廊坊市2018 年—2022 年土壤墑情變化規(guī)律

□劉 杰

廊坊市地處北緯中緯度歐亞大陸的東部邊緣，位于華北平原中東部，北緯38°30'至40°05'，東經(jīng)116°07'至117°15'，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季干旱少雨，冬季寒冷干燥多風(fēng)。多年平均氣溫在11.5 ℃左右，廊坊市因地處平原，各個(gè)縣市地區(qū)氣候均無(wú)明顯差異，多年平均無(wú)霜期183 天，全市年日照射時(shí)長(zhǎng)為2659.6 h，年平均風(fēng)速為2 m/s～5 m/s，全市多年平均蒸發(fā)量在1095 mm（水面蒸發(fā)量）。

1.墑情監(jiān)測(cè)概況

廊坊市的墑情監(jiān)測(cè)始于2003 年，共12 個(gè)監(jiān)測(cè)站，其中監(jiān)測(cè)站分為7 個(gè)水澆地地塊，5 個(gè)旱地地塊。水澆地監(jiān)測(cè)站大部分分布于北三縣和中部地區(qū)，旱地監(jiān)測(cè)站集中分布于南部縣，其淺層地下水主要為咸水、微咸水，很少用來(lái)灌溉作物；而南部縣土壤中含有一定比例的砂土，灌溉后水分容易流失，采用深層地下水灌溉的抽水灌溉成本較高，故南部縣大部分地區(qū)灌溉規(guī)模較小。水澆地是指旱地中有一定水源和灌溉設(shè)施（如機(jī)電井、噴灌、滴灌等機(jī)械裝備），在一般年景下能正常進(jìn)行灌溉的耕地。旱地是指無(wú)灌溉設(shè)施，一般降水量大于250 mm～400 mm 以上地區(qū)而靠天然降水種植旱作物可以獲得一定產(chǎn)量的耕地，即常稱的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的耕地。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括降水量、地下水埋深、土壤重量含水率等。因廊坊市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，降雨較少，在12月—次年2月，土壤表面處于結(jié)冰狀態(tài)。土壤中的冰將減少雨水和融雪水的下滲量，當(dāng)冰的含量足夠高時(shí)，土壤幾乎沒(méi)有透水性。凍土在冬季也儲(chǔ)存較多的水分，使其無(wú)法排出或蒸發(fā)，凍土區(qū)域水分含量相對(duì)穩(wěn)定，故土壤墑情監(jiān)測(cè)日期為每年的3月—11月，每月1日、11日、21日8 時(shí)進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)，其中汛期6月—9月如遇特殊情況則按相關(guān)要求隨時(shí)增加監(jiān)測(cè)頻次。測(cè)量土壤含水量時(shí)分別取地表下10 cm、20 cm、40 cm處樣本，每個(gè)深度取樣2 次，采用烘干稱重法測(cè)得重量含水率，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直平均重量含水率計(jì)算公式為：

其中，θ10、θ20、θ40分別為10 cm、20 cm、40 cm 測(cè)深的平均重量含水率。

2.土壤墑情變化特征

2.1 年內(nèi)變化分析

影響土壤含水量變化的因素有降水、氣溫、風(fēng)速、蒸發(fā)、地溫等自然因素，水澆地還受到灌溉的影響，其中降雨量、灌溉對(duì)土壤墑情的影響最為顯著。通過(guò)收集整理廊坊市2018年—2022 年7 個(gè)水澆地監(jiān)測(cè)站和5 個(gè)旱地監(jiān)測(cè)站共12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的旬土壤重量含水率，計(jì)算出5 年中各個(gè)時(shí)間測(cè)次（同月同旬）中12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均土壤重量含水率數(shù)據(jù)。水澆地3月10 cm 測(cè)深的多年平均土壤重量含水率20.6%，為2018 年—2022 年3月水澆地監(jiān)測(cè)站的10 cm 測(cè)深的含水率平均數(shù)，結(jié)合2018 年—2022 年的月平均降雨量，分析廊坊市土壤墑情年內(nèi)變化特征。

由圖1 可以看出，水澆地汛期時(shí)10 cm、20 cm、40 cm測(cè)深及垂直平均的多年月平均重量土壤含水率與降水量的變化趨勢(shì)基本相同，且各測(cè)深相互的差異很小，這是由于水澆地人工灌溉所致。3月—6月，降水量逐步增加，但土壤含水率持續(xù)降低，是由于溫度增加，土表蒸發(fā)以及植物根部吸收淺層水分共同影響，尤其是進(jìn)入4月，土表植物及農(nóng)作物開(kāi)始生長(zhǎng)導(dǎo)致土壤含水率降低。6月上旬各個(gè)測(cè)深及垂直平均土壤含水率均達(dá)到最低，10 cm、20 cm、40 cm測(cè)深及垂直平均的土壤含水率分別為15.9%、15.2%、15.7%及15.6%，雖然降水量相比5月有所增加，但增加量很少，而6月溫度上升導(dǎo)致土表蒸發(fā)增加，植物成長(zhǎng)需水量增大，降水對(duì)土壤含水率的增加并不能彌補(bǔ)蒸發(fā)和植物吸收減少的水分，導(dǎo)致6月上旬土壤含水率最低。7月—8月進(jìn)入主汛期，兩個(gè)月降水量為339.4 mm，占全年總降水量61.4%，隨著降水量增加，土壤含水率也隨之增大，8月下旬達(dá)到土壤含水率最大值，10 cm、20 cm、40 cm 測(cè)深及垂直平均的土壤含水率分別為20.6%、19.3%、19.8%及19.9%。9月—10月降水量逐步減少，因溫度降低土表蒸發(fā)減少，植物成長(zhǎng)需水量不多，土壤含水率變化不大。11月降水量與10月大致相同，但由于溫度降低，土表蒸發(fā)變少，地表植物尤其是農(nóng)作物已成熟收割，土壤含水率較10月增加。

圖1 廊坊市2018 年—2022 年水澆地多年月平均重量土壤含水率與月平均降水量變化圖

由圖2 可以得出，旱地10 cm、20 cm、40 cm 測(cè)深及垂直平均的多年月平均重量土壤含水率隨降水量的變化趨勢(shì)非常明顯；且各測(cè)深的含水率隨深度增加而逐步變大，10cm 測(cè)深由于離地表較近而含水率最低，40cm 測(cè)深的含水率則最高；3月—6月，降水量逐步增加，但土壤含水率持續(xù)降低，是由于溫度增加土表蒸發(fā)以及植物根部吸收淺層水分共同影響，尤其是進(jìn)入6月，土表植物及農(nóng)作物開(kāi)始生長(zhǎng)導(dǎo)致土壤含水率達(dá)到全年最低。7月—8月進(jìn)入主汛期，隨著降水量增加，土壤含水率也隨之增大，8月下旬達(dá)到土壤含水率最大值，10cm、20cm、40cm 測(cè)深及垂直平均的土壤含水率分別為18.6%，18.0%，19.8%及18.7。9月—10月降水量雖逐步減少，但溫度降低土表蒸發(fā)減少，且作物已收割，土壤含水率變化不大。

圖2 廊坊市2018 年—2022 年旱地多年月平均重量土壤含水率與月平均降水量變化圖

由以上分析可知，土壤墑情的變化規(guī)律受季節(jié)、灌溉等影響，水澆地與旱地的6月土壤含水率均為多年月平均最低，春季與秋季土壤含水率大致持平，而4月水澆地因能灌溉故含水率并不像旱地一樣較低，同理3月與11月水澆地含水率均高于旱地。

2.2 年際變化分析

現(xiàn)選取廊坊市2018 年—2022 年12 個(gè)監(jiān)測(cè)站的土壤墑情資料進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 廊坊市2018 年—2022 年水澆地平均重量土壤含水率與降水量變化

由圖3、圖4 對(duì)比可以得出，廊坊市年平均土壤含水率水澆地與旱地各測(cè)深的土壤含水率與降水量的變化趨勢(shì)基本相同，旱地的重量土壤含水率受降水量影響非常顯著，2019年降水量為427.2mm，在5年中最少，該年年平均土壤含水率絕大部分亦為5年中最低；2021年在5年里降水量最大，為790.6mm，年平均土壤含水率亦為5年中最高；而水澆地的重量土壤含水率變化趨勢(shì)不如旱地趨勢(shì)鮮明，尤其是5年中降水量最少的2019年，土壤含水率相比相鄰年份變化不大，這是由于降雨減少為了避免發(fā)生旱災(zāi)增加了人工灌溉所致。

圖4 廊坊市2018 年—2022 年旱地平均重量土壤含水率與降水量變化

由以上分析可知，土壤墑情的變化趨勢(shì)與降水量的變化趨勢(shì)相一致，2019 年的降水量為5 年中最少，土壤含水率同樣為5 年中最低。

若將監(jiān)測(cè)站分為水澆地和旱地，進(jìn)行多年月平均土壤重量含水率變化規(guī)律分析時(shí)，如圖5、圖6 所示，水澆地與旱地的全年變化趨勢(shì)與降水量的多少大致相同，旱地的變化規(guī)律更明顯，同時(shí)可以看到水澆地的整體土壤含水率高于旱地。其中5月降水量比4月有所增加，但水澆地的土壤含水率并沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而旱地增長(zhǎng)趨勢(shì)較明顯；而進(jìn)入11月，可以看到水澆地的土壤含水率相比10月有所增加，考慮到此時(shí)正值冬小麥種植季節(jié)而進(jìn)行了人工灌溉，墑情良好，而旱地因無(wú)灌溉而呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

圖5 廊坊市水澆地多年月平均土壤重量含水率

圖6 廊坊市旱地多年月平均土壤重量含水率

2.3 空間分布變化分析

土壤墑情也受不同地區(qū)土壤質(zhì)地、人工灌溉等各個(gè)方面的影響，將廊坊市12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照地域分為北部（三河、趕水壩、大廠）、中部（萬(wàn)莊、固安、永清、落垡、金各莊）和南部（史各莊、西灘里、文安、九高莊），分別將按地域劃分的各縣市的多年月平均土壤重量含水率與多年全市月平均土壤重量含水率相比，并繪制多年月平均土壤重量含水率折線圖，如下圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 廊坊市北部縣市多年月平均土壤重量含水率

圖8 廊坊市中部縣市多年月平均土壤重量含水率

圖9 廊坊市南部縣市多年月平均土壤重量含水率

如圖7、圖8、圖9 可知，廊坊市北部縣市多年月平均土壤重量含水率均大于平均值，墑情良好；中部縣市除落垡與永清處于平均值之下，其余監(jiān)測(cè)站大部分保持在平均值以上，墑情較好；南部縣市大部分與平均值齊平，其中九高莊和史各莊一直處于平均線以下，墑情較差。

由以上分析可知，廊坊市土壤含水率在空間分布上從北向南依次減少，北三縣最高，各個(gè)測(cè)深土壤含水率均超過(guò)平均值，南部縣最低，大部分與平均值持平，極少數(shù)低于平均值，這是由于南部縣市地區(qū)4 個(gè)監(jiān)測(cè)站均為旱地，沒(méi)有受人工灌溉因素影響，主要受季節(jié)性降水量影響，4 個(gè)監(jiān)測(cè)站含水率曲線與圖2 多年月平均土壤重量含水率走勢(shì)基本一致。

3.土壤含水率對(duì)作物產(chǎn)量的影響

土壤含水率很大程度上也影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的產(chǎn)量，特別是在農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，嚴(yán)重缺墑會(huì)直接導(dǎo)致作物產(chǎn)量大幅度減產(chǎn)甚至死亡，現(xiàn)收集2018 年—2022 年極值出現(xiàn)的時(shí)間以及出現(xiàn)頻次，如圖10 所示。根據(jù)表1、表2 提供的農(nóng)作物各生長(zhǎng)周期所需的最低土壤含水率數(shù)據(jù)，我們可以得出，進(jìn)入4月后土壤含水率最低值頻次有所增加，此時(shí)農(nóng)作物進(jìn)入返青期，需水量也有所增加，此時(shí)極易發(fā)生干旱災(zāi)害，特別是到了6月，土壤含水率最低值發(fā)生次數(shù)為全年最多，此時(shí)氣溫升高土壤表面水分蒸發(fā)加劇，若無(wú)降雨，極易發(fā)生嚴(yán)重干旱，特別是到6月下旬，恰逢收割小麥和播種玉米，由表2可知，玉米播種期時(shí)的最低土壤含水率需求高于其他時(shí)期，若不人為提高土壤含水率，極易造成大面積減產(chǎn)甚至絕收。

表1 小麥需要灌溉的土壤水分下限指標(biāo)

表2 玉米需要灌溉的土壤水分下限指標(biāo)

圖10 2018 年—2022 年極值出現(xiàn)時(shí)間頻次

4.總結(jié)與建議

4.1 總結(jié)

通過(guò)對(duì)廊坊市2018 年—2022 年12個(gè)監(jiān)測(cè)站的土壤墑情觀測(cè)資料收集分析可知，廊坊市土壤含水率的變化規(guī)律主要受降水量、灌溉的影響，土壤含水率從北向南依次減少，北三縣最高，南部縣最低，其中水澆地與旱地的春季與秋季土壤含水率相差不多，6月的土壤含水率均為多年月平均最低，3月、4月、11月水澆地的土壤含水率均高于旱地。作物生長(zhǎng)與土壤墑情密切相關(guān)，在關(guān)鍵生長(zhǎng)期應(yīng)結(jié)合土壤墑情變化特征進(jìn)行防旱抗旱，確保作物產(chǎn)量。

4.2 建議

3月—6月期間作物需水量大而降水偏少，建議在汛期降水量較多時(shí)可利用水庫(kù)、攔河閘壩、自然洼地、人工湖泊、地下水庫(kù)等蓄水工程攔蓄洪水，增加人工灌溉頻率保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)；6月上旬重量土壤含水率較低易發(fā)生干旱災(zāi)害時(shí)增加水澆地的灌溉頻率，旱地則廣泛種植耐旱作物，如番薯紅薯等雜糧，或使用揚(yáng)水站從附近河流抽水灌溉作物保證作物的正常生長(zhǎng)。

增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)，提高水資源利用率。我市地處地下水超采區(qū)，地下水水量不足以維持農(nóng)業(yè)灌溉需求，改變傳統(tǒng)灌溉模式，采用灌溉效率更高的滴灌噴灌，減少不必要水量消耗刻不容緩；調(diào)整農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，我市廣泛種植的經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物主要為需水量大的玉米小麥，可以在部分地區(qū)小面積試種低耗水小雜糧，既能減少農(nóng)業(yè)用水，提高用水效率又可以提高經(jīng)濟(jì)效益。