隨州土壤水分周年變化特征及對(duì)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(cè)資料，對(duì)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(jìn)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(gè)時(shí)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(qiáng)降水天氣對(duì)土壤濕度的影響明顯，土壤濕度過高或過低都會(huì)對(duì)農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)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(hào)：S152.7;P461+.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0051-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.011? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)[1]。適宜的土壤水分會(huì)促進(jìn)作物正常發(fā)育生長(zhǎng)，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行。開展土壤水分變化研究，對(duì)于及時(shí)了解土壤水分動(dòng)態(tài)演變情況，判斷作物生長(zhǎng)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(zāi)和漬害造成的損失，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的被動(dòng)性、盲目性意義重大。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，土壤水分指標(biāo)較降水指標(biāo)更切合對(duì)農(nóng)業(yè)干旱、漬害的評(píng)估，更能反映對(duì)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(biāo)較多，如土壤重量含水率、土壤體積含水率、土壤相對(duì)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(duì)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(biāo)中，土壤相對(duì)濕度有利于在不同土壤之間進(jìn)行比較[2]，土壤重量含水率計(jì)算簡(jiǎn)單，實(shí)用普遍[3]。因此本文主要以土壤相對(duì)濕度和土壤重量含水率等觀測(cè)資料，來研究隨州土壤水分的變化特征和對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

1? 資料來源和觀測(cè)地段說明

隨州人工觀測(cè)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(cè)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(hào)觀測(cè)點(diǎn)）取土測(cè)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(zé)任田里（2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)）取土測(cè)定;2001年5月28日至2013年9月在老氣象觀測(cè)場(chǎng)附近（3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)）取土測(cè)定。2013年10月開始在何店新氣象觀測(cè)站內(nèi)進(jìn)行土壤濕度自動(dòng)觀測(cè)。1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)觀測(cè)地段與原氣象觀測(cè)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(shì)平坦，土壤質(zhì)地為黏壤，呈酸性。1號(hào)、2號(hào)土壤濕度觀測(cè)地段上種植的農(nóng)作物為冬小麥、棉花輪作，3號(hào)為自然植被，3個(gè)觀測(cè)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(duì)降水反應(yīng)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(hào)觀測(cè)地段的位置和土壤物理參數(shù)相同，測(cè)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(jìn)行土壤濕度長(zhǎng)時(shí)間序列的變化規(guī)律性研究時(shí)，采用1991—2000年的土壤濕度測(cè)定資料。3號(hào)觀測(cè)地段和2號(hào)觀測(cè)地段具有一定的連續(xù)性和比較性，特別是3號(hào)觀測(cè)地段測(cè)定資料的年代較近，有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，供分析土壤濕度特征時(shí)使用。1號(hào)觀測(cè)地段臨近廠區(qū)，代表性較差;何店土壤濕度自動(dòng)觀測(cè)站與2號(hào)觀測(cè)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(cè)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(shí)使用。

土壤濕度為固定（作物）觀測(cè)地段，每旬測(cè)定一次，每旬第8天測(cè)定[2]。測(cè)定深度為10、20、30、40、50 cm共5個(gè)層次，采用烘干稱重法，按照文獻(xiàn)[2]中的相關(guān)方法進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算。經(jīng)計(jì)算后土壤相對(duì)濕度>100%，按100%進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。氣象資料來源于隨州市氣象臺(tái)地面氣象觀測(cè)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(diǎn)

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(dǎo)農(nóng)民群眾因時(shí)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（含降水很小）天氣條件對(duì)土壤濕度的影響，統(tǒng)計(jì)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(duì)降水反應(yīng)敏感的10 cm土壤層次無降水（含降水很小）天氣條件下的土壤相對(duì)濕度資料。

不同季節(jié)的降水強(qiáng)度和量級(jí)有明顯差異。對(duì)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(qiáng)，降水量<5 mm時(shí)一般為植物葉面全部截留，屬無效降水[4，5]，對(duì)提高土壤濕度的作用很微弱。因此，在統(tǒng)計(jì)中，以冬季土壤相對(duì)濕度測(cè)定的前10 d（以下簡(jiǎn)稱為前期）累計(jì)無降水（降水量0.0 mm）、春秋季測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，來研究無（小）降水條件下10 cm層次土壤相對(duì)濕度減少的情況。

由表1可知，在前期無（小）降水的天氣條件下，隨州逐日土壤相對(duì)濕度減少幅度在各季節(jié)有著明顯的差異，冬季土壤相對(duì)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(qiáng)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，如果沒有較明顯的有效降水或灌溉補(bǔ)充，極易形成干旱。

2.1.2? 強(qiáng)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(shí)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(duì)濕度很小、出現(xiàn)干旱的情況下，如果出現(xiàn)強(qiáng)度明顯、地表徑流小的降水過程會(huì)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(jì)降水量70.0 mm的降水，其中，6月18日當(dāng)天下午土壤濕度測(cè)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(dá)12.9 mm的強(qiáng)降水。在強(qiáng)降水產(chǎn)生后，各層土壤濕度逐漸向下傳遞，均達(dá)到飽和狀態(tài)。深層的土壤其后保持相當(dāng)一段時(shí)間的高濕狀態(tài)，變化平緩，對(duì)降水的響應(yīng)具有一定的滯后效應(yīng)。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(duì)土壤濕度的影響? 夏季是農(nóng)作物生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期，也是產(chǎn)量結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵時(shí)期。由于氣溫高，日照強(qiáng)，蒸散快，干旱頻繁，故危害嚴(yán)重。研究表明[6]，當(dāng)土壤相對(duì)濕度<40%時(shí)為重旱，40%～60%為輕旱，60%～90%為正常，>90%為過濕;同時(shí)規(guī)定，當(dāng)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(duì)土壤濕度的影響，統(tǒng)計(jì)了1991—2002年夏季（6—8月）共36旬的前期（測(cè)定土壤濕度的前10 d，下同）累計(jì)降水量與土壤濕度的資料（表3）。表3表明，前期累計(jì)降水量的多少明顯影響到干旱解除程度。當(dāng)前期累計(jì)降水量<34.9 mm時(shí)，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(jì)降水量少，對(duì)干旱解除沒有實(shí)質(zhì)性的效果;前期累計(jì)降水量在35.0～49.9 mm時(shí)，只有1旬出現(xiàn)干旱解除的情況;前期累計(jì)降水量在50.0～69.9 mm時(shí)，出現(xiàn)了 4旬干旱解除的情況;前期累計(jì)降水量≥70 mm時(shí)，有9旬達(dá)到干旱解除的標(biāo)準(zhǔn)。前期累計(jì)降水量多少也對(duì)干旱持續(xù)有很大的影響。當(dāng)前期累計(jì)降水量? <34.9 mm時(shí)，有14旬出現(xiàn)干旱持續(xù)的情況。當(dāng)前期累計(jì)降水量<5 mm時(shí)，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(shí)期，前期累計(jì)降水量≥70 mm是干旱解除的重要指標(biāo)。而在土壤相對(duì)濕度達(dá)重旱標(biāo)準(zhǔn)下，前期累計(jì)<5 mm的降水量對(duì)提高土壤濕度，改善土壤墑情是無效的。當(dāng)前期累計(jì)降水量<34.9 mm時(shí)，對(duì)干旱解除不會(huì)有較好的促進(jìn)作用，對(duì)干旱持續(xù)也不會(huì)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(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)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(dòng)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(cè)定的土壤重量含水率統(tǒng)計(jì)資料，將隨州市土壤濕度周年變化大致分為冬冷濕潤(rùn)期、春季失墑耗損期、雨季恢復(fù)積聚期、夏秋蒸發(fā)蒸騰耗水期和秋涼水分補(bǔ)充期等5個(gè)時(shí)期。由圖1可見，隨州市不同層次土壤濕度的周年變化趨勢(shì)比較一致，但各季節(jié)變化也有一定的差異。基本上呈現(xiàn)12月至次年3月變化緩慢，9月為土壤濕度最低時(shí)期，4月為次低，6月和11月最高的特點(diǎn)。

冬冷濕潤(rùn)期（12月至次年3月）：這一時(shí)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(shí)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(duì)濕度一般在70%～90%。

春季失墑耗損期（3—4月）：這一時(shí)期氣溫逐漸升高，冬小麥、油菜等作物復(fù)蘇直至旺盛生長(zhǎng)，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(fù)積聚期（5—7月）：雖然這一時(shí)期，氣溫較高、日照較強(qiáng)，農(nóng)作物蒸散發(fā)較大，但此時(shí)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(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)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(dá)到全年土壤濕度的最高時(shí)期。

夏秋蒸發(fā)蒸騰耗水期（8—9月）：這一時(shí)期由夏天進(jìn)入初秋，天氣晴朗，秋高氣爽，降水減少。氣溫高，蒸發(fā)強(qiáng)，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(shí)期，也是全年土壤水分最少時(shí)期，9月土壤濕度為全年最低。

秋涼水分補(bǔ)充期（10—12月）：本期天氣漸涼，氣溫低、蒸發(fā)小，冷空氣活動(dòng)頻繁，降水也相對(duì)充沛，特別受華西秋雨的影響，連陰雨經(jīng)常發(fā)生。此時(shí)，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(duì)犁耙、播種等田間工作不利。此時(shí)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(diǎn)? 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(duì)較均勻的2003年3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)（老氣象局大院內(nèi)）土壤相對(duì)濕度觀測(cè)資料，繪制了隨州土壤相對(duì)濕度動(dòng)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(duì)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(duì)濕度集中出現(xiàn)在此土壤層次，10 cm土層土壤的相對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)水分需求的穩(wěn)定器。

土壤相對(duì)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(dǎo)致20 cm及以下層次的土壤相對(duì)濕度長(zhǎng)期居高不下;6月下旬和7月上旬前期累計(jì)降水量都在140 mm以上，造成40～50 cm土層的土壤相對(duì)濕度維持在95%以上，≥95%的土壤相對(duì)濕度等值線也延伸到20 cm層次里。全年土壤相對(duì)濕度最小值為45%，出現(xiàn)在8月8日的10 cm土層，前期累計(jì)降水量?jī)H為3.5 mm;次小值出現(xiàn)在3月28日，前期累計(jì)降水量?jī)H0.2 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(jì)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(gè)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(dòng)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(zhǎng)期維持在一個(gè)高濕狀態(tài)，對(duì)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的典型事例

不利的土壤濕度對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物的危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是土壤濕度過高，形成漬（澇）害，危害作物正常生長(zhǎng);或田間泥濘，田間勞動(dòng)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(zhǎng);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(duì)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(cè)定的各層次土壤相對(duì)濕度絕大多數(shù)小于60%，最小土壤相對(duì)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(jì)，受特大干旱影響，當(dāng)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(kù)接近死水位以及死水位以下，其中17.6%的水庫(kù)干涸，74.6%的堰塘干涸，導(dǎo)致農(nóng)作物無水可灌溉。此次干旱對(duì)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(yán)重的影響，隨州市因旱直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)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(shì)比較一致。每個(gè)時(shí)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(rùn)期、春季失墑耗損期、雨季恢復(fù)積聚期、夏秋蒸發(fā)蒸騰耗水期和秋涼水分補(bǔ)充期等5個(gè)時(shí)期。

不同的降水量對(duì)改善土壤濕度的貢獻(xiàn)率有較大差異。強(qiáng)降水對(duì)提高土壤濕度效果明顯，無效降水對(duì)改善土壤濕度作用很小。當(dāng)夏季出現(xiàn)了干旱天氣時(shí)，需前期累計(jì)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(duì)降水的響應(yīng)具有一定的滯后效應(yīng)。

土壤濕度過高過低而形成的漬害和干旱，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物的生長(zhǎng)危害嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)掌握天氣氣候的演變規(guī)律，合理安排農(nóng)事活動(dòng)，采取人工措施加以干預(yù)，確保豐產(chǎn)豐收。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮定原，王雪娥.農(nóng)業(yè)氣象學(xué)[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[2] 國(guó)家氣象局.農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，1993.

[3] 劉漢中.普通農(nóng)業(yè)氣象學(xué)[M].北京：北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[4] 北京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象專業(yè)農(nóng)業(yè)氣候教學(xué)組.農(nóng)業(yè)氣候?qū)W[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1987.

[5] 馮秀藻，陶炳炎.農(nóng)業(yè)氣象學(xué)原理[M].北京：氣象出版社，1994.

[6] 徐祝齡，陳端生，汪奕琮，等.氣象基礎(chǔ)與農(nóng)業(yè)氣象[M].北京：中國(guó)廣播電視出版社，1988.

[7] 郭建平，高素華，王廣河，等.中國(guó)云水資源和土壤水資源[M].北京：氣象出版社，2001.

[8] 程純樞.中國(guó)農(nóng)業(yè)百科全書（農(nóng)業(yè)氣象卷）[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.