鄂州市土壤墑情變化規律與西瓜種植區土壤水分評價指標

張火平，蘇 嫵，姜 潤，葉 永

（湖北省鄂州市氣象局，湖北 鄂州 436000）

水分是制造有機物質的重要原料，是植物體最大的組成部分。土壤水分作為植物生長發育的必備物質，對運輸礦質養分、溶解化學物質、穩定土壤溫度等起重要作用，也是連接大氣與植被的關鍵因子［1］。土壤水分影響地表植被的蒸騰作用和光合作用，影響土壤中微生物的生長與活動，并參與土壤中有機碳的循環，是陸地生態系統的重要控制因子［2，3］。對其開展實時監測，能夠準確地了解土壤水分供應狀況，確定作物適宜的灌溉時間和灌溉量，提高作物水分利用效率和水資源利用效率。土壤濕度的大小與降水量、蒸發量、氣溫、地溫、日照時數、風速、徑流、下滲、側滲和土壤質地等多種因子有關［4-7］。土壤墑情變化對果樹影響的研究，北方主要集中在桃、梨和蘋果等品種上［8-11］，南方主要集中在柑橘、蔬菜、玉米、馬鈴薯、甘蔗等品種上［12-15］。

西瓜（Citrullus lanatusL.）是葫蘆科西瓜屬一年生蔓生藤本植物。果實汁多味美、營養豐富，是世界上重要的經濟園藝作物。中國是西瓜產量最大的國家，2022 年西瓜種植面積達153.94 萬hm2，同比增長1.4%，占全球西瓜總面積的47.71%，西瓜產量為6 324.1 萬t，同比增長2.8%，占全球西瓜總產量的60.61%［16］。據《中國農村統計年鑒》，2021 年鄂州市西瓜種植面積占全市種植面積的15%，達2 000 hm2且有逐年增加的趨勢。西瓜產業的發展對增加鄂州市農民收入、促進當地農村經濟發展具有重要作用。學者們對于不同供水條件對西瓜生理指標影響的研究主要集中在西瓜生育期中的某個階段［17-19］，而對西瓜全生育期的相關研究較少。本研究基于土壤墑情的變化規律，研究土壤水分含量對西瓜生長的影響，建立鄂州市西瓜種植區土壤水分評價指標，旨在為西瓜全生育期的水分管理和節水灌溉提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鄂州市位于湖北省東部，長江中游南岸，114°32'—115°05'E、30°00'—30°06'N。分布有4 種類型的地貌單元，分別是長江沖積階地、丘陵、崗狀平原、沖湖積平原。土壤質地為棕紅壤水稻土，營養狀況為有機質含量較低，嚴重缺磷、硼，大部分缺氮、鉀，局部缺鋅、銅、錳、鐵。0～20 cm土層容重為1.13 g/cm3，田間持水量（質量含水量）為41.01%。屬亞熱帶季風氣候區，年均降雨量為1 371.9 mm，年均日照時數為2 003.8 h，年均無霜期為266 d，平均氣溫17.0 ℃，最高氣溫40.7 ℃，最低氣溫-12.4 ℃。選取鄂州市華容區臨江鄉王埠村志超家庭農場西瓜種植園作為研究區域。

1.2 資料來源

氣象資料源自湖北省鄂州市氣象局，包括鄂州市國家站2015—2020 年逐日降水量、日平均氣溫、日照時數等，中國范圍內1 km 高質量的土壤濕度數據集SMC I1.0（https：//data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data）由國家青藏高原科學數據中心提供［20］。 2018—2019 年，連續2 年觀察水分對西瓜全生育期的影響，記錄觀察結果。

1.3 方法

1.3.1 土壤墑情的測定 利用同時期氣象要素和1 km 高質量的土壤濕度數據集資料（SMC I1.0）統計和分析土壤中的水分變化規律，建立土壤水分預測模型，得到西瓜種植點的土壤水分估計值。

1.3.2 西瓜墑情評價指標體系的建立 根據《農田土壤墑情監測技術規范》（NY/T 1782—2009）、《土壤墑情評價指標》（SL 568—2012）等相關行業標準，結合研究區西瓜不同生育時期需水規律及西瓜種植區棕紅壤水稻土適宜含水量，建立鄂州市西瓜土壤墑情評價指標體系。

2 結果與分析

2.1 土壤墑情變化規律

2015—2020 年土壤水分含量月平均值變化曲線見圖1。由圖1 可知，統計時段內兩層土壤水分月平均值變化曲線高度基本一致，數值（體積含水率）大部分集中在0.42～0.46 m3/m3，3 個明顯的低值區對應的時間段為2016 年8—9 月、2018 年8 月、2019 年8—11 月，通過查詢該時段的氣象要素得知，這3 個時段的降水量異常偏少，出現重旱，溫度偏高，日照時數異常偏多。說明土壤濕度與降水量、平均氣溫、日照時數密切相關。

圖1 2015—2020 年土壤水分月平均變化曲線

分析日平均氣溫數據與7 d 日平均氣溫數據的月變化，發現二者之間的差值在0.19～0.64，同時發現日降水量與7 d 累計降水量月數據變化較小。為了描述方便，數據進行歸一化處理，無量綱，以日平均溫度變化和日降水量變化來描述溫度變化情況。從圖2 可以看出，土壤水分1—6 月變化較小，6—8月下降，8 月達最低值，9—12 月緩慢上升但是沒有達到1—5 月的水平。日降水量1—7 月呈上升趨勢，8 月陡降，較土壤水分變化遲滯1 個月。日平均氣溫1—8 月上升，8 月到達頂點，對應土壤水分跌至谷底。日照時數曲線與土壤水分曲線變化相反。風速曲線平直，與土壤水分曲線的相關性不大。土壤水分的高值區集中在1—6 月，說明鄂州市土壤水分主要受春季連陰雨和梅雨期降水影響，7 月上中旬出梅后迎來盛夏，水分迅速流失，8 月達水分最低點，9月以后溫度降低，降水偏少，土壤水分消耗慢，在秋冬季陰雨（雪）作用下，土壤水分從最低點緩慢上升。季節性氣象因素決定土壤水分的變化。

圖2 土壤水分與氣象因子月平均變化曲線

2.2 土壤水分預測模型的建立

由于氣象要素對土壤水分的影響具有滯后性，某日的土壤水分可能與前期氣象要素也具有較好的相關性［21］，因此，選擇日平均氣溫、7 d 平均氣溫、日降水量、7 d 累積降水量、相對濕度、平均風速、日照時數7 個氣象要素來考察它們之間的關系。

0～10 cm 和10～20 cm 土壤水分月變化曲線高度相似，為衡量各氣象因子與土壤水分的相關程度，僅以0～10 cm 土壤水分數據為例進行分析。將7 個氣象因子與土壤水分數據進行Pearson 相關性分析，結果如表1 所示。除平均風速與0～10 cm 土壤水分相關性較?。▅相關系數|為0.20）外，其余氣象因子與土壤水分的相關性均較高（相關系數＞0.50）；日平均氣溫、7 d 平均氣溫、日照時數與土壤水分呈負相關，其中日平均氣溫的負相關性最大，達-0.91；日降水量、相對濕度與土壤水分呈正相關，其中相對濕度與土壤水分的相關性較大（相關系數為0.84）；日降水量與土壤水分的相關性低于7 d 累積降水量與土壤水分的相關性，日平均氣溫與土壤水分的相關性高于7 d 平均氣溫與土壤水分的相關性。說明土壤水分是前期降水量綜合影響的結果，與氣溫、相對濕度、日照時數關系密切，總體來說，氣象因子對土壤水分的影響是綜合的、復雜的。

表1 各氣象因子與土壤水分的相關性系數

將7 個氣象因子進行主成分分析（表2），KMO檢驗值為0.67，說明變量間相關性較強；球狀度Bartlett 檢驗卡方值為242.38，P＜0.001，自由度=6，說明所選氣象因子宜進行主成分分析；根據初始特征值大于0.5 的原則，提取3 個主成分，累計貢獻率為95%，說明提取效果好。由表2 可知，第1 主成分與日平均氣溫、日照時數、相對濕度、7 d 平均氣溫有關，第2 主成分與日降水量、日平均氣溫、7 d 累積降水量、7 d 平均氣溫有關，第1、第2 主成分中均有溫度因子，說明溫度的變化對土壤水分影響較大。第3 主成分與平均風速有關，風速越大水分揮發越快，導致土壤失水加速。

利用主成分分析建立預測回歸方程，取前2 個主成分建立方程模型，表達式為y= 1.47x2+0.13x3+ 0.70x4+ 0.25x5- 3.07x6+ 404.32。 式中,y為土壤水分預測值，x2～x6分別為日降水量、日平均氣溫、日照時數、相對濕度、7 d 累積降水量、7 d 平均氣溫的觀測值或統計值，決定系數R2=0.864，P＜0.001，達顯著水平。模型預測值與實際值驗證曲線見圖3。由圖3 可知，預測值起伏波動較大，冬、春季預測值偏低，夏、秋季預測值偏高。根據GB/T 22482—2008《水文情報預報規范》，以實測值的20%作為許可誤差，當預報的決定誤差小于許可誤差為合格預報，經誤差驗證，預測值合格率為84.3%，達到乙級預報標準。說明該模型可以進行預報使用。

圖3 預測值與實際值驗證曲線

3 西瓜種植區土壤水分評價指標體系

通過氣象因子建立土壤水分預測模型，計算得到乙級預報標準的試驗結果，在不增加西瓜種植區水分監測設備，減少資金投入和人力投入的情況下，可以提前預測該種植區的水分變化情況。通過實施人工干預，達到增產增收目的?；诙踔菔型寥缐勄榈淖兓幝?，研究土壤水分含量對西瓜生長的影響，建立鄂州市西瓜種植區土壤水分評價指標體系。

3.1 西瓜需水量

西瓜枝葉茂盛，生長迅速，產量高，是需水量較多的作物。據測定，西瓜植株通過光合作用每形成1 g 干物質平均耗水量約700 g，1 株西瓜一生中需消耗500～1 000 kg 水。不同生長發育期對水量的需求不同，1 株2～3 片真葉的幼苗每晝夜蒸騰水量為170 g，雌花開放時達250 g，而長成的植株竟高達幾公斤。應根據西瓜不同時期的需水特點，適時、適量供水。西瓜一生對水分敏感的時期有2 個，一是雌花現蕾到開花期，若此時供水量不足，易造成雌花蕾小、子房瘦小，影響坐果；二是果實膨大期，若此時缺水，則果實小，易出現扁瓜、畸形瓜，嚴重影響產量與質量。雖然西瓜需水量大，但其根系卻不耐水澇，處于水淹環境下1 d 左右，根部就會腐爛，全田死亡，所以要選擇地勢較高、排灌方便的地塊栽植。

3.2 西瓜的需水規律

西瓜需水過程是雙峰曲線，整個生育期的需水規律是從幼苗期開始，隨著幼苗的生長需水量逐步增加，伸蔓期由于瓜蔓迅速伸長，需水量增多達到1個峰值；西瓜從伸蔓期到坐果期進入生殖生長階段，開花、結果需水量下降，西瓜吸水減少；從坐果期至膨瓜期，西瓜吸收水分迅速膨大，需水量達最高峰，如果此階段水分和養分供應不上就會影響西瓜的膨大，造成不可逆轉的損失，即使在變瓤期大量灌水，西瓜膨大也不會很明顯；從膨瓜期至變瓤期，西瓜果肉開始轉色，膨大減緩或不再膨大，此時需水量迅速下降。

1）幼苗期。此階段根系發育較快，而地上部分的莖葉生長非常緩慢，葉片蒸發量少，對土壤水分的消耗相對較少，但在移栽期要有充足的土壤水分來保證移栽后的西瓜苗及時活棵，一般要澆定植水。

2）伸蔓期。此階段地上部分和根系生長發育快，到雌花開放時根系已經定形，莖蔓的生長狀態由直立狀轉為匍匐狀，莖蔓生長迅速。前期適當施肥澆水、促進根系發育，后期應控制追肥和澆水，防止植株徒長，為坐瓜、結瓜創造有利條件［22］。

3）結瓜期。此階段需水量增加，同時，由于氣溫較高、地面水分蒸發量大，導致西瓜葉面的蒸騰量加大，此時應保證充足的土壤水分供應，以促進膨瓜。膨瓜中后期要增加灌水次數和灌水量，保持土壤濕潤，一般2～4 d 灌水1 次，可視天氣、土壤墑情以及植株長勢決定，灌水不及時影響果實膨大，灌水過多易導致土壤過濕影響坐果，甚至爛瓜，影響產量。

綜上所述，土壤水分的高低對西瓜結瓜期影響最大，伸蔓期次之，幼苗期影響較小。一般苗期土壤最大持水量為65%，伸蔓期為70%，而果實膨大期為75%，且不宜大于80%。

4 小結與討論

通過對鄂州市2015—2020 年淺表層0～20 cm 土壤水分歷史數據進行分析，發現該市土壤水分總體變化幅度較小，在大旱缺乏有效降水的年份，平均氣溫偏高，日照時數偏強，土壤水分含量明顯降低，說明土壤濕度與降水量、平均氣溫、日照時數密切相關。

選取日平均氣溫、7 d 平均氣溫、日降水量、7 d累積降水量、相對濕度、平均風速和日照時數7 個氣象因子進行主成分分析，結果表明，土壤水分的變化可以用日降水量、日平均氣溫、7 d 累積降水量、7 d平均氣溫、日照時數、相對濕度等因子來進行表達，預測標準達到乙級預報水平。

采用實時采集的氣象監測數據預報種植區的土壤水分變化，可以有效解決西瓜種植區水分觀測的難題，避免了人工烘干法操作復雜、時效性差的缺點，能夠快速、高效、準確地預報土壤墑情，做好西瓜旱澇時期的排灌措施。

分析了鄂州市土壤墑情變化規律，初步建立西瓜土壤墑情評價指標體系，研究表明該指標體系針對性較強，評價結果合理，對提高水分利用效率，引導種植戶適時種植和科學灌排具有重要意義。采用該評價指標體系，西瓜種植區可以在生長周期或生長旺盛期內適當調整水分供給，不但可以促進西瓜植株的生長，也能保證果實的品質，還能節約有限的水資源，為進一步解決西瓜需水特性提供可靠的理論依據。隨著科學技術的發展和西瓜栽培管理體系的不斷完善，土壤水分問題必將得到解決，達到經濟效益、生態效益和社會效益的和諧統一。