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(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(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，從而防止出現(xiàn)內(nèi)澇,，增加對含水層的補(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(hù)的一個(gè)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(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,。"

        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)：

1. 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,。
2. 非翻耕耕作在促進(jìn)水分運(yùn)移方面的益處會隨著實(shí)施時(shí)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(yùn)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(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)都長期安裝了一根 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,，每兩周在周圍的接入管中進(jìn)行一次即時(shí)讀數(shù)測量,，以便對核心濕度剖面測量數(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。"

        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(gè)已知濕度的砂床中進(jìn)行測試,，以確保其測量的準(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),，需要對局部模型的物理過程進(jìn)行‘轉(zhuǎn)換’，以估計(jì)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(diǎn)代表已安裝的 PR2 剖面探頭的 6 個(gè)測量點(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,。"

結(jié)論

        馬特的博士項(xiàng)目距離完成還有很長的路要走,，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(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,。"

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