包頭市固陽縣近50余年氣候變化及其對(duì)土壤水分的影響

李宏偉，李秀華，夏雪蓮，蘇 亮，楊潤兵，高振江

（1.包頭市氣象局，內(nèi)蒙古包頭 014030；2.包頭市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古包頭 014013；3.固陽縣氣象局，內(nèi)蒙古固陽 014200）

土壤水分是調(diào)控地——?dú)夥答佭^程的重要參數(shù)之一，是農(nóng)業(yè)管理的重要參數(shù)[1]，也是對(duì)氣候因子變異最敏感的響應(yīng)指標(biāo)[2]。在氣候變暖已成為全球變化的主要特征的大背景下，土壤水分必然發(fā)生相應(yīng)變化。侯瓊[3]，方文松[4]，王彥平[5]分別針對(duì)草原、農(nóng)區(qū)以及農(nóng)、牧、林區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果顯示不同地區(qū)、不同植被類型下的土壤水分含量均呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，在干旱化這一特征上高度吻合。

固陽縣屬于典型的中溫帶半干旱易旱農(nóng)作區(qū)，大氣降水是土壤水分的主要來源，土壤水分狀況成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素。本研究旨在通過氣候變化和土壤水分的變化規(guī)律，以期在氣候變化背景下最大限度地提高農(nóng)田水分利用率，為農(nóng)作區(qū)水分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

固陽縣位于 109°40′～ 110°41′E，40°42′～41°29′N，地處內(nèi)蒙古高原的大青山西段，屬丘陵山區(qū)地貌，地勢(shì)南高北低，緩緩向北傾斜。固陽縣屬于典型的中溫帶半干旱大陸性氣候，冬長夏短，四季分明，氣候多樣，寒暑變化強(qiáng)烈，氣溫差較大，干旱多風(fēng)，降水量少且年際變化大，日照充足，蒸發(fā)迅速[6]。固陽縣長期以來一直是一個(gè)以傳統(tǒng)種植、養(yǎng)殖為主的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)縣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在包頭市經(jīng)濟(jì)中占有較大的比例。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

文中氣象資料采用固陽縣氣象局1960—2012年逐旬溫度、降水量和蒸發(fā)量，土壤水分資料采用固陽縣氣象局1982—2012年3—11月固定地段逐旬土壤相對(duì)濕度。四季劃分：春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月至翌年2月。土壤水分測(cè)定從春季土壤0～10 cm凍土層完全融化到冬季土壤凍結(jié)達(dá)到10 cm時(shí)結(jié)束，每旬逢8測(cè)定。時(shí)段劃分：1960—1969 年、1970—1979 年、1980—1989 年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2012年，分別代表20世紀(jì)60年代、70年代、80年代、90年代和21世紀(jì)00年代、10年代初。氣候變化趨勢(shì)分析采用線性趨勢(shì)法[7]：y＝ax+b，a為趨勢(shì)傾向率或變化率，絕對(duì)值大小反映氣候要素的變化程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 包頭市固陽縣近50余年氣候變化特征

2.1.1 氣溫 由圖1可以看出，固陽縣1960—2012年平均氣溫在波動(dòng)中上升，以0.041℃/a的速度增溫，年均氣溫53年上升了約2.1℃，增溫態(tài)勢(shì)達(dá)極顯著水平（R＝0.722 4）。與上一個(gè)年代相比，20世紀(jì)70年代、80年代分別以0.5℃和0.2℃的幅度增溫，90年代最大，達(dá)0.9℃。2010—2012年平均溫度雖比2000—2009年下降了0.6℃，但總趨勢(shì)是逐漸變暖的，見表1。從四季來看，冬季以0.061℃/a的幅度升溫，高于夏季0.036℃/a、秋季0.035℃/a和春季0.032℃/a。

表1 固陽縣不同時(shí)段平均溫度 ℃

2.1.2 降水量 由圖2可知，自1960年以來，固陽縣年均降水量1965年最少，為118.9 mm，2003年降水最多，達(dá)438.5 mm，其余年份降水量均在其間上下波動(dòng)，有緩慢上升的趨勢(shì)。但夏季，也就是在農(nóng)作物的需水旺季，降水量卻表現(xiàn)出緩慢下降的態(tài)勢(shì)。

從表2可以看出，固陽縣主要降水集中在夏季，其降水量占全年降水量的53%～68%，其次是秋季和春季，分別占16%～30%和9%～17%，冬季降水量最少，占3%左右。另一方面，從1960—2012年的6個(gè)時(shí)段的平均降水量基本呈現(xiàn)低－高－低－高－低－高的態(tài)勢(shì)。

表2 固陽縣不同時(shí)段平均降水量 mm

2.2 固陽縣近30余年土壤水分變化特征

2.2.1 土壤水分年變化 將20 cm土壤相對(duì)濕度按季節(jié)進(jìn)行年代間統(tǒng)計(jì)，由圖3看出，30余年來，無論是春季、夏季、秋季還是年均土壤水分都是在波動(dòng)中下降的，且下降趨勢(shì)顯著，其中以秋季下降速度最快，每年為0.619%，春季下降速度其次，夏季每年為0.583%，下降速度最小。從表4可以看出，土壤相對(duì)濕度與上一年代相比，20世紀(jì)90年代比80年代升高了4個(gè)百分點(diǎn)，21世紀(jì)前10年又急劇下降了16個(gè)百分點(diǎn)，2010—2012年略有回升。春季、夏季和秋季土壤相對(duì)濕度變化情況與年平均一致。

表4 固陽縣不同時(shí)段平均土壤相對(duì)濕度 %

2.2.2 土壤水分年內(nèi)變化 由圖4看出，進(jìn)入3月份，由于春季土壤解凍后的凍融作用，土壤水分迅速增加，到4月份土壤相對(duì)濕度達(dá)到最高值62.8%。4、5月份是固陽縣大風(fēng)日數(shù)最多的2個(gè)月，隨著氣溫升高，風(fēng)力增大，地表水分蒸發(fā)加劇，加之春播作物生長發(fā)育對(duì)水分的需求，土壤水分開始緩慢降低。入夏后降水多，土壤水分有所升高，9月份達(dá)到63.3%。之后因降水量減少，作物成熟期需水量增大，土壤水分緩慢下降。在土壤凍結(jié)前，受作物成熟后需水減少，氣溫降低、蒸發(fā)減弱等因素影響，土壤水分再度增加，達(dá)到全年最高值70%。

2.3 土壤水分與氣候變化的關(guān)系

土壤水分是受土壤狀況、作物種類和綜合氣象條件共同影響的，其中綜合氣象條件的影響較大。溫度通過影響蒸發(fā)而間接影響土壤水分，溫度越高蒸散越強(qiáng)烈，土壤丟失水分越多[8]。土壤水分的主要來源是大氣降水，因此，將各季節(jié)土壤水分與本季節(jié)溫度、降水量進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明：各季節(jié)土壤水分與溫度呈負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)。其中夏季溫度和降水量對(duì)土壤水分的影響最大，夏季土壤水分與夏季溫度顯著負(fù)相關(guān)，與降水量呈極顯著正相關(guān)。其余均未達(dá)顯著水平。說明在雨熱同季的夏季，土壤水分的主要影響因素是溫度和大氣降水，而春秋季節(jié)則不顯著（表5）。

表5 各季節(jié)溫度、降水量與土壤水分的相關(guān)分析結(jié)果

3 結(jié)論與討論

固陽地區(qū)53年來溫度呈顯著升高趨勢(shì)，年均溫度53年增高了大約2.1℃。其中冬季增溫幅度最大，其次是夏季和秋季，春季增溫幅度最小。已有研究指出中國近50年（1961—2010年）平均地表氣溫約增加1.3℃[9]，且北方地區(qū)較南方地區(qū)增暖幅度更為明顯，尤其以東北地區(qū)和內(nèi)蒙古中東部增暖速度最大[10]。

固陽地區(qū)53年來年均降水量雖呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，但農(nóng)作物需水的旺季夏季，降水量是緩慢下降的。另外，近年來極端天氣氣候事件如強(qiáng)暴雨、強(qiáng)雷暴、干旱等發(fā)生頻率明顯增加[11]，所以短時(shí)間內(nèi)降水急、降水量大也是導(dǎo)致年均降水量緩慢增加的重要因素。

30余年來，固陽地區(qū)土壤水分呈顯著下降趨勢(shì)，以秋季下降速度最快，每年為0.619%，春季下降速度其次，夏季每年為0.583%，下降速度最小。表明這一地區(qū)已呈現(xiàn)干旱化，劉杰[12]等對(duì)我國83個(gè)地級(jí)市的研究表明，極端降水和干旱是影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)最顯著的因子，極端天氣氣候事件與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出之間的長期均衡關(guān)系十分顯著，干旱的天數(shù)每增加1%，我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出減少0.047%。

氣象條件對(duì)土壤水分的影響表現(xiàn)為與溫度呈負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)。夏季溫度和降水量對(duì)土壤水分的影響分別達(dá)到顯著和極顯著的水平，春秋兩季溫度、降水量對(duì)土壤水分也有影響，但不顯著。

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