用GStarDZN2型自动土壤水分观测仪分析干旱状况

张荣菊

（呼伦贝尔市鄂温克族自治旗气象局，内蒙古巴彦托海镇 021100）

干旱是世界上最严重的自然灾害之一，它出现的次数多、影响范围大、持续时间长，对社会经济造成很大破坏。随着社会经济的发展和人们生活水平提高，各种用水量也在加大，干旱缺水的问题越来越突出，监测和研究干旱灾情已经刻不容缓。2010年鄂温克地区安装了GStarDZN2型自动土壤水分观测仪，观测数据因为准确、及时、直观而广泛应用于研究。该地区属于中温带亚干旱型气候区，是气候敏感区，常年遭受干旱的困扰[1]。近年来，鄂温克草原天然牧草各阶段生长状况极具代表性，2013、2014年牧草长势较好，产量属于丰年；2012、2015年出现干旱灾情，产量属于歉年。干旱成为该地区牧业发展的主要制约因素。通过对天然牧草生长、发育、产量评估进行分析，为干旱指数本地化应用提供实验证明。

1 研究区域概况

研究区域位于内蒙古东北部的呼伦贝尔市鄂温克族自治旗（简称鄂温克旗），大兴安岭西麓，地处北纬 47°37′～49°15′，东经 118°48′～121°09′，土地面积19 111 km2，草地总面积11 803 km2，牧草总蓄积量约46.5亿kg。受地质、地貌、气候、生物、母质及人类生产活动等成土因素的影响，鄂温克旗土壤分布：从东至西有棕色针叶林土、灰色森林土、黑钙土、栗钙土等4个土壤带[2]。

2 资料与方法

该地区30年平均0～20 cm土壤解冻日期为4月9日，土壤冻结日期为11月4日，冻结后的土壤水分状况对该地区牧草生长影响较小忽略不计，因此各气象要素截取时间为当年4月1日至10月31日；各气象要素数据为中国气象局数据质量检验后的入库数据；土壤水分的相关数据获取为河南省气象科学研究所生产的GStarDZN2型自动土壤水分观测仪，该观测仪通过了人工对比观测检验，已经业务化运行[3]；地上生物量数据为呼伦贝尔市牧业气象试验站1990—2015年牧业气象观测数据，均符合《农业气象观测规范》的相关要求。

土壤相对湿度是表征土壤湿润程度的一种定量方法，与土壤墒情存在着明显的对应性关系，用土壤质量含水率占田间持水量的百分数来计算[4]，牧草生长发育与土壤水分状况具有相关性[5-6]。距平是气象上常用的量，即对平均值的正常情况的偏差，资料中某一个数值与平均值之差为距平，距平百分率表示为（实测值-同期历史均值）与同期历史均值的比值[7]，本研究历史均值为1981—2010年该地区平均值。研究表明0～30 cm土壤水分是影响牧草生长的关键因子，10 d以内的土壤缺水不会形成草地干旱，因此，本研究以10 d作为评价干旱的最小时间单位[8]。本研究用GStarDZN2型自动土壤水分观测系统客户端软件，形成土壤相对湿度0～30 cm数据，与天然草场地上生物量进行相关性分析，得出线性模型，并通过土壤相对湿度数据进行检验。

3 结果与分析

3.1 气候因子变化分析

4—10月平均气温最低为2013年，距平百分率为-4.31%；最高为2015年，距平百分率为9.48%；降水量最少年份为2015年，距平百分率为-13.75%；降水量最多年份为2013年，距平百分率为83.10%；7月平均气温最低为2014年，距平百分率为-4.93%；最高为2015年，距平百分率为9.36%；7月总降水量最少年份为2015年，距平百分率为-67.85%；降水量最多年份为2013年，距平百分率为136.57%，气温高，降水特少是导致2015年干旱的主要因素。

3.2 土壤相对湿度变化分析

因为观测仪器是通过震荡反射频率与土壤含水量之间的关系来确定土壤水分[9]，土壤冻结成固体冰晶后测量值无效，所以可以忽略，因此以下分析均从4月30日至9月30日。2012年7月20日至8月20日土壤相对湿度较差，0～30 cm土壤平均相对湿度呈下降趋势，最低为25.82%，但前期土壤相对湿度维持在较好水平，5月31日至7月10日，土壤相对湿度最低为29.75%。总体来看，2012年土壤相对湿度较差，前期土壤水分基本能够满足植物所需水分，7月中旬至8月中旬有干旱发生，7月末地上生物量与历年（25 a）同期平均值相比少25.24%（图1）。

2013年，全年土壤相对湿度特好，0～30 cm平均土壤相对湿度最低为41.11%，由于该地区土壤性质以沙壤土为主，所以较多降水对植物影响不大，7月末地上生物量与历年（25 a）同期平均值相比多33.98%（图2）。

2014年在植物需水量最大的6、7月份，土壤相对湿度较好，6月10日至7月31日0～30 cm平均土壤相对湿度最低为35.85%。8月10日后土壤水分呈持续下降趋势，属于秋旱，但8月土壤水分对该地区牧草生长影响较小。7月末地上生物量与历年（25 a）同期平均值相比多26.99%；8月末地上生物量与历年（25 a）同期平均值相比多20.04%（图3）。

土壤水分下降是缓慢过程，较长时间无有效降水，才能导致土壤相对湿度最低值降到很低。2015年鄂温克旗出现干旱灾情，从图4中可以看出6月30日至7月31日0～30 cm平均土壤相对湿度维持在较低水平，最低值为19.45%，严重影响植物生长，虽然8月10日后期土壤相对湿度较好，8月10日至20日是该年最好水平，土壤相对湿度达到53.70%以上，但牧草已经进入籽粒成熟期，产量已基本确定，所以干旱导致牧草产量下降严重，7月末地上生物量与历年（25 a）同期平均值相比少32.27%；8月末地上生物量与历年（25 a）同期平均值相比少32.41%（图4）。

对比分析可以得出，6月下旬至7月中旬是植物需水关键期。7月是植物地上生物量鲜质量最大月份，但2015年因为7月土壤水分低，导致地上生物量鲜质量比6月小，得出植物有枯黄失水现象，有干旱发生。通过表1数据对7月0～30 cm平均土壤最低相对湿度（X）与牧草产量（Y）进行相关分析，得出两者呈正向显著相关，见关系式1，说明7月0～30 cm平均土壤最低相对湿度每增减1%，牧草产量将增减10.4 g/m2。

关系式 1：Y＝55.417+10.411X

相关系数R＝0.973。

表1 2012—2015年平均土壤相对湿度最低值（0～30 cm）与月末总产量对比

4 结论

干旱不仅与缺雨程度有关，它还具有累积效应，缺雨持续时间越长成灾越大。干旱的影响还有明显的时段性差异，这与植物不同生长阶段的缺雨敏感度不同有关[9]。6月上旬至8月下旬是土壤水分变化量显著时期，这一时期是天然牧草生长旺盛时期，需水量较大，蒸腾强烈[10]。同时，一个理想的干旱指数应该同时满足普适性、理论性、实用性、可比性、易理解性、时效性和无量纲性等多方面的特征[11]。GStarDZN2型自动土壤水分观测仪能很好表达出实时的土壤水分状况，满足干旱指数需求。

参考文献：

［1］GB/T 17297-1998.中国气候区划名称与代码气候带和气候大区［S］.北京：中国标准出版社，1998：3-4.

［2］布和敖斯，朗巴达拉呼，蒋立宏，等.鄂温克族自治旗草地资源与评价［M］.北京：中国农业出版社，2013：4-5.

［3］单新兰，张吉周，李新庆，等.自动土壤水分站资料质量控制及其相关关系分析［J］.安徽农业科学，2015，43（3）：236-237，243.

［4］DB 15/T 510-2012.内蒙古农田、草地土壤相对湿度等级指标［S］.呼和浩特：内蒙古自治区地方标准，2012：2.

［5］乌 兰，乌兰巴特尔，李云鹏，等.内蒙古自治区生态与农牧业气象服务体系研究［M］.北京：气象出版社，2009：182-184.

［6］付丽娟，宫春宁，德勒格日玛.内蒙古地区干旱风险评估［J］.内蒙古气象，2012，199（2）：11-16.

［7］黄嘉佑.气象统计分析与预报方法［M］.北京：气象出版社，2004：4-5.

［8］陈海波.DZN2型自动土壤水分观测仪常见问题分析［J］.气象与环境科学，2013，36（3）：54-57.

［9］乌兰巴特尔，刘寿东.内蒙古草地旱灾研究［J］.自然灾害学报，2005，14（1）：66-69.

［10］王彦平，金 磊，宋卫士，等.呼伦贝尔西部草原土壤干旱特征分析［J］.内蒙古农业科技，2012（5）：90-93.

［11］张 强，张 良，崔显成，等.干旱监测与评价技术的发展及其科学挑战［J］.地球科学进展，2011，26（7）：763-778.