克兰菲尔德大学使用 PR2 土壤剖面水分仪来探究各种耕作制度对水分在土壤中运移的影响
克兰菲尔德大学的马特・皮特对水力数据建模有着浓厚的兴趣，他正在进行一个引人入胜的博士项目，目前该项目已开展到一定阶段。该项目的核心是研究各种耕作制度对土壤长期特性的影响方式。
马特解释道：“我的研究旨在评估非翻耕的耕作方式是否能在土壤处于饱和状态时以及接近饱和状态时改善土壤中的水分传输情况，在这种情况下，水分的渗透会补充地下水资源。如果能发现这样的改善效果，那可能有助于在雨季促进水分流动，从而防止出现内涝，增加对含水层的补给，并减少农田以外区域的水分流失。”
马特的研究在英格兰东南部进行，在那里，气候变化和人口增长给环境和水行业带来了严峻的挑战。英国 32% 的土地是可耕地，因此，优化农业土壤中的水分调节是保障未来水资源供应和环境保护的一个重要因素。
马特接着说：“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。我们能够找到的任何有关这种做法长期益处的实证依据，都可能有助于让更多人采用这种做法。”
他的博士项目部分由大型供水公司阿菲尼蒂水务公司资助，该公司有兴趣利用马特的研究成果，进一步完善他们自己先进的水动力 / 水资源可利用性模型。
项目假设
马特设计了他的研究来检验几个假设：
非翻耕耕作能改善土壤结构，并增强与下层土壤的水力连通性。 非翻耕耕作在促进水分运移方面的益处会随着实施时间的延长而增加。 专业软件可用于精确模拟受耕作方式影响的土壤中的水分运移情况。 在基于过程的分布式水文模型中，可以准确地将耕作方式的影响放大到流域尺度。
研究方法及 PR2 土壤剖面水分仪
试验田 1：按照农村支付机构的定义，已进行了 10 年免耕。 试验田 2：按照农村支付机构的定义，已进行了 14 年免耕。 试验田 3：采用传统的铧式犁耕作。
试验田的数据收集工作于 2024 年 5 月初开始。
在每个试验点，都划定了一个四边形的边界区域，以便进行项目的测量和建模工作。下面的图 1 展示了试验田 2 的俯视图。
红线表示边界，橙线表示地下排水管道，小 “X” 表示已埋设的 PR2 剖面探针接入管的位置。
每个试验点都永久安装了一根 PR2 剖面探头（由 GP2 数据记录仪进行数据记录）（绿色圆圈处）；此外，还使用了另一根可便携的 PR2 剖面探头，每两周在周围的接入管中进行一次即时读数测量，以便对核心湿度剖面测量数据进行额外的验证。
马特说：“这条样带（蓝线）特意穿过了排水管道，因为我关注的是垂直方向的连通性，而我主要的研究兴趣在于二维排水剖面。”
每月都会将永久安装的 PR2 剖面探头从接入管中取出，并在克兰菲尔德大学一个已知湿度的砂床中进行测试，以确保其测量的准确性。
马特计划在一年的时间里，持续记录每个试验点的各种数据（包括土壤质地、孔隙度、容重、体积含水量和重量含水量、土壤水分曲线以及降雨量）。
之后，将根据田间数据的准确性，从这些试验点中选择一个，进入项目的放大阶段，将其纳入一个更广泛的流域模型中。
马特说：“当局部过程的分辨率降低时，需要对局部模型的物理过程进行‘转换’，以估计其对更大尺度的影响。”
下面的图 2 展示了马特的土壤湿度剖面模型在 HYDRUS 2D/3D 软件中的显示情况（不包括排水信息）。
红色和黄色的点代表已安装的 PR2 剖面探头的 6 个测量点深度，背景是不同的物质剖面。
下面图 3 中的 PR2 数据显示了试验田 1（10 年免耕）和试验田 3（传统耕作）在三个夏季月份期间，表层土壤（0-30 厘米）和下层土壤（40-100 厘米）的平均湿度测量值。
马特说：“从数据中可以看出，试验田 3 的表层土壤比试验田 1 更干燥，而且它变干的速度更快。PR2 剖面探头帮助我证明了变化率是显著的，并且在夏季期间，我们可以清楚地看到传统耕作的试验田和免耕试验田之间的湿度剖面变化。
这一结果与其他团队之前对该主题的研究一致，这些研究表明，在夏季条件下，免耕农田的表层土壤在保水方面明显更有效。
然而，这种变化也可能是因为传统耕作的试验田相比免耕试验田具有更好的垂直连通性，从而改善了土壤的入渗情况。在我完成建模之前，我还无法充分证明这两种理论中的任何一种。”
结论
马特的博士项目距离完成还有很长的路要走，但仅仅几个月的时间，他就已经积累了大量有价值的数据，这些数据将为他先进的模型提供支持。
他总结道：“PR2 剖面探头的表现非常出色，尤其是在提供土壤裂缝区域的湿度信息方面。它让我能够非常清楚地看到土壤上部的湿度剖面是如何变化的，这一点非常重要。
就模拟土壤双峰孔隙度的挑战而言，PR2 的数据为我提供了一个很好的参考，让我知道我的系统应该是什么样的，从而使我能够在需要时成功校准我不断完善的模型。
PR2 剖面探头的一个真正优势在于，它可以便携使用（搭配即时读数仪），在多个接入管中进行测量。如果要在所有必要的位置都永久安装带数据记录功能的 PR2 剖面探头，这超出了我的研究预算。
我考虑对设备设置做出的唯一改变是，直接在表层土壤和下层土壤中埋设一个 ML3 ThetaProbe 土壤传感器，这一举措有可能进一步提高系统的准确性。”