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徐州市三年土壤墑情變化趨勢研究
利用徐州市2008~2010 年10 個站點的土壤墑情觀測資料,對該區(qū)域土壤墑情的時空變化規(guī)律進行了分析,發(fā)現(xiàn)徐州市土壤含水量西部和南部相對較高,東部和北部較低,土壤墑情受降水量和土壤質(zhì)地影響較大,降水偏少是造成2010 年徐州土壤墑情較差的主要原因。
1 概述
近年,隨著全球氣候變化、人口增長以及經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展,干旱災(zāi)害有擴展的趨勢,其影響范圍已由貧水區(qū)向豐水區(qū)擴展,由局部向全國延伸,通過近年來使用土壤旱情監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析顯示,因干旱缺水等造成的損失也愈來愈嚴重。徐州市位于黃淮海平原的東南部,后者是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)。此外,徐州市所處的蘇北地區(qū)較為缺水,正常年景缺水量在30×108m3 左右,干旱年份缺水量高達80×108m3?梢哉f, 徐州市的土壤墑情情況在反映地區(qū)旱情發(fā)展方面有一定的代表性。因此,本文分析了近3 年徐州土壤墑情變化規(guī)律,試圖揭示其變化原因,以便為干旱評估和預(yù)測, 以及制定干旱條件下的水資源調(diào)配方案等提供依據(jù)。
2 研究區(qū)概況
徐州市位于江蘇省的西北部,介于東經(jīng)116°22′~118°40′,北緯33°43′~34°58′之間,土地總面積11258km2。該區(qū)屬暖溫帶季風氣候區(qū),氣候四季分明,光照充足,雨量適中,雨熱同期。多年平均降雨量為850mm,汛期(6~9 月)多年平均降雨量為580mm,占年內(nèi)降雨量的68%。年日照時數(shù)為2 284~2 495h,年均氣溫14℃,年均無霜期200~220d。土壤類型有棕土、褐土、紫色土、潮土、砂姜黑土、水稻土六大類,以潮土為主,占總面積的79.5%。地下水資源豐富,主要為松散巖類孔隙水和碳酸鹽類巖溶水。研究所用資料來源于2008~2010 年徐州6 縣市的10 個土壤墑情監(jiān)測站(見圖1),土壤水觀測期為每年的3~11 月份(非凍期)。土壤含水量采用烘干法測定,取樣深度為10cm、20cm、40cm、60cm 四個層次,取樣時間間隔為5d, 同時觀測地下水埋深和作物生長狀況。
3 土壤墑情動態(tài)規(guī)律分析
3.1 土壤墑情的水平空間變化
總體而言,徐州市土壤以潮土為主,潮土中粘粒所占得比例較小,土壤可塑性、持水性和通氣性都很差,吸水容量小。因此,徐州地區(qū)土壤在降雨之后不易把持住水分,水分極易流失。通過對徐州市10 個墑情監(jiān)測站不同層次的土壤水分連續(xù)3 年進行定位觀測,用四點法求得垂向土壤平均含水率, 結(jié)果按月統(tǒng)計匯總在表1 中?梢钥闯觯 豐縣至敬安土壤含水量呈現(xiàn)遞減的趨勢,豐縣、宋樓兩個監(jiān)測站土壤含水量相對較高,而敬安站土壤含水量相對較低。在徐州南面的漢王、單集、梁集、雙溝4 個地方的土壤含水量相對較高。主要是因為:一方面,淮北地區(qū)降水量南多北少,導(dǎo)致上述4 個地區(qū)的土壤水分補給較為充足;另一方面,徐州南部的土壤普遍為粘壤土, 粘質(zhì)土分子吸力和毛管孔隙作用比砂壤土要大得多, 致使吸持的水分份量也比砂壤土的要大,一般為2~3 倍[1],所以降雨之后土壤水分不易流失。城崗、新安兩地地處徐州東北面,雨量偏少,土壤缺水比較嚴重。徐州市土壤墑情空間變化可歸結(jié)為南高北低,西高東低。
3.2 土壤墑情的時程變化
3.2.1 土壤水分年際變化特征
選取靠近徐州市地理中心的單集站來分析近3年土壤墑情年際變化情況,其他站點也有相同的規(guī)律。從表2 可以看出, 徐州市土壤水分年際間的變化受降雨因素的影響明顯,降雨豐富的年份比降雨少的年份土壤含水量高,2008 年土壤各層的含水量在近3 年中為最高的,且由表層到深層土壤年平均含水量分別為21.3%、24.0%、27.7%、30.1%,呈現(xiàn)遞增趨勢,而2008年降雨量也是近3 年中最高的,為924.7mm。2009 年和2010 年土壤含水量都較低,尤其是2010 年土壤平均含水量甚至低至23.1%。從圖2 可以明顯發(fā)現(xiàn),和2008 年同階段相比,2010 年土壤含水量較低的月份正好發(fā)生在4~9 月,而此階段恰好是農(nóng)作物需水量較大的時期,所以除了2010 年降雨量偏少外,作物生理需水是導(dǎo)致土壤進一步缺墑的重要原因。
3.2.2 土壤水分季節(jié)變化特征
土壤水分儀檢測數(shù)據(jù)顯示土壤水分的季節(jié)性變化主要受季節(jié)降雨的分布不均、土壤質(zhì)地和地表植被的生長發(fā)育狀況共同影響。為了說明徐州市土壤墑情的季節(jié)性變化特征,本文選取西部的豐縣、中部的單集和東部的新安3 個站作為典型站點來分析。此3 個站點所在區(qū)域為砂壤土區(qū),區(qū)域種植農(nóng)作物主要為小麥,能代表徐州各地區(qū)土壤墑情整體變化情況。
根據(jù)2008~2010 年豐縣、單集和新安觀測站的土壤水分動態(tài)觀測資料, 繪制了10cm、20cm、40cm和60cm 土層土壤體量含水量隨時間的變化曲線(見圖3~5)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),無論是西部的豐縣站、中部的單集站,還是東部的新安站,各土層土壤含水量隨季節(jié)而變化的規(guī)律大致相同。從3 月下旬開始,土壤水分開始逐漸減小, 到5 月中上旬達到最低值。進入汛期后,土壤含水量因降雨量的增加而逐漸增加,到8 月中旬達到最大值,期間土壤含水量的小幅減低是由于該時段內(nèi)無降雨,蒸散發(fā)較大所致。進入9 月份后,隨降水的減小土壤含水量也會逐漸變小, 直至12 月土壤進入冰凍期,土壤含水量會保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。從含蓄水能力上看,東部的新安站要比西部的豐縣站和中部的單集站保墑能力大,但墑情變化速度相對較慢,這是因為徐州地區(qū)東部土壤的粘性程度比西部的高所致。
此外, 土壤墑情還受植被根系和地下水埋深的影響,各土層土壤水分變化速率并不一樣,10cm 和20cm土層受降雨等氣象因子影響較大;60cm 的土層則主要受毛管上升作用的影響, 只是在連續(xù)降雨補給的情況下,土壤含水量才會有明顯的增加,且受土壤的滯蓄作用, 這種增加的趨勢在時間上會滯后;40cm 的土層土壤水分的變化情況介于兩者之間。
4 討論與結(jié)論
(1)通過對比不同站點收集的土壤墑情資料可知,總體上徐州地區(qū)南部土壤含水量比北部高, 西部土壤含水量比東部高。
(2) 從年際角度看,2010 年徐州市降雨總量為654mm,比多年平均降雨量850mm 少了接近200mm,降雨量比往年偏低是導(dǎo)致該年土壤墑情偏低的主要原因,而從季節(jié)角度上看,降雨的年內(nèi)分布不均以及植被生長吸水是土壤缺墑的主要原因。
(3)土壤墑情同季節(jié)和降水量的變化趨勢基本吻合,土壤含水量總體上有從表層向下層逐漸增加的趨勢,而各層土壤含水量的變化幅度在同一方向上卻有下降趨勢,表層土壤受降雨影響比深層土壤大。
(4)徐州市土壤水的年內(nèi)變化大致可分為3 個階段:緩變階段(11~2 月),這一階段降雨少,蒸發(fā)低,土壤因低溫而被凍結(jié), 土壤水分溫度測定儀檢測數(shù)據(jù)顯示土壤含水率曲線變幅一般在5%左右;嚴重損耗階段(3~5 月),這一時期氣溫回升,蒸散發(fā)率增大,而此時徐州市降雨量又較少,所以土壤水消退速度加快, 此階段的土壤含水量多呈下降趨勢,土壤處于缺墑狀態(tài);變化劇烈階段(6~10 月),這一階段徐州降雨豐沛, 土壤水分含量高, 但這時期氣溫高,蒸散大,作物生長需水多,如遇氣候異常降雨較少時,土壤含水率大幅度下降,而暴雨后又會迅速上升,因而變幅較大,一般處在15%左右。
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