闫伟兄，张永霞，朱永宁，汪进欣，代海燕

1. 宁夏回族自治区气象科学研究所，宁夏 银川 750004；2. 宁夏环境科学研究院（有限责任公司），宁夏 银川 750004；3. 内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051

中国是全球干旱灾害频发的国家之一，因气象灾害造成的经济损失占所有自然灾害损失的 71%，其中干旱灾害造成的损失达53%（姚玉璧等，2016）。干旱作为宁夏地区最常见、影响范围最广、损失最大的自然灾害，已造成生态环境退化、农业减产和绝收、财产损失、人员伤亡、经济损失等多种危害，严重危及自然与社会经济系统的可持续发展（谭春萍等，2014）。干旱发生后，获得客观的旱情数据，对抗旱减灾救灾至关重要。长期以来，国内外对干旱及其指标（指数）进行了大量的研究实验工作（李柏贞等，2014；李娜等，2019；方黎明，2019；王芝兰等，2019；Zhang et al.，2019）。干旱指标是表示干旱程度的特征量，是旱情描述的数值表达，在干旱分析中起着度量、对比和综合等重要作用，是干旱监测的基础与核心（赵丽等，2012）。一般认为，干旱指数应该满足 4个基本条件：（1）合适的时间尺度；（2）可定量评估大范围、长时间持续的干旱情况；（3）应用性强；（4）具有可用或者可以计算的过去较长时间的、准确的指数序列。有人还补充了诸如适用近期状况、能反应干旱成因、具有可比性等（金彩旺等，2011；冯平等，1997）。实践中使用的干旱指数较多，虽不能简单认为某种指数比其他的更加优秀，但对特定领域或地区，的确有一些干旱指数较其他指数更加适合或常用，如土壤湿度就是干旱监测评估最常用的指标之一。

从现有文献和相关标准看（张强等，2006；姚玉璧等，2007；邓英春等，2012；薛昌颖等，2014；吕厚荃等，2015），在土壤墒情和干旱监测评估中，不管采用土壤绝对湿度还是相对湿度，都是将土壤湿度划分为一固定区间，这一做法很少或没有考虑土壤有效水下限问题；对于采用土壤相对湿度的，也很难体现不同地区相同土壤相对湿度对植物提供有效水能力的差异。此外，在土壤有效水范围内，土壤水分对植物的有效性一直存在着等效和非等效性两种观点，对于现有多以等5或等10间隔划分的干旱等级区间，则是默认了土壤水对植物等效性这一观点。如蔡燕等（2009）将土壤有效水进行有效性分级，将其划分为“易效性”、“中效性”、“难效性”3级，对应的土壤相对湿度分别为80%—100%、60%—80%和 60%以下，这一做法本质和前述干旱监测评估中土壤水分等间隔划分区间是一致的，较少考虑不同土壤有效水下限差异的问题。

随着国家经济水平和地面自动观测能力的大幅提升，土壤水文特性基础观测空间密度也得到极大改善。仅宁夏回族自治区气象部门，近5年就新建了 120多台套河南省气象科学研究所研制的DZN2型自动土壤水分观测站，用于土壤相对湿度的观测，与之对应的土壤水文参数是其必须定期（每 5年）开展的观测项目，这为改进基于土壤湿度的干旱指标提供了有利条件。因此，本文以宁夏为例，通过分析土壤田间持水量、凋萎湿度、有效水，引入土壤相对凋萎湿度，构建干旱等级指标，实现基于测站的干旱监测评估，对于提高干旱监测评估的精度有一定意义。

1 研究区概况

宁夏回族自治区地处我国中部偏北内陆，西北地区东部、黄河上中游中段，地理坐标 104°17′—107°40′E，35′14′—39′23′N，最大南北相距 456 km，东西250 km，地势北低南高，山地与平原多交错分布，全区从北至南依次为贺兰山山地、黄河冲积平原、鄂尔多斯高原、同心山间盆地、黄土高原和六盘山地。在腾格里沙漠、毛乌素沙漠与黄土高原交接地带，是中国从半湿润区、半干旱区向干旱区的过渡带和典型的农牧交错区（杨君珑等，2017）。冬季受蒙古高压控制，夏季处在东南季风西行的末梢，具有冬寒长、夏热短、春暖快、秋凉早，干旱少雨、日照充足、蒸发强烈、风大沙多、北暖南凉、北干南湿的特点。利用 1961—2018年间的气象数据统计表明，宁夏年平均气温5.6—9.9 ℃，降水量175.9—644.8 mm，蒸发量1214.3—2482.0 mm，日照时数1997.1—3041.4 h，无霜期105—164 d。

宁夏气候特征南北不一，通常根据自然地理特征和农牧业生产将全区划分为北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区 3个区域（杜灵通等，2015）。北部引黄灌区大体为黄河以北以西的黄河冲积平原地区，中部干旱带大体处于北部引黄灌区以南、海原县以北，南部山区为海原县及以南地区。

宁夏地带性土壤从北向南主要是灰钙土、黑垆土和灰褐土。森林覆盖率 4.9%，天然草场面积208.8×104hm2。植被次生性明显，栽培植物以大田粮油作物为主，人工林、果园、草地等面积少而分散，大致以黄土丘陵北缘或干草原与荒漠草原界限为界，以南为旱作农业区，主要有小麦（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）、马铃薯（Solanum tuberosum）、谷子（Setaria italicaBeaur.）、胡麻（Linum usitatissimum）等；以北为灌溉农业区，主要有水稻（Oryza sativa）、玉米、小麦、向日葵（Helianthus annuus）等。

2 资料与方法

2.1 资料及来源

非扰动土壤的水文特性在一定时段内不会有大的变化。气象观测中土壤湿度测定主要设定固定和作物两种观测地段。固定地段设置在气象台站的大气观测场内，或台站周围植株密度均匀、高度小于20cm的草地上；作物地段设置在农作物、草地、果树等大田中，实际操作中多采用围栏防护，故而作物地段也可认为为非扰动土壤。

本文共获得研究区内2016—2019年间，宁夏回族自治区气象部门测定的 122个土壤水分观测站的田间持水量（%）和凋萎湿度（%）数据，分0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm共5个层次测定，具体测定方法见《农业气象观测规范》（国家气象局，1993）。0—20 cm和20—50 cm的土壤水文参数分别为相应层次的平均值。研究区内土壤水文特性测点分布见图 1。这些测站的土地利用主要为草地、玉米、小麦、马铃薯、蔬菜、和硒砂瓜（Citrulluslanatus）等作物，个别测站为枸杞（Lycium chinense）、红枣（Zizyphus jujuba）。

图1 宁夏土壤水文参数测点空间分布Fig. 1 The spatial distribution of observation points of soil hydrological characteristics in Ningxia

2.2 研究方法

2.2.1 土壤有效水

土壤含水量多少并不能代表其为植物生长提供水分的能力，只有当含水量处于土壤有效水范围内时才对植物有效。土壤有效水通常被认为是介于田间持水量与凋萎湿度之间的土壤水分（Zhou et al.，2005）。由于土壤质地组成、土壤容重、土壤结构、粘土矿物类型等因素影响，不同土壤的田间持水量和凋萎湿度差别较大，土壤有效水差别也就较大（秦耀东，2003）。

2.2.2 相对凋萎湿度

实践中，基于土壤水分的干旱监测评估指标，为在一定区域内能够相互比较，多采用土壤相对湿度，并根据土壤质地划分水分区间，确定干旱等级。这一做法较为简单，但其区间划分较为粗糙，应用中很难体现不同土壤水分下限的差别。如典型砂土、壤土和黏土的有效水下限对应的相对湿度分别大约为40%、38%、72%，而现有《农业干旱等级》（GB/T 32136—2015）国家标准中（吕厚荃等，2015），按砂土、壤土和黏土划分土壤相对湿度干旱等级，分别将高于45%、50%和55%为不旱，低于25%、30%和35%为特旱。由此看，非常有必要对“一刀切”式的传统指标进行改进。基于测站的相对凋萎湿度则能很好弥补上述缺陷，能够真实体现土壤某一时刻的含水量有效性，即只有当土壤相对湿度高于相对凋萎湿度时，土壤水对植物才有效。相对凋萎湿度这一概念较为少见，但其本质上还是土壤相对湿度。顾名思义，相对凋萎湿度（%）即为凋萎湿度与田间持水量之比（代海燕等，2013）（式1）。

式中：WRH壤相对凋萎湿度，WP壤凋萎湿度，FC壤田间持水量。

为使相对凋萎湿度和田间持水量结合应用，本文将土壤含水量达田间持水量时的相对湿度定义为100%土壤相对湿度。

2.2.3 干旱等级指标

土壤水非等效性观点认为，土壤含水量从田间持水量下降至凋萎湿度，植物对其吸收利用经历由易变难的过程。蔡燕等（2009）将土壤相对湿度60%以下的土壤水认为为“难效性”，这对典型黏土而言偏低，对壤土则偏高。至于现有相应干旱标准中的土壤相对湿度指标，则均有与实际不相符之处。笔者基于研究区内每一土壤水分测点的田间持水量和凋萎湿度，将相对凋萎湿度至100%土壤相对湿度这一区间等间隔划分，确定干旱等级。为便于与现有干旱指标比较，本文将这一区间划分为5个等级，即特旱对应的土壤相对湿度为[WRH,WRH+(100%-WRH)/5]，重旱 (WRH+(100%-WRH)/5，WRH+2(100%-WRH)/5]，中旱 (WRH+2(100%-WRH)/5,WRH+3(100%-WRH)/5]，轻旱 (WRH+3(100%-WRH)/5]，WRH+4(100%-WRH)/5]。这一做法最现实的意义在于，明确了植物可利用土壤水的下限。

3 结果与分析

3.1 田间持水量与凋萎湿度

植物在生长的初期和中后期，对不同深度的土壤水吸收利用是不一样的，苗期主要利用表层土壤水，故这里分0—20 cm和20—50 cm两个层次进行分析。

3.1.1 田间持水量

研究区内0—20 cm土壤田间持水量介于5.8%—31.4%之间，其中介于15.0%—25.0%的测点分别占总测点的63.1%和64.8%。海原以北波动范围大，介于5.8%—30.0%之间；海原及以南地区波动范围小，介于18.9%—31.0%之间（图2a）。尽管海原以北地区田间持水量波动范围大，但却呈“一纵一横”的空间分布特点，小于15.0%的测点并不多，占研究区总测点的23.8%，沿贺兰山东麓南北向和沿沙坡头、红寺堡、盐池等地东西向零散分布，这些地方的土壤质地偏砂型特征明显；海原以北地区的土壤田间持水量大于15.0%的测点占研究区总测点的48.4%，沿引黄灌区南北向和沿海原北部东西向分布，该区域主要为农耕区，土壤质地偏壤型特征较为明显。海原及以南地区的土壤田间持水量均大于15.0%，占研究区总测点的27.8%（表1）。

表1 宁夏不同等级田间持水量测站占总测站比例Table1 Ratio of field capacity to total observations in Ningxia

图2 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤田间持水量空间分布Fig.2 The spatial distribution of field capacity in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

研究区内20—50 cm土壤田间持水量的空间分布与0—20 cm的较为相似（图2b），两者仅24.6%的对应测点区间不一致，其中18.9%的为相邻区间，5.7%的隔一个区间，且从均值u检验看，0—20 cm和 20—50 cm 差异并不显著（u=0.884；n=122；P=0.377），这说明研究区内0—50 cm的土壤质地较为均匀，土壤分层不明显。

3.1.2 凋萎湿度

研究区内0—20 cm和20—50 cm土壤凋萎湿度的空间分布几乎一致（图 3），分别介于 0.8%～15.8%和 0.7%—16.4%之间。这两个层次的土壤凋萎湿度主要集中在3.0%—6.0%的区间内，测点数分别占总测点的72.9%和70.5%（表2）。分别有13.9%和14.6%的测点小于3.0%，有13.1%和14.8%的测点大于 6.0%（表 2）。两个层次中，海原及以南地区均未出现小于3.0%的测点，而大于6.0%的测点主要分布在北部引黄灌区，且在北部地区出现了 3个大于9.0%的偏高测点，这反映出田间持水量的波动范围在空间上亦呈南低北高的特点。

图3 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤凋萎湿度空间分布Fig. 3 The spatial distribution of wilting moisture in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

表2 不同等级凋萎湿度测站占总测站比例Table2 Ratio of wilting moisture to total observations in Ningxia

3.2 土壤有效水

土壤有效水取决于田间持水量和凋萎湿度。从图4可以看出，研究区内的土壤有效水呈两个特点：波动范围南低北高，数值大小上南高北低。以0—20 cm为例，研究区内土壤有效水以10.0%—20.0%范围为主，占75.4%。其中，南部的固原地区介于13.5%—26.6%，仅1个测点为13.5%，其他测点均大于15.0%；固原以北地区的土壤有效水介于1.4%—25.9%，该区域土壤有效水大于 10.0%的测点占研究区总测点的64.8%（表3），而大于15.0%的测点主要分布在贺兰山东麓一带。20—50 cm土壤有效水空间分布与0—20 cm的基本一致，这里不再赘述。

对比田间持水量和有效水，发现二者的空间分布较为相似，或者说土壤有效水的空间分布更接近田间持水量的空间分布。这主要是由于研究区内的田间持水量远大于凋萎湿度所致，前者是后者的1.3—9.5倍，平均达4.6倍。

3.3 相对凋萎湿度

图4 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤有效水空间分布Fig. 4 The spatial distribution of soil available water in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

表3 不同等级土壤有效水测站占总测站比例Table3 Ratio of soil available water to total observations in Ningxia

土壤有效水表征了土壤可利用水分，需要结合田间持水量和凋萎湿度才可判定能被植物利用的现实土壤水分。但在干旱或者土壤墒情监测中，却很少将三者结合起来使用，尤其很少考虑凋萎湿度，从而影响了其科学性和使用效果，这也是本文引入相对凋萎湿度的主要原因。研究区内0—20 cm和20—50 cm的土壤相对凋萎湿度分别介于10.5%—75.6%和7.8%—67.0%。其中，大于30.0%的偏高测站分别占总测站的18.0%和16.4%（表4），主要分布在中部干旱带和北部地区。个别测站超过40.0%，应该与局地土壤质地密切相关（图5）。海原和固原地区0—20 cm土壤相对凋萎湿度整体较低，介于14.2%—37.6%，34个测点中仅1个测点超过30.0%。相对凋萎湿度越大，表明凋萎湿度更接近田间持水量，土壤有效水就越小。故而，北部地区的一些区域，即使某一时刻的土壤相对湿度达到30.0%，土壤水对植物仍是无效的；但对中部干旱带和南部山区而言，土壤相对湿度分别达到20.0%—30.0%和超过20.0%时就处于有效水范畴。

表4 不同等级相对凋萎湿度测站占总测站比例Table4 Ratio of relative wilting moisture to total observations in Ningxia

3.4 干旱等级指标

本文将相对凋萎湿度至 100%土壤相对湿度这一区间等间隔划分后，得到基于土壤相对凋萎湿度的新干旱指标。研究区内，0—20 cm和20—50 cm干旱等级对应的土壤相对湿度的空间分布基本一致，故这里以0—20 cm为例进行讨论，20—50 cm的不再赘述。从图6看，特旱到轻旱的上限对应的土壤相对湿度呈波动大趋向波动小的特点，这主要取决于相对凋萎湿度的大小，因为轻旱上限更接近100%土壤相对湿度，特旱上限更接近相对凋萎湿度，即不同测点 100%土壤相对湿度为定值，而相对凋萎湿度则因凋萎湿度和田间持水量不同而各异。如石嘴山惠农一测点的相对凋萎湿度高达53.1%，而中卫沙坡头的一测点的仅为10.5%，但两者100%土壤相对湿度均为100%，二者在特旱的上限值分别为62.5%和28.4%，而轻旱的上限分别为90.6%和82.1%。

研究区内，轻旱上限对应的土壤相对湿度介于82.1%—95.1%，石嘴山惠农的两个测点和中卫中宁的一个测点超过90%（图6a）。中旱上限的土壤相对湿度介于64.2%—90.3%，其中小于70.0%的测点占62.3%，大于70.0%的测点占37.7%，且大于70.0%的测点在北部地区要多一些（图 6b）。重旱上限的土壤相对湿度介于 46.3%—85.4%，但主要集中50.0%—60.0%之间，占总数的 76.2%（图 6c）。特旱上限的土壤相对湿度介于28.4%—80.5%，其波动范围进一步扩大，南部山区的特旱上限多小于40.0%，中部干旱带和北部地区介于40.0%—50.0%的测点较南部山区明显增加（图 6d）。整体来看，除特旱的上限对应的土壤相对湿度在南部山区相对较小且区间较窄，在北部较大且区间较宽外，其他3个干旱等级的空间特征并不明显。

图5 0-20 cm（a）和20-50 cm（b）土壤相对凋萎湿度空间分布Fig. 5 The spatial distribution of relative wilting moisture in 0-20 cm (a) and 20-50 cm (b) in Ningxia

图6 0-20 cm土壤相对湿度干旱等级上限空间分布Fig. 6 The spatial distribution of drought upper limit in 0-20 cm soil relative moisture in Ningxia

《农业干旱等级》标准中特旱等级对应的砂土和黏土的相对湿度分别为＜25.0%和＜35%，而研究区内0—20 cm的土壤有62.2%和92.6%、20—50 cm的土壤有63.9%和90.2%测点的相对凋萎湿度分别小于25.0%和35%，即这些测点的土壤水分对植物而言是有效的，但却被排除在了有效性之外（表4）。故而，基于土壤相对凋萎湿度改进后的干旱指标，能客观反映较低土壤水分对植物有效性真实情况，有利于提高干旱监测评估的准确性。

4 结论与讨论

4.1 讨论

现有权威的以土壤湿度为土壤墒情或干旱等级指标主要采用的是土壤相对湿度，其目的在于不同质地土壤的含水量可相互比较。有分作物和生育期、有按土壤质地和生育期等确定不同等级墒情或干旱对应的土壤相对湿度。这些指标对土壤下限（凋萎湿度）或上限（田间持水量）水分考虑存在不足，暂且不讨论有效水范围内土壤水分对植物的有效性同等与否，但其确定的最旱等级的上限值与本研究得到确有一定差异。通过引入相对凋萎湿度这一概念，很好解决了有效水下限模糊的问题，发现有相关标准确定的特旱等级对应的土壤相对湿度明显偏高，实践中需根据具体的土壤水文特性动态确定最差墒情或最旱等级的上限值。

介于田间持水量和凋萎湿度的土壤水分区间与介于相对凋萎湿度和 100%土壤相对湿度的土壤水分区间，一个是从质量含水量角度表征土壤有效水，一个是从相对湿度角度表征，二者并没有本质区别，只是使用上土壤相对湿度更普遍一些。故而，如采用土壤质量含水量确定最差墒情或最旱等级的上限，也完全可以采用本文提出的方法。但从土壤水分有效性两种观点看，在确定了最差墒情或最旱等级的上限后，其他墒情或干旱等级如何划分，值得后续对土壤水有效性规律按土壤类型、质地和土壤水有效性目标等几个方面做进一步研究。

前人曾对我国黄土区土壤水分有效性研究认为（邵明安等，1987），在田间持水量附近有效性下降很快，土壤水分对作物的有效性在 40.0%—80.0%田间持水量范围内几乎同等有效。这一结果是基于土壤水分对作物产量得出的，如果其具有普遍性，那么不管是现有常用土壤墒情或干旱等级及本文的等间隔划分方法，则均是不合适的，这非常值得后续做深入的研究。不过，本文意图在于将相对凋萎湿度引入以土壤相对湿度为指标的墒情或干旱监测评估中，使得这一工作在考虑有效水下限上更符合实际情况。更为重要的是，在水资源缺乏、有限灌溉的地区，如宁夏中南部地区，了解清楚土壤有效水下限及有效水规律，对高效合理利用水资源、提高水分利用效率显得尤为关键。

4.2 结论

（1）宁夏境内0—20 cm和20—50 cm两层土壤的水分参数空间分布较为相似，区域性特征较为明显，均呈南部山区波动小、中北部地区波动大的特点；田间持水量、凋萎湿度、有效水整体上南部山区要高于中北部地区，而相对凋萎湿度南部山区要低于中北部地区。此外，研究区内的土壤田间持水量平均是凋萎湿度的1.3—9.5倍，故土壤有效水的空间分布更接近田间持水量的空间分布。

（2）研究区内0—20 cm和20—50 cm的田间持水量以 15.0%—25.0%为主，分别占总测点的63.1%和64.8%；凋萎湿度以3.0%—6.0%为主，分别占 72.9%和 70.5%；土壤有效水以介于 10.0%—20.0%的为主，分别占75.4%和74.6%；相对凋萎湿度以小于30.0%为主，分别占82.0%和83.6%。

（3）现有干旱标准在宁夏将高达6成之多接近凋萎湿度的土壤水分排除在了有效水之外，基于相对凋萎湿度的旱指标，表现为从特旱到轻旱的上限对应的土壤相对湿度呈自波动大趋向波动小的特点。改进后的干旱指标，能客观反映较低土壤水分对植物有效性真实情况，有利于提高干旱监测评估的准确性。