甘南合作地区牧草生长季土壤水分气候变化特征

宁和平，刘 丽，栾振斌，罗王军

（1陇南市气象局，甘肃武都 746000；2陇南市宕昌县气象局，甘肃宕昌 746500；3甘南藏族自治州气象局，甘肃合作 747000）

0 引言

土壤是地球表层系统的重要组成部分，而土壤条件是影响陆地表面植物生长的重要因素。土壤水分作为地表水的重要组成部分，是直接影响植被生长的重要因素之一，其变化对草地生态系统具有重要的影响[1-3]。土壤水分作为土地可持续利用、水资源规划与管理及节水农业技术研究的基础，是限制干旱半干旱地区植物生长和分布的主要因子之一[4-6]，其研究已引起许多学者的极大关注[7-9]。杨兴国等[10]对甘肃河东地区雨养农业区土壤湿度的时空变化及分布规律、降雨量的补给和作物土壤水分状况进行了研究，从而为合理利用土壤水资源提供科学依据；陈少勇等[11]研究了黄土高原土壤湿度的地域和时间分布特征以及土壤湿度对生态的影响，认为土壤湿度作为陆面研究过程中的重要参量，对气候变化起着非常重要的作用，并指出农牧林生产和生态环境变化对土壤水分气候条件的依赖性很强；孙秉强等[12]对甘肃黄土高原土壤水分的气候特征进行了分析，并根据土壤水分的时空分布将甘肃黄土高原划分了7个不同的气候区；而邵晓梅等[13]对陇中黄土高原丘陵沟壑区土壤水分动态变化进行了分析，得出该区域土壤水分季节性变化受该地区降雨的强烈影响，土壤水分垂直变化在浅层的变化幅度均比深层的变化幅度大；王锡稳[14]等对黄土高原典型半干旱区水热变化及其土壤水分响应进行研究，认为该区域土壤水分总体上呈下降趋势，土壤水分对降水、气温的气候变化响应明显。以上等多种研究主要是针对半干旱区黄土高原这一典型地域土壤湿度的研究，而对甘肃甘南高原高寒地区这一特定区域土壤水分的研究非常少。甘南藏族自治州合作市位于甘肃省西南部，地处青藏高原东北边缘，是甘肃省10个纯牧业县（市）之一。境内植被主要以天然草场为主，是甘南草原的重要组成部分之一，草地类型以亚高山草甸草地为主。畜牧业是当地的主要经济支柱产业，其发展对草地资源的依赖性很强。甘南合作地区亚高山草甸牧草生长期水分供给主要来源于自然降水，因而，牧业生产及草地生态环境变化对土壤水分气候条件的变化很敏感，依赖性强。分析研究该区域亚高山草甸牧草生长期4—9月份土壤水分的变化规律及其对天然牧草生物量的影响，对草地生态环境的保护、治理及畜牧业的可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究资料

选取甘南合作地区1994—2013年中4—9月期间逢8、18、28日人工所测的土壤重量含水率（土壤含水量占干土质量百分比）资料数据为研究对象（2014年自动土壤水分站投入业务运行），对个别缺测的资料用线性内插法进行了插补，以保证资料序列的完整性。

1.2 研究方法

1.2.1 气候趋势与倾向率 文中，浅层地温的气候倾向率采用一元线性方程分析方法，见公式(1)，趋势变化率方程见公式(2)。

式中，y为气象要素的拟合值；t为时间；a0为常数项；a1为线性趋势项，将a1×10称为气候倾向率，单位为%/10 a。方程中的a0和a1可用最小二乘法确定。

1.2.2 Mann-Kendall突变检验法 气候突变是气象要素变化过程中存在的某种不连续现象，普遍存在于气候变化中。本研究以土壤重量含水率为考察对象，采用Mann-Kendall法（简称M-K法）进行突变检验。Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法[15]，其优点是样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算也比较简便，而且可以明确突变开始的时间，并指出突变区域。其方法是对具有n个样本量的时间序列x，构造一个秩序列，见公式(3)。

式中，秩序列Sk是第i时刻数值大于第j时刻数值个数的累计数，ri表示第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计数。

在时间序列随机独立的假设下，定义统计量，见公式(4)。

式中，UF1=0，E(Sk)、Var(Sk)是Sk的均值和方差。给定显著性水平a=0.05，则临界值U0.05=±1.96，当当|UFk|＞Ua时，表明土壤水分存在明显的增加或减少趋势。分别绘制出正向序列(UF)和反向序列(UB)曲线，如果统计曲线UF、UB在临界线（信度线±1.96）之间出现交点，则交点对应的时刻就是突变开始的时间。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。

2 结果与分析

2.1 土壤水分的气候倾向率

气候倾向率分析结果（表1）表明，近20 a来，合作地区牧草生长季土壤湿度仅20 cm处在6、7月份出现小幅的下降，其余时段各层土壤湿度均呈现出不同程度的增加趋势，增幅为0.9%～4.5%/10 a。其中10 cm处湿度增加最明显，平均增幅为2.3%/10 a。20 cm处增幅最小，为1.0%/10 a。较深层30～50 cm处的土壤湿度增幅基本接近。10 cm处土壤湿度在9月份增幅明显高于其余月份，4月份增幅最小；20 cm处土壤湿度在9月份增幅最大，其次是4月份，6、7月份则出现不同程度的下降趋势；30 cm处土壤湿度在9月份及4月份倾向率最大，8月份最小；40 cm、50 cm处土壤湿度均在4月份增湿最显著。

表1 牧草生长季土壤水分的气候倾向率 %/10 a

总体来说，合作地区牧草生长季土壤湿度10～30 cm在9月增湿最明显，其中10 cm土壤湿度在9月增幅最大，为4.5%/10 a，40～50 cm在4月份增湿幅度最大，8月份最小。牧草生长盛期夏季土壤湿度倾向率为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来，合作地区牧草生长季土壤湿度呈增加的趋势，其中以浅层10 cm增湿的趋势最为明显（图1）。较深层30～50 cm增湿幅度基本相同。

图1 合作地区夏季10 cm土壤水分变化

2.2 土壤水分的垂直变化特征

图2表明，土壤水分自上而下变化幅度逐渐减小，浅层10～20 cm土壤水分的变化幅度明显大于较深层30～50 cm，30～50 cm其变化相对较平缓，10 cm处土壤湿度变化最剧烈。20 cm处土壤湿度最大，随着深度的增加，土壤湿度呈递减的趋势，50 cm处湿度最小。

甘南合作地区地处高原，地下水位较深，土壤水分的补充主要来源于自然降水。降水对土壤水分的补给起着决定性的作用。浅层0～20 cm湿度对降水的响应最为敏感，同时又受自然蒸发、作物蒸散等影响，其变化幅度大于较深层土壤湿度。

2.3 土壤水分的季节变化特征

在季节变化上，从图2可以看出，浅层0～20 cm及较深层30～50 cm土壤湿度其周年变化趋势都呈相似的两峰两谷型。春季4月份合作地区降水相对较少，气温上升较快，大风日数多而风速较大，气候相对干燥，蒸发增大，同时天然牧草相继返青生长，牧草对水分的需求逐渐增加，草地土壤水分支出大于水分收入，失熵较多，土壤湿度缓慢下降。5月份，随着降水的逐渐增多，土壤所接收的水分明显增多，土壤含水率逐渐增大，湿度缓慢升高。牧草在不同生长阶段对水分的需求不同，牧草生长速度较快时，对土壤水分的需求量大大增加。6月中旬，牧草即将进入抽穗期，生长速度明显较前期加快，因而对土壤水分的需求增加，土壤湿度呈现较明显的下降趋势，出现了一个低值区。6月下旬—7月末，进入合作地区的雨季，降水量增多，土壤水分整体上升，土壤湿度达到高值区。此时，也是合作地区牧草生长的盛期，降水量对土壤水分的充分补给有利于牧草的生长发育。8月上、中旬，进入合作的伏旱期，此阶段，降水量偏少，气温较高，而牧草对土壤水分的需求仍然较大，土壤湿度下降，呈现出又一个低值区。8月下旬，随着牧草种子成熟，牧草对水分的需求减少，9月份，合作地区进入秋季连阴雨期，降水量增多，土壤水分又呈较明显的上升阶段，土壤湿度又出现另一个高值区。

图2 合作地区0～50 cm深度土壤湿度垂直变化

2.4 土壤水分的年际变化特征

图3可以看出，近20年来，合作地区牧草生长季土壤湿度总体上呈现出上升趋势，其中2003年之前为较明显的下降趋势阶段，多为位负距平变化，2000年及2002年负距平值最大。2004年以来呈现上升的趋势，以正距平变化为主，2009年之后土壤湿度上升的趋势更为明显，2012年正距平值最大。这说明，不同年份气候、环境等条件变化使得土壤水分条件存在着年际间的差异。

图3 合作地区土壤湿度距平百分率年际变化

2.5 土壤湿度的突变分析

应用Mann-Kendall方法，以20 cm、40 cm土壤湿度为代表，检测1994—2013年合作地区土壤湿度序列的突变状况。结果（图4）表明，自2008年以来，20 cm土壤湿度的正向序列曲线UF＞0，表明20 cm土壤湿度从2008年开始呈上升的趋势，根据UF和UB曲线的交点位置，可以确定2006年为20 cm土壤湿度升高的突变起始年，但这种升高的趋势没有通过0.05显著性水平（临界值U0.05=±1.96），说明20 cm土壤湿度升高趋势不显著。

图4 合作地区20 cm土壤湿度Mann-Kendall统计量曲线

40 cm土壤湿度从2008年开始呈现上升的趋势（图略），根据UF和UB曲线的交点位置，确定2008年为40 cm土壤湿度升高的突变起始年，升高趋势不显著。

综上述分析，1994—2013年中，合作地区20 cm、40 cm土壤湿度均出现了升高突变，但这种升高的趋势不显著。其中20 cm土壤湿度升高突变的时间略早于40 cm。

2.6 土壤湿度与降水和气温间的关系分析

通过对合作地区夏季土壤湿度与夏季平均气温及降水量的相关性进行分析，结果表明（表2），夏季各层土壤湿度与同期降水量及平均气温均呈显著的正相关，其中夏季20 cm土壤湿度与降水量相关最为显著，相关系数达到0.76，其余各层均超过0.5或接近0.5。说明降水量对土壤湿度的变化起着决定性的作用。选取夏季20 cm土壤湿度，通过分析其与夏季降水量的变化，发现两者在变化趋势上有着较好的一致性（图5），2003年之前两者都呈明显的下降趋势，而之后则呈现出上升的趋势。

表2 合作地区夏季不同深度土壤湿度与夏季降水量、平均气温的相关系数

图5 甘南合作地区夏季20 cm土壤湿与夏季降水量年际变化

夏季土壤湿度与同期平均气温亦呈正相关，这与人们的预期似乎不符。合作地区地处青藏高原边缘，具有明显的高寒阴湿气候特点，降水量受季风影响，四季变化很大，其暖季多，冷季少，即呈“雨热同季”的特点。因而夏季气温高，降水量相应亦多，两者基本同步，土壤湿度与气温在一定程度上亦呈现出正相关。这也体现出甘南合作地区特殊的气候特征。

3 讨论

3.1 气象要素与土壤水分的关系

相关研究指出，土壤水分的变化与气象因素密切相关[16-18]，其中降水量及气温对土壤湿度的影响尤为显著[19-21]，这与本研究的结论基本一致。半干旱地区土壤水分的主要补充源来自于大气降水[22-24]，土壤水分对降水量的变化响应明显[11,14]，说明降水量是影响土壤含水量变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来源，因而是影响植物生长与空间分布的关键因素,对维持整个生态系统的稳定具有重要作用[20]。

3.2 土壤水分变化对牧草生长的影响

天然牧草的生长、发育和产量的形成与气候因素间有着密切的联系[28-30]，其产量与整个生育期的光、温、水分条件均有着较为显著的关系[31-32]。对高寒草原天然草地牧草产量影响最大的气象要素是降水量[18-19]。经对牧草生长季各月牧草生物量与前期土壤水分条件进行相关性分析发现（表略），合作地区5—9月天然牧草总产量与上一年度秋末10月份土壤含水率呈正相关（通过0.10显著性检验），这说明封冻前土壤湿度对翌年牧草生长发育有着一定的正贡献作用。4月上旬（4月8日）、中旬（4月18日）0～30 cm土壤含水率与5月份牧草产量的正相关性更为显著，均达到0.05的相关性水平，表明此阶段牧草返青后生长发育对水分的需求加剧，而良好的水分条件对牧草的生长有一定的促进作用。5月上旬（5月8日）土壤含水率与当月牧草产量呈现出一定的负相关，其余时段均为正相关。6月上旬、中旬土壤含水率对本月及7月份牧草产量的正贡献较明显，其余时段不显著。8～9份牧草生物量与当年4月28日、5月18、28日、6月18日、7月8日土壤水份呈正相关，但显著性不显著，其余为负相关。说明随着牧草的成熟，其生长减缓，对水分的需求亦逐渐减弱，土壤水分对牧草生物量形成的贡献率明显减小。

分析表明，不同深度土层不同时段的土壤水分变化对天然牧草生物量的影响不同，合作地区牧草生长季牧草生物量主要还是受当年土壤水分变化的影响，特别是0～30 cm深度层次土壤水分影响较大，而较深层土壤含水率变幅较小，其对牧草生物量的影响也相对较弱。

4 结论

1994—2013近20 a来，甘肃甘南合作地区牧草生长季土壤湿度呈增加的趋势，其中以浅层10 cm深度增湿的趋势最为明显；0～20 cm深度湿度对降水的响应最为敏感，其变化幅度大于较深层土壤湿度。随着深度的增加，土壤湿度呈递减的趋势。在季节变化上，浅层0～20 cm深度及较深层30～50 cm深度土壤湿度其周年变化趋势都呈相似的两峰两谷型，其中6月中旬、8月中旬，土壤湿度分别呈两个低值区，7月中、下旬及9月份土壤湿度出现两个高值区。在年际变化上，近20年来，合作地区牧草生长季土壤湿度总体上呈上升趋势，2009年之后这种上升的趋势更为明显；20 cm、40 cm土壤湿度均出现了升高突变，但这种升高的趋势不显著。合作地区夏季各层土壤湿度与同期降水量均呈显著的正相关，降水量对土壤湿度变化起决定性作用；合作地区“雨热同季”的气候特点，土壤湿度与气温在一定程度上亦呈现出正相关。在气候变暖的背景下，土壤水分的变化，对牧草生长起着一定的制约作用。