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高温干旱期间土壤—植被—大气系统水分特征
魏 丽，杜筱玲，刘文英
（江西省环境预报中心，江西 南昌 330046）
摘
要：根据农田实际观测资料，利用改进的彭曼公式和设计的高温强度指数等，分析了江西省2003年特大高温干旱期间土壤水分特征、农田蒸发散量、高温强度指数与土壤水分的响应关系。结果表明，2003年6～9月特大高温干旱期间，江西省土壤-植被-大气系统的水分变化特征与高温干旱的空间分布、强度有较好的一致性，但土壤水分的最低值与高温强度的峰值有10
d左右的滞后效应。
关键词：高温干旱 土壤 植被 大气
水分 特征
中图分类号：S423；S152.7+3 文献标识码：A 文章编号：1007－9033（2004）04－0022－05
1 高温干旱期间土壤水分特征
土壤水分是水分平衡的组成部分，是作物耗水的直接来源之一，其变化可在一定程度上反映洪涝干旱的演变过程。可测定的土壤水分特征值主要有土壤重量含水率、土壤相对湿度、土壤总水分贮存量、土壤有效水分贮存量等。2003年江西高温干旱期间，由于降水偏少，蒸发强，各地土壤墒情持续偏差。根据江西省南康、湖口2站固定观测地段（旱地）的土壤水分测定资料，对0～50
cm分层进行土壤水分特征值分析。所用资料为每旬逢8测定，并可代表测定日所在旬的土壤水分状况。
1.1 各层土壤重量含水率分析
土壤重量含水率指土壤含水量占干土重的百分比。2003年南康、湖口0～10、10～20、20～30、30～40、40～50
cm土壤重量含水率的逐旬变化如图1所示。由图1可以发现，6月下旬以后，两测点各层土壤重量含水率基本持续低于20%。南康0～30
cm土壤重量含水率在7月下旬达全年最低值，分别为10.1%、11.3%、12.3%；30～50
cm土壤重量含水率在8月上旬达最低值，分别为13.1%、13.8%。湖口在8月上旬、11月上旬达年最低值。其中8月上旬各层土壤重量含水率分别是7%、8.1%、11.3%、12.9%、14.2%，11月上旬分别是7%、8%、9.9%、11.6%、13.7%。因此，全省性土壤干旱明显发生期在7～8月，赣北11月土壤干旱也很明显，加上2003年秋冬季降水仍偏少，土壤干旱一直持续到年底。
另外，全年0～50 cm各层平均土壤重量含水率分别为19.6%、18.8%、19.3%、19.6%、19.7%。其中10～20
cm土壤重量含水率最低，40～50
cm最高。6～9月各层平均为15.9%、16.5%、17.3%、17.5%、17.7%，各层土壤重量含水率比年平均值偏小3.7%、2.3%、2.0%、2.1%、2.0%。因此，6～9月各层土壤干旱程度重于其它月份。
6～9月江西高温干旱期间，0～50
cm平均土壤重量含水率湖口仅为16.12%，南康为18.28%。这表明2003年6～9月赣北土壤墒情平均情况差于赣南。
1.2 土壤相对湿度分析
土壤相对湿度是土壤重量含水率占田间持水量的百分比，其变化趋势与土壤重量含水率基本一致。其中南康6～9月0～50
cm平均土壤相对湿度分别为84.9%、85.2%、91.8%、93.3%、94.9%，耕作层土壤相对湿度（0～20
cm）低于60％的时段出现在7月中旬～8月上旬。其中以7月下旬为最低，土壤相对湿度为48%～50％。湖口6～9月各层平均土壤相对湿度分别为65.6%、68.2%、76.5%、75.3%、86.6%。其中0～20
cm平均相对湿度低于60％的时段出现在7月中旬～8月上旬，最低值出现在8月上旬，土壤相对湿度为30％左右。各层土壤相对湿度分析结果表明，7月中旬～8月上旬全省土壤墒情最差，赣北比赣南土壤相对湿度最低值滞后10
d左右。湖口土壤相对湿度比南康小，主要是因为2003年7～9月降水总量及各月降水量湖口均明显少于南康，且土壤质地、贮水能力和观测地段也存在差异。
1.3 土壤水分总贮存量与有效水分贮存量分析
土壤水分总贮存量与有效水分贮存量是表征土壤贮水能力的因子。土壤水分总贮存量是指一定深度（厚度）的土壤中总的含水量，以水层深度（mm）表示。有效水分贮存量是指土壤中含有的大于凋萎湿度的水分贮存量，是作物能直接吸收利用的有效部分。资料分析表明，南康10
cm厚度土壤水分总贮存量及有效水分贮存量均于7月下旬达最低值（图2a、b），湖口最低值出现在8月上旬（图2c、d）。从平均状况看，南康6～9月10
cm厚度土壤水分平均总贮存量、有效水分平均贮存量分别为26.3、12.5 mm；湖口分别为24.8、14.9
mm。由于土质及土壤结构不同，湖口的土壤水分总贮存量均比南康低；但因凋萎湿度的差异，土壤的有效水分贮存量则是湖口较高。
1.4 土壤水分特征值与降水的关系
土壤水分的主要来源是降水。分析湖口降水量与0～50
cm各土壤水分特征值的逐旬变化（图3），可以发现二者呈明显的正相关。其中6月上旬～下旬、8月上旬～中旬、9月上旬～中旬降水相对较多，各土壤水分特征值的变化相应呈上升趋势；其余时段降水相对较少，土壤水分含量也逐渐降低，且降水的波动幅度较土壤水分特征值大。
2 高温强度与土壤水分特征值的响应关系
为了分析高温强度的时空分布与土壤水分特征的时间响应关系，设计了高温强度指数，以反映全省和各设区市的综合高温强度。分析结果表明，各土壤含水量的最低值滞后于高温强度峰值时段约10
d。
2.1 高温强度指数（HTI）的定义
高温强度指数（HTI）的计算公式为：HTI=(∑∑Tmax×K)/N。其中K为高温强度系数，当日最高气温≥35
℃时，其定义方式为：当35.0 ℃≤Tmax＜36.0 ℃时，K=0.1；当36.0 ℃≤Tmax＜37.0 ℃时，K=0.2；当37.0 ℃≤Tmax＜38.0
℃时，K=0.3；当38.0 ℃≤Tmax＜39.0 ℃时，K=0.4；当39.0 ℃≤Tmax＜40.0 ℃时，K=0.5；当Tmax≥40.0
℃时，K=0.6。
区域高温强度指数HTI是指该区域所有气象站某旬每站次≥35 ℃的实际值与高温强度系数乘积之和(∑∑Tmax×K)再除以参与计算的区域台站数（N）。HTI可反映区域高温强度状况。根据HTI的定义，计算了江西省2003年6月上旬～9月下旬全省及各设区市逐旬高温强度指数，其时间分布如图4所示。
2.2 江西省及各设区市高温强度指数分析
分析图4可知，全省及各设区市高温强度指数最大值出现在7月下旬，全省平均HTI为1 522.1，以抚州市1
922.1为最大；8月上旬为次高值，全省HTI平均值为1 306.1，最大值出现在景德镇市（1
638.3）；仅赣州市高温强度指数的次高值出现在7月中旬，为1 089.3。
2.3 高温强度指数与土壤含水量的响应分析
分析高温强度指数与土壤含水量的时间曲线图可知，位于江西北部的湖口县土壤含水率、土壤相对湿度、土壤总贮水量、土壤有效含水量最低值均出现在8月上旬，比高温强度指数的峰值时段滞后10
d左右。位于江西南部的南康市土壤各水分最低值出现在7月下旬，但江西南部7月中旬高温强度为次高值区。综合分析可以发现，南部地区土壤含水量的低值区仍出现在强高温时段的后半段，即滞后强高温时段也在10
d左右。
3 高温干旱期间蒸发量的时空变化
3.1 逐旬变化特征
根据江西87个气象站小型蒸发器的蒸发量资料（指水面蒸发量），计算并得到2003年6～9月全省平均蒸发总量的逐旬变化图（图5）。由图5可知，江西省2003年6～9月平均旬蒸发量为47～105.4
mm。其中最低值出现在8月中旬。最高值在7月下旬，为105.4 mm；次高值为100.3
mm，出现在7月中旬。7月上旬～8月上旬是持续强蒸发期，旬蒸发量均超过85
mm；6～9月旬蒸发量有2次明显增大的时段，分别是6月下旬～7月上旬、8月中旬～8月下旬。
3.2 蒸发量的地理分布
受平均气温、水汽压、日照、风等气象因素的影响，江西省各地的蒸发量有一定差异。江西6～9月蒸发总量的东西带状分布较明显，东部高，西部低；全省6～9月平均蒸发总量为878.1
mm。其中赣南南部和西部、赣中西部边缘山区、赣西北蒸发量低于800 mm，以庐山602.0
mm为最低；赣州北部、吉泰盆地、南昌、鹰潭及抚州、上饶2市的大部地区蒸发总量超过900 mm，以南丰1 122.0
mm为最高；全省其它地区蒸发总量为800～900
mm。与历史同期相比，吉泰盆地、抚州市、赣东北部分地区、萍乡等地偏多2～4成，修水、莲花基本同常年，全省其它地区为略偏多。
4 高温干旱期间的农田水分盈亏分析
农田水分盈亏是综合考虑水分收支，分析农田干湿程度的有效评价方法。农田水分盈亏与水分收支受降水量、农田水分消耗等影响。其中包括土壤蒸发、作物蒸腾等因素的影响。因此，高温干旱期间农田水分盈亏是评价高温干旱程度的重要指标。
4.1 作物需水量分析
作物需水量是指在有水分充分供应的大田条件下，作物生长期内某一时期或全生育期内，作物的同化作用、蒸腾过程、物理蒸发过程以及土壤蒸发过程对水分的总需求量，一般用潜在蒸散（气候学上也称蒸发力）进行描述。
蒸发力是作物需水量的1个重要气候学评价指标，其计算方法很多。由英国的彭曼（Penman，H.L.）在空气动力学和能量平衡法基础上创造的用于计算蒸发能力的Penman法，因其严谨可靠的物理意义，使其在农田蒸散量的计算中得到广泛应用。但其研究对象多为我国北方的干旱、半干旱地区，南方湿润地区的相关研究较少。在已有研究的基础上，针对江西季风气候特点，对Penman公式进行简化，对太阳总辐射、有效辐射、干燥力及相关因子进行经验确定后，可得到适用于江西自然气候区的日蒸发力估算模式：
ET=*[0.8*(B0+B1*S)-1.9*T*(0.6259-0.1186*)*(0.1+0.9*)]+*(0.2+0.066*U)*(e-e)
上式中，ET为最大可能蒸发散量；γ为干湿表常数；⊿为饱和水汽压与温度的曲线斜率；S为日照时数；TK为绝对温度；e为饱和水汽压；ed为实际水汽压；U为平均风速；为实际日照占可照时数的百分率；B0、B1为计算太阳总辐射时与日照有关的系数。根据统计分析和推算，江西省6～9月⊿/（⊿+γ）、γ/（⊿+γ）、B0、B1等参数的取值如表1所示。
4.2 江西高温干旱期间作物需水量的时空分布
4.2.1 作物需水量的空间分布
2003年6～9月江西高温干旱期间作物需水量的空间与距平分布如图6所示。由图6可知，江西省作物需水量为506.5～838.2
mm，金溪最大，井冈山最小。其中吉泰盆地、赣北中部和东部、抚州大部及赣南北部地区>750
mm，为高值区；赣西北山区、赣南南部山区及井冈山、崇义等地<650 mm，为低值区；全省其它地区6～9月蒸发力为650～750
mm。与历年同期相比，除九江部分地区偏少外，全省大部分地区偏多。其中金溪偏多最多，达127.4 mm。
4.2.2 作物需水量的时间变化
选择湖口、泰和、龙南分别作为赣北、赣中、赣南的代表站，计算并绘制了2003年6～9月高温干旱期间蒸发力的逐旬变化（图7）。
3站蒸发力在高温干旱期间出现2个峰值期和2个低值期。其中赣北的湖口、赣中的泰和第一个峰值期在7月下旬（分别为105.9、99.8
mm），赣南的龙南（81.0 mm）在7月中旬；第二个峰值期出现在8月下旬。低值期出现在6月下旬和8月中旬。
1971～2003年，江西6～9月蒸发力的年际变化如图8所示。由图8可见，蒸发力的年际波动较大，但总体变化趋势以下降为主，只是在1997年后有较明显上升。70年代出现2次明显高值年，也是33
a中蒸发力最大与次大值年，分别是1971年（788.4 mm）、1978年（767.3
mm）；进入80年代后，蒸发力变化相对平稳，至90年代，期间出现3次蒸发力低值年：最低为532.5 mm，在1997年；次低为586.3
mm，在1993年；其次为599.1 mm，在1982年。1997年以后，蒸发力有较明显的上升趋势，至2003年高达727.5
mm，是70年代以来的第三高值年。
4.2.3 农田降水蒸发差分析
农田降水蒸发差是分析水分盈亏的重要指标，其定义为：D=R-EP。其中EP为农田实际蒸散量，R为实际降水。受作物影响，农田实际蒸散量与作物类型、植被覆盖程度及土壤水分含量有关。对蒸发力进行订正后，可估算农田实际蒸散量，其订正系数（也有文献称为作物系数）视作物覆盖程度而定。根据Wright(1982年)在Kimberly的试验资料，平均作物系数在作物播种和苗期约为0.25～0.3，旺长期为0.35～0.9，当植被完全覆盖地面后为1.0。
江西省6～9月是各类作物旺长期，平均订正系数可取0.80。根据江西省自然气候区的蒸发力模式及订正系数，按水分盈亏分析指标，计算了江西2003年6～9月高温干旱期间农田降水蒸发差的地理分布，发现2003年6～9月农田降水蒸发差变化幅度较大。其中最小值为-430.3
mm，出现在赣中的吉安；最大值为450.6
mm，出现在赣南的定南；赣南北部、吉安与抚州大部及其它局部地区降水量明显小于农田蒸发量，水分亏缺达200
mm以上；而赣州南部、赣西北大部、婺源、丰城、樟树、余江、乐安、泰和、井冈山等局部地区降水量大于蒸发量，农田水分有盈余。其中赣南南部盈余最多，达288～451
mm。
5 结语
研究结果表明，土壤-植被-大气系统的水分变化特征与高温干旱的空间分布、强度有较好的一致性，土壤水分的最低值与高温强度的峰值有10
d左右的滞后效应。土壤水分是表征干旱的客观因子，今后应根据土壤-植被-大气系统水分循环特征，进一步开展土壤水分的预报研究工作。
Features
Of Moisture In Soil-Plant-Atmosphere System
During High Temperature And Drought Term
WEI Li , DU Xiao-ling , LIU Wen-ying
(Jiangxi Meteorological Observatory, Nanchang 330046,China )
Abstract: With filed monitoring
data and by optimized Penman formula and High Temperature Intensity
Index established, this paper analyzed the responding relations among
the moisture features, field evaporation, high temperature intensity
index and soil moisture during 2003’s catastrophic drought with high
temperature. The results showed during Jun.～Sept. of 2003 year there
were good consistent relations among features of moisture In
Soil-Plant-Atmosphere system and the spatial distribution, intensity of
the drought with high temperature, but there were 10 days lagging
phenomena existing between the minimum values of soil moisture and the
top values of high temperature intensity.
Key words: Drought with high temperature Soil Plant Atmosphere
Moisture Feature
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收稿日期：2004年10月10日
作者简介：魏 丽（1961-）,女，正研级高级工程师，博士在读，主要从事应用气象与遥感技术应用研究。 |
