干旱區(qū)中小尺度不同作物地段土壤濕度對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系研究

朱中華，王雄師，柳金權(quán)

(1.甘肅省水利水電學(xué)校, 蘭州 730021；2.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所, 蘭州 730000； 3.華亭縣水務(wù)局，甘肅 華亭 744100)

0 引 言

在全球氣候變暖的背景下，氣候極端事件和各種災(zāi)害顯著增加，尤其是干旱災(zāi)害[1]；同時(shí)溫度逐漸升高使得地表蒸發(fā)量增加, 干旱將會(huì)有進(jìn)一步發(fā)展和加重趨勢(shì)[2-4]。土壤濕度作為地表主要物理參量之一，其對(duì)地表能量和水分再分配有著重要的作用，且能夠充分反映地表水分的收入和支出情況。20世紀(jì)80年代以來，采用田間實(shí)測(cè)方法對(duì)區(qū)域土壤水分狀況進(jìn)行研究發(fā)展很快，并且取得了一定研究成果[5-14]。陳少勇等[15,16]分析了黃土高原土壤濕度的地域和時(shí)間分布特征以及土壤濕度的變化規(guī)律和土壤濕度對(duì)生態(tài)的影響，指出影響土壤濕度的主要影響因素是降水和氣溫。蔣沖等[17]運(yùn)用線性趨勢(shì)和相關(guān)分析等方法對(duì)土壤相對(duì)濕度資料進(jìn)行分析，指出黃土高原農(nóng)田代表站點(diǎn)農(nóng)田土壤濕度和主要?dú)庀笠氐哪?、月變化以及土壤濕度?duì)氣候變化的響應(yīng)。嚴(yán)麗等[18]采用線性趨勢(shì)法分析隴東主要?dú)庀笠丶巴寥罎穸鹊淖兓卣?，指?0世紀(jì)90年代以來隴東各層土壤濕度總體上均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，春季是土壤濕度減少最明顯的季節(jié)，夏季土壤濕度變化趨勢(shì)與春季具有類似規(guī)律，但變化率明顯低于春季。相對(duì)國(guó)內(nèi)而言，國(guó)外學(xué)者針對(duì)土壤水分提出了一系列的計(jì)算模型。Mehrotra[19]針對(duì)印度中部的三個(gè)流域探討了影響氣候變化對(duì)水文循環(huán)的各個(gè)部分，即地表徑流，土壤水分和蒸散印度中部的三個(gè)流域，并假設(shè)場(chǎng)景降水和溫度變化作為輸入一個(gè)概念性的降雨徑流模型。Rushton等[20]對(duì)各種氣候條件是可能使用每日土壤水分平衡進(jìn)行了概念模型和計(jì)算模型研究。通過國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤濕度的研究取得了一系列成果，并在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中取得了較好的效果；然而針對(duì)土壤濕度的研究，大部分只是分析了其與氣溫和降水等之間的關(guān)系，或者提出一些土壤模型的計(jì)算，并沒有考慮到土壤濕度與當(dāng)?shù)氐膹搅髁筷P(guān)系，一個(gè)地區(qū)的徑流量對(duì)不同深度的土壤濕度在特定地區(qū)特定時(shí)間段內(nèi)會(huì)有決定性的影響；同時(shí)干旱區(qū)小區(qū)域的土壤濕度的研究較少，但在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤濕度的研究對(duì)于一個(gè)小區(qū)域是非常有意義和必要性的。因此，文章以甘肅省靖遠(yuǎn)縣為研究對(duì)象，基于靖遠(yuǎn)縣農(nóng)業(yè)站的降水、氣溫和徑流量資料，采用Matlab軟件、DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、最小二乘法、SPSS軟件和Mann-Kendall方法等進(jìn)行分析和計(jì)算及檢驗(yàn)，最終得到靖遠(yuǎn)縣不同作物各層土壤濕度對(duì)氣候變化響應(yīng)關(guān)系的結(jié)果。這可以進(jìn)一步發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)，提高水資源利用率，進(jìn)而緩解日益突出的水資源矛盾有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，同時(shí)，也可以為解決干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的水資源缺乏地區(qū)問題提供一定的借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

靖遠(yuǎn)縣位于黃河上游，甘肅省中東部，處于東經(jīng)104°13′～105°15′，北緯36°～37°15′。屬黃土高原溝壑區(qū)，地勢(shì)西高東低，由西北向東南傾斜，南北長(zhǎng)125 km，東西寬106 km，總面積5 809.4 km2，海拔1 300～3 017 m之間。靖遠(yuǎn)縣屬溫帶干旱半干旱氣候，每年均氣溫8.9 ℃左右，每年極端最高氣溫35.1 ℃，每年均降水量240 mm，每年蒸發(fā)量1 634 mm，每年平均日照時(shí)數(shù)2 696 h，無霜期165 d[21]。靖遠(yuǎn)縣耕地面積7.67 萬hm2，其中有效灌溉面積3.66 萬hm2，小麥播種面積1.11 萬hm2左右，玉米播種面積1.02 萬hm2左右，水稻播種面積0.27 萬hm2左右等。靖遠(yuǎn)縣總?cè)丝?7.65萬人，其中農(nóng)業(yè)人口43萬人。其中包括回、藏、滿、蒙古、東鄉(xiāng)等少數(shù)民族。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

作物地段土壤濕度(重量含水量)觀測(cè)資料來自靖遠(yuǎn)縣農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，觀測(cè)時(shí)間序列為1981-2000年，種植作物類型分別為春小麥和春玉米，觀測(cè)土壤層次依次為0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm。根據(jù)干旱區(qū)主要作物的需水規(guī)律，春小麥主要生長(zhǎng)期為3-7月，春玉米主要生長(zhǎng)期為4-9月，因此，年土壤濕度資料為不同作物生長(zhǎng)發(fā)育期各旬資料的平均值。氣溫和降水資料序列為1956-2002年，來自靖遠(yuǎn)縣氣象站，徑流量為還原后的天然出山徑流量，徑流序列為1956-2000年。通過分析1956-2002年氣溫、降水及徑流的變化規(guī)律和特征，其中，重點(diǎn)分析了1981-2000年20年的氣候變化和出山徑流變化特征，然后詳細(xì)地探討了不同層次土壤濕度的變化和分布特征。最終對(duì)土壤濕度與氣溫、降水和徑流進(jìn)行了相關(guān)性分析和討論。

3 研究方法

3.1 土壤濕度

甘肅省氣象局根據(jù)省內(nèi)各地的土壤質(zhì)地，考慮實(shí)際氣候情況，結(jié)合多年的基礎(chǔ)研究及實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，參照國(guó)家指標(biāo)，確定了土壤濕度被用來代表甘肅省土壤旱澇檢驗(yàn)指標(biāo)；土壤濕度是土壤的干濕程度，即土壤的實(shí)際含水量，即土壤含水量與田間持水量的比值(公式1)。

(1)

3.2 最小二乘法

基于最小二乘法的應(yīng)用背景和原理及算法；由于Matlab是一種向量化變成語言，因此在Matlab語言中對(duì)線性模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而可得到線性參數(shù)估計(jì)值[22,23]。

3.3 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall方法是一種檢測(cè)序列變化趨勢(shì)的方法[24-26]，其優(yōu)點(diǎn)在于所研究序列不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適合于類型變量和順序變量，計(jì)算比較簡(jiǎn)單。文章采用該方法檢驗(yàn)土壤濕度、氣溫和降水量的變化。

3.4 數(shù)據(jù)處理

通過采用Matlab軟件和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及Excel軟件，對(duì)研究區(qū)1981-2000年生長(zhǎng)季內(nèi)平均土壤濕度、平均氣溫和降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，同時(shí)運(yùn)用Mann-Kendall方法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，并應(yīng)用最小二乘法和SPSS軟件對(duì)研究區(qū)土壤濕度與氣溫和降水量做線性擬合和相關(guān)性分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 生長(zhǎng)季作物土壤濕度變化

干旱半干旱區(qū)0～50 cm土層中土壤有效水分含量無論是在自然還是灌溉條件下，其變異率總是最大[27]。針對(duì)研究區(qū)土壤特點(diǎn)，土層土壤水分年變化過程在50 cm以下比較穩(wěn)定；因此，文章選取了研究區(qū)土層兩種作物生長(zhǎng)季0～50 cm土壤濕度的變化趨勢(shì)及特征。

土壤濕度與氣象、水文要素以及地表覆蓋、土壤類型等有關(guān)。一般來說，同一土壤類型種植同樣的作物其土壤濕度高，農(nóng)作物可以利用的土壤水分就多。同一作物類型地表各層土壤濕度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，而不同作物類型地表土壤濕度變化則差別較大。1981-2000年間，春小麥生長(zhǎng)季(3-7月)相對(duì)濕度在不同土層深度年際變化趨勢(shì)較為相似，但也具有差異性；同時(shí)土壤濕度的年際變化具有3 a左右的周期。其中土層深度0～10和10～20 cm的土壤相對(duì)濕度呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，尤其是1988年到1990年下降幅度最大。土層深度20～30和30～40及40～50 cm的土壤相對(duì)濕度是波動(dòng)增加的趨勢(shì)，特別是1990年到1993區(qū)間增加幅度最大(圖1)。春小麥各不同深度土壤濕度40～50 cm最大，除土壤表層(0～10 cm)受自然或人為因素干擾較大外，20～30 cm土壤濕度最小。

圖1 研究區(qū)春小麥生長(zhǎng)季各層土壤土壤濕度變化Fig.1 The each soil moisture changes of the spring wheat growing season in the study area

春玉米生長(zhǎng)季(4-9月)不同土層深度的相對(duì)濕度總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，特別是自20世紀(jì)90年代以來，各層土壤濕度變幅增大，增加趨勢(shì)明顯加快；也存在變化周期為3年的年際變化；另外春玉米地塊各層土壤濕度的年際變化規(guī)律并不完全一致。其中0～10 cm增加幅度最大，尤其是1981-1985年、1989-1994年、1995-1998年；而1994-1995年下降幅度也大；由于人為因素的干擾，在1998年土壤相對(duì)濕度值達(dá)到最大值。土層深度10～20和20～30 cm的相對(duì)濕度在1989年到1994年增加的幅度最大。土層深度30～40 cm的相對(duì)濕度在1996-1999年之間的上升趨勢(shì)明顯。土層深度40～50 cm的土壤相對(duì)濕度1988年到1990年增加幅度最大(圖2)。

圖2 研究區(qū)春玉米生長(zhǎng)季各層土壤濕度變化Fig.2 The each soil moisture changes of the spring corn growing season in the study area

4.2 氣候變化

氣溫和降水是兩個(gè)最重要的氣候因素，其直接影響糧食安全生產(chǎn)。氣溫狀況在作物的生長(zhǎng)季節(jié)直接影響糧食的產(chǎn)量及質(zhì)量。在干旱半干旱區(qū)，大部分區(qū)域是依靠天吃飯的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)[28-30]。因此，對(duì)于研究區(qū)的氣溫和降水變化研究對(duì)靖遠(yuǎn)縣糧食生產(chǎn)是有非常重要的意義。

4.2.1 氣 溫

1981-2000年，靖遠(yuǎn)縣春小麥生長(zhǎng)季(3-7月)氣溫變化趨勢(shì)與年平均氣溫變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)周期式波動(dòng)上升趨勢(shì)，年際變化周期約為3 a左右，1981年、1985年、1990年、1994年、1997年、2000年為周期變化峰值，而1983年、1986年、1989年、1992年、1996年、1999年為周期變化變化的谷值(圖3)。1983-1996年之間的4個(gè)周期波動(dòng)振幅較小，變化相對(duì)平穩(wěn)。靖遠(yuǎn)縣春小麥生長(zhǎng)季(3-7月)平均氣溫在14.04～16.46 ℃之間。

圖3 研究區(qū)春小麥氣溫變化Fig.3 The temperature of spring wheat changes in the study area

研究區(qū)春玉米生長(zhǎng)季(4-9月)氣溫變化趨勢(shì)與年平均氣溫變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，年際變化周期約為3 a左右，1981年、1985年、1989年、1994年、1998年、2000年為周期變化最大值，而1984年、1986年、1988年、1992年、1997年、1999年為周期變化變化的最小值(圖4)。1984-1992年之間的3個(gè)周期內(nèi)變化幅度相對(duì)較小。靖遠(yuǎn)縣春玉米生長(zhǎng)季(4-9月)平均氣溫在17.27～19.28 ℃之間，較春小麥生長(zhǎng)季溫度高出月3 ℃左右，原因在于研究區(qū)4-9月之間溫度普遍較高，且溫度在4月份后靖遠(yuǎn)縣溫度逐步升高。

圖4 研究區(qū)春玉米氣溫變化Fig.4 The temperature of spring corn changes in the study area

4.2.2 降 水

研究區(qū)1981-2000年春小麥作物生長(zhǎng)季(3-7月)降水與年平均降水趨勢(shì)變化很相似，總體呈現(xiàn)周期式波動(dòng)增加，且年際變化較大；同時(shí)存在3～4 a的波動(dòng)周期，在波動(dòng)周期內(nèi)，降水量呈現(xiàn)降低～升高～降低～升高～降低。1981年、1985年、1988年、1991年、1996年、1990年是周期變化的峰值，1982年、1987年、1989年、1995年、1997年、2000年為周期變化谷值(圖5)。靖遠(yuǎn)縣春小麥生長(zhǎng)季降水量在1982-1985年增加幅度最大，其中1982年達(dá)到降水量最小值(51.60 mm)；1997年到1999年降水量增加了115.70 mm，波動(dòng)幅度也相對(duì)較大，其中1999年降水量為211.40 mm，為最大值。春玉米生長(zhǎng)季降水量也存在著三個(gè)波動(dòng)減少區(qū)間，其中1986-1987年降水量減少了60.7 mm；1988-1989年間降水量減少了65.8 mm；1999-2000年降水量下降幅度最大，減少了122.90 mm(圖5)。

圖5 研究區(qū)春小麥降水的變化Fig.5 The precipitation of spring wheat changes in the study area

靖遠(yuǎn)縣1981-2000年春玉米作物生長(zhǎng)季(4-9月)降水與年平均降水趨勢(shì)變化一致，降水量波動(dòng)增加，且年際變化較大；波動(dòng)周期約為2～3 a，在波動(dòng)周期內(nèi)，降水量呈現(xiàn)降低～升高～降低～升高～降低(圖6)；另外春玉米生長(zhǎng)季降水量占年降水量比例均超過了80%，由于研究區(qū)降水主要集中在5-9月。1981年、1985年、1988年、1990年、1992年、1995年、1999年為變化周期內(nèi)的最大值，1982年、1987年、1989年、1991年、1994年、1997年、2000年是波動(dòng)周期內(nèi)的最小值。1982-1985年間春玉米生長(zhǎng)季降水量波動(dòng)幅度最大，降水量增加了139.80 mm，其中1985年降水量達(dá)到了最大值(361.90 mm)，占年降水量的86.83%；然1982年降水量達(dá)到了最小值(122.10 mm)，占年降水量的89.19%。1997-1999年降水量增加了77.10 mm，增加幅度也較大。春玉米生長(zhǎng)季降水量減少幅度有三個(gè)區(qū)間較大，其中從1985年到1987年間下降波動(dòng)幅度最大，降水量減少了191.50 mm；1992年到1944年降水量減少了43.10 mm；1995-1997年降水量減少了93.2 mm；其余降水量波動(dòng)周期減少值較小(圖6)。

圖6 研究區(qū)春玉米降水的變化Fig.6 The precipitation of spring corn changes in the study area

4.3 趨勢(shì)檢驗(yàn)

利用Mann-Kendall方法對(duì)靖遠(yuǎn)縣春小麥生長(zhǎng)季(3-7月)和春玉米生長(zhǎng)季(4-9月)土壤濕度以及氣溫和降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)(圖7，圖8)。

圖7 春小麥生長(zhǎng)季不同土層濕度和氣溫及降水的M-K檢驗(yàn)Fig.7 The each soil humidity and air temperature and precipitation were inspect by using Mann-Kendall method to the spring wheat growing season

圖8 春玉米生長(zhǎng)季不同土層濕度和氣溫及降水的M-K檢驗(yàn)Fig.8 The each soil humidity and air temperature and precipitation were inspect by using Mann-Kendall method to the spring corn growing season

1981-2000年間，春小麥生長(zhǎng)季(3-7月)表層土壤深度0～10 cm土壤濕度增加趨勢(shì)比土層深度10～20、20～30、30～40、40～50 cm和氣溫及降水的增加趨勢(shì)明顯，尤其在1986年后增加趨勢(shì)顯著。土層深度30～40 cm的土壤濕度在1982-1992年間呈下降趨勢(shì)；作物生長(zhǎng)季氣溫在20世紀(jì)80年代初呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，一直到20世紀(jì)90年代氣溫開始回升，逐漸增加。

1981-2000年間，春玉米生長(zhǎng)季(4-9月)的土壤濕度和氣溫及降水呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中土層深度0～10 cm在1995年呈現(xiàn)在增加趨勢(shì)，1998年增加趨勢(shì)顯著；10～20 cm土壤濕度1995年增加趨勢(shì)明顯；其余土層深度的土壤濕度增加趨勢(shì)不是很顯著。作物生長(zhǎng)季氣溫在20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)下降趨勢(shì)，到20世紀(jì)80年代末氣溫開始上升。

4.4 土壤濕度與氣溫和降水的關(guān)系

各層土壤濕度年際變化均有不同程度的增加(除春小麥地20～30 cm為負(fù)值外，其他各層斜率均為正值)，垂直方向上，隨著土層深度的增加，土壤濕度逐漸降低，但不同作物稍有不同。對(duì)于春小麥地塊來說，20～30 cm深度土壤濕度呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)非常值得注意，因?yàn)檫@可能與春小麥屬于高耗水性作物，且其根系多集中分布在20～30 cm深度范圍內(nèi)，多年持續(xù)種植同一種作物有關(guān)。對(duì)于春玉米來說，20～30、30～40和40～50 cm這三層的土壤濕度基本保持一致，有微弱的增加趨勢(shì)(表1)。不同深度土壤濕度多年平均值則與種植作物類型有一定的關(guān)系，春小麥地塊土壤濕度從上到下依次為低～高～低變化即呈“凸型”變化趨勢(shì)，春玉米地塊剛好與之相反，土壤濕度從上到下依次為高～低～高變化即呈“凹型”變化趨勢(shì)(表2)。

表1 土壤濕度各層年變化系數(shù)Tab.1 Variation coefficients of soil moisture in different soil layers

表2 不同作物土壤濕度各層年平均值Tab.2 The average soil moisture of each layer in different crops

土壤濕度的變化不僅與當(dāng)?shù)氐臍夂蚝退臈l件有關(guān)，而且還與種植作物類型和土壤類型有一定的關(guān)系。隨著降水和徑流量的增加，春小麥地土壤濕度總體上略有增加趨勢(shì)，但不同層次的土壤濕度其增加幅度不同。降水和徑流量均與春小麥地各層土壤濕度呈正相關(guān)關(guān)系；氣溫與土層20～30 cm的土壤濕度負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣溫與其他土層的土壤濕度呈正相關(guān)關(guān)系。另外，不同的影響因子對(duì)土壤濕度影響的層次也各不相同，其中氣溫和降水與0～10 cm土壤濕度相關(guān)性最大；徑流對(duì)20～30 cm土壤濕度影響最大(表3)。

氣溫和降水與春玉米地各層土壤濕度呈正相關(guān)關(guān)系，而徑流量則與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。其中，氣溫和降水與土層10～20 cm的土壤濕度相關(guān)性最大，徑流對(duì)30～40 cm土壤濕度影響最大。此外，氣溫與土層10～20和20～30 cm土壤濕度相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平，而與0～10 cm土壤濕度相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平。

氣溫與土壤濕度的關(guān)系隨種植作物類型和土層深度不同而存在一定的差異；降水與土壤濕度的關(guān)系與種植作物類型和土層深度均無關(guān)，但它們的關(guān)系隨作物類型和土層深度敏感程度有一定差別；而徑流量與土壤濕度的關(guān)系隨作物類型不同有著完全相反的表現(xiàn)，這并不能說明徑流與土壤濕度關(guān)系因作物類型而定，更主要的是因距離河流遠(yuǎn)近及地下水水位有著密切關(guān)系。此外，土壤濕度對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性和滯后性隨著季節(jié)和資料序列間隔等因素的不同也有一定的變化。

表3 氣溫、降水和徑流量與春小麥(春玉米)地塊土壤濕度相關(guān)性Tab.3 Correlation coefficients for spring wheat (spring corn) field between temperature,precipitation,runoff and soil moisture in different layers

注：**表示極顯著水平，*表示顯著水平。

5 結(jié) 語

通過對(duì)靖遠(yuǎn)縣不同作物生長(zhǎng)季土壤濕度和氣溫及降水進(jìn)行研究，采用Matlab軟件和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及Microsoft Excel數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析，并結(jié)合最小二乘法進(jìn)行線性參數(shù)估算，利用Mann-Kendall方法檢驗(yàn)對(duì)不同作物各層土壤濕度和氣溫及降水的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)；同時(shí)運(yùn)用SPSS軟件對(duì)不同土層的土壤濕度與氣溫、降水、徑流做相關(guān)分性分析，得出的主要結(jié)論如下。

同一作物類型地表各層土壤濕度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，而不同作物類型各層土壤濕度變化則差別較大。不同深度土壤濕度多年平均值則與種植作物類型有一定的關(guān)系，春小麥地塊土壤濕度從上到下依次為低～高～低變化即呈“凸型”變化趨勢(shì)，春玉米地塊剛好與之相反，土壤濕度從上到下依次為高～低～高變化即呈“凹型”變化趨勢(shì)。

氣溫與土壤濕度的關(guān)系隨種植作物類型和土層深度不同而存在一定的差異；降水與土壤濕度的關(guān)系與種植作物類型和土層深度均無關(guān)，但它們的關(guān)系隨作物類型和土層深度敏感程度有一定差別；而徑流量與土壤濕度的關(guān)系隨作物類型不同有著完全相反的表現(xiàn)，這并不能說明徑流與土壤濕度關(guān)系因作物類型而定，更主要的是因距離河流遠(yuǎn)近及地下水水位有著密切關(guān)系。此外，土壤濕度對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性和滯后性隨著季節(jié)和資料序列間隔等因素的不同也有一定的變化。

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