张火平，苏 妩，姜 润，叶 永

（湖北省鄂州市气象局，湖北 鄂州 436000）

水分是制造有机物质的重要原料，是植物体最大的组成部分。土壤水分作为植物生长发育的必备物质，对运输矿质养分、溶解化学物质、稳定土壤温度等起重要作用，也是连接大气与植被的关键因子［1］。土壤水分影响地表植被的蒸腾作用和光合作用，影响土壤中微生物的生长与活动，并参与土壤中有机碳的循环，是陆地生态系统的重要控制因子［2，3］。对其开展实时监测，能够准确地了解土壤水分供应状况，确定作物适宜的灌溉时间和灌溉量，提高作物水分利用效率和水资源利用效率。土壤湿度的大小与降水量、蒸发量、气温、地温、日照时数、风速、径流、下渗、侧渗和土壤质地等多种因子有关［4-7］。土壤墒情变化对果树影响的研究，北方主要集中在桃、梨和苹果等品种上［8-11］，南方主要集中在柑橘、蔬菜、玉米、马铃薯、甘蔗等品种上［12-15］。

西瓜（Citrullus lanatusL.）是葫芦科西瓜属一年生蔓生藤本植物。果实汁多味美、营养丰富，是世界上重要的经济园艺作物。中国是西瓜产量最大的国家，2022 年西瓜种植面积达153.94 万hm2，同比增长1.4%，占全球西瓜总面积的47.71%，西瓜产量为6 324.1 万t，同比增长2.8%，占全球西瓜总产量的60.61%［16］。据《中国农村统计年鉴》，2021 年鄂州市西瓜种植面积占全市种植面积的15%，达2 000 hm2且有逐年增加的趋势。西瓜产业的发展对增加鄂州市农民收入、促进当地农村经济发展具有重要作用。学者们对于不同供水条件对西瓜生理指标影响的研究主要集中在西瓜生育期中的某个阶段［17-19］，而对西瓜全生育期的相关研究较少。本研究基于土壤墒情的变化规律，研究土壤水分含量对西瓜生长的影响，建立鄂州市西瓜种植区土壤水分评价指标，旨在为西瓜全生育期的水分管理和节水灌溉提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鄂州市位于湖北省东部，长江中游南岸，114°32'—115°05'E、30°00'—30°06'N。分布有4 种类型的地貌单元，分别是长江冲积阶地、丘陵、岗状平原、冲湖积平原。土壤质地为棕红壤水稻土，营养状况为有机质含量较低，严重缺磷、硼，大部分缺氮、钾，局部缺锌、铜、锰、铁。0～20 cm土层容重为1.13 g/cm3，田间持水量（质量含水量）为41.01%。属亚热带季风气候区，年均降雨量为1 371.9 mm，年均日照时数为2 003.8 h，年均无霜期为266 d，平均气温17.0 ℃，最高气温40.7 ℃，最低气温-12.4 ℃。选取鄂州市华容区临江乡王埠村志超家庭农场西瓜种植园作为研究区域。

1.2 资料来源

气象资料源自湖北省鄂州市气象局，包括鄂州市国家站2015—2020 年逐日降水量、日平均气温、日照时数等，中国范围内1 km 高质量的土壤湿度数据集SMC I1.0（https：//data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data）由国家青藏高原科学数据中心提供［20］。 2018—2019 年，连续2 年观察水分对西瓜全生育期的影响，记录观察结果。

1.3 方法

1.3.1 土壤墒情的测定 利用同时期气象要素和1 km 高质量的土壤湿度数据集资料（SMC I1.0）统计和分析土壤中的水分变化规律，建立土壤水分预测模型，得到西瓜种植点的土壤水分估计值。

1.3.2 西瓜墒情评价指标体系的建立 根据《农田土壤墒情监测技术规范》（NY/T 1782—2009）、《土壤墒情评价指标》（SL 568—2012）等相关行业标准，结合研究区西瓜不同生育时期需水规律及西瓜种植区棕红壤水稻土适宜含水量，建立鄂州市西瓜土壤墒情评价指标体系。

2 结果与分析

2.1 土壤墒情变化规律

2015—2020 年土壤水分含量月平均值变化曲线见图1。由图1 可知，统计时段内两层土壤水分月平均值变化曲线高度基本一致，数值（体积含水率）大部分集中在0.42～0.46 m3/m3，3 个明显的低值区对应的时间段为2016 年8—9 月、2018 年8 月、2019 年8—11 月，通过查询该时段的气象要素得知，这3 个时段的降水量异常偏少，出现重旱，温度偏高，日照时数异常偏多。说明土壤湿度与降水量、平均气温、日照时数密切相关。

图1 2015—2020 年土壤水分月平均变化曲线

分析日平均气温数据与7 d 日平均气温数据的月变化，发现二者之间的差值在0.19～0.64，同时发现日降水量与7 d 累计降水量月数据变化较小。为了描述方便，数据进行归一化处理，无量纲，以日平均温度变化和日降水量变化来描述温度变化情况。从图2 可以看出，土壤水分1—6 月变化较小，6—8月下降，8 月达最低值，9—12 月缓慢上升但是没有达到1—5 月的水平。日降水量1—7 月呈上升趋势，8 月陡降，较土壤水分变化迟滞1 个月。日平均气温1—8 月上升，8 月到达顶点，对应土壤水分跌至谷底。日照时数曲线与土壤水分曲线变化相反。风速曲线平直，与土壤水分曲线的相关性不大。土壤水分的高值区集中在1—6 月，说明鄂州市土壤水分主要受春季连阴雨和梅雨期降水影响，7 月上中旬出梅后迎来盛夏，水分迅速流失，8 月达水分最低点，9月以后温度降低，降水偏少，土壤水分消耗慢，在秋冬季阴雨（雪）作用下，土壤水分从最低点缓慢上升。季节性气象因素决定土壤水分的变化。

图2 土壤水分与气象因子月平均变化曲线

2.2 土壤水分预测模型的建立

由于气象要素对土壤水分的影响具有滞后性，某日的土壤水分可能与前期气象要素也具有较好的相关性［21］，因此，选择日平均气温、7 d 平均气温、日降水量、7 d 累积降水量、相对湿度、平均风速、日照时数7 个气象要素来考察它们之间的关系。

0～10 cm 和10～20 cm 土壤水分月变化曲线高度相似，为衡量各气象因子与土壤水分的相关程度，仅以0～10 cm 土壤水分数据为例进行分析。将7 个气象因子与土壤水分数据进行Pearson 相关性分析，结果如表1 所示。除平均风速与0～10 cm 土壤水分相关性较小（|相关系数|为0.20）外，其余气象因子与土壤水分的相关性均较高（相关系数＞0.50）；日平均气温、7 d 平均气温、日照时数与土壤水分呈负相关，其中日平均气温的负相关性最大，达-0.91；日降水量、相对湿度与土壤水分呈正相关，其中相对湿度与土壤水分的相关性较大（相关系数为0.84）；日降水量与土壤水分的相关性低于7 d 累积降水量与土壤水分的相关性，日平均气温与土壤水分的相关性高于7 d 平均气温与土壤水分的相关性。说明土壤水分是前期降水量综合影响的结果，与气温、相对湿度、日照时数关系密切，总体来说，气象因子对土壤水分的影响是综合的、复杂的。

表1 各气象因子与土壤水分的相关性系数

将7 个气象因子进行主成分分析（表2），KMO检验值为0.67，说明变量间相关性较强；球状度Bartlett 检验卡方值为242.38，P＜0.001，自由度=6，说明所选气象因子宜进行主成分分析；根据初始特征值大于0.5 的原则，提取3 个主成分，累计贡献率为95%，说明提取效果好。由表2 可知，第1 主成分与日平均气温、日照时数、相对湿度、7 d 平均气温有关，第2 主成分与日降水量、日平均气温、7 d 累积降水量、7 d 平均气温有关，第1、第2 主成分中均有温度因子，说明温度的变化对土壤水分影响较大。第3 主成分与平均风速有关，风速越大水分挥发越快，导致土壤失水加速。

利用主成分分析建立预测回归方程，取前2 个主成分建立方程模型，表达式为y= 1.47x2+0.13x3+ 0.70x4+ 0.25x5- 3.07x6+ 404.32。 式中,y为土壤水分预测值，x2～x6分别为日降水量、日平均气温、日照时数、相对湿度、7 d 累积降水量、7 d 平均气温的观测值或统计值，决定系数R2=0.864，P＜0.001，达显著水平。模型预测值与实际值验证曲线见图3。由图3 可知，预测值起伏波动较大，冬、春季预测值偏低，夏、秋季预测值偏高。根据GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》，以实测值的20%作为许可误差，当预报的决定误差小于许可误差为合格预报，经误差验证，预测值合格率为84.3%，达到乙级预报标准。说明该模型可以进行预报使用。

图3 预测值与实际值验证曲线

3 西瓜种植区土壤水分评价指标体系

通过气象因子建立土壤水分预测模型，计算得到乙级预报标准的试验结果，在不增加西瓜种植区水分监测设备，减少资金投入和人力投入的情况下，可以提前预测该种植区的水分变化情况。通过实施人工干预，达到增产增收目的。基于鄂州市土壤墒情的变化规律，研究土壤水分含量对西瓜生长的影响，建立鄂州市西瓜种植区土壤水分评价指标体系。

3.1 西瓜需水量

西瓜枝叶茂盛，生长迅速，产量高，是需水量较多的作物。据测定，西瓜植株通过光合作用每形成1 g 干物质平均耗水量约700 g，1 株西瓜一生中需消耗500～1 000 kg 水。不同生长发育期对水量的需求不同，1 株2～3 片真叶的幼苗每昼夜蒸腾水量为170 g，雌花开放时达250 g，而长成的植株竟高达几公斤。应根据西瓜不同时期的需水特点，适时、适量供水。西瓜一生对水分敏感的时期有2 个，一是雌花现蕾到开花期，若此时供水量不足，易造成雌花蕾小、子房瘦小，影响坐果；二是果实膨大期，若此时缺水，则果实小，易出现扁瓜、畸形瓜，严重影响产量与质量。虽然西瓜需水量大，但其根系却不耐水涝，处于水淹环境下1 d 左右，根部就会腐烂，全田死亡，所以要选择地势较高、排灌方便的地块栽植。

3.2 西瓜的需水规律

西瓜需水过程是双峰曲线，整个生育期的需水规律是从幼苗期开始，随着幼苗的生长需水量逐步增加，伸蔓期由于瓜蔓迅速伸长，需水量增多达到1个峰值；西瓜从伸蔓期到坐果期进入生殖生长阶段，开花、结果需水量下降，西瓜吸水减少；从坐果期至膨瓜期，西瓜吸收水分迅速膨大，需水量达最高峰，如果此阶段水分和养分供应不上就会影响西瓜的膨大，造成不可逆转的损失，即使在变瓤期大量灌水，西瓜膨大也不会很明显；从膨瓜期至变瓤期，西瓜果肉开始转色，膨大减缓或不再膨大，此时需水量迅速下降。

1）幼苗期。此阶段根系发育较快，而地上部分的茎叶生长非常缓慢，叶片蒸发量少，对土壤水分的消耗相对较少，但在移栽期要有充足的土壤水分来保证移栽后的西瓜苗及时活棵，一般要浇定植水。

2）伸蔓期。此阶段地上部分和根系生长发育快，到雌花开放时根系已经定形，茎蔓的生长状态由直立状转为匍匐状，茎蔓生长迅速。前期适当施肥浇水、促进根系发育，后期应控制追肥和浇水，防止植株徒长，为坐瓜、结瓜创造有利条件［22］。

3）结瓜期。此阶段需水量增加，同时，由于气温较高、地面水分蒸发量大，导致西瓜叶面的蒸腾量加大，此时应保证充足的土壤水分供应，以促进膨瓜。膨瓜中后期要增加灌水次数和灌水量，保持土壤湿润，一般2～4 d 灌水1 次，可视天气、土壤墒情以及植株长势决定，灌水不及时影响果实膨大，灌水过多易导致土壤过湿影响坐果，甚至烂瓜，影响产量。

综上所述，土壤水分的高低对西瓜结瓜期影响最大，伸蔓期次之，幼苗期影响较小。一般苗期土壤最大持水量为65%，伸蔓期为70%，而果实膨大期为75%，且不宜大于80%。

4 小结与讨论

通过对鄂州市2015—2020 年浅表层0～20 cm 土壤水分历史数据进行分析，发现该市土壤水分总体变化幅度较小，在大旱缺乏有效降水的年份，平均气温偏高，日照时数偏强，土壤水分含量明显降低，说明土壤湿度与降水量、平均气温、日照时数密切相关。

选取日平均气温、7 d 平均气温、日降水量、7 d累积降水量、相对湿度、平均风速和日照时数7 个气象因子进行主成分分析，结果表明，土壤水分的变化可以用日降水量、日平均气温、7 d 累积降水量、7 d平均气温、日照时数、相对湿度等因子来进行表达，预测标准达到乙级预报水平。

采用实时采集的气象监测数据预报种植区的土壤水分变化，可以有效解决西瓜种植区水分观测的难题，避免了人工烘干法操作复杂、时效性差的缺点，能够快速、高效、准确地预报土壤墒情，做好西瓜旱涝时期的排灌措施。

分析了鄂州市土壤墒情变化规律，初步建立西瓜土壤墒情评价指标体系，研究表明该指标体系针对性较强，评价结果合理，对提高水分利用效率，引导种植户适时种植和科学灌排具有重要意义。采用该评价指标体系，西瓜种植区可以在生长周期或生长旺盛期内适当调整水分供给，不但可以促进西瓜植株的生长，也能保证果实的品质，还能节约有限的水资源，为进一步解决西瓜需水特性提供可靠的理论依据。随着科学技术的发展和西瓜栽培管理体系的不断完善，土壤水分问题必将得到解决，达到经济效益、生态效益和社会效益的和谐统一。