土壤系統(tǒng)分類(lèi)中土壤水熱狀況的確定方法及應(yīng)用研究①
——以山西省為例

李 超，張鳳榮*，王秀麗，奉 婷

(1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002)

土壤系統(tǒng)分類(lèi)中土壤水熱狀況的確定方法及應(yīng)用研究①
——以山西省為例

李 超1，張鳳榮1*，王秀麗2，奉 婷1

(1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002)

土壤溫度和水分狀況作為表征土壤特性的重要參數(shù)，在土壤系統(tǒng)分類(lèi)中是某些分類(lèi)單元?jiǎng)澐值闹匾罁?jù)。而現(xiàn)有的土壤水熱狀況估算方法存在數(shù)據(jù)不易獲取、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題，在野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)工作中的適用性不強(qiáng)。本文提出一個(gè)基于氣象數(shù)據(jù)的土壤水熱狀況快速估算方法，并結(jié)合山西省實(shí)地調(diào)查的 75個(gè)剖面數(shù)據(jù)，對(duì)其在土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期為區(qū)域野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)工作提供借鑒和參考。結(jié)果表明：①基于氣象數(shù)據(jù)的土壤溫度估算方法在山西地區(qū)具有較好的適用性，其估算結(jié)果能代替土壤溫度實(shí)測(cè)值來(lái)研究該區(qū)域的土壤溫度狀況；②基于氣象數(shù)據(jù)的土壤水分狀況估算結(jié)果僅適用于不受地下水影響的地帶性土壤水分狀況的確定，而對(duì)于受地下水影響的區(qū)域需根據(jù)土壤所處的實(shí)際水分環(huán)境狀況進(jìn)行分析和判定；③土壤水熱狀況在中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的分選性強(qiáng)，在野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)時(shí)，應(yīng)特別注意區(qū)域土壤水熱狀況的差別。

土壤系統(tǒng)分類(lèi)；土壤溫度狀況；土壤水分狀況；山西省

土壤、植被和環(huán)境的狀態(tài)，均與氣候有著密切的定量關(guān)系[1]。氣候條件不僅影響土壤發(fā)生過(guò)程，還影響著人類(lèi)社會(huì)對(duì)土壤的利用取向和利用價(jià)值。在土壤與氣候關(guān)系的研究中，水熱狀況常常被看作為一般的氣候指標(biāo)，是表征土壤特性的重要參數(shù)[2]。雖然氣候影響土壤的溫度和水分狀況，但土壤水熱狀況還受地形、植被等其他因素的影響。無(wú)論是美國(guó)的，還是中國(guó)的土壤系統(tǒng)分類(lèi)，都把土壤水熱狀況作為重要的土壤診斷特性，并作為土壤某些分類(lèi)單元?jiǎng)澐值闹饕罁?jù)之一[3]，如在中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)中，土壤溫度和水分狀況分別是土族和土類(lèi)劃分的重要診斷依據(jù)[4]。雖在野外可綜合考慮海拔、氣候、植被等推測(cè)土壤水熱狀況[5]，但由于不同土壤工作者對(duì)土壤水熱狀況特征及分類(lèi)的認(rèn)識(shí)及理解程度不同，野外判別的土壤水熱狀況勢(shì)必會(huì)存在誤差和失誤。由于人力、物力的多種限制，在實(shí)際野外土壤調(diào)查和系統(tǒng)分類(lèi)工作中，不可能對(duì)每個(gè)點(diǎn)的土壤水分狀況進(jìn)行實(shí)地測(cè)定[6]，而不得不借助于氣候資料來(lái)間接地估算，但實(shí)際上估算和確定區(qū)域土壤溫度和水分狀況并不容易。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞運(yùn)用氣候資料對(duì)土壤溫度和水分狀況的估算和確定進(jìn)行了一些研究。目前，對(duì)于區(qū)域土壤溫度狀況的估算和確定，主要的研究方法有土溫內(nèi)插估算法[7–9]、氣溫回歸估算法[10–12]和緯度海拔回歸估算法[13–14]，但這 3種估算方法在野外土壤調(diào)查和系統(tǒng)分類(lèi)工作中存在數(shù)據(jù)不易獲取、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題；且中國(guó)的幾千個(gè)氣象站點(diǎn)中僅有部分站點(diǎn)觀測(cè)地溫狀況，若研究區(qū)氣象站點(diǎn)缺少年均土溫?cái)?shù)據(jù)，則不宜運(yùn)用上述方法實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度狀況的定量估算。由于多數(shù)地區(qū)年均溫、降雨量、蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)較容易獲取，因此本文提出一種基于氣象數(shù)據(jù)的土壤溫度狀況估算和確定方法，用于在缺少土溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況下土壤溫度狀況的估算和確定。對(duì)于土壤水分狀況的估算，目前主要有Penman公式法[7,15]、可能蒸散量模型[16–17]或謝良尼諾夫公式法[18]等研究方法，而《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)》(第三版)中明確指出，在進(jìn)行野外土壤調(diào)查和系統(tǒng)分類(lèi)工作時(shí)，若無(wú)土壤水分觀測(cè)資料，可按Penman經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的年干燥度估算，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要年均降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，因此，本文以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用Penman經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行土壤水分狀況估算。

本文在對(duì)現(xiàn)有土壤水熱狀況研究方法進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外土壤調(diào)查和系統(tǒng)分類(lèi)工作實(shí)際，考慮土壤水熱狀況估算和確定的可行性，提出一種運(yùn)用氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤水熱狀況確定的方法，并結(jié)合山西省實(shí)地調(diào)查的75個(gè)剖面數(shù)據(jù)，對(duì)其在土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期為區(qū)域土壤水熱狀況確定、野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)工作提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山西地處中緯度地帶的內(nèi)陸，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，省境四周山環(huán)水繞，與鄰省(區(qū))的自然境界分明，地勢(shì)東北高西南低，總的地勢(shì)輪廓是“兩山夾一川”，河谷縱橫，地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣，山地、丘陵占全省總面積的80.1%。地理位置34°36′ ~ 40°44′ N，110°15′ ~ l14°32′ E，南北長(zhǎng)約682 km，東西寬約385 km，總面積15.67萬(wàn)km2。各地年平均氣溫介于4.2 ~ 14.2℃，總體分布趨勢(shì)為由北向南升高，由盆地向高山降低；年降水量介于358 ~ 621 mm，季節(jié)分布不均，夏季6—8月降水相對(duì)集中，約占全年降水量的60%，且省內(nèi)降水分布受地形影響較大。由于山西省廣泛黃土覆蓋，多數(shù)土壤僅具有淡色表層和雛形層發(fā)育，且土壤質(zhì)地多為粉砂壤土，多數(shù)地區(qū)若不注意土壤水熱狀況的差別，則分類(lèi)差異并不明顯。因此，土壤系統(tǒng)分類(lèi)中需注意土壤水熱狀況的差別。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算方法

從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.gov.cn/)及山西省各縣(市、區(qū))氣象局，收集獲取山西省109個(gè)氣象站的氣候資料日值數(shù)據(jù)集(1961—2011年)；從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載獲得山西省及周邊各氣象國(guó)際交換站年均蒸發(fā)量數(shù)據(jù)(由于部分站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失，僅獲得 21個(gè)氣象站點(diǎn)年均蒸發(fā)量數(shù)據(jù))；從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)下載獲取山西省DEM圖。

對(duì)1961—2011年山西省各氣象站點(diǎn)日值氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得各氣象站點(diǎn)近50年的年均氣溫、平均年降雨量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。

1.2.1 土壤溫度狀況估算方法 本文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上[18–19]，結(jié)合目前土溫計(jì)算方法，提出以氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的山西省土壤溫度狀況估算方法，具體為：以山西省各氣象站點(diǎn)年均氣溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用氣溫垂直遞減法，以海拔每降低100 m，溫度升高0.6℃、土壤溫度比氣溫高2℃為依據(jù)[10,20–21]，計(jì)算獲得各氣象站點(diǎn)虛擬海平面高度土壤溫度數(shù)據(jù)(ST0)，運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行普通克里金插值[22]，獲得山西省虛擬海平面高度土壤溫度狀況空間分布圖，并結(jié)合山西省DEM圖，再次運(yùn)用氣溫垂直遞減法，以海拔每升高100 m，溫度降低0.6℃為依據(jù)，對(duì)土壤溫度按高程進(jìn)行抬升修正，獲得山西省土壤溫度狀況空間分布圖。

式中：ST0為虛擬海平面高度土壤溫度，單位℃；Th為年均氣溫?cái)?shù)據(jù)，單位℃；h為氣象站點(diǎn)海拔高度，單位m。

式中：STx為x點(diǎn)的土壤溫度，單位℃；STx0為x點(diǎn)的虛擬海平面高度土壤溫度，單位為℃；hx為x點(diǎn)的海拔高度，單位為m。

1.2.2 土壤水分狀況估算方法 《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)(第三版)》中明確指出，在沒(méi)有直接的土壤水分觀測(cè)資料情況下，以Penman經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的年干燥度作為劃分土壤水分狀況的定量指標(biāo)。因此，本文假定山西省沒(méi)有土壤水分觀測(cè)資料，以干燥度來(lái)代替土壤水分狀況的估算。需要說(shuō)明的是，得到的土壤水分狀況空間分布圖是基于氣象數(shù)據(jù)模擬，沒(méi)有考慮地下水的影響(包括地下水位高造成土體部分飽和的潮濕水分狀況和地下水通過(guò)毛管上升補(bǔ)充土體造成濕潤(rùn)水分狀況)。因此，此圖只適用于山丘區(qū)不受地下水影響的土壤水分狀況判定；受地下水影響的土壤水分狀況，則需野外根據(jù)土壤所處的實(shí)際水分環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)地判定。

式中：Dx為x點(diǎn)的干燥度；ETx為x點(diǎn)的潛在蒸散量，單位mm；Px為x點(diǎn)的年均降雨量，單位mm。其中，ETx= fETx0，ETx0為x點(diǎn)的水面年均蒸發(fā)量；f為隨季節(jié)而異的系數(shù)，11—2月為0.6，5—8月為0.8，其余各月為0.7，全年平均值為0.75[6]。

1.3 土壤系統(tǒng)分類(lèi)方法

在充分了解和熟悉山西省土壤環(huán)境狀況及土壤類(lèi)型分布的情況下，對(duì)山西省范圍內(nèi) 5大成土因素(氣候條件、地形地貌部位、成土母質(zhì)、成土?xí)r間、生物等方面)有明顯差異的地區(qū)，分別布設(shè)調(diào)查樣點(diǎn)，考慮到樣點(diǎn)布設(shè)的均勻性和可靠性[23]，共布設(shè)調(diào)查樣點(diǎn)75個(gè)(圖1)。2015年5—11月，對(duì)布設(shè)的調(diào)查樣點(diǎn)開(kāi)展實(shí)地調(diào)查，并按照《野外土壤描述與采樣手冊(cè)》①中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所. 野外土壤描述與采樣規(guī)范. 南京: 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，對(duì)各調(diào)查樣點(diǎn)分別進(jìn)行剖面的挖掘、描述、采集樣品等操作；并根據(jù)《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)檢索(第三版)》和《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)土族和土系劃分標(biāo)準(zhǔn)》[24]在野外進(jìn)行初步系統(tǒng)分類(lèi)；對(duì)采集的各樣點(diǎn)土壤發(fā)生層土樣，依據(jù)《土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法》[26]進(jìn)行理化分析測(cè)定，根據(jù)理化分析結(jié)果，對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行了核對(duì)和校正。

圖1 山西省75個(gè)調(diào)查點(diǎn)位置示意圖Fig. 1 Locations of 75 survey sample points in Shanxi Province

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省土壤溫度狀況

運(yùn)用氣溫垂直遞減法，借助ArcGIS軟件中屬性表字段計(jì)算功能，對(duì)山西省各氣象站點(diǎn)年均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，獲得山西省各氣象站點(diǎn)海平面高度土壤溫度數(shù)據(jù)。進(jìn)行克里金插值，獲得山西省海平面高度土壤溫度圖，結(jié)合山西省DEM圖，以海拔每升高100 m，溫度降低 0.6℃為計(jì)算式，運(yùn)用 ArcGIS柵格計(jì)算器功能，計(jì)算獲得山西省土壤溫度圖。按照“寒凍土壤溫度：<0℃；寒性/冷性土壤溫度：0 ~ 9℃；溫性土壤溫度：9 ~ 16℃；熱性土壤溫度：16℃以上”的分類(lèi)原則進(jìn)行重分類(lèi)，得到山西省土壤溫度狀況分布圖(圖2)。由圖2可以看出，山西省分布有寒凍、寒性/冷性、溫性、熱性4種土壤溫度類(lèi)型。

圖2 山西省土壤溫度狀況分布圖Fig. 2 Distributions soil temperature regimes in Shanxi Province

為了驗(yàn)證得到的山西省土壤溫度狀況的準(zhǔn)確性，通過(guò)收集獲取山西省 21個(gè)氣象站點(diǎn)地表以下不同深度土壤溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)50 cm深度土壤溫度計(jì)算方法[8]，計(jì)算獲得50 cm深度土壤溫度，即各氣象站點(diǎn)土壤溫度實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)；將21個(gè)氣象站點(diǎn)經(jīng)緯度分別定位、空間鏈接到土壤溫度狀況空間分布圖，得到各氣象站點(diǎn)土壤溫度估算值數(shù)據(jù)。將這21組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖 3)，估算值與實(shí)測(cè)值的擬合度非常好，兩者相關(guān)系數(shù)為0.985，超過(guò)0.001的信度檢驗(yàn)水平，估算值與實(shí)測(cè)值的平均折算系數(shù)為0.992。因此，本文提出的基于氣象數(shù)據(jù)的土壤溫度狀況估算方法在山西地區(qū)具有較好的適用性，其估算結(jié)果能代替土壤溫度狀況實(shí)測(cè)值來(lái)研究該區(qū)域的土壤溫度狀況。

圖3 21個(gè)氣象站點(diǎn)土壤溫度估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig. 3 Comparison of estimated and measured values of soil temperatures at 21 meteorological stations

2.2 山西省土壤水分狀況

以山西省各氣象站點(diǎn)平均年降雨量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用柵格計(jì)算器功能，按照干燥度計(jì)算公式(3)，計(jì)算獲得山西省干燥度空間分布圖。按照“濕潤(rùn)土壤水分狀況：干燥度<1；半干潤(rùn)土壤水分狀況：1<干燥度<3.5；干旱土壤水分狀況：干燥度>3.5”為分類(lèi)原則對(duì)干燥度圖進(jìn)行重分類(lèi)，得到山西省土壤水分狀況分布圖。通過(guò)查閱資料[20]并結(jié)合實(shí)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，山西省海拔高度在1 800 m以上的地區(qū)，大多為濕潤(rùn)水分狀況，因此提取了山西省DEM圖中海拔高于1 800 m的區(qū)域，將該區(qū)域土壤水分狀況修正為濕潤(rùn)，最終得到修正后的山西省土壤水分狀況分布圖(圖4)，從圖4中可以看出，山西省多具半干潤(rùn)土壤水分狀況。

圖4 山西省土壤水分狀況分布圖Fig. 4 Distributions of soil moisture regimes in Shanxi Province

根據(jù)于東升和史學(xué)正[6]對(duì)我國(guó)土壤水分狀況估算的結(jié)果，山西省屬偏干旱的半干潤(rùn)土壤水分狀況，這與本文通過(guò)估算得到的山西省多為半干潤(rùn)土壤水分狀況的結(jié)果基本一致。將本文制作的山西省土壤水分狀況分布圖與于東升和史學(xué)正[6]制作的《中國(guó)土壤水分狀況分布圖》[6]進(jìn)行對(duì)比，兩幅圖的擬合度高達(dá)99.77%。因此，本文提出的基于氣象數(shù)據(jù)的土壤水分狀況估算方法在山西地區(qū)有較好的適用性，估算的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)可用于該區(qū)域土壤水分狀況的確定。

2.3 土壤水熱狀況在山西省土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的應(yīng)用

土壤溫度和水分狀況是土壤系統(tǒng)分類(lèi)的重要診斷特征和診斷依據(jù)。從《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)(第三版)》中可以看出，其中的永凍有機(jī)土等6個(gè)亞綱、永凍寒凍雛形土等8個(gè)土類(lèi)、永凍寒凍正常新成土等5個(gè)亞類(lèi)，均是以土壤溫度狀況作為類(lèi)型劃分依據(jù)；干潤(rùn)變性土等15個(gè)亞綱、龜裂堿積鹽成土等16個(gè)土類(lèi)、黃色簡(jiǎn)育濕潤(rùn)鐵鋁土等7個(gè)亞類(lèi)，均是以土壤水分狀況作為類(lèi)型劃分依據(jù)。因此，在野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)時(shí)，應(yīng)特別注意對(duì)區(qū)域土壤水熱狀況的判別。

運(yùn)用ArcGIS將75個(gè)供試剖面點(diǎn)按照經(jīng)緯度分別空間鏈接到土壤溫度狀況空間分布圖和土壤水分狀況空間分布圖上，得出估算的各剖面點(diǎn)所處的土壤溫度和土壤水分狀況，并與實(shí)地觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)土壤溫度狀況全部吻合；而土壤水分狀況中，有10個(gè)剖面點(diǎn)與實(shí)地觀測(cè)值不同。這10個(gè)剖面點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)的土壤水分狀況均為濕潤(rùn)和潮濕，而模擬的土壤水分狀況均為非干潤(rùn)，其中剖面14-001、14-008、14-010、14-069和14-075是由于地處河流一級(jí)階地，地下水位較高，造成土體部分飽和，形成潮濕水分狀況；剖面 14-004、14-005、14-020、14-070、14-071是由于地處河漫灘，地下水通過(guò)毛管上升補(bǔ)充土體，形成濕潤(rùn)水分狀況。

按照系統(tǒng)分類(lèi)方法將75個(gè)供試剖面進(jìn)行系統(tǒng)分類(lèi)，共劃分新成土等土綱 6個(gè)，干潤(rùn)雛形土等亞綱13個(gè)，土墊旱耕人為土等土類(lèi)20個(gè)，準(zhǔn)石質(zhì)簡(jiǎn)育干潤(rùn)雛形土等亞類(lèi)29個(gè)，鑒定壤質(zhì)混合型石灰性冷性–結(jié)殼潮濕正常鹽成土等土族58個(gè)，蘭玉堡系等土系75個(gè)。對(duì)各剖面所處的土壤溫度和水分狀況進(jìn)行分析，地處寒性土壤溫度的剖面有4個(gè)，冷性的有32個(gè)，溫性的有39個(gè)；地處潮濕水分狀況的剖面有6個(gè)，濕潤(rùn)的有15個(gè)，半干潤(rùn)的有54個(gè)。可見(jiàn)，土壤所處的水熱狀況在土壤的系統(tǒng)分類(lèi)和比土過(guò)程中，對(duì)土壤類(lèi)型的確定和分選有著重要意義。

選取14-003和14-066兩個(gè)典型剖面對(duì)比以說(shuō)明土壤溫度狀況在系統(tǒng)分類(lèi)中的應(yīng)用地位和意義。從表1中可以看出，兩個(gè)剖面土壤均是淡色表層和雛形層的發(fā)生層構(gòu)型，屬雛形土綱；半干潤(rùn)的土壤水分狀況，將其劃分為干潤(rùn)雛形土土類(lèi)；兩個(gè)土壤剖面所處的地形部位、成土母質(zhì)、剖面構(gòu)型、質(zhì)地構(gòu)型等特征均極為相似，若忽略了對(duì)其土壤溫度狀況的判定，則兩個(gè)剖面被錯(cuò)誤分類(lèi)為同一土系，但因14-003土壤溫度狀況為冷性，14-066土壤溫度狀況為溫性，將二者在土族上得以鑒定和區(qū)分，故14-003和14-066屬不同土族、不同土系。

表1 典型供試土壤剖面信息及特征對(duì)比Table 1 Information and characteristics of tested typical soil profiles

選取14-005和14-058這對(duì)典型剖面對(duì)比以說(shuō)明土壤水分狀況在系統(tǒng)分類(lèi)中的應(yīng)用地位和意義。從表1中可以看出，14-005和14-058剖面特征相似，兩個(gè)剖面雖所處的地形部位、成土母質(zhì)、剖面構(gòu)型均有所差異，但若不注意對(duì)土壤水分狀況的判別，則兩個(gè)剖面也容易被錯(cuò)誤分類(lèi)為同一亞類(lèi)或土族，但因14-005為濕潤(rùn)土壤水分狀況，14-058為半干潤(rùn)土壤水分狀況，因此二者在亞綱級(jí)別即已不同，故14-005和14-058屬不同亞綱、土類(lèi)、亞類(lèi)和土族。

3 結(jié)論與展望

本文在總結(jié)和分析國(guó)內(nèi)外土壤水熱狀況估算方法中存在的缺點(diǎn)和不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于氣象數(shù)據(jù)的土壤水熱狀況快速估算、確定方法，可為區(qū)域土壤水熱狀況確定、野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)工作提供借鑒和參考。對(duì)山西省土壤溫度狀況進(jìn)行估算，并與計(jì)算獲得的山西省21個(gè)氣象站點(diǎn)50 cm深度土壤溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示估算值與實(shí)測(cè)值的擬合度良好，兩者相關(guān)系數(shù)為0.985，因此基于氣象數(shù)據(jù)的土壤溫度估算方法在山西地區(qū)具有較好的適用性，其估算結(jié)果能代替土壤溫度實(shí)測(cè)值來(lái)研究該區(qū)域的土壤溫度狀況；對(duì)山西省土壤水分狀況進(jìn)行估算，并將得到的空間分布圖與前人研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果顯示擬合度高達(dá) 99.77%，因此基于氣象數(shù)據(jù)的土壤水分狀況估算方法在山西地區(qū)有較好的適用性，估算的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)可用于該區(qū)域土壤水分狀況的確定；通過(guò)對(duì)《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)(第三版)》中各高級(jí)分類(lèi)單元級(jí)別的劃分依據(jù)進(jìn)行分析可以看出，共有57個(gè)高級(jí)分類(lèi)單元以土壤水熱狀況作為劃分依據(jù)，土壤水熱狀況在系統(tǒng)分類(lèi)中起到舉足輕重的作用；通過(guò)對(duì)山西省75個(gè)剖面樣點(diǎn)的調(diào)查和分類(lèi)可以看出，在土壤系統(tǒng)分類(lèi)和比土過(guò)程中，正確應(yīng)用土壤水熱狀況，對(duì)于土壤類(lèi)型的分選和確定具有重要意義，因此在野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)工作中應(yīng)十分注意對(duì)土壤水熱狀況的判別和確定。

雖然本文有意識(shí)地突出了土壤水熱狀況在系統(tǒng)分類(lèi)中的意義，但并不代表注重土壤的水熱狀況就能準(zhǔn)確地進(jìn)行土壤的系統(tǒng)分類(lèi)。土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的診斷層和診斷特性較多，成土因素中任何一項(xiàng)判別失誤都有可能造成分類(lèi)錯(cuò)誤。因此，在野外土壤調(diào)查及土壤系統(tǒng)分類(lèi)工作時(shí)，除注意土壤水熱狀況外，還要特別注意對(duì)地形部位(如山坡基巖殘積物、坡麓黃土臺(tái)地、河谷階地與河灘地等)、母質(zhì)/母巖類(lèi)型(如花崗巖、石灰?guī)r、砂頁(yè)巖、黃土母質(zhì)、沖積物等)、地下水埋深及水鹽影響、指示性植被類(lèi)型(如針葉林、高山草甸、低山灌草叢)、人為活動(dòng)等成土因素存在差異地區(qū)土壤在系統(tǒng)分類(lèi)中差別的判定，嚴(yán)格按照土壤系統(tǒng)分類(lèi)中診斷層和診斷特性進(jìn)行比土和判別，才能得到準(zhǔn)確的土壤系統(tǒng)分類(lèi)結(jié)果。

本文提出的基于氣象數(shù)據(jù)的土壤水熱狀況估算和確定方法，雖能通過(guò)較易獲取的氣溫、降雨量、蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤水熱狀況的定量估算，可用于在缺少土壤溫度數(shù)據(jù)時(shí)土壤水熱狀況的估算和確定，但土壤水分狀況估算結(jié)果在受地下水影響的地區(qū)并不適用，這部分土壤僅能通過(guò)實(shí)地調(diào)查判定土壤所處的水環(huán)境條件來(lái)進(jìn)行土壤水分狀況的判定；本文在土壤溫度和水分狀況估算時(shí)，未考慮植被、坡向及坡度、有機(jī)質(zhì)含量、土壤顏色、質(zhì)地等方面差異產(chǎn)生因素的影響，土壤水分狀況還未考慮海拔的影響，因此估算結(jié)果可能存在局部誤差；本文僅以山西省為例進(jìn)行了精度驗(yàn)證，但估算方法對(duì)于其他地區(qū)，尤其是干旱地區(qū)是否適用，還有待進(jìn)一步探討。

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Determination Method and Application of Soil Temperature Regime and Soil Moisture Regime in Chinese Soil Taxonomy——A Case Study of Shanxi Province

LI Chao1, ZHANG Fengrong1*, WANG Xiuli2, FENG Ting1
(1 College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2 College of Resources and Environmental Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Soil temperature regime (STR) and soil moisture regime (SMR) are two important parameters to influence soil properties and determine soil types in soil taxonomy. However, the current methods to estimate STR and SMR are not perfect, for example, hard to get real-time data, complex of calculation processes, low accuracy of estimated result, weak applicability of estimating method. In this paper, based on meteorological data and 75 surveyed-profile data in Shanxi Province, new methods were set up to rapidly estimate STR and SMR, and their application in Soil Taxonomy was discussed in order to instruct similar regional soil survey and soil taxonomy. The results showed that the new method of STE estimation was favorable in soil taxonomy, and estimated results could replace reliably measured values of soil temperature in Shanxi region. The new method of SMR was only suitable in region without influence of ground water, while SMR of affected regions should consider actual situation of hydrological environment. However, because STR and SMR are complex and changeful in different landscapes, more and careful attention should be paid to STR and SMR determination in regional soil survey and soil taxonomy.

Soil taxonomy; Soil temperature regime; Soil moisture regime; Shanxi Province

P934；S155.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.026

國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(2014FY110200)資助。

* 通訊作者(frzhang@cau.edu.cn)

李超(1991—)，男，河北邢臺(tái)人，博士研究生，研究方向?yàn)橥寥赖乩?、土地持續(xù)利用。E-mail: 493187756@qq.com