衡水市農田土壤水分變化規律分析

谷黎明

（河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000）

1 衡水市墑情監測站網

1.1 站網布設

河北省衡水水文勘測研究中心以縣（市、區）為單位進行墑情監測站網布設，涵蓋了全市范圍。 具體按照重點易旱縣每縣設2個旱情監測站， 其他縣設1個站的原則進行布設。 目前，全市現有14個旱情監測站和1個旱情實驗站。 監測站的監測位置應相對固定， 土壤含水率采樣點布置合理且具有代表性， 同時要求試驗田和周圍大田種植作物一致，灌溉時間和灌溉量也基本一致。 采用三點法進行旱情監測，測點深度為10，20，50cm，旱情監測站在每年3月1日—6月30日，9月1日—11月30日進行觀測，汛期及封凍期不進行觀測。 觀測期每10日觀測1次，即每月1，11，21日取樣；每次監測時間為早8：00。 旱情實驗站每5日觀測1次， 即每月1，6，11，16，21，26日觀測，遇較大降水或灌溉后改為逐日觀測，直至含水率變化穩定為止。

1.2 土壤類型

衡水市主要土壤類型為壤土、黏土、砂土，其中壤土所占耕地面積比重最大，砂土和黏土較少，砂土主要分布在饒陽縣境內，黏土主要分布在武強縣，其余縣（市、區）均為壤土居多。

15個墑情監測站中有13個壤土站、1個黏土站和1個砂土站，取13個壤土站的平均值與黏土站和砂土站對比，歷年來不同土質儲水量對比如圖1，由圖可見不同土質之間儲水量差別較大。

圖1 歷年來不同土質土壤儲水量對比

黏土的粒間孔隙小，總孔隙相對高，保水性強。多年來，黏土儲水量一直處于高位。但黏土通氣透水性差，易滯易澇。

砂土顆粒較粗，粒間大孔隙多于黏土和壤土，因此保水性差，水分蒸發快，造成土壤散墑，容易引起土壤干旱。 多年來，砂土的儲水量最低。

壤土是一種含黏含砂適中的土壤， 它具有松而不散、黏而不硬、耕作良好等特點，通氣透水，保水性好，是農業生產較為理想的土壤質地。 多年來，壤土的儲水量一直處于中位， 衡水市個土壤類型中也是以壤土居多。

2 土壤水分變化

2.1 年際變化

依據衡水市13個壤土站、1個黏土站和1個砂土站各自2003—2008年3—6月、9—11月的墑情監測結果，按照10，20，50cm 3個取土深度及垂線平均、監測期內降水量的觀測數據進行整理計算， 以此對土壤墑情年際變化特征進行分析，對比變化如圖2～圖4。

圖2 砂土區土壤含水率年際變化對比

圖3 黏土區土壤含水率年際變化對比

圖4 壤土區土壤含水率年際變化對比

不同土質、 不同深度土壤含水率的年平均值變化較大，且都是隨監測期內降水量變化而變化的。年均土壤含水率變化趨勢與監測期內降水量變化趨勢一致， 年平均含水率隨監測期內降水量的增加而增加，減少而減少。 但由于灌溉及7、8月主汛期降水的影響， 并不是監測期內降水量最大的年份土壤含水率就最大。砂土區年均土壤含水率最小，黏土去年均土壤含水率最大，壤土居中。

砂土區各土層及垂線平均土壤含水率最大值均出現2008年，最小值均出現在2007年，10，20，50cm及垂線平均年均土壤含水率最大差值分別為8.6%，8.3%，8.7%，8.1%。

黏土土區50cm土壤含水率最大值均出現2003年， 其余各土層及垂線平均土壤含水率最大值均出現2008年，最小值均出現在2005年，10，20，50cm及垂線平均年均土壤含水率最大差值分別為7.3%，7.8%，7.1%，7.7%。

壤土區10cm土壤含水率最大值均出現2006年，其余各土層及垂線平均土壤含水率最大值均出現2003年，最小值均出現在2005年，10，20，50cm及垂線平均年均土壤含水率最大差值分別為4.3%，2.9%，4.4%，3.3%，波動較小。

2.2 季節變化

農田土壤水分的季節性變化受降水量、 灌溉、蒸發等條件影響較大。 取2003—2008年砂土、黏土、壤土不同土層深度（10，20，50cm）及垂線平均含水率值各月份平均值對比分析不同土質下，土壤含水率的季節性變化。 圖5至圖7分別為砂土區、黏土區、壤土區不同月份各土層深度土壤含水率的平均值變化。

圖5 砂土區土壤含水率季節性變化曲線

圖6 黏土區土壤含水率季節性變化曲線

圖7 壤土區土壤含水率季節性變化曲線

砂土由于土壤中孔隙較大，水分不易留存，所以各土層深度中水分含量都是最小的，受氣候、作物根系吸水等因素影響也最大， 所以不同月份之間土壤水含量差別較大，6月份和9月份之間變化趨勢線斜率也最大。

黏土中細孔隙較多，吸收多的水分也就比較多，所以各土層深度中水分含量都是最大的，受氣候、作物根系吸水等因素影響也最小， 所以不同月份之間土壤水含量差別較小， 且50cm深度的土壤含水率不同月份之間幾乎無變化， 最大值與最小值僅相差1.8%。

壤土中孔隙大小介于砂土與黏土之間， 吸收的水分也較為居中， 所以各土層深度中水分含量都是介于以上兩種土質之間， 不同月份之間土壤含水率變化與黏土類似， 但50cm深度土壤含水率變化明顯大于黏土，也不如砂土區變化幅度大。

雖然不同土質各月份間土壤含水率變化差值各異，變化趨勢線斜率也不同，但其季節性變化趨勢是一致的，均為3、4月份各土層土壤含水率變化不大；5月份明顯下降， 黏土中10、20cm土壤含水率也在5月份達到全年最低值；6月份上升趨勢明顯， 砂土中各土層深度土壤含水率都在這個月達到了年內最大值；主汛期過后的9月份土壤含水率急劇下降，砂土、壤土中各土層土壤水分含量均在這個月達到年最低值；10月份均大幅度回升，黏土、壤土中各土層土壤水分含量幾乎都在這個月達到年最高值；11月份雖有所回落，但都變化不大。 綜上所述，可將衡水市農田土壤水分季節性變化分為5個時期：

（1）春季相對穩定階段（3、4月份）：衡水市農田土壤凍土層較淺，且于2月初開始化凍，至3月初已經完全化通，土壤含水率較高，雖然之后由于氣溫逐漸升高，地表蒸發加強，但3月中下旬至4月中旬，對冬小麥進行春灌，使得土壤含水率雖略有下降，但變化相對平穩。

（2）初夏嚴重缺墑期（5月份至6月上旬）：這一階段由于氣溫逐漸升高，降水量稀少，地下水得不到有效補充， 而小麥又處于成長末期， 需要消耗大量水分，故這一階段土壤含水率急劇下降，且以表層土壤水分下降率更為明顯。

（3）雨季底墑蓄積期（6月中旬至8月下旬）：雖然缺少7、8兩月土壤含水率監測數據，但汛期是全年降水最多的時期， 這一時期土壤含水率受降水影響較大， 往往一兩次大的降水就會造成土壤含水率的急劇增高，甚至出現地面飽和的情況。這一階段各土層的土壤含水率均有所回升。

（4）秋季快速蒸發期（9、10月）：雨季已過，這一階段降水量少，氣溫仍高，農田土壤水分快速蒸發；9月份又是玉米成長末期，耗水量大，土壤含水率急劇下降，9月份各土層土壤含水率也是全年最低值。 理論上來講，10月份土壤含水率應與9月份變化不大，但10月份為冬小麥的播種期，在這期間會進行秋灌，又使得土壤含水率顯著升高，達到全年最大值。

（5）冬季凝集凍結期（11月至來年2月）：冬小麥矮小，葉面蒸騰較少，而北方冬季形成的凍土層也會阻礙土壤水分的流失， 故這一階段土壤含水率變化相對平穩，雖然無法獲得凍土期內土壤含水率狀況，但對比11月與3月土壤含水率數據可見各土層差值在0.1%～0.4%之間，差別不大。

2.3 垂向變化

由以上土壤水分年際變化和季節變化趨勢圖可見，多年來，不同土質的土壤含水率始終是50cm位于高位，10cm位于最低位，20cm土壤含水率與平均含水率較為接近，處于中位。不同深度的土壤含水率變化趨勢基本一致，取土深度越淺，土壤含水率變化幅度越大。豐水期時，土壤含水率的變化幅度要大于平水期； 而平水期土壤含水率的變化幅度大于偏旱時期。由于衡水市土壤墑情監測取土深度較淺，故不同深度土壤含水率均受降水量影響較大， 往往一兩次大的降水就會造成含水率的大增，取土深度越淺，對降水量的響應越迅速，波動也越大；取土深度越深，對降水量的響應相對遲緩，波動也越小。

取2009年8月11日至31日衡水實驗站土壤含水率的監測數據為例，具體分析降水條件下土壤含水率的垂向變化情況。 土層越深，土壤含水率變化差距越小。 10，20，50，80cm土壤含水率變化差距分別為14.9%，13.1%，10.4%，3.5%，變化趨勢如圖8。

圖8 衡水實驗站土壤含水率垂直向變化趨勢

通過以上分析可見， 土壤含水率具有明顯的剖面層次性差異，表層土壤含水率變化最大，隨著土層深度的增加，土壤含水率變化逐漸減緩。1m深度以內土壤水分變化分為3個層次：

（1）表墑急變層（0～20cm）：農作物的耕作層，受氣象因素、作物和農業措施等的影響最大，變化也最為劇烈。 強降水過后，10cm土壤含水率達到垂向最高，為33.7%，變化幅度也最大。

（2）底墑活躍層（20～50cm）：農作物根系的主要分布層，對水、肥、氣、熱變化起到承上啟下的作用，受氣象因素、作物和農業措施等影響漸弱，由50cm變化趨勢可見， 雖然高強度降水使得這一層的土壤含水率升高較為明顯，但降水量較小時，土壤含水率幾乎沒有變化。

（3）深墑穩定層（50～100cm）：農作物根系仍有少量分布， 受氣象因素、 作物和農業措施等的影響更小。 此層土壤含水率變化較小，深墑豐富時，對底墑層和表墑層具有一定補給作用， 由80cm變化趨勢可見，這一層土壤含水率一直處于高位，且變化幅度不大，相對穩定。

3 結語

（1）利用15個旱情監測站2003—2010年大田中土壤含水率的實測數據，分析衡水市不同土壤質地農田土壤水分時空變化規律：同深度土壤含水率年平均值變化較大， 且隨監測期內降水量變化而變化；年均土壤含水率變化趨勢與監測期內降水量變化趨勢一致，年均含水率隨監測期內降水量的增減而增減。

（2）各土層深度土壤含水率季節性變化趨勢一致， 衡水市農田土壤水分季節性變化可分5個時段。 土壤含水率具有明顯的剖面層次性差異，表層土壤含水率變化最大，隨著土層深度增加，土壤含水率變化逐漸減緩，1m 深度以內土壤水分變化分3個層次。

（3）對土壤含水率變化規律的初步探究為研究發展退墑模型， 確定灌溉定額和進行旱情預報提供了依據。同時，掌握不同土壤質地農田土壤水分的年際變化特征、季節變化特征、垂向變化對指導當地的農業生產具有積極意義。