2001-2019年青海湖南部旱地土壤水分變化規律及其與氣候因子的關系

2020-12-21 03:47:04郭連云

湖北農業科學 2020年20期

摘要：采用數理統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據及氣溫、降水量數據進行分析，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行初步分析。結果表明，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月降水量呈顯著正相關，11月土壤含水量與7-9月各月降水量呈顯著正相關，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。

關鍵詞：青海湖南部;旱地;土壤含水量;變化規律;氣候因子;共和縣

中圖分類號：S152.7;S162

文獻標識碼：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、半干旱地區生態系統中，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結構特征的重要因素，同時，土壤水分是監測土地退化的一個重要指標，也是氣候、生態、農業等領域研究的主要參數[3]。在中國西北廣大干旱缺水地區，降水少、蒸發強、土壤含水量低等導致土壤水分匱乏，土壤干旱經常是制約植被恢復等生態建設的關鍵因素[4.5]。由于土壤水分是作物吸收水分的主要來源，是決定旱地生態系統結構和功能的關鍵因子，因此許多學者針對干旱、半干旱地區對土壤水分的變化規律等進行了大量的研究[6-10]。土壤水分狀況是影響冬小麥生長發育最重要的生態因子之一，水分虧缺會對其生產產生不良影響[11]。李德等[12]研究發現，0-10 cm和10-20 cm土層土壤濕度為影響冬小麥產量及其構成的關鍵因素。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系進行了研究，發現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]對三江源區高寒草原土壤濕度變化特征及其與氣候因子的關系進行了研究，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變化規律進行了研究，發現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。關于青海湖南部共和縣土壤水分變化規律及其與氣候因子間關系的研究鮮見報道。因此，利用2001-2019年觀測的春、秋季旱地土壤水分數據和同期的氣象數據，分析青海湖南部共和縣春、秋季旱地土壤水分變化規律及其與主要氣候因子的關系，以期為共和縣農牧業生產指導和氣候評價提供依據。

1 材料與方法

1.1研究區概況

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業區為界，西與柴達木盆地毗連，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，總人口13.6萬余人。全縣可利用草場125.08萬hm2，擁有耕地資源3.13萬hm2，農作物總播種面積達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期的每月8、18、28日用烘干稱量法測定的含水率數據，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，隨后在105℃烘箱內烘干24 h，獲取0-30 cm土壤水分數據，以重量百分數表示土壤含水量。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為常數項，d為回歸系數（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。并對結果分別進行置信度為95%和99%的顯著性檢驗，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相關分析法用相關分析法[17]分析氣候因子與土壤含水量之間的相關性。由于樣本量小于30，因此用計算無偏相關系數加以校正[16]。

1.3.3 變異系數利用變異系數來反映土壤含水量的動態穩定程度。變異系數越大，說明波動性越強，即穩定性越差。Ct為變異系數，計算公式：

1.3.4 統計分析采用Excel 2003軟件進行數據、圖表處理與分析。

2 結果與分析

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系數為0.618，通過信度a為0.01的檢驗，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。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），變異系數為16.7%，明顯高于春季土壤含水量的變異系數，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系數（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，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增大，但穩定性更好。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減少，穩定性也增大。

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在秋季，0-10、10-20 cm土壤含水量最大值出現在秋季，而20-30 cm土壤含水量最大值出現在春季。

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系數分別為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，穩定性小于春季各月。

2.2土壤水分與氣象因子的相關性分析

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，4月0-30 cm土壤含水量與2、3、4月降水量呈正相關，5月0-30 cm土壤含水量與2、3、4、5月降水量呈正相關，其中與5月降水量呈顯著正相關。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。9月0-30 cm土壤含水量與7、8、9月降水量呈正相關，10月0-30 cm土壤含水量與7-10月各月降水量均呈正相關，其中與10月降水量呈顯著正相關。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，其中與9月降水量呈極顯著正相關。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。

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系數分別為0.292、0.352，未通過a=0.10的水平檢驗。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系數分別為0.274、0.106，均未通過a=0.10的信度水平檢驗。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分別為10.3%、10.5%。

3 小結

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增大，穩定性進一步增加。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減少，穩定性也增大。

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。10月0-30 cm土壤含水量與10月降水量呈顯著正相關。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，其中與9月降水量呈極顯著正相關。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。

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。

參考文獻：

[1] WANC J， FU B J，LU N， et al.Seasonal variation in waLer uptakepatterns ofthree plant species based on stahle isotopes in the semi-arid Loess Plateau [Jl. Science of the total environment， 2017， 609：27-37.

[2]黃肖勇，李生寶.半干旱黃土丘陵區土壤水分動態變化研究綜述[J].農業科學研究，2009，30（3）：69-72

[3]李琴，陳曦，VEROUSTRAETE F，等.干旱半干旱區土壤含水量反演與驗證[J].水科學進展，2010，21（2）：201-207.

[4]張超，王會肖，土壤水分研究進展及簡要評述[J].干旱地區農業研究，2003，21（4）：117-120，125.

[5]張北贏，徐學選，劉江華.黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式的土壤水分效應[J].水土保持通報，2005，25（6）：5-9.

[6]尚新明，常繼青，甘肅中部地區雨水蓄集利用與農村經濟發展[J].干旱地區農業研究，1999，17（2）：116-121.

[7]邵曉梅，嚴昌榮，徐振劍，土壤水分監測與模擬研究進展[J].地理科學進展，2004，23（3）：58-66.

[8]孔學夫，晉小軍.旱地農田土壤水分動態變化規律及其應用[J] 甘肅農業科技，2001（1）：18-20.

[9]李雪屏，藺海明，晉小軍.隴中半干旱地區農田土壤水分動態變化的研究[J]干旱地區農業研究，1988，6（2）：46-53

[10]晉小軍，李雪屏.隴中半干旱地區不同地類輪作周期土壤水分動態研究[J].甘肅農業大學學報，1994，29（1）：49-55.

[11]韋強軍，豫西北地區土壤水分控制下限對冬小麥產量形成與水分利用的影響研究[J].中國農村水利水電，2018（3）：50-54.

[12]李德，馬曉群，孫義，等.土壤濕度對冬小麥產量及其構成因素的響[J]麥類作物學報，2015，35（7）：980-987

[13]肖蓮桂，石明章，李宗凱，等布哈河流域高寒草原土壤濕度變化特征及與氣候因子的關系[J].青海農林科技，2019（3）：15- 21. 69.