土壤墑情時(shí)間變化規(guī)律研究
——以滄州地區(qū)為例

哈建強(qiáng)，史洪飛

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

1 墑情監(jiān)測情況概述

滄州市農(nóng)作物有小麥、玉米、棉花、豆類、谷類、高粱、花生、油料、甘薯等，經(jīng)濟(jì)林木主要有棗、梨、蘋果、桃、杏、石榴、葡萄等近百個(gè)品種。為使旱情分析具有連續(xù)性、一致性和代表性，擬采用2009-2015年滄州市19個(gè)旱情監(jiān)測站的旱情監(jiān)測資料內(nèi)容。土壤墑情的主要監(jiān)測內(nèi)容包括濕土重量、干土重量、土壤含水率、測此間降水量、測此間降水日數(shù)、監(jiān)測地塊附近地下水埋深、測此間灌溉日數(shù)等內(nèi)容。為了測定不同深度的土壤含水率，土壤墑情監(jiān)測深度分別為10、20和50 cm，3個(gè)取樣分別取樣，每個(gè)深度采集平行樣2個(gè)。土壤墑情監(jiān)測時(shí)間為歷年3月1日至6月21日，9月1日至11月21日，正常情況下每月上旬、中旬、下旬的第一天監(jiān)測一次，特殊情況除外。按照多年對降水量的觀測，汛期里的7和8月份降水量偏多，是一年中降水最多的時(shí)期，這期間土壤含水率基本上呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，因此每年的這段時(shí)期停測土壤墑情，同時(shí)根據(jù)氣候變化的實(shí)際情況、旱情變化等情況決定是否加測或抽測。11月份以后，北方進(jìn)入冬季，當(dāng)年12月份至次年2月份也就是通常所說的封凍期，由于季節(jié)原因，地下土壤水分處于封凍狀態(tài)，這段時(shí)期內(nèi)土壤含水率變化基本上不大，因此封凍期停測土壤含水率。在每年的整個(gè)監(jiān)測期間，根據(jù)旱情和水情實(shí)際情況決定加測、停測以及加測的密度等。

2 墑情監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)2009-2015年歷年3-6月份以及9-11月份土壤墑情實(shí)測資料，整理、分析、計(jì)算這幾年來的平均值，分析研究不同年份、月份、不同深度土壤墑情變化特征。同時(shí)，按照地塊種植結(jié)構(gòu)劃分的水澆地作物、水澆地白地、旱地作物、旱地白地等4種情況分別進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 滄州市土壤墑情多年平均含水率

3 土壤墑情變化特征分析

土壤含水率通?？梢暂^好反映土壤墑情大小變化及范圍，在實(shí)際工作中可以作為測定某地區(qū)地塊土壤墑情好壞的重要指標(biāo)之一。土壤含水率的變化在很大程度上取決于降水量、相對濕度、風(fēng)速、日照、蒸發(fā)、氣溫等多種氣象條件的變化以及作物本身的屬性。本文從時(shí)間及土壤作物種植情況等兩個(gè)方面對滄州市土壤墑情情況進(jìn)行深入研究。

3.1 時(shí)間變化特征分析

3.1.1 年際變化特征

依據(jù)滄州市2009-2015年共7年的土壤墑情實(shí)測資料，分別按照實(shí)際取土深度10、20和50 cm的觀測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理、分析、計(jì)算，結(jié)果見表2。年際變化對比圖見圖1。

表2 滄州市土壤墑情年際變化特征統(tǒng)計(jì)表

圖1 滄州市土壤含水率年際變化對比圖

由圖1可以看出，取土的10、20和50 cm共3個(gè)不同深度以及整體的平均值在2011年之前基本上呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，而且2011年作為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2011年，土壤含水率10、20和50 cm分別為23.8%、24.7%和28.1%；2012年又達(dá)到統(tǒng)計(jì)年際間的最高點(diǎn)，3個(gè)不同深度的土壤含水率10、20和50 cm最大值分別為26.3%、27.0%和29.2%，平均值最大為27.6%。2012年之后基本呈現(xiàn)減小趨勢，3個(gè)不同深度的土壤含水率及平均值在2014年達(dá)到年際間最小值，10、20和50 cm分別為21.7%、21.8%和24.2%，平均值最小為22.7%，2014年以后又有增加趨勢。

3.1.2 月多年平均變化特征

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料年份各月份土壤含水量情況，計(jì)算、匯總數(shù)據(jù)，繪制滄州市月平均土壤含水率變化圖，見圖2。

圖2 滄州市月平均土壤含水率變化圖

由圖2可以看出，6月份時(shí)土壤相對含水率最低，略高于20%；9月份時(shí)土壤相對含水率最高，略小于29%。同時(shí)可以看出，3-6月份土壤含水率基本呈現(xiàn)減小趨勢，6-9月份呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，9-11月份基本呈現(xiàn)下降趨勢，而9-10月份呈明顯下降趨勢，10-11月份下降趨勢減緩。

3.1.3 主汛期及封凍期變化特征

一般情況下，歷年7和8月份為滄州市的主汛期，降水量多是滄州市主汛期的顯著特點(diǎn)。在此背景下，7和8月份滄州市的土壤含水率相對較高，基本上呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。根據(jù)滄州市土壤墑情監(jiān)測站網(wǎng)多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，主汛期前的6月21日與主汛期后的9月1日的土壤含水率相比較，土壤含水率總體上平均增加19.2%，在不同深度的10、20和50 cm平均增加20.2%、20.1%和15.3%。

當(dāng)年12月份至次年2月份也就是通常所說的封凍期，地下土壤水分處于封凍狀態(tài)，這段時(shí)期內(nèi)土壤含水率變化基本不大，相對比較穩(wěn)定。根據(jù)多年平均數(shù)據(jù)，封凍期前的11月21日與封凍期后的次年3月1日的土壤含水率相比較，10、20和50 cm分別平均減少20.9%、22.5%和18.8%，總體平均減少23.1%。

3.1.4 降水量及蒸發(fā)量對土壤含水率在時(shí)間上變化的影響

從某種意義上講，土壤中水分的變化過程可以通過土壤體積含水率反映出來。以2009-2015年滄州市歷年降水量、蒸發(fā)量、土壤含水率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制3個(gè)因素的相關(guān)對照關(guān)系，見圖3。從圖3可以看出，當(dāng)年降水量較小時(shí)，而年蒸發(fā)量較大，以上兩個(gè)因素又使得年平均土壤含水率較小。相反，當(dāng)年降水量較大時(shí)，年蒸發(fā)量反而較小，兩種因素共同作用使年平均土壤含水率反而較大。由此可以得出，降水量與蒸發(fā)量基本上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而降水量與土壤含水率則呈正相關(guān)關(guān)系。

圖3 滄州市年降水量、蒸發(fā)量與年平均含水率關(guān)系圖

3.2 土壤種植作物因素分析

3.2.1 水澆地作物分析

本文分析的第一種地塊為水澆地地塊，水澆地通常是指現(xiàn)階段具有農(nóng)業(yè)用水灌溉條件下的能夠種植作物的耕地。水澆地作物地塊的特點(diǎn)表現(xiàn)在：土壤含水率變化除受降水、氣溫、蒸發(fā)等自然因素以外，還受到農(nóng)作物本身和人為灌溉用水等因素共同作用。選取滄州市2009-2015年19處土壤墑情監(jiān)測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析水澆地作物的墑情變化特征，其變化過程線見圖4。

由圖4可以看出，水澆地作物的土壤含水率3-6月份基本上呈現(xiàn)下降趨勢，6月1日達(dá)到全年監(jiān)測最低點(diǎn)，為22.4%；6-9月份呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，9月11日達(dá)到下半年的最高點(diǎn)，為28.8%；9月下旬-10月底呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；10-11月份由于溫度降低蒸發(fā)減緩，土壤含水率下降趨勢減緩。

圖4 水澆地作物類型土壤含水率變化過程線

3.2.2 水澆地白地分析

本文分析的第二種地塊為水澆地白地，水澆地白地通常是指現(xiàn)階段在具有農(nóng)業(yè)用水灌溉條件，但是在該地塊上沒有種植農(nóng)業(yè)作物的耕地。水澆地白地地塊特點(diǎn)表現(xiàn)在：土壤含水率變化除受降水、氣溫、蒸發(fā)等自然因素以外，還受到人為灌溉用水等因素共同作用，但是由于沒有種植農(nóng)作物，所以不受農(nóng)作物本身的因素影響。選取滄州市2009-2015年19處土壤墑情監(jiān)測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析水澆地白地的墑情變化特征，其變化過程線見圖5。

圖5 水澆地白地類型土壤含水率變化過程線

由圖5可以看出，水澆地白地的土壤含水率3-6月份基本上呈現(xiàn)下降趨勢，6月1日達(dá)到全年監(jiān)測最低點(diǎn)，為22.9%；6-9月份呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，9月11日達(dá)到全年的最高點(diǎn)，為28.8%；9月份以后出現(xiàn)明顯的下降趨勢。

3.2.3 旱地作物分析

本文分析的第三種地塊為旱地作物地塊，旱地作物地塊通常是指地塊由于某些因素不具備人工灌溉條件，農(nóng)業(yè)作物灌溉用水量單純依靠自然降水。滄州市屬于平原地區(qū)，主要種植的旱地作物有棉花、豆類、花生等。旱地作物地塊的特點(diǎn)表現(xiàn)在：土壤含水率主要跟種植作物本身特點(diǎn)、氣溫、蒸發(fā)和降水等各種自然因素有關(guān)，沒有任何人為因素干擾。選取滄州市2009-2015年19處土壤墑情監(jiān)測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析旱地作物的墑情變化特征，其變化過程見圖6。

由圖6可以看出，旱地作物的土壤含水率3-6月份基本上呈現(xiàn)下降趨勢，6月1日達(dá)到全年監(jiān)測最低點(diǎn)，為21.0%；6-9月份呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，9月11日達(dá)到全年的最高點(diǎn)，為27.3%；9月份以后出現(xiàn)明顯的下降趨勢。

3.2.4 旱地白地分析

本文分析的第四種地塊為旱地白地，旱地白地通常是指地塊由于某些因素現(xiàn)階段不具備人工灌溉條件，而且沒有種植任何農(nóng)作物的耕地。旱地白地地塊的特點(diǎn)表現(xiàn)在：土壤含水率主要跟氣溫、蒸發(fā)和降水等各種自然因素有關(guān)，跟種植作物本身特點(diǎn)無關(guān)，沒有任何人為因素干擾。選取滄州市2009-2015年19處土壤墑情監(jiān)測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析旱地白地的墑情變化特征，其變化過程見圖7。

圖6 旱地作物類型土壤含水率變化過程線

圖7 旱地白地類型土壤含水率變化過程線

由圖7可以看出，旱地白地的土壤含水率3-4月中旬呈現(xiàn)下降趨勢，4月中旬-5月中旬呈現(xiàn)增長趨勢，5月中旬-6月份又呈現(xiàn)下降趨勢，6月1日達(dá)到全年監(jiān)測最低點(diǎn)，為20.5%；6-9月份呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，9月11日達(dá)到全年的最高點(diǎn)，為27.2%；9月份以后出現(xiàn)明顯的下降趨勢。

4 結(jié) 語

通過對滄州市19個(gè)土壤墑情監(jiān)測站2009-2015年實(shí)測墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，從年、月、主汛期和封凍期等時(shí)間段的變化情況可以得出以下結(jié)論：

1) 從時(shí)間變化因素上分析，年降水量和年蒸發(fā)量與土壤體積含水量之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，年降水量較小的年份，年蒸發(fā)量較大，而平均土壤含水率較小。年降水量較大的年份，年蒸發(fā)量較小，平均土壤含水率較大。由此可以得出，降水量與蒸發(fā)量基本上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而降水量與土壤含水率則呈正相關(guān)關(guān)系。

2) 從種植作物的情況上分析，通過分析滄州市4種類型的土壤體積含水量的變化特征如水澆地作物、水澆地白地、旱地作物、旱地白地可以得到，在土壤墑情監(jiān)測時(shí)段內(nèi)，4種情況的土壤含水率最低點(diǎn)均出現(xiàn)在6月初，這與汛前降水量少有直接關(guān)系；4種情況的土壤含水率最高點(diǎn)均出現(xiàn)在9月中旬，9月中旬以后均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢。