第 2 期 邹 刚 华, 等 : 中 亚 热 带 红 壤 区 不 同 土 地 利 用 土 壤 田 间 持 水 量 估 测 个 为 稻 田 原 状 土 柱 存 放 于 PVC 管 中 带 回 实 验 室 于 不 同 深 度 (0~10 cm,10~20 cm,20~30 cm, 40~5
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1 第 25 卷 第 2 期 长 江 流 域 资 源 与 环 境 Vol. 25 No 年 2 月 Resources and Environment in the Yangtze Basin Feb 中 亚 热 带 红 壤 区 不 同 土 地 利 用 土 壤 田 间 持 水 量 估 测 邹 刚 华 1, 李 勇 1* 2, 彭 佩 钦 (1. 中 国 科 学 院 亚 热 带 农 业 生 态 研 究 所, 湖 南 长 沙 ; 2. 中 南 林 业 科 技 大 学 环 境 科 学 与 工 程 学 院, 湖 南 长 沙 ) 摘 要 : 田 间 持 水 量 是 衡 量 土 壤 保 水 性 的 重 要 指 标, 也 是 进 行 农 田 灌 溉 作 物 水 管 理 和 水 文 模 型 的 重 要 参 数, 但 其 测 定 繁 琐 而 耗 时, 迫 切 需 要 一 种 简 捷 精 确 的 估 测 方 法 采 集 了 50 个 来 自 稻 田 和 旱 地 的 1 m 深 原 状 土 壤 剖 面 样, 然 后 基 于 土 壤 基 本 理 化 性 质, 利 用 多 元 逐 步 回 归 方 法 对 土 壤 田 间 持 水 量 进 行 模 型 预 测 结 果 显 示 :(1) 对 于 稻 田 土 壤, 田 间 持 水 量 主 要 受 容 重 和 有 机 碳 影 响, 而 对 于 旱 地 则 主 要 受 土 壤 质 地 影 响 ;(2) 构 建 的 田 间 持 水 量 传 递 函 数, 对 于 稻 田 土 壤 预 测 精 确 度 较 高, 调 整 的 确 定 系 数 达 到 0.79, 对 于 旱 地 则 相 对 较 弱 研 究 表 明 土 地 利 用 方 式 对 田 间 持 水 量 精 确 估 测 影 响 较 大, 利 用 土 壤 传 递 函 数 法 对 田 间 持 水 量 的 快 速 获 取 有 一 定 参 考 价 值 关 键 词 : 田 间 持 水 量 ; 土 壤 传 递 函 数 ; 土 地 利 用 ; 水 文 模 型 ; 参 数 估 测 中 图 分 类 号 :S152.7 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 : (2016) DOI: /cjlyzyyhj 田 间 持 水 量 (FC) 是 指 毛 管 悬 着 水 最 大 时 土 壤 水 持 有 量, 通 常 被 视 为 作 物 有 效 水 的 上 限 FC 一 直 被 认 为 是 衡 量 土 壤 保 水 性 的 重 要 指 标, 也 是 进 行 农 田 灌 溉 作 物 水 管 理 的 重 要 参 数, 对 作 物 的 生 长 以 及 水 文 模 型 模 拟 具 有 重 要 的 参 考 价 值 [1], 因 此 对 其 准 确 测 定 或 估 计 有 重 大 意 义 虽 然 对 其 是 否 为 常 数 仍 存 在 争 议, 但 不 可 否 认 进 行 农 田 水 利 工 程 排 水 设 计 和 水 分 灌 溉 以 及 土 壤 墒 旱 情 评 估 等 都 常 需 要 了 解 该 值 [2] FC 的 直 接 测 定 方 法 主 要 有 围 框 [3] [4] 淹 灌 法 环 刀 法 天 然 降 水 法 和 毛 管 吸 渗 法 以 及 离 心 机 法 [5], 直 接 法 虽 然 测 定 较 为 准 确, 但 对 于 快 速 大 量 获 取 FC, 则 显 得 繁 琐 而 耗 时, 限 制 了 FC 的 应 用 范 围 因 此, 研 究 者 则 希 望 通 过 应 用 更 加 简 捷 的 间 接 法 对 其 加 以 估 测 [6] 土 壤 传 递 函 数 法 是 一 种 简 捷 有 效 的 间 接 估 测 方 法, 它 主 要 是 利 用 简 单 的 已 有 的 或 容 易 获 取 的 土 壤 基 本 理 化 性 质 来 估 测 那 些 测 定 较 为 复 杂 繁 琐 的 或 需 要 的 参 数 [7], 从 而 扩 展 了 现 有 数 据 库 的 功 能 [8], 该 方 法 在 估 测 土 壤 水 文 参 数 已 有 广 泛 应 用 [9,10] 最 常 见 且 实 用 的 构 建 传 递 函 数 的 方 法 为 多 元 逐 步 线 性 回 归 法, 常 用 的 土 壤 理 化 性 质 主 要 包 括 容 重 有 机 碳 和 质 地 等 [11~13] 容 重 表 征 土 壤 的 疏 松 程 度, 反 应 了 土 壤 的 空 隙 度, 有 机 碳 是 土 壤 结 构 形 成 的 重 要 桥 梁, 而 质 地 则 反 映 了 土 壤 颗 粒 的 分 布 情 形, 这 三 项 性 质 都 将 会 明 显 影 响 土 壤 孔 隙 分 布, 从 而 影 响 土 壤 对 水 分 的 持 有 性 能 因 此 本 研 究 以 湖 南 省 金 井 小 流 域 不 同 土 地 利 用 土 壤 为 研 究 对 象, 采 集 1 m 深 原 状 剖 面 土 柱, 利 用 多 元 逐 步 回 归 方 法 建 立 土 壤 FC 的 传 递 函 数, 以 期 为 FC 的 快 速 获 取 提 供 便 捷 1 材 料 与 方 法 1.1 采 样 与 测 定 研 究 区 为 湖 南 省 金 井 镇 ( ~ E, ~28 38 N), 该 区 平 均 气 温 17.2, 年 降 水 量 1 200~1 500 mm, 海 拔 高 度 50~430 m, 属 于 典 型 的 亚 热 带 季 风 气 候 土 壤 以 花 岗 岩 和 板 岩 母 质 发 育 的 红 壤 和 水 稻 土 为 主, 林 地 和 水 田 面 积 各 占 65.5% 和 26.6% 本 研 究 利 用 原 状 土 柱 动 力 机 器 采 集 了 50 个 直 径 9 cm 深 约 1 m 的 原 状 土 壤 剖 面 样, 其 中 31 个 为 旱 地 ( 包 括 茶 园, 林 地, 菜 地 和 荒 地 等 ), 收 稿 日 期 : ; 修 回 日 期 : 基 金 项 目 : 中 国 科 学 院 创 新 团 队 (KZCX2-YW-T07)[Innovation Team Foundation of the Chinese Academy of Sciences, (No. KZCX2-YW-T07)]; 百 人 计 划 项 目 共 同 资 助 [the 100 Talents Program of the Chinese Academy of Sciences] 作 者 简 介 : 邹 刚 华 (1985~ ), 男, 博 士 研 究 生, 主 要 研 究 方 向 为 土 壤 水 文 参 数 优 化 拟 合. zou_ghua@126.com * 通 讯 作 者 yli@isa.ac.cn
2 第 2 期 邹 刚 华, 等 : 中 亚 热 带 红 壤 区 不 同 土 地 利 用 土 壤 田 间 持 水 量 估 测 个 为 稻 田 原 状 土 柱 存 放 于 PVC 管 中 带 回 实 验 室 于 不 同 深 度 (0~10 cm,10~20 cm,20~30 cm, 40~50 cm,70~80 cm) 处 进 行 分 割 取 环 刀 (100 cm 3 ) 用 于 测 定 土 壤 FC 将 相 应 层 剩 余 土 弄 碎, 剔 除 大 石 砾 和 动 植 物 残 体, 自 然 风 干 后 过 2 mm 筛, 并 用 四 分 法 分 取 一 部 分 过 0.25 mm 筛 用 于 样 品 分 析 用 高 速 冷 冻 离 心 机 (CR21G,HITACHI, 日 本 ) 直 接 测 定 土 壤 FC 后 ( 吸 力 设 置 为 33 kpa), 再 将 环 刀 置 于 105 烘 箱 中 烘 48 h 以 计 算 土 壤 容 重 (BD) 土 壤 质 地 测 定 采 用 比 重 计 法, 粒 径 按 美 国 制 划 分 为 砂 粒 (SAND:2~0.05 mm) 粉 粒 (SILT: 0.05~ mm) 和 粘 粒 (CLAY:<0.002 mm) 有 机 碳 (SOC) 含 量 采 用 碳 氮 分 析 仪 直 接 测 定 1.2 数 据 统 计 模 型 拟 合 度 用 调 整 的 确 定 系 数 ( R adj 2 ) 表 征, 其 值 越 接 近 1, 模 型 预 测 越 好 ; 模 型 精 确 性 用 均 方 根 差 (RMSE) 表 示, 其 值 越 接 近 零, 模 型 预 测 越 准, 计 算 公 式 分 别 如 下 : R 2 adj = 1 (1 R 2 n 1 )( n m 1 ) (1) s P(ym y p ) 2 R M SE = n (2) 式 中 :R 2 为 模 型 确 定 系 数 ;n 为 样 品 数 ;m 为 自 变 量 数 ;y m 为 测 定 值 ;y p 为 预 测 值 文 中 作 图 方 差 分 析 模 型 拟 合 及 统 计 分 析 等 所 用 软 件 为 Excel 2003 和 R 统 计 软 件 2 结 果 与 分 析 2.1 样 品 统 计 描 述 所 有 土 样 的 质 地 以 壤 土 ( 占 31%) 和 粉 壤 土 (18%) 为 主, 共 涵 盖 了 9 种 土 壤 质 地 表 1 列 出 了 土 壤 理 化 性 质 和 FC 的 统 计 值, 其 中 FC 和 SOC 都 随 土 壤 深 度 增 加 而 减 小, 而 BD 则 随 深 度 增 加 而 增 加 从 中 看 出, 稻 田 的 FC BD SOC 和 SILT 都 显 著 高 于 旱 地 (P<0.01), 而 SAND 和 CLAY 则 旱 地 显 著 高 于 稻 田 (P<0.01) 研 究 中 所 有 土 壤 理 化 性 质 都 属 于 中 等 变 异 程 度 (10<CV 100), 其 中 SAND 和 SOC 变 异 系 数 相 对 较 高 2.2 相 关 性 分 析 图 1 为 不 同 土 地 利 用 方 式 土 壤 理 化 性 质 间 的 相 关 性 矩 阵 图 若 不 考 虑 土 地 利 用 方 式 分 类, 显 然 所 有 选 取 的 土 壤 理 化 性 质 对 FC 都 有 显 著 影 响, 其 中 FC 受 SOC SAND SILT 和 BD 影 响 最 显 著 (P<0.001), 土 壤 砂 粒 含 量 和 容 重 越 大,FC 越 小, 而 SOC 和 SILT 则 与 FC 为 正 相 关 若 土 地 利 用 仅 为 稻 田, 则 影 响 FC 的 因 子 中 BD SOC 和 SAND 最 为 显 著 (P<0.001), 尤 其 是 前 两 者,CLAY 对 FC 的 影 响 在 稻 田 土 壤 中 影 响 不 显 著 而 土 地 利 用 方 式 若 为 旱 地, 本 研 究 中 旱 地 包 含 四 种 土 地 利 用 ( 林 地 菜 地 茶 园 和 荒 地 ), 则 CLAY SAND 和 SILT 对 FC 的 影 响 最 显 著 (P<0.001), 而 不 受 BD 和 SOC 的 影 响, 表 明 土 壤 颗 粒 分 布 是 影 响 旱 地 土 壤 FC 的 最 主 要 因 素, 以 上 分 析 表 明 土 地 利 用 分 类 导 致 对 FC 的 主 要 影 响 因 子 有 所 不 同, 其 中 SAND 对 稻 田 和 旱 地 FC 都 影 响 很 显 著, 而 稻 田 则 还 必 须 考 虑 BD 和 SOC 2.3 FC 模 型 通 过 多 元 逐 步 回 归 方 法 得 到 FC 的 估 算 方 程 ( 表 2), 对 于 不 同 土 地 利 用 方 式, 构 建 的 FC 模 型 中, SAND 都 为 必 须 变 量 若 不 考 虑 土 地 利 用 分 类, 再 表 1 稻 田 和 旱 地 土 壤 理 化 性 质 统 计 特 征 Tab.1 Statistical Characteristics of Soil Physico-Chemical Properties for Paddy Field and Dry Lands 性 质 稻 田 (n=88) 旱 地 (n=104) Min Max Mean CV Min Max Mean CV FC BD SOC SAND SILT CLAY 注 :CV= 标 准 差 *100/ 均 值 ;FC: 田 间 持 水 量 (cm 3 cm 3 );BD: 土 壤 容 重 (g cm 3 );SOC: 土 壤 有 机 碳 (%);SAND/SILT/CLAY: 土 壤 砂 粒 粉 粒 和 粘 粒 含 量 (%).
3 长江流域资源与环境 236 第 25 卷 型RMSE都较低 表明模型精确性较高 其中对于 稻田FC的估测最好 图2 展示了稻田与旱地FC实 测值与预测值比较图(1 1图) 所有样品数据越接 近1 1线表明模型的预测性能越好 旱地样点偏 离的比较多 表明模型的预测性能还有待提高 表 2 不同土地利用土壤田间持水量估算方程 Tab.2 Predictive Equations of Field Capacity for Various Land Uses R2adj RMSE 土地利用 估算方程 稻田+旱地 FC= SOC SAND2 稻田 5 2 FC= BD SAND 旱地 FC= SILT SAND2 图 2 稻田和旱地FC实测值与预测值比较(1 1图) Fig.2 Comparison Between Measured and Predicted Field Capacity for Various Land Uses 3 讨论 3.1 (注 *** P<0.001 ** P<0.01 * P<0.05) 图 1 田间持水量与土壤理化性质间相关性 Fig.1 Correlation Between Field Capacity and Soil Physico-Chemical Properties 加入SOC变量 所得模型能解释57%的田间持水量 变异 而仅考虑稻田 则利用SAND和BD两变 量 则模型解释度达到79% 而若为旱地 利用 SILT和SAND两变量 则只能解释43% 所有FC模 土壤理化性质对FC的影响 FC实质上属于土壤毛管悬着和吸附水分 土 壤的粒径分布决定着土壤的孔隙特征 势必影响 土壤内部所能持有的水量 研究中土壤理化性质 相关性就表明 FC与颗粒分布关系非常紧密 这 与钱胜国 [ 1 4 ] 以及姜波等 [ 3 ] 研究者获得结论一致 Nourbakhsh等[11]也认为SAND与FC存在很强的线性 关联 SOC对土壤结构的形成具有重要作用 而 土壤结构对土壤入渗和持水性影响显著 [15] 不考 虑土地利用分类 SOC与FC的相关性呈现极显 著 尤其对稻田土壤 相关系数达到了 0.67(P<0.001) SOC为土壤重要成分 有大量亲水 基团 可能通过影响土壤毛管吸附力进而提升对 水分的吸着 Emerson [ 1 2 ] 认为FC与SOC成正相 关 而Hollis等[13]认为对于表层土壤 SOC是主要
4 第 2 期 邹 刚 华, 等 : 中 亚 热 带 红 壤 区 不 同 土 地 利 用 土 壤 田 间 持 水 量 估 测 237 的 影 响 因 子 BD 与 土 壤 结 构 也 密 切 相 关, 它 表 征 着 土 壤 的 疏 松 情 况 在 稻 田 中,BD 与 FC 的 相 关 性 达 到 了 0.86 (P<0.001), 然 而 对 于 旱 地 土 壤, 由 于 包 含 了 复 杂 的 土 地 利 用, 而 各 土 地 利 用 又 呈 现 不 同 的 持 水 特 征, 因 此 相 关 性 有 所 减 弱, 但 从 图 1 中 分 析 表 明, 质 地 是 影 响 旱 地 FC 的 最 主 要 因 素, 尤 其 是 SAND 含 量 土 壤 SAND 含 量 太 高 不 利 于 水 分 的 保 持, 从 而 降 低 了 土 壤 FC 3.2 FC 模 型 建 立 针 对 不 同 土 地 利 用 分 类, 考 虑 到 影 响 FC 的 理 化 因 子 有 所 差 异, 建 立 的 FC 传 递 函 数 所 用 的 变 量 也 有 所 不 同, 然 而 都 必 须 用 到 SAND, 表 明 砂 粒 含 量 对 土 壤 FC 估 算 的 重 要 性 对 于 稻 田 FC 预 测, BD 影 响 较 大, 因 此 也 必 须 考 虑 旱 地 土 壤 中, FC 主 要 受 质 地 影 响 本 研 究 所 得 模 型 具 有 一 定 的 参 考 价 值, 尤 其 是 对 于 稻 田 FC 的 预 测, 准 确 性 达 到 了 79%, 然 而 考 虑 到 有 时 BD 获 取 的 不 易 性, 尤 其 是 对 深 层 土 壤, 采 样 比 较 麻 烦, 因 此 若 不 考 虑 土 地 利 用, 仅 利 用 SOC 和 SAND 两 变 量, 准 确 性 也 能 达 到 57% FC 是 土 壤 性 质 的 综 合 反 映, 受 多 种 因 素 影 响, 除 了 本 研 究 考 虑 的 性 质 外, Emerson [12] 得 到 只 需 阳 离 子 交 换 量 (CEC) 和 SAND 就 能 解 释 88% 的 FC 变 异 性, 并 指 出 CEC 在 预 测 FC 中 [10] 比 CLAY 和 SOC 重 要 而 Rab 等 认 为 单 用 土 壤 几 何 平 均 粒 径 就 能 很 好 的 预 测 FC, 确 定 系 数 达 到 0.93 然 而, 在 模 型 的 建 立 中, 应 该 避 免 利 用 测 定 较 繁 琐 的 土 壤 基 本 理 化 性 质 本 研 究 对 于 稻 田 FC 预 测 最 好, 所 用 理 化 性 质 相 对 简 单, 并 且 认 为 对 于 土 壤 FC 的 预 测, 土 地 利 用 方 式 或 土 壤 类 型 的 复 杂 性 不 利 于 模 型 准 确 性 的 提 高, 而 对 于 旱 地 土 壤 FC 的 预 测 还 有 待 进 一 步 研 究 4 结 论 (1) 稻 田 土 壤 FC BD SOC 和 SILT 显 著 高 于 旱 地 土 壤 ; 旱 地 SAND 和 CLAY 则 显 著 高 于 稻 田 旱 地 和 稻 田 土 壤 BD SOC 和 粒 径 组 成 都 属 于 中 等 强 度 变 异 (2) 影 响 稻 田 土 壤 FC 的 理 化 因 子 主 要 是 BD 和 SOC, 而 旱 地 主 要 是 土 壤 粒 径 组 成 其 中 SAND 对 预 测 田 间 持 水 量 非 常 重 要 (3) 利 用 多 元 逐 步 回 归 方 法 对 稻 田 土 壤 FC 预 测 准 确 性 较 高, 调 整 的 确 定 系 数 达 到 0.79, 对 于 旱 地 以 及 不 考 虑 土 地 利 用 方 式 分 类 下 则 相 对 较 弱 参 考 文 献 : [1] 余 新 晓, 程 根 伟, 赵 玉 涛, 等. 森 林 流 域 分 布 式 水 文 模 型 研 究 [J]. 中 国 水 土 保 持 科 学, 2003, 1(1): YU X X, CHENG G W, ZHAO Y T, et al. Study on distributed hydrological model in forest watershed[j]. Science of Soil and Water Conservation, 2003, 1(1): [2] 刘 勇 洪, 叶 彩 华, 李 文 华. 基 于 RS 和 GIS 技 术 的 区 域 农 田 灌 溉 量 预 报 研 究 及 应 用 [J]. 自 然 资 源 学 报, 2012, 27(9): LIU Y H, YE C H, LI W H. Research and application of regional irrigation amount forecast for cropland based on RS and GIS[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27(9): [3] 姜 波, 张 薇. 吉 林 省 中 西 部 地 区 田 间 持 水 量 实 验 研 究 [J]. 吉 林 水 利, 2012(8): JIANG B, ZHANG W. The experimental study of field moisture capacity in central and western regions of Jilin Province[J]. Jilin Water Resources, 2012(8): [4] 江 培 福, 雷 廷 武, 刘 晓 辉, 等. 用 毛 细 吸 渗 原 理 快 速 测 量 土 壤 田 间 持 水 量 的 研 究 [J]. 农 业 工 程 学 报, 2006, 22(7): 1 5. JIANG P F, LEI T W, LIU X H, et al. Principles and experimental verification of capillary suction method for fast measurement of field capacity[j]. Transactions of the CSAE, 2006, 22(7): 1 5. [5] 冯 杰, 尚 熳 廷, 刘 佩 贵. 大 孔 隙 土 壤 与 均 质 土 壤 水 分 特 征 曲 线 比 较 研 究 [J]. 土 壤 通 报, 2009, 40(5): FENG J, SHANG M T, LIU P G. Comparative study on the soil water retention curve between macroporous soil and homogeneous soil[j]. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(5): [6] 杨 绍 锷, 吴 炳 方, 闫 娜 娜. 基 于 AMSR-E 数 据 估 测 华 北 平 原 及 东 北 地 区 土 壤 田 间 持 水 量 [J]. 土 壤 通 报, 2012, 43(2): YANG S E, WU B F, YAN N N. Estimation of soil field capacity in North China Plain and Northeast China based on AMSR-E data[j]. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43(2): [7] KÄTTERER T, ANDRÉN O, JANSSON P E. Pedotransfer functions for estimating plant available water and bulk density in Swedish agricultural soils[j]. Acta Agriculturae Scandinavica Section B-Soil & Plant Science, 2006, 56(4): [8] WÖSTEN J H M, PACHEPSKY Y A, RAWLS W J. Pedotransfer functions: bridging the gap between available basic soil data and missing soil hydraulic characteristics[j]. Journal of Hydrology, 2001, 251(3/4): [9] SAXTON K E, RAWLS W J. Soil water characteristic estimates by texture and organic matter for hydrologic solutions[j]. Soil Science Society of American Journal, 2006, 70(5): [10] RAB M A, CHANDRA S, FISHER P D, et al. Modelling and prediction of soil water contents at field capacity and permanent wilting point of dryland cropping soils[j]. Soil Research, 2011, 49(5): [11] NOURBAKHSH F, AFYUNI M, ABBASPOUR K C, et al. Research note: estimation of field capacity and wilting point from basic soil physical and chemical properties[j]. Arid Land Research and Management, 2004, 19(1): [12] EMERSON W W. Water-retention, organic-c and soil texture[j].
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