不同土地利用類型土壤含水率與熱導(dǎo)率相關(guān)性研究

李建波， 王衛(wèi)華

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650500)

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不同土地利用類型土壤含水率與熱導(dǎo)率相關(guān)性研究

李建波， 王衛(wèi)華*

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650500)

摘要[目的]研究自然條件下不同土地類型土壤含水率與熱導(dǎo)率的相關(guān)性。[方法]選取露天狀態(tài)下農(nóng)耕地、裸地、草地、灌木地4種土地利用類型作為供試地塊，在0～15 cm深度土層取樣，通過烘干法測(cè)量土壤含水率，利用非穩(wěn)態(tài)探針熱脈沖技術(shù)測(cè)量土壤熱導(dǎo)率。[結(jié)果]4種土地利用類型下，土壤含水率變化范圍為12.79%～25.08%，土壤熱導(dǎo)率的變化范圍為0.481～1.291 W/(m·K)；農(nóng)耕地和裸地采樣帶相鄰點(diǎn)間數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，灌木地和草地采樣帶相鄰點(diǎn)間數(shù)據(jù)的連續(xù)性較好。[結(jié)論]農(nóng)耕地、裸地、草地、灌木地4種土地利用類型中，自然狀態(tài)下的土壤含水率與熱導(dǎo)率表現(xiàn)為正相關(guān)性關(guān)系。

關(guān)鍵詞土地利用類型；土壤含水率；土壤熱導(dǎo)率；回歸分析

土壤含水率與熱導(dǎo)率是土壤物理學(xué)的重要參數(shù)，在田間環(huán)境中土壤熱導(dǎo)率受其本身理化性質(zhì)的影響，如土壤粒徑、含水率、容重、孔隙分布和有機(jī)質(zhì)含量等。其中，土壤含水率常被作為關(guān)鍵因素出現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者的研究成果中。康紹忠[1]研究指出，在土壤中固體部分維持穩(wěn)定的條件下，土壤含水率直接決定土壤熱導(dǎo)率的大小，土壤熱導(dǎo)率是含水率的函數(shù)。de等[2]以土壤臨界含水率為界，根據(jù)土壤含水率范圍，提出不同計(jì)算熱導(dǎo)率的理論公式。土壤熱導(dǎo)率測(cè)定方法有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法分析的出發(fā)點(diǎn)是維持土柱兩端恒定溫度梯度，通過測(cè)定土柱的熱通量計(jì)算熱導(dǎo)率，該過程測(cè)量時(shí)間較長，且水分的遷移與再分布易對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響；瞬態(tài)法是利用瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行計(jì)算，測(cè)量時(shí)間短，常適用于田間實(shí)地測(cè)量[3-4]。在土壤含水率與熱導(dǎo)率的測(cè)定中，學(xué)者多著眼于實(shí)驗(yàn)室擾動(dòng)土范疇，通過調(diào)節(jié)土樣含水率級(jí)配測(cè)定熱導(dǎo)率[5-8]。然而，該過程往往忽視了自然狀態(tài)下土壤結(jié)構(gòu)、孔隙分布和水分分布等條件。鑒于此，筆者研究了農(nóng)耕地、裸地、灌木地和草地4種不同土地利用類型的土壤含水率與熱導(dǎo)率相關(guān)性，旨在為田間水熱耦合運(yùn)移過程研究提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)設(shè)在云南省昆明市東川區(qū)舍塊鄉(xiāng)茂麓村(102°50′49″E，26°18′15″N)，地處東川境內(nèi)西端，北隔金沙江，與四川會(huì)東縣相望，海拔900～1 150m。茂麓村地處山腳，山坡坡度一般30～45°，局部地段達(dá)60～80°，地區(qū)內(nèi)山高谷深、地表徑流下切和溯源作用明顯，引起強(qiáng)烈的坡道細(xì)溝侵蝕現(xiàn)象。該村因森林茂密和產(chǎn)銅而聞名，村中有銅都礦業(yè)有限公司駐地，茂麓廠冶銅遺址位于銅都礦業(yè)選礦廠南200m處，該遺址附近地塊土地利用方式有農(nóng)耕地、裸地、草地和灌木地，類型多樣，因此供試地塊選取于該地。該地區(qū)氣候?yàn)閬啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候，年均降水量約為1 000mm，年均氣溫為14.9 ℃。降水量集中在5～9月，10～4月為旱季，降水稀少。

1.2儀器設(shè)備及其原理土壤熱導(dǎo)率測(cè)量儀器使用德國進(jìn)口便攜式土壤熱傳導(dǎo)性測(cè)量儀(MTN01)，其方法是基于單探針?biāo)矐B(tài)法測(cè)量技術(shù)，通過加熱絲和溫度傳感器及相應(yīng)的計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)，儀器操作見圖1。使用時(shí)將熱探針插入供試土樣中(探針長度15cm)，通過接收加熱過程中溫度回饋值，計(jì)算土壤熱導(dǎo)率，理論公式：

ΔT=(Q/4πλ)(lnt+B)

(1)

式中，ΔT為某時(shí)間段內(nèi)溫度的上升值，K；Q為加熱功率，W/m；λ為介質(zhì)熱導(dǎo)率，W/(m·K)；t為時(shí)間，s；B為常數(shù)。t1到t2的測(cè)量過程中熱導(dǎo)率計(jì)算公式如下：

λ=(Q/4πΔT)ln(t2/t1)

(2)

試驗(yàn)前，以丙三醇為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，對(duì)MTN01探針進(jìn)行標(biāo)定[丙三醇 20 ℃熱導(dǎo)率為0.287 2W/(m·K) ，40 ℃熱導(dǎo)率為0.289 7W/(m·K)[9]]。標(biāo)定過程中，將探針插入盛有丙三醇的容器中，分別設(shè)置2、3、4V電壓，加熱時(shí)間300s，記錄溫度變化范圍及熱導(dǎo)率測(cè)量值(表1)，每個(gè)電壓處理下測(cè)量3次，取平均值。

表1標(biāo)定過程中溫度變化范圍約為20～40 ℃，取20～40 ℃丙三醇熱導(dǎo)率均值0.288 45W/(m·K)作為標(biāo)準(zhǔn)值。將熱導(dǎo)率測(cè)量均值與丙三醇熱導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)值相比，誤差為1.89%，儀器精度符合試驗(yàn)要求。計(jì)算探針校正系數(shù)α：

(3)

校正系數(shù)用于修正實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率。

圖1　MTN01操作示意Fig.1　Schematic diagram of MTN01 operation

1.3樣地選取采樣時(shí)間為2016年4月，該時(shí)間為旱季末期，之前整個(gè)階段降雨量極少，可看作為穩(wěn)定的自然狀態(tài)。選取農(nóng)耕地、裸地、灌木地和草地，每個(gè)地塊布設(shè)24.0 m長的條狀采樣帶，每隔0.5 m設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，共192個(gè)采樣點(diǎn)。

表1　丙三醇標(biāo)定結(jié)果

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法為保證土壤含水率與熱導(dǎo)率同步獲取，首先在各采樣點(diǎn)測(cè)量該點(diǎn)的熱導(dǎo)率值，將各測(cè)點(diǎn)3個(gè)電壓處理下熱導(dǎo)率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后取均值，后期數(shù)據(jù)處理中將該值乘以α作為該測(cè)點(diǎn)的熱導(dǎo)率值。在各采樣點(diǎn)測(cè)完熱導(dǎo)率之后，用土鉆分別取距地表0～15 cm的擾動(dòng)土樣20～30 g，各采樣點(diǎn)3次重復(fù)。土樣裝入小鋁盒，稱重后置于105 ℃烘箱中8 h，待冷卻后再次稱重，測(cè)定土樣質(zhì)量含水率。

采用重鉻酸鉀加熱法測(cè)量有機(jī)質(zhì)含量，通過環(huán)刀法測(cè)試驗(yàn)小區(qū)土樣容重、飽和含水率和田間持水率，將土樣烘干、研磨后，過2 mm土壤篩，利用馬爾文激光分析儀進(jìn)行土壤顆粒分析。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)利用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，做經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析；將剖面數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 8.0，分析每種土地利用類型下，土壤含水率與熱導(dǎo)率在取樣條帶上的變化趨勢(shì)；利用Excel 2007進(jìn)行相關(guān)性與回歸分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤基本物理性質(zhì)將土樣粒徑分級(jí)結(jié)果導(dǎo)入土壤質(zhì)地自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Soil Texture Automatic Recognition System，STARS)[10]，采用國際制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。由表2可知，4類土地利用類型土壤各粒徑含量差異較小，均為黏壤土，容重從大到小依次為裸地、農(nóng)耕地、草地、灌木地，田間持水率從大到小依次為灌木地、草地、農(nóng)耕地、裸地，有機(jī)質(zhì)含量從大到小依次為灌木地、草地、農(nóng)耕地、裸地，飽和含水率從大到小依次為灌木地、草地、農(nóng)耕地、裸地。

表2　供試土樣基本性質(zhì)

2.2土壤含水率與熱導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)特征值由表3、4可知，4種土地利用類型土壤含水率均值最高為灌木地，農(nóng)耕地、裸地和草地的含水率分別比灌木地低17.37、17.46和4.01個(gè)百分點(diǎn)；土壤熱導(dǎo)率均值最高也為灌木地，農(nóng)耕地、裸地和草地分別比灌木地低33.53、35.39和10.95個(gè)百分點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)差一般用來反映同一量綱數(shù)據(jù)的離散程度，土壤含水率的標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍為0.933～2.615，數(shù)據(jù)離散性由大到小依次為農(nóng)耕地、裸地、灌木地、草地；土壤熱導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍為0.111～0.229，數(shù)據(jù)離散性由大到小依次為灌木地、農(nóng)耕地、裸地、草地。變異系數(shù)多用來比較測(cè)量尺度相差較大或量綱不同的數(shù)據(jù)組的離散性，可見土壤熱導(dǎo)率的變異系數(shù)略高于土壤含水率。

2.3土壤含水率與熱導(dǎo)率的相關(guān)性在Excel 2007中對(duì)不同土地利用類型土壤含水率與熱導(dǎo)率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：4種土地利用的總相關(guān)系數(shù)為0.951，變化范圍為0.909～0.982，從大到小依次為草地(0.982)、灌木地(0.978)、農(nóng)耕地(0.930)、裸地(0.909)。

表3　不同土地利用類型土壤含水率與變異系數(shù)

表4　不同土地利用類型土壤熱導(dǎo)率與變異系數(shù)

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 8.0繪制土壤含水率與熱導(dǎo)率隨采樣帶距離變化趨勢(shì)線，觀察、分析各采樣點(diǎn)土壤含水率與熱導(dǎo)率的趨勢(shì)變化關(guān)系。從圖2可以看出，農(nóng)耕地和裸地的土壤含水率和熱導(dǎo)率在相鄰采樣點(diǎn)的波動(dòng)性較大，各參數(shù)在采樣帶上變化不具有明顯的規(guī)律性，但2個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)較為一致；灌木地和草地土壤含水率和熱導(dǎo)率在相鄰采樣點(diǎn)的連續(xù)性較好，2個(gè)參數(shù)變化趨勢(shì)也較一致。這說明土壤含水率與熱導(dǎo)率的相關(guān)性較高，且土壤利用類型對(duì)二者相關(guān)性的影響較小。

注：a.農(nóng)耕地；b.裸地；c.灌木地；d.草地。測(cè)定的點(diǎn)位布設(shè)方向?yàn)樽阅舷虮?。Note: a was farm land; b was bare land; c was shrub land; d was grass land.The detecting points was from south to north.圖2　不同土地利用類型土壤含水率與熱導(dǎo)率變化趨勢(shì)Fig.2　Change trend of soil water content and thermal conductivity in different land use types

2.4土壤含水率與熱導(dǎo)率的回歸分析及殘差利用Excel軟件對(duì)4種土地利用類型所有采樣點(diǎn)的土壤含水率與熱導(dǎo)率進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖3，擬合優(yōu)度R2=0.967。圖4中各參數(shù)均接近于0。上述結(jié)果中，R2越接近于1.000,說明擬合結(jié)果越好，而在圖4中，越是無趨勢(shì)、無規(guī)則，表明回歸結(jié)果可靠度越高[11]。

在土壤含水率與熱導(dǎo)率的回歸擬合結(jié)果中(圖3)，可以看出，當(dāng)含水率為12%～17%時(shí)，土壤熱導(dǎo)率隨含水率增長的斜率變化較緩；當(dāng)含水率為17%～22%時(shí)，土壤熱導(dǎo)率隨含水率增長的斜率變化明顯變陡；當(dāng)含水率為22%～25%時(shí)，土壤熱導(dǎo)率隨含水率變化趨于緩和。總體來看，在含水率為12%～25%時(shí)，土壤含水率與熱導(dǎo)率存在正相關(guān)性關(guān)系。

圖3　土壤含水率與熱導(dǎo)率回歸擬合結(jié)果Fig.3　Regression fitting of soil water content and thermal conductivity

圖4　土壤含水率與熱導(dǎo)率殘差分析Fig.4　Residual analysis of soil water content and thermal conductivity

3結(jié)論

(1)在穩(wěn)定的自然狀態(tài)下，農(nóng)耕地、裸地、灌木地、草地4種土地利用類型地塊中土壤含水率變化范圍為12.79%～25.08%，土壤熱導(dǎo)率的變化范圍為0.481～1.291 W/(m·K)，農(nóng)耕地和裸地采樣帶相鄰點(diǎn)間數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，灌木地和草地采樣帶相鄰點(diǎn)間數(shù)據(jù)的連續(xù)性較好。

(2)回歸結(jié)果表明，農(nóng)耕地、裸地、灌木地、草地4種土地利用類型的土壤自然含水率與熱導(dǎo)率均表現(xiàn)為正相關(guān)性關(guān)系，土地利用類型對(duì)二者的相關(guān)性影響較小。

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基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51409136)；昆明理工大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(KKSY201423023)。

作者簡介李建波(1990- )，男，山東青島人，碩士研究生，研究方向：土壤物理、地理信息系統(tǒng)。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事土壤物理、節(jié)水灌溉研究。

收稿日期2016-05-17

中圖分類號(hào)S 152

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)16-122-04

CorrelationbetweenSoilWaterContentandThermalConductivityinDifferentLandUseTypes

LIJian-bo,WANGWei-hua*

(FacultyofModernAgriculturalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500)

Abstract[Objective] To explore the correlation between soil water content and thermal conductivity in different land use types.[Method] Four land use types in the open air were used as the test plots.Soil water content was measured at 0-15 cm layer by oven-drying method.Unsteady heat probe pulse technology was used to measure the soil thermal conductivity.[Result] Under the four land-use types, change range of soil water content was 12.79%-25.08%; change range of soil thermal conductivity was 0.481-1.291 W/(m·K).The sampling data between adjacent sampling point in farm land and bare land showed higher fluctuation, while the sampling data in the shrub land and grass land had higher continuity.[Conclusion] The soil water content and thermal conductivity in the four types of land utilization show a positive correlation relationship in the natural state.

Key wordsLand-use types; Soil water content; Soil thermal conductivity; Regression analysis