亚热带红壤丘陵区季节性干旱判别研究

贾秋洪，景元书* ，Buaphean Ruthaikarn

(1.南京信息工程大学 应用气象学院，江苏 南京 210044;2.气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室，江苏 南京 210044)

土壤干旱是指由土壤水分的收与支或供与求不平衡形成的水分短缺现象。湿润地区的土壤干旱主要是因为气候变化等形成的随机性异常土壤水分短缺现象［1］。由于干旱的频繁发生给农作物的生长及农业生产带来严重的危害，因而土壤干旱的判别方法研究变得更加重要。目前研究较多且得到广泛应用的模型方法主要有［2-5］:以土壤水分平衡方程为基础估算土壤水分状况的方法;引入随机变量的机理性模型研究;水动力学模型;时间序列分析模型等。近年来，不少学者基于不同的方法对我国土壤干旱变化进行了研究，得到的结论与直接利用降水资料获得的研究结果具有良好的可比性［6］，说明降水量变化是造成我国区域尺度干旱的主要因素。在研究土壤干旱时，降水量是必须考虑的因素之一，此外，还应结合研究区的气候特点选择合适的判别方法。

鉴于以往研究大多是基于一种干旱判别方法的分析，利用气象数据和土壤水分数据从两个不同的角度分别进行干旱判别的研究较少，因此，本文在已有研究结果的基础上，就低丘红壤区季节性干旱问题，以气象因子为随机变量，从土壤水分平衡原理出发，利用桑斯维特公式，建立土壤相对湿度预测模型，计算出亚热带江西红壤区5—9月土壤可能蒸散量及土壤干旱指数，并分析土壤干旱状况及发生规律;同时利用试验区的土壤水分数据计算出土壤相对湿度指数，分析农田间作条件下的土壤水分状况及干旱情况，以期为提高当地农业生产、科学安排农作物间作，合理灌溉，提高作物产量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地区地处赣东北鹰潭市，信江流域中下游，即东经 116°41′～117°28′、北纬 27°51′～28°38′。下辖贵溪市、余江县、月湖区、龙虎山区，土地总面积3 554 km2，属于我国南方红壤丘陵区。该地区属亚热带温暖湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，日照充足，多年平均温度18.2℃，多年平均日照时数1 978 h。降雨量年际变化大，年内分配极不均匀，区域内多年平均降水量高达1 842 mm，且多集中在4—6月的雨季，占年总量的47%以上(鹰潭市水利局，2009)。研究区地势南北高逐渐向中间倾斜，以低丘红壤岗地为主，南北有少量丘陵，中部为河谷平原。

该地区虽雨水资源丰富，但降水时间分布不均(3—6月降水量占全年总量的60%左右)，加上少雨季节与强蒸发、高温炎热季节相叠合(7—9月蒸发量占全年总量的50%左右)，以及红壤的蓄水能力低、有效水库容小，所以每年的7—12月极易产生季节性干旱，尤以7、8月的伏秋旱危害最大［7］。

1.2 数据来源

气象资料来源于江西省鹰潭市气象局自动气象站的逐日气象数据，包括日降水量、日平均风速、日照时数、日平均气温、日平均水汽压和日平均相对湿度。土壤水分数据来源于鹰潭市刘垦三分场的水分传感器观测的2012及2013年相关月份的水分数据(由于5—9月为作物生长旺季，且干旱频发，故本文选择作物生长旺季的土壤水分数据进行研究;因水分传感器故障，导致2012年9月的数据无法使用，所以文后的分析选用了2012年4—8月的数据)。水分观测分别在花生地和橘园地选取样点，在坡面深度5，20，40，80 cm处通过水分传感器(FDR)分别测得不同深度处的土壤水分，每个样点重复2次，每0.5 h观测一次［8］。基于下文土壤相对湿度干旱指数的干旱等级划分表，其土壤相对湿度指数R适用于10～20 cm深度土壤，所以本文选取所测数据中20 cm深度处的橘园地和花生地的土壤水分数据。

1.3 土壤干旱指数模型的构建与实施

模型的构建即定义每月土壤干旱指数(Ii)为:

式中:Pi:每月土壤有效水量，Epi:每月土壤可能蒸散量［9］。若Ii为负值，表示土壤水分亏缺，值越小，亏缺越严重，土壤也就越干旱;反之，若Ii为正值，表示土壤水分有盈余，值越大，盈余水分也就越多，土壤也就越湿润。具体的干旱类型等级划分指标如下表所示［9］。

表1 干旱类型等级划分指标Tab.1 The classification indicators of drought type

1.3.1 土壤水分平衡原理 土壤水分的多少与降水量、灌溉量、土壤蒸发量、径流量、作物截留量、下渗量等因子有密切关系［10］，其中降水是土壤水分的主要来源。根据农田水分平衡基本原理，在某段时间内，一定面积的土壤的各项水分收入等于各项水分支出，其水分平衡方程为

式中，R:降水量，I:灌溉量，P:潜水蒸发量，E:土壤蒸散量，Rn:径流量，H:下渗漏水量，Y:作物截留量［11］。

1.3.2 土壤有效水量及水分盈亏量 通过土壤水分平衡方程即可估计土壤有效水量。鹰潭地区的地下水位大部分大于6 m［12］，其月潜水蒸发量在5～10 mm，实验区的农作物均无灌溉，因此，土壤水分的主要来源是降水量。作物的截留量因作物的种类的不同而不同，间歇性降水截留量多，集中性强降水截留量少，通常取降水量＜3.0 mm的降水为无效降水量。根据农田日渗漏量观测仪的实际观测结果分析，坡耕地植物整个生长期内日渗漏量很小，可以忽略不计［13］。因此，在土壤水分平衡方程中，可以只考虑降水量R，土壤蒸散量E，径流量Rn，以坡面为对象的降水量的减少主要与降水时产生的径流以及土壤的蒸散有关，土壤水分平衡方程即可简化为

式中，ΔQ:土壤水分盈亏量，R:降水量，E:土壤可能蒸散量，Rn:径流量［13］。其中，R－Rn为土壤有效水量。每月土壤有效水量Pi就可表示为

式中:Ri:月降水量;εi:月径流系数，取值为0.640(鹰潭市水利局，2009)。Pi－Epi即是每月土壤水分盈亏量［13］。

1.3.3 土壤可能蒸散量 土壤可能蒸散量是指在给定的气候条件下，当坡面上的植物在生长发育过程中有充足的水分供应时，土壤水分以水汽的形式失去的最大可能量。它代表的是理想条件下的水汽通量，而实际上土壤蒸散量是指植物生长的最大需水量，即在一定的太阳辐射、气温和养分等条件的有效供应下，植物生长达到最大限度时所需的土壤含水量。本文采用的是以月平均温度为主要因子，同时考虑月可照时数的桑斯维特(C·W·Thornthwaite)修正公式来计算土壤可能蒸散量。其修正公式为:

式中:fi:季节参数，11—翌年 2 月为0.6，5—8 月为 0.8，其余各月为0.7，全年平均为 0.75［14］;a:常数;H:年热指数，本文中是1—9月的热量相加;Si:月内可照时数;Ti:月平均温度［15］。

模型的实施即利用鹰潭市2012及2013年5—9月的相关气象数据，反推求算出Pi和Epi，通过以上构建的土壤干旱指数模型最终得出干旱指数Ii。

1.4 土壤水分数据处理

为了进一步分析研究区的干旱状况以及验证土壤干旱指数模型的正确性，本研究同时选择了鹰潭市余江县2012年4—8月及2013年5—9月(因水分传感器故障，导致2012年9月数据无法使用，故在此选用2012年4—8月的数据进行相关分析)农林复合地(橘园+花生)坡上部分20 cm深度处的土壤水分数据进行分析，计算其土壤相对湿度干旱指数。土壤相对湿度干旱指数(R)是反应土壤含水量的指标之一，适合于某时刻土壤水分盈亏监测，故根据10～20 cm深度处的土壤相对湿度指数(R)，即可判断干旱程度，将干旱分级(表2)［16］，土壤相对湿度计算公式为:

式中:R:土壤相对湿度(%);w:土壤质量含水率(%);fc:土壤田间持水量(%)［16］。

求算土壤相对湿度干旱指数前，需通过公式计算出土壤体积含水率(θ)，单位cm3/cm3，并将其除以容重转化为土壤质量含水率(w)，该农林复合地20 cm深度处的土壤容重为1.409 g/cm3。土壤体积含水率(θ)校正公式如下［17］:

表2 土壤相对湿度干旱指数的干旱等级划分表Tab.2 The drought classification table of drought index of soil relative humidity

图1 多年月平均降水量与2012、2013年5-9月平均降水量变化状况Fig.1 The changes of years of monthly average precipitation and the average rainfall from May to September in 2012，2013

2 结果与分析

2.1 土壤干旱指数分析

2.1.1 降水量 将鹰潭地区2012年5—9月及2013年5—9月降水量数据与多年平均降水量进行对比，如图1，可以看出，该区域内降水分配不均，5、6月降水充沛，最大降水量出现在6月，而7月开始降水剧减，7、8、9三个月整体降水匮乏。2012和2013年5—7月降水量的变化趋势与多年平均降水量变化趋势基本一致，8、9月份有所不同。2012年的降水量在7月和8月各出现一个高值，按照多年降雨量变化状况，该地区7、8、9 三个月高温少雨，属于枯水期，容易导致干旱的发生;2013年7月降水量最少，8、9月呈上升趋势，降水量有所增加，与多年平均降水量变化趋势相反，相比于2012年，2013年7—9月严重少雨。

2.1.2 每月土壤水分盈亏量 每月土壤水分盈亏量是每月土壤有效水量与每月土壤可能蒸散量的差额。每月土壤有效水量可由公式(4)计算得出，从图2中可以看出2012、2013年5—9月土壤有效水量与月降水量变化趋势一致，月降水量越大，土壤有效水量也较大，且最大值均出现在6月，7月降雨量和土壤有效水量均显著下降，但2013年的降幅更大，7、8、9三个月属于严重少雨期，月降水量和土壤有效水量都很小;而2012年情况相对较好，8月降雨量有所增加，土壤有效水量达114.84 mm，仅次于5月，虽然9月份降雨量又继续下降，且低于7月，但整体而言，由于受降雨量的影响明显，2012年7、8、9三个月的土壤有效水量相对于2013年7、8、9月较充沛。由此可见，降水量的多少是影响土壤水分多少的主要因素之一。

图2 2012、2013年月降水量、每月土壤有效水量及每月土壤可能蒸散量变化趋势Fig.2 The change trends of monthly precipitation，soil available water and soil potential evapotranspiration in 2012，2013

图3 2012、2013年5—9月土壤干旱指数变化趋势Fig.3 The trends of soil drought index from May to September in 2012，2013

表3 2012、2013年土壤水分盈亏量变化情况Tab.3 The changes of the amount of soil water budget in 2012，2013

由公式(5)、(6)、(7)反推可以得出各月的土壤可能蒸散量，如图2所示，2012、2013年土壤可能蒸散量的变化趋势均呈先上升后下降的趋势，5、6月的土壤蒸散量变化比较平缓，呈缓慢上升趋势，7月蒸散量显著增加，8、9月有所下降，但较6月还是略高一点。总体而言，两年的土壤可能蒸散量相差不大，都是7月达到最大，且7—9月相对较高，这与同期高温少雨天气有很大关系。

每月土壤水分盈亏量的变化情况如表3 所示，2012 年5、6、8、9 月及2013年5、6月，土壤水分盈亏量是正值，说明这几个月的土壤水分处于盈余状态，其中，2013年6月盈余量超过176 mm，是土壤水分盈余量最大的一个月;2012年7月及2013年7—9月，值为负，可见，这三个月土壤水分处于亏缺状态，最大亏缺量达到93 mm。所以2013年7、8、9三个月的水分亏缺状况较2012年严重的多。

2.1.3 土壤干旱指数与干旱类型的划分 通过公式(1)即可求得鹰潭地区2012、2013年5—9月的土壤干旱指数Ii，其变化情况如图3所示，图中数值的大小反映了每月鹰潭地区土壤的干旱程度的强弱，数值越小，干旱程度越强烈，若干旱指数≥0，则为无旱月份，若干旱指数＜0，则为有旱月份。

从图3中可以看出，2012年5、6月及2013年5、6月，均未发生干旱，而2012年7月及2013年7—9月，出现干旱情况，这几个月的土壤有效水量均小于可能最大蒸散量，从而导致计算得到的土壤干旱指数为负值，虽然2012年8、9月的土壤干旱指数为正值，但却很小，说明这段时间也较易发生干旱。比较两年的结果可以发现，7—9月发生干旱的频率较大，夏季的高温、少雨、强蒸散是导致该地区7—9月发生干旱的主要原因，如表4所示，土壤干旱指数与温度和蒸散呈负相关关系，与降雨呈正相关关系，且2013年达到显著正相关。

表4 土壤干旱指数(Ii)与温度、降雨、蒸散量的相关性Tab.4 The correlation between soil drought index and temperature，precipitation，evapotranspiration

表5 2012、2013年5—9月土壤干旱指数及干旱类型Tab.5 Soil drought index and type from May to September in 2012，2013

由干旱类型等级划分指标(表1)，可知，鹰潭地区5、6月为无旱月份，7—9干旱多发且程度严重。这与当地多年干旱统计资料的显示结果基本相符，详见表5。

2.2 土壤湿度分析

2.2.1 土壤湿度变化 通过对研究区橘园、花生复合地坡上部分20 cm深度处的土壤水分数据进行相关处理，可得出土壤体积含水率，进而得到土壤质量含水率，如图4和图5，分别表示2012年4月1日—9月1日和2013年5月2日—9月7日橘园、花生地的土壤湿度及降水量的变化。

从图4、图5可以看出，降水对土壤含水率有一定影响，5、6月份降水充沛，土壤湿度相对较大，呈小幅振荡趋势;7、8月份降水量少，土壤质量含水率也相对较小，但不同的是，2012年7、8月份土壤质量含水率上下振荡，且振幅较大，而2013年则呈规律的下降趋势，土壤质量含水率与降水量变化趋势更为相似，这可能是由于2012年8月降水相对丰富，且出现了几次大幅度降水，而2013年从7月开始就出现持续少雨天气，这也是导致其土壤湿度比较小的原因之一。

此外，同一年份两种土地利用类型的土壤质量含水率的变化趋势具有一致性，其中，2012年5、6月橘园、花生地的土壤质量含水率整体上大于7、8月份，整体上都呈现上下振荡的趋势，但7、8月份的振幅更大;2013年5、6月份橘园、花生地的土壤质量含水率均上下震荡，且变化比较规律，7、8月份逐渐下降且趋于稳定。比较两种土地利用类型的土壤质量含水率的变化状况可以发现，2012、2013年花生地的土壤质量含水率总体上均比橘园地的高，这可能是跟降水后植物冠层的截留及作物的根系深浅等因素有关，降水后，柑橘树的枝叶会截留更多的水分，导致到达土壤中的水分比花生地的少，农作物花生的根系浅，在20 cm深度处的浅层土壤中需要更多的水分，而柑橘的根系较深，能够汲取更深层的水分，这些因素都会导致花生地的土壤质量含水率高于橘园地。比较两图还能得出，花生地1的土壤质量含水率要比花生地2略高，橘园地1的土壤质量含水率比橘园地2高，这可能与记录两次数据的传感器有一定的关系。

图4 2012年橘园、花生地的土壤湿度以及降水量随时间的变化Fig.4 Soil moisture of orangery，peanut field and precipitation changes over time in 2012

图5 2013年橘园、花生地的土壤湿度以及降水量随时间的变化Fig.5 Soil moisture of orangery，peanut field and precipitation changes over time in 2013

图6 2012年橘园、花生地土壤相对湿度指数逐日变化情况Fig.6 Soil relative humidity index daily changes of orangery，peanut field in 2012

2.2.2 土壤相对湿度指数 通过公式(8)求土壤相对湿度指数，可以用来判断干旱的发生状况。如图6、7，即为2012年4—8月和2013年5—9月橘园和花生地的土壤相对湿度变化趋势图。从图中，可以看出2012年6月前土壤湿度指数在29.8%～32%波动，而7、8月份则在29.5%～31.5%;2013年橘园和花生地的土壤湿度在7月20日之前一直在29.8%～32%摆动，橘园的土壤相对湿度小于花生地，7月20日之后，两种土地类型的土壤相对湿度呈现下降趋势直至趋于平稳，4个样点的土壤相对湿度都接近于29.6%，出现这种现象的原因是多方面的，主要是因为鹰潭地区7—9月降水少，土壤得不到新的水分，同时高温天气带来的强蒸散加重了土壤水分的散失，从而出现了土壤相对湿度小，土壤干旱的现象。

图7 2013年橘园、花生地土壤相对湿度指数逐日变化情况Fig.7 Soil relative humidity index daily changes of orangery，peanut field in 2013

2.2.3 土壤干旱的判别分析 2012年4—8月与2013年5—9月橘园、花生地的土壤相对湿度干旱指数见表6，综合土壤相对湿度干旱指数的干旱等级划分表(表2及表6)可知，2012年橘园和花生地总体上属于重旱，只有橘园2在7、8月R指数相对较小;2013年橘园1、橘园2在5、6月属于重旱，7、8、9三个月达到特旱;花生地1、花生地2在5、6、7月属重旱，8、9月达到特旱。

表6 2012、2013年橘园和花生地的土壤相对湿度干旱指数Tab.6 Drought index of soil relative humidity of orangery，peanut field in 2012，2013 %

3 结论与讨论

本文综合利用两种不同的干旱判别方法研究鹰潭红壤区干旱状况的发生，两者所得结论有相似之处，且总体趋势一致，即2012年和2013年两年7—9月的土壤干旱状况明显比5、6月严重，但同时也存在很大的差异。利用自动气象站的逐日气象数据建模得出的土壤干旱指数显示，2012年鹰潭地区5、6月无旱，7月中旱，8、9月也无旱;2013年5、6月无旱，7—9月达到重旱。从土壤水分数据出发进行土壤湿度分析所得的土壤相对湿度干旱指数显示，试验场的花生、橘园地均有旱情发生，但5、6月的干旱程度相对较轻，且花生地轻于橘园地。

通过对上述两种方法的分析、研究发现，所得结论出现差异的原因可归结为以下3方面:

(1)两种判别方法所选用的数据不一样。前者选用的是鹰潭市气象局自动气象站的逐日气象数据，后者选用的是鹰潭市余江县刘垦三分场红壤试验基地由水分传感器测得的花生、橘园地的土壤水分数据。两种数据的来源不同，其本质上的差异性导致了最终结果的差异性;加之，气象数据是就整个鹰潭市而言，土壤水分数据仅局限于试验场一小块区域，两种数据研究区域的不同也可能导致结果出现差异，后者旱情偏重。

(2)两种判别方法的评判标准不一样。前者依据的是干旱类型等级划分指标(表1)，属于气象干旱的判据，后者依据的土壤相对湿度干旱指数的干旱等级划分表(表2)，属于土壤干旱的判据。

(3)橘园、花生地的差异主要与土地利用方式的不同有关。在农林复合利用方式下，由于柑橘根系与土壤基质间的空隙作为优先流的通道，再加上柑橘的扎根深度能达到1 m以上，从而提高了水分垂直下渗的深度［18］，但本研究选取的是20 cm深度处的浅层土壤，所以发生干旱的情况可能相对严重。

综合以上分析可见，两种判别方法最后所得结果虽然不完全一致，但其趋势基本一致，即该地7—9月旱情比5、6月份严重，其中，2012年的结果可能具有偶然性，因当年8、9月降雨量较往年偏多，若需进一步研究其趋势，有待收集多年的气象数据及土壤水分数据。仅通过本研究可发现，选择自动气象站的逐日气象数据建模得出的土壤干旱指数作为旱情监测的依据似乎更为合理，贴近实际，应用性强;而从土壤水分数据出发进行土壤湿度分析的方法对于土壤水分的研究具有重要意义，但在评估干旱发生及预警方面还有待进一步的研究与探讨，保证其结果的合理性。

针对当地干旱的发生状况，适当的预警措施十分必要。降水的时间分布不均且少雨季节与强蒸发、高温炎热季节相叠合，以及红壤蓄水能力低、有效水库容小，水利建设布局失衡、灌溉设施功能不健全以及管理不善等是鹰潭红壤丘陵区发生季节性干旱的基本原因［19］。此外，红壤特殊的水分物理特性和低丘红壤特定的土壤-植物-大气连续体中水分运动模式的综合作用也是导致该区域发生季节性干旱的一个不容忽视的原因［20］。因此，应从协调气候-土壤关系和改善土壤结构方面入手，采用像复合农林业技术，将林木引入农业土地利用中来，提高土壤水分利用效率，缓解土壤季节性干旱问题，此外，采用覆盖技术，在雨季可以防止雨滴的剧烈打击，有利于降水的入渗，在旱季可以降低地表温度，减少土壤水分蒸发，保持土壤水分［21-23］。总之，采用合理的种植方式，加上有效的农业灌溉措施等方式，一定能缓解该地的季节性干旱。

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