宿州市土壤墑情變化規(guī)律及退墑預(yù)報方案研究

（安徽省宿州水文水資源局 宿州 234000）

1 引言

干旱是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一[1]，近年來我國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺，農(nóng)業(yè)供水形勢尤為嚴(yán)峻，精準(zhǔn)抗旱是實現(xiàn)地區(qū)糧食生產(chǎn)可持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的必然選擇。精準(zhǔn)抗旱需要依靠土壤墑情監(jiān)測技術(shù)獲得每一時刻的土壤水分狀況，根據(jù)其變化趨勢提前作出決策，因此土壤墑情監(jiān)測和預(yù)報是抗旱減災(zāi)的關(guān)鍵。宿州市是安徽省干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的地市之一，旱情嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，研究土壤墑情的變化規(guī)律對促進本地區(qū)農(nóng)作物的生長具有重要的意義。

本文根據(jù)宿州市2011—2019年的土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合降雨、蒸發(fā)、土壤特性和作物種類等因素的影響，分析了宿州市土壤墑情時空變化規(guī)律。以楊樓試驗站為例，建立退墑預(yù)報方案，可為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、干旱預(yù)警以及防災(zāi)減災(zāi)等方面提供理論支撐。

2 數(shù)據(jù)與計算方法

2.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

宿州市位于安徽省東北部，地處安徽省淮北平原北部、黃淮海平原的南端，屬暖溫帶、濕潤半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季氣候變化較大。宿州市多年平均降雨量858.7mm，多年平均蒸發(fā)量884.8mm，年均氣溫14.5℃，年均無霜期210d。土壤類型有壤土、砂壤土、黏壤土、潮土、砂礓黑土五大類，以壤土為主。

本文研究所用資料來源于2011—2019年宿州市四縣一區(qū)8 個土壤墑情監(jiān)測站。降雨采用當(dāng)?shù)剡b測雨量站監(jiān)測資料，蒸發(fā)采用楊樓站和澮塘溝閘站監(jiān)測資料，蒸發(fā)資料均為每日8 時人工觀測值。

2.2 計算方法

2.2.1 土壤含水量計算

烘干法是目前最常用的一種測定土壤含水量的方法，也是國內(nèi)外通用的測定土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)方法，計算公式如下：

式中：ω 為土壤含水量，重量含水量，用百分數(shù)表示（%）；m1為鋁盒加濕土重量，g；m2為鋁盒加干土重量，g；m0為鋁盒重量，g。

2.2.2 消退系數(shù)K 值計算

土壤墑情的消退過程是一個物理過程，根據(jù)土壤含水量消退系數(shù)k 值的大小，可以判斷出土壤墑情的失墑程度，公式如下：

式中：θn為n日后土壤含水量，%；θ0為某日初期土壤含水量，%；K 為土壤含水量消退系數(shù)。

3 土壤墑情變化規(guī)律分析

3.1 土壤水分空間變化特征

宿州市土壤以壤土為主，東北部黃泛區(qū)為砂壤土，中部為壤土，西南部為潮土和黏壤土。通過對宿州市8 個墑情監(jiān)測站不同土層土壤含水量計算，求得不同月份垂向土壤平均含水量，統(tǒng)計匯總結(jié)果見表1。

由表1可知，在土壤類型相同的條件下，隴海至楊樓、杜樓至長溝土壤含水量呈現(xiàn)遞增的趨勢，澮塘溝閘、宿縣閘和虞姬三個監(jiān)測站土壤含水量相對較高。主要原因是：一方面，宿州降雨南多北少，西南部土壤水分補給較為充足；另一方面，宿州西南部土壤普遍為黏壤土，土分子吸力和毛管孔隙作用比砂壤土和土壤要大，吸持的水分較多，一般為2～3 倍[3]，所以降雨之后土壤水分不易流失，土壤含水量較大。宿州市土壤墑情空間變化總體呈東北向西南遞增趨勢。

表1 2011—2019年宿州市各墑情站非凍期不同月份土壤平均含水量表（單位：%）

表2 宿州市各墑情監(jiān)測站不同深度土層土壤含水量統(tǒng)計表

表3 楊樓試驗站土壤含水量消退系數(shù)K 值統(tǒng)計表

表4 0～40cm 垂向平均土壤含水量消退預(yù)報驗證表

3.2 土壤水分垂向變化特征

采用變異系數(shù)法分析宿州市不同深度土層土壤含水量垂向變化情況，結(jié)果見表2。

由表2可得，除隴海和楊樓墑情監(jiān)測站以外，10cm 深度土層土壤含水量平均值較大，20cm 和40cm 深度土層土壤含水量平均值較小。因為隴海和楊樓墑情監(jiān)測站土壤為砂壤土，土壤吸持水分份量較小，降雨之后土壤水分易流失，導(dǎo)致表層土壤含水量較小。從8 個墑情監(jiān)測站土壤含水量變異系數(shù)來看，10cm 深度土層最大，40cm 深度土層最小，這說明表層土壤含水量受降雨、蒸發(fā)等因素影響顯著，變化較為明顯，而土層越深土壤含水量變化越緩慢。

4 土壤墑情退墑預(yù)報方案分析

4.1 土壤含水量消退系數(shù)k 值推求

采用楊樓試驗站2011—2018年實測土壤含水量、降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，選取兩測次間無降雨和土壤墑情消退較明顯的時段，根據(jù)公式（2）計算出楊樓試驗站3—11月不同土層深度（10cm、20cm 和40cm）和垂向平均土壤含水量消退系數(shù)k 值，結(jié)果見表3所示。

由表3可以看出，3月和11月土壤含水量消退系數(shù)K 值最大，6—8月K 值最小。3月和11月氣溫較低，作物生長緩慢，需水量較小，作物失墑慢。6—8月氣溫較高，作物生長較快，需水量大，作物失墑快。

4.2 退墑預(yù)報方案驗證

依據(jù)2019年楊樓試驗站實測土壤含水量數(shù)據(jù)，按照水情和土壤墑情相關(guān)規(guī)范對土壤含水量預(yù)報值θn1與實測值θn進行誤差評定[4]，驗證楊樓試驗站土壤墑情退墑預(yù)報方案的精度，驗證結(jié)果見表4所示。

通過表4可以得出，2019年楊樓試驗站土壤含水量消退預(yù)報方案所有預(yù)報均合格，即預(yù)報合格率為100%，達到甲級預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)，可用于土壤含水量退墑?wù)筋A(yù)報。

5 結(jié)語

本文以宿州市8 個墑情站2011—2019年土壤墑情監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，分析了宿州市土壤墑情時空變化規(guī)律，結(jié)果表明宿州市土壤墑情空間變化總體呈東北向西南遞增趨勢，土壤墑情在垂向分布上，表層土壤含水量受降雨、蒸發(fā)等因素影響顯著，變化較為明顯，而土層越深土壤含水量變化越緩慢。本文通過分析計算出楊樓試驗站3—11月土壤含水量消退系數(shù)K 值，確定了土壤含水量消退預(yù)報方案，根據(jù)2019年楊樓試驗站土壤含水量實測數(shù)據(jù)，驗證了楊樓試驗站土壤墑情退墑預(yù)報方案，預(yù)報方案達到甲級方案等級，滿足相關(guān)規(guī)范要求，可應(yīng)用于正式的土壤含水量退墑預(yù)報，對于指導(dǎo)宿州市抗旱減災(zāi)和農(nóng)業(yè)灌溉具有重要的意義■