四川省自動(dòng)土壤水分站土壤水文?物理特性分析

郭旭 苑躍 杜冰 吳薇 龍柯吉

摘要 為了更全面地了解四川地區(qū)的土壤水文、物理特性，獲得更準(zhǔn)確可靠的自動(dòng)土壤水分資料，研究了四川省184個(gè)自動(dòng)土壤水分站的土壤水文、物理常數(shù)，包括土壤質(zhì)地、田間持水量、土壤容重和凋萎濕度。結(jié)果表明，四川地區(qū)土壤質(zhì)地以壤土類為主，約有44%的縣（區(qū)）為壤土類土質(zhì)，其次是黏土類，約占30%，砂土類地區(qū)最少，僅占5%。自動(dòng)土壤水分站田間持水量的分布為12.5%～36.7%;土壤容重的分布為1.00～2.13 g/cm3;凋萎濕度的分布為3.1%～16.9%。研究還發(fā)現(xiàn)，部分站點(diǎn)測(cè)定的土壤水文、物理特性存在疑問，特別是凋萎濕度差異較大，問題站點(diǎn)較多。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)土壤水分站;土壤質(zhì)地;田間持水量;土壤容重;凋萎濕度

中圖分類號(hào) S153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）11-0004-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.002

Abstract For a more comprehensive understanding of soil hydrological and physical characteristic in Sichuan Province and obtaining more accurate and reliable automatic soil moisture station data， we analyzed and researched the soil hydrological and physical characteristic of automatic soil moisture stations in Sichuan Province， including soil texture， field capacity， soil bulk density and fade humidity. The results showed that the soil texture in Sichuan Province was dominated by loam soil， about 44% of counties were loam soil， the second was clay soil， about 30%， and the least was sandy soil， only 5%. The distribution of field capacity ranged from 12.5% to 36.7%， the soil bulk density ranged from 1.00 g/cm3 to 2.13 g/cm3， and the fade humidity ranged from 3.1% to 16.9%.And we also found that the soil hydrological and physical characteristic of some automatic soil moisture stations were not accuracy， especially the fade humidity， there were many stations with problems.

Key words Automatic soil moisture station;Soil texture;Field capacity;Soil bulk density;Fade humidity

基金項(xiàng)目 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科技發(fā)展基金項(xiàng)目（SCQXKJQN2019018）;四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)課題（川氣探數(shù)課題2018-3）。

作者簡(jiǎn)介 郭旭（1983—），男，遼寧葫蘆島人，工程師，碩士，從事資料數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估分析研究。*通信作者，高級(jí)工程師，從事資料數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估分析研究。

收稿日期 2019-03-05

根據(jù)中國(guó)氣象局的統(tǒng)一安排和部署，四川省氣象局及各市（州）、縣氣象局自2009年起開始建設(shè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站，現(xiàn)已建成自動(dòng)土壤水分站190個(gè)。自動(dòng)土壤水分站的投入使用不僅大大降低了農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)人員的工作量，也在時(shí)間和空間層面上提升了土壤水分的觀測(cè)密度，格式統(tǒng)一的觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用起來也十分方便，為旱澇監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究，特別是為農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供了更系統(tǒng)和實(shí)用的資料。

自動(dòng)土壤水分站主要利用頻域反射法（FDR，frequency domain reflection）測(cè)定不同層次土壤的體積含水率[1]，再結(jié)合土壤水文、物理特性計(jì)算出各層土壤的重量含水率、相對(duì)濕度和有效水分貯存量。因此，土壤水文、物理特性是自動(dòng)土壤水分站必不可少的參數(shù)。其中土壤水文特性，也稱做土壤水文特性常數(shù)或土壤農(nóng)業(yè)水文特性，是用來表明土壤水分對(duì)植物的有效程度、土壤持水能力以及土壤水分流動(dòng)性的特征值，包括田間持水量、凋萎濕度、飽和持水量、毛管持水量、土壤最大吸濕度等。而土壤的物理特性反映了土壤的物理性質(zhì)，是決定土壤水分、空氣和溫度狀況的特征值，也稱為土壤農(nóng)業(yè)物理特性，包括土壤容重、比重、孔隙度等[2]。

根據(jù)自動(dòng)土壤水分站的建設(shè)要求，在選定觀測(cè)地段后，應(yīng)按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》中的規(guī)定和方法，在觀測(cè)地段附近分層測(cè)定土壤的土質(zhì)、田間持水量、凋萎濕度和土壤容重等土壤水文、物理特性作為該站的參數(shù)。目前，新疆、山東、甘肅、黑龍江等省區(qū)都對(duì)其各自省區(qū)的土壤水分常數(shù)分布特征進(jìn)行過分析研究[3-13]，而對(duì)四川地區(qū)自動(dòng)土壤水分站土壤水文、物理特性的研究仍處于空白，該研究在填補(bǔ)這一空白的同時(shí)，也可以為今后自動(dòng)土壤水分站建設(shè)中土壤水文、物理特性的測(cè)定提供一定的理論依據(jù)。只有測(cè)定了準(zhǔn)確的土壤水文、物理特性，才能獲得較為可靠的自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，從而確保自動(dòng)土壤水分資料在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的價(jià)值。

1 資料與常數(shù)介紹

1.1 自動(dòng)土壤水分站

為了保證資料的準(zhǔn)確性，從四川地區(qū)190個(gè)自動(dòng)土壤水分站中選取184站，具體分布如圖1所示。將其最新的土壤水文、物理特性常數(shù)，包括田間持水量、土壤容重、凋萎濕度和土壤質(zhì)地作為分析研究對(duì)象。其余6站由于儀器、遷站等原因正處于對(duì)比觀測(cè)期。自動(dòng)土壤水分站的8個(gè)垂直觀測(cè)層次依次為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm。由于四川地區(qū)地質(zhì)、地貌環(huán)境復(fù)雜多變，部分地區(qū)土層較薄，甚至不足1 m，因此有55站并未觀測(cè)到100 cm，占所選研究對(duì)象的299%，而這其中又有51站只觀測(cè)到50 cm。

1.2 土壤水文、物理特性

1.2.1 田間持水量。田間持水量是在地下水位較低（毛管水不與地下水相連接）情況下，土壤所能保持的毛管懸著水的最大量，是植物有效水的上限。田間持水量是衡量土壤保水性能的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行農(nóng)田灌溉的重要參數(shù)。田間持水量的測(cè)定多采用田間小區(qū)灌水法，當(dāng)土壤排除重力水后，測(cè)定的土壤濕度即為田間持水量[2]。對(duì)于自動(dòng)土壤水分站，田間持水量主要用于計(jì)算土壤的相對(duì)濕度。

1.2.2 土壤容重。土壤容重是在沒有遭到破壞的自然土壤結(jié)構(gòu)條件下采取體積一定的土樣稱重，取樣烘干，計(jì)算單位體積內(nèi)的干土重，以g/m3表示[2]。土壤容重是計(jì)算土壤水分總貯存量、土壤有效水分貯存量和自動(dòng)土壤水分站重量含水率的換算常數(shù)。

1.2.3 凋萎濕度。生長(zhǎng)正常的植株僅由于土壤水分不足，致使植株失去膨壓，開始穩(wěn)定凋萎時(shí)的土壤濕度即為凋萎濕度。凋萎濕度的測(cè)定是采用栽培法，把指示作物（大麥、燕麥等）栽種到土表密封的玻璃容器中，當(dāng)指示作物的所有葉片出現(xiàn)凋萎且空氣濕度接近飽和，蒸騰最小的情況下仍不能恢復(fù)時(shí)，測(cè)定容器中的土壤濕度[2]。凋萎濕度是植物有效水分的下限和計(jì)算田間有效水分貯存量的必需項(xiàng)。

2 土壤質(zhì)地分類及四川地區(qū)分布情況

2.1 土壤質(zhì)地分類

根據(jù)我國(guó)的土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，土壤大致可以分為三大類，即砂土、壤土和黏土。結(jié)合《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》和《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范（試行）》，各大類土質(zhì)的細(xì)化和自動(dòng)土壤水分站代碼如表1所示，自動(dòng)土壤水分觀測(cè)資料中的土壤質(zhì)地參數(shù)項(xiàng)是用其代碼表示的。

2.2 四川地區(qū)土壤質(zhì)地分布

由于有51站只觀測(cè)到50 cm，因此對(duì)于四川地區(qū)自動(dòng)土壤水分站土壤質(zhì)地的分布情況，只統(tǒng)計(jì)分析了0～50 cm的土壤質(zhì)地。例如某站5層土質(zhì)均為壤土類，則該地區(qū)即歸為壤土，如果其中有任意1層為其他土質(zhì)，則該地區(qū)歸為混合類土質(zhì)。四川省共有135個(gè)縣（區(qū)）安裝了自動(dòng)土壤水分站（部分地區(qū)安裝了2套），甘孜州和阿壩州有20個(gè)高原地區(qū)縣因地質(zhì)、地貌等原因沒有建設(shè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站。從圖2的分布情況可以看出，四川地區(qū)壤土土質(zhì)的縣（區(qū)）最多，為59個(gè)，約占已建站縣（區(qū)）的44%;其次是黏土土質(zhì)，有41個(gè)縣（區(qū)），占30%;混合土質(zhì)有28個(gè)，約占21%;砂土土質(zhì)在四川最少，有7個(gè)縣（區(qū)），僅占5%。

選取的184站自動(dòng)土壤水分站中有129站觀測(cè)到了100 cm，即垂直觀測(cè)層次為8層;有1站觀測(cè)到80 cm，即垂直觀測(cè)層次為7層;有3站觀測(cè)到60 cm，即垂直觀測(cè)層次為6層;有51站觀測(cè)到50 cm，即垂直觀測(cè)層次為5層，總計(jì)1 312層。這其中壤土層最多，為647層，占總層數(shù)的49%，壤土層中又以黏壤土層最多，為468層，約占總層數(shù)的36%;其次是黏土層，有568層，約占總層數(shù)的43%;砂土層最少，僅有97層，約占總層數(shù)的7%，具體如圖3所示。

3 土壤水文、物理特性

3.1 田間持水量

所選184個(gè)自動(dòng)土壤水分站所有層次田間持水量的分布為12.5%～36.7%。其中，砂土田間持水量的分布為12.5%～33.2%;壤土田間持水量的分布為14.2%～36.1%;黏土田間持水量的分布為17.0%～36.7%。如表2所示，砂土的田間持水量相對(duì)最小，黏土的田間持水量則相對(duì)較大，各類土質(zhì)上層的田間持水量也要略大于下層。此外，在統(tǒng)計(jì)分析過程中發(fā)現(xiàn)，涼山州有1站5層砂土的田間持水量均超過38%，明顯大于同為砂土類的其他站點(diǎn)，甚至超過了黏土類站點(diǎn)的田間持水量，數(shù)據(jù)可靠性存在疑問，因此并未統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。

3.2 土壤容重

從分析結(jié)果看，四川地區(qū)自動(dòng)土壤水分站所有土層土壤容重的分布為1.00～2.13 g/cm3，其中，砂土的土壤容重分布為1.00～1.87 g/cm3;壤土的土壤容重分布為1.07～2.01 g/cm3;黏土的土壤容重分布為1.13～2.13 g/cm3。與田間持水量的分布一樣，砂土的土壤容重較小，而黏土的土壤容重則較大，各類土質(zhì)上層的土壤容重則略小于下層（表3）。研究發(fā)現(xiàn)，各類土壤水文、物理特性中，各站各層土壤容重的測(cè)定最穩(wěn)定適中，偏差最小，離群參數(shù)最少。

3.3 凋萎濕度

由于凋萎濕度的測(cè)定較為苛刻復(fù)雜，很多臺(tái)站都不具備測(cè)定條件，這就造成了凋萎濕度的測(cè)定偏差較大，因此在分析統(tǒng)計(jì)過程中，剔除了部分嚴(yán)重離群的可疑參數(shù)。從表4可以看出，四川地區(qū)自動(dòng)土壤水分站的凋萎濕度分布為3.1%～16.9%，其中，砂土凋萎濕度分布為3.1%～140%;壤土凋萎濕度分布為3.5%～15.5%;黏土凋萎濕度分布為3.3%～16.9%，砂土的凋萎濕度相對(duì)小些，而黏土的凋萎濕度相對(duì)大些。

4 結(jié)論

（1）四川地區(qū)土壤質(zhì)地以壤土類為主，約有44%的縣（區(qū)）為壤土類土質(zhì)，其次是黏土類，約占30%，砂土類地區(qū)最少，僅占5%。垂直層面，壤土層最多，為647層，約占總層數(shù)的49%，砂土層最少，僅有97層，約占總層數(shù)的7%。

（2）經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，所有184個(gè)自動(dòng)土壤水分站田間持水量的分布為12.5%～36.7%;土壤容重的分布為1.00～2.13 g/cm3;凋萎濕度的分布為3.1%～16.9%。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，部分站點(diǎn)測(cè)定的土壤水文、物理特性存在疑問，特別是凋萎濕度的測(cè)定存在較大偏差，在以后重新測(cè)定土壤水文、物理特性時(shí)應(yīng)特別注意。

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