用GStarDZN2型自動土壤水分觀測儀分析干旱狀況

張榮菊

（呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗氣象局，內(nèi)蒙古巴彥托海鎮(zhèn) 021100）

干旱是世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，它出現(xiàn)的次數(shù)多、影響范圍大、持續(xù)時間長，對社會經(jīng)濟(jì)造成很大破壞。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平提高，各種用水量也在加大，干旱缺水的問題越來越突出，監(jiān)測和研究干旱災(zāi)情已經(jīng)刻不容緩。2010年鄂溫克地區(qū)安裝了GStarDZN2型自動土壤水分觀測儀，觀測數(shù)據(jù)因?yàn)闇?zhǔn)確、及時、直觀而廣泛應(yīng)用于研究。該地區(qū)屬于中溫帶亞干旱型氣候區(qū)，是氣候敏感區(qū)，常年遭受干旱的困擾[1]。近年來，鄂溫克草原天然牧草各階段生長狀況極具代表性，2013、2014年牧草長勢較好，產(chǎn)量屬于豐年；2012、2015年出現(xiàn)干旱災(zāi)情，產(chǎn)量屬于歉年。干旱成為該地區(qū)牧業(yè)發(fā)展的主要制約因素。通過對天然牧草生長、發(fā)育、產(chǎn)量評估進(jìn)行分析，為干旱指數(shù)本地化應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)證明。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗（簡稱鄂溫克旗），大興安嶺西麓，地處北緯 47°37′～49°15′，東經(jīng) 118°48′～121°09′，土地面積19 111 km2，草地總面積11 803 km2，牧草總蓄積量約46.5億kg。受地質(zhì)、地貌、氣候、生物、母質(zhì)及人類生產(chǎn)活動等成土因素的影響，鄂溫克旗土壤分布：從東至西有棕色針葉林土、灰色森林土、黑鈣土、栗鈣土等4個土壤帶[2]。

2 資料與方法

該地區(qū)30年平均0～20 cm土壤解凍日期為4月9日，土壤凍結(jié)日期為11月4日，凍結(jié)后的土壤水分狀況對該地區(qū)牧草生長影響較小忽略不計(jì)，因此各氣象要素截取時間為當(dāng)年4月1日至10月31日；各氣象要素?cái)?shù)據(jù)為中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)后的入庫數(shù)據(jù)；土壤水分的相關(guān)數(shù)據(jù)獲取為河南省氣象科學(xué)研究所生產(chǎn)的GStarDZN2型自動土壤水分觀測儀，該觀測儀通過了人工對比觀測檢驗(yàn)，已經(jīng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行[3]；地上生物量數(shù)據(jù)為呼倫貝爾市牧業(yè)氣象試驗(yàn)站1990—2015年牧業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)，均符合《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》的相關(guān)要求。

土壤相對濕度是表征土壤濕潤程度的一種定量方法，與土壤墑情存在著明顯的對應(yīng)性關(guān)系，用土壤質(zhì)量含水率占田間持水量的百分?jǐn)?shù)來計(jì)算[4]，牧草生長發(fā)育與土壤水分狀況具有相關(guān)性[5-6]。距平是氣象上常用的量，即對平均值的正常情況的偏差，資料中某一個數(shù)值與平均值之差為距平，距平百分率表示為（實(shí)測值-同期歷史均值）與同期歷史均值的比值[7]，本研究歷史均值為1981—2010年該地區(qū)平均值。研究表明0～30 cm土壤水分是影響牧草生長的關(guān)鍵因子，10 d以內(nèi)的土壤缺水不會形成草地干旱，因此，本研究以10 d作為評價干旱的最小時間單位[8]。本研究用GStarDZN2型自動土壤水分觀測系統(tǒng)客戶端軟件，形成土壤相對濕度0～30 cm數(shù)據(jù)，與天然草場地上生物量進(jìn)行相關(guān)性分析，得出線性模型，并通過土壤相對濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候因子變化分析

4—10月平均氣溫最低為2013年，距平百分率為-4.31%；最高為2015年，距平百分率為9.48%；降水量最少年份為2015年，距平百分率為-13.75%；降水量最多年份為2013年，距平百分率為83.10%；7月平均氣溫最低為2014年，距平百分率為-4.93%；最高為2015年，距平百分率為9.36%；7月總降水量最少年份為2015年，距平百分率為-67.85%；降水量最多年份為2013年，距平百分率為136.57%，氣溫高，降水特少是導(dǎo)致2015年干旱的主要因素。

3.2 土壤相對濕度變化分析

因?yàn)橛^測儀器是通過震蕩反射頻率與土壤含水量之間的關(guān)系來確定土壤水分[9]，土壤凍結(jié)成固體冰晶后測量值無效，所以可以忽略，因此以下分析均從4月30日至9月30日。2012年7月20日至8月20日土壤相對濕度較差，0～30 cm土壤平均相對濕度呈下降趨勢，最低為25.82%，但前期土壤相對濕度維持在較好水平，5月31日至7月10日，土壤相對濕度最低為29.75%?？傮w來看，2012年土壤相對濕度較差，前期土壤水分基本能夠滿足植物所需水分，7月中旬至8月中旬有干旱發(fā)生，7月末地上生物量與歷年（25 a）同期平均值相比少25.24%（圖1）。

2013年，全年土壤相對濕度特好，0～30 cm平均土壤相對濕度最低為41.11%，由于該地區(qū)土壤性質(zhì)以沙壤土為主，所以較多降水對植物影響不大，7月末地上生物量與歷年（25 a）同期平均值相比多33.98%（圖2）。

2014年在植物需水量最大的6、7月份，土壤相對濕度較好，6月10日至7月31日0～30 cm平均土壤相對濕度最低為35.85%。8月10日后土壤水分呈持續(xù)下降趨勢，屬于秋旱，但8月土壤水分對該地區(qū)牧草生長影響較小。7月末地上生物量與歷年（25 a）同期平均值相比多26.99%；8月末地上生物量與歷年（25 a）同期平均值相比多20.04%（圖3）。

土壤水分下降是緩慢過程，較長時間無有效降水，才能導(dǎo)致土壤相對濕度最低值降到很低。2015年鄂溫克旗出現(xiàn)干旱災(zāi)情，從圖4中可以看出6月30日至7月31日0～30 cm平均土壤相對濕度維持在較低水平，最低值為19.45%，嚴(yán)重影響植物生長，雖然8月10日后期土壤相對濕度較好，8月10日至20日是該年最好水平，土壤相對濕度達(dá)到53.70%以上，但牧草已經(jīng)進(jìn)入籽粒成熟期，產(chǎn)量已基本確定，所以干旱導(dǎo)致牧草產(chǎn)量下降嚴(yán)重，7月末地上生物量與歷年（25 a）同期平均值相比少32.27%；8月末地上生物量與歷年（25 a）同期平均值相比少32.41%（圖4）。

對比分析可以得出，6月下旬至7月中旬是植物需水關(guān)鍵期。7月是植物地上生物量鮮質(zhì)量最大月份，但2015年因?yàn)?月土壤水分低，導(dǎo)致地上生物量鮮質(zhì)量比6月小，得出植物有枯黃失水現(xiàn)象，有干旱發(fā)生。通過表1數(shù)據(jù)對7月0～30 cm平均土壤最低相對濕度（X）與牧草產(chǎn)量（Y）進(jìn)行相關(guān)分析，得出兩者呈正向顯著相關(guān)，見關(guān)系式1，說明7月0～30 cm平均土壤最低相對濕度每增減1%，牧草產(chǎn)量將增減10.4 g/m2。

關(guān)系式 1：Y＝55.417+10.411X

相關(guān)系數(shù)R＝0.973。

表1 2012—2015年平均土壤相對濕度最低值（0～30 cm）與月末總產(chǎn)量對比

4 結(jié)論

干旱不僅與缺雨程度有關(guān)，它還具有累積效應(yīng)，缺雨持續(xù)時間越長成災(zāi)越大。干旱的影響還有明顯的時段性差異，這與植物不同生長階段的缺雨敏感度不同有關(guān)[9]。6月上旬至8月下旬是土壤水分變化量顯著時期，這一時期是天然牧草生長旺盛時期，需水量較大，蒸騰強(qiáng)烈[10]。同時，一個理想的干旱指數(shù)應(yīng)該同時滿足普適性、理論性、實(shí)用性、可比性、易理解性、時效性和無量綱性等多方面的特征[11]。GStarDZN2型自動土壤水分觀測儀能很好表達(dá)出實(shí)時的土壤水分狀況，滿足干旱指數(shù)需求。

參考文獻(xiàn)：

［1］GB/T 17297-1998.中國氣候區(qū)劃名稱與代碼氣候帶和氣候大區(qū)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998：3-4.

［2］布和敖斯，朗巴達(dá)拉呼，蔣立宏，等.鄂溫克族自治旗草地資源與評價［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2013：4-5.

［3］單新蘭，張吉周，李新慶，等.自動土壤水分站資料質(zhì)量控制及其相關(guān)關(guān)系分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：236-237，243.

［4］DB 15/T 510-2012.內(nèi)蒙古農(nóng)田、草地土壤相對濕度等級指標(biāo)［S］.呼和浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)，2012：2.

［5］烏 蘭，烏蘭巴特爾，李云鵬，等.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)牧業(yè)氣象服務(wù)體系研究［M］.北京：氣象出版社，2009：182-184.

［6］付麗娟，宮春寧，德勒格日瑪.內(nèi)蒙古地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)評估［J］.內(nèi)蒙古氣象，2012，199（2）：11-16.

［7］黃嘉佑.氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法［M］.北京：氣象出版社，2004：4-5.

［8］陳海波.DZN2型自動土壤水分觀測儀常見問題分析［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（3）：54-57.

［9］烏蘭巴特爾，劉壽東.內(nèi)蒙古草地旱災(zāi)研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14（1）：66-69.

［10］王彥平，金 磊，宋衛(wèi)士，等.呼倫貝爾西部草原土壤干旱特征分析［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2012（5）：90-93.

［11］張 強(qiáng)，張 良，崔顯成，等.干旱監(jiān)測與評價技術(shù)的發(fā)展及其科學(xué)挑戰(zhàn)［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26（7）：763-778.