張 云， 曹 言， 王 杰， 張 雷， 戚 娜

(1.云南省水利廳，云南昆明 650021；2.云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明 650228)

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基于土壤墑情的云南干旱分析

張 云1， 曹 言2*， 王 杰2， 張 雷2， 戚 娜2

(1.云南省水利廳，云南昆明 650021；2.云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明 650228)

根據(jù)2008—2012年云南省23個(gè)土壤墑情站點(diǎn)土壤含水量和日降水?dāng)?shù)據(jù)，研究土壤墑情與降水、溫度的關(guān)系，并基于土壤相對(duì)含水量分析云南省干旱的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明，不同深度土壤平均相對(duì)含水量的最大值與降水關(guān)系顯著，均出現(xiàn)在6—8月，且基本滯后降水最多月份1個(gè)月，其出現(xiàn)時(shí)間呈現(xiàn)出由東南向西北推遲的變化趨勢(shì)；而不同深度土壤平均相對(duì)含水量的最小值與氣溫關(guān)系顯著，均出現(xiàn)在3或4月，其出現(xiàn)的時(shí)間大致與旱季(11月—次年4月)最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間一致。云南省干旱主要發(fā)生在1、3、11和12月，其中11和12月旱情最為嚴(yán)重；在空間分布上，1和3月干旱主要分布在云南西部，尤其是滇西南、滇西北和滇中，11和12月干旱主要分布在云南東部，尤其是滇中和滇東南。

土壤墑情；土壤相對(duì)含水量；干旱；云南省

干旱發(fā)生的過(guò)程緩慢，歷時(shí)數(shù)月或數(shù)年，影響范圍大，不僅對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大的影響，還會(huì)產(chǎn)生一些次生影響[1-2]，如干旱引起高原湖泊水位降低，從而減弱湖泊水循環(huán)，導(dǎo)致湖泊水質(zhì)惡化等。土壤水分變化主要是由于降水的變化、土壤質(zhì)地以及地表植被覆蓋情況影響的[3]，因此土壤墑情對(duì)干旱發(fā)生早期和旱情發(fā)生過(guò)程具有重要的指示作用[4]，其不僅可以揭示局地氣候變化，也可以表明流域前期總有效降水對(duì)土壤含水量的影響[5-6]。而土壤墑情的監(jiān)測(cè)不僅是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，也可以為農(nóng)業(yè)節(jié)水生產(chǎn)和主管部門(mén)提供必需的土壤墑情定量信息和空間分布，從而提高節(jié)水農(nóng)業(yè)宏觀管理決策的科學(xué)化水平[7]。

目前國(guó)內(nèi)相繼開(kāi)展了許多土壤墑情相關(guān)研究[8-10]，如房穩(wěn)靜等[8]基于河南省30多個(gè)土壤墑情站的土壤測(cè)墑資料對(duì)冬小麥土壤干旱特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的研究；陳小鳳等[10]建立了基于土壤墑情、降水量及地下水埋深的綜合旱情評(píng)估預(yù)測(cè)模型，分別對(duì)2008年冬旱和2009年3月份干旱進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)估。云南省氣象災(zāi)害呈現(xiàn)種類(lèi)多、頻率高、分布廣、區(qū)域性突出等特點(diǎn)，其中旱災(zāi)影響范圍最廣[11]，且目前農(nóng)業(yè)灌溉及其抗旱等農(nóng)事生產(chǎn)活動(dòng)中仍以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。因此，筆者根據(jù)云南省23個(gè)土壤墑情站點(diǎn)土壤含水量和日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析土壤墑情與降水和溫度的關(guān)系，并基于土壤相對(duì)含水量分析云南省干旱的時(shí)空分布特征，為決策部門(mén)制定防御干旱災(zāi)害措施、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)進(jìn)行科學(xué)灌溉提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 云南省位于97°32′～106°11′E、21°08′～29°15′N(xiāo)，地勢(shì)呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢(shì)，地形以山地為主，占全省總面積的94%，盆地或湖泊面積僅占6%， 土壤類(lèi)型多達(dá)16種，其中以紅色和黃色酸性土壤為主，兼有暗棕壤、紫色土、亞高山原草甸土、石灰?guī)r等。全省屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候，立體氣候明顯，多年平均氣溫為5～24 ℃，降水時(shí)空分配極不均勻，多年降水量為1 278.8 mm，其中汛期(5—10月)降水量占年降水量的85%，枯水期(11月—次年4月)降水量?jī)H占年降水量的15%；空間上呈現(xiàn)南多北少、西多東少，山區(qū)大、平壩和河谷少的特點(diǎn)。

1.2 指標(biāo)及方法

1.2.1 土壤墑情。土壤墑情數(shù)據(jù)來(lái)源于云南省水文水資源局，共包括23個(gè)土壤墑情站點(diǎn)(圖1)數(shù)據(jù)資料，時(shí)間序列為2008—2012年，時(shí)間尺度為月，其中土壤濕度采樣深度為10、20和40 cm 層次的土壤重量含水量，數(shù)據(jù)選擇時(shí)盡量選擇無(wú)資料缺失或具有代表性的站點(diǎn)。

圖1 云南省土壤墑情站點(diǎn)分布Fig.1 The spatial distribution of the soil moisture monitoring stations in Yunnan Province

1.2.2 土壤相對(duì)含水量。土壤相對(duì)濕度指標(biāo)是目前研究比較成熟且能較好反映作物旱情狀況的可行指標(biāo)[12]。土壤相對(duì)濕度一般以土壤重量含水量與田間持水量的比值表示，旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中建議采用的土層深0～40 cm[13]，計(jì)算公式為：

R=W/fc，式中，R為土壤相對(duì)含水量(%)；W為土壤重量含水率(%)；fc為土壤田間持水量(%)。通過(guò)此公式計(jì)算出云南省23個(gè)土壤墑情站點(diǎn)的月平均土壤相對(duì)含水量(即土壤相對(duì)濕度)，按照土壤相對(duì)濕度旱情等級(jí)表，對(duì)土壤相對(duì)含水量R與干旱等級(jí)關(guān)系進(jìn)行了定義：R≥60%(無(wú)旱)、50%≤R<60%(輕度干旱)、40%≤R<50%(中度干旱)、30≤R<40%(嚴(yán)重干旱)、R<30%(特大干旱)，進(jìn)而分析2008—2012年云南省干旱的時(shí)空分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤墑情與降水的響應(yīng) 選取滇西北的橋頭站、滇東北的三棵樹(shù)站、滇東南的沙壩和榮峰站、滇西南的盈江和大茨坪站，以及滇中的紫金、黃家坡、東風(fēng)和綿羊沖站，分析2008—2012年各站點(diǎn)不同月份不同土層間土壤平均相對(duì)含水量與降水的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，除沙壩、東風(fēng)、三棵樹(shù)和盈江站的不同深度土壤含水量最大值出現(xiàn)在降水最多月份外，其余站點(diǎn)不同深度土壤含水量最大值均出現(xiàn)在降水最多月份后的1個(gè)月，具有1個(gè)月的滯后性。各土壤墑情站不同深度土壤平均相對(duì)含水量的最大值均出現(xiàn)在6—8月，也是云南省降水最集中的季節(jié)，其中滇東南沙壩站不同深度土壤平均相對(duì)含水量的最大值出現(xiàn)在6月，滇西北橋頭站、滇西南大茨坪站和滇中紫金站不同深度土壤平均相對(duì)含水量的最大值均出現(xiàn)在8月，其余土壤墑情站不同深度土壤平均相對(duì)含水量的最大值基本上出現(xiàn)在7月，由此可見(jiàn)，云南省不同深度土壤相對(duì)含水量最大值出現(xiàn)的時(shí)間呈現(xiàn)出由東南向西北推遲的變化趨勢(shì)。

圖2 各站點(diǎn)不同月份不同土壤層土壤相對(duì)含水量與降水的變化Fig.2 Variation of soil relative water content and precipitation in different soil layers in different months of each site

2.2 土壤墑情與溫度的響應(yīng) 選取滇西北橋頭、滇東南榮峰和沙壩、滇西南螞蟻堆、滇中東風(fēng)站作為典型樣點(diǎn)，分析2008—2012年各站點(diǎn)不同月份不同土層間土壤平均相對(duì)含水量與氣溫的關(guān)系(圖3)發(fā)現(xiàn)，各土壤墑情站的最高氣溫均出現(xiàn)在6—7月，其中除滇東南地區(qū)的沙壩站和榮峰站最高氣溫出現(xiàn)在7月，其余地區(qū)各站點(diǎn)最高氣溫均出現(xiàn)在6月。不同深度土壤平均相對(duì)含水量最大值出現(xiàn)的時(shí)間與氣溫變化沒(méi)有顯著的關(guān)系，但在旱季(11月—次年4月)，不同深度土壤相對(duì)含水量的最低值出現(xiàn)的時(shí)間與最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間基本一致，均出現(xiàn)在3或4月，且大部分站點(diǎn)不同深度土壤平均相對(duì)含水量在4月呈現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，主要是由于一方面此時(shí)降水較少，氣溫較高，土壤水分蒸發(fā)變大，且春季正是農(nóng)作物大量需水高峰時(shí)期[14]，導(dǎo)致土壤相對(duì)含水量偏低；另一方面，5月云南省進(jìn)入雨季，降水增多，土壤相對(duì)含水量呈上升趨勢(shì)。

圖3 各站點(diǎn)不同月份不同土壤層土壤相對(duì)含水量與氣溫的變化Fig.3 Variation of soil relative water content and temperature in different soil layers in different months of each site

土壤相對(duì)含水量的變化主要受蒸散發(fā)和降水等因素影響，而降水和氣溫是調(diào)節(jié)土壤相對(duì)含水量變化的主要方式[15]。根據(jù)以上分析，土壤相對(duì)含水量能夠較好地反映降水和溫度的變化情況，在雨季降水變化對(duì)土壤相對(duì)含水量影響顯著，而在旱季溫度變化對(duì)土壤相對(duì)含水量影響顯著，因此通過(guò)土壤相對(duì)含水量能夠較為準(zhǔn)確、及時(shí)地反映出云南干旱情況。

2.3 基于土壤墑情的云南干旱分析

2.3.1 干旱時(shí)間。根據(jù)2008—2012年各月土壤相對(duì)含水量，查看干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分析月尺度下云南省不同旱情的時(shí)空分布特征。從圖4可以看出，1、2、3、4、5、11和12月旱情頻發(fā)，其中1、3、11和12月出現(xiàn)干旱范圍最廣，且12和11月旱情最為嚴(yán)重。2008年除5—8月外，其余月份旱情較為嚴(yán)重，其中12和2月出現(xiàn)干旱范圍最廣且旱情最為嚴(yán)重，特旱面積所占全省面積的比例分別達(dá)13.57%和27.52%；而2009年旱情最為嚴(yán)重，呈現(xiàn)出連續(xù)性的干旱，全省84.48%以上的地區(qū)出現(xiàn)不同程度的干旱，其中12月干旱面積最大且旱情最嚴(yán)重，特旱和重旱所占面積比例分別為84.84%和8.78%；2010年則較2009年旱情有所緩解，旱情主要出現(xiàn)在1、2、5和12月，其中12月干旱面積最大，其所占面積比例達(dá)97.36%，1月旱情最嚴(yán)重的，特旱和重旱所占面積比例分別為58.92%和24.32%；2011年干旱主要發(fā)生在1—5月，其中1月干旱面積最廣且旱情最為嚴(yán)重，特旱和重旱所占面積比例分別為48.72%和40.83%；2012年干旱主要發(fā)生在1—5、11—12月，其中12月干旱面積最廣且旱情最為嚴(yán)重，特旱和重旱所占面積比例分別為18.72%和47.81%。

2.3.2 干旱空間。由于云南省降水時(shí)空分布不均勻、陸地蒸發(fā)量較大，導(dǎo)致土壤墑情空間變化差異顯著。從土壤墑情的空間分布(圖5)來(lái)看，在干旱頻發(fā)的1、3、11和12月全省大部分地區(qū)均出現(xiàn)不同程度的旱情，在干旱較輕的2008和2012年，干旱范圍基本上是從滇西南向滇中和滇東南轉(zhuǎn)移，而干旱嚴(yán)重的2009—2011年，干旱范圍基本上從滇西北、滇東北和滇西南向滇中和滇東南轉(zhuǎn)移，且旱情基本呈加劇趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，1和3月干旱主要分布在云南西部，尤其是滇西南、滇西北和滇中，而11和12月干旱主要分布在云南東部，尤其是滇中和滇東南。

注：a.2008年；b.2009年；c.2010年；d.2011年；e.2012年。Note:a.2008；b.2009；c.2010；d.2011；e.2012.圖4 2008—2012年云南省各月份旱情分布Fig.4 Distribution of drought in Yunnan province during 2008-2012

圖5 2008—2012年云南省干旱頻發(fā)月內(nèi)旱情空間分布Fig.5 Spatial distribution of drought during the drought season from 2008 to 2012

3 結(jié)論

根據(jù)2008—2012年云南省23個(gè)土壤墑情站的土壤含水量和日降水?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)研究不同深度土壤相對(duì)含水量與降水、溫度的響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而基于土壤墑情分析了云南省2008—2012年干旱時(shí)空分布特征，得出以下結(jié)論：

(1)云南省不同深度土壤平均相對(duì)含水量的最大值均出現(xiàn)在6—8月，且基本出現(xiàn)在降水最多月份后的1個(gè)月，其出現(xiàn)時(shí)間呈現(xiàn)出由東南向西北推遲的變化趨勢(shì)。

(2)雨季土壤相對(duì)含水量與氣溫的變化沒(méi)有顯著的關(guān)系，而在旱季(11月—次年4月)土壤相對(duì)含水量的最小值出現(xiàn)的時(shí)間大致與最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間一致，基本上出現(xiàn)在3和4月。

(3)云南省干旱主要發(fā)生在1、3、11和12月，且11和12月旱情最為嚴(yán)重；在空間分布上，1和3月干旱主要分布在云南西部，尤其是滇西南、滇西北和滇中，而11和12月干旱主要分布在云南東部，尤其是滇中和滇東南。參考文獻(xiàn)

[1] 肖瑤.湘西巖溶地區(qū)干旱特征及治理措施[J].湖南水利水電,2010(2):73-75.

[2] 孫雪萍,房藝,蘇筠.基于旱情演變的社會(huì)應(yīng)災(zāi)過(guò)程分析：以2009—2010年云南旱災(zāi)為例[J].災(zāi)害學(xué),2013,28(2):90-94.

[3] 蘇玉杰，周景春，孔妲,等.耕層土壤含水量消長(zhǎng)顧慮分析[J].水文,2007,27(3):50-56.

[4] 黃麗,顧磊.遙感墑情監(jiān)測(cè)方法研究綜述[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,31(3):59-63.

[5] 馬柱國(guó),魏和林,符淙斌.中國(guó)東部區(qū)域土壤濕度的變化及其與氣候變率的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào),2000,58(3):278-287.

[6] 王愚,胡澤勇,荀學(xué)義,等.藏北高原土壤熱傳導(dǎo)率參數(shù)化方案的優(yōu)化和檢驗(yàn)[J].高原氣象,2013,32(3):646-653.

[7] 劉戈.河南省初步形成覆蓋全省土壤墑情監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[J].河南農(nóng)業(yè),2012(1):14.

[8] 房穩(wěn)靜,林文全,趙龍,等.基于土壤墑情的河南省冬小麥干旱災(zāi)害特點(diǎn)及評(píng)估[C]//S10氣象與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展.沈陽(yáng)：中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2012.

[9] 尹正杰,黃薇,陳進(jìn).基于土壤墑情模擬的農(nóng)業(yè)干旱動(dòng)態(tài)評(píng)估[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2009,28(3):5-8.

[10] 陳小鳳,王再明,王振龍,等.基于土壤墑情模型的旱情評(píng)估預(yù)測(cè)模型研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2014(5):165-169.

[11] 解明恩,程建剛.云南氣象災(zāi)害特征及成因分析[J].地理科學(xué),2004,24(6):721-726.

[12] 王密俠,馬成軍，蔡煥杰.農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)研究與進(jìn)展[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,1998,16(3):119-124.

[13] 中華人民共和國(guó)水利部.旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn):SL424—2008[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[14] 王杰,曹言,張鵬,等.云南省土壤墑情變化特征分析[J].節(jié)水灌溉,2016(5):97-101.

[15] 賈東于,文軍,張?zhí)锰?等.黃土高原降水對(duì)土壤含水量和導(dǎo)熱率的影響[J].高原氣象,2014,33(3):712-720.

Analysis of Drought in Yunnan Province Based on Soil Moisture

ZHANG Yun1,CAO Yan2*,WANG Jie2et al

(1.Water Resources Department of Yunnan Province,Kunming,Yunnan 650021;2.Water Resources and Hydropower Research Institute of Yunnan Province,Kunming,Yunnan 650228)

Based on the soil water content and daily precipitation data of 23 soil moisture stations in Yunnan Province from 2008 to 2012, the relationship between soil moisture and precipitation and temperature were studied, and the spatial and temporal distribution of drought in Yunnan Province was analyzed based on soil relative water content.The results showed that the maximum value of mean relative soil water content in different depths had a significant relationship with precipitation, which appeared in June to August, and the month lagging behind most of the precipitation. The emergence time showed a trend of delaying from southeast to northwest.The minimum value of mean relative water content in different depths was significantly related to air temperature, which appeared in March or April, and the time of emergence was roughly in accordance with the maximum temperature in the dry season (from November to next April).The main drought occurred in January, March, November and December, of which the most severe drought occurred in November and December.In the spatial distribution,the drought in January and March was mainly distributed in western Yunnan, especially in southwest Yunnan, northwest Yunnan and central Yunnan,the drought in November and December was mainly distributed in eastern Yunnan, especially in central Yunnan and southeast Yunnan.

Soil moisture;Soil relative water content;Drought; Yunnan Province

云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012CA021)。

張?jiān)?1986- )，男，云南昭通人，從事水利工程及水資源管理工作。*通訊作者，工程師，碩士，從事水文水資源等研究。

2016-09-08

S 162

A

0517-6611(2016)33-0170-05