成兆金　李斌

摘要：基于山東省120個(gè)土壤水分自動(dòng)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(shù)），采用ARCGIS技術(shù)、統(tǒng)計(jì)、成果參照對(duì)比等方法進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，山東土壤水分自動(dòng)觀測站的土壤質(zhì)地壤土類居多，達(dá)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(tái)站測定的水分常數(shù)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(guān)鍵詞：土壤水分自動(dòng)站；土壤水分常數(shù)；評(píng)估；山東省

中圖分類號(hào)：S-03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhǔn)確性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測資料，減輕人工觀測勞動(dòng)量、提高觀測數(shù)據(jù)的時(shí)空密度，為干旱監(jiān)測、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)提供高質(zhì)量的土壤水分監(jiān)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(xù)建設(shè)土壤水分自動(dòng)觀測站，并分批進(jìn)行了土壤水文、物理特性值的測定工作。

土壤農(nóng)業(yè)水文特性是反映土壤物理性質(zhì)的特征值，是衡量土壤水分對(duì)作物供應(yīng)及可利用程度的標(biāo)準(zhǔn)，是確定灌水時(shí)間和定額的重要依據(jù)[2]。開展土壤水文、物理特性測定值的評(píng)估，確保土壤水分自動(dòng)站探測資料的準(zhǔn)確性，土壤水分自動(dòng)觀測站對(duì)于氣象預(yù)警、決策服務(wù)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(fā)揮。

1 材料與方法

1.1 資料來源

試驗(yàn)土樣為2009～2010年采自山東省120個(gè)土壤水分自動(dòng)觀測站有代表性農(nóng)田土壤，采用烘干稱重法，測定深度分8個(gè)層次，0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm，有的臺(tái)站增加了60～70、80～90 cm兩個(gè)層次，個(gè)別臺(tái)站因所屬區(qū)域土層厚度等限制進(jìn)行0～50 cm深度的測定，4個(gè)重復(fù)取樣。

1）田間持水量采用小區(qū)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(jì)算出樣本小區(qū)需灌溉水量，其中，Q為灌水量（m3）；a為假設(shè)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(duì)4個(gè)重復(fù)土樣取樣進(jìn)行測定，然后進(jìn)行田間持水量計(jì)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(gè)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(yǎng)液，用蠟紙封口，并分別標(biāo)記，待葉片出現(xiàn)萎蔫且空氣濕度接近飽和仍不能恢復(fù)時(shí)，測定容器中此時(shí)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(huán)刀法，在沒有遭到破壞的自然土壤結(jié)構(gòu)條件下，利用土壤容重測定器，采取4個(gè)重復(fù)挖取8個(gè)層次的環(huán)刀樣品土樣稱重，取樣烘干，計(jì)算單位體積內(nèi)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(shù)，對(duì)山東省土壤水分自動(dòng)站測定的土壤質(zhì)地進(jìn)行分類繪圖；利用統(tǒng)計(jì)法、成果參照對(duì)比等方法，對(duì)120個(gè)土壤水分自動(dòng)觀測站測定的土壤水分常數(shù)進(jìn)行分析評(píng)估。該成果為1987年山東省土壤水文常數(shù)范圍（表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地分類及分布endprint

由于臺(tái)站對(duì)土壤質(zhì)地的登記名稱不盡相同，并未完全按照《農(nóng)業(yè)氣象規(guī)范觀測》土壤質(zhì)地的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，只要某臺(tái)站0～30 cm各層次均出現(xiàn)該類土壤質(zhì)地，則該土壤質(zhì)地類型就統(tǒng)計(jì)1次，如果某臺(tái)站0～30 cm各層次有1個(gè)層次不是該土壤質(zhì)地，該臺(tái)站土壤質(zhì)地就劃為混合類土壤。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1（存在一個(gè)縣域站有建多個(gè)自動(dòng)臺(tái)站的情況），壤土類的臺(tái)站達(dá)90個(gè)，占比為75%；均為黏土類的臺(tái)站為16個(gè)，占13.3%；均為沙土類的臺(tái)站為1個(gè)，占0.8%；混合類土壤達(dá)13個(gè)臺(tái)站，占10.8%。將這120個(gè)自動(dòng)站中壤土、黏土、沙土3大類土壤按不同顏色，利用ArcGIS技術(shù)標(biāo)示于山東縣界區(qū)域中。

2.2 田間持水量

2.2.1 不同土壤質(zhì)地的田間持水量 從田間持水量測定統(tǒng)計(jì)結(jié)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(xiàn)的頻率來看，120個(gè)土壤水分觀測站，田間持水量≤26.0%，沙土類共出現(xiàn)61層次，出現(xiàn)頻率為82%；壤土類共出現(xiàn)405層次，出現(xiàn)頻率為87%；黏土類共出現(xiàn)144層次，出現(xiàn)頻率為68%?？梢婐ね恋奶镩g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(gè)臺(tái)站所測定土壤的9.9%，黏土類較多，占到120個(gè)臺(tái)站所測定土壤的28%，壤土類最多，占到120個(gè)臺(tái)站所測定土壤的62%。壤土類土壤易耕作、保水、保肥能力好，構(gòu)成了山東糧倉的土壤基礎(chǔ)。

相對(duì)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(zhì)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(zhì)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(shì)基本呈由小變大的趨勢(shì)，只有80～90 cm層次出現(xiàn)向下的拐點(diǎn)；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(jī)質(zhì)含量高，氣孔多，土質(zhì)較為松散，田間持水量相對(duì)較大，其余層次基本平穩(wěn)變化，前后兩層最大田間持水量上下浮動(dòng)不大，尤其粉土和粉壤土20～70 cm前后兩層上下浮動(dòng)約3%，較為平穩(wěn)；黏土類土壤黏土、粉黏土和壤黏土3類土壤整個(gè)變化趨勢(shì)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(shì)一致。

2.3 凋萎濕度

2.3.1 不同土壤質(zhì)地的凋萎濕度 從凋萎濕度測定統(tǒng)計(jì)結(jié)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(xiàn)的概率來看，120個(gè)土壤水分觀測站，凋萎濕度≤8.0%：沙土類共出現(xiàn)86層次，出現(xiàn)概率為91%；壤土類共出現(xiàn)539層次，出現(xiàn)概率為89%；黏土類共出現(xiàn)67層次，出現(xiàn)概率為61%?？梢婐ね恋牡蛭疂穸茸畲?，壤土的凋萎濕度較小，沙土的凋萎濕度最小。

相對(duì)于成果欄，沙土下限值偏大263%，應(yīng)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(zhǔn)確；黏土上限值偏小73%、下限值偏大230%，偏小和偏大較大，不準(zhǔn)確。

2.3.2 相同土壤質(zhì)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(zhì)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(guī)律不是很明顯，細(xì)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(shì)一致，細(xì)沙土30～70 cm規(guī)律明顯，呈遞增趨勢(shì)，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(guī)律，由淺層到深層基本呈平穩(wěn)趨勢(shì)變化，只有黏壤土類土壤，因?yàn)槭怯绅と劳梁蜕橙劳翑?shù)據(jù)混合統(tǒng)計(jì)，造成數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)上下浮動(dòng)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(shì)，40～70 cm呈下降趨勢(shì)，且數(shù)值由33.0%到10.9%，70～100 cm上下波動(dòng)明顯，壤黏土變化較平穩(wěn)，上下浮動(dòng)1.7%。

2.4 土壤容重

2.4.1 不同土壤質(zhì)地的土壤容重 從土壤容重測定統(tǒng)計(jì)結(jié)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(xiàn)的保證率來看，120個(gè)土壤水分觀測站，土壤容重≤1.50 g/cm3，沙土類共出現(xiàn)79%層次，壤土類共出現(xiàn)52%層次，黏土類共出現(xiàn)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(xiàn)在某1、2個(gè)臺(tái)站的個(gè)別層次，數(shù)值有些偏大。

相對(duì)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)遞增趨勢(shì)，土層越深，土壤密度越大，土壤容重逐漸增大，規(guī)律比較明顯；壤土類土壤容重變化較為平穩(wěn)，上下浮動(dòng)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(wěn)，70～100 cm多呈波浪式變化，上下浮動(dòng)多在0.20 g/cm3，黏土土質(zhì)較硬，密度淺層到深層變化不明顯，相同質(zhì)地土壤容重上下變化幅度較小。endprint

3 小結(jié)

1）臺(tái)站對(duì)土壤質(zhì)地的登記名稱不盡相同，并未完全按照《農(nóng)業(yè)氣象規(guī)范觀測》土壤質(zhì)地的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，以后需統(tǒng)一按照規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。

2）經(jīng)分析評(píng)估，山東省土壤水分自動(dòng)觀測站的土壤質(zhì)地壤土類居多，達(dá)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(qū)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(nóng)業(yè)氣象工作的開展，部分臺(tái)站對(duì)土壤質(zhì)地類型劃分存在異議，所測土壤水文常數(shù)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(jìn)一步考量，在以后重新測定土壤水分常數(shù)時(shí)建議采取一定措施，力爭常數(shù)測定準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國氣象局綜合觀測司.自動(dòng)土壤水分觀測規(guī)范（試行）[Z].2010-04-14.

[2] 黃 建，成秀虎.農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，1993.

[3] 趙煜飛，任芝花，張 強(qiáng).適用于全國氣象自動(dòng)站正點(diǎn)相對(duì)濕度資料的質(zhì)量控制方法[J].氣象科學(xué)，2011，31（6）：687-693.

[4] 高俊芳，陳云明，許鵬輝，等.不同干擾措施下黃土丘陵區(qū)人工刺槐林生長結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)分析[J].水土保持通報(bào)，2011， 31（5）：69-74.

[5] 王 力，邵明安，侯慶春，等.延安試區(qū)人工刺槐林地的土壤干層分析[J].西北植物學(xué)報(bào)，2001，21（1）：101-106.

[6] 王 巖，張 靜，劉玉華.華北高寒區(qū)多年保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤容重的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（6）：131-136.

[7] 黃 健，普宗朝.張山清，等.土壤容重對(duì)棉鈴蟲卵發(fā)生的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（22）：277-281.

[8] 徐友信，劉金銅，李宗珍，等.太行山低山丘陵區(qū)不同土地利用條件下土壤容重空間變化特征[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25（3）：218-221.

[9] 陳家宙，陳明亮，何圓球.各具特色的當(dāng)代土壤水分測量技術(shù)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001，40（3）：25-28.

[10] 冶林茂，吳志剛，牛素軍，等.GStar-Ⅰ型電容式土壤水分監(jiān)測儀設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2008，31（3）：82-85.

[11] 繆嘉敏，肖德琴，馮健昭，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分監(jiān)測基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009（9）：82-85.

[12] 莊立偉，衛(wèi)建國，毛留喜.軟件設(shè)計(jì)模式在農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2011，22（5）：631-640.

[13] 朱安寧，吉麗青，張佳寶，等.不同類型土壤介電常數(shù)與體積含水量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2011，48（2）：263-268.

[14] 王貴彥，史秀捧，張建恒，等.TDR法、中子法、重量法測定土壤含水量的比較研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，23（3）：23-26.

[15] 李孝軍，李玉濤.自動(dòng)土壤水分觀測準(zhǔn)確性研究[J].山東氣象，2011，31（4）：62-65.

[16] 羅鳳崗.概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：氣象出版社，1989.endprint