鄂州市土壤墑情變化規(guī)律與西瓜種植區(qū)土壤水分評價指標(biāo)

張火平，蘇 嫵，姜 潤，葉 永

（湖北省鄂州市氣象局，湖北 鄂州 436000）

水分是制造有機(jī)物質(zhì)的重要原料，是植物體最大的組成部分。土壤水分作為植物生長發(fā)育的必備物質(zhì)，對運(yùn)輸?shù)V質(zhì)養(yǎng)分、溶解化學(xué)物質(zhì)、穩(wěn)定土壤溫度等起重要作用，也是連接大氣與植被的關(guān)鍵因子［1］。土壤水分影響地表植被的蒸騰作用和光合作用，影響土壤中微生物的生長與活動，并參與土壤中有機(jī)碳的循環(huán)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要控制因子［2，3］。對其開展實(shí)時監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確地了解土壤水分供應(yīng)狀況，確定作物適宜的灌溉時間和灌溉量，提高作物水分利用效率和水資源利用效率。土壤濕度的大小與降水量、蒸發(fā)量、氣溫、地溫、日照時數(shù)、風(fēng)速、徑流、下滲、側(cè)滲和土壤質(zhì)地等多種因子有關(guān)［4-7］。土壤墑情變化對果樹影響的研究，北方主要集中在桃、梨和蘋果等品種上［8-11］，南方主要集中在柑橘、蔬菜、玉米、馬鈴薯、甘蔗等品種上［12-15］。

西瓜（Citrullus lanatusL.）是葫蘆科西瓜屬一年生蔓生藤本植物。果實(shí)汁多味美、營養(yǎng)豐富，是世界上重要的經(jīng)濟(jì)園藝作物。中國是西瓜產(chǎn)量最大的國家，2022 年西瓜種植面積達(dá)153.94 萬hm2，同比增長1.4%，占全球西瓜總面積的47.71%，西瓜產(chǎn)量為6 324.1 萬t，同比增長2.8%，占全球西瓜總產(chǎn)量的60.61%［16］。據(jù)《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，2021 年鄂州市西瓜種植面積占全市種植面積的15%，達(dá)2 000 hm2且有逐年增加的趨勢。西瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對增加鄂州市農(nóng)民收入、促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。學(xué)者們對于不同供水條件對西瓜生理指標(biāo)影響的研究主要集中在西瓜生育期中的某個階段［17-19］，而對西瓜全生育期的相關(guān)研究較少。本研究基于土壤墑情的變化規(guī)律，研究土壤水分含量對西瓜生長的影響，建立鄂州市西瓜種植區(qū)土壤水分評價指標(biāo)，旨在為西瓜全生育期的水分管理和節(jié)水灌溉提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂州市位于湖北省東部，長江中游南岸，114°32'—115°05'E、30°00'—30°06'N。分布有4 種類型的地貌單元，分別是長江沖積階地、丘陵、崗狀平原、沖湖積平原。土壤質(zhì)地為棕紅壤水稻土，營養(yǎng)狀況為有機(jī)質(zhì)含量較低，嚴(yán)重缺磷、硼，大部分缺氮、鉀，局部缺鋅、銅、錳、鐵。0～20 cm土層容重為1.13 g/cm3，田間持水量（質(zhì)量含水量）為41.01%。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量為1 371.9 mm，年均日照時數(shù)為2 003.8 h，年均無霜期為266 d，平均氣溫17.0 ℃，最高氣溫40.7 ℃，最低氣溫-12.4 ℃。選取鄂州市華容區(qū)臨江鄉(xiāng)王埠村志超家庭農(nóng)場西瓜種植園作為研究區(qū)域。

1.2 資料來源

氣象資料源自湖北省鄂州市氣象局，包括鄂州市國家站2015—2020 年逐日降水量、日平均氣溫、日照時數(shù)等，中國范圍內(nèi)1 km 高質(zhì)量的土壤濕度數(shù)據(jù)集SMC I1.0（https：//data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data）由國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供［20］。 2018—2019 年，連續(xù)2 年觀察水分對西瓜全生育期的影響，記錄觀察結(jié)果。

1.3 方法

1.3.1 土壤墑情的測定 利用同時期氣象要素和1 km 高質(zhì)量的土壤濕度數(shù)據(jù)集資料（SMC I1.0）統(tǒng)計(jì)和分析土壤中的水分變化規(guī)律，建立土壤水分預(yù)測模型，得到西瓜種植點(diǎn)的土壤水分估計(jì)值。

1.3.2 西瓜墑情評價指標(biāo)體系的建立 根據(jù)《農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（NY/T 1782—2009）、《土壤墑情評價指標(biāo)》（SL 568—2012）等相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)西瓜不同生育時期需水規(guī)律及西瓜種植區(qū)棕紅壤水稻土適宜含水量，建立鄂州市西瓜土壤墑情評價指標(biāo)體系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤墑情變化規(guī)律

2015—2020 年土壤水分含量月平均值變化曲線見圖1。由圖1 可知，統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)兩層土壤水分月平均值變化曲線高度基本一致，數(shù)值（體積含水率）大部分集中在0.42～0.46 m3/m3，3 個明顯的低值區(qū)對應(yīng)的時間段為2016 年8—9 月、2018 年8 月、2019 年8—11 月，通過查詢該時段的氣象要素得知，這3 個時段的降水量異常偏少，出現(xiàn)重旱，溫度偏高，日照時數(shù)異常偏多。說明土壤濕度與降水量、平均氣溫、日照時數(shù)密切相關(guān)。

圖1 2015—2020 年土壤水分月平均變化曲線

分析日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)與7 d 日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)的月變化，發(fā)現(xiàn)二者之間的差值在0.19～0.64，同時發(fā)現(xiàn)日降水量與7 d 累計(jì)降水量月數(shù)據(jù)變化較小。為了描述方便，數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，無量綱，以日平均溫度變化和日降水量變化來描述溫度變化情況。從圖2 可以看出，土壤水分1—6 月變化較小，6—8月下降，8 月達(dá)最低值，9—12 月緩慢上升但是沒有達(dá)到1—5 月的水平。日降水量1—7 月呈上升趨勢，8 月陡降，較土壤水分變化遲滯1 個月。日平均氣溫1—8 月上升，8 月到達(dá)頂點(diǎn)，對應(yīng)土壤水分跌至谷底。日照時數(shù)曲線與土壤水分曲線變化相反。風(fēng)速曲線平直，與土壤水分曲線的相關(guān)性不大。土壤水分的高值區(qū)集中在1—6 月，說明鄂州市土壤水分主要受春季連陰雨和梅雨期降水影響，7 月上中旬出梅后迎來盛夏，水分迅速流失，8 月達(dá)水分最低點(diǎn)，9月以后溫度降低，降水偏少，土壤水分消耗慢，在秋冬季陰雨（雪）作用下，土壤水分從最低點(diǎn)緩慢上升。季節(jié)性氣象因素決定土壤水分的變化。

圖2 土壤水分與氣象因子月平均變化曲線

2.2 土壤水分預(yù)測模型的建立

由于氣象要素對土壤水分的影響具有滯后性，某日的土壤水分可能與前期氣象要素也具有較好的相關(guān)性［21］，因此，選擇日平均氣溫、7 d 平均氣溫、日降水量、7 d 累積降水量、相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)7 個氣象要素來考察它們之間的關(guān)系。

0～10 cm 和10～20 cm 土壤水分月變化曲線高度相似，為衡量各氣象因子與土壤水分的相關(guān)程度，僅以0～10 cm 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。將7 個氣象因子與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果如表1 所示。除平均風(fēng)速與0～10 cm 土壤水分相關(guān)性較?。▅相關(guān)系數(shù)|為0.20）外，其余氣象因子與土壤水分的相關(guān)性均較高（相關(guān)系數(shù)＞0.50）；日平均氣溫、7 d 平均氣溫、日照時數(shù)與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，其中日平均氣溫的負(fù)相關(guān)性最大，達(dá)-0.91；日降水量、相對濕度與土壤水分呈正相關(guān)，其中相對濕度與土壤水分的相關(guān)性較大（相關(guān)系數(shù)為0.84）；日降水量與土壤水分的相關(guān)性低于7 d 累積降水量與土壤水分的相關(guān)性，日平均氣溫與土壤水分的相關(guān)性高于7 d 平均氣溫與土壤水分的相關(guān)性。說明土壤水分是前期降水量綜合影響的結(jié)果，與氣溫、相對濕度、日照時數(shù)關(guān)系密切，總體來說，氣象因子對土壤水分的影響是綜合的、復(fù)雜的。

表1 各氣象因子與土壤水分的相關(guān)性系數(shù)

將7 個氣象因子進(jìn)行主成分分析（表2），KMO檢驗(yàn)值為0.67，說明變量間相關(guān)性較強(qiáng)；球狀度Bartlett 檢驗(yàn)卡方值為242.38，P＜0.001，自由度=6，說明所選氣象因子宜進(jìn)行主成分分析；根據(jù)初始特征值大于0.5 的原則，提取3 個主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率為95%，說明提取效果好。由表2 可知，第1 主成分與日平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度、7 d 平均氣溫有關(guān)，第2 主成分與日降水量、日平均氣溫、7 d 累積降水量、7 d 平均氣溫有關(guān)，第1、第2 主成分中均有溫度因子，說明溫度的變化對土壤水分影響較大。第3 主成分與平均風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速越大水分揮發(fā)越快，導(dǎo)致土壤失水加速。

利用主成分分析建立預(yù)測回歸方程，取前2 個主成分建立方程模型，表達(dá)式為y= 1.47x2+0.13x3+ 0.70x4+ 0.25x5- 3.07x6+ 404.32。 式中,y為土壤水分預(yù)測值，x2～x6分別為日降水量、日平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度、7 d 累積降水量、7 d 平均氣溫的觀測值或統(tǒng)計(jì)值，決定系數(shù)R2=0.864，P＜0.001，達(dá)顯著水平。模型預(yù)測值與實(shí)際值驗(yàn)證曲線見圖3。由圖3 可知，預(yù)測值起伏波動較大，冬、春季預(yù)測值偏低，夏、秋季預(yù)測值偏高。根據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》，以實(shí)測值的20%作為許可誤差，當(dāng)預(yù)報的決定誤差小于許可誤差為合格預(yù)報，經(jīng)誤差驗(yàn)證，預(yù)測值合格率為84.3%，達(dá)到乙級預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)。說明該模型可以進(jìn)行預(yù)報使用。

圖3 預(yù)測值與實(shí)際值驗(yàn)證曲線

3 西瓜種植區(qū)土壤水分評價指標(biāo)體系

通過氣象因子建立土壤水分預(yù)測模型，計(jì)算得到乙級預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)結(jié)果，在不增加西瓜種植區(qū)水分監(jiān)測設(shè)備，減少資金投入和人力投入的情況下，可以提前預(yù)測該種植區(qū)的水分變化情況。通過實(shí)施人工干預(yù)，達(dá)到增產(chǎn)增收目的?；诙踔菔型寥缐勄榈淖兓?guī)律，研究土壤水分含量對西瓜生長的影響，建立鄂州市西瓜種植區(qū)土壤水分評價指標(biāo)體系。

3.1 西瓜需水量

西瓜枝葉茂盛，生長迅速，產(chǎn)量高，是需水量較多的作物。據(jù)測定，西瓜植株通過光合作用每形成1 g 干物質(zhì)平均耗水量約700 g，1 株西瓜一生中需消耗500～1 000 kg 水。不同生長發(fā)育期對水量的需求不同，1 株2～3 片真葉的幼苗每晝夜蒸騰水量為170 g，雌花開放時達(dá)250 g，而長成的植株竟高達(dá)幾公斤。應(yīng)根據(jù)西瓜不同時期的需水特點(diǎn)，適時、適量供水。西瓜一生對水分敏感的時期有2 個，一是雌花現(xiàn)蕾到開花期，若此時供水量不足，易造成雌花蕾小、子房瘦小，影響坐果；二是果實(shí)膨大期，若此時缺水，則果實(shí)小，易出現(xiàn)扁瓜、畸形瓜，嚴(yán)重影響產(chǎn)量與質(zhì)量。雖然西瓜需水量大，但其根系卻不耐水澇，處于水淹環(huán)境下1 d 左右，根部就會腐爛，全田死亡，所以要選擇地勢較高、排灌方便的地塊栽植。

3.2 西瓜的需水規(guī)律

西瓜需水過程是雙峰曲線，整個生育期的需水規(guī)律是從幼苗期開始，隨著幼苗的生長需水量逐步增加，伸蔓期由于瓜蔓迅速伸長，需水量增多達(dá)到1個峰值；西瓜從伸蔓期到坐果期進(jìn)入生殖生長階段，開花、結(jié)果需水量下降，西瓜吸水減少；從坐果期至膨瓜期，西瓜吸收水分迅速膨大，需水量達(dá)最高峰，如果此階段水分和養(yǎng)分供應(yīng)不上就會影響西瓜的膨大，造成不可逆轉(zhuǎn)的損失，即使在變?nèi)科诖罅抗嗨?，西瓜膨大也不會很明顯；從膨瓜期至變?nèi)科?，西瓜果肉開始轉(zhuǎn)色，膨大減緩或不再膨大，此時需水量迅速下降。

1）幼苗期。此階段根系發(fā)育較快，而地上部分的莖葉生長非常緩慢，葉片蒸發(fā)量少，對土壤水分的消耗相對較少，但在移栽期要有充足的土壤水分來保證移栽后的西瓜苗及時活棵，一般要澆定植水。

2）伸蔓期。此階段地上部分和根系生長發(fā)育快，到雌花開放時根系已經(jīng)定形，莖蔓的生長狀態(tài)由直立狀轉(zhuǎn)為匍匐狀，莖蔓生長迅速。前期適當(dāng)施肥澆水、促進(jìn)根系發(fā)育，后期應(yīng)控制追肥和澆水，防止植株徒長，為坐瓜、結(jié)瓜創(chuàng)造有利條件［22］。

3）結(jié)瓜期。此階段需水量增加，同時，由于氣溫較高、地面水分蒸發(fā)量大，導(dǎo)致西瓜葉面的蒸騰量加大，此時應(yīng)保證充足的土壤水分供應(yīng)，以促進(jìn)膨瓜。膨瓜中后期要增加灌水次數(shù)和灌水量，保持土壤濕潤，一般2～4 d 灌水1 次，可視天氣、土壤墑情以及植株長勢決定，灌水不及時影響果實(shí)膨大，灌水過多易導(dǎo)致土壤過濕影響坐果，甚至爛瓜，影響產(chǎn)量。

綜上所述，土壤水分的高低對西瓜結(jié)瓜期影響最大，伸蔓期次之，幼苗期影響較小。一般苗期土壤最大持水量為65%，伸蔓期為70%，而果實(shí)膨大期為75%，且不宜大于80%。

4 小結(jié)與討論

通過對鄂州市2015—2020 年淺表層0～20 cm 土壤水分歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該市土壤水分總體變化幅度較小，在大旱缺乏有效降水的年份，平均氣溫偏高，日照時數(shù)偏強(qiáng)，土壤水分含量明顯降低，說明土壤濕度與降水量、平均氣溫、日照時數(shù)密切相關(guān)。

選取日平均氣溫、7 d 平均氣溫、日降水量、7 d累積降水量、相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)7 個氣象因子進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，土壤水分的變化可以用日降水量、日平均氣溫、7 d 累積降水量、7 d平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度等因子來進(jìn)行表達(dá)，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到乙級預(yù)報水平。

采用實(shí)時采集的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)報種植區(qū)的土壤水分變化，可以有效解決西瓜種植區(qū)水分觀測的難題，避免了人工烘干法操作復(fù)雜、時效性差的缺點(diǎn)，能夠快速、高效、準(zhǔn)確地預(yù)報土壤墑情，做好西瓜旱澇時期的排灌措施。

分析了鄂州市土壤墑情變化規(guī)律，初步建立西瓜土壤墑情評價指標(biāo)體系，研究表明該指標(biāo)體系針對性較強(qiáng)，評價結(jié)果合理，對提高水分利用效率，引導(dǎo)種植戶適時種植和科學(xué)灌排具有重要意義。采用該評價指標(biāo)體系，西瓜種植區(qū)可以在生長周期或生長旺盛期內(nèi)適當(dāng)調(diào)整水分供給，不但可以促進(jìn)西瓜植株的生長，也能保證果實(shí)的品質(zhì)，還能節(jié)約有限的水資源，為進(jìn)一步解決西瓜需水特性提供可靠的理論依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和西瓜栽培管理體系的不斷完善，土壤水分問題必將得到解決，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益的和諧統(tǒng)一。