克蘭菲爾德大學(xué)使用 PR2 土壤剖面水分儀來探究各種耕作制度對(duì)水分在土壤中運(yùn)移的影響
克蘭菲爾德大學(xué)的馬特?皮特對(duì)水力數(shù)據(jù)建模有著濃厚的興趣，他正在進(jìn)行一個(gè)引人入勝的博士項(xiàng)目，目前該項(xiàng)目已開展到一定階段。該項(xiàng)目的核心是研究各種耕作制度對(duì)土壤長(zhǎng)期特性的影響方式。
馬特解釋道：“我的研究旨在評(píng)估非翻耕的耕作方式是否能在土壤處于飽和狀態(tài)時(shí)以及接近飽和狀態(tài)時(shí)改善土壤中的水分傳輸情況，在這種情況下，水分的滲透會(huì)補(bǔ)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(jìn)水分流動(dòng)，從而防止出現(xiàn)內(nèi)澇，增加對(duì)含水層的補(bǔ)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(jìn)行，在那里，氣候變化和人口增長(zhǎng)給環(huán)境和水行業(yè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。英國(guó) 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(hù)的一個(gè)重要因素。
馬特接著說：“英國(guó)政府近期推出的‘可持續(xù)農(nóng)業(yè)激勵(lì)計(jì)劃’積極鼓勵(lì)減少耕作的做法。我們能夠找到的任何有關(guān)這種做法長(zhǎng)期益處的實(shí)證依據(jù)，都可能有助于讓更多人采用這種做法?！?/span>
他的博士項(xiàng)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(jìn)一步完善他們自己先進(jìn)的水動(dòng)力 / 水資源可利用性模型。
項(xiàng)目假設(shè)
馬特設(shè)計(jì)了他的研究來檢驗(yàn)幾個(gè)假設(shè)：
非翻耕耕作能改善土壤結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)與下層土壤的水力連通性。 非翻耕耕作在促進(jìn)水分運(yùn)移方面的益處會(huì)隨著實(shí)施時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。 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(yùn)移情況。 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(yàn)田 1：按照農(nóng)村支付機(jī)構(gòu)的定義，已進(jìn)行了 10 年免耕。 試驗(yàn)田 2：按照農(nóng)村支付機(jī)構(gòu)的定義，已進(jìn)行了 14 年免耕。 試驗(yàn)田 3：采用傳統(tǒng)的鏵式犁耕作。
試驗(yàn)田的數(shù)據(jù)收集工作于 2024 年 5 月初開始。
在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，都劃定了一個(gè)四邊形的邊界區(qū)域，以便進(jìn)行項(xiàng)目的測(cè)量和建模工作。下面的圖 1 展示了試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)點(diǎn)都永久安裝了一根 PR2 剖面探頭（由 GP2 數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)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?jī)芍茉谥車慕尤牍苤羞M(jìn)行一次即時(shí)讀數(shù)測(cè)量，以便對(duì)核心濕度剖面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的驗(yàn)證。
馬特說：“這條樣帶（藍(lán)線）特意穿過了排水管道，因?yàn)槲谊P(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?！?/p>
每月都會(huì)將永久安裝的 PR2 剖面探頭從接入管中取出，并在克蘭菲爾德大學(xué)一個(gè)已知濕度的砂床中進(jìn)行測(cè)試，以確保其測(cè)量的準(zhǔn)確性。
馬特計(jì)劃在一年的時(shí)間里，持續(xù)記錄每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)中選擇一個(gè)，進(jìn)入項(xiàng)目的放大階段，將其納入一個(gè)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(shí)，需要對(duì)局部模型的物理過程進(jìn)行‘轉(zhuǎn)換’，以估計(jì)其對(duì)更大尺度的影響?！?/p>
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(diǎn)代表已安裝的 PR2 剖面探頭的 6 個(gè)測(cè)量點(diǎn)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(yàn)田 1（10 年免耕）和試驗(yàn)田 3（傳統(tǒng)耕作）在三個(gè)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(cè)量值。
馬特說：“從數(shù)據(jù)中可以看出，試驗(yàn)田 3 的表層土壤比試驗(yàn)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(yàn)田和免耕試驗(yàn)田之間的濕度剖面變化。
這一結(jié)果與其他團(tuán)隊(duì)之前對(duì)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?yàn)閭鹘y(tǒng)耕作的試驗(yàn)田相比免耕試驗(yàn)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?！?/p>
結(jié)論
馬特的博士項(xiàng)目距離完成還有很長(zhǎng)的路要走，但僅僅幾個(gè)月的時(shí)間，他就已經(jīng)積累了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將為他先進(jìn)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(diǎn)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(gè)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(shí)成功校準(zhǔn)我不斷完善的模型。
PR2 剖面探頭的一個(gè)真正優(yōu)勢(shì)在于，它可以便攜使用（搭配即時(shí)讀數(shù)儀），在多個(gè)接入管中進(jìn)行測(cè)量。如果要在所有必要的位置都永久安裝帶數(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(duì)設(shè)備設(shè)置做出的唯一改變是，直接在表層土壤和下層土壤中埋設(shè)一個(gè) ML3 ThetaProbe 土壤傳感器，這一舉措有可能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性?！?/p>
