土壤数据库在内陆河流域干旱演化模拟评估中的作用

土壤数据利用从中科院寒区旱区环境与工程研究所的西部数据网站下载的1∶100万土壤数据中截取得到。根据全国土壤普查办公室1995年编制并出版的《1∶100万中华人民共和国土壤图》，数据库采用了传统的“土壤发生分类”系统，基本制图单元为亚类。本流域土壤主要有灰漠土、潮土、草甸土、林灌草甸土、沼泽土、盐土、风沙土、新积土等8个平原土壤类型和棕钙土、栗钙土、灰褐土、亚高山草甸土、高山草甸土等6个山地土壤类型，共分为32个亚类，见表5.6。

表5.6　土壤分类名称及代码

图5.2　流域DEM图

各亚类土壤在玛河流域的分布见图5.3。土壤数据库和矢量图之间由土壤数据查询solic.txt文件连接，土壤数据库需要输入各类土壤的物理化学参数，主要包括土壤名称、土壤分层数、土壤水文分组、土壤总厚度、孔隙率及各层土壤的物化参数，这些参数主要靠查阅1956—1960年中国科学院新疆综合考察队由考察成果编制的丛书《新疆土壤地理》进行分析和计算得到，同时玛纳斯河流域土壤未调查的剖面通过参考《玛纳斯县土壤志》和由新疆维吾尔自治区流域规划办公室委托新疆生产建设兵团勘测设计院二分院1990年完成的流域土壤调查成果《伊犁河流域土壤》中相同土壤类型的剖面进行适当修改后代替。土壤数据库中需要说明的几项参数说明如下。

图5.3　流域土壤

5.2.2.1　土壤粒径含量百分比

由于SWAT模型土壤数据库土壤粒径分类标准为美国制标准，而《新疆土壤地理》中土壤粒径分类方式采用了国际制标准，数据库中所需土壤粒径含量百分数和调查的数据分类方式不一致（见表5.7），故需要进行不同分类标准下土壤粒径百分含量的转换，其中黏土含量、粉砂含量和砂土含量总和应为100%。

表5.7　土壤分类标准　单位：mm

土壤粒径转换通常采用在半对数纸上绘制出的土壤颗粒级配曲线，查图读出某一土壤粒径对应的百分含量，但级配曲线的绘制有一定的随意性，且读数也有较大的主观性，因此有不少学者提出使用数学模型进行土壤粒径分类标准的转换。比较样条函数与手绘粒径级配曲线，认为由样条函数插值得到粒径百分比含量比较合理，通过比较三次样条插值函数cubic函数、spline函数和pchip函数画出的级配曲线，最终选择pchip函数作为插值函数，利用MATLAB程序进行粒径级配的转换，程序如下：

选择一种土壤（棕钙土剖面M-1）的0～5cm颗粒组成作图，比较画出来的三种插值函数的图形（见图5.4），可以看出，spline插值函数不符合土壤级配曲线，cubic和pchip插值函数较合适；用土壤后几层颗粒组成作图，比较cubic和pchip插值函数形状，最终选择pchip插值函数作为国际制土壤分级标准转换为美国制的粒径转换插值函数。由于土壤类型较多，在优化程序的同时又编写了批量转换程序，利用该程序可以得到土壤类型各剖面的土壤颗粒组成，从而得到土壤数据库的基础数据。

5.2.2.2　饱和水力传导度(www.xing528.com)

调查数据《新疆土壤地理》《玛纳斯县土壤志》中没有饱和水力传导度参数，本次研究根据已有研究成果进行计算，所用经验公式如下：

图5.4　三种三次样条插值函数比较

式中：K为饱和水力传导度，mm/h；Y为土壤平均颗粒直径（0.002＜Y＜0.3mm）；fsand为美国制土壤砂粒含量百分数，%。

采用此公式的计算值与美国华盛顿州立大学开发的土壤水特性软件SPAW（Soil-Plant-Air-Water）中饱和水力传导度计算值的比较表明，公式（5.1）计算精度较高。

5.2.2.3　有机碳含量计算

土壤调查材料中仅记录了各亚类土壤的各层有机质含量，根据有机质和有机碳含量的经验比例关系，各层有机碳含量SOL_CBN=有机质含量/1.72，计算得到土壤各层有机质含量。

5.2.2.4　有效土壤含水量

模型中定义的有效土壤含水量SOL_AWC由土壤田间饱和含水量减去凋萎系数得到，调查数据有效含水量数据缺失较多，而各层土壤颗粒组成数据较全，因此选择SPAW软件，根据粒径含量和有机质含量计算此值，然后输入土壤数据库中。

SPAW软件中的Soil-Water-Charateristics（SWCT）模块可以根据黏土（Clay）、砂（Sand）、有机物（Organic Matter）、盐度（Salinity）、砂砾含量（Gravel）等参数计算出一系列土壤物理特性参数，如凋萎系数（Wilting Point）、田间持水量（Field Capacity）、有效含水量（Available Water）、饱和度（Saturation）、土壤容重（Bulk Density）和饱和水力传导度（Saturated Hydraulic Conductivity）等。

5.2.2.5　土壤反照率

土壤反照率与含水量、有机质含量、土壤颜色等因素有关，该参数无实测数据，本书采用线性插值方法确定，即根据专家打分确定土壤含水量（0～50%）、土壤有机质（0～23%）和土壤颜色的权重，分别为0.5、0.3和0.2，得到计算公式为：

式中：X、Y、Z分别为土壤含水量、土壤有机质含量和土壤颜色标准化后的值。