甘肅黃土高原土壤水分變化的氣候分析

甘肅黃土高原土壤水分變化的氣候分析

0不同土壤水分對(duì)氣候變化的響應(yīng)土壤水資源來(lái)源于氣候降水，包括三個(gè)部分：地表水、地下水和土壤水。對(duì)地處半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)的黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)來(lái)說(shuō),只考慮地表水和地下水,而忽略土壤水是不完整的。黃土高原深厚的黃土覆蓋為降水資源轉(zhuǎn)化為土壤水分創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件,研究黃土高原土壤水分的變化對(duì)有效利用水資源和生態(tài)保護(hù)有重要意義。在地表、大氣和土壤之間存在不斷的水分交換,土壤水分對(duì)氣候變化起著非常重要的作用,它通過(guò)地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用影響氣候;同時(shí),氣候變化也直接引起土壤水分的變化。特別是地處內(nèi)陸的黃土高原,陸地表面的蒸發(fā)對(duì)降水的貢獻(xiàn)較大,而蒸發(fā)與土壤水分密切相關(guān),特別是土壤水分對(duì)中小尺度天氣過(guò)程能起到調(diào)節(jié)作用。有關(guān)甘肅黃土高原土壤水分變化特征(主要針對(duì)某單點(diǎn))的研究較多,如張國(guó)勝對(duì)青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)旱地土壤水分演變特征的分析和鄧振鏞對(duì)甘肅省土壤水分變化特征與分區(qū)的研究等,而對(duì)甘肅黃土高原土壤水分的氣候分析相對(duì)較少,為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)黃土高原土壤水分的氣候規(guī)律,本文對(duì)甘肅黃土高原多年土壤水分資料進(jìn)行了氣候分析。1土壤水分變化由于土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)密度小,3~7月是甘肅黃土高原主要農(nóng)作物生長(zhǎng)期,土壤水分的主要來(lái)源是降水,所以我們利用甘肅黃土高原42個(gè)氣象站1961—2000年3~7月平均降水的變差系數(shù)(刻畫(huà)觀測(cè)期間氣象要素變化劇烈程度的相對(duì)量)和降水量多年平均分布狀況對(duì)甘肅黃土高原進(jìn)行氣候分區(qū)。使用11個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站從建站(年代不一,最早1981年,最遲1988年)到2000年逐年3~11月上旬的土壤重量含水率(以下簡(jiǎn)稱(chēng)土壤水分,單位:%)旬資料作為研究對(duì)象,選取其中的靖遠(yuǎn)、環(huán)縣、西峰、定西、北道、成縣和瑪曲等有固定地段測(cè)濕的站作為代表站,對(duì)該區(qū)土壤水分變化進(jìn)行分析。其它有關(guān)統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算方法如下:(1)土壤重量含水率=土壤含水量/干土重*100%。(2)變差系數(shù)Cv:Cv=SRˉˉˉCv=SRˉ其中S為標(biāo)準(zhǔn)差,RˉˉˉRˉ為降水量平均值。S=1n∑i=1n(Ri?Rˉˉˉ)2????????????√S=1n∑i=1n(Ri-Rˉ)2(3)用一、二階主值函數(shù):f1(t)=C0+C1tf2(t)=C0+C1t+C2t2擬合土壤水分隨時(shí)間(t)的變化趨勢(shì),其中t表示年份序號(hào),C0、C1、C2為系數(shù),用最小二乘法求得;通過(guò)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)檢測(cè)趨勢(shì)的顯著性。2氣候分區(qū)劃分黃土高原土壤水分與降水量之間有很好的一致性,而有降水量資料的氣象站是42個(gè),有土壤水分資料的氣象站相對(duì)較少,為了確保氣候分區(qū)的穩(wěn)定性和合理性,采用降水變差系數(shù)為一級(jí)指標(biāo),3~7月降水量多年平均值為二級(jí)指標(biāo),將甘肅黃土高原劃分為7個(gè)氣候區(qū)域(圖1,其中Cv值擴(kuò)大了100倍),每個(gè)氣候區(qū)域選一個(gè)代表站進(jìn)行分析。(1)白銀市、反應(yīng)區(qū)、微信縣、從白銀市Cv≥0.30且降水量<200mm,為隴中黃土高原北部,包括白銀市的白銀區(qū)、平川區(qū)、靖遠(yuǎn)和景泰縣,蘭州市的永登、皋蘭縣,靖遠(yuǎn)為代表站。(2)龍東區(qū)嚴(yán)重缺水a(chǎn)2區(qū)Cv≥0.30且降水量≥200mm,為隴東黃土高原北部,包括慶陽(yáng)市的環(huán)縣和華池,環(huán)縣為代表站。(3)盤(pán)山西下土地區(qū)0.25≤Cv<0.30且降水量<250mm,隴中黃土高原中部,包括榆中、定西市北部、白銀市南部、平?jīng)鍪辛P(pán)山以西地區(qū),定西為代表站。(4)龍東地區(qū)b2區(qū)0.25≤Cv<0.30且降水量≥250mm,包括慶陽(yáng)市南部、平?jīng)鍪辛P(pán)山以東地區(qū),西峰為代表站。(5)土壤水分充足區(qū)域c區(qū)0.20≤Cv<0.25且降水量<300mm,包括天水市大部、定西市西南部、臨夏大部、甘南北部、隴南地區(qū)西北部,北道為代表站。(6)土壤含水量濕潤(rùn)區(qū)域d區(qū)0.20≤Cv<0.25且降水量≥300mm,主要是隴南市徽成盆地,成縣為代表站。(7)西市的鹽礦Cv<0.20,包括甘南大部、定西市的岷縣,瑪曲為代表站。通過(guò)分區(qū)可以看出,甘肅黃土高原的土壤水分以及降水量的分布受六盤(pán)山的影響較大。3土壤水分的主要來(lái)源是降水還是洪水用11個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1988—2000年3~7月20~30cm的平均土壤水分值繪制等值線(圖2),從中可以看出:(1)甘肅黃土高原土壤水分地域分布與年降水量分布大體一致,看來(lái)土壤水分的主要來(lái)源是降水,這與鄧振庸的研究結(jié)果一致。(2)甘肅黃土高原土壤水分從南到北逐漸減少,高值中心在甘南高原低溫陰濕地區(qū),北道—臨夏一線是分界線,向北存在土壤缺水現(xiàn)象,并逐漸加重,而南部很少有土壤缺水現(xiàn)象,甘肅黃土高原土壤水分是南濕北干。(3)隴中北部和隴東北部土壤水分小于13%,土壤常年處于缺水臨界值以下,是黃土高原土壤嚴(yán)重缺水地區(qū)。(4)黃土高原中部有一條從北向南的干舌存在。六盤(pán)山東西兩側(cè)土壤缺水程度存在差異,東部略好一些,同緯度相差2%左右。這可能是受六盤(pán)山阻擋東南季風(fēng)影響所致。4土壤水分常年平均垂直剖面分布特征4.1增長(zhǎng)期4020cm土壤含水量(1)土壤嚴(yán)重缺水區(qū)(A1區(qū)和A2區(qū))的土壤長(zhǎng)期處于缺水狀態(tài),土壤水分多年平均值在6%~13%之間,隴中區(qū)比隴東區(qū)更差。(2)土壤水分穩(wěn)定性很差,變差系數(shù)大,與其降水量少而不穩(wěn)定具有一致性,不僅表現(xiàn)在淺層(淺層土壤指0~30cm,深層為30cm以下),30cm以下也不穩(wěn)定。(3)淺層土壤嚴(yán)重缺水主要在春季和春末夏初,土壤水分多年平均值在10%以下,與該區(qū)是春旱和春末夏初干旱多發(fā)區(qū)相一致。(4)深層土壤常年處于缺水狀態(tài),80~100cm土壤水分多年平均值小于10%。(5)在6~8月中旬,隨著降水逐漸增多,淺層土壤水分有所增加,并向深層輸送,9月以后降水量減少,土壤水分下降。4.2垂直剖面分布(1)季節(jié)性土壤缺水區(qū)(B1區(qū)和B2區(qū))的土壤是季節(jié)性缺水,主要表現(xiàn)在5、6月份,該區(qū)土壤水分多年平均值在9%~21%之間,隴中區(qū)比隴東區(qū)差。(2)隴中區(qū)(圖3c)和隴東區(qū)(圖3d)10~100cm土壤水分多年平均值垂直剖面分布非常相似,淺層土壤缺水時(shí)間在5~6月,與該區(qū)是春末夏初干旱多發(fā)區(qū)相一致,不同的是隴中區(qū)在5月下旬有一短暫淺層土壤改善,與該區(qū)第一場(chǎng)≥10mm降水多年平均出現(xiàn)日期相吻合。(3)隴東區(qū)深層土壤水分較好,土壤水分低值區(qū)在30~60cm之間,在5月中間到6月中旬出現(xiàn),隴中區(qū)深層土壤水分較差,土壤水分低值區(qū)比隴東區(qū)深,在60~90cm之間,在7月上旬到8月上旬出現(xiàn)。(4)淺層土壤水分較好時(shí)段不同,隴東區(qū)在7~9月之間,隴中區(qū)在8~10月之間,土壤水分多年平均值在16%以上。(5)隨著降水逐漸增多,從7~10月淺層土壤水分有所增加,并向深層輸送,10月以后降水量減少,土壤水分緩慢下降。4.3耕作層土壤水分變化(1)從該區(qū)10~100cm土壤水分多年平均垂直剖面圖可以看出,該區(qū)土壤水分適宜,在11%~20%之間。(2)耕作層土壤水分比較穩(wěn)定,在13%以上,無(wú)明顯的土壤缺水時(shí)段。(3)土壤水分相對(duì)低值區(qū)在80~100cm之間,6月出現(xiàn)。(4)淺層土壤水分從5月下旬到10月上旬逐漸增加,從11月上旬開(kāi)始下降,進(jìn)入冬季失墑期,5月降至最低值。4.4耕作層土壤水分變化(1)從該區(qū)10~100cm土壤水分多年平均垂直剖面圖可以看出,該區(qū)土壤水分較好,在14%以上。(2)耕作層土壤水分比較穩(wěn)定,在15%以上,無(wú)土壤缺水時(shí)段。(3)土壤水分相對(duì)低值區(qū)在30~90cm之間,出現(xiàn)在5月中旬到6月中旬。(4)淺層土壤水分有2個(gè)峰值,即6~7月和9~10月,也有2個(gè)相對(duì)低值,即5月和8月。4.5土壤水分相對(duì)低值區(qū)(1)該區(qū)土壤水分較好,常年在20%以上。(2)耕作層土壤水分比較穩(wěn)定,無(wú)土壤缺水時(shí)段。(3)土壤水分相對(duì)低值區(qū)在50~70cm之間,出現(xiàn)在4月。(4)淺層土壤水分有2個(gè)峰值,即5月和8月,也有1個(gè)相對(duì)低值,出現(xiàn)在4月。5土壤含水量vd選取各氣候區(qū)代表站20~30cm土壤水分采用一、二階主值函數(shù)和年滑動(dòng)平均擬合土壤水分隨時(shí)間(t)的變化趨勢(shì),進(jìn)行時(shí)間序列分析(圖4),并和同期降水趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比,有以下特點(diǎn):(1)隴中黃土高原季節(jié)性土壤缺水區(qū)的土壤水分有上升趨勢(shì),1988—2000年上升了3.8%,峰值21.8%(2000年6月下旬),谷值3.5%(1991年7月中旬)。(2)隴東黃土高原季節(jié)性土壤缺水區(qū)的土壤水分有下降趨勢(shì),1981—2000年下降了3.2%,峰值24.0%(1983年10月上旬),谷值5.3%(1995年7月下旬)。(3)土壤嚴(yán)重缺水區(qū)的土壤水分無(wú)明顯趨勢(shì),隴中區(qū)表現(xiàn)為1994年前上升,之后下降;隴東區(qū)出現(xiàn)兩高一低波浪曲線。(4)其它區(qū)的土壤水分趨勢(shì)不明顯。土壤水分適宜區(qū)略有上升趨勢(shì),峰值為26.7%(1994年10月中旬),谷值為6.2%(1995年5月下旬);土壤水分濕潤(rùn)區(qū)略有下降趨勢(shì),峰值為22.5%(1991年5月下旬),谷值為8.5%(1997年6月下旬);甘南高原土壤水分濕潤(rùn)區(qū)也有下降趨勢(shì)。(5)土壤水分的時(shí)間變化趨勢(shì)與同期降水變化趨勢(shì)具有一致性,土壤水分谷值年份與降水干旱有對(duì)應(yīng)關(guān)系,如1991、1995、1997年,也表明黃土高原土壤水分的主要來(lái)源是大氣降水。6土壤水分的季節(jié)和年際變化特征指標(biāo)甘肅黃土高原土壤水分從西南向東北減少,中部有一條從北向南的干舌,干旱中心在隴中北部,六盤(pán)山東西兩側(cè)土壤缺水程度存在差異,東部略好一些,同緯度相差2%左右。黃土高原季節(jié)性土壤缺水區(qū)的土壤水分趨勢(shì)明顯,隴中區(qū)存在明顯上升趨勢(shì),而隴東區(qū)有明顯下降趨勢(shì),其它氣候區(qū)趨勢(shì)不顯著。不同氣候區(qū)多年平均垂直剖面特征是:隴中北部和隴東北部土壤嚴(yán)重缺水區(qū)土壤水分穩(wěn)定性很差,變差系數(shù)大,淺層土壤嚴(yán)重缺水主要出現(xiàn)在春季和春末夏初,深層土壤也常年處于缺水狀態(tài);隴中和隴東季節(jié)性土壤缺水區(qū)主要缺水在5、6月份,深層土壤水分表現(xiàn)為隴東區(qū)相對(duì)較好,隴中區(qū)較差,而土壤水分低值區(qū)隴中區(qū)比隴東區(qū)深;土壤水分適宜區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)無(wú)明