云南省土壤墒情变化特征分析

王 杰，曹 言，张 鹏，张 雷

(1.云南省水利水电科学研究院，昆明 650228；2.河海大学，南京 210098)

在全球气候变化的大背景下，我国极端干旱事件频发[1]。近年来云南省干旱有进一步加剧的趋势，2009年中旬至2010年3月，西南5省发生重大旱灾，给当地造成巨大的经济损失，其中冬小麦、油菜、甘蔗等作物受旱灾尤为严重[2]。农业生产是一个连续的过程，作物生育期内任何一次干旱缺水事件都会通过对作物产量的影响累积起来[3]。而旱灾对农作物的影响往往是从土壤墒情的异常偏少开始，进而影响到农作物的长势及产量，可见研究土壤墒情的变化对农作物的生长具有重要的意义。

近年来我国对土壤湿度的研究已经取得了很大的进展，左志燕等发现中国东部春季土壤湿度与夏季降水存在密切关系，同时土壤湿度异常与温度异常相关联[4]。陈小风等建立了基于土壤墒情预测模型、降水量和地下水埋深评价方法为一体的旱情综合评估预测模型[5]。马柱国等的研究指出，中国东部地区的土壤湿度和降水具有显著的正相关关系，与温度呈负相关关系[6]。谭凯炎等的研究表明在同一层的土壤湿度的差异一般随两点距离增加而增大，垂直方向上相邻土层土壤湿度间的相关性随距离增加而减少[7]。王研峰的研究表明半干旱地区土壤湿度对不同降水事件的响应及等级和空间差异[8]。然而，云南省土壤墒情监测工作起步晚，本文利用云南省近5 a土壤墒情资料摸清其时空变化特征，以对农业生产、作物布局、干旱预报以及农业决策等提供依据。

1 研究区概况

云南省位于97°32′E-106°11′E，21°8′N-29°15′N，地势呈现西北高东南低的趋势，地形以山地为主，占全省总面积的94%，盆地或湖泊面积仅占6%， 土壤类型多达16种，其中以红色和黄色酸性土壤为主，兼有暗棕壤、紫色土、亚高山原草甸土，石灰岩等。全省属于亚热带高原季风气候，立体气候明显，多年平均气温为5～24 ℃，降水时空分配极不均匀，多年降水量为1 278.8 mm，其中汛期(5-10月)占年降水量的85%，枯水期(11月至次年4月)仅占年降水量的15%；空间上呈现南多北少，西多东少，山区大，平坝和河谷少的特点。

2 资料来源和分析方法

本研究所采用数据来源于2008-2012年云南省13个土壤墒情监测站(见图1)，其中降水和土壤湿度数据时间尺度包括月和日序列，其中土壤湿度采样深度为10、20和40 cm 3个层次的土壤重量含水量，本文相关分析中尽量选择无资料缺失或具有代表性的站点。

图1 云南省土壤墒情站点分布Fig.1 The spatial distribution of the soil moisture monitoring stations in Yunnan Province

3 结果与分析

3.1 土壤墒情的空间变化

3.1.1土壤水分空间变化特征

通过对紫金等土壤墒情监测站连续5 a不同层次的土壤重量湿度的定位观测，求得垂直土壤平均含水量。由表1可以看出，雨过铺、桥头、古城3个站点土壤含水量相对较高，紫金和绵羊冲土壤含水量相对较低，整体呈现出滇西北和滇东南地区土壤年平均含水量较大，滇中地区土壤年平均含水量相对较小的趋势。其主要原因为：一方面土壤含水量受降雨因素影响显著[9]，滇西北、滇东南降雨相对较多，而滇中地区降雨量相对较少；另一方面由于滇中地区土壤类型多高原红壤，紫色土也主要集中分布在滇中地区，其土壤质地较为疏松，保水较差，因此土壤含水量较低。

3.1.2土壤水分垂向变化特征

根据2008-2012年滇中东风、滇东南荣峰和沙坝、滇西南蚂蚁堆、滇西北桥头5个典型站点的月土壤水分动态观测资料，绘制出10、20和40 cm相邻土层之间土壤重量含水量的关系图。

从图2可以看出，在垂直距离方向上，不同深度处的土壤含水量呈显著线性相关性，且相关系数达到0.6以上。整体呈现土壤层间距离越近，其相关性越高，而荣峰站则呈现相反的趋势，即层间距离约近，相关性反而越低。而在空间方向上，滇中、滇东南以及滇西南地区相邻土层土壤重量含水量变化相对稳定，但滇西北桥头站相邻土层土壤重量含水量趋势线均大于1，且数值最大，说明其土壤重量含水量在垂直方向上波动较大，其中土壤深度在10和20 cm处的土壤重量含水量变化幅度最大，20和40 cm土壤重量含水量变化相对稳定，主要由于桥头站位于滇西北横断山区，海拔高且相对高差，土壤重量含水量受地形影响显著。

表1 2008-2012云南省各站点土壤年平均含水量 %

图2 相邻土层土壤重量含水量的关系Fig.2 The relationship of adjacent soil layer weight of moisture

3.2 土壤墒情的时程变化

3.2.1土壤水分年际变化特征

选取2008-2012年桥头站、沙坝站、紫金站、蚂蚁堆站、荣峰站和三棵树站6个站的土壤年平均含水量和逐年降水量，分析云南省年平均含水量随时间变化的趋势。

由图3可以看出，各站点土壤含水量的年际变化受地区降水影响显著，且基本上呈正相关性，即降水丰富的年份土壤含水量大，降水少的年份土壤含水量小。2009年和2011年云南省降水量较往年偏少24.7%和23%[10,11]，除沙坝站外，其余各站土壤年平均含水量最小值均出现在这两年，而各站点的土壤年平均含水量最大值均出现在降水量相对较多的2008年和2010年这两年中。

3.2.2土壤水分季节变化特征

土壤水分的季节变化主要是由于降水的季节变化、土壤质地以及地表植被覆盖情况影响的[12]。本文选取三棵树、紫金、桥头、荣峰、沙坝、大茨坪和蚂蚁堆作为典型样点，通过2008-2012年5 a各月的土壤含水量，分析这7个站点不同月份不同层间土壤平均含水量与降水的关系(见图4)，进而得出云南省各区域土壤墒情整体变化的情况。

从图4中可以发现，在土壤垂直方向上，大部分站点呈现出深度越深土壤含水量越大的趋势，其中三棵树、荣峰、紫金和蚂蚁堆4个站点均呈现40 cm>20 cm>10 cm的趋势，且10和20 cm土壤含水量比较近似；土壤各层平均含水率属于中等变异强度[13]，其中10和20 cm土壤含水量变异系数最大[14]，其离散程度较大，相较于平均值波动最大，因此在桥头站呈现20 cm>40 cm>10 cm，沙坝站呈现20 cm>10 cm>40 cm，大茨坪则呈现10 cm>40 cm>20 cm的趋势。

图3 土壤平均含水量和年平均降水量变化曲线Fig.3 The change curves of soil moisture for the average annual precipitation

图4 土壤水分随时间变化曲线Fig.4 The variable trend of the soil moisture

从时间上看，除沙坝和蚂蚁堆站外，其余站点不同深度土壤含水量最大值均出现在最大月降水量后的一个月。云南省降水主要集中在雨季(5-10月)，且夏季(6-8月)最为集中，占全年降水量的57.96%[15]，受降水季节影响，土壤含水量最大值主要集中在6-10月份，其中桥头、紫金、大茨坪以及蚂蚁堆站不同深度土壤最大含水量出现在8-9月份，而三棵树、沙坝站和荣峰(10 cm)不同深度土壤最大含水量则出现在6-7月份，荣峰站(20和40 cm)土壤最大含水量出现在10月份，不同深度土壤含水量出现的时间基本上呈现出从东南向西北逐渐推迟的趋势。而不同深度土壤含水量最小值主要出现在1-4月份，一方面由于降水较少，另一方面则是春季正是农作物大量需水高峰时期。

4 结 论

(1)通过对比云南省5个区域的土壤湿度，整体呈现出滇西北和滇东南地区土壤年平均含水量高，滇中地区土壤年平均含水量低的空间分布特征。

(2)在垂直方向上看，不同深处的土壤含水量呈显著线性相关，且整体上呈现土壤层间距离越近，相关性越高；在0～40 cm，大部分地区呈现出深度越深土壤含水量越大的趋势，即40 cm>20 cm>10 cm，但由于土壤类型、植被、灌溉方式等不同，10和20 cm相较于40 cm处土壤含水量波动更大。

(3)2008-2012年云南省土壤含水量与降水量大致呈正相关的关系，即降水丰富的年份，土壤含水量较大，反之则相反。而从季节上看，不同深度土壤含水量最大值出现在6-10月份，基本上出现在降水最多月份的后一个月，且存在一定的滞后性，总体上呈现出从东南向西北推迟的趋势；土壤含水量最小值出现在1-4月份。

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