英国克兰菲尔德大学研究人员采用 PR2土壤剖面水分传感器研究不同耕作制度对土壤水分运动的影响

英国克兰菲尔德大学的研究人员马特・皮特对水力数据建模兴趣浓厚，目前正开展一项关于不同耕作制度对土壤特性影响的研究。

“我的研究旨在评估非逆作耕作方法能否改善土壤在饱和及接近饱和状态下的水分输送 —— 即通过渗流增加地下水补给，” 马特解释道，“若该方法确实能改善水分输送，将有助于调控雨季水流，既能防止农田内涝、增加含水层补给，又能减少农田外部的水分流失。”

这项研究在英格兰东南部开展。该区域正面临气候变化与人口增长的双重挑战，对当地环境和水行业构成显著压力。由于英国 32% 的土地为可耕地，优化农业土壤的水分调节机制，对保障未来供水安全和生态环境保护至关重要。

马特补充说：“英国政府近期推出的‘可持续农业激励计划’积极鼓励减少耕作的做法。若能通过研究提供该方法长期效益的实证依据，将有助于提高农户对非逆作耕作的接受度。” 他的博士研究获得大型供水商 Affinity Water 的部分资助，该机构希望借助其研究成果优化自身复杂的水动力学与水资源可用性模型。

项目假设

马特的研究围绕以下假设展开：

• 非逆作耕作可改善土壤结构，并增强土壤与底层的水力连通性；

• 非逆作耕作对水分运动的改善效果会随实施时间的延长而提升；
• 专业软件可准确模拟耕作方式对土壤水分运动的影响；
• 耕作方法对流域尺度的影响可在基于过程的分布式水文模型中准确体现。

研究方法与 PR2 土壤剖面水分传感器

为对比不同耕作制度的效果，马特在 3 个独立的 Hanslope 粘土农场设置了测试点：

• 观测点 1：符合英国农村支付机构定义的免耕农田(实施10年)；

• 观测点 2：免耕农田(实施14年)；
• 观测点 3：传统刮土板犁耕作农田。

数据收集于 2024 年 5 月初启动。在每个观测点划定四边形边界，用于项目测量与建模（见图 1）。以观测点 2 为例，红线为边界，橙色线为地下排水管道，小 X 标记为埋地 PR2 土壤剖面水分传感器接入管的位置。

图2展示了马特利用 HYDRUS 2D/3D软件构建的土壤水分剖面模型（未包含排水信息），其中红点和黄点代表 PR2传感器在 6 个深度的测量点，背景为不同土壤材料的剖面分布。

PR2 剖面传感器现场数据示例

图3显示了站点1(10 年免耕)与站点3(传统耕作)在三个夏季月份的表层土（0-30厘米）和底层土（40-100厘米）平均湿度数据。“数据表明，站点 3 的表层土壤比站点1 更干燥，且水分流失更快。PR2传感器帮助我证实了这种湿度变化率的显著性 —— 整个夏季，传统耕作与免耕农田的土壤湿度剖面呈现明显差异。” 马特分析道。

这一结果与其他团队的前期研究一致：免耕农田的表层土壤在夏季保水能力更强。但这种差异也可能源于传统耕作农田的垂直连通性更好，因此渗透性优于免耕农田。“在完成建模前，我还无法完全验证这两种理论。” 马特补充说。

研究结论

尽管马特的博士项目尚未完成，但短短几个月内，他已积累了大量数据支撑其复杂模型。“PR2 探针性能好，尤其在提供土壤裂缝区水分分布信息方面优势显著，能清晰呈现土壤表层的水分变化，这对研究至关重要。” 他提到，“在模拟土壤双峰孔隙度的挑战中，PR2 数据为模型校准提供了关键依据，帮助我准确构建系统框架。”

此外，PR2 传感器的便携性（搭配即时读数仪可在多个接入管间移动使用）也契合了研究预算需求 —— 毕竟在所有点位安装数据记录型探针成本过高。未来，马特考虑在表层土和底层土中直接埋设 ML3 土壤传感器，进一步提升数据精度。