LABROS應用案例 |【EARTH SYST SCI DATA】572組高質(zhì)量土壤持水和導水率特征數據集可以免費獲取了

saturation range為標題發(fā)表在Earth System Science Data期刊上

關(guān)鍵詞：土壤水分特征曲線(xiàn) 土壤飽和導水率 土壤非飽和導水率 土壤質(zhì)地 

翻譯：子毅

審校：祝介東，高紅艷

土壤水力學(xué)性質(zhì)（Soil Hydraulic Properties，SHP）模型，是使用水分流動(dòng)和傳輸方程，模擬包氣帶水分動(dòng)態(tài)、溶質(zhì)運移和能量傳輸的核心。

為使用更容易獲得的信息計算SHP，土壤轉換函數（Pedotransfer Functions）建立了土壤質(zhì)地、土壤容重、土壤有機碳含量等基礎土壤屬性與SHP參數的關(guān)系。

Proposed methodology for the development of structure-corrected soil hydraulic properties to be used in Land Surface Models 圖源/Bonetti S等，2021

自20世紀80年代SHP模型在水文模擬中應用以來(lái)，研究者們就對此類(lèi)參數測量有了更高的需求。而由于測量方法上的限制，之前的數據非常有限。如早前使用的壓力盤(pán)法，只能獲取土壤水分特征曲線(xiàn)上的有限數據點(diǎn)。 

20世紀90年代末，人們已經(jīng)整理了一些SHP數據集，以及相關(guān)的基礎土壤性質(zhì)數據，這些是建立各種土壤轉換函數的基礎。美國農業(yè)部建立了開(kāi)源的土壤非飽和水力數據庫（UNSODA），包括來(lái)自擾動(dòng)和未擾動(dòng)土壤樣本的近800個(gè)SHP數據集。

ROSETTA是預測van Genuchten-Mualem SHP模型參數的最成熟的土壤轉換函數，而UNSODA是開(kāi)發(fā)ROSETTA的基礎。

另一個(gè)重要的數據庫是歐洲土壤水力特征數據庫（HYPRES），它是在歐洲水文土壤數據清單（EU-HYDI）基礎上發(fā)展起來(lái)的，其缺點(diǎn)是該數據庫并不開(kāi)源。

還有一些其他的SHP數據庫，如巴西熱帶土壤的HYBRAS，以及Schindler和Müller（2017）收集的數據庫。最近，Gupta等人收集了2702個(gè)已發(fā)表文獻中的的土壤持水數據，方便用于地表建模和數據分享。 

毫無(wú)疑問(wèn)，現有的這些數據庫支持了大量的土壤水文學(xué)研究，但仍存在局限性。

WP4C露點(diǎn)水勢儀擴展了HYPROP2的量程

從而能夠獲得完整土壤水分特征曲線(xiàn)

從技術(shù)上講，可以?xún)H使用土壤水分特征曲線(xiàn)和Ksat 數據創(chuàng )建土壤轉換函數。然而，全量程精準SHP模型的開(kāi)發(fā)，一定需要土壤非飽和導水率數據。

Zhang等(2022)發(fā)現，當采用預設條件對數據進(jìn)行過(guò)濾后，可用于SHP建模的數據集很少。他們最初收集了19510組數據，剔除掉受到擾動(dòng)的數據樣本后，樣本數量縮減到14997組。

當需要數據中，既包括土壤水分特征曲線(xiàn)數據，也得包括土壤導水率信息時(shí)，樣本量只剩下1801。當進(jìn)一步要求數據組中，至少要包括6個(gè)土壤持水和7個(gè)土壤導水率數據時(shí)，樣本量就只剩下194組了，這大約是最初樣本量的1%。

由于土壤的自然變異很大，土壤轉換函數的建立需要大量的實(shí)驗數據。

Weihermüller等人（2021）研究發(fā)現，采用不同的土壤轉換函數，模擬得到的水通量差異明顯。

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建立的ROSETTA，使用了2134條土壤水分特征曲線(xiàn)、1306個(gè)Ksat值和235條土壤非飽和導水率曲線(xiàn)。很明顯，只有235個(gè)非飽和導水率數據集的模型，誤差會(huì )比較大。

為了增強模型的準確性，需要數量更多、覆蓋面更廣、數據質(zhì)量更高的SHP數據集。

隨著(zhù)測量技術(shù)的進(jìn)步，研究者們有能力在土壤物理學(xué)實(shí)驗室內，獲取更多的高標準SHP實(shí)驗數據。

在本研究中，研究者們使用METER公司研發(fā)的Hyprop土壤水分特征曲線(xiàn)和土壤非飽和導水率曲線(xiàn)自動(dòng)測量?jì)x、Ksat土壤飽和導水率測量?jì)x、WP4C露點(diǎn)水勢儀等，一共收集了全新的572組土壤特征數據。每個(gè)數據集包括（1）SHP和（2）土壤物理基礎參數——土壤質(zhì)地、土壤容重和土壤有機碳含量。所有數據集都經(jīng)過(guò)了嚴格的數據質(zhì)量控制，涉及的土壤類(lèi)型也更多。