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研究院，昆明 650228；2.河海大學，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[1]。近年來云南省干旱有進一步加劇的趨勢，2009年中旬至2010年3月，西南5省發生重大旱災，給當地造成巨大的經濟損失，其中冬小麥、油菜、甘蔗等作物受旱災尤為嚴重[2]。農業生產是一個連續的過程，作物生育期內任何一次干旱缺水事件都會通過對作物產量的影響累積起來[3]。而旱災對農作物的影響往往是從土壤墑情的異常偏少開始，進而影響到農作物的長勢及產量，可見研究土壤墑情的變化對農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取得了很大的進展，左志燕等發現中國東部春季土壤濕度與夏季降水存在密切關系，同時土壤濕度異常與溫度異常相關聯[4]。陳小風等建立了基于土壤墑情預測模型、降水量和地下水埋深評價方法為一體的旱情綜合評估預測模型[5]。馬柱國等的研究指出，中國東部地區的土壤濕度和降水具有顯著的正相關關系，與溫度呈負相關關系[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距離增加而增大，垂直方向上相鄰土層土壤濕度間的相關性隨距離增加而減少[7]。王研峰的研究表明半干旱地區土壤濕度對不同降水事件的響應及等級和空間差異[8]。然而，云南省土壤墑情監測工作起步晚，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，以對農業生產、作物布局、干旱預報以及農業決策等提供依據。

1 研究區概況

云南省位于97°32′E-106°11′E，21°8′N-29°15′N，地勢呈現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，石灰巖等。全省屬于亞熱帶高原季風氣候，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%；空間上呈現南多北少，西多東少，山區大，平壩和河谷少的特點。

2 資料來源和分析方法

本研究所采用數據來源于2008-2012年云南省13個土壤墑情監測站(見圖1)，其中降水和土壤濕度數據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，本文相關分析中盡量選擇無資料缺失或具有代表性的站點。

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

3 結果與分析

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測站連續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，整體呈現出滇西北和滇東南地區土壤年平均含水量較大，滇中地區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，而滇中地區降雨量相對較少；另一方面由于滇中地區土壤類型多高原紅壤，紫色土也主要集中分布在滇中地區，其土壤質地較為疏松，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2008-2012年滇中東風、滇東南榮峰和沙壩、滇西南螞蟻堆、滇西北橋頭5個典型站點的月土壤水分動態觀測資料，繪制出10、20和40 cm相鄰土層之間土壤重量含水量的關系圖。

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性，且相關系數達到0.6以上。整體呈現土壤層間距離越近，其相關性越高，而榮峰站則呈現相反的趨勢，即層間距離約近，相關性反而越低。而在空間方向上，滇中、滇東南以及滇西南地區相鄰土層土壤重量含水量變化相對穩定，但滇西北橋頭站相鄰土層土壤重量含水量趨勢線均大于1，且數值最大，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定，主要由于橋頭站位于滇西北橫斷山區，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云南省各站點土壤年平均含水量 %

圖2 相鄰土層土壤重量含水量的關系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，各站點土壤含水量的年際變化受地區降水影響顯著，且基本上呈正相關性，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在這兩年，而各站點的土壤年平均含水量最大值均出現在降水量相對較多的2008年和2010年這兩年中。

3.2.2土壤水分季節變化特征

土壤水分的季節變化主要是由于降水的季節變化、土壤質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，通過2008-2012年5 a各月的土壤含水量，分析這7個站點不同月份不同層間土壤平均含水量與降水的關系(見圖4)，進而得出云南省各區域土壤墑情整體變化的情況。

從圖4中可以發現，在土壤垂直方向上，大部分站點呈現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個站點均呈現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度[13]，其中10和20 cm土壤含水量變異系數最大[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20 cm>40 cm>10 cm，沙壩站呈現20 cm>10 cm>40 cm，大茨坪則呈現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，其余站點不同深度土壤含水量最大值均出現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在6-7月份，榮峰站(20和40 cm)土壤最大含水量出現在10月份，不同深度土壤含水量出現的時間基本上呈現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作物大量需水高峰時期。

4 結 論

(1)通過對比云南省5個區域的土壤濕度，整體呈現出滇西北和滇東南地區土壤年平均含水量高，滇中地區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，且整體上呈現土壤層間距離越近，相關性越高；在0～40 cm，大部分地區呈現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的關系，即降水豐富的年份，土壤含水量較大，反之則相反。而從季節上看，不同深度土壤含水量最大值出現在6-10月份，基本上出現在降水最多月份的后一個月，且存在一定的滯后性，總體上呈現出從東南向西北推遲的趨勢；土壤含水量最小值出現在1-4月份。

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