LABROS應(yīng)用案例 |【EARTH SYST SCI DATA】572組高質(zhì)量土壤持水和導(dǎo)水率特征數(shù)據(jù)集可以免費獲取了

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

關(guān)鍵詞：土壤水分特征曲線 土壤飽和導(dǎo)水率 土壤非飽和導(dǎo)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，是使用水分流動和傳輸方程，模擬包氣帶水分動態(tài)、溶質(zhì)運移和能量傳輸?shù)暮诵摹?/span>

為使用更容易獲得的信息計算SHP，土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)（Pedotransfer Functions）建立了土壤質(zhì)地、土壤容重、土壤有機碳含量等基礎(chǔ)土壤屬性與SHP參數(shù)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(jì)80年代SHP模型在水文模擬中應(yīng)用以來，研究者們就對此類參數(shù)測量有了更高的需求。而由于測量方法上的限制，之前的數(shù)據(jù)非常有限。如早前使用的壓力盤法，只能獲取土壤水分特征曲線上的有限數(shù)據(jù)點。 

20世紀(jì)90年代末，人們已經(jīng)整理了一些SHP數(shù)據(jù)集，以及相關(guān)的基礎(chǔ)土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)，這些是建立各種土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)的基礎(chǔ)。美國農(nóng)業(yè)部建立了開源的土壤非飽和水力數(shù)據(jù)庫（UNSODA），包括來自擾動和未擾動土壤樣本的近800個SHP數(shù)據(jù)集。

ROSETTA是預(yù)測van Genuchten-Mualem SHP模型參數(shù)的最成熟的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)，而UNSODA是開發(fā)ROSETTA的基礎(chǔ)。

另一個重要的數(shù)據(jù)庫是歐洲土壤水力特征數(shù)據(jù)庫（HYPRES），它是在歐洲水文土壤數(shù)據(jù)清單（EU-HYDI）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其缺點是該數(shù)據(jù)庫并不開源。

還有一些其他的SHP數(shù)據(jù)庫，如巴西熱帶土壤的HYBRAS，以及Schindler和Müller（2017）收集的數(shù)據(jù)庫。最近，Gupta等人收集了2702個已發(fā)表文獻(xiàn)中的的土壤持水?dāng)?shù)據(jù)，方便用于地表建模和數(shù)據(jù)分享。 

毫無疑問，現(xiàn)有的這些數(shù)據(jù)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

從技術(shù)上講，可以僅使用土壤水分特征曲線和Ksat 數(shù)據(jù)創(chuàng)建土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)。然而，全量程精準(zhǔn)SHP模型的開發(fā)，一定需要土壤非飽和導(dǎo)水率數(shù)據(jù)。

Zhang等(2022)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用預(yù)設(shè)條件對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾后，可用于SHP建模的數(shù)據(jù)集很少。他們最初收集了19510組數(shù)據(jù)，剔除掉受到擾動的數(shù)據(jù)樣本后，樣本數(shù)量縮減到14997組。

當(dāng)需要數(shù)據(jù)中，既包括土壤水分特征曲線數(shù)據(jù)，也得包括土壤導(dǎo)水率信息時，樣本量只剩下1801。當(dāng)進(jìn)一步要求數(shù)據(jù)組中，至少要包括6個土壤持水和7個土壤導(dǎo)水率數(shù)據(jù)時，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(zhuǎn)換函數(shù)的建立需要大量的實驗數(shù)據(jù)。

Weihermüller等人（2021）研究發(fā)現(xiàn)，采用不同的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)，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、1306個Ksat值和235條土壤非飽和導(dǎo)水率曲線。很明顯，只有235個非飽和導(dǎo)水率數(shù)據(jù)集的模型，誤差會比較大。

為了增強模型的準(zhǔn)確性，需要數(shù)量更多、覆蓋面更廣、數(shù)據(jù)質(zhì)量更高的SHP數(shù)據(jù)集。

隨著測量技術(shù)的進(jìn)步，研究者們有能力在土壤物理學(xué)實驗室內(nèi)，獲取更多的高標(biāo)準(zhǔn)SHP實驗數(shù)據(jù)。

在本研究中，研究者們使用METER公司研發(fā)的Hyprop土壤水分特征曲線和土壤非飽和導(dǎo)水率曲線自動測量儀、Ksat土壤飽和導(dǎo)水率測量儀、WP4C露點水勢儀等，一共收集了全新的572組土壤特征數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)集包括（1）SHP和（2）土壤物理基礎(chǔ)參數(shù)——土壤質(zhì)地、土壤容重和土壤有機碳含量。所有數(shù)據(jù)集都經(jīng)過了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，涉及的土壤類型也更多。