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(guó)極端干旱事件頻發(fā)[1]。近年來(lái)云南省干旱有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì),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(gè)連續(xù)的過(guò)程,作物生育期內(nèi)任何一次干旱缺水事件都會(huì)通過(guò)對(duì)作物產(chǎn)量的影響累積起來(lái)[3]。而旱災(zāi)對(duì)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(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量,可見研究土壤墑情的變化對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有重要的意義。
近年來(lái)我國(guó)對(duì)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(guó)東部春季土壤濕度與夏季降水存在密切關(guān)系,同時(shí)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(cè)模型、降水量和地下水埋深評(píng)價(jià)方法為一體的旱情綜合評(píng)估預(yù)測(cè)模型[5]。馬柱國(guó)等的研究指出,中國(guó)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(duì)不同降水事件的響應(yīng)及等級(jí)和空間差異[8]。然而,云南省土壤墑情監(jiān)測(cè)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(shí)空變化特征,以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物布局、干旱預(yù)報(bào)以及農(nóng)業(yè)決策等提供依據(jù)。
云南省位于97°32′E-106°11′E,21°8′N-29°15′N,地勢(shì)呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢(shì),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(shí)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)。
本研究所采用數(shù)據(jù)來(lái)源于2008-2012年云南省13個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站(見圖1),其中降水和土壤濕度數(shù)據(jù)時(shí)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(gè)層次的土壤重量含水量,本文相關(guān)分析中盡量選擇無(wú)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
3.1.1土壤水分空間變化特征
通過(guò)對(duì)紫金等土壤墑情監(jiān)測(cè)站連續(xù)5 a不同層次的土壤重量濕度的定位觀測(cè),求得垂直土壤平均含水量。由表1可以看出,雨過(guò)鋪、橋頭、古城3個(gè)站點(diǎn)土壤含水量相對(duì)較高,紫金和綿羊沖土壤含水量相對(duì)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(duì)較小的趨勢(shì)。其主要原因?yàn)椋阂环矫嫱寥篮渴芙涤暌蛩赜绊戯@著[9],滇西北、滇東南降雨相對(duì)較多,而滇中地區(qū)降雨量相對(duì)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(gè)典型站點(diǎn)的月土壤水分動(dòng)態(tài)觀測(cè)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(shì),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?duì)穩(wěn)定,但滇西北橋頭站相鄰?fù)翆油寥乐亓亢口厔?shì)線均大于1,且數(shù)值最大,說(shuō)明其土壤重量含水量在垂直方向上波動(dòng)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(duì)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(duì)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
3.2.1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(gè)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(shí)間變化的趨勢(shì)。
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(duì)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(guò)2008-2012年5 a各月的土壤含水量,分析這7個(gè)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(shì),其中三棵樹、榮峰、紫金和螞蟻堆4個(gè)站點(diǎn)均呈現(xiàn)40 cm>20 cm>10 cm的趨勢(shì),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(dòng)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(shì)。
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(shí)間變化曲線Fig.4 The variable trend of the soil moisture
從時(shí)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(gè)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(shí)間基本上呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸推遲的趨勢(shì)。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(shí)期。
(1)通過(guò)對(duì)比云南省5個(gè)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(shì),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(dòng)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(gè)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(shì);土壤含水量最小值出現(xiàn)在1-4月份。
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