基于土壤水分估测的鄂北岗地灌溉预报模型研究

佘运江+周羽

摘要鄂北岗地土壤水分具有明显的季节变化（蓄墒期、失墒期和振荡期）和垂直变化（活跃层、富水层和缓慢变化层）。透墒雨标准与土壤干湿程度有关，伏秋时节遭遇持续少雨天气或出现重度干旱时，透墒雨量级最高。透墒雨大小是灌溉预报模型的重要参数，结合土壤准耗散和有效降水可建立鄂北岗地旱地灌溉日期及灌溉量预报模型。

关键词土壤水分；估测；灌溉；预报模型；鄂北岗地

中图分类号S152.7文献标识码A文章编号 1007-5739（2014）11-0232-02

鄂北岗地是湖北省著名的“旱包子”地区，农业用水欠缺及频繁发生的干旱是制约农业持续稳定发展的最主要因素[1-4]。鄂北岗地以旱地为主，兼顾部分中稻种植，是中部地区典型的灌溉农业种植区。本文拟从土壤墒情分析入手，研究鄂北岗地土壤墒情估测模型和透墒雨标准，为基层台站建立土壤墒情动态监测和灌溉预报模型，提供有益的探讨。

1资料与方法

选用襄阳市襄州区农业气象观测站（原古驿气象站）1983—2008年逐旬实测固定地段和部分作物地段土壤湿度资料，观测地段土壤质地为黏壤土或壤土，所用地面气象资料来源于襄阳站气候整编资料，运用气候统计、绘图方法分析土壤水分时空分布特征。

2结果与分析

2.1土壤水分变化规律

2.1.1土壤水分的季节变化。襄阳气候上四季分明，雨热同季，但是土壤水分却没有表现出与气候相一致的干湿季。受降水、气温、土壤蒸腾和作物大量耗水等因素的综合影响，鄂北岗地土壤水分季节变化可分为3个时期。

（1）秋末初春（立冬至惊蛰）蓄墒期。从11月上旬至翌年3月中旬，包括冬季在内，历时近5个月，正是气候上的干季。期间气温低，作物生长缓慢，蒸腾量小，田间耗水量低，土壤水分能比较稳定地保持在全年的最高水平。期间大约经历了2个阶段：一是冬前，此时降水略大于耗散，秋雨对整层土壤水分具有一定的补偿作用；二是越冬、初春雨雪补充与同期作物蒸腾基本保持平衡，40～70 cm各层旬土壤重量含水率高达23%～24%。

（2）仲春初夏（春分至夏至）失墒期。3月下旬至6月下旬，历时近100 d，期间气温迅速升高，蒸发成倍增加，加之作物开始旺盛生长进入需水关键期，同期有效降水难以满足作物蒸腾需求，田间耗水量大，土壤水分上传蒸散远大于下渗补充，墒情呈现持续亏欠状态，导致整层土壤水分降至全年最低水平。尤其70 cm以下深层土壤重量含水率一度降至20%附近，表明降水对深层土壤水分的补偿作用有限，底墒反哺耕作层的能力逐渐减弱，遇降水偏少年景，常常造成春旱或初夏干旱。

（3）盛夏初秋（小暑至霜降）振荡期。7月上旬至10月下旬，历时4个月，期间温高光足，降水约占全年的1/2，蒸发量与雨热同步，加之作物需水旺盛期也在盛夏多雨季节，同期降水基本满足作物蒸腾需求，土壤有效降水与水分耗散呈现动态平衡状态，整层土壤水分介于失墒期与蓄墒期之间的平均水平。因盛夏对流性强降水特性及秋汛或华西秋雨早晚强弱的不确定性，0～70 cm各层土壤重量含水率表现出阶段性干湿振荡变化，但70 cm以下各层墒情则比较平稳，表明降水对深层土壤水分的补偿作用明显。遇降水偏少年景，易造成伏旱或伏秋连旱[1]。

2.1.2土壤水分的垂直变化。鄂北岗地旱地0～100 cm各层土壤水分垂直变化也大致可以分为3个层次：耕作层、犁底层和深层。土壤重量含水率最大的层次出现在犁底层以下的50～60 cm深度，0～30 cm耕作层最小，70 cm以下各层次之。土壤水分垂直变化也可分为3个层次：第1层为活跃层，厚度为0～30 cm。此层土壤湿度最低，年平均重量含水率低于20%，但旬际间差异极大，最大值可超过田间持水量3～6个百分点，达饱和含水量以上，最小值甚至比凋萎湿度还低2～3个百分点。由于该层是植物根系的主要分布层，作物蒸腾、土壤蒸发、降水或灌溉均作用于此，其阶段性干湿变化最为活跃。第2层为富水层，位于40～60 cm。这一层次土壤比较密实，土壤容重较上、下层都大，土壤重量含水量也最大。受有效降水下渗和土壤蒸散的影响，该层相当于根层贮水的汇和源，是作物根系吸收水分的墒库，其阶段性干湿变化相对活跃。第3层为缓慢变化层，位于70 cm以下。此层土壤水分的变化受季节影响已远不如上层，重量含水率基本稳定在22%左右，常年相对湿度在80%以上。该层贮水量冬半年略高于夏半年，表明春夏降水下渗不足以补偿同期蒸散耗水。

2.2透墒雨概念及标准

透墒，通俗地讲是指土壤中所含的水分足够农作物出苗或生长的需要。所谓透墒雨，即春季第1场春雨后，雨水渗土深度与底墒已完全上下接通，称其为透墒雨。田间持水量长期以来被认为是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持悬着水的最大量，是对作物有效的最高的土壤水含量，且被认为是一个常数，常用来作为灌溉上限和计算灌水定额的指标。

鄂北岗地旱作地段犁底层一般在30 cm左右，与透墒雨的平均渗透深度基本一致。实测活跃层（0～30 cm）常年土壤贮水量为72 mm，约占同层次田间持水量的80%左右，表明正常气候条件下贮水能够满足农作物出苗或生长的基本需求。以20 cm土壤相对湿度分别为40%和60%作为土壤轻、重干旱标准，则0～30 cm土层出现轻、重干旱时的上限贮水量则为57 mm和40 mm，与适宜作物生长的平均贮水量之差分别为15 mm和32 mm，表明出现轻、重干旱时土壤分别缺墒15～31 mm和32～52 mm。以此为基础，并考虑土壤水分的季节变化规律，透墒雨可划分为干旱和常态2类。当日雨量或过程降水量使得土层内贮水量达到或超过土层常年平均贮水量（田间持水量的80%）时，即可认为是一场透墒雨。

2.3旱地灌溉预报模型

鄂北岗地旱作物一年四季都有可能遭遇干旱危害。春旱严重影响小麦拔节孕穗和抽穗扬花，初夏旱可能造成夏收作物高温逼熟，伏旱能造成玉米、大豆、棉花等旱作物减产或绝收，秋旱则可影响冬季土壤蓄水和秋播出苗。从鄂北岗地土壤水分动态监测入手，通过对旱地耕作层水分盈亏进行实时估测，动态跟踪旱涝变化及其转换节点。当作物地段出现不同程度的土壤干旱时，及时开展精细化的灌溉日期和灌溉量预报服务。

2.3.1土壤贮水量估测。近年来，在干旱监测分析中常常使用以水分平衡法为基础的综合指数方法评估区域内土壤水分盈亏，但在水分平衡诸要素中蒸散量的测定或估算是最困难的，各种干旱指标、指数、模型，不是受季节或地域限制缺乏可比较性，就是因为实测困难或计算繁杂而难以推广应用。作者在分析鄂北岗地土壤水分变化时，引入土壤准耗散概念，即假设存在一种理想的无降水和灌溉的湿润土壤条件，其土壤贮水变化量只与季节（平均气温）和当旬贮水量初值有关。这种在无降水和灌溉条件下的土壤贮水减小量就称为土壤准耗散。根据土壤水分平衡方程，土壤准耗散（E0）等于同期相同条件下土壤贮水变化量，即：E0=?驻W。在这里，土壤准耗散有别于一般意义上的土壤蒸散量，它以旬为时间单元，只与同期平均气温和旬初土壤墒情有关，忽略其他因素的影响。对任意区域或作物地段而言，每1旬土壤准耗散其实是1个常数，可以通过多项式回归和模拟式计算。多项式回归方程：

y=0.000 218x4-0.015 8x3+0.293 6x2-0.273 2x+4.369 3

式中，y为土壤准耗散，x为旬序数：1月上旬x=1，…，12月下旬x=36。

土壤准耗散模拟公式：

?驻Wj=tj×wj/w

式中， j为旬序数，?驻Wj为当旬土壤贮水变化量；tj为旬平均温度；wj为旬初土层贮水量；w为年平均土层贮水量，可利用当地观测资料求得。

2.3.2旱地灌溉日期的确定。当有降水出现时土壤实际耗散量（以下简称土壤日耗散）明显下降，降水量越大土壤实际耗散量越小，大致呈一种负指数关系。土壤日耗散与当旬土壤准耗散之间的模拟关系为：

E=0.1×?驻Wj×e■

式中，R为当日降水量；j为旬序数，j=1，…，36，1月上旬为1。

利用土壤水分平衡方程，建立逐日土壤贮水量变化估测模型（土层厚度0～50 cm）：

Wi=Wi-1+U-0.1×?驻Wj×e■

式中，Wi为当日土层贮水量；Wi-1为上一日土层贮水量；?驻Wj为当旬土壤准耗散；U为当日有效降水量。当计算获得Wi等于或小于干旱临界贮水量，就可以实时发布干旱预警，并开展灌溉日期预报服务。

利用逐日土层贮水量估测公式可以动态监测旱地土壤水分变化，当持续少雨、耕作层墒情接近旱象露头时，计算田间持水量与估测贮水量之差值（以下用G表示），即：田间持水量×0.8-当日土层贮水量。当土层实际贮水量分别低于57 mm和40 mm时，表示耕作层已出现轻旱和重旱，即差值大于15 mm和32 mm。当G值大于15 mm且作物处在需水关键期时，就可以考虑启动灌溉抗旱。

2.3.3旱地灌溉量预报。理论上，灌溉量应当等于适当大于田间持水量与估测贮水量之差值（G，mm）。具体灌溉量（m3）计算式为：

灌溉量=G/1 000×灌溉面积（m2）

以喷灌需水量为例，轻、重旱时下限（最少）灌溉量分别150、315 m3/hm2。

由于目前农业生产中灌溉方式和方法多种多样，实际灌溉量的确定比较复杂，一般而言，滴灌（渗灌）＜喷灌＜沟灌＜畦灌＜漫灌。G值可以作为灌溉量的参考，滴灌、渗灌不超过0.5G，喷灌约为1G，沟畦灌2G左右，漫灌常常大于3G。

3结语

通过分析鄂北岗地0～100 cm土壤水分分布特征及变化规律，得出以下几点结论：一是鄂北岗地土壤水分时空分布具有3个特征明显的阶段，即蓄墒期、失墒期和振荡期。农业气象要根据3个时期的特点有针对性地开展服务。冬干气候一般不会形成旱灾，有条件的地区可实施人工增雪作业，能有效增墒减耗。重点是做好失墒期干旱和振荡期旱涝急转的监测预警工作，警惕冬春、春夏或伏秋连旱的危害。二是常年农田蒸散具有显著的季节变化特点，与同期气温变化趋势高度一致。高温季节也是农田蒸散的高峰，遇到比较严重的气象干旱时，土壤本身贮水量难以补偿农田蒸散消耗，农业生产中要重视堰塘蓄水作用，做到就近节水灌溉。三是透墒雨与土壤水分状况和季节有关，伏秋时节遭遇持续少雨天气或出现重度干旱时，透墒雨量级最高。四是土壤准耗散是无降水条件下的农田蒸散，只随季节变化，其旬参数能通过平均气温推算。土壤准耗散结合有效降水可应用于旱涝监测、土壤水分预报，以及建立灌溉日期和灌溉量预报模型[5-6]。

4参考文献

[1] 湖北省农业厅，湖北省气象局.农业灾害应急技术手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2007.

[2] 信廼诠，赵聚宝.旱地农田水分状况与调控技术[M].北京：中国农业出版社，1992：211-240.

[3] 王会肖，蔡燕.农田水分利用效率研究进展及调控途径[J].中国农业气象，2008，29（3）：272-276.

[4] 周羽，冯明.利用自动站逐日降水量实时估测土壤墒情[J].中国农业气象，2009，30（S2）：230-232.

[5] 张薇，蔺文静，吴庆华，等.太行山前冲洪积扇地区土壤水分动态变化特征研究[J].华北农学报，2007（S2）：200-203.

[6] 李俊红，姚宇卿，吕军杰，等.双深松覆盖对丘陵旱区土壤水分和作物产量的影响[J].河南农业科学，2013，42（11）：17-20.

式中，y为土壤准耗散，x为旬序数：1月上旬x=1，…，12月下旬x=36。

土壤准耗散模拟公式：

?驻Wj=tj×wj/w

式中， j为旬序数，?驻Wj为当旬土壤贮水变化量；tj为旬平均温度；wj为旬初土层贮水量；w为年平均土层贮水量，可利用当地观测资料求得。

2.3.2旱地灌溉日期的确定。当有降水出现时土壤实际耗散量（以下简称土壤日耗散）明显下降，降水量越大土壤实际耗散量越小，大致呈一种负指数关系。土壤日耗散与当旬土壤准耗散之间的模拟关系为：

E=0.1×?驻Wj×e■

式中，R为当日降水量；j为旬序数，j=1，…，36，1月上旬为1。

利用土壤水分平衡方程，建立逐日土壤贮水量变化估测模型（土层厚度0～50 cm）：

Wi=Wi-1+U-0.1×?驻Wj×e■

式中，Wi为当日土层贮水量；Wi-1为上一日土层贮水量；?驻Wj为当旬土壤准耗散；U为当日有效降水量。当计算获得Wi等于或小于干旱临界贮水量，就可以实时发布干旱预警，并开展灌溉日期预报服务。

利用逐日土层贮水量估测公式可以动态监测旱地土壤水分变化，当持续少雨、耕作层墒情接近旱象露头时，计算田间持水量与估测贮水量之差值（以下用G表示），即：田间持水量×0.8-当日土层贮水量。当土层实际贮水量分别低于57 mm和40 mm时，表示耕作层已出现轻旱和重旱，即差值大于15 mm和32 mm。当G值大于15 mm且作物处在需水关键期时，就可以考虑启动灌溉抗旱。

2.3.3旱地灌溉量预报。理论上，灌溉量应当等于适当大于田间持水量与估测贮水量之差值（G，mm）。具体灌溉量（m3）计算式为：

灌溉量=G/1 000×灌溉面积（m2）

以喷灌需水量为例，轻、重旱时下限（最少）灌溉量分别150、315 m3/hm2。

由于目前农业生产中灌溉方式和方法多种多样，实际灌溉量的确定比较复杂，一般而言，滴灌（渗灌）＜喷灌＜沟灌＜畦灌＜漫灌。G值可以作为灌溉量的参考，滴灌、渗灌不超过0.5G，喷灌约为1G，沟畦灌2G左右，漫灌常常大于3G。

3结语

通过分析鄂北岗地0～100 cm土壤水分分布特征及变化规律，得出以下几点结论：一是鄂北岗地土壤水分时空分布具有3个特征明显的阶段，即蓄墒期、失墒期和振荡期。农业气象要根据3个时期的特点有针对性地开展服务。冬干气候一般不会形成旱灾，有条件的地区可实施人工增雪作业，能有效增墒减耗。重点是做好失墒期干旱和振荡期旱涝急转的监测预警工作，警惕冬春、春夏或伏秋连旱的危害。二是常年农田蒸散具有显著的季节变化特点，与同期气温变化趋势高度一致。高温季节也是农田蒸散的高峰，遇到比较严重的气象干旱时，土壤本身贮水量难以补偿农田蒸散消耗，农业生产中要重视堰塘蓄水作用，做到就近节水灌溉。三是透墒雨与土壤水分状况和季节有关，伏秋时节遭遇持续少雨天气或出现重度干旱时，透墒雨量级最高。四是土壤准耗散是无降水条件下的农田蒸散，只随季节变化，其旬参数能通过平均气温推算。土壤准耗散结合有效降水可应用于旱涝监测、土壤水分预报，以及建立灌溉日期和灌溉量预报模型[5-6]。

4参考文献

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[2] 信廼诠，赵聚宝.旱地农田水分状况与调控技术[M].北京：中国农业出版社，1992：211-240.

[3] 王会肖，蔡燕.农田水分利用效率研究进展及调控途径[J].中国农业气象，2008，29（3）：272-276.

[4] 周羽，冯明.利用自动站逐日降水量实时估测土壤墒情[J].中国农业气象，2009，30（S2）：230-232.

[5] 张薇，蔺文静，吴庆华，等.太行山前冲洪积扇地区土壤水分动态变化特征研究[J].华北农学报，2007（S2）：200-203.

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式中，y为土壤准耗散，x为旬序数：1月上旬x=1，…，12月下旬x=36。

土壤准耗散模拟公式：

?驻Wj=tj×wj/w

式中， j为旬序数，?驻Wj为当旬土壤贮水变化量；tj为旬平均温度；wj为旬初土层贮水量；w为年平均土层贮水量，可利用当地观测资料求得。

2.3.2旱地灌溉日期的确定。当有降水出现时土壤实际耗散量（以下简称土壤日耗散）明显下降，降水量越大土壤实际耗散量越小，大致呈一种负指数关系。土壤日耗散与当旬土壤准耗散之间的模拟关系为：

E=0.1×?驻Wj×e■

式中，R为当日降水量；j为旬序数，j=1，…，36，1月上旬为1。

利用土壤水分平衡方程，建立逐日土壤贮水量变化估测模型（土层厚度0～50 cm）：

Wi=Wi-1+U-0.1×?驻Wj×e■

式中，Wi为当日土层贮水量；Wi-1为上一日土层贮水量；?驻Wj为当旬土壤准耗散；U为当日有效降水量。当计算获得Wi等于或小于干旱临界贮水量，就可以实时发布干旱预警，并开展灌溉日期预报服务。

利用逐日土层贮水量估测公式可以动态监测旱地土壤水分变化，当持续少雨、耕作层墒情接近旱象露头时，计算田间持水量与估测贮水量之差值（以下用G表示），即：田间持水量×0.8-当日土层贮水量。当土层实际贮水量分别低于57 mm和40 mm时，表示耕作层已出现轻旱和重旱，即差值大于15 mm和32 mm。当G值大于15 mm且作物处在需水关键期时，就可以考虑启动灌溉抗旱。

2.3.3旱地灌溉量预报。理论上，灌溉量应当等于适当大于田间持水量与估测贮水量之差值（G，mm）。具体灌溉量（m3）计算式为：

灌溉量=G/1 000×灌溉面积（m2）

以喷灌需水量为例，轻、重旱时下限（最少）灌溉量分别150、315 m3/hm2。

由于目前农业生产中灌溉方式和方法多种多样，实际灌溉量的确定比较复杂，一般而言，滴灌（渗灌）＜喷灌＜沟灌＜畦灌＜漫灌。G值可以作为灌溉量的参考，滴灌、渗灌不超过0.5G，喷灌约为1G，沟畦灌2G左右，漫灌常常大于3G。

3结语

通过分析鄂北岗地0～100 cm土壤水分分布特征及变化规律，得出以下几点结论：一是鄂北岗地土壤水分时空分布具有3个特征明显的阶段，即蓄墒期、失墒期和振荡期。农业气象要根据3个时期的特点有针对性地开展服务。冬干气候一般不会形成旱灾，有条件的地区可实施人工增雪作业，能有效增墒减耗。重点是做好失墒期干旱和振荡期旱涝急转的监测预警工作，警惕冬春、春夏或伏秋连旱的危害。二是常年农田蒸散具有显著的季节变化特点，与同期气温变化趋势高度一致。高温季节也是农田蒸散的高峰，遇到比较严重的气象干旱时，土壤本身贮水量难以补偿农田蒸散消耗，农业生产中要重视堰塘蓄水作用，做到就近节水灌溉。三是透墒雨与土壤水分状况和季节有关，伏秋时节遭遇持续少雨天气或出现重度干旱时，透墒雨量级最高。四是土壤准耗散是无降水条件下的农田蒸散，只随季节变化，其旬参数能通过平均气温推算。土壤准耗散结合有效降水可应用于旱涝监测、土壤水分预报，以及建立灌溉日期和灌溉量预报模型[5-6]。

4参考文献

[1] 湖北省农业厅，湖北省气象局.农业灾害应急技术手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2007.

[2] 信廼诠，赵聚宝.旱地农田水分状况与调控技术[M].北京：中国农业出版社，1992：211-240.

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[4] 周羽，冯明.利用自动站逐日降水量实时估测土壤墒情[J].中国农业气象，2009，30（S2）：230-232.

[5] 张薇，蔺文静，吴庆华，等.太行山前冲洪积扇地区土壤水分动态变化特征研究[J].华北农学报，2007（S2）：200-203.

[6] 李俊红，姚宇卿，吕军杰，等.双深松覆盖对丘陵旱区土壤水分和作物产量的影响[J].河南农业科学，2013，42（11）：17-20.