2002—2017年黄河谷地旱地土壤水分变化趋势

ChineseAgriculturalScienceBulletin

2002—2017年黄河谷地旱地土壤水分变化趋势

魏萍

（青海省贵德县气象局，青海贵德811799）

摘要：运用青海省贵德县气象局观测的2002—2017年旱地土壤水分资料，分析了该地区0~30cm土壤水分变化特征，结果显示：2002—2017年来春季0~30cm土壤水分呈显著降低趋势，秋季0~30cm土壤水分变化趋势较平稳，春、秋季土壤水分年际变化均很明显。春季0~30cm各层土壤水分均呈现极显著的降低趋势，秋季0~10cm土壤水分随年际呈微弱的增加趋势，10~20、20~30cm土壤水分随年际的延长呈现微弱的减少趋势，各层土壤水分较春季大。春季各月0~30cm土壤水分随年际均呈降低趋势，秋季各月土壤水分的增减趋势不明显。春、秋季气温显著升高，春季降水变化趋势比较平稳，秋季降水量呈不显著增多趋势。

关键词：黄河谷地；旱地；土壤水分；变化趋势中图分类号：S152

文献标志码：A

论文编号：casb18060011

VariationTrendofAridFarmlandSoilMoistureoftheYellowRiverValley,2002-2017

(GuideMeteorologicalBureauofQinghai,GuideQinghai811799)

WeiPing

Abstract:Themoisturevariationtrendof0-30cmsoilinGuide,Qinghaiwasanalyzedbasedonthearid

farmlandsoilmoisturedataofGuideweatherbureaufrom2002to2017.Theresultsshowedthatthesoilautumnwasstable.Theannualchangeofsoilmoisturewasobviousinspringandautumn,thesoilmoistureof0-30cmineachlayerpresentedaverysignificantdecreasingtrendinspring,butinautumn,thesoilmoisture

moistureof0-30cmlayerinaridfarmlanddecreasedsignificantlyinspringduring2002to2017,andthatinof0-10cmshowedaweakinterannualincreasingtrend,thesoilmoistureof10-20and20-30cmdecreasedspringmonthhadaninterannualdecreasingtrend,butthechangingofsoilmoistureinautumnmonthswasnotobvious.Thetemperatureincreasedsignificantlyinbothspringandautumn,thechangeofprecipitationwasrelativelystableinspring,andhadaninsignificantincreaseinautumn.0引言

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[1]。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[2-3]。中国的半干旱地区占国土面积的21.7%[4]，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，因此在

Keywords:theYellowRivervalley;aridfarmland;soilmoisture;changetrend

干旱半干旱地区对土壤水分的研究十分重视[5-9]。土壤水分在作物关键生育时段的分布，是制约农作物生长的主要因素[10-12]，同时土壤水分状况对土壤物理性质和植被生长状况也有重要影响[13-16]。郭彪等[17]对晋西北黄土区不同植被春季土壤水分动态变化特征进行过研究，发现土壤水分含量随深度的变化总体呈现先增加后减少然后趋于恒定的变化趋势；魏永林等[18]对青海湖地区天然草地土壤水分动态变化及对牧草生物量的影响进行了研究，得出0~30cm土层土壤含水率受天

slightly,andthesoilmoistureofeachlayerwaslargerthanthatofspring.Thesoilmoistureof0-30cmineach

作者简介：魏萍，女，1969年出生，青海湟源人，工程师，大专，主要从事综合气象业务工作。通信地址：811799青海省贵德县气象局，Tel：0974-8553331，E-mail：1228701873@qq.com。收稿日期：2018-06-03，修回日期：2018-08-05。

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气、牧草生长等因素影响干湿变化明显，30~50cm土层土壤含水率的变化相对较稳定；张国胜等[19]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；魏鹏等[20]对2006—2008年贵南县春、秋季土壤水分变化进行了分析，发现土壤水分年际变化明显，春季土层由浅至深土壤含水量逐渐增大，秋季土壤含水量则呈现出两头低，中间高的变化特点。因此，深入分析青海省黄河谷地贵德旱作区土壤水分及其变化规律，对于黄河谷地贵德地区农牧业生产具有重要的指导意义。1材料与方法1.1研究区概况

贵德县地处黄河上游，属于青海省东部农业区，隶属于海南藏族自治州。黄河自西向东横穿县境中部，全境地势南北高，中间低，形成四山环抱的河谷盆地。总面积3504km2，县城海拔2230m，辖4镇3乡，119个行政村，总人口10.6万人，其中农业人口8.63万人，占总人口的81.5%，耕地面积1.28×104hm2。产业结构以农业为主，畜牧业占相当比重，并辅之轻工业。主要农产品有：小麦、油菜、蔬菜、果品等，是青海省粮食和蔬菜的重要生产基地。

贵德县深居高原内陆，属于高原大陆性气候，光照时间长，太阳辐射强，春季干旱多风，夏季短促凉爽，秋季阴湿多雨，冬季漫长干燥，气温日较差大。年平均气温为7.6℃，年平均降水量250~559mm，无霜期166天，作物生长期223天。1.2资料来源

土壤水分资料采用青海省黄河谷地贵德县气象局2002—2017年旱地固定观测地段土壤表层10cm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资料，观测地段为山地，距贵德县气象局14km。采用土钻法进行土壤含水量的测定，测定深度为30cm；每间隔10cm取一次样本土壤，各测定3个重复，随后在105℃烘箱内烘干24h，获取0~30cm土壤水分数据，以重量百分数来表示土壤水分含量。气象资料为同期的黄河谷地贵德县国家基本气象站观

测资料。1.3研究方法

1.3.1线性趋势[21]用线性趋势法分析土壤水分和气候要素的变化趋势，如(1)所示。

xi=a+bti式中，x为要素值，(i=1a,2为常数项，,3,⋯,n)……………………b为回归系数（倾向(1)率），

i为时间序列的年份。a和b可用最小二乘法估算。气候倾向率b值符号反映上升或下降的变化趋

势。用线性相关系数判断变化趋势的程度是否显著，给定显著性水平a，若|r|>ra，表明x随时间t的变化趋势是显著的，否则表明变化趋势是不显著的。1.3.2统计分析采用Excel2003进行数据、图表处理与分析。2结果与分析2.1春、秋季土壤水分的变化趋势2.1.1春、秋季0~30cm土壤水分的年际变化由图1a可知，黄河谷地旱作区春季0~30cm土壤水分呈逐年降低趋势，气候倾向率为0.32%/a，土壤水分与年份之间的相关系数为0.677，通过信度α=0.01的检验，说明春季0~30cm土壤水分的降低是极显著的。春季0~30cm多年平均土壤水分为29.3%，2002—2017年16年中有9年春季土壤水分高于多年平均值，占56%；低于多年值的为7年，占44%。2013年开始春季土壤水分值明显低于多年平均值。土壤水分最高为38.1%2006年），最低为19.3%（2013年），春季最高年土壤水分是最低年的1倍，说明春季土壤水分的年际变化很明显。

图1b是黄河谷地旱作区秋季0~30cm土壤含水量随年份的变化趋势，由图1b可见，2002—2017年黄河谷地旱作区秋季0~30cm土壤水分随年际变化比较平稳，气候倾向率仅为-0.07%/10a，未通过信度0.10的检验。秋季土壤水分的多年平均值为36.1%，最高值为42.8%（2011年），最低值为24.0%（2015年），最高值比最低值偏多78.3%，秋季土壤水分年际间变化幅度也比较大。

2.1.2春、秋季0~30cm分层土壤水分的年际变化2002—2017年黄河谷地旱作区春季0~10、10~20、20~30cm土壤水分变化趋势如图2a所示，从图2a可见，2002—2017年黄河谷地旱作区春季0~10、10~20、20~30cm土壤水分均呈下降趋势，气候倾向率分别为2.86%/10a、3.06%/10a、3.63%/10a，土壤水分与年份之间的相关系数分别为0.629、0.650、0.657，均通过信度α=0.01的检验，说明2002—2017年黄河谷地旱作区春季0~10、10~20、20~30cm土壤水分的下降趋势是极显著的。其中以20~30cm土壤水分下降趋势最为明显，其次是10~20cm，最小是0~10cm。黄河谷地旱作区春季0~10、10~20、20~30cm土壤平均水分分别为8.5%、9.9%、11.0%，随着土壤深度的增加土壤水分相应增大。黄河谷地2002—2017年春季0~10、10~20、20~30cm土壤水分最小值分别为4.9%、6.3%、6.5%，最大值分别为11.7%、12.6%、15.6%，最大值比最小值

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ａ４０３５３０２５２０１５２００２中国农学通报http://www.casb.org.cn

ｂ含水率平均值线性趋势４８含水率平均值线性趋势秋季0~30cm土壤含水率/%春季0~30cm土壤含水率/%４３３８３３２８２３ｙ　＝　－０．００７ｘ　＋　３６．１１２Ｒ　＝　４Ｅ－０５ｙ　＝　－０．３１８４ｘ　＋　１２．４７３２Ｒ　＝　０．４５７９５００２８００２１１０２４１０２７１０２２００２５００２８００２１１０２４１０２７１０２年份年份图12002—2017年春、秋季0~30cm土壤水分变化趋势

偏多1.0~1.4倍，年际间变化幅度较大。

图2b是2002—2017年黄河谷地旱作区秋季0~10、10~20、20~30cm土壤水分变化趋势，可以看出，秋季0~10cm土壤水分随年际呈微弱的增加趋势，气候倾向率为0.36%/10a(P＞0.10)。10~20、20~30cm土

ａ壤水分随年际的延长呈现微弱的减少趋势，气候倾向率分别为0.099%/10a(P＞0.10)、0.334%/10a(P＞0.10)。秋季0~10、10~20、20~30cm土壤水分区间值在7.6%~14.7%之间，最高值是最低值的1倍左右，各层土壤水分年际间变化幅度大。

ｙ＝　－０．３０５５ｘ　＋　１２．４９１１０￣２０　ｃｍ　10~20cm２Ｒ　＝　０．３９５５１８０￣１０　ｃｍ0~10cm１０￣２０　ｃｍ10~20cm２０￣３０　ｃｍ20~30cm春季土壤水分／％１６１４１２１０８６４ｙ＝　－０．２８６４ｘ　＋　１０．８９0~10cm０￣１０　ｃｍ　ｙ＝　－０．３６３２ｘ　＋　１４．０３９２０￣３０　ｃｍ　20~30cm２Ｒ　＝　０．４３１２２Ｒ　＝　０．４２２２００２２００３２００４２００５２００６２００７２００８２００９２０１０２０１１２０１２２０１３２０１４２０１５２０１６２０１７年份ｂ１７０￣１０　ｃｍ0~10cm１５１３１１９７10~20cm１０￣２０　ｃｍ２０￣３０　ｃｍ20~30cm秋季土壤水分／％ｙ＝　０．０３６４ｘ　＋　１１．２６３ｙ＝　－０．００９９ｘ　＋　１２．３５９０￣１０　ｃｍ　0~10cm１０￣２０　ｃｍ　10~20cm２２Ｒ　＝　０．００６８Ｒ　＝　０．０００６ｙ＝　－０．０３３４ｘ　＋　１２．４８８２０￣３０　ｃｍ　20~30cm２Ｒ　＝　０．００８８２００２２００３２００４２００５２００６２００７２００８２００９２０１０２０１１２０１２２０１３２０１４２０１５２０１６２０１７年份图22002—2017年春、秋季0~10、10~20、20~30cm土壤水分含量变化趋势

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2002—2017年黄河谷地旱作区0~10、10~20、20~30cm土壤水分最小值均出现在春季，0~10、10~20cm土壤水分最大值出现在秋季，而20~30cm土壤水分最大值出现在春季。

2.1.3春、秋季各月土壤水分的年际变化图3a是2002—2017年黄河谷地旱作区春季3、4、5月0~30cm土壤水分变化趋势，可以看出，黄河谷地旱作区春季3、4、5月0~30cm土壤水分随年际均呈降低趋势，气候倾向率分别为-0.59%/10a、-3.09%/10a、-5.78%/10a，土壤水分与年份之间的相关系数分别为0.118、0.597、0.797，除3月土壤水分的减少趋势不显著外(P＞0.10)，4月和5月土壤水分的减少趋势极显著。可见黄河谷地旱作区春季土壤水分的减少主要是由4月和5月土壤水分的减少引起的。

图3b是2002—2017年黄河谷地旱作区秋季9、10、11月0~30cm土壤水分变化趋势，可以看出，黄河谷地旱作区秋季9月0~30cm土壤水分随年际延长呈降低趋势，气候倾向率为-2.09%/10a(P＞0.10)，降低趋势不显著。10、11月0~30cm土壤水分随年际延长

ａ２０则呈升高趋势，气候倾向率分别为1.10%/10a(P＞0.10)、0.57%/10a(P＞0.10)，10、11月土壤水分的升高趋势不显著。黄河谷地旱作区秋季各月土壤水分的增减趋势不明显，变化比较平稳。2.2春、秋季气温、降水的变化趋势

图4a为黄河谷地旱作区2002—2017年春季气温、降水变化趋势，由图4a可见，黄河谷地旱作区2002—2017年春季平均气温呈显著升高趋势，以每10年0.69℃的速率升高，气温与年份之间的相关系数0.515，通过α=0.05的水平检验。而春季降水量变化趋势比较平稳，气候倾向率仅为0.25mm/10a，相关系数0.006，未通过信度α=0.10的水平检验。由图4b可以看出，黄河谷地旱作区2002—2017年秋季平均气温以每10年1.12℃的气候倾向率升高,气温与年份之间的相关系数为0.679，通过α=0.01的信度水平检验。秋季降水量以每10年20.29mm的气候倾向率增多，降水量与年份之间的相关系数为0.360，未通过α=0.10的信度水平检验，说明秋季降水量的增多趋势是不显著的。

从上述可以得出，2002—2017年期间，黄河谷地

ｙ＝　－０．０５８９ｘ　＋　９．９７８９３月　２　Ｒ＝　０．０１３８３月４月５月ｙ＝　－０．３０９４ｘ　＋　１２．２２４４月　ｙ　－０．５７７９ｘ　＋　１５．１５９５月＝２Ｒ　＝　０．６３４８２Ｒ　＝　０．３５５８春季土壤水分／％１５１０５０２２３２４２５２６２７２８２９２０２１２２２３２４２５２６２７００００００００１１１１１１１１００００００００００００００００２年份ｂ２０．０１５．０１０．０５．００．０９月１０月１１月秋季土壤水分／％ｙ＝　－０．２０８７ｘ　＋　１４．１３２９月　Ｒ　＝　０．０９８７２ｙ＝　０．１１０２ｘ　＋　１１．３６１１０月　Ｒ　＝　０．０４３３２ｙ＝　０．０５６７ｘ　＋　９．９６５８１１月　２Ｒ　＝　０．０３５１２００２２００３２００４２００５２００６２００７２００８２００９２０１０２０１１２０１２２０１３２０１４２０１５２０１６２０１７年份图32002—2017年春、秋季各月土壤水分含量变化趋势

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ａ春季中国农学通报http://www.casb.org.cn

气温降水量１２．０１０．０８．０６．０４．０２．００．０２００２ｙ＝　０．０６９３ｘ　＋　９．２９６７气温　２Ｒ　＝　０．２６５２２００４２００６ｙ＝　０．０２５４ｘ　＋　５９．２１５降水　２Ｒ　＝　４Ｅ－０５２００８２０１０２０１２２０１４２０１６１００９０８０７０６０５０４０３０２０１００年份ｂ秋季１２．０１０．０气温降水量气温／℃６．０４．０２．００．０２００２２００４２００６２００８２０１０２０１２２０１４２０１６年份图42002—2017年贵德春、秋季气温、降水变化趋势

旱作区春、秋季气温显著升高，春季降水变化趋势比较平稳，增加的幅度很小，而秋季降水量虽然呈增多趋势，但增多趋势不显著。这种气温显著升高与降水量变化较平稳或增加不显著的趋势导致春、秋季土壤含水量逐年减小。3结论

（1）2002—2017年黄河谷地旱作区春季0~30cm土壤水分呈显著降低趋势，秋季0~30cm土壤水分变化趋势较平稳，呈不显著减少趋势。土壤水分秋季高于春季，春、秋季最高年份的土壤水分是最低年份的1倍，年际变化很明显。

（2）2002—2017年黄河谷地旱作区0~30cm春季各层土壤水分均呈现极显著的降低趋势，其中以20~30cm土壤水分下降趋势最为明显，其次是10~20cm，最小是0~10cm。秋季0~10cm土壤水分含量随年际呈微弱的增加趋势，10~20、20~30cm土壤水分随年际的延长呈现微弱的减少趋势，各层土壤水分的幅度较春季大。这主要由于春季随着气温回升，土壤自上而

下开始融化，到了4、5月份气温回升进一步加快，旱地作物生长发育加快，土壤蒸发和植物蒸腾都逐渐增加，而同期降水量较少，造成土壤水分不断降低。进入秋季后，降水尽管逐步减少，但由于西北地区春季、夏季、秋季的土壤水分主要受前1~2个月大气水分的影响[22]，受前期降水的积累，0~10cm土壤水分容易得到补给，土壤水分仍能保持较高水平。

（3）2002—2017年黄河谷地旱作区春季各月0~30cm土壤水分随年际延长均呈降低趋势，除3月土壤水分的减少趋势不显著外，4、5月土壤水分的减少趋势极显著。黄河谷地春季土壤水分的减少主要是由4、5月土壤水分的减少引起的。秋季各月土壤水分的增减趋势不明显，变化比较平稳，9月0~30cm土壤水分含量随年际延长呈不显著降低趋势，10、11月0~30cm土壤水分随年际延长则呈不显著升高趋势。

（4）2002—2017年黄河谷地旱作区春、秋季气温显著升高，春季降水变化趋势比较平稳，增加的幅度很小，秋季降水量虽然呈增多趋势，但增多趋势不显著。

降水量／ｍｍ８．０ｙ　　０．１１２３ｘ　＋　７．００８３ｙ＝　２．０２９３ｘ　＋　５０．９４５气温＝降水　２２Ｒ　＝　０．４６０９Ｒ　＝　０．１２０９１６０．０１４０．０１２０．０１００．０８０．０６０．０４０．０２０．００．０降水量／ｍｍ气温／℃魏萍：2002—2017年黄河谷地旱地土壤水分变化趋势·77·

这种气温显著升高与降水量变化较平稳或增加不显著的变化导致春、秋季土壤水分逐年减小。

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