云南省土壤墑情變化特征分析

王 杰，曹 言，張 鵬，張 雷

(1.云南省水利水電科學(xué)研究院，昆明 650228；2.河海大學(xué)，南京 210098)

在全球氣候變化的大背景下，我國極端干旱事件頻發(fā)[1]。近年來云南省干旱有進(jìn)一步加劇的趨勢，2009年中旬至2010年3月，西南5省發(fā)生重大旱災(zāi)，給當(dāng)?shù)卦斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，其中冬小麥、油菜、甘蔗等作物受旱災(zāi)尤為嚴(yán)重[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個連續(xù)的過程，作物生育期內(nèi)任何一次干旱缺水事件都會通過對作物產(chǎn)量的影響累積起來[3]。而旱災(zāi)對農(nóng)作物的影響往往是從土壤墑情的異常偏少開始，進(jìn)而影響到農(nóng)作物的長勢及產(chǎn)量，可見研究土壤墑情的變化對農(nóng)作物的生長具有重要的意義。

近年來我國對土壤濕度的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，左志燕等發(fā)現(xiàn)中國東部春季土壤濕度與夏季降水存在密切關(guān)系，同時土壤濕度異常與溫度異常相關(guān)聯(lián)[4]。陳小風(fēng)等建立了基于土壤墑情預(yù)測模型、降水量和地下水埋深評價方法為一體的旱情綜合評估預(yù)測模型[5]。馬柱國等的研究指出，中國東部地區(qū)的土壤濕度和降水具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]。譚凱炎等的研究表明在同一層的土壤濕度的差異一般隨兩點(diǎn)距離增加而增大，垂直方向上相鄰?fù)翆油寥罎穸乳g的相關(guān)性隨距離增加而減少[7]。王研峰的研究表明半干旱地區(qū)土壤濕度對不同降水事件的響應(yīng)及等級和空間差異[8]。然而，云南省土壤墑情監(jiān)測工作起步晚，本文利用云南省近5 a土壤墑情資料摸清其時空變化特征，以對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物布局、干旱預(yù)報以及農(nóng)業(yè)決策等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南省位于97°32′E-106°11′E，21°8′N-29°15′N，地勢呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢，地形以山地為主，占全省總面積的94%，盆地或湖泊面積僅占6%， 土壤類型多達(dá)16種，其中以紅色和黃色酸性土壤為主，兼有暗棕壤、紫色土、亞高山原草甸土，石灰?guī)r等。全省屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候，立體氣候明顯，多年平均氣溫為5～24 ℃，降水時空分配極不均勻，多年降水量為1 278.8 mm，其中汛期(5-10月)占年降水量的85%，枯水期(11月至次年4月)僅占年降水量的15%；空間上呈現(xiàn)南多北少，西多東少，山區(qū)大，平壩和河谷少的特點(diǎn)。

2 資料來源和分析方法

本研究所采用數(shù)據(jù)來源于2008-2012年云南省13個土壤墑情監(jiān)測站(見圖1)，其中降水和土壤濕度數(shù)據(jù)時間尺度包括月和日序列，其中土壤濕度采樣深度為10、20和40 cm 3個層次的土壤重量含水量，本文相關(guān)分析中盡量選擇無資料缺失或具有代表性的站點(diǎn)。

圖1 云南省土壤墑情站點(diǎn)分布Fig.1 The spatial distribution of the soil moisture monitoring stations in Yunnan Province

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤墑情的空間變化

3.1.1土壤水分空間變化特征

通過對紫金等土壤墑情監(jiān)測站連續(xù)5 a不同層次的土壤重量濕度的定位觀測，求得垂直土壤平均含水量。由表1可以看出，雨過鋪、橋頭、古城3個站點(diǎn)土壤含水量相對較高，紫金和綿羊沖土壤含水量相對較低，整體呈現(xiàn)出滇西北和滇東南地區(qū)土壤年平均含水量較大，滇中地區(qū)土壤年平均含水量相對較小的趨勢。其主要原因為：一方面土壤含水量受降雨因素影響顯著[9]，滇西北、滇東南降雨相對較多，而滇中地區(qū)降雨量相對較少；另一方面由于滇中地區(qū)土壤類型多高原紅壤，紫色土也主要集中分布在滇中地區(qū)，其土壤質(zhì)地較為疏松，保水較差，因此土壤含水量較低。

3.1.2土壤水分垂向變化特征

根據(jù)2008-2012年滇中東風(fēng)、滇東南榮峰和沙壩、滇西南螞蟻堆、滇西北橋頭5個典型站點(diǎn)的月土壤水分動態(tài)觀測資料，繪制出10、20和40 cm相鄰?fù)翆又g土壤重量含水量的關(guān)系圖。

從圖2可以看出，在垂直距離方向上，不同深度處的土壤含水量呈顯著線性相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上。整體呈現(xiàn)土壤層間距離越近，其相關(guān)性越高，而榮峰站則呈現(xiàn)相反的趨勢，即層間距離約近，相關(guān)性反而越低。而在空間方向上，滇中、滇東南以及滇西南地區(qū)相鄰?fù)翆油寥乐亓亢孔兓鄬Ψ€(wěn)定，但滇西北橋頭站相鄰?fù)翆油寥乐亓亢口厔菥€均大于1，且數(shù)值最大，說明其土壤重量含水量在垂直方向上波動較大，其中土壤深度在10和20 cm處的土壤重量含水量變化幅度最大，20和40 cm土壤重量含水量變化相對穩(wěn)定，主要由于橋頭站位于滇西北橫斷山區(qū)，海拔高且相對高差，土壤重量含水量受地形影響顯著。

表1 2008-2012云南省各站點(diǎn)土壤年平均含水量 %

圖2 相鄰?fù)翆油寥乐亓亢康年P(guān)系Fig.2 The relationship of adjacent soil layer weight of moisture

3.2 土壤墑情的時程變化

3.2.1土壤水分年際變化特征

選取2008-2012年橋頭站、沙壩站、紫金站、螞蟻堆站、榮峰站和三棵樹站6個站的土壤年平均含水量和逐年降水量，分析云南省年平均含水量隨時間變化的趨勢。

由圖3可以看出，各站點(diǎn)土壤含水量的年際變化受地區(qū)降水影響顯著，且基本上呈正相關(guān)性，即降水豐富的年份土壤含水量大，降水少的年份土壤含水量小。2009年和2011年云南省降水量較往年偏少24.7%和23%[10,11]，除沙壩站外，其余各站土壤年平均含水量最小值均出現(xiàn)在這兩年，而各站點(diǎn)的土壤年平均含水量最大值均出現(xiàn)在降水量相對較多的2008年和2010年這兩年中。

3.2.2土壤水分季節(jié)變化特征

土壤水分的季節(jié)變化主要是由于降水的季節(jié)變化、土壤質(zhì)地以及地表植被覆蓋情況影響的[12]。本文選取三棵樹、紫金、橋頭、榮峰、沙壩、大茨坪和螞蟻堆作為典型樣點(diǎn)，通過2008-2012年5 a各月的土壤含水量，分析這7個站點(diǎn)不同月份不同層間土壤平均含水量與降水的關(guān)系(見圖4)，進(jìn)而得出云南省各區(qū)域土壤墑情整體變化的情況。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在土壤垂直方向上，大部分站點(diǎn)呈現(xiàn)出深度越深土壤含水量越大的趨勢，其中三棵樹、榮峰、紫金和螞蟻堆4個站點(diǎn)均呈現(xiàn)40 cm>20 cm>10 cm的趨勢，且10和20 cm土壤含水量比較近似；土壤各層平均含水率屬于中等變異強(qiáng)度[13]，其中10和20 cm土壤含水量變異系數(shù)最大[14]，其離散程度較大，相較于平均值波動最大，因此在橋頭站呈現(xiàn)20 cm>40 cm>10 cm，沙壩站呈現(xiàn)20 cm>10 cm>40 cm，大茨坪則呈現(xiàn)10 cm>40 cm>20 cm的趨勢。

圖3 土壤平均含水量和年平均降水量變化曲線Fig.3 The change curves of soil moisture for the average annual precipitation

圖4 土壤水分隨時間變化曲線Fig.4 The variable trend of the soil moisture

從時間上看，除沙壩和螞蟻堆站外，其余站點(diǎn)不同深度土壤含水量最大值均出現(xiàn)在最大月降水量后的一個月。云南省降水主要集中在雨季(5-10月)，且夏季(6-8月)最為集中，占全年降水量的57.96%[15]，受降水季節(jié)影響，土壤含水量最大值主要集中在6-10月份，其中橋頭、紫金、大茨坪以及螞蟻堆站不同深度土壤最大含水量出現(xiàn)在8-9月份，而三棵樹、沙壩站和榮峰(10 cm)不同深度土壤最大含水量則出現(xiàn)在6-7月份，榮峰站(20和40 cm)土壤最大含水量出現(xiàn)在10月份，不同深度土壤含水量出現(xiàn)的時間基本上呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸推遲的趨勢。而不同深度土壤含水量最小值主要出現(xiàn)在1-4月份，一方面由于降水較少，另一方面則是春季正是農(nóng)作物大量需水高峰時期。

4 結(jié) 論

(1)通過對比云南省5個區(qū)域的土壤濕度，整體呈現(xiàn)出滇西北和滇東南地區(qū)土壤年平均含水量高，滇中地區(qū)土壤年平均含水量低的空間分布特征。

(2)在垂直方向上看，不同深處的土壤含水量呈顯著線性相關(guān)，且整體上呈現(xiàn)土壤層間距離越近，相關(guān)性越高；在0～40 cm，大部分地區(qū)呈現(xiàn)出深度越深土壤含水量越大的趨勢，即40 cm>20 cm>10 cm，但由于土壤類型、植被、灌溉方式等不同，10和20 cm相較于40 cm處土壤含水量波動更大。

(3)2008-2012年云南省土壤含水量與降水量大致呈正相關(guān)的關(guān)系，即降水豐富的年份，土壤含水量較大，反之則相反。而從季節(jié)上看，不同深度土壤含水量最大值出現(xiàn)在6-10月份，基本上出現(xiàn)在降水最多月份的后一個月，且存在一定的滯后性，總體上呈現(xiàn)出從東南向西北推遲的趨勢；土壤含水量最小值出現(xiàn)在1-4月份。

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