中天山北坡土壤水分的時(shí)空變化特征與其氣象要素的關(guān)系

耿燕+哈不拉哈提+陳亮+沙比提+買買提+沙拉木+王珂+葛怡成+瓦哈提+阿達(dá)力+木拉提+李春雨+顧來霞+張?jiān)氯A+馮麗曄+瑪依拉

摘 要：本文利用中天山北坡山區(qū)2003—2015年牧試站觀測土壤水分資料計(jì)算土壤重量含水率、土壤水分貯存量和地面觀測資料的降水、蒸發(fā)、氣溫、日照、風(fēng)速資料，運(yùn)用擬合計(jì)算分析、突變分析等方法，對(duì)中天山北坡山區(qū)13a來土壤重量含水率、土壤水分貯存量與蒸發(fā)、降水、氣溫、日照、風(fēng)速的氣象要素的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明： 就各層±壤水分與氣象要素相關(guān)性來看，±壤水分主要受蒸發(fā)量、降水量、氣溫、日照、風(fēng)速的影響，其區(qū)域各層±壤水分對(duì)應(yīng)溫度具有顯著負(fù)相關(guān)，且隨著溫度的升高而減弱；蒸發(fā)、氣溫和風(fēng)速對(duì)土壤水分的影響最大，其次是降水，蒸發(fā)量和降水量的影響隨著上壤層次的增加而減弱，氣溫和風(fēng)速均與±壤水分呈負(fù)相關(guān)，通過對(duì)不同層次±壤水分影響的氣象要素研究，得到各層±壌水分氣象要素的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：中天山；北坡；土壤水分時(shí)空；變化；氣象要素；關(guān)系

中圖分類號(hào)：S15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180133191

引言

中天山北坡地處中緯度歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，年降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，屬于大陸性干旱氣候，而天山山區(qū)由于受海拔高度變化的影響，形成了干旱氣候環(huán)境下特殊的山地氣候，山區(qū)相對(duì)濕潤的氣候環(huán)境與戈壁、沙漠、綠洲城市氣候有著非常顯著的差異。受氣候的影響，不同土壤層次的水分受氣象要素影響的程度有差異，研究分析中天山北坡反應(yīng)氣候變化的氣象要素與土壤水分的時(shí)空變化特征關(guān)系，建立分層土壤重量含水率與蒸發(fā)量、降水量、平均溫度、日照、風(fēng)速的氣象要素的關(guān)系對(duì)牧業(yè)生產(chǎn)具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。

目前國內(nèi)研究土壤水分變化規(guī)律較多，張靜等對(duì)不同濕潤條件下稻田土壤水分變化規(guī)律進(jìn)行了研究，環(huán)海軍等基于大面積土壤水分自動(dòng)站對(duì)土壤水分優(yōu)先流進(jìn)行了研究，孫占祥等對(duì)不同下墊面，不同作物，不同降水等條件下的土壤水分變化規(guī)律進(jìn)行了研究。但利用土壤水分的時(shí)空變化特征與其氣象要素的關(guān)系研究中天山北坡的學(xué)者較少，本文利用中天山北坡烏魯木齊市牧業(yè)氣象實(shí)驗(yàn)站土壤水分觀測系統(tǒng)資料和地面觀測資料，分析其土壤水分的時(shí)空變化特征與其氣象要素的關(guān)系據(jù)有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值，為土壤水分檢測預(yù)警提供參考。

1 資料來源和方法

1.1 資料來源

本文研究所用資料為中天山北坡山區(qū)時(shí)間序列較長的烏魯木齊牧業(yè)氣象試驗(yàn)站（2003—2015年）觀測數(shù)據(jù)，土壤水分資料來源于該站安裝的中環(huán)天儀股份有限公司的GStar-1型土壤濕度自動(dòng)觀測系統(tǒng)的資料，該系統(tǒng)安裝在牧草觀測地段東西坡向，坡度25?，地下水位深度≥2m，土壤為山地粟鈣土，偏堿性，常見的牧草有80余種，禾本科占50%，豆科占23%，菊科占11%，是典型的山地草場，氣象資料來源于土壤水分觀測系統(tǒng)附近10km范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)時(shí)次的自動(dòng)氣象觀測站逐年蒸發(fā)量、降水量、平均氣溫、日照的實(shí)測資料。

1.2 資料處理分析方法

1.2.1 土壤水分觀測時(shí)間和方法

觀測時(shí)間：多年生牧草從第1個(gè)發(fā)育期到最后一個(gè)發(fā)育期的時(shí)段內(nèi)，每旬第8天取土采用烘干稱重法測定土壤濕度，一般在上午進(jìn)行。

1.2.2 土壤水分觀測深度

測定深度一般為50cm。分0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5個(gè)層次。

1.2.3 土壤水分計(jì)算項(xiàng)目和公式

1.2.3.1 土壤重量含水率

式中W：土壤重量含水率%；g1：盒重（g）；g2盒與濕土共重（g）；g3盒與干土共重（g）。

1.2.3.2 土壤相對(duì)濕度

式中R：土壤相對(duì)濕度（%），W：土壤重量含水率%；fc：重量含水率。

1.2.3.3 土壤水分貯存量v=p×h×w×10

式中V：土壤水分貯存量（mm）；p：土壤容重（g/cm3）；h土層厚度（cm）；W：土壤重量含水率%。

2 分析與結(jié)果

土壤水分的時(shí)空變化是多種因素綜合影響的結(jié)果，可概括為2個(gè)方面：土壤水分收入貯存和支出消耗，前者指自然降水、地下水補(bǔ)給和水汽凝聚；后者指土壤蒸發(fā)、氣溫、日照、風(fēng)速等。牧試站牧草觀測地段下水位深度≥2m，故土壤水分的變化主要受自然降水、氣溫、日照和蒸發(fā)以及風(fēng)速的影響。

根據(jù)本區(qū)域氣候特點(diǎn)和土壤水分測定實(shí)際情況，選取牧草生育期4—10月的平均蒸發(fā)量、氣溫、降水量、日照、風(fēng)速分別與4—10月的0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm代表5個(gè)層次的±壤重量含水率和土壤水分貯存量做相關(guān)分析。

2.1 蒸發(fā)量對(duì)各層±壤水分的影響分析

選取牧草生育期內(nèi)（4—10月）各旬分層0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5個(gè)層次的±壤重量含水率W和土壤水分貯存量V代表5個(gè)層次的±壤水分狀況，將各層W和V與蒸發(fā)量整理見表1。

從表1作圖1、圖2：

從圖1和圖2分析得出，土壤0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5個(gè)層次的±壤重量含水率與蒸發(fā)量均呈顯著的負(fù)相關(guān)，各層±壤水分隨著蒸發(fā)量的增加而減少，且相關(guān)性隨著土壤層次的增加呈增強(qiáng)趨勢。

2.2 降水量對(duì)各層±壤水分的影響

新疆地處非季風(fēng)區(qū)，對(duì)天山山區(qū)降水量年序列突變特征研究認(rèn)為，20世紀(jì)80年代以來進(jìn)入多雨時(shí)期。將牧草生育期內(nèi)各旬分層±壤重量含水率W和土壤水分貯存量V以及對(duì)應(yīng)各旬的降水量整理見表2。

從表2作圖3和圖4，如下：

從圖3和圖4分析得出，當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，各層±壤水分均有波動(dòng)，隨著降水量的增加，土壤水分土壤重量含水率變大，每次有效降水后均出現(xiàn)階段性的極大值。其中10cm±壤水分響應(yīng)最為明顯，經(jīng)計(jì)算土壤重量含水率與降水量呈顯著的正相關(guān)性，且隨著土壤層次的増加，降水量對(duì)±壤體積含水率的影響逐漸減弱。其中10cm達(dá)到極顯著，50cm的土壤水分受降水量的影響較小。

2.3 平均氣溫對(duì)各層±壤水分的影響

選取牧草生育期內(nèi)（4—10月）各旬分層0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、5個(gè)層次的±壤重量含水率W，土壤水分貯存量V代表5個(gè)層次的±壤水分，將各層W和V與氣溫整理見表3。

從表3作圖5和圖6，如下：

從表0～10cm、10～20cm、20～30cm、20～40cm、40～50cm、

5個(gè)層次的±壤體積含水率與平均氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān)，各層±壤水分隨著日平均氣溫的增加而減少，顯示0～50cm土壤水分含量與4—10月平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即在春季土壤解凍后隨著氣溫的升高，土壤水分逐漸減小，溫度通過影響蒸發(fā)而間接影響土壤水分，溫度越高蒸散越強(qiáng)烈，則土壤丟失水分越多。

2.4 風(fēng)速對(duì)各層土壤水分的影響

選取牧草生育期內(nèi)（4—10月）各旬分層10cm、20cm、30cm、40cm、50cm的±壤重量含水率W，土壤水分貯存量V代表5個(gè)層次的±壤水分，將各層W和V與風(fēng)速整理見表4。

從表4作圖7、圖8，如下。

從以上分析得出含水率與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，各層土壤水分隨著風(fēng)速的増強(qiáng)而減少，其中30cm與風(fēng)速的相關(guān)性達(dá)到極顯著。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不同氣象要素不同區(qū)域各層土壤水分的影響進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域±壤水分變化的主導(dǎo)氣象要素有所不同。整體來看，±壤水分主要受蒸發(fā)量、降水量、氣溫、日照、風(fēng)速的影響。其區(qū)域各層±壤水分與平均氣溫、對(duì)應(yīng)各層溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，且隨著溫度的升高而減弱。就各層±壤水分與氣象要素相關(guān)性來看，蒸發(fā)、氣溫和風(fēng)速對(duì)土壤水分的影響最大，其次是降水。蒸發(fā)量和降水量的影響隨著上壤層次的增加而減弱，50cm影響變化不大；平均氣溫和風(fēng)速均與±壤水分呈負(fù)相關(guān)，整體來看中層的相關(guān)性最為顯著，深層相關(guān)性較差，這是由于深層土壤體積含水率的變化主要源于土壤水分的垂直運(yùn)動(dòng)，因此深層土壤溫度對(duì)該層的±壤水分影響不及中層和表層。通過對(duì)不同層次±壤水分的影響氣象要素的研究，得到表層±壌水分影響受溫度、蒸發(fā)、日照的影響。

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作者簡介：耿燕（1963-），女，本科，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)牧業(yè)應(yīng)用氣象研究。