中天山北坡土壤水分的时空变化特征与其气象要素的关系

耿燕+哈不拉哈提+陈亮+沙比提+买买提+沙拉木+王珂+葛怡成+瓦哈提+阿达力+木拉提+李春雨+顾来霞+张月华+冯丽晔+玛依拉

摘 要：本文利用中天山北坡山区2003—2015年牧试站观测土壤水分资料计算土壤重量含水率、土壤水分贮存量和地面观测资料的降水、蒸发、气温、日照、风速资料，运用拟合计算分析、突变分析等方法，对中天山北坡山区13a来土壤重量含水率、土壤水分贮存量与蒸发、降水、气温、日照、风速的气象要素的关系进行分析，结果表明： 就各层±壤水分与气象要素相关性来看，±壤水分主要受蒸发量、降水量、气温、日照、风速的影响，其区域各层±壤水分对应温度具有显著负相关，且随着温度的升高而减弱；蒸发、气温和风速对土壤水分的影响最大，其次是降水，蒸发量和降水量的影响随着上壤层次的增加而减弱，气温和风速均与±壤水分呈负相关，通过对不同层次±壤水分影响的气象要素研究，得到各层±壌水分气象要素的关系。

关键词：中天山；北坡；土壤水分时空；变化；气象要素；关系

中图分类号：S15 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180133191

引言

中天山北坡地处中纬度欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，年降水量少，蒸发强烈，属于大陆性干旱气候，而天山山区由于受海拔高度变化的影响，形成了干旱气候环境下特殊的山地气候，山区相对湿润的气候环境与戈壁、沙漠、绿洲城市气候有着非常显著的差异。受气候的影响，不同土壤层次的水分受气象要素影响的程度有差异，研究分析中天山北坡反应气候变化的气象要素与土壤水分的时空变化特征关系，建立分层土壤重量含水率与蒸发量、降水量、平均温度、日照、风速的气象要素的關系对牧业生产具有明显的现实意义。

目前国内研究土壤水分变化规律较多，张静等对不同湿润条件下稻田土壤水分变化规律进行了研究，环海军等基于大面积土壤水分自动站对土壤水分优先流进行了研究，孙占祥等对不同下垫面，不同作物，不同降水等条件下的土壤水分变化规律进行了研究。但利用土壤水分的时空变化特征与其气象要素的关系研究中天山北坡的学者较少，本文利用中天山北坡乌鲁木齐市牧业气象实验站土壤水分观测系统资料和地面观测资料，分析其土壤水分的时空变化特征与其气象要素的关系据有较强的业务应用价值，为土壤水分检测预警提供参考。

1 资料来源和方法

1.1 资料来源

本文研究所用资料为中天山北坡山区时间序列较长的乌鲁木齐牧业气象试验站（2003—2015年）观测数据，土壤水分资料来源于该站安装的中环天仪股份有限公司的GStar-1型土壤湿度自动观测系统的资料，该系统安装在牧草观测地段东西坡向，坡度25?，地下水位深度≥2m，土壤为山地粟钙土，偏碱性，常见的牧草有80余种，禾本科占50%，豆科占23%，菊科占11%，是典型的山地草场，气象资料来源于土壤水分观测系统附近10km范围内对应时次的自动气象观测站逐年蒸发量、降水量、平均气温、日照的实测资料。

1.2 资料处理分析方法

1.2.1 土壤水分观测时间和方法

观测时间：多年生牧草从第1个发育期到最后一个发育期的时段内，每旬第8天取土采用烘干称重法测定土壤湿度，一般在上午进行。

1.2.2 土壤水分观测深度

测定深度一般为50cm。分0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5个层次。

1.2.3 土壤水分计算项目和公式

1.2.3.1 土壤重量含水率

式中W：土壤重量含水率%；g1：盒重（g）；g2盒与湿土共重（g）；g3盒与干土共重（g）。

1.2.3.2 土壤相对湿度

式中R：土壤相对湿度（%），W：土壤重量含水率%；fc：重量含水率。

1.2.3.3 土壤水分贮存量v=p×h×w×10

式中V：土壤水分贮存量（mm）；p：土壤容重（g/cm3）；h土层厚度（cm）；W：土壤重量含水率%。

2 分析与结果

土壤水分的时空变化是多种因素综合影响的结果，可概括为2个方面：土壤水分收入贮存和支出消耗，前者指自然降水、地下水补给和水汽凝聚；后者指土壤蒸发、气温、日照、风速等。牧试站牧草观测地段下水位深度≥2m，故土壤水分的变化主要受自然降水、气温、日照和蒸发以及风速的影响。

根据本区域气候特点和土壤水分测定实际情况，选取牧草生育期4—10月的平均蒸发量、气温、降水量、日照、风速分别与4—10月的0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm代表5个层次的±壤重量含水率和土壤水分贮存量做相关分析。

2.1 蒸发量对各层±壤水分的影响分析

选取牧草生育期内（4—10月）各旬分层0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5个层次的±壤重量含水率W和土壤水分贮存量V代表5个层次的±壤水分状况，将各层W和V与蒸发量整理见表1。

从表1作图1、图2：

从图1和图2分析得出，土壤0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5个层次的±壤重量含水率与蒸发量均呈显著的负相关，各层±壤水分随着蒸发量的增加而减少，且相关性随着土壤层次的增加呈增强趋势。

2.2 降水量对各层±壤水分的影响

新疆地处非季风区，对天山山区降水量年序列突变特征研究认为，20世纪80年代以来进入多雨时期。将牧草生育期内各旬分层±壤重量含水率W和土壤水分贮存量V以及对应各旬的降水量整理见表2。

从表2作图3和图4，如下：

从图3和图4分析得出，当降雨发生时，各层±壤水分均有波动，随着降水量的增加，土壤水分土壤重量含水率变大，每次有效降水后均出现阶段性的极大值。其中10cm±壤水分响应最为明显，经计算土壤重量含水率与降水量呈显著的正相关性，且随着土壤层次的増加，降水量对±壤体积含水率的影响逐渐减弱。其中10cm达到极显著，50cm的土壤水分受降水量的影响较小。

2.3 平均气温对各层±壤水分的影响

选取牧草生育期内（4—10月）各旬分层0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5个层次的±壤重量含水率W，土壤水分贮存量V代表5个层次的±壤水分，将各层W和V与气温整理见表3。

从表3作图5和图6，如下：

从表0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、

5个层次的±壤体积含水率与平均气温呈显著的负相关，各层±壤水分随着日平均气温的增加而减少，显示0～50cm土壤水分含量与4—10月平均气温呈极显著负相关关系，即在春季土壤解冻后随着气温的升高，土壤水分逐渐减小，温度通过影响蒸发而间接影响土壤水分，温度越高蒸散越强烈，则土壤丢失水分越多。

2.4 风速对各层土壤水分的影响

選取牧草生育期内（4—10月）各旬分层10cm、20cm、30cm、40cm、50cm的±壤重量含水率W，土壤水分贮存量V代表5个层次的±壤水分，将各层W和V与风速整理见表4。

从表4作图7、图8，如下。

从以上分析得出含水率与风速呈负相关，各层土壤水分随着风速的増强而减少，其中30cm与风速的相关性达到极显著。

3 结论

本文通过对不同气象要素不同区域各层土壤水分的影响进行分析研究发现，不同区域±壤水分变化的主导气象要素有所不同。整体来看，±壤水分主要受蒸发量、降水量、气温、日照、风速的影响。其区域各层±壤水分与平均气温、对应各层温度呈显著负相关，且随着温度的升高而减弱。就各层±壤水分与气象要素相关性来看，蒸发、气温和风速对土壤水分的影响最大，其次是降水。蒸发量和降水量的影响随着上壤层次的增加而减弱，50cm影响变化不大；平均气温和风速均与±壤水分呈负相关，整体来看中层的相关性最为显著，深层相关性较差，这是由于深层土壤体积含水率的变化主要源于土壤水分的垂直运动，因此深层土壤温度对该层的±壤水分影响不及中层和表层。通过对不同层次±壤水分的影响气象要素的研究，得到表层±壌水分影响受温度、蒸发、日照的影响。

参考文献

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作者简介：耿燕（1963-），女，本科，高级工程师，主要从事农牧业应用气象研究。