黑河中游绿洲荒漠过渡带降水-土壤水-地下水相关性分析

牛 赟 ，刘建海 ，张 虎 ，边 彪 ，赵国生

（1.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 红沙窝荒漠化综合防治试验站，甘肃 张掖 734000）

黑河中游绿洲荒漠过渡带降水-土壤水-地下水相关性分析

牛 赟1，2，3，刘建海1，3，张 虎1，3，边 彪1，3，赵国生1，3

（1.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 红沙窝荒漠化综合防治试验站，甘肃 张掖 734000）

土地荒漠化是当前世界十大环境问题之一，对人类的生存和发展构成了严重威胁。本文在黑河中游绿洲荒漠过渡带建立荒漠化定位监测站，通过降水、土壤水、地下水长期定位监测，采用特征参数算法、相关和多元回归分析方法，研究了降水-土壤水-地下水的年内年际变化特征及相关回归模型。结果表明：（1）降水、空气湿度、水面蒸发、5 cm土壤体积含水率、地下水埋深近6年均分别为135.92 mm、46.02%、1 108.10 mm、3.46%、265.31 cm；降水、水面蒸发、地下水埋深呈波动性增加趋势，5 cm土壤体积含水率和空气湿度呈波动性略有减少趋势。（2）降水量、5 cm土壤体积含水率和地下水埋深年内变化步调基本一致，而水面蒸发和空气湿度年内变化不一致。（3）降水、5 cm土壤体积含水率、地下水埋深相互关系属高度相关；5 cm土壤体积含率与地下水埋深属于高度正相关。（4）降水、土壤水、地下水模型拟合属高度相关，拟合模型分别可预测降水、土壤水、地下水变化的86.2%、88.7%、80.7%，预测准确率分别可达83.1%、86.2%、76.4%，预测误差平均分别为5.69 mm、0.56%、81.58 cm，预测水平在a=0.001（P＜0.001）上极显著，模型偏回归系数显著水平a分别为0.50、0.25、0.90，模型通过了R2拟合检验、F方差检验和t偏回归检验。研究成果可为荒漠化防治中的水资源管理和评估提供科技支撑和参考数据。

降水；土壤水；地下水；荒漠化防治；黑河中游

黑河流域是祁连山发育的内陆河流域之一，其水系在河西走廊干旱荒漠的生态背景上哺育了一系列绿洲，形成了山地-荒漠-绿洲复合生态系统[1]。这个生态系统水资源短缺、生态脆弱，其绿洲进退和土地荒漠化等生态环境问题与水资源的开发利用关系密切[2-3]。假如我们掌握了绿洲荒漠过渡带降水、土壤水、地下水“三水”的周期变化特征和相互转化关系等水文过程及水资源构成比例，那么，在水资源合理开发利用及风险评估等现实问题上可提供参考资料和基本依据。

关于降水、土壤水、地下水的相关研究属于水文学领域[4]。上世纪中期，概念性水文模型得以广泛应用[5]，80年代初[6]，水资源试验研究逐步揭示了降水、地表水、土壤水和地下水的相互作用关系，这些研究在理论定性研究居多、定量研究较少[7-10]。综合起来看，这些研究成果都为干旱区荒漠化防治提供了宝贵的资料，但荒漠化防治要考虑气候、土壤、地下水等环境因素的综合作用。正由于这个原因，2006年在黑河中游绿洲荒漠过渡带上建立了“红沙窝荒漠化综合防治试验站”，已取得了气象、水文、土壤、植被等长期的定位监测数据。本文基于荒漠化防治中地下水资源管理的重要性和相关性，提取降水、水面蒸发、空气湿度、土壤体积含水量、地下水埋深等数据开展研究。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区（37°28′～ 39°57 ′N，97 °20′～102°12′E）位于黑河中游地区（黑河出山口莺落峡至正义峡）绿洲、农田、牧场和沙漠、戈壁、盐碱滩地交错分布，属于绿洲荒漠过渡带。平均海拔1 200～1 700 m，属温带干旱大陆性荒漠气候，年均气温、降水、蒸发分别为7.4～8.5 ℃、108～ 150 mm、1 340～2 388 m。 自然生态系统受人为干扰较大，水资源受人为活动影响也最显著。其天然植被稀疏，主要有红砂Reaumuria songarica、 白 刺 Nitraria tangutorum、泡泡刺Nitraria sphaerocarpa和木本猪毛菜Salsoal arbuscula等旱生植物，非地带性土壤类型主要为风沙土、草甸土、沼泽土、盐渍土和灌淤土等，地带性土壤类型主要有灰漠土、灰钙土和灰棕漠土；研究区属荒漠土类，生态地域复杂，具有平原荒漠植被的特征，在植被地理规律和地理时空分布上分异明显，有古老和现代特征。

1.2 数据来源

研究区内的“红沙窝荒漠化综合防治试验站”位于甘肃省张掖市中心以北15 km处，海拔 1 450 m，地理坐标为 39°01′46.3″N，100°31′56.2″E。属于典型的绿洲荒漠过渡带。2006年在该气象站附近（地理坐标 39°01′49.1″N，100°31′57.5″E）建立地下水埋深监测井，井深20 m，井直径0.3 m。每月15号监测地下水埋深，共取得100多个数据。2008年在站内建有PC-3移动式自动气象站，本研究提取2009～2014年每昼夜0～23点每小时定点上的降水、空气湿度、土壤体积含水率及水面蒸发共5.3万组数据。

1.3 分析方法

1.3.1 特征值参数

降水、空气湿度、土壤体积含水率、水面蒸发及水位埋深年内、年际变化等特征参数采用常规的平均值μ、标准差σ、变异系数Cv方法进行计算。

1.3.2 相关分析法

整编红沙窝荒漠化综合防治试验站2009～2014年数据，建立月降水量（P，mm）、空气湿度（W，%）、土壤体积含水率（Sw，%）、水面蒸发（E，mm）、水位埋深（D，cm）数据表。利用公式（1）求得相关系数r。

式中：μx、μy分别为平均值；σx、σy分别为标准差；n为数据对数。

1.3.3 多元回归分析法

通过降水-土壤水-地下水系数拟合计算、方差分析、回归模型优度检验、F检验、t检验等，最后建立土壤水与降水和地下水的回归模型。

2 结果与分析

2.1 降水-土壤水-地下水年际变化特征分析

从表1可以看出，根据平均值μ、标准差σ统计分析，2009～2014年6年间，研究区降水量、空气湿度、水面蒸发量、5 cm土壤体积含率、地下水埋深年均值分别为135.92 mm、46.02%、1108.10 mm、3.46%、265.31 cm；波动范围分别为106.62～ 165.22 mm、43.73%～ 48.31%、887.52～ 1 328.68 mm、3.10% ～ 3.82%、224.53～306.09 cm。通过变异系数Cv统计分析，结合图1，2009～2014年6年间，变化幅度从大到小依次为降水量、水面蒸发量、地下水埋深、5 cm土壤体积含水率、空气湿度，其中降水量、水面蒸发量、地下水埋深呈波动性增加趋势，5 cm土壤体积含水率和空气湿度呈波动性略有减少趋势。

表1 降水-土壤水-地下水年际变化特征Table 1 Interannual variation features of precipitation and soil water and groundwater

图1 降水-土壤水-地下水年际变化特征Fig.1 Interannual variation features of precipitation and soil water and groundwater

2.2 降水-土壤水-地下水年内变化特征分析

空气湿度、地下水埋深和土壤体积含水率采用月平均算法，降水量、水面蒸发量采用月累积算法，分析结果如图2所示，在一年内，降水量、5 cm土壤体积含水率和地下水埋深变化步调基本一致，1～3月份都较低，随后便逐渐增大，直到7、8月份增到最大值，然后又逐渐降低，到11月份后降到最低。水面蒸发从1月份开始逐渐增加，到5月份最大，随后逐渐减小。空气湿度1月份较大，随后降低，到4月份降到最低，随后又逐渐升高，到9月份后又下降，10月份以后又开始升高，周而复始。

如表2所示，降水量、空气湿度、水面蒸发量、5 cm土壤体积含率、地下水埋深月均值分别为11.57 mm、45.19%、106.46 mm、3.36%、252.19 cm；变化区域分别为34.70 mm、58.21%、198.07 mm、4.65%、530.67 cm；峰度均为负值，说明起伏变化比正态分布剧烈。

2.3 降水-土壤水-地下水相关性分析

一般地，相关系数|r|＞0.95，存在显著性相关；0.95≤|r|≥0.8高度相关；0.5≤|r|＜0.8中度相关；0.3≤|r|＜0.5低度相关；|r|＜0.3关系极弱，认为不相关。从表3可以看出，降水量与5 cm土壤体积含率、地下水埋深高度相关，与空气湿度和水面蒸发中度相关；5 cm土壤体积含率与地下水埋深高度正相关，与水面蒸发中度正相关，与空气湿度不相关。地下水埋深与水面蒸发中度相关，与空气湿度不相关。因此，筛选降水量、5 cm土壤体积含率和地下水埋深3个因子进行回归模型分析。

图2 降水-土壤水-地下水年内变化特征Fig.2 Annual variation features of precipitation and soil water and groundwater

表2 降水-土壤水-地下水年内变化特征统计Table 2 Annual variation features of annual variance precipitation and soil water and groundwater

表3 降水-土壤水-地下水相关系数Table 3 Correlation coefficient of precipitation and soil water and groundwater

2.4 土壤水与降水、地下水回归模型分析

2.4.1 降水、土壤水、地下水拟合分析

如表4所示，经拟合分析，根据回归拟合因子的物理意义，降水、土壤水、地下水模型拟合复相关系数均在0.8以上，属高度相关，说明回归模型的拟合效果较理想；复测定系数表明拟合模型利用其它因子分别可预测降水、土壤水、地下水变化的86.2%、88.7%、80.7%。调整后复测定系数说明拟合模型利用其它因子分别预测降水、土壤水、地下水的83.1%、86.2%、76.4%。也就是说，通过模型的其它因子可预测的降水、土壤水、地下水准确率分别可达83.1%、86.2%、76.4%。标准误差说明由拟合模型的其它因子计算出的降水、土壤水、土壤水与实际监测值之间误差平均分别为5.69 mm、0.56%、81.58 cm，此值越小，说明模型精度越高。

表4 降水-土壤水-地下水拟合系数Table 4 The matching coefficient of precipitation and soil water and groundwater

2.4.2 降水、土壤水、地下水方差分析

经方差分析，F值的物理意义是回归均方差MSr和剩余均方差MSe的比值，由于我们期望MSe越小越理想，期望MSr越大越理想，所以，F值越大，说明模型预测结果越理想。求得F检验值和F显著水平如表4所示，F显著水平P＜0.001，查得F0.001（2，9）的临界值Fa为 16.387，F检验值大于临界值Fa，说明模型预测的降水、土壤水、地下水在a=0.001（P＜0.001）水平上极显著。

2.4.3 降水、土壤水、地下水偏回归系数分析

偏回归系数分析主要是检验偏相关系数的显著程度，如表5，常数、降水、土壤水、地下水偏回归系数对应的p-value物理意义表示回归模型的常数或自变量系数变化的显著程度，其值越小，说明其显著水平越高。在降水回归模型中，显著水平P＜0.5，也就是a=0.5水平上，查得t0.5（11）的临界值为0.697，其对应的t检验值的绝对值均大于临界值，说明回归模型在a=0.5水平上偏回归系数显著。从偏回归系数分析，土壤水对降水大小的指示性比地下水显著，也就是说，评估降水的参评因子中，土壤水权重大于地下水。同理，在土壤水回归模型中，a=0.25水平上，查得t0.25（11）的临界值为1.214，其对应的t检验值的绝对值均大于临界值，说明回归模型在a=0.25水平上偏回归系数显著。从偏回归系数分析，降水对土壤水的影响比地下水显著，也就是说，评估土壤水的参评因子中，降水的权重大于地下水。在地下水回归模型中，a=0.9水平上，查得t0.9（11）的临界值为0.129，其对应的t检验值的绝对值均大于临界值，说明回归模型在a=0.9水平上偏回归系数显著。从偏回归系数分析，土壤水对地下水的影响比降水显著，也就是说，评估地下水的参评因子中，土壤水的权重大于地下水。

表5 降水-土壤水-地下水偏回归系数Table 5 The partial regression coefficen of precipitation and soil water and groundwater

综合上述R2检验、F检验、t检验，可得降水、土壤水、地下水回归模型分别为：

式中：P（mm）、Sw（%）、D（cm）分别为降水量、5 cm土壤体积含水率、地下水埋深。

3 结论与讨论

3.1 讨 论

黑河流域土地荒漠化面积占54.90%～64.30%[11]，土地荒漠化防治其中一项重要措施是调控土壤水分能够维持荒漠植物的正常生命。利用本研究回归模型原理，通过对土壤含水量指标评估，确定植物生长对水分的最低要求阀值指标；另外，在分配流域上、中、下游地区和各部门水资源比例，安排农业和生态用水比重，以及退耕还林、天然林保护、黑河流域综合治理等工程对水资源的影响等方面充分考虑荒漠植物生长与水分需要是否满足最低需求。河川径流是干旱区内陆河流域的主要水资源。流域内往往存在上、中、下游地区和各部门实行公平合理的水资源分配问题。例如黑河流域，国家计委和水利部先后于1992年和1997年批准了黑河分水方案。流域上游常常建有水力发电站，人工调控向中下游供水。在这些水资源调控和管理中，本文研究的水分年内年际变化规律及模型都可提供科技支撑和参考数据。关于研究结论方面，赵传燕等在黑河中下游地区研究发现2006 年地下水位与黑河分水前（ 2000 年） 的地下水位相比较有显著下降，平均下降 0.96 m[12]；本研究认为，2006年以后，中游地下水位仍有继续下降趋势，但在短时间内下降表现不明显。刘冰等人对黑河流域荒漠区降水特征及其土壤水分对降水脉动响应进行了研究，发现土壤水分对降水脉动具有显著的响应现象，小于 5 mm降水对浅根植物如一年生草本的生存有重要的意义；大于 5 mm 降水能有效地补充根层土壤水分，使荒漠植物在干旱条件下得以生存和生长[13]；本研究认为，降水与土壤水中度正相关，与该研究结论一致，但本研究在年际和年内月际尺度上研究降水、土壤水、地下水的相关性，而没有开展单次降水对不同植物的生长影响，在以后的工作中，需要重点关注较短时间尺度上降水和蒸发对植物生长的影响。

3.2 结 论

（1）降水量、空气湿度、水面蒸发量、5 cm土壤体积含率、地下水埋深近6年均分别 为 135.92 mm、46.02%、1 108.10 mm、3.46%、265.31 cm；波动范围分别为106.62～165.22 mm、43.73% ～ 48.31%、887.52～1 328.68 mm、3.10% ～ 3.82%、224.53～306.09 cm，区间波动的几率占68%。变化幅度从大到小依次为降水量＞水面蒸发量＞地下水埋深＞5 cm土壤体积含水率＞空气湿度，其中降水量、水面蒸发量、地下水埋深呈波动性增加趋势，5 cm土壤体积含水率和空气湿度呈波动性略有减少趋势。

（2）在一年内，降水量、5 cm土壤体积含水率和地下水埋深变化步调基本一致，1～3月份都较低，随后便逐渐增大，直到7、8月份增到最大值，然后又逐渐降低，到11月份后降到最低。水面蒸发从1月份开始逐渐增加，到5月份最大，随后逐渐减小。空气湿度1月份较大，随后降低，到4月份降到最低，随后又逐渐升高，到9月份后又下降，10月份以后又开始升高，周而复始。

（3）降水量与5 cm土壤体积含率、地下水埋深高度相关，与空气湿度和水面蒸发中度相关；5 cm土壤体积含率与地下水埋深高度正相关，与水面蒸发中度正相关，与空气湿度不相关。地下水埋深与水面蒸发中度相关，与空气湿度不相关。

（4）降水、土壤水、地下水模型拟合属高度相关，拟合模型分别可预测降水、土壤水、地下水变化的86.2%、88.7%、80.7%，预测的降水、土壤水、地下水准确率分别可达83.1%、86.2%、76.4%，预测的降水、土壤水、地下水与实际监测值之间误差平均分别为5.69 mm、0.56%、81.58 cm，预测的降水、土壤水、地下水在a=0.001（p＜0.001）水平上极显著。

（5）降水、土壤水、地下水模型偏回归系数显著水平a分别为0.5、0.25、0.9。降水-土壤水-地下水的回归模型都通过了R2拟合检验、F方差检验和t偏回归检验。

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Correlation analysis among precipitation and soil water and groundwater in oasis-desert transitional belt in Heihe river middle reaches

NIU Yun1,2,3, LIU Jian-hai1,3, ZHANG Hu1,3, BIAN Biao1,3, ZHAO Guo-sheng1,3,
(1.Academy of Ecology Science of Zhangye, Gansu Science and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains ,Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China; 2.Cold And Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000,China; 3.Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Test station of prevention and control of deserti fi cation in Hongshawo, Zhangye 734000, Gansu, China)

Land deserti fi cation is one of the world’s top ten environmental problems, and constitutes the serious threat for human survival and development. The desertification monitoring stations had been set up in oasis-desert transitional belt in Heihe river middle reaches and precipitation, soil water, groundwater had been monitored for a long term ,and the algorithm of characteristic parameters, correlation and multiple regression analysis method had been used, and variation characteristics of precipitation and soil water and groundwater interannual and annual variance had been studied. Results show that: (1) The average annual precipitation and air humidity and water evaporation and the soil moisture content in 5 cm depth and groundwater depth for 6 years respectively were 135.92 mm and 46.02% and 1108.10 mm and 3.46% and 265.31 cm in interannual variance, and variety range from big to small in sequence was precipitation and water evaporation and groundwater depth and the soil moisture content in 5 cm depth and air humidity.The precipitation and water evaporation and groundwater depth showed a trend of volatility increase, but the soil moisture content in 5 cm depth, humidity of air volume showed a trend of slightly volatility decrease from 2009 year t 2014 year in n the research area.(2) The annual variance pace of precipitation, soil moisture content in 5 cm depth and groundwater depth were resemblance, but the annual variance pace water evaporation and air humidity were different.(3) The precipitation and soil moisture content in 5 cm depth and groundwater depth all were highly related. (4) The regression model of precipitation and and soil moisture and groundwater depth had been passed by R2 test and F and t test. Through model analysis, the all regression model was better fi tting effect, and the variation of predicted value of precipitation and soil moisture and groundwater depth respectively was 86.2% and 88.7% and 80.7%, and average accuracy could reach above 83.1% and 86.2% and 76.4%. The average prediction error respectively was 5.69 mm and 0.56% and 81.58 cm. Forecast level in 0.001 (p＜ 0.001) was signi fi cantly, and partial regression coef fi cient of model signi fi cance level were respectively 0.50, 0.25, 0.90, The regression model of soil water and precipitation and groundwater had been passed by R2test, F test and t test ,and it was applicable and expandable. This study could provide technology support and reference data for water resource management and evaluation of deserti fi cation control.

precipitation; soil water; groundwater; deserti fi cation control; Heihe river middle reaches

S714.7；S152.7

A

1673-923X(2016)11-0059-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.011

2016-02-26

甘肃省科技创新服务平台（144JTCG254）；甘肃省基础研究创新群体（145RJIG337）；国家自然科学基金项目（41461004）

牛 赟，高级工程师，博士，博士后 通讯作者：刘建海，工程师；E-mail：623547684@qq.com

牛 赟，刘建海，张 虎，等.黑河中游绿洲荒漠过渡带降水-土壤水-地下水相关性分析[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(11): 59-64.

[本文编校：吴 毅]