衡水市农田土壤水分变化规律分析

谷黎明

（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000）

1 衡水市墒情监测站网

1.1 站网布设

河北省衡水水文勘测研究中心以县（市、区）为单位进行墒情监测站网布设，涵盖了全市范围。 具体按照重点易旱县每县设2个旱情监测站， 其他县设1个站的原则进行布设。 目前，全市现有14个旱情监测站和1个旱情实验站。 监测站的监测位置应相对固定， 土壤含水率采样点布置合理且具有代表性， 同时要求试验田和周围大田种植作物一致，灌溉时间和灌溉量也基本一致。 采用三点法进行旱情监测，测点深度为10，20，50cm，旱情监测站在每年3月1日—6月30日，9月1日—11月30日进行观测，汛期及封冻期不进行观测。 观测期每10日观测1次，即每月1，11，21日取样；每次监测时间为早8：00。 旱情实验站每5日观测1次， 即每月1，6，11，16，21，26日观测，遇较大降水或灌溉后改为逐日观测，直至含水率变化稳定为止。

1.2 土壤类型

衡水市主要土壤类型为壤土、黏土、砂土，其中壤土所占耕地面积比重最大，砂土和黏土较少，砂土主要分布在饶阳县境内，黏土主要分布在武强县，其余县（市、区）均为壤土居多。

15个墒情监测站中有13个壤土站、1个黏土站和1个砂土站，取13个壤土站的平均值与黏土站和砂土站对比，历年来不同土质储水量对比如图1，由图可见不同土质之间储水量差别较大。

图1 历年来不同土质土壤储水量对比

黏土的粒间孔隙小，总孔隙相对高，保水性强。多年来，黏土储水量一直处于高位。但黏土通气透水性差，易滞易涝。

砂土颗粒较粗，粒间大孔隙多于黏土和壤土，因此保水性差，水分蒸发快，造成土壤散墒，容易引起土壤干旱。 多年来，砂土的储水量最低。

壤土是一种含黏含砂适中的土壤， 它具有松而不散、黏而不硬、耕作良好等特点，通气透水，保水性好，是农业生产较为理想的土壤质地。 多年来，壤土的储水量一直处于中位， 衡水市个土壤类型中也是以壤土居多。

2 土壤水分变化

2.1 年际变化

依据衡水市13个壤土站、1个黏土站和1个砂土站各自2003—2008年3—6月、9—11月的墒情监测结果，按照10，20，50cm 3个取土深度及垂线平均、监测期内降水量的观测数据进行整理计算， 以此对土壤墒情年际变化特征进行分析，对比变化如图2～图4。

图2 砂土区土壤含水率年际变化对比

图3 黏土区土壤含水率年际变化对比

图4 壤土区土壤含水率年际变化对比

不同土质、 不同深度土壤含水率的年平均值变化较大，且都是随监测期内降水量变化而变化的。年均土壤含水率变化趋势与监测期内降水量变化趋势一致， 年平均含水率随监测期内降水量的增加而增加，减少而减少。 但由于灌溉及7、8月主汛期降水的影响， 并不是监测期内降水量最大的年份土壤含水率就最大。砂土区年均土壤含水率最小，黏土去年均土壤含水率最大，壤土居中。

砂土区各土层及垂线平均土壤含水率最大值均出现2008年，最小值均出现在2007年，10，20，50cm及垂线平均年均土壤含水率最大差值分别为8.6%，8.3%，8.7%，8.1%。

黏土土区50cm土壤含水率最大值均出现2003年， 其余各土层及垂线平均土壤含水率最大值均出现2008年，最小值均出现在2005年，10，20，50cm及垂线平均年均土壤含水率最大差值分别为7.3%，7.8%，7.1%，7.7%。

壤土区10cm土壤含水率最大值均出现2006年，其余各土层及垂线平均土壤含水率最大值均出现2003年，最小值均出现在2005年，10，20，50cm及垂线平均年均土壤含水率最大差值分别为4.3%，2.9%，4.4%，3.3%，波动较小。

2.2 季节变化

农田土壤水分的季节性变化受降水量、 灌溉、蒸发等条件影响较大。 取2003—2008年砂土、黏土、壤土不同土层深度（10，20，50cm）及垂线平均含水率值各月份平均值对比分析不同土质下，土壤含水率的季节性变化。 图5至图7分别为砂土区、黏土区、壤土区不同月份各土层深度土壤含水率的平均值变化。

图5 砂土区土壤含水率季节性变化曲线

图6 黏土区土壤含水率季节性变化曲线

图7 壤土区土壤含水率季节性变化曲线

砂土由于土壤中孔隙较大，水分不易留存，所以各土层深度中水分含量都是最小的，受气候、作物根系吸水等因素影响也最大， 所以不同月份之间土壤水含量差别较大，6月份和9月份之间变化趋势线斜率也最大。

黏土中细孔隙较多，吸收多的水分也就比较多，所以各土层深度中水分含量都是最大的，受气候、作物根系吸水等因素影响也最小， 所以不同月份之间土壤水含量差别较小， 且50cm深度的土壤含水率不同月份之间几乎无变化， 最大值与最小值仅相差1.8%。

壤土中孔隙大小介于砂土与黏土之间， 吸收的水分也较为居中， 所以各土层深度中水分含量都是介于以上两种土质之间， 不同月份之间土壤含水率变化与黏土类似， 但50cm深度土壤含水率变化明显大于黏土，也不如砂土区变化幅度大。

虽然不同土质各月份间土壤含水率变化差值各异，变化趋势线斜率也不同，但其季节性变化趋势是一致的，均为3、4月份各土层土壤含水率变化不大；5月份明显下降， 黏土中10、20cm土壤含水率也在5月份达到全年最低值；6月份上升趋势明显， 砂土中各土层深度土壤含水率都在这个月达到了年内最大值；主汛期过后的9月份土壤含水率急剧下降，砂土、壤土中各土层土壤水分含量均在这个月达到年最低值；10月份均大幅度回升，黏土、壤土中各土层土壤水分含量几乎都在这个月达到年最高值；11月份虽有所回落，但都变化不大。 综上所述，可将衡水市农田土壤水分季节性变化分为5个时期：

（1）春季相对稳定阶段（3、4月份）：衡水市农田土壤冻土层较浅，且于2月初开始化冻，至3月初已经完全化通，土壤含水率较高，虽然之后由于气温逐渐升高，地表蒸发加强，但3月中下旬至4月中旬，对冬小麦进行春灌，使得土壤含水率虽略有下降，但变化相对平稳。

（2）初夏严重缺墒期（5月份至6月上旬）：这一阶段由于气温逐渐升高，降水量稀少，地下水得不到有效补充， 而小麦又处于成长末期， 需要消耗大量水分，故这一阶段土壤含水率急剧下降，且以表层土壤水分下降率更为明显。

（3）雨季底墒蓄积期（6月中旬至8月下旬）：虽然缺少7、8两月土壤含水率监测数据，但汛期是全年降水最多的时期， 这一时期土壤含水率受降水影响较大， 往往一两次大的降水就会造成土壤含水率的急剧增高，甚至出现地面饱和的情况。这一阶段各土层的土壤含水率均有所回升。

（4）秋季快速蒸发期（9、10月）：雨季已过，这一阶段降水量少，气温仍高，农田土壤水分快速蒸发；9月份又是玉米成长末期，耗水量大，土壤含水率急剧下降，9月份各土层土壤含水率也是全年最低值。 理论上来讲，10月份土壤含水率应与9月份变化不大，但10月份为冬小麦的播种期，在这期间会进行秋灌，又使得土壤含水率显著升高，达到全年最大值。

（5）冬季凝集冻结期（11月至来年2月）：冬小麦矮小，叶面蒸腾较少，而北方冬季形成的冻土层也会阻碍土壤水分的流失， 故这一阶段土壤含水率变化相对平稳，虽然无法获得冻土期内土壤含水率状况，但对比11月与3月土壤含水率数据可见各土层差值在0.1%～0.4%之间，差别不大。

2.3 垂向变化

由以上土壤水分年际变化和季节变化趋势图可见，多年来，不同土质的土壤含水率始终是50cm位于高位，10cm位于最低位，20cm土壤含水率与平均含水率较为接近，处于中位。不同深度的土壤含水率变化趋势基本一致，取土深度越浅，土壤含水率变化幅度越大。丰水期时，土壤含水率的变化幅度要大于平水期； 而平水期土壤含水率的变化幅度大于偏旱时期。由于衡水市土壤墒情监测取土深度较浅，故不同深度土壤含水率均受降水量影响较大， 往往一两次大的降水就会造成含水率的大增，取土深度越浅，对降水量的响应越迅速，波动也越大；取土深度越深，对降水量的响应相对迟缓，波动也越小。

取2009年8月11日至31日衡水实验站土壤含水率的监测数据为例，具体分析降水条件下土壤含水率的垂向变化情况。 土层越深，土壤含水率变化差距越小。 10，20，50，80cm土壤含水率变化差距分别为14.9%，13.1%，10.4%，3.5%，变化趋势如图8。

图8 衡水实验站土壤含水率垂直向变化趋势

通过以上分析可见， 土壤含水率具有明显的剖面层次性差异，表层土壤含水率变化最大，随着土层深度的增加，土壤含水率变化逐渐减缓。1m深度以内土壤水分变化分为3个层次：

（1）表墒急变层（0～20cm）：农作物的耕作层，受气象因素、作物和农业措施等的影响最大，变化也最为剧烈。 强降水过后，10cm土壤含水率达到垂向最高，为33.7%，变化幅度也最大。

（2）底墒活跃层（20～50cm）：农作物根系的主要分布层，对水、肥、气、热变化起到承上启下的作用，受气象因素、作物和农业措施等影响渐弱，由50cm变化趋势可见， 虽然高强度降水使得这一层的土壤含水率升高较为明显，但降水量较小时，土壤含水率几乎没有变化。

（3）深墒稳定层（50～100cm）：农作物根系仍有少量分布， 受气象因素、 作物和农业措施等的影响更小。 此层土壤含水率变化较小，深墒丰富时，对底墒层和表墒层具有一定补给作用， 由80cm变化趋势可见，这一层土壤含水率一直处于高位，且变化幅度不大，相对稳定。

3 结语

（1）利用15个旱情监测站2003—2010年大田中土壤含水率的实测数据，分析衡水市不同土壤质地农田土壤水分时空变化规律：同深度土壤含水率年平均值变化较大， 且随监测期内降水量变化而变化；年均土壤含水率变化趋势与监测期内降水量变化趋势一致，年均含水率随监测期内降水量的增减而增减。

（2）各土层深度土壤含水率季节性变化趋势一致， 衡水市农田土壤水分季节性变化可分5个时段。 土壤含水率具有明显的剖面层次性差异，表层土壤含水率变化最大，随着土层深度增加，土壤含水率变化逐渐减缓，1m 深度以内土壤水分变化分3个层次。

（3）对土壤含水率变化规律的初步探究为研究发展退墒模型， 确定灌溉定额和进行旱情预报提供了依据。同时，掌握不同土壤质地农田土壤水分的年际变化特征、季节变化特征、垂向变化对指导当地的农业生产具有积极意义。