2001-2019年青海湖南部旱地土壤水分变化规律及其与气候因子的关系

摘要：采用数理统计方法对青海省共和县气象局观测的2001-2019年旱地土壤含水量数据及气温、降水量数据进行分析，讨论青海湖南部共和县旱地0-30 cm土壤水分变化特征，并对其气候影响因子进行初步分析。结果表明，春季土壤含水量随年际延长呈极显著升高趋势，秋季土壤含水量随年际延长呈不显著升高趋势。土壤含水量春季高于秋季，年际间变化幅度秋季大于春季。春季0-30 cm各层土壤含水量均呈显著升高趋势，秋季0-10 cm土壤含水量随年际延长呈微弱增加趋势，10-20、20-30 cm土壤含水量则呈微弱减少趋势。春季各月0-30 cm土壤含水量均随年际呈显著升高趋势，秋季9月土壤含水量的减少趋势与10、11月土壤含水量的升高趋势均不显著。5月和10月的土壤含水量与当月降水量呈显著正相关，11月土壤含水量与7-9月各月降水量呈显著正相关，秋季土壤含水量与9月降水量和秋季降水量呈显著正相关。

关键词：青海湖南部;旱地;土壤含水量;变化规律;气候因子;共和县

中图分类号：S152.7;S162

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 20-0066-05

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

在干旱、半干旱地区生态系统中，水是主要限制因子和重要推动力量[1]，因而水分来源是干旱地区植物生命周期中的重要选择过程。土壤水分是保持在土壤孔隙中的水分，又称土壤湿度。降水或灌溉都要转化成土壤水才能被植物吸收，它是陆地植物赖以生存的源泉[2]。土壤水分是影响植物根系分布和形态结构特征的重要因素，同时，土壤水分是监测土地退化的一个重要指标，也是气候、生态、农业等领域研究的主要参数[3]。在中国西北广大干旱缺水地区，降水少、蒸发强、土壤含水量低等导致土壤水分匮乏，土壤干旱经常是制约植被恢复等生态建设的关键因素[4.5]。由于土壤水分是作物吸收水分的主要来源，是决定旱地生态系统结构和功能的关键因子，因此许多学者针对干旱、半干旱地区对土壤水分的变化规律等进行了大量的研究[6-10]。土壤水分状况是影响冬小麦生长发育最重要的生态因子之一，水分亏缺会对其生产产生不良影响[11]。李德等[12]研究发现，0-10 cm和10-20 cm土层土壤湿度为影响冬小麦产量及其构成的关键因素。肖莲桂等[13]对布哈河流域高寒草原土壤湿度变化特征及其与气候因子的关系进行了研究，发现0-10、10-20、20-30、30-40、40-50 cm各层土壤湿度均随年际呈波动增加趋势，春、夏、秋季各季节也随年际延长均呈增加趋势，春季增加最显著。郭连云[14]对三江源区高寒草原土壤湿度变化特征及其与气候因子的关系进行了研究，得出0-10、10-20、20-30、30-40、40-50 cm各层土壤湿度均随年际延长呈增加趋势。张国胜等[15]对青海省旱地土壤水分动态变化规律进行了研究，发现大气降水对裸地土壤水分的影响十分明显，水平和垂直土壤水分梯度均明显大于草地和作物地。关于青海湖南部共和县土壤水分变化规律及其与气候因子间关系的研究鲜见报道。因此，利用2001-2019年观测的春、秋季旱地土壤水分数据和同期的气象数据，分析青海湖南部共和县春、秋季旱地土壤水分变化规律及其与主要气候因子的关系，以期为共和县农牧业生产指导和气候评价提供依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况

共和县隶属青海省海南藏族自治州，地处青藏高原东北角，北靠青海湖，南临黄河，东以日月山与东部农业区为界，西与柴达木盆地毗连，东西长221.5 km，南北宽155.4 km，总面积1.73x10⁴km2。地形由西北向东南倾斜，平均海拔3 200 m，总人口13.6万余人。全县可利用草场125.08万hm2，拥有耕地资源3.13万hm2，农作物总播种面积达2.96万hm2，其中，粮食作物播种面积1.70万hm2，油料作物播种面积0.91万hm2。

1.2 资料来源

土壤水分资料采用青海湖南部共和县气象局2001-2019年旱地固定观测地段土壤表层10 cm深度完全解冻至冻结期的每月8、18、28日用烘干称量法测定的含水率数据，观测地段为山地，距共和县气象局10 km。采用土钻取土，利用烘干法共分3层测定土壤含水量，自地表向下每10 cm取样1个，每个样3次重复，随后在105℃烘箱内烘干24 h，获取0-30 cm土壤水分数据，以重量百分数表示土壤含水量。气象资料为同期的青海湖南部共和县国家基本气象站观测资料。

1.3 方法

1.3.1 线性趋势法用线性趋势法[16]分析土壤含水量和气候要素的变化趋势：

wi=c+dti（i=1，2，3，…，n） （1）

式中，w為要素值，c为常数项，d为回归系数（倾向率），i为时间序列的年份。c和d可用最小二乘法估算。气候倾向率（d）反映上升或下降的变化趋势。并对结果分别进行置信度为95%和99%的显著性检验，给定显著性水平d，若|r|>ra，表明w随时间t的变化趋势显著，否则表明变化趋势不显著。

1.3.2相关分析法用相关分析法[17]分析气候因子与土壤含水量之间的相关性。由于样本量小于30，因此用计算无偏相关系数加以校正[16]。

1.3.3 变异系数利用变异系数来反映土壤含水量的动态稳定程度。变异系数越大，说明波动性越强，即稳定性越差。Ct为变异系数，计算公式：

1.3.4 统计分析采用Excel 2003软件进行数据、图表处理与分析。

2 结果与分析

2.1 春、秋季土壤含水量的变化趋势

2.1.1春、秋季0-30 cm土壤含水量年际变化 由图la可知，春季青海湖南部旱地0-30 cm土壤含水量随年际增加呈升高趋势，气候倾向率为2.29%/10年，土壤含水量与年份之间的相关系数为0.618，通过信度a为0.01的检验，说明春季0-30 cm土壤含水量极显著升高。春季0-30 cm多年平均土壤含水量为17.3%，变异系数为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%。土壤含水量最高为19.5%（2016、2017年），最低为11.0%（2001年），春季最高年土壤含水量较最低年偏多77.3%，说明春季土壤含水量的年际变化很明显。

青海湖南部旱地秋季0-30 cm土壤含水量随年份的变化趋势如图lb所示。由图lb可见，2001-2019年青海湖南部秋季0-30 cm土壤含水量随年际呈明显的波动变化，气候倾向率仅为0.09%/10年，未通过信度a为0.10的检验。秋季土壤含水量的多年平均值为16.3%，低于春季多年平均值，最高值为21.0%（2001年），最低值为10.1%（2015年），变异系数为16.7%，明显高于春季土壤含水量的变异系数，最高值约是最低值的2倍，秋季土壤含水量年际间变化幅度大于春季。

2.1. 2春、秋季0-30 cm分层土壤含水量的年际变化青海湖南部2001-2019年春季0-10、10-20、20-30 cm土壤含水量变化趋势如图2a所示。由图2a可见，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趋势，气候倾向率分别为2.60%/10年、2.29%/10年、1.81%/10年，土壤含水量与年份之间的相关系数（r）分别为0.723、0.566、0.491，分别通过信度a为0.001、0.020、0.050的检验，说明2001-2019年青海湖南部春季0-10 cm土壤含水量的上升趋势极显著，而10-20 cm和20-30 cm土壤含水量的上升趋势显著。其中以0-10 cm土壤含水量上升趋势最为明显，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土壤平均含水量分别为14.3%、18.1%、19.5%，变异系数分别为14.2%、12.6%、10.7%，可见，随着土壤深度的增加土壤含水量相应增大，但稳定性更好。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别增加80.6%、93.3%、69.3%，各层土壤含水量年际间变化幅度较大。

2001-2019年青海湖南部秋季0-10、10-20、20-30 cm土壤含水量变化趋势如图2b所示。由图2b可以看出，秋季0-10 cm土壤含水量随年际延长呈微弱的增加趋势，气候倾向率为1.02%/10年（P>>0.10）。10-20、20-30 cm土壤含水量随年际的延长则呈现微弱的减少趋势，气候倾向率分别为-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别增加1.30、1.00、0.93倍，变异系数分别为20.9%、16.6%、14.6%，可见，随着土壤深度的增加，各层土壤含水量年际间变化幅度相应减少，稳定性也增大。

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

2.1.3春、秋季各月土壤含水量的年际变化青海湖南部旱地2001-2019年春季3月、4月和5月0-30 cm土壤含水量变化趋势如图3a所示。由图3a可以看出，青海湖南部旱地春季各月0-30 cm土壤含水量随年际延长均呈升高趋势，气候倾向率分别为2.63%/10年、2.38%/10年、1.26%/10年，土壤含水量与年份之间的相关系数分别为0.431、0.595、0.484，3月和5月土壤含水量呈显著的升高趋势，4月土壤含水量的升高趋势为极显著。春季3、4、5月0-30 cm土壤含水量的变异系数分别为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月的升高幅度较大。

青海湖南部旱地2001-2019年秋季9月、10月和11月0-30 cm土壤含水量变化趋势如图3b所示。由图3b可以看出，青海湖南部旱地秋季9月0-30 cm土壤含水量随年际延长呈降低趋势，气候倾向率为_1.04%/10年（P>0.10），降低趋势不显著。10月和11月0-30 cm土壤含水量随年际延长则呈微弱升高趋势，气候倾向率分别为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趋势不显著。秋季9月、10月和11月0-30 cm土壤含水量的变异系数分别为18.2%、15.5%、22.0%。青海湖南部旱地秋季各月土壤含水量波动变化大，稳定性小于春季各月。

2.2土壤水分与气象因子的相关性分析

由表1可见，3月0-30 cm土壤含水量与3月降水量呈正相关，4月0-30 cm土壤含水量与2、3、4月降水量呈正相关，5月0-30 cm土壤含水量与2、3、4、5月降水量呈正相关，其中与5月降水量呈显著正相关。春季0-30 cm土壤含水量与3、5月降水量、春季降水量呈正相关。9月0-30 cm土壤含水量与7、8、9月降水量呈正相关，10月0-30 cm土壤含水量与7-10月各月降水量均呈正相关，其中与10月降水量呈显著正相关。11月0-30 cm土壤含水量与7-9月各月降水量均呈显著正相关，其中与9月降水量呈极显著正相关。秋季0-30 cm土壤含水量与9月降水量、秋季降水量均呈显著正相关。

2.3 春、秋季气温、降水的变化趋势

青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季气温、降水量变化趋势如图4所示。由图4a可见，青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季降水量均呈波动上升趋势，春、秋季降水量分别以每10年11.6、14.7 mm的速率增加，春、秋季降水量与年份之間的相关系数分别为0.292、0.352，未通过a=0.10的水平检验。秋季降水量增加幅度高于春季降水量，春、秋季降水量的变异系数分别为36.6%、37.5%。由图4b可以看出，青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季平均气温均呈波动升高趋势，春、秋季平均气温分别以每10年0.324、0.099℃的气候倾向率升高，春、秋季平均气温与年份之间的相关系数分别为0.274、0.106，均未通过a=0.10的信度水平检验。春季平均气温的升高幅度高于秋季平均气温，春、秋季平均气温的变异系数分别为10.3%、10.5%。

3 小结

1）青海湖南部旱地2001-2019年春季0-30 cm土壤含水量随年际延长呈极显著升高趋势，秋季0-30 cm土壤含水量随年际延长呈明显的波动变化，但升高趋势不显著。土壤含水量春季高于秋季，土壤含水量年际间变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土壤含水量呈极显著的上升趋势，而10-20 cm和20-30 cm土壤含水量呈显著的上升趋势。随着土壤深度的增加土壤含水量相应增大，稳定性进一步增加。秋季0-10 cm土壤含水量随年际延长呈微弱的增加趋势，10-20、20-30 cm土壤含水量随年际的延长则呈现微弱的减少趋势，但增减趋势均不显著。随着深度的增加，各层土壤含水量年际间变化幅度相应减少，稳定性也增大。

3）青海湖南部旱地春季各月0-30 cm土壤含水量随年际延长均呈升高趋势，其中3月和5月土壤含水量呈显著的升高趋势，4月土壤含水量的升高趋势为极显著。秋季9月0-30 cm土壤含水量随年际延长呈不显著降低趋势，10月和11月0-30 cm土壤含水量随年际延长则呈不显著升高趋势。秋季各月土壤含水量波动变化大，稳定性小于春季各月。

4）5月0-30 cm土壤含水量与5月降水量呈显著正相关。10月0-30 cm土壤含水量与10月降水量呈显著正相关。11月0-30 cm土壤含水量与7-9月各月降水量均呈显著正相关，其中与9月降水量呈极显著正相关。秋季0-30 cm土壤含水量与9月降水量和秋季降水量均呈显著正相关。

5）青海湖南部旱地2001-2019年春、秋季降水量均呈不显著的增多趋势，秋季降水量增加幅度高于春季降水量。春、秋季平均气温均呈不显著升高趋势，春季平均气温的升高幅度高于秋季平均气温。

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作者简介：郭连云（1969-），男，青海湟源人，高级工程师，主要从事气象业务工作，（电话）13897146716（电子信箱）glycloud@126.com。