克蘭菲爾德大學(xué)使用 PR2 土壤剖面水分儀探究土壤中運移影響

        克蘭菲爾德大學(xué)的馬特?皮特對水力數(shù)據(jù)建模有著濃厚的興趣，他正在進行一個引人入勝的博士項目，目前該項目已開展到一定階段。該項目的核心是研究各種耕作制度對土壤長期特性的影響方式。

        馬特解釋道：“我的研究旨在評估非翻耕的耕作方式是否能在土壤處于飽和狀態(tài)時以及接近飽和狀態(tài)時改善土壤中的水分傳輸情況，在這種情況下，水分的滲透會補充地下水資源。如果能發(fā)現(xiàn)這樣的改善效果，那可能有助于在雨季促進水分流動，從而防止出現(xiàn)內(nèi)澇，增加對含水層的補給，并減少農(nóng)田以外區(qū)域的水分流失。"

        馬特的研究在英格蘭東南部進行，在那里，氣候變化和人口增長給環(huán)境和水行業(yè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。英國 32% 的土地是可耕地，因此，優(yōu)化農(nóng)業(yè)土壤中的水分調(diào)節(jié)是保障未來水資源供應(yīng)和環(huán)境保護的一個重要因素。

        馬特接著說：“英國政府近期推出的‘可持續(xù)農(nóng)業(yè)激勵計劃’積極鼓勵減少耕作的做法。我們能夠找到的任何有關(guān)這種做法長期益處的實證依據(jù)，都可能有助于讓更多人采用這種做法。"

        他的博士項目部分由大型供水公司阿菲尼蒂水務(wù)公司資助，該公司有興趣利用馬特的研究成果，進一步完善他們自己先進的水動力 / 水資源可利用性模型。

項目假設(shè)

馬特設(shè)計了他的研究來檢驗幾個假設(shè)：

1. 非翻耕耕作能改善土壤結(jié)構(gòu)，并增強與下層土壤的水力連通性。
2. 非翻耕耕作在促進水分運移方面的益處會隨著實施時間的延長而增加。
3. 專業(yè)軟件可用于精確模擬受耕作方式影響的土壤中的水分運移情況。
4. 在基于過程的分布式水文模型中，可以準(zhǔn)確地將耕作方式的影響放大到流域尺度。

研究方法及 PR2 土壤剖面水分儀

• 試驗田 1：按照農(nóng)村支付機構(gòu)的定義，已進行了 10 年免耕。
• 試驗田 2：按照農(nóng)村支付機構(gòu)的定義，已進行了 14 年免耕。
• 試驗田 3：采用傳統(tǒng)的鏵式犁耕作。

  
  

        試驗田的數(shù)據(jù)收集工作于 2024 年 5 月初開始。

        在每個試驗點，都劃定了一個四邊形的邊界區(qū)域，以便進行項目的測量和建模工作。下面的圖 1 展示了試驗田 2 的俯視圖。

        紅線表示邊界，橙線表示地下排水管道，小 “X" 表示已埋設(shè)的 PR2 剖面探針接入管的位置。

        每個試驗點都長期安裝了一根 PR2 剖面探頭（由 GP2 數(shù)據(jù)記錄儀進行數(shù)據(jù)記錄）（綠色圓圈處）；此外，還使用了另一根可便攜的 PR2 剖面探頭，每兩周在周圍的接入管中進行一次即時讀數(shù)測量，以便對核心濕度剖面測量數(shù)據(jù)進行額外的驗證。

        馬特說：“這條樣帶（藍(lán)線）特意穿過了排水管道，因為我關(guān)注的是垂直方向的連通性，而我主要的研究興趣在于二維排水剖面。"

        每月都會將長期安裝的 PR2 剖面探頭從接入管中取出，并在克蘭菲爾德大學(xué)一個已知濕度的砂床中進行測試，以確保其測量的準(zhǔn)確性。

        馬特計劃在一年的時間里，持續(xù)記錄每個試驗點的各種數(shù)據(jù)（包括土壤質(zhì)地、孔隙度、容重、體積含水量和重量含水量、土壤水分曲線以及降雨量）。

        之后，將根據(jù)田間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從這些試驗點中選擇一個，進入項目的放大階段，將其納入一個更廣泛的流域模型中。

        馬特說：“當(dāng)局部過程的分辨率降低時，需要對局部模型的物理過程進行‘轉(zhuǎn)換’，以估計其對更大尺度的影響。"

下面的圖 2 展示了馬特的土壤濕度剖面模型在 HYDRUS 2D/3D 軟件中的顯示情況（不包括排水信息）。

紅色和黃色的點代表已安裝的 PR2 剖面探頭的 6 個測量點深度，背景是不同的物質(zhì)剖面。

下面圖 3 中的 PR2 數(shù)據(jù)顯示了試驗田 1（10 年免耕）和試驗田 3（傳統(tǒng)耕作）在三個夏季月份期間，表層土壤（0-30 厘米）和下層土壤（40-100 厘米）的平均濕度測量值。

        馬特說：“從數(shù)據(jù)中可以看出，試驗田 3 的表層土壤比試驗田 1 更干燥，而且它變干的速度更快。PR2 剖面探頭幫助我證明了變化率是顯著的，并且在夏季期間，我們可以清楚地看到傳統(tǒng)耕作的試驗田和免耕試驗田之間的濕度剖面變化。

        這一結(jié)果與其他團隊之前對該主題的研究一致，這些研究表明，在夏季條件下，免耕農(nóng)田的表層土壤在保水方面明顯更有效。

        然而，這種變化也可能是因為傳統(tǒng)耕作的試驗田相比免耕試驗田具有更好的垂直連通性，從而改善了土壤的入滲情況。在我完成建模之前，我還無法充分證明這兩種理論中的任何一種。"

結(jié)論

        馬特的博士項目距離完成還有很長的路要走，但僅僅幾個月的時間，他就已經(jīng)積累了大量有價值的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將為他先進的模型提供支持。

        他總結(jié)道：“PR2 剖面探頭的表現(xiàn)非常出色，尤其是在提供土壤裂縫區(qū)域的濕度信息方面。它讓我能夠非常清楚地看到土壤上部的濕度剖面是如何變化的，這一點非常重要。

        就模擬土壤雙峰孔隙度的挑戰(zhàn)而言，PR2 的數(shù)據(jù)為我提供了一個很好的參考，讓我知道我的系統(tǒng)應(yīng)該是什么樣的，從而使我能夠在需要時成功校準(zhǔn)我不斷完善的模型。

        PR2 剖面探頭的一個真正優(yōu)勢在于，它可以便攜使用（搭配即時讀數(shù)儀），在多個接入管中進行測量。如果要在所有必要的位置都長期安裝帶數(shù)據(jù)記錄功能的 PR2 剖面探頭，這超出了我的研究預(yù)算。

        我考慮對設(shè)備設(shè)置做出的改變是，直接在表層土壤和下層土壤中埋設(shè)一個 ML3 ThetaProbe 土壤傳感器，這一舉措有可能進一步提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。"

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