干旱區(qū)棉田土壤含水率時(shí)空變異研究

廉 娟

(新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000)

干旱區(qū)棉田土壤含水率時(shí)空變異研究

廉 娟

(新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000)

土壤含水率是陸地表層系統(tǒng)的重要變量,廣泛影響各種水文循環(huán)過程。研究土壤含水率的空間變異特性有助于了解上述循環(huán)過程,為制定精準(zhǔn)灌溉制度提供依據(jù)。本文結(jié)合傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,分析了土壤含水率空間變異特性的時(shí)間變化規(guī)律及其與土壤平均含水量之間的關(guān)系。結(jié)果表明:棉田土壤含水率變程較大,且表層土壤含水率的變程大于深層土壤;干旱年份的表層土壤和較濕潤年份的表層以下土壤含水率與其他情況下土壤含水率相比,空間結(jié)構(gòu)性變異相對隨機(jī)性變異的比例高,且隨機(jī)性相對結(jié)構(gòu)性變異的比例隨平均含水率的增加而增加。研究結(jié)果為制定合理、精確的農(nóng)業(yè)灌溉管理措施提供了參考。

土壤含水率;棉田;空間變異;地統(tǒng)計(jì)學(xué);干旱區(qū)

土壤含水率作為陸地表層系統(tǒng)的重要狀態(tài)變量，在很大程度上影響著田間水分小循環(huán)(如土壤侵蝕、溶質(zhì)運(yùn)移、植物生長等)及區(qū)域水文大循環(huán)(如徑流、氣候變化等)過程［1］，也是水文模型中重要的參數(shù)之一。然而，由于自然條件下，土壤性質(zhì)普遍具有空間變異性，不可避免地土壤含水率在空間上也具有高度的變異特性［2］，研究該特性對分析并準(zhǔn)確模擬上述水分循環(huán)過程以及優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等具有重要意義［3］。

許多研究者對不同尺度下土壤含水率的空間變異特征及其影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明地形、土壤質(zhì)地、植被等對土壤含水率的空間分布都具有一定的影響［4，5］，而土壤含水率的空間分布常具有一定的時(shí)間穩(wěn)定性。已有的研究多是基于年內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的，少有涉及到土壤含水率空間變異特性的年際變化，同時(shí)多數(shù)是針對表層土壤進(jìn)行的研究，著重說明土壤水分水平向的分布特征。另外現(xiàn)有的研究對象多為裸土或草地，植被的影響程度相對農(nóng)田來說較小。而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物的根系及灌溉、耕作等農(nóng)業(yè)管理措施會更大程度地影響相對深層土壤的含水率分布變化情況。因此，在農(nóng)田條件下，綜合考慮表層和較深層土壤的含水率空間分布情況及這種分布在年際間的變化規(guī)律，對于評價(jià)現(xiàn)有管理措施的效果及改進(jìn)現(xiàn)有措施十分必要。同時(shí)在西北半干旱地區(qū)，灌溉在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中占據(jù)重要位置。它在很大程度上影響著蒸發(fā)蒸騰、根系吸水以及水分橫向流動(dòng)等土壤水分運(yùn)動(dòng)過程，從而影響土壤含水率的時(shí)空變異。了解灌溉條件下土壤含水率空間結(jié)構(gòu)及其與土壤質(zhì)地、地形之間的關(guān)系可以為制定合理的灌溉措施提供有利信息。鑒于此，本文通過分析干旱區(qū)棉田不同深度土壤含水率的3年全生育期監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得田間尺度上土壤含水率在生育期內(nèi)的時(shí)空變異特征及其在不同年份之間的變化規(guī)律，從而為更準(zhǔn)確地評估土壤含水率的分布規(guī)律以及制定更合理、精確的灌溉管理措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆尉犁縣，該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，具有冬冷夏熱、干燥、多風(fēng)的特點(diǎn)。日照充足，光熱資源豐富，全年日照時(shí)數(shù)達(dá)3000h以上，平均氣溫 11.5℃，年積溫(＞0℃) 5000℃以上，無霜期約180d。水資源短缺，多年平均降水量 50m m，多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量約2200m m，地下水位在30m以下。

1.2 數(shù)據(jù)采集

采樣點(diǎn)采取均勻網(wǎng)格布置，間距為25m×25m，共12行、12列，共144個(gè)采樣點(diǎn)。其中，2012年的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于均勻分布的135個(gè)采樣點(diǎn)，2013和2014年的監(jiān)測數(shù)據(jù)則包含了所有144個(gè)采樣點(diǎn)。各采樣點(diǎn)測定的體積含水率均通過烘干法測定的質(zhì)量含水率進(jìn)行校正。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文利用變異函數(shù)描述土壤含水率的空間分布。變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)，用來表征隨機(jī)變量的空間變異結(jié)構(gòu)或空間連續(xù)性。樣本變異函數(shù)可通過式(1)計(jì)算［6，7］:

式中:h—分離距離，m;γ(h)—分離距離為h的樣本變異函數(shù)值;Nh—在(xi+h，xi)之間用來計(jì)算距離為h時(shí)的樣本變異函數(shù)值的樣本對數(shù);Z(xi+h)，Z(xi)—在位置xi+h與xi處測量的變量值(在本研究中即土壤含水率)。

為了便于分析，一般需要將沒有確定函數(shù)形式的理論變異函數(shù)與經(jīng)驗(yàn)的變異函數(shù)模型進(jìn)行擬合，并選取擬合效果最好的模型模擬函數(shù)特征值進(jìn)行研究。常用的變異函數(shù)模型有球形模型、指數(shù)模型、高斯模型3種，其中指數(shù)模型的表達(dá)式如下［8，9］:

式中:C0—塊金值，即在極短樣本距離之間變異函數(shù)從原點(diǎn)的跳升值，表示取樣誤差或小于取樣距離情況下的空間變異;C1—局部頂值，表示基臺值減去C0的值;α—變程，半方差隨著樣本點(diǎn)間距的增加而增大，并在變程處達(dá)到一個(gè)基本穩(wěn)定的常數(shù)(基臺值);其他變量含義同前。

土壤含水率樣本的空間相關(guān)程度采用塊金效應(yīng)來評價(jià):

式中:(C0+C1)—基臺值，即變異函數(shù)所能達(dá)到的最大值，表示現(xiàn)有尺度下變量的總體空間差異程度;C0/(C0+C1)—塊金效應(yīng)，Ca m ba r de l l a等將其定義為空間相關(guān)度，用來表示樣本變量的空間相相關(guān)度，且分別以空間相關(guān)度≤25%、25%＜空間相關(guān)度≤75%、空間相關(guān)度＞75%表示強(qiáng)、中等、弱空間相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 剖面土壤含水率空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化特征

利用式(1)計(jì)算各次采樣所得土壤含水率的樣本變異函數(shù)，并采用上述3種模型進(jìn)行擬合，選取擬合效果最好的球形模型分析土壤含水率的空間變異特征與規(guī)律。圖1為2012年5月0～20c m土層、2013年 7月 20～40c m土層、2014年9月 40～60c m土層含水率的樣本變異函數(shù)及球形模型擬合曲線，代表土壤深度由淺變深時(shí)的一般變化情況。不同時(shí)間所測土壤含水率的樣本變異函數(shù)與圖1類似。

圖1 土壤含水率半方差

可以看出，變異函數(shù)模型的變程在表層(0～20c m)土壤會比較大。需要指出的是由于2012年的數(shù)據(jù)缺乏較近距離的采樣，變異函數(shù)模型中的空間相關(guān)度估計(jì)值可能存在較大誤差，因此本文中針對空間相關(guān)度著重比較2013和2014年。

對比同年不同深度土壤含水率變異模型的擬合參數(shù)(見表1)，可以看出變程和空間相關(guān)度隨深度的變化規(guī)律在不同年份也不盡相同。2012和2014年，0～20c m土層含水率的變程大小及其變化幅度都明顯大于40～60c m土層。2012年0～20c m土層含水率的平均變程約為150m，變化范圍為77.71～224.81m，同年40～60c m土層含水率的平均變程則相對較小，僅約為 64m，變化范圍為37.18～82.85m;2014年，0～20和40～60c m土層的平均變程與2012年類似，分別約為160和60m。2013年，0～20和 20～40c m的變程相近(約 55m)，40～60c m土層的變程最大，約為 80m。同時(shí)，2012和2014年的最大變程分別在20～40和0～20c m土層。上述結(jié)果表明，變程隨土壤深度(0～60c m)的變化規(guī)律與生育期的累積降雨量密切相關(guān):降雨量較大的年份(2012和2014年)，變程在0～40c m隨土壤深度增加而減少;降雨量較少的年份(2013年)，土壤含水率變程在表層0～20和20～40c m處類似，且相對40～60c m較小;另外20～60c m土層中變程在2012和2014年呈現(xiàn)不同的趨勢，年降雨量接近平均降雨量時(shí)(2012年)，土壤含水率的變程隨土壤深度增加呈不斷減小的趨勢，而在降雨量較大的2014年，20～40和40～60c m的變程比較接近，沒有明顯的增大或減小的趨勢。各年份含水率變程隨土壤深度呈不同變化規(guī)律，很大程度上是影響土壤含水率分布的各種水文過程相互作用的結(jié)果。在降雨最多的2014年，20～40和40～60c m土層中因土壤平均含水率較高，作物根系吸水影響范圍較小，土壤水分以垂向運(yùn)動(dòng)為主，故變程較小。而在相對干旱的2013年，作物根系吸水的影響范圍較大，在作物根系分布密集的土壤剖面，存在較多的水分橫向移動(dòng)，故40～60c m土層含水率的變程較大。

表1 土層含水率變程及空間相關(guān)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2 剖面土壤含水率空間結(jié)構(gòu)與其均值之間的關(guān)系

表2列出了對每年各土層變程、空間相關(guān)度分別與土壤平均含水率之間的回歸方程。

表2 各土層變程(a)及空間相關(guān)度(d)與土壤含水率(w)的回歸分析

由表2可知，土壤含水率的變程、空間相關(guān)度與平均含水率的關(guān)系的線性擬合模型在大多數(shù)情況下都是顯著的，且斜率多為正值，即變程、空間相關(guān)度會隨平均含水率的增加而增大，這與前述濕潤土壤含水率變程大于干燥土壤含水率變程的結(jié)論一致。整體來看，2014年變程隨含水率增加呈增大趨勢，且增速較2012年大。與多數(shù)情況下的擬合結(jié)果不同的是，在相對濕潤的2014年，0～20c m土層的含水率變程隨土壤含水率的增加呈增大的趨勢，在相對干旱的2013年，0～20c m土層的含水率變程則隨含水率的增加而減小。針對2012年0～ 20c m土層含水率變程與平均含水率之間的關(guān)系，采用分段線性回歸的R2大于簡單線性回歸的結(jié)果證實(shí)了這一趨勢。另一方面，2013年0～20c m土層含水率的空間相關(guān)度隨平均含水率的增加而減小的趨勢也與其它土層的結(jié)果不同。2013年0～20c m土層的含水率變程、空間相關(guān)度的不同變化趨勢從另一角度說明土壤含水率的時(shí)空分布規(guī)律很大程度上是由占主導(dǎo)地位的水文過程來決定的。因此，在田間尺度上，土壤含水率空間變異性與其均值的關(guān)系會因降雨、灌溉發(fā)生時(shí)土壤濕潤狀況及根系吸收等水分運(yùn)動(dòng)過程的不同而存在差異，且在表層土壤因影響過程復(fù)雜而尤其顯著。之前的研究結(jié)果也表明不同的降雨、灌溉等因素會通過影響土壤水分運(yùn)動(dòng)過程，從而影響土壤含水率空間變異性。

3 結(jié)論

本文以棉田實(shí)測土壤含水率為基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，分析了土壤含水率的空間變異特征在土壤不同深度、不同年份的變化規(guī)律及其與土壤平均含水率之間的關(guān)系。結(jié)果表明土壤含水率的空間分布特征在土壤不同深度、生育期內(nèi)不同時(shí)間以及不同年份之間存在差異，而其與土壤平均含水率的關(guān)系也隨土壤深度、時(shí)間的不同而不同。一般來說，降雨較少的年份，較深層土壤含水率的變程大于表層土壤;降雨較多的年份，表層土壤含水率的變程大于深層土壤。與之前的研究結(jié)果不同的是，較濕潤的年份土壤含水率變程較大，較干旱的年份土壤含水率變程較小。多數(shù)情況下，土壤含水率變異函數(shù)模型擬合參數(shù)隨土壤平均含水率的變化可以用線性關(guān)系來描述，但斜率在不同深度及不同時(shí)間都會有所不同。土壤含水率空間分布特征及其與土壤平均含水率的關(guān)系在不同時(shí)間存在差異，這很可能是因作物生長差異而導(dǎo)致的根系吸水及土壤水分在水平、垂直方向上運(yùn)動(dòng)的空間變異造成的。但在田間試驗(yàn)中，對根系吸水及水分不同方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測具有一定的困難，因此根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)很難定量確定不同因素對土壤含水率空間分布的影響。而采用模型模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，能夠較好地控制影響因素，有利于量化不同因素的貢獻(xiàn)，應(yīng)該成為下一步的研究內(nèi)容。

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S152.7+3

A

1008-1305(2016)05-0052-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.020

2016-03-26

廉 娟(1982年—)，女，工程師。