土壤含水量與溫度變化規(guī)律研究

褚兆輝

（滕州市土肥工作站 山東，棗莊277599）

1 背景

我國(guó)是糧食進(jìn)口大國(guó)，其氣候特征決定了西部地區(qū)干旱、土地荒漠化導(dǎo)致土壤沙漠化和鹽漬化，加之老少邊地區(qū)過度開發(fā)，土地肥力大幅下降，耕地面積逐年減少[1-2]。對(duì)于年降水量少、土地資源豐富的地區(qū)，研究含水量與溫度變化關(guān)系，能加強(qiáng)當(dāng)?shù)貙?duì)降水資源的有效利用，對(duì)實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡復(fù)原、農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要意義。一般而言，土壤水分和溫度是植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)汲取的必要條件，這兩者通過不同層面影響植物發(fā)育生長(zhǎng)[3]。通過單要素分析，對(duì)不同含水量、不同地溫條件下變化規(guī)律研究，可研究出當(dāng)?shù)刂脖簧L(zhǎng)發(fā)育的事宜條件。

土壤含水量測(cè)定方法的分類，受各學(xué)者因研究目的、手段、途徑與對(duì)象尺度不同而提出的分類原因不盡相同，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前發(fā)展成為三大類：取樣-定位、遙感監(jiān)測(cè)、模型模擬測(cè)量法[3]。根據(jù)本次研究?jī)?nèi)容，采用取樣可以實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)含水量測(cè)定。

2 土壤含水量與溫度變化影響

2.1 不同含水量對(duì)溫度的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟 采用同一區(qū)域內(nèi)的土壤作為實(shí)驗(yàn)樣本，首先進(jìn)行三天自然晾干，降低土壤的初始含水量，使得后期加入水后土壤不過飽和；晾干完成后，將土壤重新混合均勻，并取100克為一份，分為30份；按編號(hào)1至5對(duì)裝入燒杯的土壤進(jìn)行編號(hào)；總共獲得6組；將6實(shí)驗(yàn)組分別裝入溫度為15攝氏度的保溫箱，并在一段時(shí)間后測(cè)量土壤溫度，保證其初始溫度為15攝氏度；將組1作為原始對(duì)照組，不加入水，組2、組3、組4、組5、組6分別加入5、10、15、20、25毫升水；待水分充分吸收后，將每組置于同樣光照條件下；每間隔1分鐘記錄每組測(cè)得溫度，待溫度變化達(dá)到穩(wěn)定后3分鐘停止實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 首先進(jìn)行土壤的含水量計(jì)算，按照土壤含水量公式得到組1數(shù)據(jù)。參考公式如下：

式（1）中X代表含水量，用百分比表示；代表原始土重；代表烘干后稱得土重。因此，組1含水量計(jì)算結(jié)果為15.8%，同理計(jì)算得到組2至組6含水量分別為21.7%、27.5%、33.3%、39%、44.8%。表1為實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)詳情，其中每組數(shù)據(jù)為5個(gè)樣本求得平均值。同時(shí)按照6組測(cè)得溫度變化，得到表2數(shù)據(jù)。同樣，溫度為每組數(shù)據(jù)5個(gè)樣本測(cè)得的平均值。

根據(jù)表2可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)組1土壤未加入水時(shí)，土壤受溫度影響每分鐘均會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)?shù)竭_(dá)11分鐘后溫度趨于穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)組2加入5g水時(shí)，土壤受溫度影響與實(shí)驗(yàn)組1呈現(xiàn)同樣的變化趨勢(shì)，且提前在8分鐘后趨于穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)組3同樣變化明顯，且在11分鐘后溫度趨于穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)組4、5、6在前期變化不快，水分保持溫度作用明顯，均在11分鐘左右才達(dá)到24攝氏度，由于組6含水量最高，所以在14分鐘才達(dá)到實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)可以得到6個(gè)實(shí)驗(yàn)組溫度變化情況曲線，如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，組6含水量影響溫度測(cè)量，可能時(shí)造成10分鐘時(shí)測(cè)量溫度下降趨勢(shì)的原因，但整體趨勢(shì)變化明顯，含水量較多的實(shí)驗(yàn)組在溫度變化趨勢(shì)上比較平穩(wěn)，而含水量低的實(shí)驗(yàn)組溫度變化快，且趨勢(shì)一致，到達(dá)最高溫度時(shí)間最短。

表1 實(shí)驗(yàn)組含水量數(shù)據(jù)詳情

圖1 實(shí)驗(yàn)組溫度變化情況曲線

表2 實(shí)驗(yàn)組溫度數(shù)據(jù)詳情

2.2 不同溫度對(duì)含水量的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟 按照不同含水量溫度變化實(shí)驗(yàn)配置同樣組數(shù)的土壤，組1為加5g水實(shí)驗(yàn)組、組2為加15g水實(shí)驗(yàn)組、組3為加25g水實(shí)驗(yàn)組。由此獲得3組不同含水量的實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。將3組土壤分別置放在恒溫15℃保溫箱內(nèi)，待測(cè)得溫度一致時(shí)，分別以20℃、25℃、30℃、35℃、40℃對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行烘干，待重量達(dá)到86.3g且不再發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 實(shí)驗(yàn)組1、2、3分別進(jìn)行加熱后，測(cè)得不同時(shí)間到達(dá)土壤干重，且三組變化趨勢(shì)有明顯差別，在含水量較多時(shí)，由于蒸發(fā)帶走熱量，且蒸發(fā)速率受溫度影響變化較快，更容易達(dá)到干重。因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室要注意記錄不同實(shí)驗(yàn)組之間的時(shí)間差異，具體測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度下土壤水分蒸發(fā)速率

根據(jù)表3可知，土壤蒸發(fā)速率受含水量影響，呈正相關(guān)特性，當(dāng)土壤含水量較少時(shí)，溫度越高，蒸發(fā)越快，土壤對(duì)水的保持力最??；當(dāng)土壤含水量較多時(shí)，溫度影響含水量變化趨勢(shì)需時(shí)較長(zhǎng)，因此土壤溫度變化更加線性，適合農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育。

3 相關(guān)誤差分析

3.1 測(cè)量誤差

測(cè)量誤差屬于隨機(jī)誤差的一種，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)采用多組平均的方法可以有效減少因?qū)嶒?yàn)過程人為因素、儀表測(cè)量等造成的結(jié)果偏差。在進(jìn)行不同含水量對(duì)溫度的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，水量加入每次不能保證完全一致，可以通過5個(gè)樣本求平均來減少這類誤差對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響；在溫度計(jì)測(cè)量分鐘溫度時(shí)，人為因素導(dǎo)致時(shí)間上的差異和溫度計(jì)誤差均可能引起結(jié)果偏差，因此要多人協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)，保證時(shí)間上的一致性和溫度計(jì)讀數(shù)客觀性；在對(duì)組6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了溫度下降的情況，可能原因是人為誤讀造成，因此可以由下降前后兩次測(cè)量得到溫度進(jìn)行平滑處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍保持了溫度變化的一致性。

3.2 系統(tǒng)性誤差

系統(tǒng)誤差屬于不可避免誤差，在進(jìn)行第二次溫度影響含水量實(shí)驗(yàn)時(shí)，可明顯得知在對(duì)土壤加熱時(shí)，由于土壤結(jié)構(gòu)特性，溫度無法從低至頂保持一致，因此土壤受熱不均會(huì)引起測(cè)量的誤差，所以在實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算時(shí)同樣采用5個(gè)樣本結(jié)果進(jìn)行平均處理，并保持土壤在盡可能大的容器內(nèi)均勻平鋪。同時(shí)，由于測(cè)量?jī)x器受溫度影響，可能會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)至干重并測(cè)量時(shí)間的過程出現(xiàn)較大誤差，因此對(duì)測(cè)量?jī)x器的選擇上要考慮耐熱性，不能因熱噪引起傳感器誤測(cè)量。為此，可以將不同溫度下，盛器測(cè)得重量作為參考標(biāo)準(zhǔn)，以此判斷測(cè)量?jī)x器是否受溫度影響發(fā)生誤差。

4 總結(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)土壤吸收或散失熱量時(shí)，溫度變化趨勢(shì)取決于土壤熱容量，而根據(jù)土壤組成、結(jié)構(gòu)不同，對(duì)水分的保持作用也不盡相同，由于水的熱容量高于土壤，且熱傳導(dǎo)效率低于土壤，適當(dāng)?shù)暮靠梢允雇寥谰哂辛己玫谋刈饔?。因此，在較為干旱的地區(qū)可以適當(dāng)增加灌溉頻率和容量，而較為濕潤(rùn)的地區(qū)相應(yīng)減少；在土壤面積較廣闊時(shí)，農(nóng)作物生長(zhǎng)需要土壤保持一定水分，日照強(qiáng)烈時(shí)合理增加灌溉水量，使溫度保持緩慢變化，夜間保持較少水量，可讓土壤具有一定保溫作用即可。

根據(jù)現(xiàn)有資料顯示，農(nóng)作物生長(zhǎng)除了要保證土壤含水量以外，還需在土壤表面鋪設(shè)保溫隔熱材料，通過熱輻射效應(yīng)來保證地表溫度的穩(wěn)定。因此，土壤含水量保持可以通過秸稈等作物鋪設(shè)、地表覆膜等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，合理利用引水溝渠，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性灌溉，保持土壤含水量在合理范圍內(nèi)，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)具有重要意義。