甘南合作地區(qū)牧草生長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的重要因素之一，其變化對草地生態(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]。楊興國等[10]對甘肅河?xùn)|地區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤濕度的時空變化及分布規(guī)律、降雨量的補給和作物土壤水分狀況進行了研究，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間分布特征以及土壤濕度對生態(tài)的影響，認(rèn)為土壤濕度作為陸面研究過程中的重要參量，對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)境變化對土壤水分氣候條件的依賴性很強；孫秉強等[12]對甘肅黃土高原土壤水分的氣候特征進行了分析，并根據(jù)土壤水分的時空分布將甘肅黃土高原劃分了7個不同的氣候區(qū)；而邵曉梅等[13]對隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤水分動態(tài)變化進行了分析，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)進行研究，認(rèn)為該區(qū)域土壤水分總體上呈下降趨勢，土壤水分對降水、氣溫的氣候變化響應(yīng)明顯。以上等多種研究主要是針對半干旱區(qū)黃土高原這一典型地域土壤濕度的研究，而對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個純牧業(yè)縣（市）之一。境內(nèi)植被主要以天然草場為主，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)濟支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展對草地資源的依賴性很強。甘南合作地區(qū)亞高山草甸牧草生長期水分供給主要來源于自然降水，因而，牧業(yè)生產(chǎn)及草地生態(tài)環(huán)境變化對土壤水分氣候條件的變化很敏感，依賴性強。分析研究該區(qū)域亞高山草甸牧草生長期4—9月份土壤水分的變化規(guī)律及其對天然牧草生物量的影響，對草地生態(tài)環(huán)境的保護、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)為研究對象（2014年自動土壤水分站投入業(yè)務(wù)運行），對個別缺測的資料用線性內(nèi)插法進行了插補，以保證資料序列的完整性。

1.2 研究方法

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

式中，y為氣象要素的擬合值；t為時間；a0為常數(shù)項；a1為線性趨勢項，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突變檢驗法 氣候突變是氣象要素變化過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象，采用Mann-Kendall法（簡稱M-K法）進行突變檢驗。Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[15]，其優(yōu)點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，計算也比較簡便，而且可以明確突變開始的時間，并指出突變區(qū)域。其方法是對具有n個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一個秩序列，見公式(3)。

式中，秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于第j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)，ri表示第i個樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計數(shù)。

在時間序列隨機獨立的假設(shè)下，定義統(tǒng)計量，見公式(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，表明土壤水分存在明顯的增加或減少趨勢。分別繪制出正向序列(UF)和反向序列(UB)曲線，如果統(tǒng)計曲線UF、UB在臨界線（信度線±1.96）之間出現(xiàn)交點，則交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時間。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(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，合作地區(qū)牧草生長季土壤濕度僅20 cm處在6、7月份出現(xiàn)小幅的下降，其余時段各層土壤濕度均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，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月份增幅最小；20 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；30 cm處土壤濕度在9月份及4月份傾向率最大，8月份最小；40 cm、50 cm處土壤濕度均在4月份增濕最顯著。

表1 牧草生長季土壤水分的氣候傾向率 %/10 a

總體來說，合作地區(qū)牧草生長季土壤濕度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，合作地區(qū)牧草生長季土壤濕度呈增加的趨勢，其中以淺層10 cm增濕的趨勢最為明顯（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，50 cm處濕度最小。

甘南合作地區(qū)地處高原，地下水位較深，土壤水分的補充主要來源于自然降水。降水對土壤水分的補給起著決定性的作用。淺層0～20 cm濕度對降水的響應(yīng)最為敏感，同時又受自然蒸發(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都呈相似的兩峰兩谷型。春季4月份合作地區(qū)降水相對較少，氣溫上升較快，大風(fēng)日數(shù)多而風(fēng)速較大，氣候相對干燥，蒸發(fā)增大，同時天然牧草相繼返青生長，牧草對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。牧草在不同生長階段對水分的需求不同，牧草生長速度較快時，對土壤水分的需求量大大增加。6月中旬，牧草即將進入抽穗期，生長速度明顯較前期加快，因而對土壤水分的需求增加，土壤濕度呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢，出現(xiàn)了一個低值區(qū)。6月下旬—7月末，進入合作地區(qū)的雨季，降水量增多，土壤水分整體上升，土壤濕度達到高值區(qū)。此時，也是合作地區(qū)牧草生長的盛期，降水量對土壤水分的充分補給有利于牧草的生長發(fā)育。8月上、中旬，進入合作的伏旱期，此階段，降水量偏少，氣溫較高，而牧草對土壤水分的需求仍然較大，土壤濕度下降，呈現(xiàn)出又一個低值區(qū)。8月下旬，隨著牧草種子成熟，牧草對水分的需求減少，9月份，合作地區(qū)進入秋季連陰雨期，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，合作地區(qū)牧草生長季土壤濕度總體上呈現(xiàn)出上升趨勢，其中2003年之前為較明顯的下降趨勢階段，多為位負距平變化，2000年及2002年負距平值最大。2004年以來呈現(xiàn)上升的趨勢，以正距平變化為主，2009年之后土壤濕度上升的趨勢更為明顯，2012年正距平值最大。這說明，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，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年開始呈上升的趨勢，根據(jù)UF和UB曲線的交點位置，可以確定2006年為20 cm土壤濕度升高的突變起始年，但這種升高的趨勢沒有通過0.05顯著性水平（臨界值U0.05=±1.96），說明20 cm土壤濕度升高趨勢不顯著。

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

40 cm土壤濕度從2008年開始呈現(xiàn)上升的趨勢（圖略），根據(jù)UF和UB曲線的交點位置，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，但這種升高的趨勢不顯著。其中20 cm土壤濕度升高突變的時間略早于40 cm。

2.6 土壤濕度與降水和氣溫間的關(guān)系分析

通過對合作地區(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)達到0.76，其余各層均超過0.5或接近0.5。說明降水量對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，通過分析其與夏季降水量的變化，發(fā)現(xiàn)兩者在變化趨勢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，而之后則呈現(xiàn)出上升的趨勢。

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，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。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)土壤水分的主要補充源來自于大氣降水[22-24]，土壤水分對降水量的變化響應(yīng)明顯[11,14]，說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源，因而是影響植物生長與空間分布的關(guān)鍵因素,對維持整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用[20]。

3.2 土壤水分變化對牧草生長的影響

天然牧草的生長、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)量與整個生育期的光、溫、水分條件均有著較為顯著的關(guān)系[31-32]。對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)對牧草生長季各月牧草生物量與前期土壤水分條件進行相關(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0.10顯著性檢驗），這說明封凍前土壤濕度對翌年牧草生長發(fā)育有著一定的正貢獻作用。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，均達到0.05的相關(guān)性水平，表明此階段牧草返青后生長發(fā)育對水分的需求加劇，而良好的水分條件對牧草的生長有一定的促進作用。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)出一定的負相關(guān)，其余時段均為正相關(guān)。6月上旬、中旬土壤含水率對本月及7月份牧草產(chǎn)量的正貢獻較明顯，其余時段不顯著。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，其余為負相關(guān)。說明隨著牧草的成熟，其生長減緩，對水分的需求亦逐漸減弱，土壤水分對牧草生物量形成的貢獻率明顯減小。

分析表明，不同深度土層不同時段的土壤水分變化對天然牧草生物量的影響不同，合作地區(qū)牧草生長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，其對牧草生物量的影響也相對較弱。

4 結(jié)論

1994—2013近20 a來，甘肅甘南合作地區(qū)牧草生長季土壤濕度呈增加的趨勢，其中以淺層10 cm深度增濕的趨勢最為明顯；0～20 cm深度濕度對降水的響應(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。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低值區(qū)，7月中、下旬及9月份土壤濕度出現(xiàn)兩個高值區(qū)。在年際變化上，近20年來，合作地區(qū)牧草生長季土壤濕度總體上呈上升趨勢，2009年之后這種上升的趨勢更為明顯；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，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，對牧草生長起著一定的制約作用。