2001-2019年青海湖南部旱地土壤水分變化規(guī)律及其與氣候因子的關(guān)系

摘要：采用數(shù)理統(tǒng)計方法對青海省共和縣氣象局觀測的2001-2019年旱地土壤含水量數(shù)據(jù)及氣溫、降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，討論青海湖南部共和縣旱地0-30 cm土壤水分變化特征，并對其氣候影響因子進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明，春季土壤含水量隨年際延長呈極顯著升高趨勢，秋季土壤含水量隨年際延長呈不顯著升高趨勢。土壤含水量春季高于秋季，年際間變化幅度秋季大于春季。春季0-30 cm各層土壤含水量均呈顯著升高趨勢，秋季0-10 cm土壤含水量隨年際延長呈微弱增加趨勢，10-20、20-30 cm土壤含水量則呈微弱減少趨勢。春季各月0-30 cm土壤含水量均隨年際呈顯著升高趨勢，秋季9月土壤含水量的減少趨勢與10、11月土壤含水量的升高趨勢均不顯著。5月和10月的土壤含水量與當(dāng)月降水量呈顯著正相關(guān)，11月土壤含水量與7-9月各月降水量呈顯著正相關(guān)，秋季土壤含水量與9月降水量和秋季降水量呈顯著正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：青海湖南部;旱地;土壤含水量;變化規(guī)律;氣候因子;共和縣

中圖分類號：S152.7;S162

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 20-0066-05

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.20.014

在干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中，水是主要限制因子和重要推動力量[1]，因而水分來源是干旱地區(qū)植物生命周期中的重要選擇過程。土壤水分是保持在土壤孔隙中的水分，又稱土壤濕度。降水或灌溉都要轉(zhuǎn)化成土壤水才能被植物吸收，它是陸地植物賴以生存的源泉[2]。土壤水分是影響植物根系分布和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的重要因素，同時，土壤水分是監(jiān)測土地退化的一個重要指標(biāo)，也是氣候、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域研究的主要參數(shù)[3]。在中國西北廣大干旱缺水地區(qū)，降水少、蒸發(fā)強(qiáng)、土壤含水量低等導(dǎo)致土壤水分匱乏，土壤干旱經(jīng)常是制約植被恢復(fù)等生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵因素[4.5]。由于土壤水分是作物吸收水分的主要來源，是決定旱地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因子，因此許多學(xué)者針對干旱、半干旱地區(qū)對土壤水分的變化規(guī)律等進(jìn)行了大量的研究[6-10]。土壤水分狀況是影響冬小麥生長發(fā)育最重要的生態(tài)因子之一，水分虧缺會對其生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響[11]。李德等[12]研究發(fā)現(xiàn)，0-10 cm和10-20 cm土層土壤濕度為影響冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的關(guān)鍵因素。肖蓮桂等[13]對布哈河流域高寒草原土壤濕度變化特征及其與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)0-10、10-20、20-30、30-40、40-50 cm各層土壤濕度均隨年際呈波動增加趨勢，春、夏、秋季各季節(jié)也隨年際延長均呈增加趨勢，春季增加最顯著。郭連云[14]對三江源區(qū)高寒草原土壤濕度變化特征及其與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出0-10、10-20、20-30、30-40、40-50 cm各層土壤濕度均隨年際延長呈增加趨勢。張國勝等[15]對青海省旱地土壤水分動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大氣降水對裸地土壤水分的影響十分明顯，水平和垂直土壤水分梯度均明顯大于草地和作物地。關(guān)于青海湖南部共和縣土壤水分變化規(guī)律及其與氣候因子間關(guān)系的研究鮮見報道。因此，利用2001-2019年觀測的春、秋季旱地土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和同期的氣象數(shù)據(jù)，分析青海湖南部共和縣春、秋季旱地土壤水分變化規(guī)律及其與主要?dú)夂蛞蜃拥年P(guān)系，以期為共和縣農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)和氣候評價提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

共和縣隸屬青海省海南藏族自治州，地處青藏高原東北角，北靠青海湖，南臨黃河，東以日月山與東部農(nóng)業(yè)區(qū)為界，西與柴達(dá)木盆地毗連，東西長221.5 km，南北寬155.4 km，總面積1.73x10⁴km2。地形由西北向東南傾斜，平均海拔3 200 m，總?cè)丝?3.6萬余人。全縣可利用草場125.08萬hm2，擁有耕地資源3.13萬hm2，農(nóng)作物總播種面積達(dá)2.96萬hm2，其中，糧食作物播種面積1.70萬hm2，油料作物播種面積0.91萬hm2。

1.2 資料來源

土壤水分資料采用青海湖南部共和縣氣象局2001-2019年旱地固定觀測地段土壤表層10 cm深度完全解凍至凍結(jié)期的每月8、18、28日用烘干稱量法測定的含水率數(shù)據(jù)，觀測地段為山地，距共和縣氣象局10 km。采用土鉆取土，利用烘干法共分3層測定土壤含水量，自地表向下每10 cm取樣1個，每個樣3次重復(fù)，隨后在105℃烘箱內(nèi)烘干24 h，獲取0-30 cm土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，以重量百分?jǐn)?shù)表示土壤含水量。氣象資料為同期的青海湖南部共和縣國家基本氣象站觀測資料。

1.3 方法

1.3.1 線性趨勢法用線性趨勢法[16]分析土壤含水量和氣候要素的變化趨勢：

wi=c+dti（i=1，2，3，…，n） （1）

式中，w為要素值，c為常數(shù)項(xiàng)，d為回歸系數(shù)（傾向率），i為時間序列的年份。c和d可用最小二乘法估算。氣候傾向率（d）反映上升或下降的變化趨勢。并對結(jié)果分別進(jìn)行置信度為95%和99%的顯著性檢驗(yàn)，給定顯著性水平d，若|r|>ra，表明w隨時間t的變化趨勢顯著，否則表明變化趨勢不顯著。

1.3.2相關(guān)分析法用相關(guān)分析法[17]分析氣候因子與土壤含水量之間的相關(guān)性。由于樣本量小于30，因此用計算無偏相關(guān)系數(shù)加以校正[16]。

1.3.3 變異系數(shù)利用變異系數(shù)來反映土壤含水量的動態(tài)穩(wěn)定程度。變異系數(shù)越大，說明波動性越強(qiáng)，即穩(wěn)定性越差。Ct為變異系數(shù)，計算公式：

1.3.4 統(tǒng)計分析采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖表處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春、秋季土壤含水量的變化趨勢

2.1.1春、秋季0-30 cm土壤含水量年際變化 由圖la可知，春季青海湖南部旱地0-30 cm土壤含水量隨年際增加呈升高趨勢，氣候傾向率為2.29%/10年，土壤含水量與年份之間的相關(guān)系數(shù)為0.618，通過信度a為0.01的檢驗(yàn)，說明春季0-30 cm土壤含水量極顯著升高。春季0-30 cm多年平均土壤含水量為17.3%，變異系數(shù)為12.3%。2001-2019年19年中有12年春季土壤含水量高于多年平均值，占63.0%;低于多年平均值的有7年，占37.0%。土壤含水量最高為19.5%（2016、2017年），最低為11.0%（2001年），春季最高年土壤含水量較最低年偏多77.3%，說明春季土壤含水量的年際變化很明顯。

青海湖南部旱地秋季0-30 cm土壤含水量隨年份的變化趨勢如圖lb所示。由圖lb可見，2001-2019年青海湖南部秋季0-30 cm土壤含水量隨年際呈明顯的波動變化，氣候傾向率僅為0.09%/10年，未通過信度a為0.10的檢驗(yàn)。秋季土壤含水量的多年平均值為16.3%，低于春季多年平均值，最高值為21.0%（2001年），最低值為10.1%（2015年），變異系數(shù)為16.7%，明顯高于春季土壤含水量的變異系數(shù)，最高值約是最低值的2倍，秋季土壤含水量年際間變化幅度大于春季。

2.1. 2春、秋季0-30 cm分層土壤含水量的年際變化青海湖南部2001-2019年春季0-10、10-20、20-30 cm土壤含水量變化趨勢如圖2a所示。由圖2a可見，2001-2019年青海湖南部春季0-10、10-20、20-30 cm土壤含水量均呈升高趨勢，氣候傾向率分別為2.60%/10年、2.29%/10年、1.81%/10年，土壤含水量與年份之間的相關(guān)系數(shù)（r）分別為0.723、0.566、0.491，分別通過信度a為0.001、0.020、0.050的檢驗(yàn)，說明2001-2019年青海湖南部春季0-10 cm土壤含水量的上升趨勢極顯著，而10-20 cm和20-30 cm土壤含水量的上升趨勢顯著。其中以0-10 cm土壤含水量上升趨勢最為明顯，其次是10-20 cm，最小是20-30 cm。青海湖南部春季0-10、10-20、20-30 cm土壤平均含水量分別為14.3%、18.1%、19.5%，變異系數(shù)分別為14.2%、12.6%、10.7%，可見，隨著土壤深度的增加土壤含水量相應(yīng)增大，但穩(wěn)定性更好。青海湖南部2001-2019年春季0-10、10-20、20-30 cm土壤水分最大值比最小值分別增加80.6%、93.3%、69.3%，各層土壤含水量年際間變化幅度較大。

2001-2019年青海湖南部秋季0-10、10-20、20-30 cm土壤含水量變化趨勢如圖2b所示。由圖2b可以看出，秋季0-10 cm土壤含水量隨年際延長呈微弱的增加趨勢，氣候傾向率為1.02%/10年（P>>0.10）。10-20、20-30 cm土壤含水量隨年際的延長則呈現(xiàn)微弱的減少趨勢，氣候傾向率分別為-0.18%/10年（P>0.10）、-0.5 6%/10年（P>0.10）.青海湖南部2001-2019年旱地秋季0-10、10-20、20-30 cm土壤含水量最高值比最低值分別增加1.30、1.00、0.93倍，變異系數(shù)分別為20.9%、16.6%、14.6%，可見，隨著土壤深度的增加，各層土壤含水量年際間變化幅度相應(yīng)減少，穩(wěn)定性也增大。

2001-2019年青海湖南部0-10、10-20、20-30 cm土壤含水量最小值均出現(xiàn)在秋季，0-10、10-20 cm土壤含水量最大值出現(xiàn)在秋季，而20-30 cm土壤含水量最大值出現(xiàn)在春季。

2.1.3春、秋季各月土壤含水量的年際變化青海湖南部旱地2001-2019年春季3月、4月和5月0-30 cm土壤含水量變化趨勢如圖3a所示。由圖3a可以看出，青海湖南部旱地春季各月0-30 cm土壤含水量隨年際延長均呈升高趨勢，氣候傾向率分別為2.63%/10年、2.38%/10年、1.26%/10年，土壤含水量與年份之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.431、0.595、0.484，3月和5月土壤含水量呈顯著的升高趨勢，4月土壤含水量的升高趨勢為極顯著。春季3、4、5月0-30 cm土壤含水量的變異系數(shù)分別為18.7%、13.0%、8.4%。青海湖南部旱地春季土壤含水量以3月和4月的升高幅度較大。

青海湖南部旱地2001-2019年秋季9月、10月和11月0-30 cm土壤含水量變化趨勢如圖3b所示。由圖3b可以看出，青海湖南部旱地秋季9月0-30 cm土壤含水量隨年際延長呈降低趨勢，氣候傾向率為_1.04%/10年（P>0.10），降低趨勢不顯著。10月和11月0-30 cm土壤含水量隨年際延長則呈微弱升高趨勢，氣候傾向率分別為0.44%/10年（P>0.10）、0.94%/10年（P>0.10）.10月和11月土壤含水量的升高趨勢不顯著。秋季9月、10月和11月0-30 cm土壤含水量的變異系數(shù)分別為18.2%、15.5%、22.0%。青海湖南部旱地秋季各月土壤含水量波動變化大，穩(wěn)定性小于春季各月。

2.2土壤水分與氣象因子的相關(guān)性分析

由表1可見，3月0-30 cm土壤含水量與3月降水量呈正相關(guān)，4月0-30 cm土壤含水量與2、3、4月降水量呈正相關(guān)，5月0-30 cm土壤含水量與2、3、4、5月降水量呈正相關(guān)，其中與5月降水量呈顯著正相關(guān)。春季0-30 cm土壤含水量與3、5月降水量、春季降水量呈正相關(guān)。9月0-30 cm土壤含水量與7、8、9月降水量呈正相關(guān)，10月0-30 cm土壤含水量與7-10月各月降水量均呈正相關(guān)，其中與10月降水量呈顯著正相關(guān)。11月0-30 cm土壤含水量與7-9月各月降水量均呈顯著正相關(guān)，其中與9月降水量呈極顯著正相關(guān)。秋季0-30 cm土壤含水量與9月降水量、秋季降水量均呈顯著正相關(guān)。

2.3 春、秋季氣溫、降水的變化趨勢

青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季氣溫、降水量變化趨勢如圖4所示。由圖4a可見，青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季降水量均呈波動上升趨勢，春、秋季降水量分別以每10年11.6、14.7 mm的速率增加，春、秋季降水量與年份之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.292、0.352，未通過a=0.10的水平檢驗(yàn)。秋季降水量增加幅度高于春季降水量，春、秋季降水量的變異系數(shù)分別為36.6%、37.5%。由圖4b可以看出，青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季平均氣溫均呈波動升高趨勢，春、秋季平均氣溫分別以每10年0.324、0.099℃的氣候傾向率升高，春、秋季平均氣溫與年份之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.274、0.106，均未通過a=0.10的信度水平檢驗(yàn)。春季平均氣溫的升高幅度高于秋季平均氣溫，春、秋季平均氣溫的變異系數(shù)分別為10.3%、10.5%。

3 小結(jié)

1）青海湖南部旱地2001-2019年春季0-30 cm土壤含水量隨年際延長呈極顯著升高趨勢，秋季0-30 cm土壤含水量隨年際延長呈明顯的波動變化，但升高趨勢不顯著。土壤含水量春季高于秋季，土壤含水量年際間變化幅度秋季大于春季。

2）青海湖南部旱地2001-2019年春季0-10 cm土壤含水量呈極顯著的上升趨勢，而10-20 cm和20-30 cm土壤含水量呈顯著的上升趨勢。隨著土壤深度的增加土壤含水量相應(yīng)增大，穩(wěn)定性進(jìn)一步增加。秋季0-10 cm土壤含水量隨年際延長呈微弱的增加趨勢，10-20、20-30 cm土壤含水量隨年際的延長則呈現(xiàn)微弱的減少趨勢，但增減趨勢均不顯著。隨著深度的增加，各層土壤含水量年際間變化幅度相應(yīng)減少，穩(wěn)定性也增大。

3）青海湖南部旱地春季各月0-30 cm土壤含水量隨年際延長均呈升高趨勢，其中3月和5月土壤含水量呈顯著的升高趨勢，4月土壤含水量的升高趨勢為極顯著。秋季9月0-30 cm土壤含水量隨年際延長呈不顯著降低趨勢，10月和11月0-30 cm土壤含水量隨年際延長則呈不顯著升高趨勢。秋季各月土壤含水量波動變化大，穩(wěn)定性小于春季各月。

4）5月0-30 cm土壤含水量與5月降水量呈顯著正相關(guān)。10月0-30 cm土壤含水量與10月降水量呈顯著正相關(guān)。11月0-30 cm土壤含水量與7-9月各月降水量均呈顯著正相關(guān)，其中與9月降水量呈極顯著正相關(guān)。秋季0-30 cm土壤含水量與9月降水量和秋季降水量均呈顯著正相關(guān)。

5）青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季降水量均呈不顯著的增多趨勢，秋季降水量增加幅度高于春季降水量。春、秋季平均氣溫均呈不顯著升高趨勢，春季平均氣溫的升高幅度高于秋季平均氣溫。

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作者簡介：郭連云（1969-），男，青海湟源人，高級工程師，主要從事氣象業(yè)務(wù)工作，（電話）13897146716（電子信箱）glycloud@126.com。