發(fā)布時間：2019-12-16所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 提要:土壤水分是影響干旱半干旱區(qū)植物生長的主要因素，快速準確、長期連續(xù)地監(jiān)測土壤水分時空動態(tài)可為干旱半干旱區(qū)植被建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。以烏蘭布和沙漠東北部灌木林地土壤為研究對象，應(yīng)用多電極電阻儀對林地土壤電阻率進行了測量，同步采取土樣
提要:土壤水分是影響干旱半干旱區(qū)植物生長的主要因素，快速準確、長期連續(xù)地監(jiān)測土壤水分時空動態(tài)可為干旱半干旱區(qū)植被建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。以烏蘭布和沙漠東北部灌木林地土壤為研究對象，應(yīng)用多電極電阻儀對林地土壤電阻率進行了測量，同步采取土樣用烘干法測定了土壤實際含水率，建立了2者之間的相關(guān)關(guān)系，并對剖面上土壤水分空間特征進行了分析。結(jié)果表明:1)土壤含水率(y)與土壤電阻率(x)之間為極顯著負相關(guān)關(guān)系(R2=0.81，P<0.01)，可用冪函數(shù)y=88.68x-0.63表示。2)強降水之后，二維剖面上土壤水分整體呈增加趨勢。隨著雨后時間的延長，1m以上土層的含水率由于受蒸發(fā)和植物蒸騰耗水而明顯降低，1m以下土層的含水率由于受上層水分入滲有增加趨勢，說明連續(xù)強降雨(81.2mm)能對1m以下土層的土壤水分進行有效補給。3)多電極電阻率成像技術(shù)在野外能夠快速準確，長期定位監(jiān)測土壤水分含量;且對地表擾動小，實現(xiàn)了非破壞性測量;能夠提供尺度較大、分辨率較高的土壤水分二維分布圖像及水分入滲過程的圖像，是今后中等尺度上監(jiān)測土壤水分的一種新途徑。
關(guān)鍵詞:土壤水分;土壤電阻率;電阻率成像;烏蘭布和沙漠
沙地土壤水分狀況是氣候、植被、地形及土壤等條件的綜合反映[1];是植物生存、生長發(fā)育的主要限制因子[2，3]，影響植物種群組成與分布[4];是確定植被承載力、進行沙地土壤水分管理的基礎(chǔ)[5]。研究沙地土壤水分動態(tài)對植被恢復(fù)及實施荒漠化防治生態(tài)建設(shè)工程具有科學(xué)和實踐意義。
烏蘭布和沙漠地處干旱半干旱區(qū)過渡地帶，土壤水分是該區(qū)域植被恢復(fù)和沙地治理的最主要制約因素。因此，準確的對區(qū)域土壤水分進行監(jiān)測，掌握區(qū)域土壤水時空動態(tài)狀況，才能不失時機地采取相應(yīng)的技術(shù)措施來滿足植被對水分的需求，為植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。
點尺度上測量土壤水分含量多采用烘干法[6-8]、中子儀法[9，10]、時域反射儀法[11，12]和水分傳感器法[13-15]。烘干法測定結(jié)果最準確，但需要從野外采集大量的土樣，比較費時費力;中子儀法、時域反射儀法和水分傳感器法是當前應(yīng)用較多的方法，但均需挖掘土壤剖面埋設(shè)管子、探頭，對土壤原始結(jié)構(gòu)有一定破壞，且監(jiān)測的土壤體積有限;隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，眾多學(xué)者將遙感技術(shù)應(yīng)用在土壤水分監(jiān)測上[16，17]，實現(xiàn)了土壤水分監(jiān)測從“點尺度”到“區(qū)域大尺度”的跨越。但其空間分辨率較低，且只能估測表層5～10cm深的土壤含水量;此外，遙感監(jiān)測過程中還受植被及微地形的影響。因此，尋找一種快速、簡單、可靠而密集、適合中尺度范圍內(nèi)土壤含水量的測定方法十分有必要。近年來，國內(nèi)外的研究者將探地雷達技術(shù)(Groundpenetratingradar，GPR)[18-20]和電阻率成像技術(shù)(Electricalresistivityimaging，ERI或Electricalresistivitytomography，ERT)應(yīng)用到了土壤水分監(jiān)測上。其中，國外用ERT技術(shù)監(jiān)測土壤水分的研究相對較多[21-26]，而國內(nèi)的研究則相對較少[27-32]，尤其是對沙區(qū)土壤水分監(jiān)測的研究更少[27]。基于此，以烏蘭布和沙漠東北部人工固沙灌木林地土壤為研究對象，應(yīng)用ERT技術(shù)定位測量了雨后不同時間段林內(nèi)土壤的電阻率，并通過剖面不同深度的土壤取樣，用烘干法測量了土壤含水率，初步建立了土壤電阻率與含水率之間的相關(guān)關(guān)系，并查明了雨后不同時間段土壤水分的動態(tài)變化特征。
1試驗設(shè)計與方法
1.1研究區(qū)概況
研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部，行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古磴口縣。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍珊瞪儆辏舭l(fā)量大，降水季節(jié)分配不均，年均氣溫7.8℃，年均大氣相對濕度47%，年均降水量140.3mm，降水集中于6-9月，年均潛在蒸發(fā)量2380.6mm。土壤以風(fēng)沙土為主。天然植被多為荒漠植被和鹽生植被，如霸王(Zygophyllumxanthoxylom(Bunge.)Maxim.)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus(Maxim.ExKom.)Chengf.)、白刺(NitrariatangutorumBobrov.)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、霧冰藜(Bassiadasyphylla(Fisch.etMey.)O.Kuntze)、堿蓬(Suaedaglauca(Bunge)Bunge)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、沙米(Agriophyllumsqurrosum(L.)Moq.)等。人工植被以楊樹(PopulusL.)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge.)、花棒(HedysarumscopariumFisch.etC.A.Mey.)等為主。
試驗地為綠洲外圍地勢較平坦的花棒林，種植年限為30a，株行距為3m×4m。由于受土壤等環(huán)境因子的限制，部分植株已經(jīng)死亡，目前保留的植株長勢較好，冠幅平均為2.5m×2.5m。林下天然植被生長較好，蓋度約45%，以油蒿最多，白刺零星分布;此外，伴生有霧冰藜、藍刺頭(Echinopssphaerocephalus)等草本植物。
1.2試驗材料及方法
選用多電極電阻儀測量土壤電阻率，儀器型號為SYSCALKIDSWITCH-24(IRISinstruments公司，AvenueBuffon，B.P.6007-45060OrleansCedex2，F(xiàn)rance)，包括1臺主機，24根電極和2條多接口的纜線，實地測量時可根據(jù)實驗要求設(shè)置不同的電極間距和測量層次(圖1)。
電阻儀測量時土壤剖面上測點的分布情況以及二維反演后測點分布情況(圖2)。本試驗中電極間距設(shè)置為0.5m，測量層次為7層，采用垂直剖面測量相對比較穩(wěn)定的溫納(Wenner)陣列。從圖2中可以清楚地看出，實際測量所獲取的土壤剖面上測點數(shù)據(jù)為84個，從上到下(1～7層)每層的測點分別為21、18、15、12、9、6、3個;測量深度分別是0.25、0.51、0.76、1.02、1.28、1.54、1.79m。經(jīng)過Res2DInvver3.4軟件對實測數(shù)據(jù)進行反演插值后為120個測點數(shù)據(jù)，從上到下(1～8層)每層的測點數(shù)分別為21、21、19、17、15、11、9、7個，深度分別是0.09、0.29、0.51、0.75、1.01、1.30、1.61、1.96m。實驗數(shù)據(jù)用高密度電法處理軟件(Res2DInvver3.4)進行反演處理。每次測量后，在每根電極的位置插入有編號的細鐵絲作為標記，保證下次測量都在同一位置。
土壤電阻率測量完后，在測線上選擇3個采樣點，用直徑3cm的土鉆采取土樣。采樣深度跟電阻儀測量后反演測點的位置相對應(yīng)，分別為10、30、50、75、100cm。圖2中3條紅線為測量過程中選擇的3個土壤取樣剖面，分別為第8～9電極之間(水平位置3.25m處)、第12～13電極之間(水平位置5.75m處)和第16～17電極之間(水平位置7.75m處)。采集的土樣用密封袋收集，帶回實驗室用烘干法測量含水率，將3個剖面上同一層次的土壤含水率進行平均。鉆取土樣后對取樣孔洞進行填土并踩實，以減小對后續(xù)測量結(jié)果的影響。
本試驗的測量時段為2016年8月19日-10月12日(圖3)。8月17日、18日有兩次較大的降水事件，降水后，8月19日第1次測量(記為CL1)，9月2日(15日以后)第2次測量(記為CL2)，10月12日(55日以后)第3次測量(記為CL3)，CL2和CL3之間沒有大的降雨事件。
1.3數(shù)據(jù)處理與分析
應(yīng)用Res2DInvver3.4軟件對土壤電阻率數(shù)據(jù)反演，Office2010軟件整理土壤電阻率與含水率數(shù)據(jù)并作圖，SAS9.0軟件進行回歸關(guān)系的顯著性檢驗，Surfer8.0軟件繪制土壤電阻率和土壤含水率空間格局圖。
2結(jié)果與分析
2.1不同時期土壤不同深度的電阻率特征
從土壤采樣剖面上電阻率均值隨采樣深度的變化趨勢可以(圖4)看出，CL1的土壤電阻率整體最小，11.82～125.56Ω·m;CL3的值最大，25.65～583.97Ω·m;CL2的值居中，13.69～341.84Ω·m。3個不同時期的土壤電阻率整體上均表現(xiàn)為深層土壤電阻率顯著小于淺層電阻率，從上到下的變化趨勢均可用線性方程y=-ax+b來表示，且均達到極顯著水平(P<0.01)，但決定系數(shù)有一定差距(R2分別為0.45、0.99、0.94)，CL2的相關(guān)性明顯高于CL1和CL3。此外，CL1的電阻率值在75cm處出現(xiàn)了極大值，125.56Ω·m。
2.2不同時期土壤不同深度的含水率特征
圖5顯示，3個不同時期100cm處的土壤含水率極顯著高于其它4個層次，CL2和CL3的土壤含水率在剖面上(0～100cm)表現(xiàn)為從上到下增加的趨勢，0～50cm內(nèi)增加趨勢不顯著，50cm以下增加趨勢顯著。CL1同其它兩個時期存在明顯的區(qū)別，土壤含水率在75cm處存在折點，達到最低值(3.0%)。此外，CL1的土壤含水率0～50cm高于CL2和CL3，而50～100cm低于CL2和CL3，尤其是75cm處。
2.3土壤電阻率與土壤含水率的關(guān)系
對野外測量的土壤電阻率數(shù)據(jù)和室內(nèi)烘干法所獲取的土壤含水率數(shù)據(jù)進行相關(guān)關(guān)系分析，并建立最優(yōu)回歸模型(圖6)。從圖中可以看出，土壤電阻率與土壤含水率之間為反比例關(guān)系，可以用冪函數(shù)y=axb來表示，y為土壤含水率(%)，x為土壤電阻率(Ω·m)。經(jīng)SAS9.0軟件對模型進行顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，該回歸模型達到了極顯著水平(R2=0.81，P<0.01，N=45)。
2.4不同測量時期土壤二維剖面含水率特征
圖6土壤電阻率與土壤含水率的關(guān)系Figure6Therelationshipbetweensoilresistivityandsoilmoisturecontent通過土壤電阻率與土壤含水率之間的關(guān)系，計算了土壤二維剖面上的含水率值，并繪制出土壤水分含量的二維剖面圖(圖7)。從圖中可以清楚地看出3個不同測量時期土壤水分的空間分布狀況。CL1的土壤水分表現(xiàn)為1m以下土壤層高于上層，下層土壤含水量比較穩(wěn)定，空間變異性較小，而上層土壤水分空間變異性較大，表現(xiàn)為多斑塊狀分布。CL2同樣表現(xiàn)為下層高于上層，上層土壤的含水量比較均一，分層明顯，但是水分含量低于CL1，而下層土壤含水量高于CL1，分布不均，形成了水分聚積的高值區(qū)域。CL3上層部分土壤含水量明顯低于CL1和CL2，但是上層土壤水分分布均一，而下層土壤含水量正好與之相反，且出現(xiàn)了一個明顯的高值斑塊區(qū)域。
3討論與結(jié)論
3.1土壤電阻率與土壤含水率的相關(guān)關(guān)系
當前，眾多關(guān)于土壤電阻率與土壤含水率關(guān)系的研究結(jié)果中，對兩者進行最優(yōu)擬合的模型主要有線性模型、指數(shù)模型和冪函數(shù)模型。如，岳寧等基于高密度電法對黃土高原玉米地的土壤水分進行了雨前與雨后的連續(xù)監(jiān)測，認為黃土高原玉米地的土壤體積含水量與土壤電阻率之間為極顯著的線性負相關(guān)關(guān)系(R2=0.68～0.86)[32];Nijland等在法國南部不同土壤類型樣地所開展的研究表明，土壤電阻率與土壤體積含水量之間為冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.83)[25];Celano等在意大利南部兩種不同經(jīng)營模式人工橄欖園開展的土壤水分監(jiān)測研究結(jié)果表明，土壤電阻率與土壤體積含水量之間也為冪函數(shù)關(guān)系(R=0.87)[26];張虎元等利基于高密度電阻率法對鹽漬土含水率的測定得到同樣的結(jié)果，即土壤電阻率與土壤含水率為冪函數(shù)關(guān)系(R=0.98)[29];段旭等人在六盤山地區(qū)的研究結(jié)果顯示草地坡面和刺槐林坡面的土壤體積含水率與電阻率之間均為指數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2=0.78，0.64)[30，31]。本研究中，土壤含水率與土壤電阻率之間為負相關(guān)關(guān)系，即土壤水分含量較低的地方土壤電阻率值較高，反之，亦然(圖6)。土壤含水率與土壤電阻率之間的相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)y=88.68x-0.63來表示，且達到了極顯著水平(R2=0.81，P<0.01)。本研究結(jié)果與上述國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果類似，只是最優(yōu)擬合模型中系數(shù)(a，b)、決定系數(shù)(R2)及顯著水平(P)有所差異，這主要可能是因為不同研究者的研究區(qū)域不同，土壤類型不同，土地利用類型不同所導(dǎo)致。
沙區(qū)灌木林地土壤電阻率隨著土壤含水率增大而顯著降低(R2=0.81，P<0.01)，說明利用土壤電阻儀的測定值來計算土壤含水率是可行的，且電阻率成像技術(shù)具有微擾動原位監(jiān)測;多尺度(水平和垂直)同步監(jiān)測;可重復(fù)連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢。因此認為，高密度電阻率成像技術(shù)可以成為今后定量、非破壞性監(jiān)測沙地土壤水分的一個技術(shù)途徑。
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3.2沙地土壤含水率時空動態(tài)特征
土壤含水量在較大的降水事件后，隨著時間延長在剖面上有著明顯的變化過程。具體表現(xiàn)為:1m以上的土壤層有明顯的從“濕”到“干”的變化過程，而1m以下的土壤層存在明顯變濕的過程，土壤含水率由15%左右增加至約20%，部分區(qū)域增加至26%(圖7)，研究結(jié)果與岳寧等的實驗結(jié)果相一致[32]。3次測量結(jié)果顯示，土壤含水率在1m附近均有明顯的分界，通過現(xiàn)場挖掘剖面發(fā)現(xiàn)，試驗地垂直深度1m處存在一層黏質(zhì)土壤，對上層水分下滲和對下層水分向上運輸均存在一定阻隔作用。因此降雨后土壤水在該層次有聚集現(xiàn)象，但是隨著時間的延長，該層次的水分也會逐漸慢慢下滲，進而使下層水分含量明顯增加，這同Nijland等的監(jiān)測結(jié)果相一致[25]。沙地土壤保水性較差，降水后土壤水分會很快下滲，上層的土壤含水量開始逐漸減少。土壤水入滲過程中，受土壤質(zhì)地變異性、入滲的非均勻性、植物根部對土壤水分的吸收等因素影響，導(dǎo)致入滲速度不一致而出現(xiàn)不同的斑塊狀分布區(qū)域[26，32]。
試驗期間，氣溫處于較高時期(日均溫24.27℃)，蒸發(fā)量較強烈(日均蒸發(fā)量6.52mm)(圖3)，植物生長也尚處于旺盛時期，蒸騰作用較強。1m以上的土壤水分由于受土壤蒸發(fā)和植物吸收利用，其含量進一步降低，尤其是0.5m以上土壤層更為明顯。這與Celano等所得的結(jié)論一致，橄欖園的土壤水分在長期沒有得到降雨補給下，0～0.6m(草本植物根系的最大深度)土壤水分消耗特別明顯[26]。降雨后的第55d(CL3)，由于長時間沒有得到有效降水補給，表層水分已降至2%左右，而且還出現(xiàn)兩個極低值區(qū)域，而恰恰這兩個位置正是兩叢花棒植株生長的位置。
本研究應(yīng)用高密度電阻率成像技術(shù)對沙地土壤水分進行監(jiān)測，并建立了土壤電阻率與土壤含水率之間的關(guān)系模型，進而推算了整個二維剖面上的土壤含水率，研究結(jié)果符合實際情況，且研究結(jié)果與前人研究相一致，因此認為該技術(shù)可為今后土壤水分的中尺度監(jiān)測提供可行的方法。
但是，本研究還存在一定的不足，需在今后的研究中加強與彌補。一是試驗時間比較短，缺乏對灌木林地不同季節(jié)土壤含水量的測量與對比分析，后續(xù)的試驗需延長試驗周期，對植物生長周期內(nèi)不同時期的土壤水分進行測量;二是本試驗選擇的電極間距為0.5m，僅測量了垂直深度0～2m范圍內(nèi)的土壤含水量，后續(xù)的試驗還應(yīng)該增大電極間距，以獲取更深層次的土壤水分含量。
