基于墑情自動測報的江蘇省土壤墑情時空變化規(guī)律研究

楊明非，劉田田，王 偉，欣尚韜

（1.江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇 徐州 221018；2.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

近年來，因大氣環(huán)流異常及人類生產(chǎn)、生活的影響，我國氣象災(zāi)害愈發(fā)頻繁。雖然干旱災(zāi)害發(fā)生次數(shù)較少，但其發(fā)生持續(xù)時間長，一年四季均有發(fā)生，造成的受災(zāi)范圍較廣、受災(zāi)人口多，其影響范圍已由傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)范疇向工業(yè)、城市和生態(tài)等多個方面發(fā)展，因干旱缺水等造成的損失也越來越嚴重［1-3］。中國每年因農(nóng)業(yè)干旱造成的經(jīng)濟損失達451億元，因農(nóng)業(yè)干旱導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)超300億kg［4-5］。土壤墑情的異常偏少，會影響到農(nóng)作物的長勢及產(chǎn)量，可見研究土壤墑情的變化對提升區(qū)域水資源規(guī)劃與管理、保障糧食安全具有重要意義［6］。

江蘇省自1976年開始有人工墑情觀測，2014年9 月墑情首次實現(xiàn)在線自動監(jiān)測，從2016 年開始對土壤墑情資料進行整編工作，現(xiàn)已積累了2016—2022 年7 年完整的觀測資料，為研究土壤墑情時空變化規(guī)律提供了條件。準確有效地對土壤墑情進行監(jiān)測、分析是提高農(nóng)業(yè)水資源利用率的基礎(chǔ)。本文依據(jù)近7 年江蘇省土壤墑情觀測資料，結(jié)合土壤類型、蒸發(fā)、降水量資料，分析土壤墑情在時間和空間上的變化規(guī)律，以期為防旱減災(zāi)、水利規(guī)劃建設(shè)和區(qū)域水資源開發(fā)與管理等工作提供依據(jù)。

1 概況

1.1 研究區(qū)域概況

江蘇省位于中國東部沿海，總面積10.72萬km2，其中耕地面積409.89萬hm2，占全省總面積的38.2%；總?cè)丝? 505.4 萬，其中農(nóng)業(yè)人口3 487.2 萬。多年平均降水量1 006 mm，年降水日數(shù)120～140 d，降水主要集中在汛期，汛期降水量站全年的66.9%。多年平均水面蒸發(fā)量845.6 mm，冬季（12 月至次年2 月）蒸發(fā)量最小，僅占全年的10.8%，夏季（6—8 月）蒸發(fā)量最大，占全年的36.6%。地處長江、淮河流域下游，西鄰安徽，北接山東，東臨黃海，南連上海和浙江，下設(shè)13 個設(shè)區(qū)市。境內(nèi)地形以平原為主，主要由蘇北黃淮平原及長江三角洲平原組成。土壤多為壤土、砂壤土、黏土、砂質(zhì)土及少量黏壤土，適合農(nóng)作物的生長，種植農(nóng)作物以小麥和水稻為主。

1.2 土壤墑情監(jiān)測情況

2014年以前，江蘇省主要采用人工取土烘干法及快速測墑儀觀測獲取土壤墑情數(shù)據(jù)［7］。為掌握土壤墑情變化動態(tài)，預(yù)測旱澇發(fā)展趨勢，國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程（江蘇部分）墑情采集系統(tǒng)依據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL 364—2015）關(guān)于站網(wǎng)布設(shè)的要求，按照既能反映區(qū)域內(nèi)旱情分布情況又節(jié)省資金的原則，進行了土壤墑情監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)，相對干旱的蘇北地區(qū)土壤墑情站點適當加密，濕潤地區(qū)如蘇中、蘇南則相對稀疏，在江蘇省水文系統(tǒng)設(shè)立了27個墑情自動監(jiān)測站，承擔墑情相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和旱澇情調(diào)查工作［8］。

江蘇省墑情自動監(jiān)測站的采集點數(shù)目和采集點深度依據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL 364—2015）［7］“三點法”的要求設(shè)定，選取10 cm、20 cm和40 cm共3 個不同深度進行取樣監(jiān)測，測定土壤在不同深度條件下的含水率大小，監(jiān)測方式為全年觀測，監(jiān)測周期為每1 h采集觀測1次。

2 樣本來源與計算方法

對前述27處墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評價，選取其中的20 處數(shù)據(jù)準確可靠的墑情站整編成果；降水量、蒸發(fā)資料采用墑情站所屬水文分局歷年整編成果。降水量資料均為自動測報雨量計觀測值，蒸發(fā)資料均為每日8 時人工觀測值。降水與蒸發(fā)資料系列均與墑情資料系列一致，采用2016—2022年。

墑情站點見表1，墑情站點位置見圖1。

表1 江蘇省墑情監(jiān)測站網(wǎng)

2.1 土壤體積含水率的計算

江蘇省墑情自動監(jiān)測站采用Hydra Probe Ⅱ-NAIWCH 型插針式土壤水分傳感器［8］，其輸出信息為土壤電導(dǎo)率，土壤體積含水率采用擬合得到的土壤體積含水率與土壤電導(dǎo)率之間的關(guān)系公式計算得出。土壤體積含水率與土壤電導(dǎo)率之間的關(guān)系公式擬合步驟如下：

（1）測定土壤干容重。土壤墑情監(jiān)測選用烘干稱重法，將單站不同深度的土壤取樣稱重后，烘箱加熱至100 ℃±2 ℃，恒溫4 h后取出，加蓋冷卻至室溫后稱重，計算土壤干容重。計算公式為

式中：γ0為土壤干容重；m干土為干土質(zhì)量；V為原狀土樣（濕土）體積。

（2）計算土壤質(zhì)量含水率。計算公式為

式中：ω為土壤質(zhì)量含水率；m干土為干土質(zhì)量；m濕土為濕土質(zhì)量。

（3）根據(jù)土壤干容重和土壤質(zhì)量含水率計算出土壤體積含水率。計算公式為

式中：θ為土壤體積含水率；ω為土壤質(zhì)量含水率；γ0為土壤干容重。

（4）擬合土壤體積含水率與土壤電導(dǎo)率之間的3階經(jīng)驗公式為

式中：θ為土壤體積含水率；X為土壤電導(dǎo)率；A0、A1、A2、A3分別為擬合出的公式系數(shù)。

2.2 土壤墑情計算方法

參照《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364—2015）中關(guān)于各土層土壤含水量計算方法進行統(tǒng)計分析。

監(jiān)測點垂向平均土壤含水量θˉ計算公式為

式中：θˉ為監(jiān)測點垂向平均土壤含水率；θ10、θ20、θ40分別為10 cm、20 cm、40 cm 采集點的樣本土壤含水率。

3 土壤墑情時空變化規(guī)律分析

江蘇省土壤墑情監(jiān)測站點設(shè)置于白地上，無須考慮灌溉對增墑的影響，土壤含水率的變化，主要受到氣象條件和土壤自身結(jié)構(gòu)特征的共同影響。影響土壤含水率變化的氣象因素有降水量、氣溫、蒸發(fā)、地溫、相對濕度、飽和差、風(fēng)速、日照等［7］，此外土壤的孔隙度、容重、滲透性能等土壤結(jié)構(gòu)特征也對土壤含水量產(chǎn)生影響，因此導(dǎo)致土壤墑情在時間和空間的動態(tài)變化上均呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

3.1 土壤墑情水平空間變化

將江蘇省20 個墑情監(jiān)測站的整編成果按地域劃分為蘇北片（宋樓、王溝、鹿樓、四戶、梁集、漢王、棋盤、興辰、孫溝、陰平、魏營、染坊和吳郭13站）、蘇中片（板湖、大橋和真州3站）和蘇南片（馬集、南渡、雙橋浜和湖滏4 站），計算出2016—2022 年江蘇省以及各站的月平均土壤含水率，并按片區(qū)繪制成圖，見圖2～4。

圖2 蘇北片多年月平均土壤含水率過程線

由圖2 可看出，除個別站點、個別月份（占比11.5%）外，蘇北片各站月平均土壤含水率均低于全省平均值；由圖3 可看出，除大橋站5 月、6 月（占比5.6%）外，蘇中片各站月平均土壤含水率均略高于全省平均值；由圖4可看出，蘇南片各站月平均土壤含水率均高于全省平均值。

圖3 蘇中片多年月平均土壤含水率過程線

圖4 蘇南片多年月平均土壤含水率過程線

通過分析以上過程線圖可知，江蘇省土壤含水率在空間上的變化規(guī)律大致為蘇南最高、蘇中居中、蘇北最低。分析為蘇北片年降水量?。?016—2022年平均降水量940.5 mm），墑情站點土質(zhì)以砂壤土為主，保墑能力不強，故土壤含水率偏低；蘇中片年降水量較高（2016—2022 年平均降水量1 167.7 mm），但蘇中片3個代表站中有兩處土質(zhì)為砂質(zhì)土，滲水速度快、保墑能力較差，故土壤含水率亦不高；蘇南片年降水量大（2016—2022 年平均降水量1 287.7 mm），墑情站點土質(zhì)以壤土為主，滲水速度較慢、保墑能力較強，故土壤含水率較高。個別地區(qū)或者月份規(guī)律性不強，考慮為溫度、風(fēng)速等因素影響，但總體上，江蘇省土壤墑情與降水量分布規(guī)律基本一致，土壤含水率由蘇北向蘇南呈遞增趨勢。

3.2 土壤墑情時間變化

對于同一片區(qū)域的土壤，因其結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素變化較小，影響土壤墑情時程變化的主要因素為降水量、蒸發(fā)、氣溫、風(fēng)速、日照等外部因素。

3.2.1 土壤墑情年內(nèi)變化

以前述20 個墑情站2016—2022 年整編資料為基礎(chǔ)，計算出近7年各月平均土壤含水率，結(jié)合江蘇省降水量和蒸發(fā)量月平均值進行對比分析，并繪制成圖5。

圖5 江蘇省月土壤含水率、降水量與蒸發(fā)量變化

由圖5可看出，江蘇省土壤墑情變化可分為4個時期：穩(wěn)定期，1—3月；大量消耗期，4—5月；快速恢復(fù)期，6—8月；緩慢消耗期，9—12月。

穩(wěn)定期主要包括冬季、初春，這一時期氣溫較低，降水量、蒸發(fā)量也相對較小，降水較蒸發(fā)略偏大，土壤水分處于相對穩(wěn)定、微小上升狀態(tài)。大量消耗期正值春季，氣溫回升，蒸發(fā)量增大，由圖6 可看出，這一時期降水量雖逐月有所增加卻仍處在相對較低水平，蒸發(fā)與降水持平或較降水略偏大，蒸發(fā)減墑效應(yīng)較降水增墑效應(yīng)顯著，土壤水分大量消耗，土壤含水率呈明顯下降趨勢并在5 月達最低?？焖倩謴?fù)期正值主汛期，降水量大幅增加（6—8 月降水量542.4 mm，占全年降水量的48.6%），降水遠大于蒸發(fā)，降水帶來的增墑遠較蒸發(fā)造成的減墑高，土壤水分快速恢復(fù)，土壤含水率在7月達峰。8月降水雖然較7 月減少，但降水帶來的增墑與蒸發(fā)引起的退墑基本持平，因此8 月土壤含水率與7 月相比變化不大。緩慢消耗期在主汛期之后，由于氣溫逐漸下降，降水量和蒸發(fā)量也逐漸減小，蒸發(fā)造成的退墑雖然不能由降水帶來的增墑完全彌補，但兩者差別不顯著，土壤含水率緩慢下降。

圖6 江蘇省近7年土壤含水率、降水量與蒸發(fā)量變化

3.3.2 土壤墑情年際變化

以江蘇省2016—2022 年20 個墑情監(jiān)測站的土壤墑情整編資料為基礎(chǔ)，計算出7 年歷年土壤含水率面平均值，結(jié)合歷年江蘇省年降水量和年蒸發(fā)量進行對比分析，并繪制成圖6。

從圖6 可看出，江蘇省土壤含水量的年際變化受降水和蒸發(fā)影響顯著。7 年中，2019 年降水量798.5 mm 為最低，蒸發(fā)量931.1 mm 為次高，土壤含水率25.3%為最低；2022年降水量813.3 mm為次高，蒸發(fā)量977.8 mm為最高，土壤含水率26.7%為次低；2016年降水量1 410.5 mm為最高，蒸發(fā)量728.7 mm為最低，相應(yīng)大，土壤含水率39.3%為最高。降水量大、蒸發(fā)量小的年份土壤含水量高，降水量小、蒸發(fā)量大的年份土壤含水量相應(yīng)也低?；旧贤寥篮颗c降水量呈正相關(guān)，而與蒸發(fā)量呈負相關(guān)。

4 結(jié) 語

（1）通過各站土壤含水率與江蘇省平均值對比可知，江蘇省土壤墑情總體呈從蘇北向蘇南呈遞增趨勢。

（2）土壤含水率與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，而與蒸發(fā)量呈負相關(guān)關(guān)系。降水量大、蒸發(fā)量小的年份土壤含水率高，降水量小、蒸發(fā)量大的年份土壤含水率相應(yīng)也低。

（3）江蘇省土壤墑情年內(nèi)變化大致可分為4 個時期：穩(wěn)定期為1-3 月，土壤含水率相對穩(wěn)定、小幅回升；大量消耗期為4-5月，土壤含水率呈明顯下降趨勢并在5月達最低；快速恢復(fù)期為6-8月，土壤水分快速恢復(fù)，土壤含水率在7月達峰；緩慢消耗期為9-12月，土壤含水率緩慢下降。