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土壤濕度是地表水文平衡過程的一個綜合指標。在影響土壤濕度的環境因子中，降水和蒸發是兩個最主要的因素，因此，土壤濕度是對氣候變化反應敏感的環境因子。土壤濕度變化和氣候變化實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間尺度上，土壤濕度更多地受到氣候變化的影響。近100a來全球氣候變暖已引起人們廣泛關注，全球變暖導致地表蒸發增加，引發全球干旱化的發展和加劇；另外城市化進程，人為地過牧、過墾等造成地表覆蓋的減小，導致蒸發增加，土壤含水量減小。中國北方干旱化趨勢就是我國在全球氣候變化背景下出現的一個突出的環境問題［3］。前人研究表明，中國西北地區是氣候變暖的主要地區之一［4］。隴東黃土高原地處我國北方半濕潤氣候向半干旱氣候過渡的地帶，土壤季節性缺水明顯，受周邊地區風沙影響嚴重［5］。氣候變化使得影響土壤濕度的主要氣象因素明顯惡化［6－7］，對已經比較脆弱的生態和農業生產構成嚴重威脅。目前，關于該地區或周邊區域土壤濕度的研究較多，但由于資料長度限制，多著重于土壤濕度的一般分布規律和空間特征的分析，而對土壤濕度演變特征及其與氣候變化的關系研究較少。該地區作為一個典型的雨養農業區，土壤濕度不僅直接影響農業生產，也是決定自然生態環境質量的一個重要因素。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，對合理利用氣候資源，調整農業生態布局，采取有效手段抑制土壤水分惡化，改善水土狀況，積極應對氣候變化具有重要意義。

1研究區概況

選取甘肅省慶陽市西峰區西峰氣象站（35°44′N，107°38′E）為代表站進行研究。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，氣候屬半干旱半濕潤區，農業為典型的旱作農業。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。西峰區氣象站是隴東地區較為重要的農業氣象試驗站，其所測土壤濕度數據是甘肅東部黃土高原土壤含水狀況的典型代表，故本文選取西峰區氣象站為代表站進行研究。

2資料來源

2．1土壤濕度數據本研究所采用的土壤濕度資料分為兩部分，前者來源于中國氣象局氣象數據共享網的《中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集》。該數據集包含了1991年9月至2010年12月中國778個農業氣象站逐旬觀測記錄的農作物生長發育狀況報告，具體內容包括：作物名稱；發育期名稱；發育期日期；發育程度；發育期距平；干土層厚度；10，20，50，70，100cm土壤相對濕度（用百分數表示）。另外，分層土壤濕度數據來源于國際土壤濕度網絡共享數據（http：∥www．ipf．tuwien．ac．at／insitu／），該數據集包括中國境內40個農業氣象站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量百分比）觀測記錄。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），每個點取1次，共4個重復。然后利用烘箱烘干，稱重后計算土壤含水量，4次重復的平均即土壤的平均含水量。觀測結果已轉化為體積含水量。土壤水文與物理特性常數來自于1980年和1998年的測定值。在土壤濕度觀測的固定測定地段內，土壤、耕作制度等變化相對較小，因此，年際間非氣象因子的影響較小。

2．2氣象數據本研究所采用的氣象數據同樣來源于中國氣象局氣象數據共享網（http：∥cdc．cma．gov．cn／）的《中國地面氣候資料年值數據集》和《中國地面氣候資料月值數據集》。該數據集包括中國752個基本、基準地面氣象觀測站及自動站1951年以來氣候資料年值、月值數據集。本文主要選取該數據集中西峰區站的溫度和降水要素進行分析。

3研究方法

在本研究中，采用線性趨勢法分析溫度、降水等氣象要素以及土壤濕度的變化趨勢，線性趨勢變化可用一元方程描述和建立變量y（x）與其所對應的時間x的一元線性回歸方程：y（x）＝ax＋b。式中：a為斜率，亦即趨勢傾向率或變化率；b為截距，a，b可用最小二乘法進行估計。趨勢顯著性檢驗采用F檢驗［8－9］。在分析土壤相對濕度與氣象要素的相關關系時使用皮爾遜相關分析法，其計算公式如下：式中：n———樣本數；珡X———變量x的均值；珚Y———變量y的均值；rxy———變量x和變量y的相關系數。通過該系數可以確定，如果r值通過0．05的顯著性水平（p＜0．05），則認為土壤濕度與氣象要素變化緊密相關。本研究采用非參數檢驗法［10］對氣溫、降水資料序列進行突變檢測，該方法為無母數檢定法，不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值干擾，適用于類型變量和順序變量，計算方便簡單。在氣候序列平穩前提下對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列：式中：ri———第i個樣本xi大于xj（2≤j≤i）的累計值。在時間序列隨機獨立的假設下，定義統計量：當│UFk│≥Ua時（Ua為顯著水平的臨界值），表明序列存在明顯的增長或減少趨勢。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的值超過臨界直線時，表明增長或減少趨勢顯著，超出臨界線的區域為出現突變的區域，兩條曲線的交點若在臨界線之間，則對應的便是突變開始時間。潛在蒸散量采用FAO推薦的Penman—Monteith方法［11－12］計算。

4結果與分析

4．1近50a氣溫、降水變化主要特征

1961—2010年的50a間西峰區氣溫呈明顯上升趨勢，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世紀初的10a最為明顯（表1），80年代增溫最小。50a來氣溫呈波動上升，20世紀80年代后期前氣溫降低，之后逐漸上升。這與陳隆勛等［13］研究得出的全國平均氣溫變化特征相似。50a來年降水量以平均20．9mm／10a的速度下降，季節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世紀初10a平均年降水量為546．3mm，較20世紀90年代增加了72．6mm，是降水量增加幅度最大的年代。20世紀90年代平均年降水量僅為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來年降水量呈波動式減少，80年代初前后降水量增加，之后一直呈降低趨勢。1995年是降減少最大的年份，年降水量僅為333．8mm，21世紀初的幾年有所增加。

4．2近20a土壤濕度變化規律

4．2．1土壤濕度年代、季節變化不同年份氣候、環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來各層土壤濕度總體上均呈現出下降趨勢。1992年以后土壤濕度在1997年和1995年降到最低值，21世紀初10a略有增加。為進一步分析土壤濕度的變化規律，分別計算出不同層次各季土壤濕度變化率（表2）。總體來看，近20a春季不論淺層還是較深層土壤濕度呈下降趨勢，是各季中土壤濕度減少最明顯的季節，且表層土壤濕度更易受到氣候條件變化的影響。20a來夏季土壤濕度變化趨勢與春季具有類似規律，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，70cm和100cm呈上升趨勢。對20a間西峰區逐年平均土壤濕度和降水量進行了對比分析。由其時間演變曲線（圖1）可以看出，土壤濕度及降水量年際變化振蕩比較明顯，呈多波動分布，兩者達到顯著相關水平，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在1995年，為55％。最大值出現在2003年，為74％，是最小年的1．35倍。而年降水量最小值出現在1995年，為333．8mm，最大值出現在2003年，為828．2mm，是最小年的2．49倍。1997—2003年土壤濕度持續增加，1992—1995年不斷下降。而年降水量波動變化較大。1992—1995年降水量持續降低，1999—2003年持續升高。所測土壤濕度的變化與降水量變化并不完全一致，是因為土壤濕度的變化除了受作物消耗及蒸發作用影響外，還與降水時段出現在測墑前與測墑后有很大關系。

4．2．2土壤濕度的月變化為了分析西峰區麥田土壤濕度在小麥生長期對時間的敏感變化，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，對西峰區8—11月與次年3—7月0—100cm土壤濕度進行了分析。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為先增加再減少，高峰期在10，11月。土壤濕度最低值出現在6，7月，可將這2個階段分為秋季增墑期和春末夏初失墑期。（1）秋季增墑期。根據西北地區東部降水季節變化［7］，隴東地區年降水主要集中在7—8月，降水充足，期間麥田正處于休閑期，是土壤蓄水的關鍵時期，9—11月是冬小麥播種、出苗至停止生長階段。期間作物耗水量和蒸發量都很少，有利于土壤冬前水分儲備，以至于到11月土壤濕度達到最大值。（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，蒸發量變大，使土壤水分損失較大，失墑嚴重，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一步分析西峰區土壤濕度對時間的敏感變化，分析了西峰區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月下旬該區處于降水高峰期，土壤水分得到補充，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，蒸發量較少，土壤濕度持續增長。3月上旬至4月中旬為冬小麥返青至拔節期。該期耗水量增加，平均降水量略有增加，含水量有小波動變化。4月下旬至6月下旬，小麥處于孕穗期、臘熟期。該期間西峰區處于春末夏初階段，作物耗水量遠大于降水量，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氣候變化對土壤濕度的影響

自然降水是隴東土壤水分最主要的來源，氣溫通過蒸發影響土壤濕度。計算1991—2010年西峰區春、夏、秋季10，20，50，70，100cm土壤濕度百分率與不同季節平均氣溫、降水量的相關系數（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相關，與降水量呈正相關。春季土壤濕度與上年夏、秋季平均氣溫負相關；夏季土壤濕度與春季平均氣溫、降水相關顯著；秋季土壤濕度與夏季降水呈正相關。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；夏季則與春季氣溫、降水及該季氣溫顯著相關；秋季雨水豐沛，較深層土壤濕度與各季氣溫、降水相關均不顯著。可見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蒸散對土壤濕度的影響

潛在蒸散量（E0）包括地面蒸發和植物蒸騰在內的土壤水分散失，綜合反映了氣溫、水汽壓、日照和風速等氣象要素對土壤水分散失的影響。作為土壤水分循環的一個重要方面，蒸散對土壤濕度有明顯制約作用。由潛在蒸發與土壤濕度季節變化和年變化曲線（圖3—4）可以看出，潛在蒸發與土壤濕度變化趨勢基本相反，蒸發強烈導致土壤水分支出增加。圖3—4反映了西峰地區潛在蒸散量和土壤濕度的月份和年際變化。可以看出，潛在蒸散量對土壤濕度的影響月份和年際變化均呈現出反位相的特點。在月變化上，蒸散量峰值出現在7月，對應的土壤濕度谷值出現在6，7月份，基本呈同步變化趨勢。年際變化上，3—11月蒸散量峰、谷值出現在1997年和2003年，與之對應的土壤濕度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量與土壤濕度的反位關系表現得較為明顯。5結論

（1）50a來隴東氣溫呈波動上升，降水量呈波動減少。20世紀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”的結論比較接近。隴東氣溫在1993年發生暖突變，降水突變點并不明顯。1995年是降水負距平最大的年份。

（2）20a來隴東各層土壤濕度總體上均呈現出下降趨勢，21世紀初10a略有增加。春季各層土壤濕度呈下降趨勢，是各季中土壤濕度減少最明顯的季節，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與春季具有類似規律，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，70cm和100cm呈上升趨勢。西峰區土壤濕度年際變化振蕩明顯，呈多波動變化，其變化較年降水量相對遲緩。土壤濕度與降水量的相對變化除了受作物消耗及蒸發作用影響外，還與降水時段出現在測墑前與測墑后有很大關系。土壤濕度具有明顯的時間變化規律。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。以上結論與王勁松等［16］，王潤元等［17］在西峰15第3期嚴麗等：隴東黃土高原農田土壤濕度演變對氣候變化的響應區和隴東地區開展的土壤濕度研究所得出的結論較為接近，與王錫穩等［18］在黃土高原或西北地區對土壤水分所進行的研究得出的結論基本一致。

（3）就表層土壤而言，各季土壤濕度與該季氣溫均為負相關，與降水量呈正相關。春季土壤濕度與上年夏、秋季平均氣溫負相關；夏季土壤濕度與春季平均氣溫、降水顯著相關；秋季土壤濕度與夏季降水呈正相關。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；夏季則與春季氣溫、降水、該季氣溫顯著相關；秋季雨水豐沛，較深層土壤濕度與各季氣溫、降水相關均不顯著。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）潛在蒸發與土壤濕度變化趨勢基本相反，蒸發強烈導致土壤水分支出增加。潛在蒸散量對土壤濕度的影響月份和年際變化均呈現出反位相的特點。在月變化上，蒸散量峰值出現在7月，對應的土壤濕度谷值位于6，7月，基本呈同步變化趨勢。年際變化上，3—11月蒸散量峰、谷值出現在1997年和2003年，與之對應的土壤濕度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量與土壤濕度的反位關系表現得較為明顯。該結論與王潤元等［17］在隴東地區所取得的研究成果趨勢上基本一致，但因為他們采取的是土壤儲水量指標，計算方法和數據處理手段和本文也不盡相同，所以分析結果稍有出入。隴東地區是黃土高原典型半干旱區，土壤濕度的變化直接影響植被生長，改變下墊面狀況對后期氣候也有明顯的影響。本研究著眼于農田土壤濕度變化與氣溫和降水的響應關系，對進一步認識隴東黃土高原地區土壤干旱及其變化規律有著重要意義，從而為實時種植作物，充分利用土壤水分資源，調節土壤水分狀況以及提高作物產量提供有效的依據。