寧夏土壤水文參數空間分布及干旱指標改進研究

閆偉兄，張永霞，朱永寧，汪進欣，代海燕

1. 寧夏回族自治區氣象科學研究所，寧夏 銀川 750004；2. 寧夏環境科學研究院（有限責任公司），寧夏 銀川 750004；3. 內蒙古自治區生態與農業氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051

中國是全球干旱災害頻發的國家之一，因氣象災害造成的經濟損失占所有自然災害損失的 71%，其中干旱災害造成的損失達53%（姚玉璧等，2016）。干旱作為寧夏地區最常見、影響范圍最廣、損失最大的自然災害，已造成生態環境退化、農業減產和絕收、財產損失、人員傷亡、經濟損失等多種危害，嚴重危及自然與社會經濟系統的可持續發展（譚春萍等，2014）。干旱發生后，獲得客觀的旱情數據，對抗旱減災救災至關重要。長期以來，國內外對干旱及其指標（指數）進行了大量的研究實驗工作（李柏貞等，2014；李娜等，2019；方黎明，2019；王芝蘭等，2019；Zhang et al.，2019）。干旱指標是表示干旱程度的特征量，是旱情描述的數值表達，在干旱分析中起著度量、對比和綜合等重要作用，是干旱監測的基礎與核心（趙麗等，2012）。一般認為，干旱指數應該滿足 4個基本條件：（1）合適的時間尺度；（2）可定量評估大范圍、長時間持續的干旱情況；（3）應用性強；（4）具有可用或者可以計算的過去較長時間的、準確的指數序列。有人還補充了諸如適用近期狀況、能反應干旱成因、具有可比性等（金彩旺等，2011；馮平等，1997）。實踐中使用的干旱指數較多，雖不能簡單認為某種指數比其他的更加優秀，但對特定領域或地區，的確有一些干旱指數較其他指數更加適合或常用，如土壤濕度就是干旱監測評估最常用的指標之一。

從現有文獻和相關標準看（張強等，2006；姚玉璧等，2007；鄧英春等，2012；薛昌穎等，2014；呂厚荃等，2015），在土壤墑情和干旱監測評估中，不管采用土壤絕對濕度還是相對濕度，都是將土壤濕度劃分為一固定區間，這一做法很少或沒有考慮土壤有效水下限問題；對于采用土壤相對濕度的，也很難體現不同地區相同土壤相對濕度對植物提供有效水能力的差異。此外，在土壤有效水范圍內，土壤水分對植物的有效性一直存在著等效和非等效性兩種觀點，對于現有多以等5或等10間隔劃分的干旱等級區間，則是默認了土壤水對植物等效性這一觀點。如蔡燕等（2009）將土壤有效水進行有效性分級，將其劃分為“易效性”、“中效性”、“難效性”3級，對應的土壤相對濕度分別為80%—100%、60%—80%和 60%以下，這一做法本質和前述干旱監測評估中土壤水分等間隔劃分區間是一致的，較少考慮不同土壤有效水下限差異的問題。

隨著國家經濟水平和地面自動觀測能力的大幅提升，土壤水文特性基礎觀測空間密度也得到極大改善。僅寧夏回族自治區氣象部門，近5年就新建了 120多臺套河南省氣象科學研究所研制的DZN2型自動土壤水分觀測站，用于土壤相對濕度的觀測，與之對應的土壤水文參數是其必須定期（每 5年）開展的觀測項目，這為改進基于土壤濕度的干旱指標提供了有利條件。因此，本文以寧夏為例，通過分析土壤田間持水量、凋萎濕度、有效水，引入土壤相對凋萎濕度，構建干旱等級指標，實現基于測站的干旱監測評估，對于提高干旱監測評估的精度有一定意義。

1 研究區概況

寧夏回族自治區地處我國中部偏北內陸，西北地區東部、黃河上中游中段，地理坐標 104°17′—107°40′E，35′14′—39′23′N，最大南北相距 456 km，東西250 km，地勢北低南高，山地與平原多交錯分布，全區從北至南依次為賀蘭山山地、黃河沖積平原、鄂爾多斯高原、同心山間盆地、黃土高原和六盤山地。在騰格里沙漠、毛烏素沙漠與黃土高原交接地帶，是中國從半濕潤區、半干旱區向干旱區的過渡帶和典型的農牧交錯區（楊君瓏等，2017）。冬季受蒙古高壓控制，夏季處在東南季風西行的末梢，具有冬寒長、夏熱短、春暖快、秋涼早，干旱少雨、日照充足、蒸發強烈、風大沙多、北暖南涼、北干南濕的特點。利用 1961—2018年間的氣象數據統計表明，寧夏年平均氣溫5.6—9.9 ℃，降水量175.9—644.8 mm，蒸發量1214.3—2482.0 mm，日照時數1997.1—3041.4 h，無霜期105—164 d。

寧夏氣候特征南北不一，通常根據自然地理特征和農牧業生產將全區劃分為北部引黃灌區、中部干旱帶和南部山區 3個區域（杜靈通等，2015）。北部引黃灌區大體為黃河以北以西的黃河沖積平原地區，中部干旱帶大體處于北部引黃灌區以南、海原縣以北，南部山區為海原縣及以南地區。

寧夏地帶性土壤從北向南主要是灰鈣土、黑壚土和灰褐土。森林覆蓋率 4.9%，天然草場面積208.8×104hm2。植被次生性明顯，栽培植物以大田糧油作物為主，人工林、果園、草地等面積少而分散，大致以黃土丘陵北緣或干草原與荒漠草原界限為界，以南為旱作農業區，主要有小麥（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）、谷子（Setaria italicaBeaur.）、胡麻（Linum usitatissimum）等；以北為灌溉農業區，主要有水稻（Oryza sativa）、玉米、小麥、向日葵（Helianthus annuus）等。

2 資料與方法

2.1 資料及來源

非擾動土壤的水文特性在一定時段內不會有大的變化。氣象觀測中土壤濕度測定主要設定固定和作物兩種觀測地段。固定地段設置在氣象臺站的大氣觀測場內，或臺站周圍植株密度均勻、高度小于20cm的草地上；作物地段設置在農作物、草地、果樹等大田中，實際操作中多采用圍欄防護，故而作物地段也可認為為非擾動土壤。

本文共獲得研究區內2016—2019年間，寧夏回族自治區氣象部門測定的 122個土壤水分觀測站的田間持水量（%）和凋萎濕度（%）數據，分0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm共5個層次測定，具體測定方法見《農業氣象觀測規范》（國家氣象局，1993）。0—20 cm和20—50 cm的土壤水文參數分別為相應層次的平均值。研究區內土壤水文特性測點分布見圖 1。這些測站的土地利用主要為草地、玉米、小麥、馬鈴薯、蔬菜、和硒砂瓜（Citrulluslanatus）等作物，個別測站為枸杞（Lycium chinense）、紅棗（Zizyphus jujuba）。

圖1 寧夏土壤水文參數測點空間分布Fig. 1 The spatial distribution of observation points of soil hydrological characteristics in Ningxia

2.2 研究方法

2.2.1 土壤有效水

土壤含水量多少并不能代表其為植物生長提供水分的能力，只有當含水量處于土壤有效水范圍內時才對植物有效。土壤有效水通常被認為是介于田間持水量與凋萎濕度之間的土壤水分（Zhou et al.，2005）。由于土壤質地組成、土壤容重、土壤結構、粘土礦物類型等因素影響，不同土壤的田間持水量和凋萎濕度差別較大，土壤有效水差別也就較大（秦耀東，2003）。

2.2.2 相對凋萎濕度

實踐中，基于土壤水分的干旱監測評估指標，為在一定區域內能夠相互比較，多采用土壤相對濕度，并根據土壤質地劃分水分區間，確定干旱等級。這一做法較為簡單，但其區間劃分較為粗糙，應用中很難體現不同土壤水分下限的差別。如典型砂土、壤土和黏土的有效水下限對應的相對濕度分別大約為40%、38%、72%，而現有《農業干旱等級》（GB/T 32136—2015）國家標準中（呂厚荃等，2015），按砂土、壤土和黏土劃分土壤相對濕度干旱等級，分別將高于45%、50%和55%為不旱，低于25%、30%和35%為特旱。由此看，非常有必要對“一刀切”式的傳統指標進行改進。基于測站的相對凋萎濕度則能很好彌補上述缺陷，能夠真實體現土壤某一時刻的含水量有效性，即只有當土壤相對濕度高于相對凋萎濕度時，土壤水對植物才有效。相對凋萎濕度這一概念較為少見，但其本質上還是土壤相對濕度。顧名思義，相對凋萎濕度（%）即為凋萎濕度與田間持水量之比（代海燕等，2013）（式1）。

式中：WRH壤相對凋萎濕度，WP壤凋萎濕度，FC壤田間持水量。

為使相對凋萎濕度和田間持水量結合應用，本文將土壤含水量達田間持水量時的相對濕度定義為100%土壤相對濕度。

2.2.3 干旱等級指標

土壤水非等效性觀點認為，土壤含水量從田間持水量下降至凋萎濕度，植物對其吸收利用經歷由易變難的過程。蔡燕等（2009）將土壤相對濕度60%以下的土壤水認為為“難效性”，這對典型黏土而言偏低，對壤土則偏高。至于現有相應干旱標準中的土壤相對濕度指標，則均有與實際不相符之處。筆者基于研究區內每一土壤水分測點的田間持水量和凋萎濕度，將相對凋萎濕度至100%土壤相對濕度這一區間等間隔劃分，確定干旱等級。為便于與現有干旱指標比較，本文將這一區間劃分為5個等級，即特旱對應的土壤相對濕度為[WRH,WRH+(100%-WRH)/5]，重旱 (WRH+(100%-WRH)/5，WRH+2(100%-WRH)/5]，中旱 (WRH+2(100%-WRH)/5,WRH+3(100%-WRH)/5]，輕旱 (WRH+3(100%-WRH)/5]，WRH+4(100%-WRH)/5]。這一做法最現實的意義在于，明確了植物可利用土壤水的下限。

3 結果與分析

3.1 田間持水量與凋萎濕度

植物在生長的初期和中后期，對不同深度的土壤水吸收利用是不一樣的，苗期主要利用表層土壤水，故這里分0—20 cm和20—50 cm兩個層次進行分析。

3.1.1 田間持水量

研究區內0—20 cm土壤田間持水量介于5.8%—31.4%之間，其中介于15.0%—25.0%的測點分別占總測點的63.1%和64.8%。海原以北波動范圍大，介于5.8%—30.0%之間；海原及以南地區波動范圍小，介于18.9%—31.0%之間（圖2a）。盡管海原以北地區田間持水量波動范圍大，但卻呈“一縱一橫”的空間分布特點，小于15.0%的測點并不多，占研究區總測點的23.8%，沿賀蘭山東麓南北向和沿沙坡頭、紅寺堡、鹽池等地東西向零散分布，這些地方的土壤質地偏砂型特征明顯；海原以北地區的土壤田間持水量大于15.0%的測點占研究區總測點的48.4%，沿引黃灌區南北向和沿海原北部東西向分布，該區域主要為農耕區，土壤質地偏壤型特征較為明顯。海原及以南地區的土壤田間持水量均大于15.0%，占研究區總測點的27.8%（表1）。

表1 寧夏不同等級田間持水量測站占總測站比例Table1 Ratio of field capacity to total observations in Ningxia

圖2 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤田間持水量空間分布Fig.2 The spatial distribution of field capacity in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

研究區內20—50 cm土壤田間持水量的空間分布與0—20 cm的較為相似（圖2b），兩者僅24.6%的對應測點區間不一致，其中18.9%的為相鄰區間，5.7%的隔一個區間，且從均值u檢驗看，0—20 cm和 20—50 cm 差異并不顯著（u=0.884；n=122；P=0.377），這說明研究區內0—50 cm的土壤質地較為均勻，土壤分層不明顯。

3.1.2 凋萎濕度

研究區內0—20 cm和20—50 cm土壤凋萎濕度的空間分布幾乎一致（圖 3），分別介于 0.8%～15.8%和 0.7%—16.4%之間。這兩個層次的土壤凋萎濕度主要集中在3.0%—6.0%的區間內，測點數分別占總測點的72.9%和70.5%（表2）。分別有13.9%和14.6%的測點小于3.0%，有13.1%和14.8%的測點大于 6.0%（表 2）。兩個層次中，海原及以南地區均未出現小于3.0%的測點，而大于6.0%的測點主要分布在北部引黃灌區，且在北部地區出現了 3個大于9.0%的偏高測點，這反映出田間持水量的波動范圍在空間上亦呈南低北高的特點。

圖3 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤凋萎濕度空間分布Fig. 3 The spatial distribution of wilting moisture in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

表2 不同等級凋萎濕度測站占總測站比例Table2 Ratio of wilting moisture to total observations in Ningxia

3.2 土壤有效水

土壤有效水取決于田間持水量和凋萎濕度。從圖4可以看出，研究區內的土壤有效水呈兩個特點：波動范圍南低北高，數值大小上南高北低。以0—20 cm為例，研究區內土壤有效水以10.0%—20.0%范圍為主，占75.4%。其中，南部的固原地區介于13.5%—26.6%，僅1個測點為13.5%，其他測點均大于15.0%；固原以北地區的土壤有效水介于1.4%—25.9%，該區域土壤有效水大于 10.0%的測點占研究區總測點的64.8%（表3），而大于15.0%的測點主要分布在賀蘭山東麓一帶。20—50 cm土壤有效水空間分布與0—20 cm的基本一致，這里不再贅述。

對比田間持水量和有效水，發現二者的空間分布較為相似，或者說土壤有效水的空間分布更接近田間持水量的空間分布。這主要是由于研究區內的田間持水量遠大于凋萎濕度所致，前者是后者的1.3—9.5倍，平均達4.6倍。

3.3 相對凋萎濕度

圖4 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤有效水空間分布Fig. 4 The spatial distribution of soil available water in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

表3 不同等級土壤有效水測站占總測站比例Table3 Ratio of soil available water to total observations in Ningxia

土壤有效水表征了土壤可利用水分，需要結合田間持水量和凋萎濕度才可判定能被植物利用的現實土壤水分。但在干旱或者土壤墑情監測中，卻很少將三者結合起來使用，尤其很少考慮凋萎濕度，從而影響了其科學性和使用效果，這也是本文引入相對凋萎濕度的主要原因。研究區內0—20 cm和20—50 cm的土壤相對凋萎濕度分別介于10.5%—75.6%和7.8%—67.0%。其中，大于30.0%的偏高測站分別占總測站的18.0%和16.4%（表4），主要分布在中部干旱帶和北部地區。個別測站超過40.0%，應該與局地土壤質地密切相關（圖5）。海原和固原地區0—20 cm土壤相對凋萎濕度整體較低，介于14.2%—37.6%，34個測點中僅1個測點超過30.0%。相對凋萎濕度越大，表明凋萎濕度更接近田間持水量，土壤有效水就越小。故而，北部地區的一些區域，即使某一時刻的土壤相對濕度達到30.0%，土壤水對植物仍是無效的；但對中部干旱帶和南部山區而言，土壤相對濕度分別達到20.0%—30.0%和超過20.0%時就處于有效水范疇。

表4 不同等級相對凋萎濕度測站占總測站比例Table4 Ratio of relative wilting moisture to total observations in Ningxia

3.4 干旱等級指標

本文將相對凋萎濕度至 100%土壤相對濕度這一區間等間隔劃分后，得到基于土壤相對凋萎濕度的新干旱指標。研究區內，0—20 cm和20—50 cm干旱等級對應的土壤相對濕度的空間分布基本一致，故這里以0—20 cm為例進行討論，20—50 cm的不再贅述。從圖6看，特旱到輕旱的上限對應的土壤相對濕度呈波動大趨向波動小的特點，這主要取決于相對凋萎濕度的大小，因為輕旱上限更接近100%土壤相對濕度，特旱上限更接近相對凋萎濕度，即不同測點 100%土壤相對濕度為定值，而相對凋萎濕度則因凋萎濕度和田間持水量不同而各異。如石嘴山惠農一測點的相對凋萎濕度高達53.1%，而中衛沙坡頭的一測點的僅為10.5%，但兩者100%土壤相對濕度均為100%，二者在特旱的上限值分別為62.5%和28.4%，而輕旱的上限分別為90.6%和82.1%。

研究區內，輕旱上限對應的土壤相對濕度介于82.1%—95.1%，石嘴山惠農的兩個測點和中衛中寧的一個測點超過90%（圖6a）。中旱上限的土壤相對濕度介于64.2%—90.3%，其中小于70.0%的測點占62.3%，大于70.0%的測點占37.7%，且大于70.0%的測點在北部地區要多一些（圖 6b）。重旱上限的土壤相對濕度介于 46.3%—85.4%，但主要集中50.0%—60.0%之間，占總數的 76.2%（圖 6c）。特旱上限的土壤相對濕度介于28.4%—80.5%，其波動范圍進一步擴大，南部山區的特旱上限多小于40.0%，中部干旱帶和北部地區介于40.0%—50.0%的測點較南部山區明顯增加（圖 6d）。整體來看，除特旱的上限對應的土壤相對濕度在南部山區相對較小且區間較窄，在北部較大且區間較寬外，其他3個干旱等級的空間特征并不明顯。

圖5 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤相對凋萎濕度空間分布Fig. 5 The spatial distribution of relative wilting moisture in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

圖6 0-20 cm土壤相對濕度干旱等級上限空間分布Fig. 6 The spatial distribution of drought upper limit in 0-20 cm soil relative moisture in Ningxia

《農業干旱等級》標準中特旱等級對應的砂土和黏土的相對濕度分別為＜25.0%和＜35%，而研究區內0—20 cm的土壤有62.2%和92.6%、20—50 cm的土壤有63.9%和90.2%測點的相對凋萎濕度分別小于25.0%和35%，即這些測點的土壤水分對植物而言是有效的，但卻被排除在了有效性之外（表4）。故而，基于土壤相對凋萎濕度改進后的干旱指標，能客觀反映較低土壤水分對植物有效性真實情況，有利于提高干旱監測評估的準確性。

4 結論與討論

4.1 討論

現有權威的以土壤濕度為土壤墑情或干旱等級指標主要采用的是土壤相對濕度，其目的在于不同質地土壤的含水量可相互比較。有分作物和生育期、有按土壤質地和生育期等確定不同等級墑情或干旱對應的土壤相對濕度。這些指標對土壤下限（凋萎濕度）或上限（田間持水量）水分考慮存在不足，暫且不討論有效水范圍內土壤水分對植物的有效性同等與否，但其確定的最旱等級的上限值與本研究得到確有一定差異。通過引入相對凋萎濕度這一概念，很好解決了有效水下限模糊的問題，發現有相關標準確定的特旱等級對應的土壤相對濕度明顯偏高，實踐中需根據具體的土壤水文特性動態確定最差墑情或最旱等級的上限值。

介于田間持水量和凋萎濕度的土壤水分區間與介于相對凋萎濕度和 100%土壤相對濕度的土壤水分區間，一個是從質量含水量角度表征土壤有效水，一個是從相對濕度角度表征，二者并沒有本質區別，只是使用上土壤相對濕度更普遍一些。故而，如采用土壤質量含水量確定最差墑情或最旱等級的上限，也完全可以采用本文提出的方法。但從土壤水分有效性兩種觀點看，在確定了最差墑情或最旱等級的上限后，其他墑情或干旱等級如何劃分，值得后續對土壤水有效性規律按土壤類型、質地和土壤水有效性目標等幾個方面做進一步研究。

前人曾對我國黃土區土壤水分有效性研究認為（邵明安等，1987），在田間持水量附近有效性下降很快，土壤水分對作物的有效性在 40.0%—80.0%田間持水量范圍內幾乎同等有效。這一結果是基于土壤水分對作物產量得出的，如果其具有普遍性，那么不管是現有常用土壤墑情或干旱等級及本文的等間隔劃分方法，則均是不合適的，這非常值得后續做深入的研究。不過，本文意圖在于將相對凋萎濕度引入以土壤相對濕度為指標的墑情或干旱監測評估中，使得這一工作在考慮有效水下限上更符合實際情況。更為重要的是，在水資源缺乏、有限灌溉的地區，如寧夏中南部地區，了解清楚土壤有效水下限及有效水規律，對高效合理利用水資源、提高水分利用效率顯得尤為關鍵。

4.2 結論

（1）寧夏境內0—20 cm和20—50 cm兩層土壤的水分參數空間分布較為相似，區域性特征較為明顯，均呈南部山區波動小、中北部地區波動大的特點；田間持水量、凋萎濕度、有效水整體上南部山區要高于中北部地區，而相對凋萎濕度南部山區要低于中北部地區。此外，研究區內的土壤田間持水量平均是凋萎濕度的1.3—9.5倍，故土壤有效水的空間分布更接近田間持水量的空間分布。

（2）研究區內0—20 cm和20—50 cm的田間持水量以 15.0%—25.0%為主，分別占總測點的63.1%和64.8%；凋萎濕度以3.0%—6.0%為主，分別占 72.9%和 70.5%；土壤有效水以介于 10.0%—20.0%的為主，分別占75.4%和74.6%；相對凋萎濕度以小于30.0%為主，分別占82.0%和83.6%。

（3）現有干旱標準在寧夏將高達6成之多接近凋萎濕度的土壤水分排除在了有效水之外，基于相對凋萎濕度的旱指標，表現為從特旱到輕旱的上限對應的土壤相對濕度呈自波動大趨向波動小的特點。改進后的干旱指標，能客觀反映較低土壤水分對植物有效性真實情況，有利于提高干旱監測評估的準確性。