随州土壤水分周年变化特征及对农业的影响

周泽民　郝元甲

摘要：根据随州1991—2013年土壤湿度观测资料，对随州本地土壤水分状况周年分布、不同层次土壤水分状况和各主要作物的适宜土壤湿度进行了分析。结果表明，随州市土壤湿度周年变化大致分为5个时期;随州的土壤湿度周年变化具有一定的规律，无降水和强降水天气对土壤湿度的影响明显，土壤湿度过高或过低都会对农作物和农业生产造成严重的影响。

关键词：土壤水分状况;土壤湿度;周年变化;随州市

中图分类号：S152.7;P461+.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0051-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.011           開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Annual variation character of edaphic humidity and its impact

on agriculture in Suizhou city

ZHOU Ze-min，HAO Yuan-jia

（Meteorological Observatory of Suizhou，Suizhou 441300，Hubei，China）

Abstract： According to the observed data of edaphic humidity in Suizhou from 1991 to 2013， the local annual distribution of edaphic humidity， soil moisture distribution in different layer and suitable soil moisture of main crops were analyzed. The results show that， the annual variation of edaphic humidity is about five main stages and is regular. Both no precipitation and heavy rainfall cause a conspicuous influence for edaphic humidity. The increasing or decreasing of soil humidity will have a big impact on crops and agriculture.

Key words： edaphic humidity; soil moisture; annual variation; Suizhou city

作物的生长发育需要一定的水分，而水分主要由土壤水分、空气湿度和降水来实现[1]。适宜的土壤水分会促进作物正常发育生长，保证农业生产活动的正常进行。开展土壤水分变化研究，对于及时了解土壤水分动态演变情况，判断作物生长期内的土壤水分利弊影响，做好耕作、播种、施肥、除草、收割、病虫害防治等田间工作，合理安排农业生产，减轻作物旱灾和渍害造成的损失，减少农业生产中的被动性、盲目性意义重大。

生产实践表明，土壤水分指标较降水指标更切合对农业干旱、渍害的评估，更能反映对农业生产的影响，其稳定性、客观性更好。表示土壤水分的指标较多，如土壤重量含水率、土壤体积含水率、土壤相对湿度等，它们都属于土壤湿度的范畴。土壤重量含水率是土壤含水量占干土重的百分率，土壤相对湿度是土壤重量含水率占田间持水量的百分比[2]，二者密切相关。在这些指标中，土壤相对湿度有利于在不同土壤之间进行比较[2]，土壤重量含水率计算简单，实用普遍[3]。因此本文主要以土壤相对湿度和土壤重量含水率等观测资料，来研究随州土壤水分的变化特征和对农业生产的影响。

1  资料来源和观测地段说明

随州人工观测的土壤湿度资料年限为1982—2013年。受土地开发、环境破坏等影响，土壤湿度的观测地段多次改变。1982年1月至1990年12月28日在随州皮件厂附近（1号观测点）取土测定;1991年1月至2001年5月18日在东城区文峰塔村14组吕万忠责任田里（2号观测点）取土测定;2001年5月28日至2013年9月在老气象观测场附近（3号观测点）取土测定。2013年10月开始在何店新气象观测站内进行土壤湿度自动观测。1号、2号和3号观测地段与原气象观测站的直线距离都在700 m以内，海拔高度差在10 m以内。属于丘陵地形，地势平坦，土壤质地为黏壤，呈酸性。1号、2号土壤湿度观测地段上种植的农作物为冬小麦、棉花轮作，3号为自然植被，3个观测地段的常年地下水位深度在 2 m以上，灌溉条件较差，没有人为灌溉的影响，对降水反应比较敏感。

不同地段的土壤湿度参数、土壤性质都有一定的差异。2号观测地段的位置和土壤物理参数相同，测定的土壤湿度资料具有连续性、比较性和同一性，因此，在进行土壤湿度长时间序列的变化规律性研究时，采用1991—2000年的土壤湿度测定资料。3号观测地段和2号观测地段具有一定的连续性和比较性，特别是3号观测地段测定资料的年代较近，有较强的现实意义，供分析土壤湿度特征时使用。1号观测地段临近厂区，代表性较差;何店土壤湿度自动观测站与2号观测地段的距离在10 km以外，土壤性质和结构也有较大差异，而且土壤湿度观测方法不一致，数据缺乏同一性，资料连续性差，故舍弃不用，只在讨论2012年干旱变化状况时使用。

土壤湿度为固定（作物）观测地段，每旬测定一次，每旬第8天测定[2]。测定深度为10、20、30、40、50 cm共5个层次，采用烘干称重法，按照文献[2]中的相关方法进行测定和计算。经计算后土壤相对湿度>100%，按100%进行统计。气象资料来源于随州市气象台地面气象观测资料。

2  随州土壤水分状况的变化规律

2.1  不同天气条件下土壤水分变化特点

自然降水是土壤水分的主要来源，也是影响土壤湿度变化的主要因素。了解不同天气条件下土壤水分状况的变化规律，可以更好地指导农民群众因时抗旱、灌溉、排渍。

2.1.1  无降水天气条件下土壤湿度情况  为了解无降水（含降水很小）天气条件对土壤湿度的影响，统计了随州1991—2000年冬季（12月至次年1月）、春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）对降水反应敏感的10 cm土壤层次无降水（含降水很小）天气条件下的土壤相对湿度资料。

不同季节的降水强度和量级有明显差异。对于随州而言，夏季连续出现10 d无降水的几率很少，冬季出现的几率则较多。在夏季，由于作物叶面截留量大，遮蔽作用强，降水量<5 mm时一般为植物叶面全部截留，属无效降水[4，5]，对提高土壤湿度的作用很微弱。因此，在统计中，以冬季土壤相对湿度测定的前10 d（以下简称为前期）累计无降水（降水量0.0 mm）、春秋季测定的前期无降水（降水量<2.0 mm）、夏季前期无降水（降水量<5.0 mm）为标准，来研究无（小）降水条件下10 cm层次土壤相对湿度减少的情况。

由表1可知，在前期无（小）降水的天气条件下，随州逐日土壤相对湿度减少幅度在各季节有着明显的差异，冬季土壤相对湿度平均每天减少1.5%，春、秋季平均每天分别减少2.4%和1.8%，夏季平均每天减少3.1%，也即夏季土壤湿度平均每天减少比冬季多1倍。由此说明，在夏季，由于气温高，日照强，蒸发强烈，如果没有较明显的有效降水或灌溉补充，极易形成干旱。

2.1.2  强降水条件下土壤湿度变化规律  土壤湿度的变化与降水量、降水持续时间和降水性质都有明显的关系。表2表明，在前期土壤相对湿度很小、出现干旱的情况下，如果出现强度明显、地表径流小的降水过程会使土壤中的水分迅速增加，湿度明显增大，旱情解除。2011年6月8日及以前，10 cm土层土壤湿度一直≤60%，最小值仅44%（4月28日），除50 cm土层外，其他层次的土壤湿度都在80%以下，干旱露头。随后在6月18日前期出现了累计降水量70.0 mm的降水，其中，6月18日当天下午土壤湿度测定前，出现了8 h（6：00—14：00）降水量26.6 mm、1 h（10：00—11：00）降水量达12.9 mm的强降水。在强降水产生后，各层土壤湿度逐渐向下传递，均达到饱和状态。深层的土壤其后保持相当一段时间的高湿状态，变化平缓，对降水的响应具有一定的滞后效应。而浅层土壤由于蒸发、渗透、流失，土壤湿度降低速度明显快于深层。

2.1.3  夏季不同降水量对土壤湿度的影响  夏季是农作物生长的旺盛时期，也是产量结构形成的关键时期。由于气温高，日照强，蒸散快，干旱频繁，故危害严重。研究表明[6]，当土壤相对湿度<40%时为重旱，40%～60%为轻旱，60%～90%为正常，>90%为过湿;同时规定，当干旱出现后土壤湿度≥80%为干旱解除，60%～79%为干旱缓解，<60%为干旱持续。

为了解随州夏季不同干旱条件下降水量对土壤湿度的影响，统计了1991—2002年夏季（6—8月）共36旬的前期（测定土壤湿度的前10 d，下同）累计降水量与土壤湿度的资料（表3）。表3表明，前期累计降水量的多少明显影响到干旱解除程度。当前期累计降水量<34.9 mm时，没有1旬出现干旱解除的现象。说明虽然前期有一定的降水量，但如果累计降水量少，对干旱解除没有实质性的效果;前期累计降水量在35.0～49.9 mm时，只有1旬出现干旱解除的情况;前期累计降水量在50.0～69.9 mm时，出现了 4旬干旱解除的情况;前期累计降水量≥70 mm时，有9旬达到干旱解除的标准。前期累计降水量多少也对干旱持续有很大的影响。当前期累计降水量  <34.9 mm时，有14旬出现干旱持续的情况。当前期累计降水量<5 mm时，有7旬仍干旱持续，其中有6旬出现前期有降水，土壤湿度不增反降的现象。由此得出，在夏季干旱时期，前期累计降水量≥70 mm是干旱解除的重要指标。而在土壤相对湿度达重旱标准下，前期累计<5 mm的降水量对提高土壤湿度，改善土壤墑情是无效的。当前期累计降水量<34.9 mm时，对干旱解除不会有较好的促进作用，对干旱持续也不会有减轻效果。

2.2  随州土壤水分周年变化特征

随州属北亚热带季风气候区，受季风气候的影响，土壤水分状况随季节变化而形成了不同的阶段，它是土壤水分状况随季节变化的动态反映。

2.2.1  土壤湿度的周年变化规律  根据随州市气象局1991—2000年土壤湿度测定的土壤重量含水率统计资料，将随州市土壤湿度周年变化大致分为冬冷湿润期、春季失墒耗损期、雨季恢复积聚期、夏秋蒸发蒸腾耗水期和秋凉水分补充期等5个时期。由图1可见，随州市不同层次土壤湿度的周年变化趋势比较一致，但各季节变化也有一定的差异。基本上呈现12月至次年3月变化缓慢，9月为土壤湿度最低时期，4月为次低，6月和11月最高的特点。

冬冷湿润期（12月至次年3月）：这一时期多年平均降水量为115.6 mm，只占全年的12%。降水量虽然较少，但雨雪天气较多。此阶段为全年气温最低时期，冬小麦、油菜等越冬作物处于休眠或半休眠状态，耗水少，蒸腾蒸发量小，土壤水分常处于高湿状态，土壤重量含水率在23%以上，也就是说，土壤相对湿度一般在70%～90%。

春季失墒耗损期（3—4月）：这一时期气温逐渐升高，冬小麦、油菜等作物复苏直至旺盛生长，蒸、散发明显增加，需水量大，耗水也多，耕地层土壤湿度逐渐降低。在旱情明显的年份，土壤水分减少更多，表现为在4月各层次基本上出现一年的次低值。

雨季恢复积聚期（5—7月）：虽然这一时期，气温较高、日照较强，农作物蒸散发较大，但此时正是随州梅雨季节，特别是在梅雨明显年份，降水持续时间长，强度大，因此总体上土壤水分收大于支，土壤湿度迅速回升。6月达到全年土壤湿度的最高时期。

夏秋蒸发蒸腾耗水期（8—9月）：这一时期由夏天进入初秋，天气晴朗，秋高气爽，降水减少。气温高，蒸发强，日照多，作物需水量大。在大多数年份降水不足以满足各种作物的需求，特别是受副热带高压控制或者出现“秋老虎”的年份，天气晴热高温，是伏（秋）旱易发时期，也是全年土壤水分最少時期，9月土壤湿度为全年最低。

秋凉水分补充期（10—12月）：本期天气渐凉，气温低、蒸发小，冷空气活动频繁，降水也相对充沛，特别受华西秋雨的影响，连阴雨经常发生。此时，棉花、豆类等秋收作物即将收获或已经收获，冬小麦、油菜等秋播作物尚未播种或在苗期，需水量小。降水多为非阵性或固态降水，地表径流小，渗透深度深，底墒渐渐充足，土壤湿度大，常常对犁耙、播种等田间工作不利。此时期的土壤湿度往往是全年最高的。

2.2.2  不同层次土壤湿度的周年变化特点  为了了解随州土壤水分周年变化情况，选择随州月降水量分布相对较均匀的2003年3号观测点（老气象局大院内）土壤相对湿度观测资料，绘制了随州土壤相对湿度动态变化图[7]（图2）。

从图2可以看出，一年中，浅层（10、20 cm）土壤相对湿度由于受到外界天气和环境影响比较明显，反映敏感，变化也比较显著。<70%的土壤相对湿度集中出现在此土壤层次，10 cm土层土壤的相对湿度变化比较剧烈，其中，年最小值和次小值都出现在10 cm层次里;≥95%的土壤相对湿度等值线集中出现在40～50 cm层次里，以50 cm最为集中。土壤含水状况称为土壤墒情，30～50 cm土层为底墒，底墒与农作物生长发育和产量有密切关系[8]。因此，一年中随州的土壤底墒比较充足，是调节农作物对水分需求的稳定器。

土壤相对湿度的高低取决于降水量的变化。2003年2月上中旬和4月降水频繁，降水量多，导致20 cm及以下层次的土壤相对湿度长期居高不下;6月下旬和7月上旬前期累计降水量都在140 mm以上，造成40～50 cm土层的土壤相对湿度维持在95%以上，≥95%的土壤相对湿度等值线也延伸到20 cm层次里。全年土壤相对湿度最小值为45%，出现在8月8日的10 cm土层，前期累计降水量仅为3.5 mm;次小值出现在3月28日，前期累计降水量仅0.2 mm。

2.2.3  不同层次的土壤湿度方差和变率分析  为了解土壤湿度各层次的变化差异，计算了各层次的土壤重量含水率的方差和变率（表4）。由表4可以看出，浅层10、20 cm土壤重量含水率的方差最大，说明这两个层次土壤重量含水率的变化明显，属不稳定层次。30～50 cm层次的方差较小，说明随着土壤深度的增加，土壤重量含水率的周年波动变化趋于稳定，特别是50 cm层次的方差最小，全年变化平缓，基本上长期维持在一个高湿状态，对于土壤水分的涵养和干旱季节水分向上输送起到了保障作用。各层土壤重量含水率的变率总体处于逐层递减的状态，其中10 cm土层的递减率最大，说明浅层土壤水分相比于深层更容易流失。

2.3  土壤湿度对农业生产影响的典型事例

不利的土壤湿度对农业生产和农作物的危害主要表现在两个方面：一是土壤湿度过高，形成渍（涝）害，危害作物正常生长;或田间泥泞，田间劳动无法开展。二是土壤湿度过低，形成干旱，作物不能正常播种和生长;或作物发育受阻，影响产量和品质。

以土壤湿度过低为例，2012年夏季随州出现了罕见的持续性的干旱少雨天气，是有水文和气象记录以来降雨量最少、蓄水量最少的一年。干旱持续期间，各层次的土壤湿度一直比较稳定少变，常年保持高湿状态的50 cm层次土壤相对湿度绝大多数在75%以下，其中，6月18日、7月18日至8月18日测定的各层次土壤相对湿度绝大多数小于60%，最小土壤相对湿度仅37%，形成了随州历史上特大干旱（表5）。

据随州民政部门统计，受特大干旱影响，当年随州市受旱农作物面积6.22万hm2（重旱2.67万hm2，绝收0.85万hm2），占农作物总面积的37.02%。75.5%的河流断流，73.5%的水库接近死水位以及死水位以下，其中17.6%的水库干涸，74.6%的堰塘干涸，导致农作物无水可灌溉。此次干旱对农业、水产养殖、水资源、林业、畜牧养殖业和电力等各方面均有严重的影响，随州市因旱直接经济损失达15.4亿元。

3  小结

分析结果表明，随州市历年不同层次的土壤湿度周年变化趋势比较一致。每个时期的土壤湿度有明显的差异。土壤湿度周年变化大致分为冬冷湿润期、春季失墒耗损期、雨季恢复积聚期、夏秋蒸发蒸腾耗水期和秋凉水分补充期等5个时期。

不同的降水量对改善土壤湿度的贡献率有较大差异。强降水对提高土壤湿度效果明显，无效降水对改善土壤湿度作用很小。当夏季出现了干旱天气时，需前期累计降水量≥70 mm才能解除旱情。深层的土壤变化平缓，一般维持在高湿状态，对降水的响应具有一定的滞后效应。

土壤湿度过高过低而形成的渍害和干旱，对农业生产和农作物的生长危害严重，应及时掌握天气气候的演变规律，合理安排农事活动，采取人工措施加以干预，确保丰产丰收。

参考文献：

[1] 冯定原，王雪娥.农业气象学[M].南京：江苏科学技术出版社，1984.

[2] 国家气象局.农业气象观测规范[M].北京：气象出版社，1993.

[3] 刘汉中.普通农业气象学[M].北京：北京农业大学出版社，1991.

[4] 北京农业大学农业气象专业农业气候教学组.农业气候学[M].北京：农业出版社，1987.

[5] 冯秀藻，陶炳炎.农业气象学原理[M].北京：气象出版社，1994.

[6] 徐祝龄，陈端生，汪奕琮，等.气象基础与农业气象[M].北京：中国广播电视出版社，1988.

[7] 郭建平，高素华，王广河，等.中国云水资源和土壤水资源[M].北京：气象出版社，2001.

[8] 程纯枢.中国农业百科全书（农业气象卷）[M].北京：农业出版社，1986.