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土壤濕度是地表水文平衡過(guò)程的一個(gè)綜合指標(biāo)。在影響土壤濕度的環(huán)境因子中，降水和蒸發(fā)是兩個(gè)最主要的因素，因此，土壤濕度是對(duì)氣候變化反應(yīng)敏感的環(huán)境因子。土壤濕度變化和氣候變化實(shí)際上相互作用且密不可分。從短期氣候變化的角度看，土壤濕度可以通過(guò)改變地表反照率及土壤熱容量和向大氣輸送感熱影響氣候［1－2］。但在年際到年代際的時(shí)間尺度上，土壤濕度更多地受到氣候變化的影響。近100a來(lái)全球氣候變暖已引起人們廣泛關(guān)注，全球變暖導(dǎo)致地表蒸發(fā)增加，引發(fā)全球干旱化的發(fā)展和加?。涣硗獬鞘谢M(jìn)程，人為地過(guò)牧、過(guò)墾等造成地表覆蓋的減小，導(dǎo)致蒸發(fā)增加，土壤含水量減小。中國(guó)北方干旱化趨勢(shì)就是我國(guó)在全球氣候變化背景下出現(xiàn)的一個(gè)突出的環(huán)境問(wèn)題［3］。前人研究表明，中國(guó)西北地區(qū)是氣候變暖的主要地區(qū)之一［4］。隴東黃土高原地處我國(guó)北方半濕潤(rùn)氣候向半干旱氣候過(guò)渡的地帶，土壤季節(jié)性缺水明顯，受周邊地區(qū)風(fēng)沙影響嚴(yán)重［5］。氣候變化使得影響土壤濕度的主要?dú)庀笠蛩孛黠@惡化［6－7］，對(duì)已經(jīng)比較脆弱的生態(tài)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前，關(guān)于該地區(qū)或周邊區(qū)域土壤濕度的研究較多，但由于資料長(zhǎng)度限制，多著重于土壤濕度的一般分布規(guī)律和空間特征的分析，而對(duì)土壤濕度演變特征及其與氣候變化的關(guān)系研究較少。該地區(qū)作為一個(gè)典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤濕度不僅直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也是決定自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要因素。了解全球氣候變暖背景下土壤濕度的變化特征及主要影響因素，對(duì)合理利用氣候資源，調(diào)整農(nóng)業(yè)生態(tài)布局，采取有效手段抑制土壤水分惡化，改善水土狀況，積極應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義。

1研究區(qū)概況

選取甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)西峰氣象站（35°44′N，107°38′E）為代表站進(jìn)行研究。該站位于隴東黃土高原東部的董志塬。董志塬面積910km2，由塬地、川地和河流灘地組成，海拔高度1421m，是黃土高原保存較為完整的一塊塬面。該塬黃土層深厚，氣候?qū)侔敫珊蛋霛駶?rùn)區(qū)，農(nóng)業(yè)為典型的旱作農(nóng)業(yè)。年平均降水量527．1mm，年平均溫度8．7℃，平均日照2457．8h，具有典型的黃土高原地理和氣候特征。西峰區(qū)氣象站是隴東地區(qū)較為重要的農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，其所測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)是甘肅東部黃土高原土壤含水狀況的典型代表，故本文選取西峰區(qū)氣象站為代表站進(jìn)行研究。

2資料來(lái)源

2．1土壤濕度數(shù)據(jù)本研究所采用的土壤濕度資料分為兩部分，前者來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的《中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集》。該數(shù)據(jù)集包含了1991年9月至2010年12月中國(guó)778個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站逐旬觀測(cè)記錄的農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況報(bào)告，具體內(nèi)容包括：作物名稱；發(fā)育期名稱；發(fā)育期日期；發(fā)育程度；發(fā)育期距平；干土層厚度；10，20，50，70，100cm土壤相對(duì)濕度（用百分?jǐn)?shù)表示）。另外，分層土壤濕度數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際土壤濕度網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)（http：∥www．ipf．tuwien．a(chǎn)c．a(chǎn)t／insitu／），該數(shù)據(jù)集包括中國(guó)境內(nèi)40個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站1981—1999年每年3—11月每旬第8d利用土鉆法人工取土得到的分層土壤濕度（土壤含水量占干土質(zhì)量百分比）觀測(cè)記錄。取土深度為1m，每10cm為一層，共分11層（0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60，60—70，70—80，80—90，90—100cm），每個(gè)點(diǎn)取1次，共4個(gè)重復(fù)。然后利用烘箱烘干，稱重后計(jì)算土壤含水量，4次重復(fù)的平均即土壤的平均含水量。觀測(cè)結(jié)果已轉(zhuǎn)化為體積含水量。土壤水文與物理特性常數(shù)來(lái)自于1980年和1998年的測(cè)定值。在土壤濕度觀測(cè)的固定測(cè)定地段內(nèi)，土壤、耕作制度等變化相對(duì)較小，因此，年際間非氣象因子的影響較小。

2．2氣象數(shù)據(jù)本研究所采用的氣象數(shù)據(jù)同樣來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：∥cdc．cma．gov．cn／）的《中國(guó)地面氣候資料年值數(shù)據(jù)集》和《中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集》。該數(shù)據(jù)集包括中國(guó)752個(gè)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站1951年以來(lái)氣候資料年值、月值數(shù)據(jù)集。本文主要選取該數(shù)據(jù)集中西峰區(qū)站的溫度和降水要素進(jìn)行分析。

3研究方法

在本研究中，采用線性趨勢(shì)法分析溫度、降水等氣象要素以及土壤濕度的變化趨勢(shì)，線性趨勢(shì)變化可用一元方程描述和建立變量y（x）與其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間x的一元線性回歸方程：y（x）＝ax＋b。式中：a為斜率，亦即趨勢(shì)傾向率或變化率；b為截距，a，b可用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)［8－9］。在分析土壤相對(duì)濕度與氣象要素的相關(guān)關(guān)系時(shí)使用皮爾遜相關(guān)分析法，其計(jì)算公式如下：式中：n———樣本數(shù)；珡X———變量x的均值；珚Y———變量y的均值；rxy———變量x和變量y的相關(guān)系數(shù)。通過(guò)該系數(shù)可以確定，如果r值通過(guò)0．05的顯著性水平（p＜0．05），則認(rèn)為土壤濕度與氣象要素變化緊密相關(guān)。本研究采用非參數(shù)檢驗(yàn)法［10］對(duì)氣溫、降水資料序列進(jìn)行突變檢測(cè)，該方法為無(wú)母數(shù)檢定法，不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值干擾，適用于類型變量和順序變量，計(jì)算方便簡(jiǎn)單。在氣候序列平穩(wěn)前提下對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：式中：ri———第i個(gè)樣本xi大于xj（2≤j≤i）的累計(jì)值。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量：當(dāng)│UFk│≥Ua時(shí)（Ua為顯著水平的臨界值），表明序列存在明顯的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)。所有UFk將組成一條曲線UF。把同樣的方法引用到反序列中，得到另一條曲線UB，UF或UB的值超過(guò)臨界直線時(shí)，表明增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)顯著，超出臨界線的區(qū)域?yàn)槌霈F(xiàn)突變的區(qū)域，兩條曲線的交點(diǎn)若在臨界線之間，則對(duì)應(yīng)的便是突變開始時(shí)間。潛在蒸散量采用FAO推薦的Penman—Monteith方法［11－12］計(jì)算。

4結(jié)果與分析

4．1近50a氣溫、降水變化主要特征

1961—2010年的50a間西峰區(qū)氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，年平均氣溫以0．5℃／10a的速度增加，其中春、夏、秋、冬各季的平均氣溫分別以0．5，0．2，0．4，0．6℃／10a的速度增加，冬季增溫最明顯。年代際間的增溫幅度以21世紀(jì)初的10a最為明顯（表1），80年代增溫最小。50a來(lái)氣溫呈波動(dòng)上升，20世紀(jì)80年代后期前氣溫降低，之后逐漸上升。這與陳隆勛等［13］研究得出的全國(guó)平均氣溫變化特征相似。50a來(lái)年降水量以平均20．9mm／10a的速度下降，季節(jié)降水量的變化存在明顯差異，春、秋季降水量分別以5．4和19．2mm／10a的速度下降，而夏、冬季降水分別以2．7和1．6mm／10a速度增加。降水的年代際變化差異也較大，21世紀(jì)初10a平均年降水量為546．3mm，較20世紀(jì)90年代增加了72．6mm，是降水量增加幅度最大的年代。20世紀(jì)90年代平均年降水量?jī)H為473．7mm，較80年代減少了89．2mm，是降水量最少，減少幅度最大的年代（表1）。50a來(lái)年降水量呈波動(dòng)式減少，80年代初前后降水量增加，之后一直呈降低趨勢(shì)。1995年是降減少最大的年份，年降水量?jī)H為333．8mm，21世紀(jì)初的幾年有所增加。

4．2近20a土壤濕度變化規(guī)律

4．2．1土壤濕度年代、季節(jié)變化不同年份氣候、環(huán)境等條件變化使土壤濕度條件存在年際間差異［14］。從圖1可以看出，20a來(lái)各層土壤濕度總體上均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。1992年以后土壤濕度在1997年和1995年降到最低值，21世紀(jì)初10a略有增加。為進(jìn)一步分析土壤濕度的變化規(guī)律，分別計(jì)算出不同層次各季土壤濕度變化率（表2）?？傮w來(lái)看，近20a春季不論淺層還是較深層土壤濕度呈下降趨勢(shì)，是各季中土壤濕度減少最明顯的季節(jié)，且表層土壤濕度更易受到氣候條件變化的影響。20a來(lái)夏季土壤濕度變化趨勢(shì)與春季具有類似規(guī)律，但變化率明顯低于春季。秋季土壤濕度變化與春季和夏季稍有不同，10—50cm土壤濕度呈下降趨勢(shì)，70cm和100cm呈上升趨勢(shì)。對(duì)20a間西峰區(qū)逐年平均土壤濕度和降水量進(jìn)行了對(duì)比分析。由其時(shí)間演變曲線（圖1）可以看出，土壤濕度及降水量年際變化振蕩比較明顯，呈多波動(dòng)分布，兩者達(dá)到顯著相關(guān)水平，且降水變化較土壤濕度變化更劇烈。年平均濕度最小值出現(xiàn)在1995年，為55％。最大值出現(xiàn)在2003年，為74％，是最小年的1．35倍。而年降水量最小值出現(xiàn)在1995年，為333．8mm，最大值出現(xiàn)在2003年，為828．2mm，是最小年的2．49倍。1997—2003年土壤濕度持續(xù)增加，1992—1995年不斷下降。而年降水量波動(dòng)變化較大。1992—1995年降水量持續(xù)降低，1999—2003年持續(xù)升高。所測(cè)土壤濕度的變化與降水量變化并不完全一致，是因?yàn)橥寥罎穸鹊淖兓耸茏魑锵募罢舭l(fā)作用影響外，還與降水時(shí)段出現(xiàn)在測(cè)墑前與測(cè)墑后有很大關(guān)系。

4．2．2土壤濕度的月變化為了分析西峰區(qū)麥田土壤濕度在小麥生長(zhǎng)期對(duì)時(shí)間的敏感變化，分別研究了土壤濕度的月、旬變化。其中旬、月變化總趨勢(shì)是8—11月為土壤蓄墑期，3—7月為土壤失墑期。為了分析土壤濕度的月變化，對(duì)西峰區(qū)8—11月與次年3—7月0—100cm土壤濕度進(jìn)行了分析。由土壤濕度月變化圖（圖2）可以看出，8—11月與次年3—7月的土壤濕度變化趨勢(shì)為先增加再減少，高峰期在10，11月。土壤濕度最低值出現(xiàn)在6，7月，可將這2個(gè)階段分為秋季增墑期和春末夏初失墑期。（1）秋季增墑期。根據(jù)西北地區(qū)東部降水季節(jié)變化［7］，隴東地區(qū)年降水主要集中在7—8月，降水充足，期間麥田正處于休閑期，是土壤蓄水的關(guān)鍵時(shí)期，9—11月是冬小麥播種、出苗至停止生長(zhǎng)階段。期間作物耗水量和蒸發(fā)量都很少，有利于土壤冬前水分儲(chǔ)備，以至于到11月土壤濕度達(dá)到最大值。（2）春末夏初失墑期。3—4月為春季少雨期以及冬小麥的返青拔節(jié)期。該期耗水量大，降水不能滿足作物的需求，土壤濕度下降。5—6月為春末夏初階段。該期間冬小麥處于抽穗至乳熟期，耗水量大增，氣溫升高，蒸發(fā)量變大，使土壤水分損失較大，失墑嚴(yán)重，為一年之中土壤濕度的最低值期。

4．2．3土壤濕度的旬變化為了進(jìn)一步分析西峰區(qū)土壤濕度對(duì)時(shí)間的敏感變化，分析了西峰區(qū)7月中旬至11月上旬及次年3月上旬至7月上旬逐旬0—100cm土層土壤體積含水量。由圖2可以看出，7月中旬至8月下旬該區(qū)處于降水高峰期，土壤水分得到補(bǔ)充，土壤墑情得到不斷改善；9月上旬至10月上旬，降水量急劇減少。由于期間作物消耗水量較少，加之秋季多連陰雨天氣，蒸發(fā)量較少，土壤濕度持續(xù)增長(zhǎng)。3月上旬至4月中旬為冬小麥返青至拔節(jié)期。該期耗水量增加，平均降水量略有增加，含水量有小波動(dòng)變化。4月下旬至6月下旬，小麥處于孕穗期、臘熟期。該期間西峰區(qū)處于春末夏初階段，作物耗水量遠(yuǎn)大于降水量，土壤濕度不斷降低。7月上旬，降水量增加，冬小麥處于成熟至收獲期。該期需水量大減，土壤濕度略有增加。

4．3氣候變化對(duì)土壤濕度的影響

自然降水是隴東土壤水分最主要的來(lái)源，氣溫通過(guò)蒸發(fā)影響土壤濕度。計(jì)算1991—2010年西峰區(qū)春、夏、秋季10，20，50，70，100cm土壤濕度百分率與不同季節(jié)平均氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)（表3）。可以看出，就表層土壤而言，各季土壤濕度與本季氣溫均為負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)。春季土壤濕度與上年夏、秋季平均氣溫負(fù)相關(guān)；夏季土壤濕度與春季平均氣溫、降水相關(guān)顯著；秋季土壤濕度與夏季降水呈正相關(guān)。就較深層土壤而言，春季土壤濕度與上年夏、秋季氣溫、降水呈顯著相關(guān)；夏季則與春季氣溫、降水及該季氣溫顯著相關(guān)；秋季雨水豐沛，較深層土壤濕度與各季氣溫、降水相關(guān)均不顯著?？梢?jiàn)雨季的氣候條件不僅影響到該季土壤濕度條件，而且影響到次年春季的土壤濕度，尤其是深層的土壤濕度條件，即所謂的“秋雨春用”。

4．4蒸散對(duì)土壤濕度的影響

潛在蒸散量（E0）包括地面蒸發(fā)和植物蒸騰在內(nèi)的土壤水分散失，綜合反映了氣溫、水汽壓、日照和風(fēng)速等氣象要素對(duì)土壤水分散失的影響。作為土壤水分循環(huán)的一個(gè)重要方面，蒸散對(duì)土壤濕度有明顯制約作用。由潛在蒸發(fā)與土壤濕度季節(jié)變化和年變化曲線（圖3—4）可以看出，潛在蒸發(fā)與土壤濕度變化趨勢(shì)基本相反，蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)致土壤水分支出增加。圖3—4反映了西峰地區(qū)潛在蒸散量和土壤濕度的月份和年際變化。可以看出，潛在蒸散量對(duì)土壤濕度的影響月份和年際變化均呈現(xiàn)出反位相的特點(diǎn)。在月變化上，蒸散量峰值出現(xiàn)在7月，對(duì)應(yīng)的土壤濕度谷值出現(xiàn)在6，7月份，基本呈同步變化趨勢(shì)。年際變化上，3—11月蒸散量峰、谷值出現(xiàn)在1997年和2003年，與之對(duì)應(yīng)的土壤濕度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量與土壤濕度的反位關(guān)系表現(xiàn)得較為明顯。5結(jié)論

（1）50a來(lái)隴東氣溫呈波動(dòng)上升，降水量呈波動(dòng)減少。20世紀(jì)80年代后期氣溫以上升為主，降水以下降為主，與王飛等［15］的“1985—1993年為暖濕期，降水量和年均氣溫均較高”的結(jié)論比較接近。隴東氣溫在1993年發(fā)生暖突變，降水突變點(diǎn)并不明顯。1995年是降水負(fù)距平最大的年份。

（2）20a來(lái)隴東各層土壤濕度總體上均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，21世紀(jì)初10a略有增加。春季各層土壤濕度呈下降趨勢(shì)，是各季中土壤濕度減少最明顯的季節(jié)，表層土壤濕度更易受到氣候條件變化的影響。夏季土壤濕度變化趨勢(shì)與春季具有類似規(guī)律，但變化率明顯低于春季。秋季土壤濕度變化與春季和夏季稍有不同。10—50cm土壤濕度呈下降趨勢(shì)，70cm和100cm呈上升趨勢(shì)。西峰區(qū)土壤濕度年際變化振蕩明顯，呈多波動(dòng)變化，其變化較年降水量相對(duì)遲緩。土壤濕度與降水量的相對(duì)變化除了受作物消耗及蒸發(fā)作用影響外，還與降水時(shí)段出現(xiàn)在測(cè)墑前與測(cè)墑后有很大關(guān)系。土壤濕度具有明顯的時(shí)間變化規(guī)律。逐月、逐旬土壤濕度變化曲線基本呈V形分布，土壤濕度低谷在6，7月，可分為春末夏初失墑期與秋季增墑期。以上結(jié)論與王勁松等［16］，王潤(rùn)元等［17］在西峰15第3期嚴(yán)麗等：隴東黃土高原農(nóng)田土壤濕度演變對(duì)氣候變化的響應(yīng)區(qū)和隴東地區(qū)開展的土壤濕度研究所得出的結(jié)論較為接近，與王錫穩(wěn)等［18］在黃土高原或西北地區(qū)對(duì)土壤水分所進(jìn)行的研究得出的結(jié)論基本一致。

（3）就表層土壤而言，各季土壤濕度與該季氣溫均為負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)。春季土壤濕度與上年夏、秋季平均氣溫負(fù)相關(guān)；夏季土壤濕度與春季平均氣溫、降水顯著相關(guān)；秋季土壤濕度與夏季降水呈正相關(guān)。就較深層土壤而言，春季土壤濕度與上年夏、秋季氣溫、降水呈顯著相關(guān)；夏季則與春季氣溫、降水、該季氣溫顯著相關(guān)；秋季雨水豐沛，較深層土壤濕度與各季氣溫、降水相關(guān)均不顯著。雨季的天氣和氣候條件不僅影響到該季土壤濕度條件，而且影響到次年春季的土壤濕度，尤其是深層的土壤濕度條件，即所謂的“秋雨春用”。

（4）潛在蒸發(fā)與土壤濕度變化趨勢(shì)基本相反，蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)致土壤水分支出增加。潛在蒸散量對(duì)土壤濕度的影響月份和年際變化均呈現(xiàn)出反位相的特點(diǎn)。在月變化上，蒸散量峰值出現(xiàn)在7月，對(duì)應(yīng)的土壤濕度谷值位于6，7月，基本呈同步變化趨勢(shì)。年際變化上，3—11月蒸散量峰、谷值出現(xiàn)在1997年和2003年，與之對(duì)應(yīng)的土壤濕度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量與土壤濕度的反位關(guān)系表現(xiàn)得較為明顯。該結(jié)論與王潤(rùn)元等［17］在隴東地區(qū)所取得的研究成果趨勢(shì)上基本一致，但因?yàn)樗麄儾扇〉氖峭寥纼?chǔ)水量指標(biāo)，計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理手段和本文也不盡相同，所以分析結(jié)果稍有出入。隴東地區(qū)是黃土高原典型半干旱區(qū)，土壤濕度的變化直接影響植被生長(zhǎng)，改變下墊面狀況對(duì)后期氣候也有明顯的影響。本研究著眼于農(nóng)田土壤濕度變化與氣溫和降水的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)隴東黃土高原地區(qū)土壤干旱及其變化規(guī)律有著重要意義，從而為實(shí)時(shí)種植作物，充分利用土壤水分資源，調(diào)節(jié)土壤水分狀況以及提高作物產(chǎn)量提供有效的依據(jù)。