特征及预测方法研究[J].节水灌溉，2018，278（10）：109-112.
[9]潘汉雄，朱国锋，张昱，等.中国耕地土壤相对湿度时空分异[J].地理学报，2019，74（1）：117-130.
[10]王素萍，张存杰，宋连春，等.多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究[J].冰川冻土，2013，35（4）：865-873.
（责编：徐世红）
关键词：土壤相对湿度;降水;气温;相关性分析;淮北平原
中图分类号 S152.7 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）05-0120-03
Abstract： The ten-day value of soil relative humidity， monthly precipitation and air temperature data of winter wheat in Huaibei Plain from 1992 to 2013 were selected， the interannual variation characteristics of soil relative humidity were analyzed， the correlation between soil relative humidity and precipitation and air temperature in different soil layers were discussed by using correlation analysis method， and the regression equations between soil relative humidity and precipitation and air temperature in different soil layers were established. The results showed that the average soil relative humidity of winter wheat in Huaibei Plain decreased at an annual rate of 0.19%， and the decreasing rates of 10cm， 20cm and 50cm were 0.08%， 0.11% and 0.31% respectively. There is a positive correlation between the relative humidity of winter wheat and precipitation in Huaibei Plain. The relative humidity of 10cm soil layer has the strongest correlation with precipitation and negative correlation with air temperature， and the relative humidity of 20cm soil layer has the strongest correlation with air temperature. The correlation between soil relative humidity and precipitation and air temperature is the strongest in 20cm soil layer， which can provide reference for water-saving irrigation and drought relief of winter wheat in Huaibei Plain.
Key words： Soil relative humidity; Precipitation; Temperature; Correlation analysis; Huaibei Plain
土壤相對湿度是指土壤含水量与田间持水量的百分比，主要受到降水、气温、植被类型及地形条件等因素的影响[1]。根据土壤相对湿度可以知道土壤含水的程度，对于抗旱和灌溉工作具有重要的参考价值。随着人类经济社会的发展，气候变化显著[2-4]，其可能引发的干旱对农业生产影响巨大[5-6]。土壤相对湿度是表征农业旱情的一个综合指标，是植物生产发育过程中重要的影响因子[7]，掌握其动态变化特征及其与有关因素的相关关系，对农业生产具有一定的指导意义。王富强等[7]采用相关分析和偏相关分析方法对郑州市土壤相对湿度的变化情况进行了分析，并探讨了该地区土壤相对湿度与降水、气温的相关关系。王莹等[8]研究了辽西地区春季土壤相对湿度变化特征，并分析了其与底墒、前秋降水、前冬80cm地温和同期降水的相关性。潘汉雄等[9]运用地统计方法分析中国耕地土壤相对湿度时空分异特征与规律。王素萍等[10]将前期气象干旱要素引入到土壤相对湿度的相关分析中。由此可见，变化特征及其影响要素是土壤相对湿度重要的基础研究方向。淮北平原是我国重要的农业生产基地之一，但干旱问题时常制约该地区农业生产的持续发展。为此，笔者收集1992—2013年淮北平原冬小麦不同土层（10、20、50cm）土壤相对湿度和降水、气温数据，分析土壤相对湿度变化特征，并运用相关分析和偏相关分析研究其与降水、气温的相关关系，以期为淮北平原冬小麦抗旱、节水灌溉等提供参考。 1 资料与方法
1.1 数据来源 土壤相对湿度和气象数据来源于中国气象数据共享网（http：//data.cma.cn/），其中土壤相对湿度来源于农气资料中的《中国农作物生长发育和农田土壤相对湿度旬值数据集》，气象数据来源于地面资料中的《中国地面气候资料日值数据集（V3.0）》。淮北平原监测站点有1992—2013年完整的冬小麦逐旬（10—12月，次年1—5月）土壤相对湿度（10、20、50cm）数据，选取这22年淮北平原的冬小麦土壤相对湿度、降水、气温数据进行研究。
1.2 研究方法
1.2.1 相关分析 相关分析就是研究2个或2个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系以及用一定函数来表达现象相互关系的统计分析方法[7]。
式中：R为变量x与y的相关系数;n为变量x、y观测值的数量;xi为变量x的第i个观测值，[x]为变量x的平均值;yi为变量y的第i个观测值，[y]为变量y的平均值。
1.2.2 偏相关分析 偏相关分析是在多变量的情况下，当控制其他变量影响后，研究2个变量间的直线相关程度[6]。
式中：z为控制变量;rx，y，z为控制变量z时变量x与y的偏相关系数;rx，y为变量x与y的相关系数;rx，z为变量x与z的相关系数;ry，z为变量y与z的相关系数。
2 结果与分析
2.1 淮北平原冬小麦土壤相对湿度的变化特征
2.1.1 年际变化特征 利用1992—2013年淮北平原冬小麦土壤相对湿度10、20、50cm的旬数据，计算出0～50cm年平均土壤相对湿度。由图1可知：（1）1992—2004年淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度波动较大，2004年以后波动幅度减小，但普遍低于往年值;（2）1995年出现骤降，其原因是1994年春夏旱接秋旱，时长7个月，影響范围遍及整个淮北平原，2003年上升显著主要是受当年淮北平原洪涝灾害影响;（3）1992—2013年淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度呈显著下降趋势，倾向率为-0.19%/年，说明淮北平原冬小麦的土壤逐渐变干;（4）1992—2006年的土壤相对湿度呈上升趋势，倾向率0.0012%/年，之后倾向率为负值，呈下降趋势。为进一步分析其变化情况，作M-K突变检验如图2所示。由图2可知，淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度在2007年左右发生突变。
2.1.2 不同土层变化特征 由图3可知：10、20、50cm土层土壤相对湿度分别为72.1%～86.4%、76.7%～88.8%、80.0%～92.1%，说明土壤层越深，土壤相对湿度值越大;10cm和20cm土层土壤相对湿度最大的年份均为2003年，50cm土层土壤相对湿度最大的年份为1998年;10、20、50cm土层土壤相对湿度呈减小趋势，倾向率为-0.08%/年、-0.11%/年、-0.31%/年，说明3个层次的土壤水分含量均在减少，呈逐年变干的趋势。
2.2 淮北平原冬小麦土壤相对湿度的影响因素
2.2.1 土壤相对湿度与降水的相关性 为分析淮北平原冬小麦土壤相对湿度与降水的相关关系，利用冬小麦生育期（10—12月，次年1—5月）对应的月降水数据，将其分别与不同土层土壤相对湿度建立回归方程（表1）。由表1可知，土壤相对湿度与降水呈正相关，土壤相对湿度与10、20、50cm土层土壤相对湿度相关系数分别为0.1609、0.0032、0.0648，相关系数随土层深度增加先减小后增大;10cm土层土壤相对湿度与降水间的相关性最强，50cm次之，20cm相关性最弱。由此可见，淮北平原冬小麦10cm浅层土壤相对湿度受降水影响更明显，大于10cm的土层土壤相对湿度与降水的相关性较弱。
2.2.2 土壤相对湿度与气温的相关性 为分析淮北平原冬小麦土壤相对湿度与气温的相关关系，分别将不同土层（10、20、50cm）平均土壤相对湿度与冬小麦生育期内平均气温进行相关分析，建立回归方程（表2）。由表2可知，土壤相对湿度与气温呈负相关关系，相关系数的绝对值随土层深度增加先增大后减小;20cm土层土壤相对湿度与气温负相关性最强，其次为50cm土层。
2.2.3 土壤相对湿度与降水和气温的偏相关分析 为了只分析淮北平原冬小麦不同土层土壤相对湿度与降水之间的相关关系，不考虑气温对土壤相对湿度和降水的影响，采用偏相关分析方法分析单独2个变量间的联系。将不同土层土壤相对湿度和降水数据导入SPSS 25统计软件，土壤相对湿度与气温间的偏相关分析同理可得，结果如表3所示。由表3可知，土壤相对湿度与降水的偏相关系数偏均大于相关系数，土层越深相关性越弱;土壤相对湿度与气温的偏相关系数绝对值也均大于相关系数绝对值，偏相关系数绝对值先增大后减小，20cm土层土壤相对湿度与气温负相关性最强。
2.2.4 二元回归分析 为了分析降水和气温对土壤相对湿度的共同影响，利用SPSS 25软件作二元线性回归分析（通过了0.05显著性检验），结果如表4所示。由表4可知，20cm土层土壤相对湿度与降水和气温的关系更密切，复相关系数随土层深度增加先增大后减小。
3 结论与讨论
研究结果表明：淮北平原冬小麦年平均土壤相对湿度（1992—2013年）呈下降趋势，倾向率为-0.19%/年;10、20、50cm土层土壤相对湿度呈下降趋势，倾向率分别为-0.08%/年、-0.11%/年、-0.31%/年，表明淮北平原冬小麦土壤呈变干趋势。淮北平原冬小麦不同层次（10、20、50cm）土壤相对湿度与降水呈正相关关系，10cm土层土壤相对湿度与降水关系最密切;与气温呈负相关关系，相关性随土层深度增加先增大后减小，20cm土层土壤相对湿度与气温关系最明显;20cm土壤相对湿度与降水和气温的相关性最大。
本研究运用相关分析方法定量分析了淮北平原冬小麦不同土层土壤相对湿度的变化特征，并分析了其与降水和气温的相关关系，可为淮北平原抗旱减灾、农业节水灌溉等工作提供参考。今后可考虑研究其他土壤或作物类型、其他气象要素等对土壤相对湿度的影响，以期为区域抗旱预警和节水灌溉工作提供更全面的依据。
参考文献
[1]SL424-2008，旱情等级标准[S].北京：中国水利水电出版社，2009.
[2]韩兰英，张强，贾建英，等.气候变暖背景下中国干旱强度、频次和持续时间及其南北差异性[J].中国沙漠，2019，39（5）：1-10.
[3]Dai A. Drought under global warming：a review[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews：Climate Change，2011，2（1）：45-65.
[4]Palmer W C. Meteorological Drought[R]. US. Weather Bureau，1965：45-58.
[5]杨志勇，刘琳，曹永强，等.农业干旱灾害风险评价及预测预警研究进展[J].水利经济，2011，29（2）：12-17.
[6]黄荣辉，杜振彩.全球变暖背景下中国旱涝气候灾害的演变特征及趋势[J].自然杂志，2010，32（4）：187-195.
[7]王富强，王雷，陈希.郑州市土壤相对湿度变化特征及影响因素分析[J].节水灌溉，2015，40（2）：8-11.
[8]王莹，张晓月，张琪，等.辽西地区春季土壤相对湿度变化特征及预测方法研究[J].节水灌溉，2018，278（10）：109-112.
[9]潘汉雄，朱国锋，张昱，等.中国耕地土壤相对湿度时空分异[J].地理学报，2019，74（1）：117-130.
[10]王素萍，张存杰，宋连春，等.多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究[J].冰川冻土，2013，35（4）：865-873.
（责编：徐世红）