甘南合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季土壤水分氣候變化特征

寧和平，劉 麗，欒振斌，羅王軍

（1隴南市氣象局，甘肅武都 746000；2隴南市宕昌縣氣象局，甘肅宕昌 746500；3甘南藏族自治州氣象局，甘肅合作 747000）

0 引言

土壤是地球表層系統(tǒng)的重要組成部分，而土壤條件是影響陸地表面植物生長(zhǎng)的重要因素。土壤水分作為地表水的重要組成部分，是直接影響植被生長(zhǎng)的重要因素之一，其變化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)具有重要的影響[1-3]。土壤水分作為土地可持續(xù)利用、水資源規(guī)劃與管理及節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，是限制干旱半干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)和分布的主要因子之一[4-6]，其研究已引起許多學(xué)者的極大關(guān)注[7-9]。楊興國(guó)等[10]對(duì)甘肅河?xùn)|地區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤濕度的時(shí)空變化及分布規(guī)律、降雨量的補(bǔ)給和作物土壤水分狀況進(jìn)行了研究，從而為合理利用土壤水資源提供科學(xué)依據(jù)；陳少勇等[11]研究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對(duì)生態(tài)的影響，認(rèn)為土壤濕度作為陸面研究過(guò)程中的重要參量，對(duì)氣候變化起著非常重要的作用，并指出農(nóng)牧林生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境變化對(duì)土壤水分氣候條件的依賴性很強(qiáng)；孫秉強(qiáng)等[12]對(duì)甘肅黃土高原土壤水分的氣候特征進(jìn)行了分析，并根據(jù)土壤水分的時(shí)空分布將甘肅黃土高原劃分了7個(gè)不同的氣候區(qū)；而邵曉梅等[13]對(duì)隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，得出該區(qū)域土壤水分季節(jié)性變化受該地區(qū)降雨的強(qiáng)烈影響，土壤水分垂直變化在淺層的變化幅度均比深層的變化幅度大；王錫穩(wěn)[14]等對(duì)黃土高原典型半干旱區(qū)水熱變化及其土壤水分響應(yīng)進(jìn)行研究，認(rèn)為該區(qū)域土壤水分總體上呈下降趨勢(shì)，土壤水分對(duì)降水、氣溫的氣候變化響應(yīng)明顯。以上等多種研究主要是針對(duì)半干旱區(qū)黃土高原這一典型地域土壤濕度的研究，而對(duì)甘肅甘南高原高寒地區(qū)這一特定區(qū)域土壤水分的研究非常少。甘南藏族自治州合作市位于甘肅省西南部，地處青藏高原東北邊緣，是甘肅省10個(gè)純牧業(yè)縣（市）之一。境內(nèi)植被主要以天然草場(chǎng)為主，是甘南草原的重要組成部分之一，草地類型以亞高山草甸草地為主。畜牧業(yè)是當(dāng)?shù)氐闹饕?jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展對(duì)草地資源的依賴性很強(qiáng)。甘南合作地區(qū)亞高山草甸牧草生長(zhǎng)期水分供給主要來(lái)源于自然降水，因而，牧業(yè)生產(chǎn)及草地生態(tài)環(huán)境變化對(duì)土壤水分氣候條件的變化很敏感，依賴性強(qiáng)。分析研究該區(qū)域亞高山草甸牧草生長(zhǎng)期4—9月份土壤水分的變化規(guī)律及其對(duì)天然牧草生物量的影響，對(duì)草地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、治理及畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究資料

選取甘南合作地區(qū)1994—2013年中4—9月期間逢8、18、28日人工所測(cè)的土壤重量含水率（土壤含水量占干土質(zhì)量百分比）資料數(shù)據(jù)為研究對(duì)象（2014年自動(dòng)土壤水分站投入業(yè)務(wù)運(yùn)行），對(duì)個(gè)別缺測(cè)的資料用線性內(nèi)插法進(jìn)行了插補(bǔ)，以保證資料序列的完整性。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候趨勢(shì)與傾向率 文中，淺層地溫的氣候傾向率采用一元線性方程分析方法，見(jiàn)公式(1)，趨勢(shì)變化率方程見(jiàn)公式(2)。

式中，y為氣象要素的擬合值；t為時(shí)間；a0為常數(shù)項(xiàng)；a1為線性趨勢(shì)項(xiàng)，將a1×10稱為氣候傾向率，單位為%/10 a。方程中的a0和a1可用最小二乘法確定。

1.2.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法 氣候突變是氣象要素變化過(guò)程中存在的某種不連續(xù)現(xiàn)象，普遍存在于氣候變化中。本研究以土壤重量含水率為考察對(duì)象，采用Mann-Kendall法（簡(jiǎn)稱M-K法）進(jìn)行突變檢驗(yàn)。Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[15]，其優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便，而且可以明確突變開(kāi)始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域。其方法是對(duì)具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一個(gè)秩序列，見(jiàn)公式(3)。

式中，秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于第j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)，ri表示第i個(gè)樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量，見(jiàn)公式(4)。

式中，UF1=0，E(Sk)、Var(Sk)是Sk的均值和方差。給定顯著性水平a=0.05，則臨界值U0.05=±1.96，當(dāng)當(dāng)|UFk|＞Ua時(shí)，表明土壤水分存在明顯的增加或減少趨勢(shì)。分別繪制出正向序列(UF)和反向序列(UB)曲線，如果統(tǒng)計(jì)曲線UF、UB在臨界線（信度線±1.96）之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開(kāi)始的時(shí)間。超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的氣候傾向率

氣候傾向率分析結(jié)果（表1）表明，近20 a來(lái)，合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季土壤濕度僅20 cm處在6、7月份出現(xiàn)小幅的下降，其余時(shí)段各層土壤濕度均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢(shì)，增幅為0.9%～4.5%/10 a。其中10 cm處濕度增加最明顯，平均增幅為2.3%/10 a。20 cm處增幅最小，為1.0%/10 a。較深層30～50 cm處的土壤濕度增幅基本接近。10 cm處土壤濕度在9月份增幅明顯高于其余月份，4月份增幅最?。?0 cm處土壤濕度在9月份增幅最大，其次是4月份，6、7月份則出現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)；30 cm處土壤濕度在9月份及4月份傾向率最大，8月份最?。?0 cm、50 cm處土壤濕度均在4月份增濕最顯著。

表1 牧草生長(zhǎng)季土壤水分的氣候傾向率 %/10 a

總體來(lái)說(shuō)，合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季土壤濕度10～30 cm在9月增濕最明顯，其中10 cm土壤濕度在9月增幅最大，為4.5%/10 a，40～50 cm在4月份增濕幅度最大，8月份最小。牧草生長(zhǎng)盛期夏季土壤濕度傾向率為0.3%～1.9%/10 a，以20 cm最小，10 cm最大。以上分析表明，1994—2013近20 a來(lái)，合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季土壤濕度呈增加的趨勢(shì)，其中以淺層10 cm增濕的趨勢(shì)最為明顯（圖1）。較深層30～50 cm增濕幅度基本相同。

圖1 合作地區(qū)夏季10 cm土壤水分變化

2.2 土壤水分的垂直變化特征

圖2表明，土壤水分自上而下變化幅度逐漸減小，淺層10～20 cm土壤水分的變化幅度明顯大于較深層30～50 cm，30～50 cm其變化相對(duì)較平緩，10 cm處土壤濕度變化最劇烈。20 cm處土壤濕度最大，隨著深度的增加，土壤濕度呈遞減的趨勢(shì)，50 cm處濕度最小。

甘南合作地區(qū)地處高原，地下水位較深，土壤水分的補(bǔ)充主要來(lái)源于自然降水。降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給起著決定性的作用。淺層0～20 cm濕度對(duì)降水的響應(yīng)最為敏感，同時(shí)又受自然蒸發(fā)、作物蒸散等影響，其變化幅度大于較深層土壤濕度。

2.3 土壤水分的季節(jié)變化特征

在季節(jié)變化上，從圖2可以看出，淺層0～20 cm及較深層30～50 cm土壤濕度其周年變化趨勢(shì)都呈相似的兩峰兩谷型。春季4月份合作地區(qū)降水相對(duì)較少，氣溫上升較快，大風(fēng)日數(shù)多而風(fēng)速較大，氣候相對(duì)干燥，蒸發(fā)增大，同時(shí)天然牧草相繼返青生長(zhǎng)，牧草對(duì)水分的需求逐漸增加，草地土壤水分支出大于水分收入，失熵較多，土壤濕度緩慢下降。5月份，隨著降水的逐漸增多，土壤所接收的水分明顯增多，土壤含水率逐漸增大，濕度緩慢升高。牧草在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求不同，牧草生長(zhǎng)速度較快時(shí)，對(duì)土壤水分的需求量大大增加。6月中旬，牧草即將進(jìn)入抽穗期，生長(zhǎng)速度明顯較前期加快，因而對(duì)土壤水分的需求增加，土壤濕度呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì)，出現(xiàn)了一個(gè)低值區(qū)。6月下旬—7月末，進(jìn)入合作地區(qū)的雨季，降水量增多，土壤水分整體上升，土壤濕度達(dá)到高值區(qū)。此時(shí)，也是合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)的盛期，降水量對(duì)土壤水分的充分補(bǔ)給有利于牧草的生長(zhǎng)發(fā)育。8月上、中旬，進(jìn)入合作的伏旱期，此階段，降水量偏少，氣溫較高，而牧草對(duì)土壤水分的需求仍然較大，土壤濕度下降，呈現(xiàn)出又一個(gè)低值區(qū)。8月下旬，隨著牧草種子成熟，牧草對(duì)水分的需求減少，9月份，合作地區(qū)進(jìn)入秋季連陰雨期，降水量增多，土壤水分又呈較明顯的上升階段，土壤濕度又出現(xiàn)另一個(gè)高值區(qū)。

圖2 合作地區(qū)0～50 cm深度土壤濕度垂直變化

2.4 土壤水分的年際變化特征

圖3可以看出，近20年來(lái)，合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季土壤濕度總體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中2003年之前為較明顯的下降趨勢(shì)階段，多為位負(fù)距平變化，2000年及2002年負(fù)距平值最大。2004年以來(lái)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，以正距平變化為主，2009年之后土壤濕度上升的趨勢(shì)更為明顯，2012年正距平值最大。這說(shuō)明，不同年份氣候、環(huán)境等條件變化使得土壤水分條件存在著年際間的差異。

圖3 合作地區(qū)土壤濕度距平百分率年際變化

2.5 土壤濕度的突變分析

應(yīng)用Mann-Kendall方法，以20 cm、40 cm土壤濕度為代表，檢測(cè)1994—2013年合作地區(qū)土壤濕度序列的突變狀況。結(jié)果（圖4）表明，自2008年以來(lái)，20 cm土壤濕度的正向序列曲線UF＞0，表明20 cm土壤濕度從2008年開(kāi)始呈上升的趨勢(shì)，根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)位置，可以確定2006年為20 cm土壤濕度升高的突變起始年，但這種升高的趨勢(shì)沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性水平（臨界值U0.05=±1.96），說(shuō)明20 cm土壤濕度升高趨勢(shì)不顯著。

圖4 合作地區(qū)20 cm土壤濕度Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線

40 cm土壤濕度從2008年開(kāi)始呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)（圖略），根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)位置，確定2008年為40 cm土壤濕度升高的突變起始年，升高趨勢(shì)不顯著。

綜上述分析，1994—2013年中，合作地區(qū)20 cm、40 cm土壤濕度均出現(xiàn)了升高突變，但這種升高的趨勢(shì)不顯著。其中20 cm土壤濕度升高突變的時(shí)間略早于40 cm。

2.6 土壤濕度與降水和氣溫間的關(guān)系分析

通過(guò)對(duì)合作地區(qū)夏季土壤濕度與夏季平均氣溫及降水量的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明（表2），夏季各層土壤濕度與同期降水量及平均氣溫均呈顯著的正相關(guān)，其中夏季20 cm土壤濕度與降水量相關(guān)最為顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.76，其余各層均超過(guò)0.5或接近0.5。說(shuō)明降水量對(duì)土壤濕度的變化起著決定性的作用。選取夏季20 cm土壤濕度，通過(guò)分析其與夏季降水量的變化，發(fā)現(xiàn)兩者在變化趨勢(shì)上有著較好的一致性（圖5），2003年之前兩者都呈明顯的下降趨勢(shì)，而之后則呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

表2 合作地區(qū)夏季不同深度土壤濕度與夏季降水量、平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

圖5 甘南合作地區(qū)夏季20 cm土壤濕與夏季降水量年際變化

夏季土壤濕度與同期平均氣溫亦呈正相關(guān)，這與人們的預(yù)期似乎不符。合作地區(qū)地處青藏高原邊緣，具有明顯的高寒陰濕氣候特點(diǎn)，降水量受季風(fēng)影響，四季變化很大，其暖季多，冷季少，即呈“雨熱同季”的特點(diǎn)。因而夏季氣溫高，降水量相應(yīng)亦多，兩者基本同步，土壤濕度與氣溫在一定程度上亦呈現(xiàn)出正相關(guān)。這也體現(xiàn)出甘南合作地區(qū)特殊的氣候特征。

3 討論

3.1 氣象要素與土壤水分的關(guān)系

相關(guān)研究指出，土壤水分的變化與氣象因素密切相關(guān)[16-18]，其中降水量及氣溫對(duì)土壤濕度的影響尤為顯著[19-21]，這與本研究的結(jié)論基本一致。半干旱地區(qū)土壤水分的主要補(bǔ)充源來(lái)自于大氣降水[22-24]，土壤水分對(duì)降水量的變化響應(yīng)明顯[11,14]，說(shuō)明降水量是影響土壤含水量變化最主要的因素之一[25-27]。由于土壤水分是植物吸收水分的主要來(lái)源，因而是影響植物生長(zhǎng)與空間分布的關(guān)鍵因素,對(duì)維持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用[20]。

3.2 土壤水分變化對(duì)牧草生長(zhǎng)的影響

天然牧草的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量的形成與氣候因素間有著密切的聯(lián)系[28-30]，其產(chǎn)量與整個(gè)生育期的光、溫、水分條件均有著較為顯著的關(guān)系[31-32]。對(duì)高寒草原天然草地牧草產(chǎn)量影響最大的氣象要素是降水量[18-19]。經(jīng)對(duì)牧草生長(zhǎng)季各月牧草生物量與前期土壤水分條件進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表略），合作地區(qū)5—9月天然牧草總產(chǎn)量與上一年度秋末10月份土壤含水率呈正相關(guān)（通過(guò)0.10顯著性檢驗(yàn)），這說(shuō)明封凍前土壤濕度對(duì)翌年牧草生長(zhǎng)發(fā)育有著一定的正貢獻(xiàn)作用。4月上旬（4月8日）、中旬（4月18日）0～30 cm土壤含水率與5月份牧草產(chǎn)量的正相關(guān)性更為顯著，均達(dá)到0.05的相關(guān)性水平，表明此階段牧草返青后生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的需求加劇，而良好的水分條件對(duì)牧草的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。5月上旬（5月8日）土壤含水率與當(dāng)月牧草產(chǎn)量呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)，其余時(shí)段均為正相關(guān)。6月上旬、中旬土壤含水率對(duì)本月及7月份牧草產(chǎn)量的正貢獻(xiàn)較明顯，其余時(shí)段不顯著。8～9份牧草生物量與當(dāng)年4月28日、5月18、28日、6月18日、7月8日土壤水份呈正相關(guān)，但顯著性不顯著，其余為負(fù)相關(guān)。說(shuō)明隨著牧草的成熟，其生長(zhǎng)減緩，對(duì)水分的需求亦逐漸減弱，土壤水分對(duì)牧草生物量形成的貢獻(xiàn)率明顯減小。

分析表明，不同深度土層不同時(shí)段的土壤水分變化對(duì)天然牧草生物量的影響不同，合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季牧草生物量主要還是受當(dāng)年土壤水分變化的影響，特別是0～30 cm深度層次土壤水分影響較大，而較深層土壤含水率變幅較小，其對(duì)牧草生物量的影響也相對(duì)較弱。

4 結(jié)論

1994—2013近20 a來(lái)，甘肅甘南合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季土壤濕度呈增加的趨勢(shì)，其中以淺層10 cm深度增濕的趨勢(shì)最為明顯；0～20 cm深度濕度對(duì)降水的響應(yīng)最為敏感，其變化幅度大于較深層土壤濕度。隨著深度的增加，土壤濕度呈遞減的趨勢(shì)。在季節(jié)變化上，淺層0～20 cm深度及較深層30～50 cm深度土壤濕度其周年變化趨勢(shì)都呈相似的兩峰兩谷型，其中6月中旬、8月中旬，土壤濕度分別呈兩個(gè)低值區(qū)，7月中、下旬及9月份土壤濕度出現(xiàn)兩個(gè)高值區(qū)。在年際變化上，近20年來(lái)，合作地區(qū)牧草生長(zhǎng)季土壤濕度總體上呈上升趨勢(shì)，2009年之后這種上升的趨勢(shì)更為明顯；20 cm、40 cm土壤濕度均出現(xiàn)了升高突變，但這種升高的趨勢(shì)不顯著。合作地區(qū)夏季各層土壤濕度與同期降水量均呈顯著的正相關(guān)，降水量對(duì)土壤濕度變化起決定性作用；合作地區(qū)“雨熱同季”的氣候特點(diǎn)，土壤濕度與氣溫在一定程度上亦呈現(xiàn)出正相關(guān)。在氣候變暖的背景下，土壤水分的變化，對(duì)牧草生長(zhǎng)起著一定的制約作用。