山东省土壤水分自动站土壤水分常数评估

成兆金　李斌

摘要：基于山东省120个土壤水分自动观测站所测定的土壤水文、物理特性测定值（简称土壤水分常数），采用ARCGIS技术、统计、成果参照对比等方法进行评估。结果表明，山东土壤水分自动观测站的土壤质地壤土类居多，达75%；土壤水文、物理特性测定土壤容重0.95～1.93 g/cm3、田间持水量14.1%～40.8%、凋萎湿度1.1%～33.0%。部分台站测定的水分常数存在偏差，尤其凋萎湿度的误差最大，田间持水量误差较小，土壤容重较为合适。

关键词：土壤水分自动站；土壤水分常数；评估；山东省

中图分类号：S-03 文献标识码：A 文章编号：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

為获取具有代表性、准确性和可比较性的土壤水分连续观测资料，减轻人工观测劳动量、提高观测数据的时空密度，为干旱监测、农业气象预报和服务提供高质量的土壤水分监测资料[1]，山东省气象局按照中国气象局部署，于2009～2010年陆续建设土壤水分自动观测站，并分批进行了土壤水文、物理特性值的测定工作。

土壤农业水文特性是反映土壤物理性质的特征值，是衡量土壤水分对作物供应及可利用程度的标准，是确定灌水时间和定额的重要依据[2]。开展土壤水文、物理特性测定值的评估，确保土壤水分自动站探测资料的准确性，土壤水分自动观测站对于气象预警、决策服务等方面的重要作用才能得以施展[3]，总体效益才能得以有效发挥。

1 材料与方法

1.1 资料来源

试验土样为2009～2010年采自山东省120个土壤水分自动观测站有代表性农田土壤，采用烘干称重法，测定深度分8个层次，0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm，有的台站增加了60～70、80～90 cm两个层次，个别台站因所属区域土层厚度等限制进行0～50 cm深度的测定，4个重复取样。

1）田间持水量采用小区灌水法，在田间选择4 m2的平坦场地，利用公式Q=2×（a-w）×ρ×s×h/100[4-6]计算出样本小区需灌溉水量，其中，Q为灌水量（m3）；a为假设的所测深度土层中的平均田间持水量（%）；W为灌水前后所测深度的各层平均土壤湿度（%）；P代表所测深度的平均土壤容重；S表示灌水场地面积（m2），h为所要测定的深度（m）。待重力水下渗后分层次，对4个重复土样取样进行测定，然后进行田间持水量计算。土壤田间持水量（重量含水率）=（湿土重-干土重）/干土重×100%[7-9]。

2）凋萎湿度采用作物栽培法，在直径3 cm、高10 cm，容积约70 cm3的32个玻璃容器中，装填过筛好的土样，将大麦或燕麦种子置于土中，浇上配制的营养液，用蜡纸封口，并分别标记，待叶片出现萎蔫且空气湿度接近饱和仍不能恢复时，测定容器中此时的土壤湿度。凋萎湿度（重量含水率）=（湿土重-干土重）/干土重×100%[10-12]。

3）土壤容重采用环刀法，在没有遭到破坏的自然土壤结构条件下，利用土壤容重测定器，采取4个重复挖取8个层次的环刀样品土样称重，取样烘干，计算单位体积内的干土重，以g/cm3表示。土壤容重=（湿土重×100）/（钻筒容积×（100+土壤重量含水率））[13-16]。

1.2 分析方法

采用ARCGIS技术，对山东省土壤水分自动站测定的土壤质地进行分类绘图；利用统计法、成果参照对比等方法，对120个土壤水分自动观测站测定的土壤水分常数进行分析评估。该成果为1987年山东省土壤水文常数范围（表1）。

2 结果与分析

2.1 土壤质地分类及分布endprint

由于台站对土壤质地的登记名称不尽相同，并未完全按照《农业气象规范观测》土壤质地的分类标准进行划分，只要某台站0～30 cm各层次均出现该类土壤质地，则该土壤质地类型就统计1次，如果某台站0～30 cm各层次有1个层次不是该土壤质地，该台站土壤质地就划为混合类土壤。统计结果见图1（存在一个县域站有建多个自动台站的情况），壤土类的台站达90个，占比为75%；均为黏土类的台站为16个，占13.3%；均为沙土类的台站为1个，占0.8%；混合类土壤达13个台站，占10.8%。将这120个自动站中壤土、黏土、沙土3大类土壤按不同颜色，利用ArcGIS技术标示于山东县界区域中。

2.2 田间持水量

2.2.1 不同土壤质地的田间持水量 从田间持水量测定统计结果（表2）看，沙土田间持水量为14.1%～31.8%；壤土田间持水量为14.3%～34.1%；黏土田间持水量为15.8%～40.8%。从其出现的频率来看，120个土壤水分观测站，田间持水量≤26.0%，沙土类共出现61层次，出现频率为82%；壤土类共出现405层次，出现频率为87%；黏土类共出现144层次，出现频率为68%。可见黏土的田间持水量最大，壤土的田间持水量较小，沙土的田间持水量最小。由此得知，山东的沙土类土壤较少，仅占到120个台站所测定土壤的9.9%，黏土类较多，占到120个台站所测定土壤的28%，壤土类最多，占到120个台站所测定土壤的62%。壤土类土壤易耕作、保水、保肥能力好，构成了山东粮仓的土壤基础。

相对于成果栏，沙土下限值偏大59%；壤土上限和下限值分别偏大21%和26%；黏土上限值偏小41%、下限值偏大36%。

2.2.2 相同土壤质地不同土层深度的田间持水量 沙土、壤土、黏土3大类土壤各土壤质地0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm土层深度的最大田间持水量曲线见图2。由图2可知，沙土类土壤由浅层到深层其最大田间持水量变化趋势基本呈由小变大的趋势，只有80～90 cm层次出现向下的拐点；壤土类土壤除粉沙土土壤外，其余土壤0～10 cm最大田间持水量比10～20 cm大，这是由于土壤表层由于耕作，土壤有机质含量高，气孔多，土质较为松散，田间持水量相对较大，其余层次基本平稳变化，前后两层最大田间持水量上下浮动不大，尤其粉土和粉壤土20～70 cm前后两层上下浮动约3%，较为平稳；黏土类土壤黏土、粉黏土和壤黏土3类土壤整个变化趋势基本一致，土壤0～10 cm最大田间持水量比10～20 cm大，70～100 cm最大田间持水量逐层升高，变化趋势一致。

2.3 凋萎湿度

2.3.1 不同土壤质地的凋萎湿度 从凋萎湿度测定统计结果（表3）看，沙土凋萎湿度为1.1%～10.9%；壤土凋萎湿度为1.3%～13.1%；黏土凋萎湿度为2.2%～33.0%。从其出现的概率来看，120个土壤水分观测站，凋萎湿度≤8.0%：沙土类共出现86层次，出现概率为91%；壤土类共出现539层次，出现概率为89%；黏土类共出现67层次，出现概率为61%。可见黏土的凋萎湿度最大，壤土的凋萎湿度较小，沙土的凋萎湿度最小。

相对于成果栏，沙土下限值偏大263%，应该是不正确；壤土上限和下限值分别偏小68%和偏大87%，偏小和偏大较大，不准确；黏土上限值偏小73%、下限值偏大230%，偏小和偏大较大，不准确。

2.3.2 相同土壤质地不同土层深度的凋萎湿度 沙土、壤土、黏土3大类土壤各土壤质地0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm土层深度的最大凋萎湿度曲线见图3。由图3可以看出，由于沙土类土壤样本较少，规律不是很明显，细沙土、面沙土10～20 cm凋萎湿度大于0～10 cm凋萎湿度，二者趋势一致，细沙土30～70 cm规律明显，呈递增趋势，沙土0～60 cm凋萎湿度呈波浪式变化；壤土类不同层次最大凋萎湿度曲线变化非常有规律，由浅层到深层基本呈平稳趋势变化，只有黏壤土类土壤，因为是由黏壤土和沙壤土数据混合统计，造成数据不够稳定，导致数据上下浮动较大；由黏土类不同层次最大凋萎湿度曲线图可以看出，黏土0～40 cm凋萎湿度由浅到深呈递增趋势，40～70 cm呈下降趋势，且数值由33.0%到10.9%，70～100 cm上下波动明显，壤黏土变化较平稳，上下浮动1.7%。

2.4 土壤容重

2.4.1 不同土壤质地的土壤容重 从土壤容重测定统计结果（表4）看，沙土土壤容重为1.17～1.71 g/cm3；壤土土壤容重为0.95～1.93 g/cm3；黏土土壤容重为1.11～1.87 g/cm3。从其出现的保证率来看，120个土壤水分观测站，土壤容重≤1.50 g/cm3，沙土类共出现79%层次，壤土类共出现52%层次，黏土类共出现59%层次，可见沙土的土壤容重最小，壤土和黏土的土壤容重较大，壤土的土壤容重1.80～1.93 g/cm3只出现在某1、2个台站的个别层次，数值有些偏大。

相对于成果栏，沙土下限值偏大55%，偏大较多；壤土上限和下限值分别偏小27%和偏大33%；黏土上限值明显偏小。

2.4.2 相同土壤质地不同土层深度的土壤容重 沙土类、壤土类、黏土类各土壤质地0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm土层深度的最大土壤容重曲线见图4。沙土類土壤容重由浅层到深层呈现递增趋势，土层越深，土壤密度越大，土壤容重逐渐增大，规律比较明显；壤土类土壤容重变化较为平稳，上下浮动较小，大多在1.50～1.80 g/cm3；黏土类土壤容重0～70 cm变化比较平稳，70～100 cm多呈波浪式变化，上下浮动多在0.20 g/cm3，黏土土质较硬，密度浅层到深层变化不明显，相同质地土壤容重上下变化幅度较小。endprint

3 小结

1）台站对土壤质地的登记名称不尽相同，并未完全按照《农业气象规范观测》土壤质地的分类标准进行划分，以后需统一按照规范规定执行。

2）经分析评估，山东省土壤水分自动观测站的土壤质地壤土类居多，达75%；土壤水文、物理特性测定土壤容重0.95～1.93 g/cm3，田间持水量14.1%～40.8%，凋萎湿度1.1%～33.0%。各区间范围除土壤容重较为合适外，凋萎湿度的测定误差较大，田间持水量误差次之。

3）随着农业气象工作的开展，部分台站对土壤质地类型划分存在异议，所测土壤水文常数尚存一定偏差，造成部分土壤水文、物理特性测定值域值变大，有待以后进一步考量，在以后重新测定土壤水分常数时建议采取一定措施，力争常数测定准确。

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