土壤水分監(jiān)測指標修訂在內(nèi)蒙古地區(qū)的應(yīng)用

代海燕，吳建華，賈成朕，都瓦拉，楊麗萍,陳素華

(1.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

當前土壤墑情的研究主要集中在診斷模型[1-2]、監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)[3]和遙感反演[4-6]，關(guān)于土壤墑情等級和干旱等級分類都是以標準形式給出的。目前我國多數(shù)土壤墑情等級都是將土壤相對濕度劃分為一定區(qū)間來評定的[7-11]，以土壤相對濕度監(jiān)測土壤墑情變化和干旱發(fā)生預(yù)測預(yù)報[12-15]。其技術(shù)方面存在的不足主要有:(1)干旱都是以土壤相對濕度高低來評估，以土壤含水量占田間持水量(有效水上限)的百分比表示，而土壤相對濕度距離有效水下限問題比較模糊。(2)相同土壤相對濕度在地區(qū)間差異很難體現(xiàn)，土壤水分受土壤特性影響，同樣30%的土壤相對濕度在不同地區(qū)給作物提供有效水能力差異很難體現(xiàn)?，F(xiàn)行國家農(nóng)業(yè)干旱評估，氣象局的土壤墑情評定標準也同樣以田間持水量為土壤有效水上限，然后根據(jù)經(jīng)驗值劃分一定區(qū)間評估土壤墑情，其優(yōu)點是衡量標準簡單、計算方便，卻忽略了土壤凋萎濕度不同，使用者如不根據(jù)當?shù)赝寥佬再|(zhì)對等級劃分進行適當調(diào)整，就很難體現(xiàn)較低土壤含水量在地區(qū)間的時空差異[11-12]。近年來隨著國家大量投入土壤自動水分觀測站建設(shè)，為干旱評估中引入有效水概念(相對凋萎濕度)提供了契機，進而突破人工土壤水分觀測瓶頸問題。因此，本文通過分析自動土壤水分觀測站點土壤水分常數(shù)，計算出站點土壤有效水的下限，然后根據(jù)土壤有效水上、下限的臨界值構(gòu)建站點新墑情等級，實現(xiàn)單站單標準的墑情評估。此種土壤水分監(jiān)測指標的修訂對土壤墑情標準的改良意義重大，可為其他部門干旱評估提供借鑒 。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古位于97°12′～126°04′E, 37°24′～53°23′N，東西長2 400多km,南北寬1 700 km。全區(qū)地勢較高，平均海拔高度1 000 m左右，基本上是一個高原型的地貌區(qū)。在山地向高平原、平原的交接地帶，分布著黃土丘陵和石質(zhì)丘陵，其間分布有低山、谷地和盆地，水土流失較嚴重。地區(qū)水資源嚴重不足，降水季節(jié)和區(qū)域分布不均，局地性或區(qū)域性干旱幾乎每年都會出現(xiàn)，己成為困擾社會經(jīng)濟發(fā)展的重大問題。總的氣候特點是春季氣溫驟升，多大風(fēng)天氣，夏季短促而炎熱，降水集中,年總降水量50～450 mm，秋季氣溫劇降，霜凍往往早來，冬季漫長嚴寒，多寒潮天氣 。

圖1 內(nèi)蒙古自動土壤水分觀測站空間分布Fig.1 Spatial distribution of automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

使用內(nèi)蒙古地區(qū)137個自動土壤水分觀測站土壤水分常數(shù)，主要包括田間持水量和凋萎濕度。因土壤質(zhì)地是多年緩慢變化的過程，其田間持水量和凋萎濕度可近似作為常數(shù)。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤水分相關(guān)概念 土壤重量含水率：一般用土鉆法取土并稱鮮重,然后在105℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重并稱重,計算出土壤水重量。土壤含水率(W,%)是指土壤水重量與干土重量的百分數(shù)。

田間持水量(field capacity,FC)：是在地下水位較低(毛管水不與地下水相連)情況下，土壤所能保持的毛管懸著水的最大量，田間持水量是衡量土壤保水性的重要指標,也是進行農(nóng)田灌溉、作物水管理的重要參數(shù),通常被視為作物有效水的上限[15-16]，一般用重量含水率表示(%)。

凋萎濕度(wilting points,WP)：是土壤濕度表示方法的一種，指由于土壤水分嚴重不足，植物吸收不到水分而使細胞失去膨壓，呈現(xiàn)萎蔫狀態(tài)時的土壤濕度，是植物有效水的下限，一般用重量含水率表示(%)。

土壤相對濕度(relative soil moisture，R)：土壤相對濕度是指土壤含水量與田間持水量的百分比。

2.2.2 當前土壤水分監(jiān)測指標評定方法 當前土壤墑情等級和干旱評估方法都是以土壤水分占有效水上限田間持水量百分比為依據(jù)劃分的墑情或者干旱等級(公式(1))，其優(yōu)點是計量簡單，地區(qū)間對比強，缺點是只考慮了有效水的上限，而沒有考慮有效水的下限，很難體現(xiàn)較低土壤相對濕度在地區(qū)間的表現(xiàn)差異，比如同樣是30%的含水量，在鄂爾多斯荒漠區(qū)和通遼市農(nóng)區(qū)的土壤水分實際表現(xiàn)特征很難體現(xiàn)[8,12,15]。

(1)

式中，R為土壤相對濕度(%)；W為土壤重量含水率(%)；FC為田間持水量(%)。根據(jù)站點監(jiān)測土壤相對濕度(R)在土壤干旱監(jiān)測指標的落區(qū)，得到站點的土壤水分劃分等級。

2.2.3 有效水墑情等級的理論基礎(chǔ) 根據(jù)土壤質(zhì)地不同土壤凋萎濕度和田間持水量的含水量范圍分別為1.8%～17.4%和4.5%～23.8%(表1)，砂質(zhì)土壤有效水范圍小，中壤土有效水含量范圍最大。輕粘土的田間持水量雖略大于壤土，但凋萎系數(shù)高，因而有效水范圍反而比壤土小[16](見圖2)。相對凋萎濕度就很好地解決了土壤有效水下限不明確的問題，這對于土壤墑情等級的確立具有極其重要的意義。

表1 土壤質(zhì)地對有效水含量的影響[16]

圖2 土壤質(zhì)地與有效水上下限閾值的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil texture type and effective water threshold value

2.2.4 考慮有效水下限后改良的三類墑情標準 隨著中國氣象局在干旱和墑情評估中不斷的資金投入，更多土壤人工觀測站被自動土壤水分觀測站所代替，隨著站點數(shù)量的增加，為凋萎濕度引入墑情和干旱評估提供了契機。土壤相對凋萎濕度(公式(2))更好地彌補了以往墑情和干旱標準的缺陷，在充分考慮有效水上、下限的基礎(chǔ)上，提出墑情等級改良標準，更能準確直觀地體現(xiàn)站點土壤水分的盈虧狀態(tài)。不僅在理論上實現(xiàn)了單站單標準，而且地區(qū)通用，可全國推廣。

(2)

式中，WRH—土壤相對凋萎濕度(%),WP—土壤凋萎濕度(%)，F(xiàn)C—土壤田間持水量(%)。

三類墑情R范圍：

(3)

二類墑情R范圍：

(4)

以土壤相對凋萎濕度為3類墑情的底限，以田間持水量(即土壤相對濕度100%)為土壤一類墑情的上限等間距劃分來確定一、二、三類土壤墑情等級，因為有效水范圍為100%土壤相對濕度減去土壤凋萎濕度，所以二類土壤墑情下限為土壤凋萎濕度加上1/3有效水范圍、一類墑情的下限為土壤凋萎濕度加上2/3有效水范圍。使用者也可以根據(jù)實際需要分成五類墑情，也可以根據(jù)應(yīng)用結(jié)果在劃分上進行適當調(diào)整，本文只對等間距劃分的三類墑情等級進行結(jié)論分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)蒙古自動土壤水分觀測站凋萎濕度與田間持水量空間分布

內(nèi)蒙古地區(qū)0～20 cm土層凋萎濕度的波動范圍為0.55%～14.1%，其中大于6.0%的偏高區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古東部，中西部大部地區(qū)凋萎濕度小于4.0%，其中錫林郭勒盟大部、鄂爾多斯市中部、巴彥淖爾市北部和阿拉善盟地區(qū)具有區(qū)域特征。凋萎濕度在2%～4%的區(qū)域主要集中在烏蘭察布市、呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市東部；介于4%～6%的區(qū)域主要集中在東部偏南三個盟市和河套地區(qū)，其余地區(qū)為零星分布(圖3a)。0～20 cm土層田間持水量波動范圍為5.9%～36.9%，大于30%的偏高區(qū)域主要集中在呼倫貝爾市、興安盟中部，大于20%區(qū)域主要集中在東部區(qū)和河套地區(qū)。田間持水量小于15%的地區(qū)主要分布在錫林郭勒盟大部、鄂爾多斯市大部和阿拉善盟大部。介于15%～20%的區(qū)域主要集中在赤峰市和陰山山脈地區(qū)(圖3b)。整體來看，東部區(qū)和陰山山脈和河套地區(qū)田間持水量相對較高，其余地區(qū)整體偏低。

圖3 內(nèi)蒙古自動土壤水分觀測站0～20 cm土層凋萎濕度(a)與田間持水量(b)空間分布Fig.3 Soil wilting points (a), field capacity (b) in 0～20 cm soil depth, and spatial distributionof automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

3.2 內(nèi)蒙古自動土壤水分觀測站相對凋萎濕度空間分布

內(nèi)蒙古地區(qū)土壤水分觀測站點(0～20 cm土層)相對凋萎濕度波動范圍6.57%～55.15%，東部偏南大部地區(qū)即使土壤相對濕度達到30%以上，也已處于無效水的范疇，而錫林郭勒盟大部只要大于15%就處于有效水范疇，地區(qū)差異明顯?？臻g分布上相對凋萎濕度(0～20 cm土層)大于30%的偏高區(qū)域主要集中在東部偏南和呼倫貝爾市，呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市的零星分布更多是因為局地小環(huán)境引起的，沒有區(qū)域代表性。低于20%的站點主要集中在中西部大部地區(qū)，其中巴彥淖爾市北部、錫林郭勒盟和阿拉善盟全境都小于20%，區(qū)域性特征明顯，上述地區(qū)也是典型的草原區(qū)和荒漠區(qū)。相對凋萎濕度含水量介于20%～30%地區(qū)主要集中分布在東部區(qū)、陰山山脈和河套地區(qū)，烏蘭察布市和鄂爾多斯市為零星分布(圖4)。整體來看，內(nèi)蒙古地區(qū)相對凋萎濕度東部區(qū)高于中西部區(qū)，其中東部偏南區(qū)偏高尤為明顯。呼倫貝爾市相對凋萎濕度較高，但站點差異較大，所以內(nèi)蒙古東北地區(qū)站點間土壤墑情評估要區(qū)別對待、具體分析，以免給地區(qū)干旱評估帶來不利影響。

圖4 內(nèi)蒙古自動土壤水分觀測站0～20 cm土層相對凋萎濕度空間分布Fig.4 Relative soil wilting humidity in 0～20 cm soil depth spatial distribution of automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

3.3 內(nèi)蒙古自動土壤水分觀測站二、三類墑情上限空間分布

內(nèi)蒙古三類墑情上限土壤相對濕度波動范圍37.7%～70.1%，其中小于45%的地區(qū)主要分布在錫林郭勒盟草原區(qū)、鄂爾多斯市南部、巴彥淖爾市北部和阿拉善盟東南大部，其余地區(qū)以零星分布為主；45%～50%的站點主要分布在興安盟北部、烏蘭察布市和河套地區(qū)；大于55%的地區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古東部(圖5a)。二類墑情上限與三類墑情上限具有高度的一致性，相對濕度小于72.5%的地區(qū)主要分布在呼倫貝爾市大興安嶺東西兩側(cè)、錫林郭勒盟草原區(qū)、鄂爾多斯市南部、巴彥淖爾市北部和阿拉善盟東南大部；二類墑情上限大于75%的站點主要分布在東部，中西部區(qū)零星分布(圖5b)。整體來看，二、三類墑情上限偏高區(qū)域主要集中在東部以及呼、包、鄂和河套地區(qū)；偏低區(qū)主要集中在呼倫貝爾市大興安嶺兩側(cè)、錫林郭勒盟草原區(qū)和西部大部地區(qū)。

3.4 自動土壤水分觀測站二、三類墑情上限與現(xiàn)行標準差異

當前內(nèi)蒙古使用0～20 cm土層深度平均土壤相對濕度進行墑情等級評估，評估指標參見“內(nèi)蒙古農(nóng)田、草地土壤相對濕度等級指標”[15]。按5個等級劃分為：過濕墑情、一類墑情、二類墑情、三類墑情、極干墑情(見表2)。同類的還有中華人民共和國水利行業(yè)標準干旱等級標準(SL424—2008)[8]、國家防汛抗旱總指揮部2006年18號文件(干旱評估標準)等(見表3)，所有上述墑情和干旱標準只是劃分的區(qū)間略有差異，但內(nèi)蒙古地區(qū)無效水土壤相對濕度范圍為6.57%～55.15%，在如此波動大的地區(qū)應(yīng)用統(tǒng)一標準存在明顯的缺陷，這也是本文首次提出單站單標準的根本原因，只有這種土壤水分監(jiān)測指標的改良才能更好體現(xiàn)較低含水量在地區(qū)間的干旱表現(xiàn)差異。

圖5 內(nèi)蒙古自動土壤水分觀測站0～20 cm土層三類墑情(a)、二類墑情(b)上限空間分布Fig.5 The second class of soil moisture content (a), third class of soil moisture content (b) upper limit value in 0～20 cm soil depth spatial distribution of automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

表2 內(nèi)蒙古農(nóng)田草地土壤相對濕度等級

表3 同類標準土壤相對濕度干旱等級標準

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1) 凋萎濕度整體偏高區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古東部區(qū)和河套地區(qū)，相對偏低區(qū)域主要在錫林郭勒盟和西部區(qū)。田間持水量偏高區(qū)主要集中在東部區(qū)、河套地區(qū)和陰山山脈周邊，草原和荒漠區(qū)相對偏低。從地理位置來看，兩種土壤水分常數(shù)東部區(qū)>中部區(qū)>西部區(qū)>錫林郭勒盟草原區(qū)，凋萎濕度的波動范圍要明顯大于田間持水量。

(2)整體來看內(nèi)蒙古地區(qū)相對凋萎濕度東部區(qū)高于中西部區(qū)，其中東部偏南區(qū)偏高尤為明顯。相對凋萎濕度波動范圍6.57%～55.15%，最高值和最低值相差8倍，相差2倍以上的站點占40%以上，其中錫林郭勒盟偏低尤為明顯，主要是草原區(qū)凋萎濕度偏低導(dǎo)致。

(3) 內(nèi)蒙古二、三類墑情波動范圍分別為37.71%～70.07%和68.86%～85.05%，上限偏高區(qū)域主要集中在東部四盟市，呼、包、鄂以及河套地區(qū)；偏低區(qū)主要集中在呼倫貝爾市大興安嶺兩側(cè)、錫林郭勒盟草原區(qū)和西部大部地區(qū)，因二、三類墑情劃分都主要依據(jù)站點土壤水分常數(shù)，空間分布具有高度的一致性。從土地利用分區(qū)來看，農(nóng)林區(qū)域要明顯大于草原區(qū)，其中內(nèi)蒙古中西部的烏蘭察布—土默川農(nóng)業(yè)區(qū)、陰山丘陵農(nóng)業(yè)區(qū)、河套灌區(qū)要明顯高于周邊草原區(qū)。

4.2 討 論

隨著自動土壤水分觀測站在內(nèi)蒙古地區(qū)的大量建立，土壤水分測定連續(xù)又便捷，同時自動站安裝地點受到諸多因素的影響，如當?shù)貧庀蠓?wù)以農(nóng)作物為主，觀測站就安裝在典型農(nóng)作物區(qū)，如果以牧業(yè)為主則安放在草原區(qū)；考慮到設(shè)備保護和維護等因素，多數(shù)都安裝在氣象站的觀測場內(nèi)，導(dǎo)致部分自動水分觀測站數(shù)據(jù)具有小生境[17]影響的隨機性，個別站點土壤水分含量的高低在統(tǒng)一標準下的區(qū)域代表性有待商榷。特別是相同土壤濕度在不同地區(qū)間的表現(xiàn)特征差異，怎樣修訂土壤水分的監(jiān)測指標，從而更準確直觀地表征監(jiān)測站在區(qū)域土壤水分盈虧狀態(tài)的位置，是當前干旱評估急需解決的問題。研究結(jié)果也表明，包頭市北部的滿都拉、鄂爾多斯市伊金霍洛旗的相對凋萎濕度比周邊站點偏高，主要是因為站點田間持水量偏低同時凋萎濕度偏高共同引起，更多是站點土壤質(zhì)地的原因，如果不區(qū)別對待，在統(tǒng)一標準下應(yīng)用就會降低干旱評估的敏感性。從區(qū)域上看，內(nèi)蒙古地區(qū)墑情等級東部偏高、中西部荒漠和草原區(qū)明顯偏低，如果全區(qū)仍然沿用統(tǒng)一的分類標準，同樣存在這種問題，如果做不到站點土壤水分監(jiān)測指標的修訂，很難體現(xiàn)受到局地環(huán)境影響較大站點的土壤水分實際狀況。比如呼倫貝爾市相對凋萎濕度包含了5種分類，導(dǎo)致地區(qū)二、三類墑情存在明顯的差異，所以土壤水分監(jiān)測指標的修訂尤為必要。在土壤墑情等級評估中引入土壤有效水下限的概念，利用土壤提供給植物有效水能力的上、下限，這種改進的土壤墑情等級，能更好體現(xiàn)較低含水量在地區(qū)間的干旱表現(xiàn)差異。不難推斷，此項研究成果不僅可以準確描述土壤提供有效水的能力，同時可為其他部門和省市進一步改良干旱評估提供新的借鑒思路。