内蒙古扎鲁特旗山地草地土壤含水量动态变化及其与气候因子相关性分析--贾贵立

内蒙古扎鲁特旗山地草地土壤含水量动态变化及其与气候因子相内蒙古扎鲁特旗山地草地土壤含水量动态变化及其与气候因子相 关性分析关性分析 摘要摘要 通过对内蒙古通辽市扎鲁特旗巴雅尔吐胡硕牧业气象站 1983 2012 年气象数据 和山地草地土壤含水量数据分析 揭示土壤含水量的动态变化及其与气候因子之间的 相关关系 结果表明 1983 2012 年山地草地土壤各层 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm 30 40 cm 40 50 cm 和 0 50 cm 含水量均呈现逐渐降低的变化趋势 草地逐渐 旱化 土壤含水量下降过程可以分为 3 个阶段 第一阶段为 1983 1987 年 该阶段土壤 含水量在 15 30 之间波动 属于土壤含水量的较高阶段 第二阶段为 1988 1999 年 该阶段土壤含水量在 5 15 范围内波动 属于土壤含水量高 15 30 向低 2 10 过渡阶段 第三阶段是 2000 2012 年 该阶段土壤含水量处于 2 10 范围内 波动 属于土壤含水量较低阶段 土壤含水量与温度和日照时数成负相关 与降雨量 相对湿度 蒸散量呈正相关 关键词关键词 扎鲁特旗 气候因子 土壤含水量 山地草地 相关性 Dynamic change of soil moisture and relation to climatic factors in the Jarud Banner of Inner Mongolia Abstract To advance the effect of climate change on grassland soil moisture and the dynamic change of soil moisture we used a time series 1983 2012 data set of the Jarud Banner of Inner Mongolia together with historical climate date and soil moisture to analyze inter annual variations soil moisture and the relationships between soil moisture and climatic factors The results showed The dynamic change of soil moisture 0 10cm 10 20cm 20 30cm 30 40cm 40 50cm and 0 50cm indicated gradually reduce from 1983 to 2012 and grassland environment drought Three stages in decrease of soil moisture First the dynamic range of soil moisture is from 15 to 30 time series 1983 1997 data Second the dynamic range of soil moisture is from 5 to 15 time series 1988 1999 data Third the dynamic range of soil moisture is from 2 to 10 time series 2000 2012 data It indicated negative relationship between temperature sunshine hours and soil moisture and positive relationship between rainfall relative humidity evapotranspiration and soil moisture Key Words The Jarud Banner Climatic Factor Soil Moisture Mountain Grassland Relativity 气候因子的复杂性和多变性已经被众多研究学者所认可 其通过时间 序列和空间序列对生态 1 农牧业生产 2 社会经济 3 和可持续发展产生 着区域性 关联性 周期性和不确定性的影响 同时气候变化对生态 农 业生产 社会经济和可持续发展的影响也是当前的研究热点问题 4 研究 内容丰富 如 在气候变化情况下学者们对气温和降雨量动态变化的研究 5 暖干化趋势对土地荒漠化的影响 6 气候变化对草原退化的影响 7 气候变化对植物物候期的影响 8 气候变化对农业生产的影响 9 气候变 化对环境承载力 10 的影响等方面研究 草地作为陆地的主要生态系统是生态环境的基础 也是畜牧业发展的 重要基础和牧民赖以生存的基本生产资料 但是草原的退化也是一个不争 的事实 其退化原因学者们主要归结为气候变暖 超载过牧 不合理的人 为因素干扰 促使天然草地面积减少 草地承载力下降 草原基况变差 草地沙化 盐碱化等 11 其中气候变暖并不是狭义上的气温升高 而是气 温 降雨量 日照时数 蒸散量 相对湿度等的气候因素的综合作用 在 这种情况下 学者们为了探讨气候因子变化对草地可持续利用的影响 分 别从时间序列和空间序列上对气候因子变化情况下草地的生产力 草地间 群植物物候期 草地环境的承载能力 草地畜牧业 草地退化 植被盖度 等方面进行了大量研究 探讨了气候变化对草原生产力 植被物候期 环 境承载能力等的区域性 关联性 周期性的影响规律 而关于草地土壤含 水量与气候因子动态变化之间的研究却相对较少 草地土壤含水量作为草地土壤的主要性质 是草地植物的主要水分来 源 其对草地植物种类 生物量 盖度 密度 高度 频度等具有重要影 响 是决定草地类型的主要因素之一 土壤水分状况也是由气候因素 地 形因素 土壤因素等共同决定的 其中地形因素和土壤因素基本是稳定的 其中只有气候因素是动态变化 因此气候因素对土壤水分具有重要影响 国外学者研究表明 气候因子中降雨量是山地土壤水分的主要来源 蒸散 是土壤水分消耗的主要方式 此外相对湿度 风速等因素对山地土壤水分 也具有一定影响 12 同时许多学者对不同地区土壤水分动态分布规律进行 了深入的研究和探讨 13 但都是通过短期观测数据来揭示土壤水分的动态 变化 利用长期气象数据和土壤含水量数据来探讨气候因子变化对土壤含 水量变化规律的影响还很少 在此基础上 本文利用内蒙古通辽市扎鲁特 旗巴雅尔吐气象观测站 1983 2012 年 4 10 月 草地植物生长季 的土壤含 水量数据 分析该地区土壤含水量各时段 各土层变化特征 探讨气候因 素动态变化对土壤含水量的影响规律 揭示土壤水分与气候因子的内在关 系 实现土壤水分资源的充分开发利用 为调整畜牧放牧方式及草地资源 保护等方面提供科学依据 1 材料与方法材料与方法 1 1自然概况自然概况 研究区位于巴雅尔吐胡硕镇 该地区属于大兴安岭余脉中段褶皱带和 蒙古高原向松辽平原过渡地带 东经 120 0 120 30 北纬 44 46 45 13 地势山丘起伏连绵 海拔 628 3 m 年平均气温 3 6 气温极端最高 40 7 最低 33 0 年降水量 411 2 mm 年日照时数 3028 5 h 年大风日数 43 d 无霜期 155 d 左右 草本植物以针茅 Stipa capillata Linn 野古草 Arundinella anomala Steud 羊草 Leymus chinensis Trin Tzvel 冰草 Agropyron cristatum Linn Gaertn 萎陵菜 Potentilla aiscolor Bunge 等 覆盖率 60 90 1 2 项目与方法项目与方法 1 2 1 土壤含水量测定及计算土壤含水量测定及计算 土壤含水量的测定资料来源于巴雅尔牧业气象站 1983 2012 年 测定 方法是在天然牧草固定观测地段 于每年 4 10 月下旬每月逢 8 测定一次 采用土钻法分层取样 取样深度为 50 cm 各层分别为 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm 30 40 cm 40 50 cm 共 5 个层次 每层重复取样 4 次 然后用烘干法 105 烘干称重 取其平均值为该层的土壤水分含量 1 2 2 气象数据收集气象数据收集 气象资料来源于内蒙古扎鲁特旗巴雅尔吐胡硕气象观测站 资料数据 取自 1983 2012 年 气象因子包括逐月平均气温 降水量 相对湿度 日 照时数等 该气象数据观测方法按照中国气象局地面气象观测规范要求进 行各气象要素的观测 蒸散量计算根据韩芳等 14 气候变化对内蒙古荒漠草原牧草气候生产力 的影响研究中 引用 Lieth 15 方法 即著名的 Thornthwaite Memorial 模型中 以实际蒸散量计算得到牧草气候生产力 FPCP 公式中 FPCP 30000 1 基中 V 年平均实际蒸散量 mm R 是年降水量 0 20 1 05 1 1 05 2 mm L 为年最大蒸散量 mm 它是温度 T 的函数 L 与 T 之间如下关 系 中 T 为年平均气温 0 1 300 25 0 05 3 2 结果与分析结果与分析 2 1 土壤含水量月变化土壤含水量月变化 通过对 1983 年 2012 年土壤含水量动态变化折线图 图 1 图 2 图 3 可以看出 1 30 年间的土壤各层 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm 30 40 cm 40 50 cm 和 0 50 cm 水分含量变化波动曲线极其相似 均呈现 升 降 升 降 的变化趋势 各层土壤含水量在同一时间点上其大 小关系没有规律可循 2 30 年间土壤含水量总体呈现逐渐下降的变化 趋势 根据图 1 图 2 和图 3 可以粗略的将其划分为 3 个阶段 第一阶段 为 1983 年 1987 年 该阶段土壤含水量在 15 30 之间波动 属于土壤 含水量的较高阶段 第二阶段为 1988 年 1999 年 该阶段土壤含水量在 5 15 范围内波动 属于土壤含水量高 15 30 向低 5 10 过 渡阶段 第三阶段是 2000 年 2012 年 该阶段土壤含水量处于 2 10 范围内波动 属于土壤含水量较低阶段 3 通过 1983 年 2012 年土壤 含水量的动态变化可以粗略的总结出土壤含水量随着时间的推移呈现逐渐 降低的变化趋势 也就是说在未来的 10 年 20 年或者更长时间内 土壤 含水量可能还会呈现逐渐降低的变化趋势 4 1983 年 2012 年土壤含 水量的变化拐点分别为 1987 1988 年和 1999 2000 年 5 表层土壤 0 10 cm 和 10 20 cm 土壤含水量波动比下层土壤和 0 50 cm 土壤剧烈 2 2 土壤含水量年际变化土壤含水量年际变化 从土壤含水量年变化 见图 4 可以看出 1 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm 30 40 cm 40 50 cm 和 0 50 cm 各层土壤含水量年变化趋 势基本一致 总体趋势呈现逐渐降低的变化趋势 且时间点上各层土壤含 水量大小关系没有规律可循 2 土壤含水量最高值出现在 1988 年 最 低值出现在 2007 年 3 1985 年 1989 年土壤含水量变幅较大 1983 年 1985 年和 1989 年 2012 年土壤含水量变幅较小 其中 1989 年 2012 年土 壤含水量呈现平缓降低的变化趋势 4 表层 0 10 cm 土壤含水量波动 较其它各层土壤剧烈 2 3 土壤含水量年际变化与气候因子相关性分析土壤含水量年际变化与气候因子相关性分析 土壤年际变化和气候因子相关性分析 表 1 可以看出 1 各层 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm 30 40 cm 和 0 50 cm 土壤含水量与日照时 数之间呈现极显著负相关关系 与 40 50 cm 土壤含水量呈现负相关关系 但差异不显著 相关系数随着土层的增加相关系数逐渐降低 2 各层 土壤含水量与降雨量之间均呈现极显著正相关关系 相关系数随着土层的 增加逐渐减少 3 各层土壤含水量与温度之间均呈现负相关关系 但 均不显著 4 各层土壤含水量与相对湿度之间均呈现正相关关系 其 中 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm 与相对湿度之间呈现极显著 30 40 cm 40 50 cm 和 0 50 cm 显著 相关系数随土层的增加逐渐降低 5 各层土壤含水量与蒸散量之间相关性均达到极显著 相关系数随土层的增 加呈现先增加后降低的变化趋势 表表 1 1 土壤年均含水量年际变化与气候因子相关性分析土壤年均含水量年际变化与气候因子相关性分析 Table 1 Annual soil water content and interannual climate factor correlation analysis 日照时数降雨量温度相对湿度蒸散量 0 10 0 283 0 276 0 0640 208 0 275 10 20 0 238 0 260 0 0750 183 0 259 20 30 0 215 0 304 0 0210 203 0 304 30 40 0 186 0 231 0 0510 167 0 230 40 50 0 1740 194 0 0700 139 0 192 0 50 0 229 0 264 0 0590 188 0 263 注 表示各因子间在 0 01 水平达到极显著相关 表示在 0 05 水平显著相关 Note Said the factor at 0 01 level of significant correlation Said the factor at 0 05 level of significant correlation 2 4 土壤含水量月变化与气候因子相关性分析土壤含水量月变化与气候因子相关性分析 土壤含水量月变化与气候因子之间相关性分析 表 2 可知 各层土 壤含水量与月均温之间呈现极显著负相关关系 与相对湿度之间呈现极显 著正相关关系 0 10 cm 10 20 cm 土层含水量与降雨量之间呈现显著正 相关关系 20 30 cm 30 40 cm 40 50 cm 和 0 50 cm 土层含水量与降雨 量之间呈现极显著正相关关系 日照时数与土壤含水量之间呈现负相关关 系 其中 20 30 cm 和 30 40 cm 差异不显著 其他各层均显著 蒸散量与 各层土壤含水量之间均呈现正相关关系 其中 0 10 cm 不显著 其他各层 均显著 表表 2 2 土壤年均含水量月变化与气候因子相关性分析土壤年均含水量月变化与气候因子相关性分析 Table Annual average water content on soil changes and climate factor correlation analysis 土层 cm 月平均气温月平均相对湿度月降雨量月日照时数月蒸散量 0 10 0 670 0 511 0 442 0 383 0 334 10 20 0 658 0 530 0 460 0 364 0 367 20 30 0 691 0 578 0 509 0 3450 404 30 40 0 656 0 577 0 493 0 3530 391 40 50 0 670 0 566 0 474 0 400 0 371 0 50 0 678 0 558 0 481 0 373 0 377 注 表示各因子间在 0 01 水平达到极显著相关 表示在 0 05 水平显著相关 Note Said the factor at 0 01 level of significant correlation Said the factor at 0 05 level of significant correlation 3 讨论讨论 气候因素 地形因素和土壤因素是影响土壤含水量的主要因素 其中 地形因素和土壤因素具有相对的稳定性 短期内对土壤含水量变化的影响 较小 而气象因素本身是多变的 具有一定的时空特性 是影响土壤水分 的主要因素 16 也是当前学者们研究的热点问题 本文通过对内蒙古通辽 市扎鲁特旗巴雅尔牧业气象站 1983 2012 年间 天然山地草地定点观测不 同土层土壤含水量的研究表明 不同土层深度土壤含水量在 30 年间动态 变化趋势基本一致 其中表层土壤含水量变化幅度要高于下层 不同土层 含水量动态变化幅度差异性可能主要由于表层土壤含水量对降雨 温度 蒸散量等气候因素的响应更为敏感 下层相对比较平缓 有学者在对祁连 山土壤含水量的研究过程中 也得出类似结论 其认为产生这一结果的主 要原因可能是由于土壤温度变化引起不同土层之间含水量的不同变化规律 因为土壤表层每天的 季节的温度变化极为强烈 这种强烈的变化将对土 壤水分的保持和转换有强烈的影响 尤其是干旱半干旱地区 17 气候因子 作为影响土壤含水量的主要因素 不同的气候因素对土壤含水量的影响各 有异同 如 降雨量的时空分配对土壤水分动态的变化具有重要影响 但 这种影响受到降雨量 降雨强度和降雨时间的影响 18 蒸散量是土壤水分 散失的主要方式 而水分散失的多少与植被盖度 温度等有密切关系 同 时蒸散量也是土壤水分减少的主要方式 19 本研究通过对多年气候因子和 各层土壤含水量相关性分析表明土壤含水量与温度和日照时数成负相关 与降雨量 相对湿度 蒸散量呈正相关 其结论与前人研究一致 参考文献参考文献 1 杨元合 朴世龙 青藏高原草地植被覆盖变化及其与气候因子的关系 J 植物生态学报 2006 30 1 1 8 2 李玉娥 董红敏 林而达 气候变化对畜牧业生产的影响 J 农业工程学报 1997 13 增刊 20 23 3 王绍武 龚道溢 对气候变暖问题争议分析 J 地理研究 2001 20 2 153 160 4 IPCC Climate Change 2007 Summambry for Policymakers M Cambridge UK Cambridge University Press 2007 5 闫新霞 戴翠贤 天山北麓植被指数变化特征及其与气温和降雨的关系 J 气象与环境科学 2013 36 2 42 46 6 李婷 谭振忠 舒贵清 王晓兰 气候因子对共和盆地木格滩荒漠化的影响 J 贵州农业科学 2011 39 6 66 70 7 李青丰 李福生 乌兰 气候变化与内蒙古草地退化初探 J 干旱地区农业研