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不同土壤水分對氣候變化的響應(yīng)土壤水資源來源于氣候降水，包括三個部分：地表水、地下水和土壤水。對地處半干旱、半濕潤地區(qū)的黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)來說,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,土壤水分對氣候變化起著非常重要的作用,它通過地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用影響氣候;同時,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),特別是土壤水分對中小尺度天氣過程能起到調(diào)節(jié)作用。有關(guān)甘肅黃土高原土壤水分變化特征(主要針對某單點(diǎn))的研究較多,如張國勝對青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)旱地土壤水分演變特征的分析和鄧振鏞對甘肅省土壤水分變化特征與分區(qū)的研究等,而對甘肅黃土高原土壤水分的氣候分析相對較少,為了進(jìn)一步認(rèn)識黃土高原土壤水分的氣候規(guī)律,本文對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站點(diǎn)密度小,3~7月是甘肅黃土高原主要農(nóng)作物生長期,土壤水分的主要來源是降水,所以我們利用甘肅黃土高原42個氣象站1961—2000年3~7月平均降水的變差系數(shù)(刻畫觀測期間氣象要素變化劇烈程度的相對量)和降水量多年平均分布狀況對甘肅黃土高原進(jìn)行氣候分區(qū)。使用11個農(nóng)業(yè)氣象觀測站從建站(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(以下簡稱土壤水分,單位:%)旬資料作為研究對象,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濕的站作為代表站,對該區(qū)土壤水分變化進(jìn)行分析。其它有關(guān)統(tǒng)計量的計算方法如下:(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擬合土壤水分隨時間(t)的變化趨勢,其中t表示年份序號,C0、C1、C2為系數(shù),用最小二乘法求得;通過相關(guān)系數(shù)檢驗檢測趨勢的顯著性。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,有土壤水分資料的氣象站相對較少,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)為一級指標(biāo),3~7月降水量多年平均值為二級指標(biāo),將甘肅黃土高原劃分為7個氣候區(qū)域(圖1,其中Cv值擴(kuò)大了100倍),每個氣候區(qū)域選一個代表站進(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,包括慶陽市的環(huán)縣和華池,環(huán)縣為代表站。(3)盤山西下土地區(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,包括慶陽市南部、平?jīng)鍪辛P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山的影響較大。3土壤水分的主要來源是降水還是洪水用11個農(nóng)業(yè)氣象觀測站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,看來土壤水分的主要來源是降水,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≥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,無明顯的土壤缺水時段。(3)土壤水分相對低值區(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,無土壤缺水時段。(3)土壤水分相對低值區(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個峰值,即6~7月和9~10月,也有2個相對低值,即5月和8月。4.5土壤水分相對低值區(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,無土壤缺水時段。(3)土壤水分相對低值區(qū)在50~70cm之間,出現(xiàn)在4月。(4)淺層土壤水分有2個峰值,即5月和8月,也有1個相對低值,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)和年滑動平均擬合土壤水分隨時間(t)的變化趨勢,進(jìn)行時間序列分析(圖4),并和同期降水趨勢進(jìn)行對比,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,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,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)的土壤水分無明顯趨勢,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)的土壤水分趨勢不明顯。土壤水分適宜區(qū)略有上升趨勢,峰值為26.7%(1994年10月中旬),谷值為6.2%(1995年5月下旬);土壤水分濕潤區(qū)略有下降趨勢,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區(qū)也有下降趨勢。(5)土壤水分的時間變化趨勢與同期降水變化趨勢具有一致性,土壤水分谷值年份與降水干旱有對應(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)的土壤水分趨勢明顯,隴中區(qū)存在明顯上升趨勢,而隴東區(qū)有明顯下降趨勢,其它氣候區(qū)趨勢不顯著。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)和濕潤區(qū)無明