于东升 史学正

（中国科学院南京土壤研究所 南京 210008）

提　要　根据改进的彭曼公式估算出的年干燥度，依据《中国土壤系统分类（修订方案）》中有关土壤水分状况的定量诊断指标，对我国的土壤水分状况进行估算，初步将我国划分为 3 个土壤水分区，6 个土壤水分亚区，为我国土壤资源的定量评价与管理提供了科学依据。

关键词　土壤潜在蒸散 土壤水分状况 土壤系统分类

分　类　中图法 S152.7

　　土壤水分状况是评价土壤资源优劣的主要特征之一，在土壤资源利用中具有举足轻重的地位。国际上在进行土壤类型定量划分时，将土壤水分状况作为亚纲一级的划分依据，我国近几年研究确定的中国土壤系统分类也吸取了国际上的这一发展趋势，这就可见其重要性。在研究制定中国土壤系统分类时，确定各种土壤水分状况的定量指标已属不易，而要估算出全国土壤水分状况则更难。由于人力、物力的多种限制，人们不可能一一对每个点的土壤水分状况进行实地测定，而不得不借助于气候资料来间接地估算。但在气候资料中没有现成的土壤水分数据，通常做法是利用气候资料，如降雨、蒸发、气温、气压等等，通过建立数学模型进行估算。70 年代，美国土壤学家用 Thornthwaite 方法计算潜在蒸散量，再与降水量比较，以估计全年各个时期土壤水分的亏缺状况，并采用定性的图示方法来表示^[1]。80 年代后，美国康奈尔大学应用土壤信息系统，建立计算机模型（Newhall Simulation Model，简称 NSM）^[2]，该模型只需输入某地平均气温和降水量，就可模拟土壤水分控制层段的干湿过程，给出全年或土温≥5℃时“干燥”的天数，并按“Soil Taxonomy”中有关各种土壤水分状况的定义，确定土壤水分状况的类型。

　　1982 年，郑剑非等利用气候资料成功地分析了海南岛的土壤水分状况^[3]。1989 年，杨学明利用气候资料估算出吉林省的土壤水分状况，将吉林省划分成 5 个土壤水分资源区^[4]。同年，卢玉邦根据气候资料，以新安江模型为基础建立土壤水分状况的预报模型^[5]。1990 年，陈健飞利用气候资料计算出闽东南三县的土壤水分状况，指出“湿润”状况与该区土壤资源形成的特点是相吻合的^[6]。这些研究工作对于研究全国的土壤水分状况具有重要参考价值，但由于区域的限制，这些方法都不能直接用来研究全国的土壤水分状况。1992 年，钟骏平在新疆干旱地区应用 NSM 模型效果较好^[7]，但在其它地区，特别是在半干润地区效果并不理想，某些结论与实际情况相差很大，这说明美国 NSM 模型在我国并不完全适用。因此，本文根据全国 656 个气象站点的地面气候资料，通过建立我国土壤水分状况估算模型，并依据《中国土壤系统分类（修订方案）》中有关土壤水分状况，即干旱、半干润和湿润土壤水分状况的定义^[9]，初步评估出我国土壤水分状况。

1 土壤潜在蒸散量的计算

　　确定土壤水分状况，首先必须计算土壤的水分平衡，而确定土壤水分平衡状况的关键在于土壤潜在蒸散量的计算。用于计算土壤潜在蒸散量的方法较多，桑斯维特公式法和彭曼公式法都是较为常见的方法。其中桑斯维特公式是 Thornthwaite 在 1948 年提出的，它是一个用大气温度表达土壤潜在蒸散量的公式^[1]，NSM 模型以及国内的一些学者也都采用这一方法来计算土壤潜在蒸散量。但利用该式计算月土壤潜在蒸散量误差较大，夏半年偏高、冬半年偏低，如北京 1961 年和 1962 年 4 月的计算结果分别为 56.7mm 和 48.2mm，而实际测量结果分别为 105.9mm 和 107.6mm，这对我国土壤水分状况的评估结果影响很大，尤其在半干润地区，因而在本项目的研究中不能采用这种方法。本文根据《中国土壤系统分类（修订方案）》中对土壤水分状况的定义要求^[9]，采用彭曼公式法来估算土壤的潜在蒸散量。

1.1 彭曼公式

　　彭曼公式是英国 H L Penman 综合了涡动传导与能量平衡的途径而推导出的一个近似的计算潜在蒸散量的方程式。该式采用水气压、净辐射、在一定温度条件下的空气干燥度以及风速来确定蒸散量，是基于合理的物理学原则的公式^[8]。公式原型是：

Eo=(ΔH＋γEa)/(Δ＋γ)　　　　　　　　(1)

其中，Eo：潜在蒸发量；Δ：气温 Ta 时的饱和水汽压曲线斜率 (mb/℃)；H：Ra(1－r)(0.18＋0.55n/N)－δTa⁴(0.56－0，092ed^1/2)(0.10＋0.90n/N)；Ea：实际水汽压，Ea=0.35(1＋u/100)(ea－ed)；γ：气温 Ta 时干湿球湿度公式常数；Ra：无大气时达到单位面积地面上的太阳总辐射量；r：下垫面反射率；n/N：日照百分率；δTa⁴：气温为 Ta 时的黑体辐射；ea：温度 Ta 时的饱和水汽压 (mm)；ed：平均水汽压；u：高度为 2m 处的风速。

　　国内一些学者直接按此式计算土壤潜在蒸散量，并以此来估算土壤水分状况，发现土壤潜在蒸散量较大，与实际状况不相符合。我们以全国 656 个气象台站的数据进行计算，结果也是如此，且在全国范围很难用同一个标准来评价。

1.2 改进的彭曼公式

　　在彭曼原式中，Δ与γ仅作为平均温度的函数，Ra 则为常数，McCulloch 根据 Ripley(1963) 的研究指出，Δ与γ对海拔高度有明显的依从性，Ra 则随纬度发生变化。改进的计算公式为：

Eo=Δ/(Δ＋γ)[Ra(1-r)(0.29cosΦ+0.52n/N)]－Δ/(Δ＋γ)[δTa⁴(0.10＋0.90n/N)(0.56－0.08ed^1/2)＋γ/(Δ＋γ)[0.26(1＋h/20000)(1＋u/100)(ea－ed)]　　　　　(2)

其中，γ=0.00061×10^{(3.005 66－5.433 53×10e－05×h)}；Δ=ea/(t＋273.6)²×(6790.5－5.028 08(t＋273.6)＋4916.8×10 ^{－0.0304(t＋273.6)}×(t＋237.6)²＋174209×10 ^{－1302.88/(t＋237.6)})；ea=6.108×10^{7.6326t/(241.9＋t)}；Ra=846.289－00.01679Φ－0.10301Φ²；Φ：纬度；h：海拔高度 (m)^[8]。

　　该公式在计算γ时采用了海拔高度对气压数值的变化以及在计算辐射量 Ra 时采用纬度，因而可适用于任何海拔高度与纬度地区^[8]。用它来估算我国的土壤水分状况，克服了由于纬度、海拔高度相差较大所带来的影响，因而提高了计算的准确性。但用此式计算结果表明，在我国温带地区土壤潜在蒸散量的计算值偏大，而热带亚热带地区计算值略小，因此对这一公式又进行了进一步的改进，即：

Eo=Δ/(Δ＋γ)ζ[Ra(1-r)(0.29cosΦ+0.52n/N)－Δ/(Δ＋γ)[δTa⁴(0.10＋0.90n/N)×(0.56－0.08ed^1/2)＋γ/(Δ＋γ)[0.26(1＋h/20000)(1＋u/100)(ea－ed)]　　　　(3)

其中，ζ为修正系数。ζ值的确定采用综合分析法，即把用改进的彭曼公式估算的全国各气象台站年潜在蒸散量与该站测定的年蒸发量进行比较分析，并结合中国气候图集中的有关信息，确定估算量的偏离方向以及大致的偏离程度，将各气象台站按其估算量的偏离方向和程度大小归类分区，在区内对估算量的偏离程度再进行综合分析，从而确定该区的ζ值。在估算土壤潜在蒸散量时设立了 13 个ζ值区，ζ平均值为 0.75。

2 土壤水分状况的估算方法

　　《中国土壤系统分类 ( 修订方案 )》中确定，在没有直接的土壤水分观测资料情况下，以 Penman 经验公式计算得到的年干燥度作为划分土壤水分状况的定量指标，并规定年干燥度>3.5者相当于干旱土壤水分状况，年干燥度在 1～3.5 之间者相当于半干润土壤水分状况，年干燥度<1者 相当于湿润土壤水分状况^[9]。

　　根据上述的估算方法和已进一步改进的彭曼公式，首先建立了估算我国土壤潜在蒸散量 Et 和干燥度 D 的计算模型。干燥度 D 的算式为：D=fEt/P。其中，Et 为年可能蒸散量；P为年降水量；f为随季节而异的系数，11～2 月为 0.6，5～8 月为 0.8，其余各月为 0.7，全年平均为 0.75。

　　利用我国 656 个气象台站的 1951～1980 年间地面气候资料，向计算机输入纬度、海拔高度，年和月的平均气温、日照百分率、降水、相对湿度、风速资料数据后，就可计算出平均日潜在蒸发量 Eo、月和年的平均可能蒸散量 Et、月和年干燥度 D。

3 我国的土壤水分状况

3.1 估算结果

　　根据上述计算结果以及《中国土壤系统分类（修订方案）》中对土壤水分状况的诊断指标，可初步将我国划分为 3 个土壤水分区和 6 个土壤水分亚区（图 1）。

图 1 中国土壤水分状况分布图（初稿）
Fig.1 The distribution of soil moisture regime in China (First draft)

　　(1) 湿润区（Ⅰ）　年干燥度 D

　　极湿润亚区（ⅠA）　年干燥度 D

　　湿润亚区（ⅠB）　0.45≤年干燥度 D

　　(2) 半干润区（Ⅱ）　1.0≤年干燥度 D

　　半湿润亚区（ⅡA）　1.0≤年干燥度 D

　　半干旱亚区（ⅡB）　2.7≤年干燥度 D

　　(3) 干旱区（Ⅲ）　年干燥度 D≥3.5，相当于干旱土壤水分状况。该区也可进一步划分为两个亚区：

　　干旱亚区（ⅢA）　3.5≤年干燥度 D

　　极干旱亚区（ⅢB）　年干燥度 D≥16.0，相当于极端干旱的干旱土壤水分状况。主要分布于甘肃的北部和新疆的南部以及青海的部分地区，主要是大面积的沙漠和戈壁地区。土壤类型属于干旱土纲，包含首次方案中的棕漠土、灰漠土等。

3.2 讨论

　　首先，本次估算初步对半干润土壤水分状况区域有了明确的划分。在东北以及内蒙东部地区，从东向西显示出土壤水分状况海陆向的分布规律，由东向西依次是湿润、半湿润、半干旱和干旱的土壤水分区及亚区。在胶东半岛，以蓬来—栖霞—大山为界，东部是湿润土壤水分区，西部是半湿润亚区，且与河北南部、苏北、皖北向西经河南的北部、陕西的中部到甘肃的东部地区构成一个近似于“

　　其次，本次估算结果可以直接应用于我国“土壤系统分类”研究中土壤水分特征的诊断，为我国的土壤资源的利用与评价提供基本的数据。同时，本次评估方法和指标体系都已编入计算机程序，使用者只需输入相应的参数，就可输出评估结果，避免了由于使用不同的修订式以及参数而出现的偏差。

　　当然，该估算方法也还不尽完善，还需再进一步调整。如在湿润区出现飞地式半干旱土壤水分状况（如云南中甸地区），一方面是由于气象台站本身观测位置影响了观测结果的代表性，另一方面，是由该计算方法不十分完善所造成的。所幸的是象这种情况在估算过程中出现很少。要避免这种情况的发生，一方面要进一步完善估算方法，另一方面还应对输入的参数进行必要的修正。

参考文献

1	USDA. Palmer-Havens diagram for computing potential evapotranspiration by the Thornthwaite method M－3047. Soil Conser, Portland Oreg, 1960
2	Wambeke et al. Newhall Simulation Model(A Basic Program for the IBM PC). Dept. of Aronomy, Cornell University. Ithaca, NY, 1986
3	郑剑非，王全久．海南岛水分收支分析．热带作物学报，1982,3(2)
4	杨学明．土壤水热状况与土壤系统分类．土壤通报，1989,20(5)
5	卢玉邦．土壤水分预报模型的研究．土壤学报，1989,26(1)
6	陈健飞．土壤水分与温度状况估算．土壤通报，1990,21(4)
7	钟骏平主编．新疆土壤系统分类．乌鲁木齐：新疆大学出版社，1992,1～231
8	张新时．植被的 PE（可能蒸散）指标与植被气候分类 ( 一 )．植物生态学与地植物学学报，1989,13(1)
9	南京土壤研究所主持．中国土壤系统分类（修订方案）．北京：中国农业科技出版社，1995,1～218
10	中央气象局．中国气候图集．北京：地图出版社，1966,1～162

第一作者简介

于东升，男，1966 年生，毕业于南京大学地理系，南京土壤研究所硕士，助理研究员。主要从事土壤资源与管理以及土壤侵蚀与保持方面的研究工作。参加科研项目 6 项，发表论文 9 篇。

*	国家自然科学基金重点项目“中国土壤系统分类研究”（49131020）中的研究课题。