土壤水力性質(zhì)轉(zhuǎn)換函數(shù)之研究課件

1、土壤水力性質(zhì)轉(zhuǎn)換函數(shù)之研究 國(guó)立中興大學(xué) 水土保持學(xué)系 專(zhuān)題討論 (四) 授課老師：陳文福 教授 指導(dǎo)老師：林俐玲 教授 報(bào)告學(xué)生：林明毅 學(xué)號(hào)：7098042009 報(bào)告日期：2011 / 05 / 27研究目的文獻(xiàn)回顧研究流程研究方法研究結(jié)果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(huì)呈現(xiàn)不同特性，一般利用實(shí)驗(yàn)方式求得水分特性曲線，但其過(guò)程繁瑣費(fèi)時(shí)。本研究利用近年提出之土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)(pedotransfer function)，運(yùn)用簡(jiǎn)單之土壤物理性質(zhì)推求水力函數(shù)，省去繁雜的實(shí)驗(yàn)步驟與時(shí)間的花費(fèi)。文獻(xiàn)回顧土壤水份特性關(guān)係van Genuchten ModelPTFs模式

2、之發(fā)展迴歸分析統(tǒng)整土壤水分特性關(guān)係Corey(1986)提出之毛細(xì)理論，在土壤排水過(guò)程中，壓力略低於大氣壓力時(shí)，仍不致水份流出，直至吸力超過(guò)某一界限值大孔隙才開(kāi)始排水，且土壤之間孔隙較大，毛細(xì)壓力較小。土壤水分特性關(guān)係基質(zhì)勢(shì)能與土壤濕度之關(guān)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(jì)算忽略遲滯現(xiàn)象，一般實(shí)驗(yàn)多採(cǎi)用排水過(guò)程取得之水份特性曲線。van Genuchten ModelSe：相對(duì)飽和度：土壤水分含量r：土壤殘餘體積含水比s：土壤飽和體積含水比h：基質(zhì)勢(shì)能頭n、 ：曲線代定函數(shù)m土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)由於土壤中張力與孔隙幾何效應(yīng)複雜，不易以簡(jiǎn)單之公式完全表示，已被提出的土壤水分特性曲線

3、模式多是半經(jīng)驗(yàn)半物理模式(physico-empirical model)，因此便有學(xué)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。土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)Bouma (1989)提出土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)(pedotransfer function,PTFs)，以擁有的資料轉(zhuǎn)換為計(jì)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(yù)測(cè)曲線之工具。Minasny (1999) 指出延伸非線性迴歸在參數(shù)估計(jì)與預(yù)測(cè)水分含量較類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)路優(yōu)良。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(lèi)神經(jīng)網(wǎng)路估計(jì)特定壓力頭之土壤水分含量。同樣使用複

4、線性迴歸或類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)路預(yù)測(cè)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(xué)及尺度相似性之使用。土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)近年P(guān)TFs的發(fā)展專(zhuān)注於不同地質(zhì)區(qū)域或不同土壤類(lèi)型之土壤水力性質(zhì)，使其有較好的推估效果。國(guó)內(nèi)也開(kāi)始拓展PTFs，洪靖惠(2008)預(yù)測(cè)相異質(zhì)地之水份特性曲線；林佳燕(2008)以Arya and Paris Model 為主體來(lái)推估土壤水分特性。迴歸分析統(tǒng)整觀察各文獻(xiàn)採(cǎi)用之基本物理參數(shù)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)研究均會(huì)選用總體密度、顆粒粒徑、有機(jī)質(zhì)等與土壤水力性質(zhì)相關(guān)且可經(jīng)由簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)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(cǎi)樣點(diǎn)高程、鋁

5、鐵離子含量等。迴歸分析統(tǒng)整選定所需之變數(shù)後，因無(wú)法使用原始數(shù)據(jù)直接推導(dǎo)出高準(zhǔn)確率之迴歸式，必須將變數(shù)作數(shù)值轉(zhuǎn)換，常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換為取自然對(duì)數(shù)、倒數(shù)、平方、相互相乘、相加等方法。各研究根據(jù)當(dāng)?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(dú)一無(wú)二的。迴歸分析統(tǒng)整作者名稱(chēng)年代應(yīng)變數(shù)因變數(shù)Teepe et al.2003s, ln , ln(n-1), PWPD, C, S, ln Sa, ln Sa2,S2,Sa/D,S/D,S0.5,Sa0.5,C0.5Kalman et al.2004s, ln , ln nD, OM, C, S, FC, lnC,lnS,Sa2,C2,D2,D*Sa,Sa/S,D

6、2*C2,D*S,D2*C,D2*S2Matula et al.2007s, ln , 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*SMajou et al.2007s, , 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*SSantra et al.2008ln Ks, ln , nD,OM,C,S,pH,elevation研究流程研究

7、方法室內(nèi)試驗(yàn)：基本物理性質(zhì)水分特性曲線實(shí)驗(yàn)van Genuchten模式計(jì)算參數(shù)、nPTFs參數(shù)彙整 選定參數(shù)迴歸分析 得形狀參數(shù)、n與土壤基本性質(zhì)迴歸式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(cè)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(Bulk Density, b)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。研究方法土壤顆粒密度(Particle Density, p)採(cǎi)用比重瓶量測(cè)。粒徑分布(Particle Size Distribution)採(cǎi)用比重計(jì)法，推求出砂粒、坋粒、粘粒之重量百分比組成。對(duì)

8、照質(zhì)地三角圖即可得知。有機(jī)質(zhì)含量(Organic Matter Content of Soils)運(yùn)用氧化還原滴定法測(cè)定。研究方法水份特性曲線描述土壤保水特性需要兩個(gè)基本參數(shù)：土壤保持水分含量與水分基質(zhì)勢(shì)能，水分基質(zhì)勢(shì)能通常以水力頭、張力或壓力表示。透過(guò)增加於壓力鍋的空氣壓力，測(cè)定不同勢(shì)能下不同質(zhì)地土壤所能保存的水分含量。研究方法各壓力下體積水份含量公式如下：i：壓力時(shí)之體積水分含量()Mi：壓力時(shí)土壤壓克力環(huán)重(cm3/hr)M：空壓克力環(huán)重(gm)mi：對(duì)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) w：水的密度(gm/cm3)w研究方法vG Model 水分

9、特性曲線擬合藉由vG Model，以最小平方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取得研究所需之水分特性參數(shù)與n。PTFs參數(shù)彙整由前人文獻(xiàn)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(jī)質(zhì)含量OM。研究方法迴歸分析迴歸分析為研究一個(gè)應(yīng)變數(shù)與一個(gè)或多個(gè)因變數(shù)之間是否存在某種關(guān)係的統(tǒng)計(jì)方法。上述vG Model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(gè)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(biāo)準(zhǔn)之因變數(shù)後，根據(jù)實(shí)用性及方便性，選取最佳迴歸式為代表。研究結(jié)果壓力鍋實(shí)驗(yàn)中，土樣平衡的時(shí)間依壓力高低而有所不同，提高bar數(shù)所需時(shí)間相對(duì)減少，甚至到達(dá)8

10、bar與12bar時(shí)，加壓時(shí)間縮短至一天即可。而後將測(cè)得之基質(zhì)勢(shì)能與土壤水分含量相對(duì)關(guān)係進(jìn)行vG Model擬合，求得水份特性曲線形狀參數(shù)、n。研究結(jié)果在土樣預(yù)濕過(guò)程中常達(dá)到過(guò)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(cǎi)用風(fēng)乾土水份體積含量求得。計(jì)算與擬合後土壤水分特性曲線參數(shù)，包含s、r、和n。張力水分含量336.6cmH2O1020cmH2O2040cmH2O4080cmH2O8160cmH2O12240cmH2O新竹峨眉A13.28611.1379.6348.5957.3786.519新竹峨眉C24.93721.90518.87317.06415.0

11、9613.128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(tái)南南化B34.37330.34626.31824.56922.66122.078臺(tái)南南化C38.00232.20527.18123.70321.93620.777臺(tái)東卑南A40.78732.81229.70726.97825.69324.783臺(tái)東卑南B49.

12、7844.05341.26936.50535.00732.812花蓮壽豐A42.98238.86035.64931.2629.76128.744花蓮壽豐C39.17934.39234.41129.50527.72526.648土樣名稱(chēng)srn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(tái)南南化B53.781.90.01731.1944臺(tái)南南化C52.975.50.01

13、691.1793臺(tái)東卑南A55.045.10.00421.1501臺(tái)東卑南B54.544.30.05641.1256花蓮壽豐A50.363.40.05721.1555花蓮壽豐C49.192.00.00191.2372利用求得之s、r、和n，代回van Genuchten公式得知推估水分含量與土壤水分張力關(guān)係。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(xiàn)，選定五個(gè)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vG Model之、n參數(shù)以函數(shù)式表示：=function(D,Sa,C,FC,OM)n=function(D,Sa,C,FC,OM)土樣名稱(chēng)總體密度D(g/cm3)有機(jī)質(zhì)OM(

14、%)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(tái)南南化B1.3712.44623.67656.162臺(tái)南南化C1.3952.444.4822.52656.383臺(tái)東卑南A1.3332.036.7628.65947.475臺(tái)東卑南B1.29

15、81.436.3526.70742.8花蓮壽豐A1.0591.048.3119.39960.113花蓮壽豐C0.1772.347.4222.52256.388研究結(jié)果為了表示土壤水力參數(shù)與基本土壤性質(zhì)間之基礎(chǔ)關(guān)連性，運(yùn)用SPSS相關(guān)性分析之功能來(lái)探討。結(jié)果顯示，、ln與D、FC有較大相關(guān)性，n、lnn則與FC關(guān)係性較大。另外，水力參數(shù)經(jīng)過(guò)自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換後，相關(guān)係數(shù)數(shù)值普遍提高。土壤性質(zhì)水力參數(shù)未轉(zhuǎn)換平方開(kāi)根號(hào)1/X1/(X2)ln X總體密度DPearson相關(guān)-0.941*-0.939*-0.941*0.942*0.942*-0.942*顯著性(雙尾)0.0050.0050.0050.0050

16、.0050.005lnPearson相關(guān)-0.891*-0.894*-0.889*0.884*0.881*-0.888*顯著性(雙尾)0.0170.0160.0180.0190.0210.018砂粒含量SaPearson相關(guān)0.6310.6340.629-0.622-0.6170.627顯著性(雙尾)0.1790.1760.1810.1870.1920.183lnPearson相關(guān)0.6980.6910.7-0.707-0.7110.703顯著性(雙尾)0.1230.1280.1210.1160.1140.119粘粒含量CPearson相關(guān)-0.391-0.46-0.30.025-0.164-

17、0.246顯著性(雙尾)0.4440.3590.5230.9620.7560.639lnPearson相關(guān)-0.444-0.517-0.3850.094-0.091-0.304顯著性(雙尾)0.3770.2940.4510.8590.8640.557田間容水量FCPearson相關(guān)-0.717-0.704-0.7220.7290.728-0.725顯著性(雙尾)0.1090.1190.1050.10.1010.103lnPearson相關(guān)-0.736-0.725-0.7390.740.732-0.741顯著性(雙尾)0.0950.1030.0930.0930.0980.092有機(jī)質(zhì)OMPear

18、son相關(guān)-0.426-0.424-0.4210.3780.329-0.411顯著性(雙尾)0.3990.4020.4050.460.5250.418lnPearson相關(guān)-0.249-0.264-0.2350.1680.109-0.217顯著性(雙尾)0.6350.6130.6540.750.8380.68土壤性質(zhì)水力參數(shù)未轉(zhuǎn)換平方開(kāi)根號(hào)1/X1/(X2)ln X總體密度DnPearson相關(guān)-0.373-0.364-0.3780.3930.403-0.383顯著性(雙尾)0.4660.4790.460.4410.4280.453lnnPearson相關(guān)-0.368-0.359-0.3730.3880.398-0.378顯著性(雙尾)0.4720.4850.4660.4470.4340.46砂粒含量SanPearson相關(guān)0.3690.3760.376-0.359-0.3550.364顯著性(雙尾)0.4710.4630.4750.4840.490.478lnnP