四川省自动土壤水分站土壤水文?物理特性分析

郭旭 苑跃 杜冰 吴薇 龙柯吉

摘要 为了更全面地了解四川地区的土壤水文、物理特性，获得更准确可靠的自动土壤水分资料，研究了四川省184个自动土壤水分站的土壤水文、物理常数，包括土壤质地、田间持水量、土壤容重和凋萎湿度。结果表明，四川地区土壤质地以壤土类为主，约有44%的县（区）为壤土类土质，其次是黏土类，约占30%，砂土类地区最少，仅占5%。自动土壤水分站田间持水量的分布为12.5%～36.7%;土壤容重的分布为1.00～2.13 g/cm3;凋萎湿度的分布为3.1%～16.9%。研究还发现，部分站点测定的土壤水文、物理特性存在疑问，特别是凋萎湿度差异较大，问题站点较多。

关键词 自动土壤水分站;土壤质地;田间持水量;土壤容重;凋萎湿度

中图分类号 S153文献标识码 A

文章编号 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 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室科技发展基金项目（SCQXKJQN2019018）;四川省气象探测数据中心科学技术研究开发课题（川气探数课题2018-3）。

作者简介 郭旭（1983—），男，辽宁葫芦岛人，工程师，硕士，从事资料数据质量控制和评估分析研究。*通信作者，高级工程师，从事资料数据质量控制和评估分析研究。

收稿日期 2019-03-05

根据中国气象局的统一安排和部署，四川省气象局及各市（州）、县气象局自2009年起开始建设自动土壤水分观测站，现已建成自动土壤水分站190个。自动土壤水分站的投入使用不仅大大降低了农业气象观测人员的工作量，也在时间和空间层面上提升了土壤水分的观测密度，格式统一的观测数据应用起来也十分方便，为旱涝监测、科学研究，特别是为农业气象服务提供了更系统和实用的资料。

自动土壤水分站主要利用频域反射法（FDR，frequency domain reflection）测定不同层次土壤的体积含水率[1]，再结合土壤水文、物理特性计算出各层土壤的重量含水率、相对湿度和有效水分贮存量。因此，土壤水文、物理特性是自动土壤水分站必不可少的参数。其中土壤水文特性，也称做土壤水文特性常数或土壤农业水文特性，是用来表明土壤水分对植物的有效程度、土壤持水能力以及土壤水分流动性的特征值，包括田间持水量、凋萎湿度、饱和持水量、毛管持水量、土壤最大吸湿度等。而土壤的物理特性反映了土壤的物理性质，是决定土壤水分、空气和温度状况的特征值，也称为土壤农业物理特性，包括土壤容重、比重、孔隙度等[2]。

根据自动土壤水分站的建设要求，在选定观测地段后，应按照《农业气象观测规范》中的规定和方法，在观测地段附近分层测定土壤的土质、田间持水量、凋萎湿度和土壤容重等土壤水文、物理特性作为该站的参数。目前，新疆、山东、甘肃、黑龙江等省区都对其各自省区的土壤水分常数分布特征进行过分析研究[3-13]，而对四川地区自动土壤水分站土壤水文、物理特性的研究仍处于空白，该研究在填补这一空白的同时，也可以为今后自动土壤水分站建设中土壤水文、物理特性的测定提供一定的理论依据。只有测定了准确的土壤水文、物理特性，才能获得较为可靠的自动土壤水分数据，从而确保自动土壤水分资料在实际应用中发挥更大的价值。

1 资料与常数介绍

1.1 自动土壤水分站

为了保证资料的准确性，从四川地区190个自动土壤水分站中选取184站，具体分布如图1所示。将其最新的土壤水文、物理特性常数，包括田间持水量、土壤容重、凋萎湿度和土壤质地作为分析研究对象。其余6站由于仪器、迁站等原因正处于对比观测期。自动土壤水分站的8个垂直观测层次依次为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm。由于四川地区地质、地貌环境复杂多变，部分地区土层较薄，甚至不足1 m，因此有55站并未观测到100 cm，占所选研究对象的299%，而这其中又有51站只观测到50 cm。

1.2 土壤水文、物理特性

1.2.1 田间持水量。田间持水量是在地下水位较低（毛管水不与地下水相连接）情况下，土壤所能保持的毛管悬着水的最大量，是植物有效水的上限。田间持水量是衡量土壤保水性能的重要指标，也是进行农田灌溉的重要参数。田间持水量的测定多采用田间小区灌水法，当土壤排除重力水后，测定的土壤湿度即为田间持水量[2]。对于自动土壤水分站，田间持水量主要用于计算土壤的相对湿度。

1.2.2 土壤容重。土壤容重是在没有遭到破坏的自然土壤结构条件下采取体积一定的土样称重，取样烘干，计算单位体积内的干土重，以g/m3表示[2]。土壤容重是计算土壤水分总贮存量、土壤有效水分贮存量和自动土壤水分站重量含水率的换算常数。

1.2.3 凋萎湿度。生长正常的植株仅由于土壤水分不足，致使植株失去膨压，开始稳定凋萎时的土壤湿度即为凋萎湿度。凋萎湿度的测定是采用栽培法，把指示作物（大麦、燕麦等）栽种到土表密封的玻璃容器中，当指示作物的所有叶片出现凋萎且空气湿度接近饱和，蒸腾最小的情况下仍不能恢复时，测定容器中的土壤湿度[2]。凋萎湿度是植物有效水分的下限和计算田间有效水分贮存量的必需项。

2 土壤质地分类及四川地区分布情况

2.1 土壤质地分类

根据我国的土壤质地分类标准，土壤大致可以分为三大类，即砂土、壤土和黏土。结合《农业气象观测规范》和《自动土壤水分观测规范（试行）》，各大类土质的细化和自动土壤水分站代码如表1所示，自动土壤水分观测资料中的土壤质地参数项是用其代码表示的。

2.2 四川地区土壤质地分布

由于有51站只观测到50 cm，因此对于四川地区自动土壤水分站土壤质地的分布情况，只统计分析了0～50 cm的土壤质地。例如某站5层土质均为壤土类，则该地区即归为壤土，如果其中有任意1层为其他土质，则该地区归为混合类土质。四川省共有135个县（区）安装了自动土壤水分站（部分地区安装了2套），甘孜州和阿坝州有20个高原地区县因地质、地貌等原因没有建设自动土壤水分观测站。从图2的分布情况可以看出，四川地区壤土土质的县（区）最多，为59个，约占已建站县（区）的44%;其次是黏土土质，有41个县（区），占30%;混合土质有28个，约占21%;砂土土质在四川最少，有7个县（区），僅占5%。

选取的184站自动土壤水分站中有129站观测到了100 cm，即垂直观测层次为8层;有1站观测到80 cm，即垂直观测层次为7层;有3站观测到60 cm，即垂直观测层次为6层;有51站观测到50 cm，即垂直观测层次为5层，总计1 312层。这其中壤土层最多，为647层，占总层数的49%，壤土层中又以黏壤土层最多，为468层，约占总层数的36%;其次是黏土层，有568层，约占总层数的43%;砂土层最少，仅有97层，约占总层数的7%，具体如图3所示。

3 土壤水文、物理特性

3.1 田间持水量

所选184个自动土壤水分站所有层次田间持水量的分布为12.5%～36.7%。其中，砂土田间持水量的分布为12.5%～33.2%;壤土田间持水量的分布为14.2%～36.1%;黏土田间持水量的分布为17.0%～36.7%。如表2所示，砂土的田间持水量相对最小，黏土的田间持水量则相对较大，各类土质上层的田间持水量也要略大于下层。此外，在统计分析过程中发现，凉山州有1站5层砂土的田间持水量均超过38%，明显大于同为砂土类的其他站点，甚至超过了黏土类站点的田间持水量，数据可靠性存在疑问，因此并未统计在内。

3.2 土壤容重

从分析结果看，四川地区自动土壤水分站所有土层土壤容重的分布为1.00～2.13 g/cm3，其中，砂土的土壤容重分布为1.00～1.87 g/cm3;壤土的土壤容重分布为1.07～2.01 g/cm3;黏土的土壤容重分布为1.13～2.13 g/cm3。与田间持水量的分布一样，砂土的土壤容重较小，而黏土的土壤容重则较大，各类土质上层的土壤容重则略小于下层（表3）。研究发现，各类土壤水文、物理特性中，各站各层土壤容重的测定最稳定适中，偏差最小，离群参数最少。

3.3 凋萎湿度

由于凋萎湿度的测定较为苛刻复杂，很多台站都不具备测定条件，这就造成了凋萎湿度的测定偏差较大，因此在分析统计过程中，剔除了部分严重离群的可疑参数。从表4可以看出，四川地区自动土壤水分站的凋萎湿度分布为3.1%～16.9%，其中，砂土凋萎湿度分布为3.1%～140%;壤土凋萎湿度分布为3.5%～15.5%;黏土凋萎湿度分布为3.3%～16.9%，砂土的凋萎湿度相对小些，而黏土的凋萎湿度相对大些。

4 结论

（1）四川地区土壤质地以壤土类为主，约有44%的县（区）为壤土类土质，其次是黏土类，约占30%，砂土类地区最少，仅占5%。垂直层面，壤土层最多，为647层，约占总层数的49%，砂土层最少，仅有97层，约占总层数的7%。

（2）经统计分析，所有184个自动土壤水分站田间持水量的分布为12.5%～36.7%;土壤容重的分布为1.00～2.13 g/cm3;凋萎湿度的分布为3.1%～16.9%。

（3）研究发现，部分站点测定的土壤水文、物理特性存在疑问，特别是凋萎湿度的测定存在较大偏差，在以后重新测定土壤水文、物理特性时应特别注意。

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