代海燕，吳建華，賈成朕，都瓦拉，楊麗萍,陳素華

(1.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

當(dāng)前土壤墑情的研究主要集中在診斷模型[1-2]、監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)[3]和遙感反演[4-6]，關(guān)于土壤墑情等級(jí)和干旱等級(jí)分類都是以標(biāo)準(zhǔn)形式給出的。目前我國(guó)多數(shù)土壤墑情等級(jí)都是將土壤相對(duì)濕度劃分為一定區(qū)間來(lái)評(píng)定的[7-11]，以土壤相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)土壤墑情變化和干旱發(fā)生預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[12-15]。其技術(shù)方面存在的不足主要有:(1)干旱都是以土壤相對(duì)濕度高低來(lái)評(píng)估，以土壤含水量占田間持水量(有效水上限)的百分比表示，而土壤相對(duì)濕度距離有效水下限問(wèn)題比較模糊。(2)相同土壤相對(duì)濕度在地區(qū)間差異很難體現(xiàn)，土壤水分受土壤特性影響，同樣30%的土壤相對(duì)濕度在不同地區(qū)給作物提供有效水能力差異很難體現(xiàn)。現(xiàn)行國(guó)家農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估，氣象局的土壤墑情評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)也同樣以田間持水量為土壤有效水上限，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值劃分一定區(qū)間評(píng)估土壤墑情，其優(yōu)點(diǎn)是衡量標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，卻忽略了土壤凋萎濕度不同，使用者如不根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)對(duì)等級(jí)劃分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，就很難體現(xiàn)較低土壤含水量在地區(qū)間的時(shí)空差異[11-12]。近年來(lái)隨著國(guó)家大量投入土壤自動(dòng)水分觀測(cè)站建設(shè)，為干旱評(píng)估中引入有效水概念(相對(duì)凋萎濕度)提供了契機(jī)，進(jìn)而突破人工土壤水分觀測(cè)瓶頸問(wèn)題。因此，本文通過(guò)分析自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)土壤水分常數(shù)，計(jì)算出站點(diǎn)土壤有效水的下限，然后根據(jù)土壤有效水上、下限的臨界值構(gòu)建站點(diǎn)新墑情等級(jí)，實(shí)現(xiàn)單站單標(biāo)準(zhǔn)的墑情評(píng)估。此種土壤水分監(jiān)測(cè)指標(biāo)的修訂對(duì)土壤墑情標(biāo)準(zhǔn)的改良意義重大，可為其他部門(mén)干旱評(píng)估提供借鑒 。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古位于97°12′～126°04′E, 37°24′～53°23′N，東西長(zhǎng)2 400多km,南北寬1 700 km。全區(qū)地勢(shì)較高，平均海拔高度1 000 m左右，基本上是一個(gè)高原型的地貌區(qū)。在山地向高平原、平原的交接地帶，分布著黃土丘陵和石質(zhì)丘陵，其間分布有低山、谷地和盆地，水土流失較嚴(yán)重。地區(qū)水資源嚴(yán)重不足，降水季節(jié)和區(qū)域分布不均，局地性或區(qū)域性干旱幾乎每年都會(huì)出現(xiàn)，己成為困擾社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問(wèn)題?？偟臍夂蛱攸c(diǎn)是春季氣溫驟升，多大風(fēng)天氣，夏季短促而炎熱，降水集中,年總降水量50～450 mm，秋季氣溫劇降，霜凍往往早來(lái)，冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，多寒潮天氣 。

圖1 內(nèi)蒙古自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站空間分布Fig.1 Spatial distribution of automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

使用內(nèi)蒙古地區(qū)137個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站土壤水分常數(shù)，主要包括田間持水量和凋萎濕度。因土壤質(zhì)地是多年緩慢變化的過(guò)程，其田間持水量和凋萎濕度可近似作為常數(shù)。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤水分相關(guān)概念 土壤重量含水率：一般用土鉆法取土并稱鮮重,然后在105℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重并稱重,計(jì)算出土壤水重量。土壤含水率(W,%)是指土壤水重量與干土重量的百分?jǐn)?shù)。

田間持水量(field capacity,FC)：是在地下水位較低(毛管水不與地下水相連)情況下，土壤所能保持的毛管懸著水的最大量，田間持水量是衡量土壤保水性的重要指標(biāo),也是進(jìn)行農(nóng)田灌溉、作物水管理的重要參數(shù),通常被視為作物有效水的上限[15-16]，一般用重量含水率表示(%)。

凋萎濕度(wilting points,WP)：是土壤濕度表示方法的一種，指由于土壤水分嚴(yán)重不足，植物吸收不到水分而使細(xì)胞失去膨壓，呈現(xiàn)萎蔫狀態(tài)時(shí)的土壤濕度，是植物有效水的下限，一般用重量含水率表示(%)。

土壤相對(duì)濕度(relative soil moisture，R)：土壤相對(duì)濕度是指土壤含水量與田間持水量的百分比。

2.2.2 當(dāng)前土壤水分監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)定方法 當(dāng)前土壤墑情等級(jí)和干旱評(píng)估方法都是以土壤水分占有效水上限田間持水量百分比為依據(jù)劃分的墑情或者干旱等級(jí)(公式(1))，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量簡(jiǎn)單，地區(qū)間對(duì)比強(qiáng)，缺點(diǎn)是只考慮了有效水的上限，而沒(méi)有考慮有效水的下限，很難體現(xiàn)較低土壤相對(duì)濕度在地區(qū)間的表現(xiàn)差異，比如同樣是30%的含水量，在鄂爾多斯荒漠區(qū)和通遼市農(nóng)區(qū)的土壤水分實(shí)際表現(xiàn)特征很難體現(xiàn)[8,12,15]。

(1)

式中，R為土壤相對(duì)濕度(%)；W為土壤重量含水率(%)；FC為田間持水量(%)。根據(jù)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤相對(duì)濕度(R)在土壤干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)的落區(qū)，得到站點(diǎn)的土壤水分劃分等級(jí)。

2.2.3 有效水墑情等級(jí)的理論基礎(chǔ) 根據(jù)土壤質(zhì)地不同土壤凋萎濕度和田間持水量的含水量范圍分別為1.8%～17.4%和4.5%～23.8%(表1)，砂質(zhì)土壤有效水范圍小，中壤土有效水含量范圍最大。輕粘土的田間持水量雖略大于壤土，但凋萎系數(shù)高，因而有效水范圍反而比壤土小[16](見(jiàn)圖2)。相對(duì)凋萎濕度就很好地解決了土壤有效水下限不明確的問(wèn)題，這對(duì)于土壤墑情等級(jí)的確立具有極其重要的意義。

表1 土壤質(zhì)地對(duì)有效水含量的影響[16]

圖2 土壤質(zhì)地與有效水上下限閾值的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil texture type and effective water threshold value

2.2.4 考慮有效水下限后改良的三類墑情標(biāo)準(zhǔn) 隨著中國(guó)氣象局在干旱和墑情評(píng)估中不斷的資金投入，更多土壤人工觀測(cè)站被自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站所代替，隨著站點(diǎn)數(shù)量的增加，為凋萎濕度引入墑情和干旱評(píng)估提供了契機(jī)。土壤相對(duì)凋萎濕度(公式(2))更好地彌補(bǔ)了以往墑情和干旱標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，在充分考慮有效水上、下限的基礎(chǔ)上，提出墑情等級(jí)改良標(biāo)準(zhǔn)，更能準(zhǔn)確直觀地體現(xiàn)站點(diǎn)土壤水分的盈虧狀態(tài)。不僅在理論上實(shí)現(xiàn)了單站單標(biāo)準(zhǔn)，而且地區(qū)通用，可全國(guó)推廣。

(2)

式中，WRH—土壤相對(duì)凋萎濕度(%),WP—土壤凋萎濕度(%)，F(xiàn)C—土壤田間持水量(%)。

三類墑情R范圍：

(3)

二類墑情R范圍：

(4)

以土壤相對(duì)凋萎濕度為3類墑情的底限，以田間持水量(即土壤相對(duì)濕度100%)為土壤一類墑情的上限等間距劃分來(lái)確定一、二、三類土壤墑情等級(jí)，因?yàn)橛行秶鸀?00%土壤相對(duì)濕度減去土壤凋萎濕度，所以二類土壤墑情下限為土壤凋萎濕度加上1/3有效水范圍、一類墑情的下限為土壤凋萎濕度加上2/3有效水范圍。使用者也可以根據(jù)實(shí)際需要分成五類墑情，也可以根據(jù)應(yīng)用結(jié)果在劃分上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，本文只對(duì)等間距劃分的三類墑情等級(jí)進(jìn)行結(jié)論分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)蒙古自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站凋萎濕度與田間持水量空間分布

內(nèi)蒙古地區(qū)0～20 cm土層凋萎濕度的波動(dòng)范圍為0.55%～14.1%，其中大于6.0%的偏高區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古東部，中西部大部地區(qū)凋萎濕度小于4.0%，其中錫林郭勒盟大部、鄂爾多斯市中部、巴彥淖爾市北部和阿拉善盟地區(qū)具有區(qū)域特征。凋萎濕度在2%～4%的區(qū)域主要集中在烏蘭察布市、呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市東部；介于4%～6%的區(qū)域主要集中在東部偏南三個(gè)盟市和河套地區(qū)，其余地區(qū)為零星分布(圖3a)。0～20 cm土層田間持水量波動(dòng)范圍為5.9%～36.9%，大于30%的偏高區(qū)域主要集中在呼倫貝爾市、興安盟中部，大于20%區(qū)域主要集中在東部區(qū)和河套地區(qū)。田間持水量小于15%的地區(qū)主要分布在錫林郭勒盟大部、鄂爾多斯市大部和阿拉善盟大部。介于15%～20%的區(qū)域主要集中在赤峰市和陰山山脈地區(qū)(圖3b)。整體來(lái)看，東部區(qū)和陰山山脈和河套地區(qū)田間持水量相對(duì)較高，其余地區(qū)整體偏低。

圖3 內(nèi)蒙古自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站0～20 cm土層凋萎濕度(a)與田間持水量(b)空間分布Fig.3 Soil wilting points (a), field capacity (b) in 0～20 cm soil depth, and spatial distributionof automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

3.2 內(nèi)蒙古自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站相對(duì)凋萎濕度空間分布

內(nèi)蒙古地區(qū)土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)(0～20 cm土層)相對(duì)凋萎濕度波動(dòng)范圍6.57%～55.15%，東部偏南大部地區(qū)即使土壤相對(duì)濕度達(dá)到30%以上，也已處于無(wú)效水的范疇，而錫林郭勒盟大部只要大于15%就處于有效水范疇，地區(qū)差異明顯。空間分布上相對(duì)凋萎濕度(0～20 cm土層)大于30%的偏高區(qū)域主要集中在東部偏南和呼倫貝爾市，呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市的零星分布更多是因?yàn)榫值匦…h(huán)境引起的，沒(méi)有區(qū)域代表性。低于20%的站點(diǎn)主要集中在中西部大部地區(qū)，其中巴彥淖爾市北部、錫林郭勒盟和阿拉善盟全境都小于20%，區(qū)域性特征明顯，上述地區(qū)也是典型的草原區(qū)和荒漠區(qū)。相對(duì)凋萎濕度含水量介于20%～30%地區(qū)主要集中分布在東部區(qū)、陰山山脈和河套地區(qū)，烏蘭察布市和鄂爾多斯市為零星分布(圖4)。整體來(lái)看，內(nèi)蒙古地區(qū)相對(duì)凋萎濕度東部區(qū)高于中西部區(qū)，其中東部偏南區(qū)偏高尤為明顯。呼倫貝爾市相對(duì)凋萎濕度較高，但站點(diǎn)差異較大，所以內(nèi)蒙古東北地區(qū)站點(diǎn)間土壤墑情評(píng)估要區(qū)別對(duì)待、具體分析，以免給地區(qū)干旱評(píng)估帶來(lái)不利影響。

圖4 內(nèi)蒙古自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站0～20 cm土層相對(duì)凋萎濕度空間分布Fig.4 Relative soil wilting humidity in 0～20 cm soil depth spatial distribution of automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

3.3 內(nèi)蒙古自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站二、三類墑情上限空間分布

內(nèi)蒙古三類墑情上限土壤相對(duì)濕度波動(dòng)范圍37.7%～70.1%，其中小于45%的地區(qū)主要分布在錫林郭勒盟草原區(qū)、鄂爾多斯市南部、巴彥淖爾市北部和阿拉善盟東南大部，其余地區(qū)以零星分布為主；45%～50%的站點(diǎn)主要分布在興安盟北部、烏蘭察布市和河套地區(qū)；大于55%的地區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古東部(圖5a)。二類墑情上限與三類墑情上限具有高度的一致性，相對(duì)濕度小于72.5%的地區(qū)主要分布在呼倫貝爾市大興安嶺東西兩側(cè)、錫林郭勒盟草原區(qū)、鄂爾多斯市南部、巴彥淖爾市北部和阿拉善盟東南大部；二類墑情上限大于75%的站點(diǎn)主要分布在東部，中西部區(qū)零星分布(圖5b)。整體來(lái)看，二、三類墑情上限偏高區(qū)域主要集中在東部以及呼、包、鄂和河套地區(qū)；偏低區(qū)主要集中在呼倫貝爾市大興安嶺兩側(cè)、錫林郭勒盟草原區(qū)和西部大部地區(qū)。

3.4 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站二、三類墑情上限與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)差異

當(dāng)前內(nèi)蒙古使用0～20 cm土層深度平均土壤相對(duì)濕度進(jìn)行墑情等級(jí)評(píng)估，評(píng)估指標(biāo)參見(jiàn)“內(nèi)蒙古農(nóng)田、草地土壤相對(duì)濕度等級(jí)指標(biāo)”[15]。按5個(gè)等級(jí)劃分為：過(guò)濕墑情、一類墑情、二類墑情、三類墑情、極干墑情(見(jiàn)表2)。同類的還有中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL424—2008)[8]、國(guó)家防汛抗旱總指揮部2006年18號(hào)文件(干旱評(píng)估標(biāo)準(zhǔn))等(見(jiàn)表3)，所有上述墑情和干旱標(biāo)準(zhǔn)只是劃分的區(qū)間略有差異，但內(nèi)蒙古地區(qū)無(wú)效水土壤相對(duì)濕度范圍為6.57%～55.15%，在如此波動(dòng)大的地區(qū)應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)存在明顯的缺陷，這也是本文首次提出單站單標(biāo)準(zhǔn)的根本原因，只有這種土壤水分監(jiān)測(cè)指標(biāo)的改良才能更好體現(xiàn)較低含水量在地區(qū)間的干旱表現(xiàn)差異。

圖5 內(nèi)蒙古自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站0～20 cm土層三類墑情(a)、二類墑情(b)上限空間分布Fig.5 The second class of soil moisture content (a), third class of soil moisture content (b) upper limit value in 0～20 cm soil depth spatial distribution of automatic soil moisture observatory in Inner Mongolia

表2 內(nèi)蒙古農(nóng)田草地土壤相對(duì)濕度等級(jí)

表3 同類標(biāo)準(zhǔn)土壤相對(duì)濕度干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1) 凋萎濕度整體偏高區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古東部區(qū)和河套地區(qū)，相對(duì)偏低區(qū)域主要在錫林郭勒盟和西部區(qū)。田間持水量偏高區(qū)主要集中在東部區(qū)、河套地區(qū)和陰山山脈周邊，草原和荒漠區(qū)相對(duì)偏低。從地理位置來(lái)看，兩種土壤水分常數(shù)東部區(qū)>中部區(qū)>西部區(qū)>錫林郭勒盟草原區(qū)，凋萎濕度的波動(dòng)范圍要明顯大于田間持水量。

(2)整體來(lái)看內(nèi)蒙古地區(qū)相對(duì)凋萎濕度東部區(qū)高于中西部區(qū)，其中東部偏南區(qū)偏高尤為明顯。相對(duì)凋萎濕度波動(dòng)范圍6.57%～55.15%，最高值和最低值相差8倍，相差2倍以上的站點(diǎn)占40%以上，其中錫林郭勒盟偏低尤為明顯，主要是草原區(qū)凋萎濕度偏低導(dǎo)致。

(3) 內(nèi)蒙古二、三類墑情波動(dòng)范圍分別為37.71%～70.07%和68.86%～85.05%，上限偏高區(qū)域主要集中在東部四盟市，呼、包、鄂以及河套地區(qū)；偏低區(qū)主要集中在呼倫貝爾市大興安嶺兩側(cè)、錫林郭勒盟草原區(qū)和西部大部地區(qū)，因二、三類墑情劃分都主要依據(jù)站點(diǎn)土壤水分常數(shù)，空間分布具有高度的一致性。從土地利用分區(qū)來(lái)看，農(nóng)林區(qū)域要明顯大于草原區(qū)，其中內(nèi)蒙古中西部的烏蘭察布—土默川農(nóng)業(yè)區(qū)、陰山丘陵農(nóng)業(yè)區(qū)、河套灌區(qū)要明顯高于周邊草原區(qū)。

4.2 討 論

隨著自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站在內(nèi)蒙古地區(qū)的大量建立，土壤水分測(cè)定連續(xù)又便捷，同時(shí)自動(dòng)站安裝地點(diǎn)受到諸多因素的影響，如當(dāng)?shù)貧庀蠓?wù)以農(nóng)作物為主，觀測(cè)站就安裝在典型農(nóng)作物區(qū)，如果以牧業(yè)為主則安放在草原區(qū)；考慮到設(shè)備保護(hù)和維護(hù)等因素，多數(shù)都安裝在氣象站的觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)致部分自動(dòng)水分觀測(cè)站數(shù)據(jù)具有小生境[17]影響的隨機(jī)性，個(gè)別站點(diǎn)土壤水分含量的高低在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的區(qū)域代表性有待商榷。特別是相同土壤濕度在不同地區(qū)間的表現(xiàn)特征差異，怎樣修訂土壤水分的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，從而更準(zhǔn)確直觀地表征監(jiān)測(cè)站在區(qū)域土壤水分盈虧狀態(tài)的位置，是當(dāng)前干旱評(píng)估急需解決的問(wèn)題。研究結(jié)果也表明，包頭市北部的滿都拉、鄂爾多斯市伊金霍洛旗的相對(duì)凋萎濕度比周邊站點(diǎn)偏高，主要是因?yàn)檎军c(diǎn)田間持水量偏低同時(shí)凋萎濕度偏高共同引起，更多是站點(diǎn)土壤質(zhì)地的原因，如果不區(qū)別對(duì)待，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下應(yīng)用就會(huì)降低干旱評(píng)估的敏感性。從區(qū)域上看，內(nèi)蒙古地區(qū)墑情等級(jí)東部偏高、中西部荒漠和草原區(qū)明顯偏低，如果全區(qū)仍然沿用統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，同樣存在這種問(wèn)題，如果做不到站點(diǎn)土壤水分監(jiān)測(cè)指標(biāo)的修訂，很難體現(xiàn)受到局地環(huán)境影響較大站點(diǎn)的土壤水分實(shí)際狀況。比如呼倫貝爾市相對(duì)凋萎濕度包含了5種分類，導(dǎo)致地區(qū)二、三類墑情存在明顯的差異，所以土壤水分監(jiān)測(cè)指標(biāo)的修訂尤為必要。在土壤墑情等級(jí)評(píng)估中引入土壤有效水下限的概念，利用土壤提供給植物有效水能力的上、下限，這種改進(jìn)的土壤墑情等級(jí)，能更好體現(xiàn)較低含水量在地區(qū)間的干旱表現(xiàn)差異。不難推斷，此項(xiàng)研究成果不僅可以準(zhǔn)確描述土壤提供有效水的能力，同時(shí)可為其他部門(mén)和省市進(jìn)一步改良干旱評(píng)估提供新的借鑒思路。