四川省自動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的土壤水文、物理特性，獲得更準確可靠的自動土壤水分資料，研究了四川省184個自動土壤水分站的土壤水文、物理常數，包括土壤質地、田間持水量、土壤容重和凋萎濕度。結果表明，四川地區土壤質地以壤土類為主，約有44%的縣（區）為壤土類土質，其次是黏土類，約占30%，砂土類地區最少，僅占5%。自動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%。研究還發現，部分站點測定的土壤水文、物理特性存在疑問，特別是凋萎濕度差異較大，問題站點較多。

關鍵詞 自動土壤水分站;土壤質地;田間持水量;土壤容重;凋萎濕度

中圖分類號 S153文獻標識碼 A

文章編號 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

基金項目 高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室科技發展基金項目（SCQXKJQN2019018）;四川省氣象探測數據中心科學技術研究開發課題（川氣探數課題2018-3）。

作者簡介 郭旭（1983—），男，遼寧葫蘆島人，工程師，碩士，從事資料數據質量控制和評估分析研究。*通信作者，高級工程師，從事資料數據質量控制和評估分析研究。

收稿日期 2019-03-05

根據中國氣象局的統一安排和部署，四川省氣象局及各市（州）、縣氣象局自2009年起開始建設自動土壤水分觀測站，現已建成自動土壤水分站190個。自動土壤水分站的投入使用不僅大大降低了農業氣象觀測人員的工作量，也在時間和空間層面上提升了土壤水分的觀測密度，格式統一的觀測數據應用起來也十分方便，為旱澇監測、科學研究，特別是為農業氣象服務提供了更系統和實用的資料。

自動土壤水分站主要利用頻域反射法（FDR，frequency domain reflection）測定不同層次土壤的體積含水率[1]，再結合土壤水文、物理特性計算出各層土壤的重量含水率、相對濕度和有效水分貯存量。因此，土壤水文、物理特性是自動土壤水分站必不可少的參數。其中土壤水文特性，也稱做土壤水文特性常數或土壤農業水文特性，是用來表明土壤水分對植物的有效程度、土壤持水能力以及土壤水分流動性的特征值，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，是決定土壤水分、空氣和溫度狀況的特征值，也稱為土壤農業物理特性，包括土壤容重、比重、孔隙度等[2]。

根據自動土壤水分站的建設要求，在選定觀測地段后，應按照《農業氣象觀測規范》中的規定和方法，在觀測地段附近分層測定土壤的土質、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。目前，新疆、山東、甘肅、黑龍江等省區都對其各自省區的土壤水分常數分布特征進行過分析研究[3-13]，而對四川地區自動土壤水分站土壤水文、物理特性的研究仍處于空白，該研究在填補這一空白的同時，也可以為今后自動土壤水分站建設中土壤水文、物理特性的測定提供一定的理論依據。只有測定了準確的土壤水文、物理特性，才能獲得較為可靠的自動土壤水分數據，從而確保自動土壤水分資料在實際應用中發揮更大的價值。

1 資料與常數介紹

1.1 自動土壤水分站

為了保證資料的準確性，從四川地區190個自動土壤水分站中選取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，包括田間持水量、土壤容重、凋萎濕度和土壤質地作為分析研究對象。其余6站由于儀器、遷站等原因正處于對比觀測期。自動土壤水分站的8個垂直觀測層次依次為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm。由于四川地區地質、地貌環境復雜多變，部分地區土層較薄，甚至不足1 m，因此有55站并未觀測到100 cm，占所選研究對象的299%，而這其中又有51站只觀測到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，也是進行農田灌溉的重要參數。田間持水量的測定多采用田間小區灌水法，當土壤排除重力水后，測定的土壤濕度即為田間持水量[2]。對于自動土壤水分站，田間持水量主要用于計算土壤的相對濕度。

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構條件下采取體積一定的土樣稱重，取樣烘干，計算單位體積內的干土重，以g/m3表示[2]。土壤容重是計算土壤水分總貯存量、土壤有效水分貯存量和自動土壤水分站重量含水率的換算常數。

1.2.3 凋萎濕度。生長正常的植株僅由于土壤水分不足，致使植株失去膨壓，開始穩定凋萎時的土壤濕度即為凋萎濕度。凋萎濕度的測定是采用栽培法，把指示作物（大麥、燕麥等）栽種到土表密封的玻璃容器中，當指示作物的所有葉片出現凋萎且空氣濕度接近飽和，蒸騰最小的情況下仍不能恢復時，測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算田間有效水分貯存量的必需項。

2 土壤質地分類及四川地區分布情況

2.1 土壤質地分類

根據我國的土壤質地分類標準，土壤大致可以分為三大類，即砂土、壤土和黏土。結合《農業氣象觀測規范》和《自動土壤水分觀測規范（試行）》，各大類土質的細化和自動土壤水分站代碼如表1所示，自動土壤水分觀測資料中的土壤質地參數項是用其代碼表示的。

2.2 四川地區土壤質地分布

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

選取的184站自動土壤水分站中有129站觀測到了100 cm，即垂直觀測層次為8層;有1站觀測到80 cm，即垂直觀測層次為7層;有3站觀測到60 cm，即垂直觀測層次為6層;有51站觀測到50 cm，即垂直觀測層次為5層，總計1 312層。這其中壤土層最多，為647層，占總層數的49%，壤土層中又以黏壤土層最多，為468層，約占總層數的36%;其次是黏土層，有568層，約占總層數的43%;砂土層最少，僅有97層，約占總層數的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個自動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最小，黏土的田間持水量則相對較大，各類土質上層的田間持水量也要略大于下層。此外，在統計分析過程中發現，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，甚至超過了黏土類站點的田間持水量，數據可靠性存在疑問，因此并未統計在內。

3.2 土壤容重

從分析結果看，四川地區自動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，各類土質上層的土壤容重則略小于下層（表3）。研究發現，各類土壤水文、物理特性中，各站各層土壤容重的測定最穩定適中，偏差最小，離群參數最少。

3.3 凋萎濕度

由于凋萎濕度的測定較為苛刻復雜，很多臺站都不具備測定條件，這就造成了凋萎濕度的測定偏差較大，因此在分析統計過程中，剔除了部分嚴重離群的可疑參數。從表4可以看出，四川地區自動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小些，而黏土的凋萎濕度相對大些。

4 結論

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

（2）經統計分析，所有184個自動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）研究發現，部分站點測定的土壤水文、物理特性存在疑問，特別是凋萎濕度的測定存在較大偏差，在以后重新測定土壤水文、物理特性時應特別注意。

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