國立中興大學水土保持學系專題討論四授課老師陳文

土壤水力性質(zhì)轉(zhuǎn)換函數(shù)之研究

國立中興大學水土保持學系專題討論(四)授課老師：陳文福教授指導老師：林俐玲教授報告學生：林明毅學號：7098042009報告日期：2011

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271研究目的文獻回顧研究流程研究方法研究結(jié)果2研究目的隨著各地氣候環(huán)境與不同性質(zhì)的土壤條件下，土壤水分特性曲線會呈現(xiàn)不同特性，一般利用實驗方式求得水分特性曲線，但其過程繁瑣費時。本研究利用近年提出之土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)(pedotransferfunction)，運用簡單之土壤物理性質(zhì)推求水力函數(shù)，省去繁雜的實驗步驟與時間的花費。3文獻回顧土壤水份特性關係vanGenuchtenModelPTFs模式之發(fā)展迴歸分析統(tǒng)整4土壤水分特性關係Corey(1986)提出之毛細理論，在土壤排水過程中，壓力略低於大氣壓力時，仍不致水份流出，直至吸力超過某一界限值大孔隙才開始排水，且土壤之間孔隙較大，毛細壓力較小。5土壤水分特性關係基質(zhì)勢能與土壤濕度之關係，依獲得之方法不同分成排水及吸水曲線兩種。為避免複雜計算忽略遲滯現(xiàn)象，一般實驗多採用排水過程取得之水份特性曲線。6vanGenuchtenModelSe：相對飽和度θ：土壤水分含量θr：土壤殘餘體積含水比θs：土壤飽和體積含水比h：基質(zhì)勢能頭n、α：曲線代定函數(shù)m7土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)由於土壤中張力與孔隙幾何效應複雜，不易以簡單之公式完全表示，已被提出的土壤水分特性曲線模式多是半經(jīng)驗半物理模式(physico-empiricalmodel)，因此便有學者嘗試從土壤性質(zhì)，使得土壤參數(shù)具有物理上的意義，更能正確且有效的推估土壤水分特性。8土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)Bouma(1989)提出土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)(pedotransferfunction,PTFs)，以擁有的資料轉(zhuǎn)換為計算所需的資料，使用可靠且具根據(jù)性的土壤性質(zhì)作為預測曲線之工具。Minasny(1999)指出延伸非線性迴歸在參數(shù)估計與預測水分含量較類神經(jīng)網(wǎng)路優(yōu)良。9土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)Cornelis等(2001)依需求的條件及方式不同分為以下三種：使用複線性迴歸分析或類神經(jīng)網(wǎng)路估計特定壓力頭之土壤水分含量。同樣使用複線性迴歸或類神經(jīng)網(wǎng)路預測方程式之參數(shù)。研究具有物理概念模式之水分保持現(xiàn)象或碎形數(shù)學及尺度相似性之使用。10土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)近年PTFs的發(fā)展專注於不同地質(zhì)區(qū)域或不同土壤類型之土壤水力性質(zhì)，使其有較好的推估效果。國內(nèi)也開始拓展PTFs，洪靖惠(2008)預測相異質(zhì)地之水份特性曲線；林佳燕(2008)以AryaandParisModel

為主體來推估土壤水分特性。11迴歸分析統(tǒng)整觀察各文獻採用之基本物理參數(shù)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)研究均會選用總體密度、顆粒粒徑、有機質(zhì)等與土壤水力性質(zhì)相關且可經(jīng)由簡單實驗即可取得之基本性質(zhì)。其餘尚有某些特殊性質(zhì)，如：topsoil、砂粒顆粒大小中間值(M50)、pH值與採樣點高程、鋁鐵離子含量等。12迴歸分析統(tǒng)整選定所需之變數(shù)後，因無法使用原始數(shù)據(jù)直接推導出高準確率之迴歸式，必須將變數(shù)作數(shù)值轉(zhuǎn)換，常見的轉(zhuǎn)換為取自然對數(shù)、倒數(shù)、平方、相互相乘、相加等方法。各研究根據(jù)當?shù)赝寥佬再|(zhì)與資料作為變數(shù)取捨，故推估之迴歸式均為獨一無二的。13迴歸分析統(tǒng)整作者名稱年代應變數(shù)因變數(shù)Teepeetal.2003θs,lnα,ln(n-1),PWPD,C,S,lnSa,lnSa2,S2,Sa/D,S/D,S0.5,Sa0.5,C0.5Kalmanetal.2004θs,lnα,lnnD,OM,C,S,FC,lnC,lnS,Sa2,C2,D2,D*Sa,Sa/S,D2*C2,D*S,D2*C,D2*S2Matulaetal.2007θs,lnα,ln(n-1)D,OM,C,S,lnD,lnOM,lnS,Sa2,S2,OM2,D2,C2,C-1,S-1,OM-1,D-1,OM*C,D*C,D*OM,topsoil,topsoil*C,topsoil*SMajouetal.2007θs,α,nD,OM,C,S,lnD,lnOM,lnS,Sa2,S2,OM2,D2,C2,C-1,S-1,OM-1,D-1,OM*C,D*C,D*OM,D*SSantraetal.2008lnKs,lnα,nD,OM,C,S,pH,elevation14研究流程15研究方法室內(nèi)試驗：基本物理性質(zhì)水分特性曲線實驗vanGenuchten模式計算參數(shù)α、nPTFs參數(shù)彙整選定參數(shù)迴歸分析得形狀參數(shù)α、n與土壤基本性質(zhì)迴歸式16研究方法基本物理性質(zhì)土壤水分係數(shù)(MF)因烘乾後土壤理化性質(zhì)將改變，故先將重量水分含量測出，作為往後數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之依據(jù)。MF=1+(AD+OD)/OD土壤總體密度(BulkDensity,ρb)使用金屬管法，由烘乾土重和金屬管體積及可求出乾總體密度。17研究方法土壤顆粒密度(ParticleDensity,ρp)採用比重瓶量測。粒徑分布(ParticleSizeDistribution)採用比重計法，推求出砂粒、坋粒、粘粒之重量百分比組成。對照質(zhì)地三角圖即可得知。有機質(zhì)含量(OrganicMatterContentofSoils)運用氧化還原滴定法測定。18研究方法水份特性曲線描述土壤保水特性需要兩個基本參數(shù)：土壤保持水分含量與水分基質(zhì)勢能，水分基質(zhì)勢能通常以水力頭、張力或壓力表示。透過增加於壓力鍋的空氣壓力，測定不同勢能下不同質(zhì)地土壤所能保存的水分含量。19研究方法各壓力下體積水份含量公式如下：θi：壓力時之體積水分含量(％)Mi：壓力時土壤壓克力環(huán)重(cm3/hr)M：空壓克力環(huán)重(gm)mi：對照組之不織布吸水重(gm)Ms：烘乾土重(gm)V：壓克力環(huán)體積(cm3)ρw：水的密度(gm/cm3)ρw20研究方法vGModel水分特性曲線擬合藉由vGModel，以最小平方法結(jié)合實驗結(jié)果，取得研究所需之水分特性參數(shù)α與n。PTFs參數(shù)彙整由前人文獻中選取重複性大的土壤參數(shù)，如：總體密度D、砂粒含量Sa、黏粒含量C、田間容水量FC及有機質(zhì)含量OM。21研究方法迴歸分析迴歸分析為研究一個應變數(shù)與一個或多個因變數(shù)之間是否存在某種關係的統(tǒng)計方法。上述vGModel擬合後可得輸出變數(shù)(土壤水力參數(shù))，接著將輸入變數(shù)(基本土壤性質(zhì))個別做數(shù)值轉(zhuǎn)換作為因變數(shù)。經(jīng)由SPSS程式選取符合標準之因變數(shù)後，根據(jù)實用性及方便性，選取最佳迴歸式為代表。22研究結(jié)果壓力鍋實驗中，土樣平衡的時間依壓力高低而有所不同，提高bar數(shù)所需時間相對減少，甚至到達8bar與12bar時，加壓時間縮短至一天即可。而後將測得之基質(zhì)勢能與土壤水分含量相對關係進行vGModel擬合，求得水份特性曲線形狀參數(shù)α、n。23研究結(jié)果在土樣預濕過程中常達到過飽和而使數(shù)據(jù)高估，故飽和水分含量利用理論由總體密度及顆粒密度推求；殘餘水分含量則採用風乾土水份體積含量求得。計算與擬合後土壤水分特性曲線參數(shù)，包含θs、θr、α和n。24張力水分含量336.6cmH2O1020cmH2O2040cmH2O4080cmH2O8160cmH2O12240cmH2O新竹峨眉A13.28611.1379.6348.5957.3786.519新竹峨眉C24.93721.90518.87317.06415.09613.128苗栗大湖A17.76914.77811.9029.6018.6247.991苗栗大湖B21.99619.70617.33616.38815.24313.979南投中寮B30.88227.33323.94622.33420.45218.731南投中寮C22.49520.27817.30314.97813.35611.625臺南南化B34.37330.34626.31824.56922.66122.078臺南南化C38.00232.20527.18123.70321.93620.777臺東卑南A40.78732.81229.70726.97825.69324.783臺東卑南B49.7844.05341.26936.50535.00732.812花蓮壽豐A42.98238.86035.64931.2629.76128.744花蓮壽豐C39.17934.39234.41129.50527.72526.64825土樣名稱θsθrαn新竹峨眉A50.861.90.11.275新竹峨眉C49.3420.11.195苗栗大湖A42.252.20.02071.2711苗栗大湖B43.0030.03451.1415南投中寮B40.041.70.01531.1515南投中寮C41.311.50.06631.1929臺南南化B53.781.90.01731.1944臺南南化C52.975.50.01691.1793臺東卑南A55.045.10.00421.1501臺東卑南B54.544.30.05641.1256花蓮壽豐A50.363.40.05721.1555花蓮壽豐C49.192.00.00191.237226利用求得之θs、θr、α和n，代回vanGenuchten公式得知推估水分含量與土壤水分張力關係。27研究結(jié)果根據(jù)影響土壤保水能力的可能性與參考前人文獻，選定五個土物性質(zhì)作為回歸分析中的因變數(shù)。選擇變數(shù)確定後，可將vGModel之α、n參數(shù)以函數(shù)式表示：α=function(D,Sa,C,FC,OM)n=function(D,Sa,C,FC,OM)28土樣名稱總體密度D(g/cm3)有機質(zhì)OM(%)田間容水量FC(%)砂粒含量Sa(%)粘粒含量C(%)新竹峨眉A1.2561.318.6674.5768.255新竹峨眉C1.3071.424.9466.659.607苗栗大湖A1.5212.224.9566.0134.447苗栗大湖B1.4623.030.8969.5387.509南投中寮B1.5781.230.8853.83235.497南投中寮C1.5361.822.4960.58232.235臺南南化B1.3712.44623.67656.162臺南南化C1.3952.444.4822.52656.383臺東卑南A1.3332.036.7628.65947.475臺東卑南B1.2981.436.3