霍泉灌區小尺度農田土壤含水率時變性研究

(太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

土壤水分是土壤最重要組成部分之一，是作物生長吸收水分的主要來源[1]。土壤水分具有一定的時空變異性[2]。土壤水分空間變異性受土壤水分控制因素的影響，隨研究尺度的不同而不同[3-4]。土壤水分的變異性與土壤含水率有顯著關系，土壤含水率高則呈現出強變異性，土壤含水率低則呈現弱變異性[5]。國內外學者利用經典統計學、地統計學等方法對土壤水分的時變性進行了較多研究[6]。秦海琴等[7]應用地統計學方法對白芨灘淺層土壤水分的空間變異特征進行了研究，結果表明10cm、30cm的土層含水率屬中等變異；馮向星等[8]的研究表明，100cm以上土層，草地的土壤水分變異性最大，林地的較小；邢旭光等[9]的研究表明0～60cm深土壤含水率在水平和垂直方向上均表現為弱變異和中等變異；李建波等[10]分析了小尺度溫室土壤含水率的空間變異性，發現土壤含水率的空間變異性受土壤結構、耕地深度、植物生長以及土壤微生物活動的影響較大。綜上，土壤含水率的空間變異性研究多限于人工土鉆取土以及中子儀定位測試的土壤含水率，目前基于數據云平臺+物聯網環境墑情網絡遠程智能監控技術條件下的土壤含水率空間變異性的研究還較少。本研究以物聯網環境墑情監測系統在線監測的土壤含水率為依據，對霍泉灌區小尺度區域上的土壤含水率的空間變異性進行研究，為有限供水情況下精準灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗區位于山西省洪洞縣廣勝寺鎮，區域屬于暖溫帶半干旱大陸性季風氣候。多年平均氣溫12.4℃，年日照時數1982.3h，無霜期為243天，年最大凍土深度為31cm，冬春寒冷干燥，夏秋暖熱多雨。多年平均降水量439.3mm，雨季多集中在5—8月，多年平均蒸發量1420.5mm，地下水埋深4～6m。灌區土壤質地為輕壤土，土壤容重1.46g/cm3，土壤飽和含水率30.8%，田間持水率24.6%，凋萎含水率6.0%，有機質含量1.23，全氮0.11%，有效磷19.14mg/kg，速效鉀141.82mg/kg。

2019年11月至2020年11月試驗區降水量蒸發量及氣溫分布見圖1，測試期間平均氣溫12.79℃，最高氣溫28.40℃，最低氣溫-4.80℃。總降水量648.90mm，日平均降水量9.10mm，日平均蒸發量2.90mm。降水量集中在5—8月，其中，以8月的降水量最高。

圖1 霍泉灌區降水量、蒸發量及日平均氣溫分布

1.2 試驗設計

試驗采用兩套物聯網環境墑情監測系統，分別安置于洪洞縣廣勝寺鎮東安村和三條溝試驗區，用于在線監測大田土壤墑情。每套系統有一個基站，基站控制2～3個節點(Ⅰ、Ⅱ代表試驗站第一個、第二個節點的土壤含水率，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ代表三條溝村第一個、第二個、第三個節點的土壤含水率)。每個節點均有3個傳感器，其中有兩個是土壤水分傳感器，分別埋設于地下30cm、60cm深度處；有一個溫度傳感器，埋設于地下30cm深度處。用戶可通過手機或電腦上的科百云數據平臺實時查看監測點土壤墑情狀況。灌區灌溉面積6733.33hm2，試區面積約80.00hm2。兩臺基站相距約有3km左右，系統布置見圖2。

圖2 試驗區基站及節點布置示意

1.3 主要測試指標

1.3.1 平均含水率

傳感器監測的是30cm、60cm處逐時土壤含水率，以每天逐時的平均含水率作為逐日土壤含水率，利用式(1)計算出0～60cm的日平均含水率。時間節點為2019年11月12日至2020年11月13日。

θt=a1θ30+b1θ60-c1

(1)

式中：θt為0～60cm的日平均含水率；θ30為30cm處的日平均含水率；θ60為60cm處的日平均含水率。根據李泳霖等[11]的研究結果：a1為0.687，b1為0.328，c1為-0.179。

1.3.2 土壤水分空間變異系數

標準差和變異系數反映土壤含水率的空間變異特性，變異系數值越小表示土壤含水率變化越小。按式(2)、式(3)計算5個測點30cm、60cm處土壤含水率變化、0～60cm平均土壤含水率的標準差和變異系數值。

計算公式分別為[8]

(2)

(3)

1.4 數據分析

利用Spss17.0對土壤水分的極大值、極小值、標準差、方差、峰度、偏度S-K檢驗進行描述性統計分析，Excel軟件進行數據計算并作圖。

2 結果分析與討論

2.1 監測點土壤含水率隨時間的變化過程分析

土壤水分傳感器測得的5個測點的30cm、60cm處土壤含水率變化和0～60cm的日平均土壤含水率隨時間的變化見圖3。

圖3 監測點含水率隨時間的變化

從圖3可以看出，各土層含水率與降水量的變化趨勢基本一致。2020年8月總降水量高達288.90mm，該觀測期間的土壤含水率相對較高。降水和灌溉是土壤含水率隨時間變化的兩個最主要的控制因素。受降水或灌溉的影響，5個測點土壤含水率的變化比較大。測點Ⅲ的上層土壤含水率大于下層土壤含水率，土壤含水率變化差異較大；其他測點則是下層土壤的含水率較大。遇強降水或者灌水后，土壤含水率整體有顯著增大趨勢，且表層含水率大于下層含水率；長時間無降水或灌溉，土壤含水率整體有持續降低的趨勢，且表層土壤水分隨著蒸發以及土壤水分再分布逐漸低于下層土壤含水率。各測點0～60cm土壤含水率變化范圍分別為16.62%～30.24%、19.48%～30.77%、17.67%～35.42%、20.95%～34.06%、22.02%～32.84%，測點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的土壤含水率變化幅度較大，最小含水率與最大含水率相差在11.29%～17.75%左右。測點Ⅳ、Ⅴ的土壤含水率變化較為平緩，土壤最低含水率均在20.00%以上，大小差異在10.82%～13.11%之間。

2.2 測點土壤含水率描述性統計及秩相關分析

2.2.1 土壤含水率描述性統計分析

通過Spss17.0統計分析，給出霍泉灌區5個監測點不同土層土壤含水率的極大值、極小值、平均值、方差、標準差、偏度系數、峰度系數、K-S檢驗以及變異系數的變化范圍，見表1。

表1 土壤含水率特征值

從表1中可以看到，5個測點不同土層土壤含水率極大值的變化范圍分別為22.54%～35.32%、26.60%～35.30%、22.60%～35.42%，土壤含水率極小值的變化范圍分別為16.34%～28.70%、14.20%～29.05%、16.62%～29.26%。偏度和峰度系數表明，5個測點土壤含水率曲線有的呈左偏，有的呈右偏，有的陡峭、有的平緩。對5個測點的數據進行K-S檢驗，其P值均大于0.05，表明不同土層土壤含水率符合正態分布。變異系數表明，測點30cm處土壤含水率變異系數的變化范圍為0.01～0.26；60cm處土壤含水率變異系數的變化范圍為0.02～0.29；0～60cm平均土壤含水率變異系數的變化范圍為0.01～0.27。各層土壤含水率變異系數的最小值均小于0.1、最大值均小于1，均呈弱變異和中等變異。

2.2.2 測點間土壤含水率的秩相關分析

利用Spearman秩相關系數對同測點土壤含水率相關性進行分析。表2分別表示30cm、60cm、0～60cm土壤含水率秩相關系數。5個測點的土壤含水率的秩相關系數在0.01水平上總體上呈顯著相關。0～60cm土壤含水率秩相關系數變化范圍為0.21～0.83，平均值為0.39。30cm土層含水率秩相關系數，變化于0.03～0.76，均值為0.40；60cm土層含水率秩相關系數，變化于0.02～0.62，均值為0.34。

表2 各測點間土壤含水率的秩相關系數

續表

2.3 土壤含水率特征值隨時間的變化過程分析

5個測點土壤含水率的最大值、最小值和平均值以及方差、標準偏差、變異系數隨時間的變化過程見圖4。

從圖4可以看出各層土壤含水率及其變異系數均呈波動性變化。土壤含水率越高，其變異系數越小。降雨強度的大小在一定程度上影響土壤含水率的變化。30cm、60cm、0～60cm處的逐日土壤含水率之間差異較大，土壤含水率的變化幅度分別為18.98%、21.10%、18.80%，60cm處土壤含水率的變幅最大。受灌溉或降水以及作物生長的影響，土壤含水率變幅較大，土壤含水率的變異系數存在較大差異，30cm與0～60cm平均土壤含水率的變異系數變化趨勢基本一致，土壤含水率變異系數曲線波動較大，變異系數值有大有小。60cm處土壤含水率的變異系數變化相對比較穩定，只有20個觀測日期的變異系數值是小于0.1的，而其余觀測日期的變異系數值均在0.10～0.29之間，說明60cm深度土層的土壤水分變異程度基本為中等變異，其變異系數普遍高于30cm和0～60cm土壤含水率的變異系數，各測點之間土壤含水率變幅較大，土壤含水率最低為14.20%，最高為35.30%。

3 結 論

山西省霍泉灌區試驗區土壤含水率及其變異系數隨時間呈波動性變化。60cm土層的土壤含水率總體大于30cm土層的土壤含水率。兩個土層間的土壤含水率具有一定差異。土壤水分變異系數隨土層深度增加而增加。表層土壤的含水率及變異系數波動較大，下層土壤的含水率及變異系數之間差異性較小，變化相對比較穩定。灌溉時期的土壤含水率及其變異系數變幅較大。降水和灌溉對土壤含水率的影響較大。灌溉或降水后的土壤含水率較大，其變異系數較小。30cm和60cm的土壤含水率的變異系數均在0.01～1.00之間，屬弱變異和中等變異。土壤含水率的秩相關性分析表明5個測點相互間具有顯著相關性。綜上所述，研究土壤含水率隨時間的變化和空間變異性以及各監測點間不同土層含水率的相關性，可對山西省霍泉灌區利用云平臺和物聯網技術實施智能化、數字化的精準灌溉提供理論基礎，為鄉村振興數字化轉型貢獻力量。

圖4 土壤含水率特征值隨時間的變化