水土流失如何预测防治？

发生地下水污染如何快速采取措施？

干旱地区精准农业如何投入水力？

日前，天津大学表层地球系统科学研究院副教授张永根成功绘制出全球首张精确到“一公里”的具有物理背景的土壤水力参数“超级世界地图”。这张“超级地图”有望成为土壤水力参数研究的革命性工具，相关成果已在地学权威期刊《水资源研究》发表。

土壤圈是表层地球系统最活跃的圈层，是联接大气圈、水圈、生物圈与岩石圈的核心要素，在地球生态系统中起到关键的作用。土壤水力参数对农作物生长、农业生态系统、天气预报、空气质量、全球气候等领域具有重大意义。长久以来，科学家获取土壤水力参数主要靠“实测”和“预测”：“实测”需要在土壤深处采样并送交专业机构检测，成本高、周期长，极不方便；通过转换函数“预测”是一种高效获得土壤水力参数的方法。然而，目前的转换函数大多基于经验公式建立，准确性差。一张基于物理背景的土壤水分特征建立的、涵盖世界各地土壤水力不同特性状况的“地图”，成为了学界亟待填补的空白。

图:Kosugi水力参数在土壤质地三角形中的分布及不确定性（利用砂、粉砂、粘土的百分比含量及容重为1.3g/cm3作为模型的输入）。红色代表高值，蓝色代表低值。a,c,e,g,i为残余含水量、饱和含水量、压力水头中位值、压力水头的方差、饱和渗透系数；b,d,f,h,j;为相应参数的方差

张永根利用机器学习和随机抽样等方法建立了全新的土壤转换函数模型，并利用从世界各地采集点获得的5万个土壤样品，提取出近12万个数据对模型进行验证，基于Soilgrids，从而构建了全球第一张基于物理背景的土壤水力“超级世界地图”。使用这张“超级地图”，科学家可以“秀才不出门，便知天下事”，得到全球任意1km网格范围内表层土壤的残余含水量、饱和含水量、压力水头中位值、压力水头的方差、饱和渗透系数、田间持水量、植物凋萎系数、植物可利用水分等参数，极大降低了土壤水力研究及污染治理的成本。

图：全球表层土壤1km网格土壤水力参数(a)残余含水量，(b)饱和含水量，(c)压力水头中位值（取log10），(d)压力水头中位值（取log10）的方差，(e)压力水头的方差（取log10），(f)饱和渗透系数，(g)田间持水量，(h)植物可利用水分

“下一步，我们会继续提升‘超级地图’的精度，”张永根表示，“希望通过我们的研究，对我国地下水资源保护、土壤污染治理和发展精准农业等方面提供有力的支持和帮助。”

相关数据集（Geotiff格式，可被GIS软件及R、python、Matlab等程序读取）及代码下载　　c-8.1-11.2-51.5-66.4-62.6-85.6c-11.2-19.2-32.9-70.7-32.9-70.7s18-16.1,49.6-34.1c31.6-18,34.1-27.3,35.4-33.5　　c1.2-6.2,1.9-13.6-11.8-7.4c-13.7,6.2-44.7,5.6-47.2,5.6c-2.5,0-8.1-1.3-13.6,3.1c-5.6,4.3-13.7,1.9-13.7,1.9s-4.3-2.5-4.3-8.7　　c0-6.2-11.8-18-11.8-18c13,5,46.5-16.1,58.3-27.9c11.8-11.8,36-32.9,44.7-42.8c8.7-9.9,18.6-5.6,26.7-24.8　　c5.2-12.3,2.3-2.7,6.5-15.9c4.2-13.1,0-14.3-7.2-17.3c-7.2-3-18.5,1.8-29.9,3.6c-11.4,1.8-25.7,4.8-32.3,6c-6.6,1.2-3,1.2-17.9,10.1　　c-14.9,9-37,15.5-57.4,24.5c-20.3,9-30.5,10.8-36.4,10.8s-10.8-1.8-17.3,9c-4.3,7,1.1,13.2,6.2,17.9c6.2,5.7,8.9,10.2,13.7,16.9　　c4,5.6,11.3,6.7,14.8,13c0,0-6-0.6-14.9,0c-9,0.6-6.6,13.1-6.6,20.3c0,7.2,0.6,29.3-1.2,36.4c-1.8,7.2-1.2,17.3-1.2,26.9　　c0,9.6-5,35.7-5,35.7c-8.7,9.3-87.5,57-.1,65.1c-13.7,8.1-41.6-7.4-41.6-7.4c-9.7,16.7,5.6,48.9,17.2,61.5　　c6.9,7.6,16.8,14.9,26.2,19.1c15.5,6.8,40.9-2.4,58.3-22.3c17.4-19.9,39.1-55.8,39.1-55.8c2.5,29.1,0,48.4-25.4,　　c-25.4,62.6-58.9,62.6-77.5,67.6c-18.6,5-48.4,2.5-50.9,11.8c-4.1,15.2,45.9,29.1,77.5,22.9c20.5-4,38.3-23.9,51.8-38.5　　c18.6-20.2,37.9-41.4,46.3-68.2c6.9-22.2,11.4-45.4,15.8-68.2c2.1-10.9,4.1-21.9,5.9-32.9c4.3-26.7,11.8-60.8,11.8-60.8　　s20.5,91.8,33.5,.3c13,41.5,46.5,91.2,67.6,96.7c21.1,5.6,49-18.6,55.8-21.1c6.8-2.5,42.2-16.1,60.8-22.9　　C.6,.3,.7,,.7,.7M.2,.6c0,0,1.1-3.1,1.9-3.7c10.2-4.8,17.9,7.1,14.9,8c-2.3,0.7-20.9,14.9-20.9,14.9　　C.3,.9,.2,.6,.2,.6">

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文字来源/焦德芳

图片提供/张永根

编辑/刘洋

「天津大学新媒体中心」

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