土壤含水量與溫度變化規律研究

褚兆輝

（滕州市土肥工作站 山東，棗莊277599）

1 背景

我國是糧食進口大國，其氣候特征決定了西部地區干旱、土地荒漠化導致土壤沙漠化和鹽漬化，加之老少邊地區過度開發，土地肥力大幅下降，耕地面積逐年減少[1-2]。對于年降水量少、土地資源豐富的地區，研究含水量與溫度變化關系，能加強當地對降水資源的有效利用，對實現當地生態平衡復原、農業發展有著重要意義。一般而言，土壤水分和溫度是植物進行營養物質汲取的必要條件，這兩者通過不同層面影響植物發育生長[3]。通過單要素分析，對不同含水量、不同地溫條件下變化規律研究，可研究出當地植被生長發育的事宜條件。

土壤含水量測定方法的分類，受各學者因研究目的、手段、途徑與對象尺度不同而提出的分類原因不盡相同，沒有統一的標準。目前發展成為三大類：取樣-定位、遙感監測、模型模擬測量法[3]。根據本次研究內容，采用取樣可以實現特定區域內含水量測定。

2 土壤含水量與溫度變化影響

2.1 不同含水量對溫度的影響

2.1.1 實驗步驟 采用同一區域內的土壤作為實驗樣本，首先進行三天自然晾干，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1至5對裝入燒杯的土壤進行編號；總共獲得6組；將6實驗組分別裝入溫度為15攝氏度的保溫箱，并在一段時間后測量土壤溫度，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分鐘記錄每組測得溫度，待溫度變化達到穩定后3分鐘停止實驗。

2.1.2 實驗結果與分析 首先進行土壤的含水量計算，按照土壤含水量公式得到組1數據。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含水量計算結果為15.8%，同理計算得到組2至組6含水量分別為21.7%、27.5%、33.3%、39%、44.8%。表1為實驗組數據詳情，其中每組數據為5個樣本求得平均值。同時按照6組測得溫度變化，得到表2數據。同樣，溫度為每組數據5個樣本測得的平均值。

根據表2可知，當實驗組1土壤未加入水時，土壤受溫度影響每分鐘均會發生變化，當到達11分鐘后溫度趨于穩定；實驗組2加入5g水時，土壤受溫度影響與實驗組1呈現同樣的變化趨勢，且提前在8分鐘后趨于穩定；實驗組3同樣變化明顯，且在11分鐘后溫度趨于穩定；實驗組4、5、6在前期變化不快，水分保持溫度作用明顯，均在11分鐘左右才達到24攝氏度，由于組6含水量最高，所以在14分鐘才達到實驗測量溫度。根據測得數據可以得到6個實驗組溫度變化情況曲線，如圖1所示。

根據圖1可知，組6含水量影響溫度測量，可能時造成10分鐘時測量溫度下降趨勢的原因，但整體趨勢變化明顯，含水量較多的實驗組在溫度變化趨勢上比較平穩，而含水量低的實驗組溫度變化快，且趨勢一致，到達最高溫度時間最短。

表1 實驗組含水量數據詳情

圖1 實驗組溫度變化情況曲線

表2 實驗組溫度數據詳情

2.2 不同溫度對含水量的影響

2.1.1 實驗步驟 按照不同含水量溫度變化實驗配置同樣組數的土壤，組1為加5g水實驗組、組2為加15g水實驗組、組3為加25g水實驗組。由此獲得3組不同含水量的實驗對照組。將3組土壤分別置放在恒溫15℃保溫箱內，待測得溫度一致時，分別以20℃、25℃、30℃、35℃、40℃對實驗組進行烘干，待重量達到86.3g且不再發生變化時進行計時。

2.1.2 實驗結果與分析 實驗組1、2、3分別進行加熱后，測得不同時間到達土壤干重，且三組變化趨勢有明顯差別，在含水量較多時，由于蒸發帶走熱量，且蒸發速率受溫度影響變化較快，更容易達到干重。因此在進行實驗室要注意記錄不同實驗組之間的時間差異，具體測量結果如表3所示。

表3 不同溫度下土壤水分蒸發速率

根據表3可知，土壤蒸發速率受含水量影響，呈正相關特性，當土壤含水量較少時，溫度越高，蒸發越快，土壤對水的保持力最小；當土壤含水量較多時，溫度影響含水量變化趨勢需時較長，因此土壤溫度變化更加線性，適合農作物生長發育。

3 相關誤差分析

3.1 測量誤差

測量誤差屬于隨機誤差的一種，在進行實驗時采用多組平均的方法可以有效減少因實驗過程人為因素、儀表測量等造成的結果偏差。在進行不同含水量對溫度的影響實驗時，水量加入每次不能保證完全一致，可以通過5個樣本求平均來減少這類誤差對結果產生的影響；在溫度計測量分鐘溫度時，人為因素導致時間上的差異和溫度計誤差均可能引起結果偏差，因此要多人協作完成實驗，保證時間上的一致性和溫度計讀數客觀性；在對組6進行實驗時出現了溫度下降的情況，可能原因是人為誤讀造成，因此可以由下降前后兩次測量得到溫度進行平滑處理，實驗結果仍保持了溫度變化的一致性。

3.2 系統性誤差

系統誤差屬于不可避免誤差，在進行第二次溫度影響含水量實驗時，可明顯得知在對土壤加熱時，由于土壤結構特性，溫度無法從低至頂保持一致，因此土壤受熱不均會引起測量的誤差，所以在實驗結果計算時同樣采用5個樣本結果進行平均處理，并保持土壤在盡可能大的容器內均勻平鋪。同時，由于測量儀器受溫度影響，可能會導致蒸發至干重并測量時間的過程出現較大誤差，因此對測量儀器的選擇上要考慮耐熱性，不能因熱噪引起傳感器誤測量。為此，可以將不同溫度下，盛器測得重量作為參考標準，以此判斷測量儀器是否受溫度影響發生誤差。

4 總結

根據實驗可知，當土壤吸收或散失熱量時，溫度變化趨勢取決于土壤熱容量，而根據土壤組成、結構不同，對水分的保持作用也不盡相同，由于水的熱容量高于土壤，且熱傳導效率低于土壤，適當的含水量可以使土壤具有良好的保溫作用。因此，在較為干旱的地區可以適當增加灌溉頻率和容量，而較為濕潤的地區相應減少；在土壤面積較廣闊時，農作物生長需要土壤保持一定水分，日照強烈時合理增加灌溉水量，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。

根據現有資料顯示，農作物生長除了要保證土壤含水量以外，還需在土壤表面鋪設保溫隔熱材料，通過熱輻射效應來保證地表溫度的穩定。因此，土壤含水量保持可以通過秸稈等作物鋪設、地表覆膜等技術手段實現；同時，合理利用引水溝渠，實現系統性灌溉，保持土壤含水量在合理范圍內，對農作物生長具有重要意義。