山東省土壤水分自動站土壤水分常數評估

成兆金　李斌

摘要：基于山東省120個土壤水分自動觀測站所測定的土壤水文、物理特性測定值（簡稱土壤水分常數），采用ARCGIS技術、統計、成果參照對比等方法進行評估。結果表明，山東土壤水分自動觀測站的土壤質地壤土類居多，達75%；土壤水文、物理特性測定土壤容重0.95～1.93 g/cm3、田間持水量14.1%～40.8%、凋萎濕度1.1%～33.0%。部分臺站測定的水分常數存在偏差，尤其凋萎濕度的誤差最大，田間持水量誤差較小，土壤容重較為合適。

關鍵詞：土壤水分自動站；土壤水分常數；評估；山東省

中圖分類號：S-03 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）18-3468-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.18.019

Abstract： Soil hydrological and physical properties of 120 soil moisture in Shandong province based on the determination of the automatic meteorological station（soil moisture constants for short） ARCGIS technology，statistics，comparison with the results were evaluated. The results showed that the Shandong soil moisture automatic observation station of soil texture soil mostly reached 75%； Soil physical properties determination of hydrology，soil bulk density value range 0.95～1.93 g/cm3，field capacity 14.1%～40.8%，wilting moisture 1.1%～33.0%. There was moisture constant bias for the determination of some stations，especially the error of wilting moisture was biggest. The field capacity error was smaller. The soil bulk density was more appropriate.

Key words： soil moisture automatic station； soil moisture constant； evaluation； Shandong province

為獲取具有代表性、準確性和可比較性的土壤水分連續觀測資料，減輕人工觀測勞動量、提高觀測數據的時空密度，為干旱監測、農業氣象預報和服務提供高質量的土壤水分監測資料[1]，山東省氣象局按照中國氣象局部署，于2009～2010年陸續建設土壤水分自動觀測站，并分批進行了土壤水文、物理特性值的測定工作。

土壤農業水文特性是反映土壤物理性質的特征值，是衡量土壤水分對作物供應及可利用程度的標準，是確定灌水時間和定額的重要依據[2]。開展土壤水文、物理特性測定值的評估，確保土壤水分自動站探測資料的準確性，土壤水分自動觀測站對于氣象預警、決策服務等方面的重要作用才能得以施展[3]，總體效益才能得以有效發揮。

1 材料與方法

1.1 資料來源

試驗土樣為2009～2010年采自山東省120個土壤水分自動觀測站有代表性農田土壤，采用烘干稱重法，測定深度分8個層次，0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm，有的臺站增加了60～70、80～90 cm兩個層次，個別臺站因所屬區域土層厚度等限制進行0～50 cm深度的測定，4個重復取樣。

1）田間持水量采用小區灌水法，在田間選擇4 m2的平坦場地，利用公式Q=2×（a-w）×ρ×s×h/100[4-6]計算出樣本小區需灌溉水量，其中，Q為灌水量（m3）；a為假設的所測深度土層中的平均田間持水量（%）；W為灌水前后所測深度的各層平均土壤濕度（%）；P代表所測深度的平均土壤容重；S表示灌水場地面積（m2），h為所要測定的深度（m）。待重力水下滲后分層次，對4個重復土樣取樣進行測定，然后進行田間持水量計算。土壤田間持水量（重量含水率）=（濕土重-干土重）/干土重×100%[7-9]。

2）凋萎濕度采用作物栽培法，在直徑3 cm、高10 cm，容積約70 cm3的32個玻璃容器中，裝填過篩好的土樣，將大麥或燕麥種子置于土中，澆上配制的營養液，用蠟紙封口，并分別標記，待葉片出現萎蔫且空氣濕度接近飽和仍不能恢復時，測定容器中此時的土壤濕度。凋萎濕度（重量含水率）=（濕土重-干土重）/干土重×100%[10-12]。

3）土壤容重采用環刀法，在沒有遭到破壞的自然土壤結構條件下，利用土壤容重測定器，采取4個重復挖取8個層次的環刀樣品土樣稱重，取樣烘干，計算單位體積內的干土重，以g/cm3表示。土壤容重=（濕土重×100）/（鉆筒容積×（100+土壤重量含水率））[13-16]。

1.2 分析方法

采用ARCGIS技術，對山東省土壤水分自動站測定的土壤質地進行分類繪圖；利用統計法、成果參照對比等方法，對120個土壤水分自動觀測站測定的土壤水分常數進行分析評估。該成果為1987年山東省土壤水文常數范圍（表1）。

2 結果與分析

2.1 土壤質地分類及分布endprint

由于臺站對土壤質地的登記名稱不盡相同，并未完全按照《農業氣象規范觀測》土壤質地的分類標準進行劃分，只要某臺站0～30 cm各層次均出現該類土壤質地，則該土壤質地類型就統計1次，如果某臺站0～30 cm各層次有1個層次不是該土壤質地，該臺站土壤質地就劃為混合類土壤。統計結果見圖1（存在一個縣域站有建多個自動臺站的情況），壤土類的臺站達90個，占比為75%；均為黏土類的臺站為16個，占13.3%；均為沙土類的臺站為1個，占0.8%；混合類土壤達13個臺站，占10.8%。將這120個自動站中壤土、黏土、沙土3大類土壤按不同顏色，利用ArcGIS技術標示于山東縣界區域中。

2.2 田間持水量

2.2.1 不同土壤質地的田間持水量 從田間持水量測定統計結果（表2）看，沙土田間持水量為14.1%～31.8%；壤土田間持水量為14.3%～34.1%；黏土田間持水量為15.8%～40.8%。從其出現的頻率來看，120個土壤水分觀測站，田間持水量≤26.0%，沙土類共出現61層次，出現頻率為82%；壤土類共出現405層次，出現頻率為87%；黏土類共出現144層次，出現頻率為68%。可見黏土的田間持水量最大，壤土的田間持水量較小，沙土的田間持水量最小。由此得知，山東的沙土類土壤較少，僅占到120個臺站所測定土壤的9.9%，黏土類較多，占到120個臺站所測定土壤的28%，壤土類最多，占到120個臺站所測定土壤的62%。壤土類土壤易耕作、保水、保肥能力好，構成了山東糧倉的土壤基礎。

相對于成果欄，沙土下限值偏大59%；壤土上限和下限值分別偏大21%和26%；黏土上限值偏小41%、下限值偏大36%。

2.2.2 相同土壤質地不同土層深度的田間持水量 沙土、壤土、黏土3大類土壤各土壤質地0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm土層深度的最大田間持水量曲線見圖2。由圖2可知，沙土類土壤由淺層到深層其最大田間持水量變化趨勢基本呈由小變大的趨勢，只有80～90 cm層次出現向下的拐點；壤土類土壤除粉沙土土壤外，其余土壤0～10 cm最大田間持水量比10～20 cm大，這是由于土壤表層由于耕作，土壤有機質含量高，氣孔多，土質較為松散，田間持水量相對較大，其余層次基本平穩變化，前后兩層最大田間持水量上下浮動不大，尤其粉土和粉壤土20～70 cm前后兩層上下浮動約3%，較為平穩；黏土類土壤黏土、粉黏土和壤黏土3類土壤整個變化趨勢基本一致，土壤0～10 cm最大田間持水量比10～20 cm大，70～100 cm最大田間持水量逐層升高，變化趨勢一致。

2.3 凋萎濕度

2.3.1 不同土壤質地的凋萎濕度 從凋萎濕度測定統計結果（表3）看，沙土凋萎濕度為1.1%～10.9%；壤土凋萎濕度為1.3%～13.1%；黏土凋萎濕度為2.2%～33.0%。從其出現的概率來看，120個土壤水分觀測站，凋萎濕度≤8.0%：沙土類共出現86層次，出現概率為91%；壤土類共出現539層次，出現概率為89%；黏土類共出現67層次，出現概率為61%。可見黏土的凋萎濕度最大，壤土的凋萎濕度較小，沙土的凋萎濕度最小。

相對于成果欄，沙土下限值偏大263%，應該是不正確；壤土上限和下限值分別偏小68%和偏大87%，偏小和偏大較大，不準確；黏土上限值偏小73%、下限值偏大230%，偏小和偏大較大，不準確。

2.3.2 相同土壤質地不同土層深度的凋萎濕度 沙土、壤土、黏土3大類土壤各土壤質地0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm土層深度的最大凋萎濕度曲線見圖3。由圖3可以看出，由于沙土類土壤樣本較少，規律不是很明顯，細沙土、面沙土10～20 cm凋萎濕度大于0～10 cm凋萎濕度，二者趨勢一致，細沙土30～70 cm規律明顯，呈遞增趨勢，沙土0～60 cm凋萎濕度呈波浪式變化；壤土類不同層次最大凋萎濕度曲線變化非常有規律，由淺層到深層基本呈平穩趨勢變化，只有黏壤土類土壤，因為是由黏壤土和沙壤土數據混合統計，造成數據不夠穩定，導致數據上下浮動較大；由黏土類不同層次最大凋萎濕度曲線圖可以看出，黏土0～40 cm凋萎濕度由淺到深呈遞增趨勢，40～70 cm呈下降趨勢，且數值由33.0%到10.9%，70～100 cm上下波動明顯，壤黏土變化較平穩，上下浮動1.7%。

2.4 土壤容重

2.4.1 不同土壤質地的土壤容重 從土壤容重測定統計結果（表4）看，沙土土壤容重為1.17～1.71 g/cm3；壤土土壤容重為0.95～1.93 g/cm3；黏土土壤容重為1.11～1.87 g/cm3。從其出現的保證率來看，120個土壤水分觀測站，土壤容重≤1.50 g/cm3，沙土類共出現79%層次，壤土類共出現52%層次，黏土類共出現59%層次，可見沙土的土壤容重最小，壤土和黏土的土壤容重較大，壤土的土壤容重1.80～1.93 g/cm3只出現在某1、2個臺站的個別層次，數值有些偏大。

相對于成果欄，沙土下限值偏大55%，偏大較多；壤土上限和下限值分別偏小27%和偏大33%；黏土上限值明顯偏小。

2.4.2 相同土壤質地不同土層深度的土壤容重 沙土類、壤土類、黏土類各土壤質地0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm土層深度的最大土壤容重曲線見圖4。沙土類土壤容重由淺層到深層呈現遞增趨勢，土層越深，土壤密度越大，土壤容重逐漸增大，規律比較明顯；壤土類土壤容重變化較為平穩，上下浮動較小，大多在1.50～1.80 g/cm3；黏土類土壤容重0～70 cm變化比較平穩，70～100 cm多呈波浪式變化，上下浮動多在0.20 g/cm3，黏土土質較硬，密度淺層到深層變化不明顯，相同質地土壤容重上下變化幅度較小。endprint

3 小結

1）臺站對土壤質地的登記名稱不盡相同，并未完全按照《農業氣象規范觀測》土壤質地的分類標準進行劃分，以后需統一按照規范規定執行。

2）經分析評估，山東省土壤水分自動觀測站的土壤質地壤土類居多，達75%；土壤水文、物理特性測定土壤容重0.95～1.93 g/cm3，田間持水量14.1%～40.8%，凋萎濕度1.1%～33.0%。各區間范圍除土壤容重較為合適外，凋萎濕度的測定誤差較大，田間持水量誤差次之。

3）隨著農業氣象工作的開展，部分臺站對土壤質地類型劃分存在異議，所測土壤水文常數尚存一定偏差，造成部分土壤水文、物理特性測定值域值變大，有待以后進一步考量，在以后重新測定土壤水分常數時建議采取一定措施，力爭常數測定準確。

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