隨州土壤水分周年變化特征及對農(nóng)業(yè)的影響

周澤民　郝元甲

摘要：根據(jù)隨州1991—2013年土壤濕度觀測資料，對隨州本地土壤水分狀況周年分布、不同層次土壤水分狀況和各主要作物的適宜土壤濕度進行了分析。結(jié)果表明，隨州市土壤濕度周年變化大致分為5個時期;隨州的土壤濕度周年變化具有一定的規(guī)律，無降水和強降水天氣對土壤濕度的影響明顯，土壤濕度過高或過低都會對農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重的影響。

關(guān)鍵詞：土壤水分狀況;土壤濕度;周年變化;隨州市

中圖分類號：S152.7;P461+.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）15-0051-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.011? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Annual variation character of edaphic humidity and its impact

on agriculture in Suizhou city

ZHOU Ze-min，HAO Yuan-jia

（Meteorological Observatory of Suizhou，Suizhou 441300，Hubei，China）

Abstract： According to the observed data of edaphic humidity in Suizhou from 1991 to 2013， the local annual distribution of edaphic humidity， soil moisture distribution in different layer and suitable soil moisture of main crops were analyzed. The results show that， the annual variation of edaphic humidity is about five main stages and is regular. Both no precipitation and heavy rainfall cause a conspicuous influence for edaphic humidity. The increasing or decreasing of soil humidity will have a big impact on crops and agriculture.

Key words： edaphic humidity; soil moisture; annual variation; Suizhou city

作物的生長發(fā)育需要一定的水分，而水分主要由土壤水分、空氣濕度和降水來實現(xiàn)[1]。適宜的土壤水分會促進作物正常發(fā)育生長，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的正常進行。開展土壤水分變化研究，對于及時了解土壤水分動態(tài)演變情況，判斷作物生長期內(nèi)的土壤水分利弊影響，做好耕作、播種、施肥、除草、收割、病蟲害防治等田間工作，合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，減輕作物旱災和漬害造成的損失，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的被動性、盲目性意義重大。

生產(chǎn)實踐表明，土壤水分指標較降水指標更切合對農(nóng)業(yè)干旱、漬害的評估，更能反映對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，其穩(wěn)定性、客觀性更好。表示土壤水分的指標較多，如土壤重量含水率、土壤體積含水率、土壤相對濕度等，它們都屬于土壤濕度的范疇。土壤重量含水率是土壤含水量占干土重的百分率，土壤相對濕度是土壤重量含水率占田間持水量的百分比[2]，二者密切相關(guān)。在這些指標中，土壤相對濕度有利于在不同土壤之間進行比較[2]，土壤重量含水率計算簡單，實用普遍[3]。因此本文主要以土壤相對濕度和土壤重量含水率等觀測資料，來研究隨州土壤水分的變化特征和對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

1? 資料來源和觀測地段說明

隨州人工觀測的土壤濕度資料年限為1982—2013年。受土地開發(fā)、環(huán)境破壞等影響，土壤濕度的觀測地段多次改變。1982年1月至1990年12月28日在隨州皮件廠附近（1號觀測點）取土測定;1991年1月至2001年5月18日在東城區(qū)文峰塔村14組呂萬忠責任田里（2號觀測點）取土測定;2001年5月28日至2013年9月在老氣象觀測場附近（3號觀測點）取土測定。2013年10月開始在何店新氣象觀測站內(nèi)進行土壤濕度自動觀測。1號、2號和3號觀測地段與原氣象觀測站的直線距離都在700 m以內(nèi)，海拔高度差在10 m以內(nèi)。屬于丘陵地形，地勢平坦，土壤質(zhì)地為黏壤，呈酸性。1號、2號土壤濕度觀測地段上種植的農(nóng)作物為冬小麥、棉花輪作，3號為自然植被，3個觀測地段的常年地下水位深度在 2 m以上，灌溉條件較差，沒有人為灌溉的影響，對降水反應比較敏感。

不同地段的土壤濕度參數(shù)、土壤性質(zhì)都有一定的差異。2號觀測地段的位置和土壤物理參數(shù)相同，測定的土壤濕度資料具有連續(xù)性、比較性和同一性，因此，在進行土壤濕度長時間序列的變化規(guī)律性研究時，采用1991—2000年的土壤濕度測定資料。3號觀測地段和2號觀測地段具有一定的連續(xù)性和比較性，特別是3號觀測地段測定資料的年代較近，有較強的現(xiàn)實意義，供分析土壤濕度特征時使用。1號觀測地段臨近廠區(qū)，代表性較差;何店土壤濕度自動觀測站與2號觀測地段的距離在10 km以外，土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也有較大差異，而且土壤濕度觀測方法不一致，數(shù)據(jù)缺乏同一性，資料連續(xù)性差，故舍棄不用，只在討論2012年干旱變化狀況時使用。

土壤濕度為固定（作物）觀測地段，每旬測定一次，每旬第8天測定[2]。測定深度為10、20、30、40、50 cm共5個層次，采用烘干稱重法，按照文獻[2]中的相關(guān)方法進行測定和計算。經(jīng)計算后土壤相對濕度>100%，按100%進行統(tǒng)計。氣象資料來源于隨州市氣象臺地面氣象觀測資料。

2? 隨州土壤水分狀況的變化規(guī)律

2.1? 不同天氣條件下土壤水分變化特點

自然降水是土壤水分的主要來源，也是影響土壤濕度變化的主要因素。了解不同天氣條件下土壤水分狀況的變化規(guī)律，可以更好地指導農(nóng)民群眾因時抗旱、灌溉、排漬。

2.1.1? 無降水天氣條件下土壤濕度情況? 為了解無降水（含降水很?。┨鞖鈼l件對土壤濕度的影響，統(tǒng)計了隨州1991—2000年冬季（12月至次年1月）、春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）對降水反應敏感的10 cm土壤層次無降水（含降水很?。┨鞖鈼l件下的土壤相對濕度資料。

不同季節(jié)的降水強度和量級有明顯差異。對于隨州而言，夏季連續(xù)出現(xiàn)10 d無降水的幾率很少，冬季出現(xiàn)的幾率則較多。在夏季，由于作物葉面截留量大，遮蔽作用強，降水量<5 mm時一般為植物葉面全部截留，屬無效降水[4，5]，對提高土壤濕度的作用很微弱。因此，在統(tǒng)計中，以冬季土壤相對濕度測定的前10 d（以下簡稱為前期）累計無降水（降水量0.0 mm）、春秋季測定的前期無降水（降水量<2.0 mm）、夏季前期無降水（降水量<5.0 mm）為標準，來研究無（?。┙邓畻l件下10 cm層次土壤相對濕度減少的情況。

由表1可知，在前期無（?。┙邓奶鞖鈼l件下，隨州逐日土壤相對濕度減少幅度在各季節(jié)有著明顯的差異，冬季土壤相對濕度平均每天減少1.5%，春、秋季平均每天分別減少2.4%和1.8%，夏季平均每天減少3.1%，也即夏季土壤濕度平均每天減少比冬季多1倍。由此說明，在夏季，由于氣溫高，日照強，蒸發(fā)強烈，如果沒有較明顯的有效降水或灌溉補充，極易形成干旱。

2.1.2? 強降水條件下土壤濕度變化規(guī)律? 土壤濕度的變化與降水量、降水持續(xù)時間和降水性質(zhì)都有明顯的關(guān)系。表2表明，在前期土壤相對濕度很小、出現(xiàn)干旱的情況下，如果出現(xiàn)強度明顯、地表徑流小的降水過程會使土壤中的水分迅速增加，濕度明顯增大，旱情解除。2011年6月8日及以前，10 cm土層土壤濕度一直≤60%，最小值僅44%（4月28日），除50 cm土層外，其他層次的土壤濕度都在80%以下，干旱露頭。隨后在6月18日前期出現(xiàn)了累計降水量70.0 mm的降水，其中，6月18日當天下午土壤濕度測定前，出現(xiàn)了8 h（6：00—14：00）降水量26.6 mm、1 h（10：00—11：00）降水量達12.9 mm的強降水。在強降水產(chǎn)生后，各層土壤濕度逐漸向下傳遞，均達到飽和狀態(tài)。深層的土壤其后保持相當一段時間的高濕狀態(tài)，變化平緩，對降水的響應具有一定的滯后效應。而淺層土壤由于蒸發(fā)、滲透、流失，土壤濕度降低速度明顯快于深層。

2.1.3? 夏季不同降水量對土壤濕度的影響? 夏季是農(nóng)作物生長的旺盛時期，也是產(chǎn)量結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵時期。由于氣溫高，日照強，蒸散快，干旱頻繁，故危害嚴重。研究表明[6]，當土壤相對濕度<40%時為重旱，40%～60%為輕旱，60%～90%為正常，>90%為過濕;同時規(guī)定，當干旱出現(xiàn)后土壤濕度≥80%為干旱解除，60%～79%為干旱緩解，<60%為干旱持續(xù)。

為了解隨州夏季不同干旱條件下降水量對土壤濕度的影響，統(tǒng)計了1991—2002年夏季（6—8月）共36旬的前期（測定土壤濕度的前10 d，下同）累計降水量與土壤濕度的資料（表3）。表3表明，前期累計降水量的多少明顯影響到干旱解除程度。當前期累計降水量<34.9 mm時，沒有1旬出現(xiàn)干旱解除的現(xiàn)象。說明雖然前期有一定的降水量，但如果累計降水量少，對干旱解除沒有實質(zhì)性的效果;前期累計降水量在35.0～49.9 mm時，只有1旬出現(xiàn)干旱解除的情況;前期累計降水量在50.0～69.9 mm時，出現(xiàn)了 4旬干旱解除的情況;前期累計降水量≥70 mm時，有9旬達到干旱解除的標準。前期累計降水量多少也對干旱持續(xù)有很大的影響。當前期累計降水量? <34.9 mm時，有14旬出現(xiàn)干旱持續(xù)的情況。當前期累計降水量<5 mm時，有7旬仍干旱持續(xù)，其中有6旬出現(xiàn)前期有降水，土壤濕度不增反降的現(xiàn)象。由此得出，在夏季干旱時期，前期累計降水量≥70 mm是干旱解除的重要指標。而在土壤相對濕度達重旱標準下，前期累計<5 mm的降水量對提高土壤濕度，改善土壤墑情是無效的。當前期累計降水量<34.9 mm時，對干旱解除不會有較好的促進作用，對干旱持續(xù)也不會有減輕效果。

2.2? 隨州土壤水分周年變化特征

隨州屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，受季風氣候的影響，土壤水分狀況隨季節(jié)變化而形成了不同的階段，它是土壤水分狀況隨季節(jié)變化的動態(tài)反映。

2.2.1? 土壤濕度的周年變化規(guī)律? 根據(jù)隨州市氣象局1991—2000年土壤濕度測定的土壤重量含水率統(tǒng)計資料，將隨州市土壤濕度周年變化大致分為冬冷濕潤期、春季失墑耗損期、雨季恢復積聚期、夏秋蒸發(fā)蒸騰耗水期和秋涼水分補充期等5個時期。由圖1可見，隨州市不同層次土壤濕度的周年變化趨勢比較一致，但各季節(jié)變化也有一定的差異?；旧铣尸F(xiàn)12月至次年3月變化緩慢，9月為土壤濕度最低時期，4月為次低，6月和11月最高的特點。

冬冷濕潤期（12月至次年3月）：這一時期多年平均降水量為115.6 mm，只占全年的12%。降水量雖然較少，但雨雪天氣較多。此階段為全年氣溫最低時期，冬小麥、油菜等越冬作物處于休眠或半休眠狀態(tài)，耗水少，蒸騰蒸發(fā)量小，土壤水分常處于高濕狀態(tài)，土壤重量含水率在23%以上，也就是說，土壤相對濕度一般在70%～90%。

春季失墑耗損期（3—4月）：這一時期氣溫逐漸升高，冬小麥、油菜等作物復蘇直至旺盛生長，蒸、散發(fā)明顯增加，需水量大，耗水也多，耕地層土壤濕度逐漸降低。在旱情明顯的年份，土壤水分減少更多，表現(xiàn)為在4月各層次基本上出現(xiàn)一年的次低值。

雨季恢復積聚期（5—7月）：雖然這一時期，氣溫較高、日照較強，農(nóng)作物蒸散發(fā)較大，但此時正是隨州梅雨季節(jié)，特別是在梅雨明顯年份，降水持續(xù)時間長，強度大，因此總體上土壤水分收大于支，土壤濕度迅速回升。6月達到全年土壤濕度的最高時期。

夏秋蒸發(fā)蒸騰耗水期（8—9月）：這一時期由夏天進入初秋，天氣晴朗，秋高氣爽，降水減少。氣溫高，蒸發(fā)強，日照多，作物需水量大。在大多數(shù)年份降水不足以滿足各種作物的需求，特別是受副熱帶高壓控制或者出現(xiàn)“秋老虎”的年份，天氣晴熱高溫，是伏（秋）旱易發(fā)時期，也是全年土壤水分最少時期，9月土壤濕度為全年最低。

秋涼水分補充期（10—12月）：本期天氣漸涼，氣溫低、蒸發(fā)小，冷空氣活動頻繁，降水也相對充沛，特別受華西秋雨的影響，連陰雨經(jīng)常發(fā)生。此時，棉花、豆類等秋收作物即將收獲或已經(jīng)收獲，冬小麥、油菜等秋播作物尚未播種或在苗期，需水量小。降水多為非陣性或固態(tài)降水，地表徑流小，滲透深度深，底墑漸漸充足，土壤濕度大，常常對犁耙、播種等田間工作不利。此時期的土壤濕度往往是全年最高的。

2.2.2? 不同層次土壤濕度的周年變化特點? 為了了解隨州土壤水分周年變化情況，選擇隨州月降水量分布相對較均勻的2003年3號觀測點（老氣象局大院內(nèi)）土壤相對濕度觀測資料，繪制了隨州土壤相對濕度動態(tài)變化圖[7]（圖2）。

從圖2可以看出，一年中，淺層（10、20 cm）土壤相對濕度由于受到外界天氣和環(huán)境影響比較明顯，反映敏感，變化也比較顯著。<70%的土壤相對濕度集中出現(xiàn)在此土壤層次，10 cm土層土壤的相對濕度變化比較劇烈，其中，年最小值和次小值都出現(xiàn)在10 cm層次里;≥95%的土壤相對濕度等值線集中出現(xiàn)在40～50 cm層次里，以50 cm最為集中。土壤含水狀況稱為土壤墑情，30～50 cm土層為底墑，底墑與農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量有密切關(guān)系[8]。因此，一年中隨州的土壤底墑比較充足，是調(diào)節(jié)農(nóng)作物對水分需求的穩(wěn)定器。

土壤相對濕度的高低取決于降水量的變化。2003年2月上中旬和4月降水頻繁，降水量多，導致20 cm及以下層次的土壤相對濕度長期居高不下;6月下旬和7月上旬前期累計降水量都在140 mm以上，造成40～50 cm土層的土壤相對濕度維持在95%以上，≥95%的土壤相對濕度等值線也延伸到20 cm層次里。全年土壤相對濕度最小值為45%，出現(xiàn)在8月8日的10 cm土層，前期累計降水量僅為3.5 mm;次小值出現(xiàn)在3月28日，前期累計降水量僅0.2 mm。

2.2.3? 不同層次的土壤濕度方差和變率分析? 為了解土壤濕度各層次的變化差異，計算了各層次的土壤重量含水率的方差和變率（表4）。由表4可以看出，淺層10、20 cm土壤重量含水率的方差最大，說明這兩個層次土壤重量含水率的變化明顯，屬不穩(wěn)定層次。30～50 cm層次的方差較小，說明隨著土壤深度的增加，土壤重量含水率的周年波動變化趨于穩(wěn)定，特別是50 cm層次的方差最小，全年變化平緩，基本上長期維持在一個高濕狀態(tài)，對于土壤水分的涵養(yǎng)和干旱季節(jié)水分向上輸送起到了保障作用。各層土壤重量含水率的變率總體處于逐層遞減的狀態(tài)，其中10 cm土層的遞減率最大，說明淺層土壤水分相比于深層更容易流失。

2.3? 土壤濕度對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的典型事例

不利的土壤濕度對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物的危害主要表現(xiàn)在兩個方面：一是土壤濕度過高，形成漬（澇）害，危害作物正常生長;或田間泥濘，田間勞動無法開展。二是土壤濕度過低，形成干旱，作物不能正常播種和生長;或作物發(fā)育受阻，影響產(chǎn)量和品質(zhì)。

以土壤濕度過低為例，2012年夏季隨州出現(xiàn)了罕見的持續(xù)性的干旱少雨天氣，是有水文和氣象記錄以來降雨量最少、蓄水量最少的一年。干旱持續(xù)期間，各層次的土壤濕度一直比較穩(wěn)定少變，常年保持高濕狀態(tài)的50 cm層次土壤相對濕度絕大多數(shù)在75%以下，其中，6月18日、7月18日至8月18日測定的各層次土壤相對濕度絕大多數(shù)小于60%，最小土壤相對濕度僅37%，形成了隨州歷史上特大干旱（表5）。

據(jù)隨州民政部門統(tǒng)計，受特大干旱影響，當年隨州市受旱農(nóng)作物面積6.22萬hm2（重旱2.67萬hm2，絕收0.85萬hm2），占農(nóng)作物總面積的37.02%。75.5%的河流斷流，73.5%的水庫接近死水位以及死水位以下，其中17.6%的水庫干涸，74.6%的堰塘干涸，導致農(nóng)作物無水可灌溉。此次干旱對農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水資源、林業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)和電力等各方面均有嚴重的影響，隨州市因旱直接經(jīng)濟損失達15.4億元。

3? 小結(jié)

分析結(jié)果表明，隨州市歷年不同層次的土壤濕度周年變化趨勢比較一致。每個時期的土壤濕度有明顯的差異。土壤濕度周年變化大致分為冬冷濕潤期、春季失墑耗損期、雨季恢復積聚期、夏秋蒸發(fā)蒸騰耗水期和秋涼水分補充期等5個時期。

不同的降水量對改善土壤濕度的貢獻率有較大差異。強降水對提高土壤濕度效果明顯，無效降水對改善土壤濕度作用很小。當夏季出現(xiàn)了干旱天氣時，需前期累計降水量≥70 mm才能解除旱情。深層的土壤變化平緩，一般維持在高濕狀態(tài)，對降水的響應具有一定的滯后效應。

土壤濕度過高過低而形成的漬害和干旱，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物的生長危害嚴重，應及時掌握天氣氣候的演變規(guī)律，合理安排農(nóng)事活動，采取人工措施加以干預，確保豐產(chǎn)豐收。

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