朱中华，王雄师，柳金权

(1.甘肃省水利水电学校, 兰州 730021；2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所, 兰州 730000； 3.华亭县水务局，甘肃 华亭 744100)

0 引 言

在全球气候变暖的背景下，气候极端事件和各种灾害显著增加，尤其是干旱灾害[1]；同时温度逐渐升高使得地表蒸发量增加, 干旱将会有进一步发展和加重趋势[2-4]。土壤湿度作为地表主要物理参量之一，其对地表能量和水分再分配有着重要的作用，且能够充分反映地表水分的收入和支出情况。20世纪80年代以来，采用田间实测方法对区域土壤水分状况进行研究发展很快，并且取得了一定研究成果[5-14]。陈少勇等[15,16]分析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的变化规律和土壤湿度对生态的影响，指出影响土壤湿度的主要影响因素是降水和气温。蒋冲等[17]运用线性趋势和相关分析等方法对土壤相对湿度资料进行分析，指出黄土高原农田代表站点农田土壤湿度和主要气象要素的年、月变化以及土壤湿度对气候变化的响应。严丽等[18]采用线性趋势法分析陇东主要气象要素及土壤湿度的变化特征，指出20世纪90年代以来陇东各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势，春季是土壤湿度减少最明显的季节，夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律，但变化率明显低于春季。相对国内而言，国外学者针对土壤水分提出了一系列的计算模型。Mehrotra[19]针对印度中部的三个流域探讨了影响气候变化对水文循环的各个部分，即地表径流，土壤水分和蒸散印度中部的三个流域，并假设场景降水和温度变化作为输入一个概念性的降雨径流模型。Rushton等[20]对各种气候条件是可能使用每日土壤水分平衡进行了概念模型和计算模型研究。通过国内外学者对土壤湿度的研究取得了一系列成果，并在实际的农业生产应用中取得了较好的效果；然而针对土壤湿度的研究，大部分只是分析了其与气温和降水等之间的关系，或者提出一些土壤模型的计算，并没有考虑到土壤湿度与当地的径流量关系，一个地区的径流量对不同深度的土壤湿度在特定地区特定时间段内会有决定性的影响；同时干旱区小区域的土壤湿度的研究较少，但在实际的农业生产中，土壤湿度的研究对于一个小区域是非常有意义和必要性的。因此，文章以甘肃省靖远县为研究对象，基于靖远县农业站的降水、气温和径流量资料，采用Matlab软件、DPS数据处理系统、最小二乘法、SPSS软件和Mann-Kendall方法等进行分析和计算及检验，最终得到靖远县不同作物各层土壤湿度对气候变化响应关系的结果。这可以进一步发展节水灌溉农业，提高水资源利用率，进而缓解日益突出的水资源矛盾有十分重要的现实指导意义，同时，也可以为解决干旱区农业发展所面临的水资源缺乏地区问题提供一定的借鉴和参考。

1 研究区概况

靖远县位于黄河上游，甘肃省中东部，处于东经104°13′～105°15′，北纬36°～37°15′。属黄土高原沟壑区，地势西高东低，由西北向东南倾斜，南北长125 km，东西宽106 km，总面积5 809.4 km2，海拔1 300～3 017 m之间。靖远县属温带干旱半干旱气候，每年均气温8.9 ℃左右，每年极端最高气温35.1 ℃，每年均降水量240 mm，每年蒸发量1 634 mm，每年平均日照时数2 696 h，无霜期165 d[21]。靖远县耕地面积7.67 万hm2，其中有效灌溉面积3.66 万hm2，小麦播种面积1.11 万hm2左右，玉米播种面积1.02 万hm2左右，水稻播种面积0.27 万hm2左右等。靖远县总人口47.65万人，其中农业人口43万人。其中包括回、藏、满、蒙古、东乡等少数民族。

2 实验数据

作物地段土壤湿度(重量含水量)观测资料来自靖远县农业气象观测站，观测时间序列为1981-2000年，种植作物类型分别为春小麦和春玉米，观测土壤层次依次为0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm。根据干旱区主要作物的需水规律，春小麦主要生长期为3-7月，春玉米主要生长期为4-9月，因此，年土壤湿度资料为不同作物生长发育期各旬资料的平均值。气温和降水资料序列为1956-2002年，来自靖远县气象站，径流量为还原后的天然出山径流量，径流序列为1956-2000年。通过分析1956-2002年气温、降水及径流的变化规律和特征，其中，重点分析了1981-2000年20年的气候变化和出山径流变化特征，然后详细地探讨了不同层次土壤湿度的变化和分布特征。最终对土壤湿度与气温、降水和径流进行了相关性分析和讨论。

3 研究方法

3.1 土壤湿度

甘肃省气象局根据省内各地的土壤质地，考虑实际气候情况，结合多年的基础研究及实际使用经验，参照国家指标，确定了土壤湿度被用来代表甘肃省土壤旱涝检验指标；土壤湿度是土壤的干湿程度，即土壤的实际含水量，即土壤含水量与田间持水量的比值(公式1)。

(1)

3.2 最小二乘法

基于最小二乘法的应用背景和原理及算法；由于Matlab是一种向量化变成语言，因此在Matlab语言中对线性模型参数进行估计，进而可得到线性参数估计值[22,23]。

3.3 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall方法是一种检测序列变化趋势的方法[24-26]，其优点在于所研究序列不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适合于类型变量和顺序变量，计算比较简单。文章采用该方法检验土壤湿度、气温和降水量的变化。

3.4 数据处理

通过采用Matlab软件和DPS数据处理系统及Excel软件，对研究区1981-2000年生长季内平均土壤湿度、平均气温和降水量的变化趋势进行分析，同时运用Mann-Kendall方法进行趋势检验，并应用最小二乘法和SPSS软件对研究区土壤湿度与气温和降水量做线性拟合和相关性分析。

4 结果与分析

4.1 生长季作物土壤湿度变化

干旱半干旱区0～50 cm土层中土壤有效水分含量无论是在自然还是灌溉条件下，其变异率总是最大[27]。针对研究区土壤特点，土层土壤水分年变化过程在50 cm以下比较稳定；因此，文章选取了研究区土层两种作物生长季0～50 cm土壤湿度的变化趋势及特征。

土壤湿度与气象、水文要素以及地表覆盖、土壤类型等有关。一般来说，同一土壤类型种植同样的作物其土壤湿度高，农作物可以利用的土壤水分就多。同一作物类型地表各层土壤湿度随时间的变化规律基本一致，而不同作物类型地表土壤湿度变化则差别较大。1981-2000年间，春小麦生长季(3-7月)相对湿度在不同土层深度年际变化趋势较为相似，但也具有差异性；同时土壤湿度的年际变化具有3 a左右的周期。其中土层深度0～10和10～20 cm的土壤相对湿度呈现波动下降的趋势，尤其是1988年到1990年下降幅度最大。土层深度20～30和30～40及40～50 cm的土壤相对湿度是波动增加的趋势，特别是1990年到1993区间增加幅度最大(图1)。春小麦各不同深度土壤湿度40～50 cm最大，除土壤表层(0～10 cm)受自然或人为因素干扰较大外，20～30 cm土壤湿度最小。

图1 研究区春小麦生长季各层土壤土壤湿度变化Fig.1 The each soil moisture changes of the spring wheat growing season in the study area

春玉米生长季(4-9月)不同土层深度的相对湿度总体呈现波动上升趋势，特别是自20世纪90年代以来，各层土壤湿度变幅增大，增加趋势明显加快；也存在变化周期为3年的年际变化；另外春玉米地块各层土壤湿度的年际变化规律并不完全一致。其中0～10 cm增加幅度最大，尤其是1981-1985年、1989-1994年、1995-1998年；而1994-1995年下降幅度也大；由于人为因素的干扰，在1998年土壤相对湿度值达到最大值。土层深度10～20和20～30 cm的相对湿度在1989年到1994年增加的幅度最大。土层深度30～40 cm的相对湿度在1996-1999年之间的上升趋势明显。土层深度40～50 cm的土壤相对湿度1988年到1990年增加幅度最大(图2)。

图2 研究区春玉米生长季各层土壤湿度变化Fig.2 The each soil moisture changes of the spring corn growing season in the study area

4.2 气候变化

气温和降水是两个最重要的气候因素，其直接影响粮食安全生产。气温状况在作物的生长季节直接影响粮食的产量及质量。在干旱半干旱区，大部分区域是依靠天吃饭的雨养农业[28-30]。因此，对于研究区的气温和降水变化研究对靖远县粮食生产是有非常重要的意义。

4.2.1 气 温

1981-2000年，靖远县春小麦生长季(3-7月)气温变化趋势与年平均气温变化趋势基本一致，呈现周期式波动上升趋势，年际变化周期约为3 a左右，1981年、1985年、1990年、1994年、1997年、2000年为周期变化峰值，而1983年、1986年、1989年、1992年、1996年、1999年为周期变化变化的谷值(图3)。1983-1996年之间的4个周期波动振幅较小，变化相对平稳。靖远县春小麦生长季(3-7月)平均气温在14.04～16.46 ℃之间。

图3 研究区春小麦气温变化Fig.3 The temperature of spring wheat changes in the study area

研究区春玉米生长季(4-9月)气温变化趋势与年平均气温变化趋势基本一致，呈现增加趋势，年际变化周期约为3 a左右，1981年、1985年、1989年、1994年、1998年、2000年为周期变化最大值，而1984年、1986年、1988年、1992年、1997年、1999年为周期变化变化的最小值(图4)。1984-1992年之间的3个周期内变化幅度相对较小。靖远县春玉米生长季(4-9月)平均气温在17.27～19.28 ℃之间，较春小麦生长季温度高出月3 ℃左右，原因在于研究区4-9月之间温度普遍较高，且温度在4月份后靖远县温度逐步升高。

图4 研究区春玉米气温变化Fig.4 The temperature of spring corn changes in the study area

4.2.2 降 水

研究区1981-2000年春小麦作物生长季(3-7月)降水与年平均降水趋势变化很相似，总体呈现周期式波动增加，且年际变化较大；同时存在3～4 a的波动周期，在波动周期内，降水量呈现降低～升高～降低～升高～降低。1981年、1985年、1988年、1991年、1996年、1990年是周期变化的峰值，1982年、1987年、1989年、1995年、1997年、2000年为周期变化谷值(图5)。靖远县春小麦生长季降水量在1982-1985年增加幅度最大，其中1982年达到降水量最小值(51.60 mm)；1997年到1999年降水量增加了115.70 mm，波动幅度也相对较大，其中1999年降水量为211.40 mm，为最大值。春玉米生长季降水量也存在着三个波动减少区间，其中1986-1987年降水量减少了60.7 mm；1988-1989年间降水量减少了65.8 mm；1999-2000年降水量下降幅度最大，减少了122.90 mm(图5)。

图5 研究区春小麦降水的变化Fig.5 The precipitation of spring wheat changes in the study area

靖远县1981-2000年春玉米作物生长季(4-9月)降水与年平均降水趋势变化一致，降水量波动增加，且年际变化较大；波动周期约为2～3 a，在波动周期内，降水量呈现降低～升高～降低～升高～降低(图6)；另外春玉米生长季降水量占年降水量比例均超过了80%，由于研究区降水主要集中在5-9月。1981年、1985年、1988年、1990年、1992年、1995年、1999年为变化周期内的最大值，1982年、1987年、1989年、1991年、1994年、1997年、2000年是波动周期内的最小值。1982-1985年间春玉米生长季降水量波动幅度最大，降水量增加了139.80 mm，其中1985年降水量达到了最大值(361.90 mm)，占年降水量的86.83%；然1982年降水量达到了最小值(122.10 mm)，占年降水量的89.19%。1997-1999年降水量增加了77.10 mm，增加幅度也较大。春玉米生长季降水量减少幅度有三个区间较大，其中从1985年到1987年间下降波动幅度最大，降水量减少了191.50 mm；1992年到1944年降水量减少了43.10 mm；1995-1997年降水量减少了93.2 mm；其余降水量波动周期减少值较小(图6)。

图6 研究区春玉米降水的变化Fig.6 The precipitation of spring corn changes in the study area

4.3 趋势检验

利用Mann-Kendall方法对靖远县春小麦生长季(3-7月)和春玉米生长季(4-9月)土壤湿度以及气温和降水量的变化趋势进行检验(图7，图8)。

图7 春小麦生长季不同土层湿度和气温及降水的M-K检验Fig.7 The each soil humidity and air temperature and precipitation were inspect by using Mann-Kendall method to the spring wheat growing season

图8 春玉米生长季不同土层湿度和气温及降水的M-K检验Fig.8 The each soil humidity and air temperature and precipitation were inspect by using Mann-Kendall method to the spring corn growing season

1981-2000年间，春小麦生长季(3-7月)表层土壤深度0～10 cm土壤湿度增加趋势比土层深度10～20、20～30、30～40、40～50 cm和气温及降水的增加趋势明显，尤其在1986年后增加趋势显著。土层深度30～40 cm的土壤湿度在1982-1992年间呈下降趋势；作物生长季气温在20世纪80年代初呈现下降趋势，一直到20世纪90年代气温开始回升，逐渐增加。

1981-2000年间，春玉米生长季(4-9月)的土壤湿度和气温及降水呈现增加趋势。其中土层深度0～10 cm在1995年呈现在增加趋势，1998年增加趋势显著；10～20 cm土壤湿度1995年增加趋势明显；其余土层深度的土壤湿度增加趋势不是很显著。作物生长季气温在20世纪80年代初出现下降趋势，到20世纪80年代末气温开始上升。

4.4 土壤湿度与气温和降水的关系

各层土壤湿度年际变化均有不同程度的增加(除春小麦地20～30 cm为负值外，其他各层斜率均为正值)，垂直方向上，随着土层深度的增加，土壤湿度逐渐降低，但不同作物稍有不同。对于春小麦地块来说，20～30 cm深度土壤湿度呈现微弱下降趋势非常值得注意，因为这可能与春小麦属于高耗水性作物，且其根系多集中分布在20～30 cm深度范围内，多年持续种植同一种作物有关。对于春玉米来说，20～30、30～40和40～50 cm这三层的土壤湿度基本保持一致，有微弱的增加趋势(表1)。不同深度土壤湿度多年平均值则与种植作物类型有一定的关系，春小麦地块土壤湿度从上到下依次为低～高～低变化即呈“凸型”变化趋势，春玉米地块刚好与之相反，土壤湿度从上到下依次为高～低～高变化即呈“凹型”变化趋势(表2)。

表1 土壤湿度各层年变化系数Tab.1 Variation coefficients of soil moisture in different soil layers

表2 不同作物土壤湿度各层年平均值Tab.2 The average soil moisture of each layer in different crops

土壤湿度的变化不仅与当地的气候和水文条件有关，而且还与种植作物类型和土壤类型有一定的关系。随着降水和径流量的增加，春小麦地土壤湿度总体上略有增加趋势，但不同层次的土壤湿度其增加幅度不同。降水和径流量均与春小麦地各层土壤湿度呈正相关关系；气温与土层20～30 cm的土壤湿度负相关关系，气温与其他土层的土壤湿度呈正相关关系。另外，不同的影响因子对土壤湿度影响的层次也各不相同，其中气温和降水与0～10 cm土壤湿度相关性最大；径流对20～30 cm土壤湿度影响最大(表3)。

气温和降水与春玉米地各层土壤湿度呈正相关关系，而径流量则与土壤湿度呈负相关关系(表3)。其中，气温和降水与土层10～20 cm的土壤湿度相关性最大，径流对30～40 cm土壤湿度影响最大。此外，气温与土层10～20和20～30 cm土壤湿度相关关系达到极显著水平，而与0～10 cm土壤湿度相关关系达到显著水平。

气温与土壤湿度的关系随种植作物类型和土层深度不同而存在一定的差异；降水与土壤湿度的关系与种植作物类型和土层深度均无关，但它们的关系随作物类型和土层深度敏感程度有一定差别；而径流量与土壤湿度的关系随作物类型不同有着完全相反的表现，这并不能说明径流与土壤湿度关系因作物类型而定，更主要的是因距离河流远近及地下水水位有着密切关系。此外，土壤湿度对气候变化响应的敏感性和滞后性随着季节和资料序列间隔等因素的不同也有一定的变化。

表3 气温、降水和径流量与春小麦(春玉米)地块土壤湿度相关性Tab.3 Correlation coefficients for spring wheat (spring corn) field between temperature,precipitation,runoff and soil moisture in different layers

注：**表示极显著水平，*表示显著水平。

5 结 语

通过对靖远县不同作物生长季土壤湿度和气温及降水进行研究，采用Matlab软件和DPS数据处理系统及Microsoft Excel数据处理软件进行分析，并结合最小二乘法进行线性参数估算，利用Mann-Kendall方法检验对不同作物各层土壤湿度和气温及降水的变化趋势进行检验；同时运用SPSS软件对不同土层的土壤湿度与气温、降水、径流做相关分性分析，得出的主要结论如下。

同一作物类型地表各层土壤湿度随时间的变化规律基本一致，而不同作物类型各层土壤湿度变化则差别较大。不同深度土壤湿度多年平均值则与种植作物类型有一定的关系，春小麦地块土壤湿度从上到下依次为低～高～低变化即呈“凸型”变化趋势，春玉米地块刚好与之相反，土壤湿度从上到下依次为高～低～高变化即呈“凹型”变化趋势。

气温与土壤湿度的关系随种植作物类型和土层深度不同而存在一定的差异；降水与土壤湿度的关系与种植作物类型和土层深度均无关，但它们的关系随作物类型和土层深度敏感程度有一定差别；而径流量与土壤湿度的关系随作物类型不同有着完全相反的表现，这并不能说明径流与土壤湿度关系因作物类型而定，更主要的是因距离河流远近及地下水水位有着密切关系。此外，土壤湿度对气候变化响应的敏感性和滞后性随着季节和资料序列间隔等因素的不同也有一定的变化。

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