鐘維斌

(黃山市水文水資源局，安徽 黃山 245000)

干旱是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一，即使在科技發(fā)達的今天，它造成的災(zāi)難性后果仍然比比皆是。近年來黃山市旱災(zāi)頻發(fā)，1971—2007年，黃山市共發(fā)生了24次旱情，嚴重影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。旱災(zāi)對農(nóng)作物的影響往往是從土壤墑情的異常偏少開始，進而影響到農(nóng)作物的長勢及產(chǎn)量，可見研究土壤墑情的變化對促進農(nóng)作物的生長具有重要的意義。

黃山市從2010年開始土壤墑情觀測，從2011年開始土壤墑情資料整編工作，現(xiàn)已積累了2011—2017年7年完整的觀測資料，為進行土壤墑情長期定位觀測數(shù)據(jù)的定量分析提供了條件。本研究根據(jù)7年的土壤墑情觀測資料，并結(jié)合土壤物理性質(zhì)和降水、蒸發(fā)及作物種類等的影響，對黃山市土壤墑情在空間和時間上的變化規(guī)律進行分析研究，目的在于了解自然條件下黃山市土壤墑情的特點，為抗旱減災(zāi)決策、水利建設(shè)規(guī)劃及水資源科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)，同時對土壤墑情資料進行分析總結(jié)，為土壤墑情定位觀測資料的橫向比較提供分析途徑，以促進土壤墑情研究的進一步深入。

1 研究區(qū)概況

黃山市位于安徽省最南端，總面積9 807 km2，其中耕地面積69 097 hm2，占全市總面積的7%；總?cè)丝?48.46萬人，其中農(nóng)業(yè)人口98.63萬人。多年平均降水量1 774.5 mm，年降水日150～170 d，降水主要集中在汛期，汛期降水量占全年的56%。多年平均水面蒸發(fā)量為725 mm，以12月到次年2月蒸發(fā)量最小，僅占全年的11%，7—9月蒸發(fā)量最大，占全年的40%。地貌類型多種多樣，以中、低山地和丘陵為主。中、低山地大部分為黃壤、山地黃棕壤，土層較厚，石礫含量較高；丘陵地帶多為紅壤和紫色土，質(zhì)地黏重；山麓盆地與平原谷地多砂壤土；溪河兩岸多沖積土。

2 黃山市土壤墑情監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 土壤含水量監(jiān)測概述

黃山市共有祁門、黎陽、潛口、桂林4個土壤墑情監(jiān)測站(見圖1)，于每月的1、11、21日進行土壤墑情監(jiān)測。在樣點處垂向取10、20、40 cm深度3個層次，每個層次取3個土樣，以烘干稱重法分別求出每個土樣的土壤質(zhì)量含水量，將每一測點同一深度3個土樣的含水量均值作為該樣點該層次的土壤含水量。監(jiān)測日遇降水或灌溉，若監(jiān)測地塊地面有積水，在降水或灌溉結(jié)束24 h后，進行土壤墑情監(jiān)測采樣；若監(jiān)測地塊地面沒有積水，則根據(jù)土壤表面濕潤情況，在降水或灌溉結(jié)束2～6 h后，進行墑情監(jiān)測采樣。監(jiān)測過程中若遇旱情，則根據(jù)旱情輕重情況適時加測。

圖1 黃山市土壤墑情站點分布

2.2 降水量及蒸發(fā)量觀測

祁門、潛口墑情站采用當?shù)赜炅空举Y料，黎陽、桂林當?shù)責o雨量站，采用臨近的屯溪、漁梁雨量站資料。雨量站均采用自動測報雨量計進行觀測，資料精度高。

祁門墑情站采用祁門水文站蒸發(fā)資料，黎陽、潛口、桂林當?shù)責o蒸發(fā)觀測站，采用臨近的屯溪水文站蒸發(fā)資料。蒸發(fā)資料均為每日8：00人工觀測值。

3 土壤墑情變化規(guī)律分析

在多種影響因素的作用下，農(nóng)田中的土壤水分不斷變化。降水或者灌溉后，土壤水分增加；而植物吸水、蒸騰及表土蒸發(fā)，又造成土壤水分不斷減少。對處于運動中的土壤水分，分析其變化規(guī)律，再根據(jù)植物對土壤含水量的要求，來科學(xué)地確定灌溉和排水措施，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大的實際意義[2]。

3.1 土壤墑情的空間變化

3.1.1 土壤水分空間變化特征

黃山市土壤大多為壤土，土壤顆粒組成中黏粒、粉粒、砂粒含量適中，顆粒大小在0.2～0.02 mm之間，其土壤可塑性、持水性和通氣性都較好，吸水容量較大，因此降水過后土壤含水量能迅速上升且能保持水分不輕易流失，土壤年平均含水量較高，如圖2所示。

圖2 2011—2017年黃山市各墑情站年平均土壤含水量

從圖2可以看出，黃山市西部的祁門土壤含水量最高，中部的黎陽次之，東部的桂林、潛口較低，黃山市土壤墑情呈現(xiàn)出西高東低的趨勢。其主要原因是：一方面土壤含水量受降水因素影響顯著[3]，黃山市降水呈現(xiàn)由山區(qū)高地向河谷盆地、從上游向下游、由西南向東北遞減的趨勢，西部祁門地區(qū)的土壤水分補給較為充足，相對而言東部潛口、桂林地區(qū)土壤水分補給較少；另一方面，黃山市中西部地區(qū)土壤普遍為黏壤土，東部地區(qū)為砂壤土，根據(jù)土壤水分特征曲線可知，土壤顆粒越細，其表面積越大，形成的孔隙也就越小，這樣對水的吸持能力就越大[4]，故祁門、黎陽地區(qū)在降水過后土壤水分不易流失，土壤含水量較大。

3.1.2 土壤水分垂向變化特征

不同深度土層土壤含水量的變化程度各不相同，從而形成了土壤水分的垂直變化差異。各層土壤含水量的平均水平和變異性，一般從集中趨勢和離散趨勢2個方面描述。反映各層土壤含水量集中趨勢的指標為平均值，反映離散趨勢的指標包括樣本最大最小值、標準差和變異系數(shù)等[5]。從表1可知，10 cm深處土壤含水量平均值最大，而40 cm深處土壤含水量平均值最小，不同深度土壤按含水量平均值大小排序為10 cm>20 cm>40 cm。土壤含水量變異系數(shù)10 cm土層最大，40 cm土層最小，這是因為表層土壤含水量受降水、蒸發(fā)影響顯著，變化較為劇烈，而越深處變化越緩慢。

表1 各站不同深度土層土壤含水量統(tǒng)計

在統(tǒng)計學(xué)中，相關(guān)系數(shù)r是用來衡量兩個變量之間線性相關(guān)程度的量，一般可按三級劃分相關(guān)關(guān)系：|r|<0.4為低度線性相關(guān)，0.4≤|r|<0.7為顯著性相關(guān)，0.7≤|r|<1為高度線性相關(guān)。各站不同深度土層間土壤含水量相關(guān)關(guān)系見表2。由表2可知，祁門、黎陽站3個土層間屬高度線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均能達到0.7以上；潛口、桂林10 cm與20 cm土層間為高度線性相關(guān)關(guān)系，其他土層間相關(guān)系數(shù)均低于0.7高于0.4，屬顯著相關(guān)關(guān)系。整體上土層間距離越近，其相關(guān)關(guān)系越高。很顯然，在0～40 cm土層中，降水和蒸發(fā)首先影響的是表面土層，但通過降水的下滲和下層土壤水沿毛細管的上升，使各層次的土壤含水量保持一定的比例關(guān)系[6]。

表2 各站不同深度土層間土壤含水量相關(guān)關(guān)系

3.2 土壤墑情的時間變化

3.2.1 土壤水分年際變化特征

選取2011—2017年黃山市各墑情站年平均土壤含水量和逐年降水量，分析黃山市年平均土壤含水量隨時間變化的趨勢。經(jīng)分析，各站點變化規(guī)律基本一致，在此僅列舉靠近黃山市地理中心的黎陽站土壤墑情年際變化情況。

從圖3、4可看出，黃山市土壤含水量的年際變化受降水和蒸發(fā)因素影響明顯。2013年降水量1 428.8 mm為7年中最低，蒸發(fā)量864.4 mm為7年中最高，土壤含水量22.4%也為7年中最低；2015年降水量2 317.5 mm為7年中最高，蒸發(fā)量643.4 mm為7年中最低，土壤含水量27.7%也相應(yīng)為7年中最高。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)。

圖3 黎陽站年際土壤含水量和降水量曲線

3.2.2 土壤水分年內(nèi)變化特征

選取靠近黃山市地理中心的黎陽站作為黃山市的代表，分析黃山市土壤水分年內(nèi)變化特征。將多年監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成圖(圖5)，可以看出，黎陽站土壤墑情變化可以分為3個階段：穩(wěn)定階段，12月初到翌年6月底；劇變階段，6月底到10月初；緩變階段，10月初到12月初。

圖4 黎陽站年際土壤含水量和蒸發(fā)量曲線

圖5 2011—2017年黎陽土壤墑情變化曲線

劇變階段正值黃山市汛期，降水量、蒸發(fā)量及農(nóng)作物生長所需水量均大于其他2個階段，降水天氣可使土壤含水量迅速上升，而干旱炎熱的天氣、快速生長的農(nóng)作物則使土壤含水量急劇下降，因此這一階段土壤含水量變化大也變化快。穩(wěn)定階段主要包括冬季、春季，這一階段氣溫比較低，降水量、蒸發(fā)量也相對比較小，土壤水分基本保持在一個相對穩(wěn)定的水平。緩變階段是在劇變階段后，由于氣溫逐漸下降，降水量和蒸發(fā)量也逐漸減小，故土壤水分緩慢變化，總體上由不穩(wěn)定趨于穩(wěn)定。

統(tǒng)計黎陽站不同階段土壤墑情數(shù)值，可得表3。劇變階段變異系數(shù)為23.4%，屬強變異；緩變階段變異系數(shù)為15.8%，屬中等程度變異；而穩(wěn)定階段變異系數(shù)為9.9%，屬弱變異。

表3 不同階段土壤墑情統(tǒng)計值的比較

4 結(jié)論與建議

(1)通過對比不同站點的土壤墑情資料可知，黃山市土壤墑情總體呈從西部向東部遞減趨勢。從圖1可知，黃山市墑情站點偏少，特別是北部缺失。建議增加墑情站點，以便更完整地分析黃山市墑情變化。

(2)土壤墑情在垂向分布上，表層土壤含水量受降水、蒸發(fā)影響顯著，含水量最大同時變化也最為劇烈，而越深處含水量越小變化也越緩慢。

(3)祁門、 黎陽站土壤墑情在垂向上具有高度線性相關(guān)關(guān)系，土層間距離越近相關(guān)性越高。因此，祁門、黎陽站可只取20 cm深處土壤測定含水量，以代表區(qū)域墑情情況。

(4)土壤含水量與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，而與蒸發(fā)量呈負相關(guān)關(guān)系。降水量多、蒸發(fā)量小的年份土壤含水量高，降水量少、蒸發(fā)量大的年份土壤含水量相應(yīng)也少。

(5)黃山市土壤墑情年內(nèi)變化大致可分為3個階段：穩(wěn)定階段為12月初到翌年6月底，含水量變幅為55.5%，變異系數(shù)9.9%；劇變階段為6月底到10月初，含水量變幅86.8%，變異系數(shù)23.4%；緩變階段為10月初到12月初，含水量變幅62.0%，變異系數(shù)15.8%。建議在不同階段，測驗時間間隔應(yīng)該有所區(qū)別，劇烈變化階段應(yīng)該縮短測驗時間間隔，而緩慢變化階段和穩(wěn)定階段可適當增加測驗時間的間隔。