統(tǒng)計(jì)土壤墑情監(jiān)測采樣優(yōu)化布局研究

摘要：為給類似區(qū)域墑情監(jiān)測的合理取樣數(shù)目和取樣位置提供參考價(jià)值，通過合理的取樣數(shù)目和挑選有代表性的取樣方法，獲得最佳的墑情監(jiān)測結(jié)果，以此了解整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的墑情狀況，為區(qū)域內(nèi)墑情（旱情）監(jiān)測站點(diǎn)的建設(shè)和旱情的預(yù)測提供基礎(chǔ)依據(jù)，并根據(jù)旱情程度來指導(dǎo)節(jié)水灌溉。對曲靖珠江流域地區(qū)30hm2煙田范圍內(nèi)選擇的有代表性的15個(gè)土壤水分監(jiān)測實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行了地理統(tǒng)計(jì)分析，分別采用聚類分析法和協(xié)方差相關(guān)系數(shù)法來研究實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)干旱采樣在空間（平面和垂向）的優(yōu)化布局。結(jié)果表明：地面上最終選定9個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，垂向上取地面以下10cm、30cm、60cm這三個(gè)深度的墑情監(jiān)測，即可滿足研究區(qū)內(nèi)旱情監(jiān)測、指導(dǎo)灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：墑情監(jiān)測;干旱;地統(tǒng)計(jì)分析;采樣布局

中圖分類號： S512.11 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2019.06.022

我國是一個(gè)干旱災(zāi)害頻發(fā)的國家，近年來，干旱缺水已成為制約工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市發(fā)展和社會持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。干旱導(dǎo)致的旱災(zāi)已成為全世界發(fā)生最為頻繁，涉及范圍最廣，持續(xù)時(shí)間最長，危害程度最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，對人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生不利影響[1]。

農(nóng)業(yè)對旱災(zāi)反應(yīng)是十分敏感的，也是防御和減輕旱災(zāi)的薄弱環(huán)節(jié)[2]。旱情監(jiān)測是指對影響旱情變化的諸因素，如降水、氣溫、土壤含水量、地下水位等進(jìn)行具體定量的測定或資料的收集。影響旱情的因素很多，而土壤墑情是影響旱情變化的主要因素，墑情監(jiān)測主要是對田間土壤含水率的監(jiān)測。土壤墑情即土壤中的水分狀況，土壤含水量是一個(gè)重要干旱指標(biāo)，同時(shí)也是最常用和最重要的土壤信息，其在農(nóng)作物生長過程中具有重要的作用。其是科學(xué)地控制土壤水分狀況、實(shí)現(xiàn)科學(xué)用水和指導(dǎo)灌溉的基礎(chǔ)。要在生產(chǎn)管理中應(yīng)用墑情監(jiān)測技術(shù)，就要研究如何監(jiān)測在空間上變化著的田間土壤水分[3]。

本文通過研究區(qū)域內(nèi)土壤墑情變化來研究旱情的變化狀況，在研究區(qū)域內(nèi)借助土壤水分測試儀器，建設(shè)墑情監(jiān)測站點(diǎn)，在建站過程中，涉及墑情（旱情）監(jiān)測裝置的取樣，傳感器埋設(shè)合理的站點(diǎn)數(shù)目以及位置，預(yù)測預(yù)報(bào)方法信息管理系統(tǒng)建設(shè)等一系列問題，這一系列問題的研究和解決，對于做好墑情監(jiān)測工作，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)測與預(yù)報(bào)有著重要的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義[4]。監(jiān)測站點(diǎn)越多，數(shù)據(jù)的代表性越強(qiáng)，工作量也將增加，監(jiān)測的次數(shù)過少，則不能滿足指導(dǎo)生產(chǎn)的需要。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在土壤墑情監(jiān)測過程中要根據(jù)當(dāng)時(shí)的土壤水分空間變異性，確定合理的取樣位置和取樣數(shù)目，取樣布置包括墑情監(jiān)測點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)的平面布置及垂向的布設(shè)[5]。因此，要在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)合理監(jiān)測站點(diǎn)，使其得到的土壤含水率既能代表區(qū)域，又不使取樣數(shù)過多，并且方便實(shí)際應(yīng)用，故需要合理建立墑情監(jiān)測系統(tǒng)。開展土壤墑情監(jiān)測預(yù)報(bào)工作不僅能實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和監(jiān)測點(diǎn)位的墑情動態(tài)，而且能較好地掌握大范圍農(nóng)田墑情和旱情嚴(yán)重程度及其在空間上的分布規(guī)律，從而為煙農(nóng)適時(shí)適量灌溉烤煙和政府部門及時(shí)制定抗旱減災(zāi)對策提供科學(xué)依據(jù)，減少干旱災(zāi)害損失，并為未來工作中建設(shè)類似區(qū)域墑情監(jiān)測站點(diǎn)提供依據(jù)，以此來指導(dǎo)墑情（旱情）監(jiān)測、合理利用水資源、節(jié)水灌溉和抗旱、防災(zāi)減旱。

1 試驗(yàn)方法和原則

1.1 試驗(yàn)原則

土壤含水量與降雨量、蒸發(fā)量、土壤類型、地下水位、作物類型及作物生長階段需水規(guī)律等因素有關(guān)，因此，在農(nóng)田上建立監(jiān)測站點(diǎn)時(shí)，其位置應(yīng)根據(jù)以上因素，盡量使區(qū)域內(nèi)土壤墑情可視為趨向 “均一性”，還要考慮選擇具有代表性的點(diǎn)取樣[6]。由于研究區(qū)內(nèi)種植的主要作物是烤煙，占整個(gè)區(qū)域種植面積的85%以上，根據(jù)烤煙的生長期（6月～9月）、根系生長范圍（80cm以內(nèi)）及土層厚度來初步確定在垂直方向上選取地表以下10cm、30cm、45cm、60cm、80cm深處監(jiān)測土壤墑情。在平面上則根據(jù)土壤類型、地下水埋深、灌溉制度分區(qū)等情況，使區(qū)域內(nèi)土壤墑情可視為“同一性”[7]。同時(shí)也盡量均勻的在地表建立旱情監(jiān)測站點(diǎn)。根據(jù)上述原則，旱情監(jiān)測站點(diǎn)監(jiān)測的土壤含水量基本能最大程度的反映出臨近的較大地域范圍內(nèi)旱情的真實(shí)情況，旱情監(jiān)測體系能最接近真實(shí)的預(yù)測區(qū)域的旱情變化。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2011年～2014年在富源縣十八連山鎮(zhèn)取木德村委會取木德村進(jìn)行。該地地理中心坐標(biāo)為東經(jīng)104°31′23.88〃，北緯25°07′46.67〃，海拔1760m。試驗(yàn)用WATCHDOG1000系列生態(tài)因子記錄儀Watermark土壤水分傳感器監(jiān)測土壤含水率。在30ha項(xiàng)目區(qū)內(nèi)共建立15個(gè)土壤水分監(jiān)測站點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際需要在田間用土壤水分測定儀臨時(shí)增加取樣點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)均安裝型號相同的土壤水分傳感器，將傳感器按照一定的距離固定埋入地表不同位置及地表以下不同深度。具體做法為，地表面上大概相距100m范圍內(nèi)埋設(shè)一個(gè)土壤水分傳感器，即采用均勻布點(diǎn)法。垂向上考慮到烤煙主要根系活動層深度，并結(jié)合當(dāng)?shù)赝翆雍穸群偷叵滤裆睿醪竭x定地面以下10cm、30cm、45cm、60cm、80cm五個(gè)深度的土層的含水量作為土壤墑情點(diǎn)。墑情取樣在作物生長的前三個(gè)階段（還苗期、團(tuán)棵期、旺長期）一周監(jiān)測一次，成熟期兩周監(jiān)測一次，在灌溉前后、雨量過多或是連續(xù)多天未降雨則臨時(shí)增加土壤水分測定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為15個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)和若干個(gè)臨時(shí)取樣點(diǎn)4年期間在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共采集的2025個(gè)土壤體積含水率，監(jiān)測站點(diǎn)基本覆蓋了該片烤煙種植示范范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱情監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)多年氣象觀測資料，可得出研究區(qū)內(nèi)多年平均各月氣象因子（降雨、溫度、濕度及蒸發(fā)量）觀測的年內(nèi)分布圖，見圖1。

由研究區(qū)內(nèi)多年地面墑情監(jiān)測原始數(shù)據(jù)，可以得出研究期內(nèi)（6月中旬～9月下旬共11個(gè)時(shí)間系列，其中時(shí)間10～60共11個(gè)時(shí)間系列依次代表6月中旬～9月下旬）土壤含水量的變化趨勢，見圖2。

由圖2可以看出，在時(shí)間上看，各監(jiān)測站點(diǎn)上各月土壤含水量變化不大，但在研究時(shí)段內(nèi)變化較大，從6～8月（時(shí)間10～45時(shí)段）有上升趨勢，到8月中旬（時(shí)間點(diǎn)45處）達(dá)到最大值，接下來開始下降，到8～9月中旬有下降趨勢，這種變化趨勢與當(dāng)?shù)亟涤辏瑴囟取穸燃罢舭l(fā)量等氣候狀況的變化是一致的，其中影響最為活躍的因子是降雨量。由多年不同深度土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以得出研究區(qū)域內(nèi)各月土壤含水量在垂向變化趨勢圖，見圖3，并由此圖可得出，不同深度監(jiān)測站點(diǎn)上的土壤含水量變化較大，總的變化趨勢是10～45cm深度在逐漸的增大，到50cm深左右反而減到最小，60cm深度至80cm保持在一個(gè)相對平穩(wěn)趨勢，變化幅度較小。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 平面上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 平面上旱情監(jiān)測分析采用系統(tǒng)聚類分析法，聚類分析是將樣本個(gè)體或指標(biāo)變量按其特性進(jìn)行分類的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。這種方法的最終目的是對地面上的15個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行聚類，即根據(jù)距離的遠(yuǎn)近和土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)比較接近的采樣點(diǎn)進(jìn)行一定程度的“凝聚”，通過“凝聚”點(diǎn)來反映和代表臨近點(diǎn)的旱情情況，這不僅使地面的監(jiān)測點(diǎn)更加合理、有效，而且用最少的監(jiān)測點(diǎn)來滿足最大范圍的監(jiān)測，從而大大減少了監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)量，使其布局達(dá)到最優(yōu)，聚類分析的結(jié)果見圖4。

從聚類分析結(jié)果看，15個(gè)站點(diǎn)分為4類：第一類包括3個(gè)站點(diǎn)（1、13、15），第二類包括5個(gè)站點(diǎn)（2、5、6、9、14），第三類包括5個(gè)站點(diǎn)（3、8、7、10、11），第四類包括2個(gè)站點(diǎn)（4、12），由聚類分析成果及各站點(diǎn)所在位置的氣象特征和地形狀況，最終選定點(diǎn)1、點(diǎn)3、點(diǎn)5、點(diǎn)6、點(diǎn)8、點(diǎn)10、點(diǎn)12、點(diǎn)13、點(diǎn)14共9個(gè)站點(diǎn)建設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)，監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)成功后，以后只需要在整個(gè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)在9個(gè)所建的監(jiān)測站點(diǎn)取樣，即可滿足指導(dǎo)灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。通過本研究就可以將之前的15個(gè)監(jiān)測點(diǎn)減為9個(gè)站點(diǎn)，大大優(yōu)化了采樣布局，并使以往監(jiān)測站點(diǎn)的布局方式更加科學(xué)。

2.2.2 空間上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 空間上監(jiān)測數(shù)據(jù)采用變異系數(shù)法及相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行分析，分析的目的是將相關(guān)系數(shù)較高的兩處或多處深度的監(jiān)測站點(diǎn)用一層來代替。以最少的土層信息來代替整個(gè)監(jiān)測深度的土壤墑情變化。

由監(jiān)測數(shù)據(jù)得出各個(gè)層次土壤含水率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及相關(guān)系數(shù)，并將其匯總到表1中。由表1可看出，地表10cm處的變異系數(shù)最大，10～45cm范圍內(nèi)變異性呈遞減趨勢，以后到80cm范圍內(nèi)變化較小。地表下45cm處與60cm處、60cm處與80cm處的相關(guān)系數(shù)相關(guān)程度均較高，分別高達(dá)0.728和0.761。

變異系數(shù)大意味著墑情增加或減小的幅度較大，反之則較小。變異系數(shù)大的要在較短時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測土壤墑情的變化，變異系數(shù)小的則可以間隔較長時(shí)間來監(jiān)測土壤墑情的變化。但是在汛期，由于地下水位的上升，影響深層土壤含水率的變化較大，故需重視加強(qiáng)對深層土壤墑情的監(jiān)測。將各層監(jiān)測墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析，可根據(jù)這幾層相關(guān)系數(shù)的高低來將其監(jiān)測數(shù)目進(jìn)行濃縮，從而可以減少被濃縮層的監(jiān)測工作，經(jīng)過綜合分析舍掉45cm、80cm這兩層的監(jiān)測工作，最后只需要在地表以下80cm范圍內(nèi)保留10cm、30cm、60cm這三個(gè)深度的墑情監(jiān)測，即可滿足監(jiān)測要求。

3 結(jié)論與討論

在地平面上，各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)在6月中旬～9月下旬這11個(gè)時(shí)間系列中土壤含水量變化較大，從6月中旬～8月中旬呈上升趨勢，到8月下旬達(dá)到最大值，接下來開始下降，到8月下旬～9月下旬呈下降趨勢，這種變化趨勢與當(dāng)?shù)亟涤炅康淖兓?guī)律最相關(guān)。從垂向上看，不同深度監(jiān)測站點(diǎn)上的土壤含水量變化較大，總的變化趨勢是10～45cm深度在逐漸的增大，到50cm深左右反而減到最小，60～80cm深度保持在一個(gè)相對平穩(wěn)趨勢，變化幅度較小。

從分析結(jié)果來看，通過聚類分析可將研究區(qū)內(nèi)的15個(gè)站點(diǎn)分為4類，并由此最終選定點(diǎn)1、點(diǎn)3、點(diǎn)5、點(diǎn)6、點(diǎn)8、點(diǎn)10、點(diǎn)12、點(diǎn)13、點(diǎn)14共9個(gè)站點(diǎn)建設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)，監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)成功后，以后只需要在整個(gè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)在9個(gè)所建的監(jiān)測站點(diǎn)取樣，即可滿足指導(dǎo)灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，并使以往監(jiān)測站點(diǎn)的布局方式更加科學(xué)和合理。

空間上監(jiān)測數(shù)據(jù)采用變異系數(shù)法及相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行分析，結(jié)果只需要在地表以下80cm范圍內(nèi)保留10cm、30cm、60cm這三個(gè)深度的墑情監(jiān)測，即可滿足監(jiān)測要求。

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作者簡介：張維，碩士研究生，助理農(nóng)藝師，研究方向：煙葉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理。