黃河下游引黃灌區(qū)深層土壤含水率反演模型研究

司舒陽(yáng) 李道西

關(guān)鍵詞：土壤含水率；反演模型；黃河下游地區(qū)；引黃灌區(qū)

０引言

黃河下游引黃灌區(qū)灌溉面積約占黃河流域及下游引黃供水區(qū)灌溉總面積的４０％以上，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，在保障區(qū)域和國(guó)家糧食安全方面發(fā)揮著重要作用。黃河下游是實(shí)施黃河水量統(tǒng)一調(diào)度的重點(diǎn)區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉需水量的及時(shí)、精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，將為黃河水量精細(xì)調(diào)度提供重要基礎(chǔ)支撐。土壤墑情是預(yù)測(cè)灌溉需水量的基礎(chǔ)參數(shù)，隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，大尺度識(shí)別土壤墑情狀況成為指導(dǎo)灌區(qū)灌溉管理的一種常用方法［１－２］。研究表明，通過(guò)遙感解譯一般可以得到土壤表層０～１５ｃｍ的含水量，并以此作為反映土壤墑情狀況的指標(biāo)。黃河下游引黃灌區(qū)主要種植冬小麥、夏玉米等糧食作物，其需水關(guān)鍵期的根系一般生長(zhǎng)到地面５０ｃｍ深度以下，加之黃河下游旋耕技術(shù)造成表層與深層土壤結(jié)構(gòu)異變，采用遙感技術(shù)難以獲取深層土壤含水量，難以為精準(zhǔn)灌溉提供全方位支持。與此同時(shí)，灌區(qū)土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)空間差異性的存在，導(dǎo)致往往無(wú)法采用唯一確定的數(shù)學(xué)模型定量描述表層和深層土壤含水量［３－４］。

本文采用黃河流域灌溉試驗(yàn)站網(wǎng)黃河下游監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的有關(guān)土壤墑情數(shù)據(jù)，分析了河南、山東典型引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤水分時(shí)空分布特征，采用Ｂｉｓｗａｓ反演模型構(gòu)建基于表層土壤水分的深層土壤水分反演模型，為推進(jìn)表層土壤含水率遙感解譯成果廣泛應(yīng)用、構(gòu)建更加科學(xué)實(shí)用的灌區(qū)需水預(yù)測(cè)模型等提供技術(shù)支持［５－７］。

１材料與方法

１．１數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河下游引黃灌區(qū)的３個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中河南省１個(gè)（編號(hào)ＨＳ）、山東省２個(gè)（編號(hào)分別為ＳＳ１、ＳＳ２）。３個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別屬于３個(gè)不同的灌區(qū)，種植作物均為玉米且均采用ＳＷ６０型管式土壤墑情監(jiān)測(cè)儀每隔６０ｍｉｎ對(duì)地表以下１０、３０、５０、７０、９０ｃｍ深處的土壤含水率進(jìn)行采集，采集時(shí)間均為２０２２年９月１日至１０月１０日。

１．２數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法：采用Ｅｘｃｅｌ２０１０處理并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用Ｏｒｉｇｉｎ９．０軟件作圖。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析有關(guān)概念：為比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度，采用變異系數(shù)Ｃｖ定量表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度（Ｃｖ＝σ／μ，其中σ為標(biāo)準(zhǔn)差、μ為平均值）與平均數(shù)之比。Ｃｖ沒(méi)有量綱，可避免因測(cè)量尺度相差太大或者指標(biāo)量綱不同的問(wèn)題，但Ｃｖ不僅受數(shù)值離散程度的影響，而且受平均值影響，一般認(rèn)為Ｃｖ≤０．０１為弱變異性、０．０１＜Ｃｖ＜１為中等變異性、Ｃｖ≥１為強(qiáng)變異性［８］。

相關(guān)系數(shù)ｒ從定量角度描述樣本數(shù)據(jù)相關(guān)程度［９］，一般來(lái)說(shuō)０．８為高度密切相關(guān)、０．５≤ｒ＜０．８為顯著相關(guān)、０．３≤ｒ＜０．５為低度相關(guān)、ｒ＜０．３為不相關(guān)［１０］。

２結(jié)果與分析

２．１土壤含水率時(shí)空變化特征

取每日逐小時(shí)不同深度的土壤含水率平均值作為當(dāng)日數(shù)據(jù)。各土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤含水率時(shí)空變化情況如圖１所示。

從橫坐標(biāo)來(lái)看，表層（０～２０ｃｍ）及淺層（２０～４０ｃｍ）土壤含水率在降雨或灌溉前整體上均隨時(shí)間推移呈逐漸下降趨勢(shì)，降雨或灌溉后依降雨或灌溉量的大小呈緩增或陡增后隨土壤水分的下滲再次呈逐漸下降趨勢(shì)；ＨＳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)中層（４０～６０ｃｍ）土壤含水率在降雨或灌溉后變化較小，而ＳＳ１、ＳＳ２監(jiān)測(cè)點(diǎn)中層土壤含水率隨時(shí)間的變化情況與表層及淺層類似，這可能與降雨或灌溉水量大小及土壤性質(zhì)有關(guān)；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)深層（８０～９０ｃｍ）土壤含水率受降雨或灌溉影響相對(duì)較小，整體上隨時(shí)間推移含水率變化不明顯。

從縱坐標(biāo)來(lái)看，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間的土壤含水率均隨深度的增加而增大，ＨＳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)中層和深層土壤含水率變化較小且趨于穩(wěn)定，而ＳＳ１監(jiān)測(cè)點(diǎn)９０ｃｍ以下土壤含水率隨深度增加繼續(xù)增大，這可能與降雨或灌溉水量大小及土壤性質(zhì)有關(guān)。表１為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水率的變異系數(shù)，即各土層含水率隨時(shí)間變化的劇烈程度。

從表１中可以看出，不同測(cè)位土壤水分變異系數(shù)值不同，但都小于１大于０．０１，屬于中等變異性；變異系數(shù)有隨深度變大而減小的趨勢(shì)，其中１０ｃｍ深處最大、９０ｃｍ深處最小，說(shuō)明土壤水分變化劇烈程度隨著土層深度增加而減弱，深度越大，土壤水分變化越平緩，可能原因是深層土壤受水分蒸發(fā)、降雨及灌溉補(bǔ)充影響小。只有ＨＳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)變異系數(shù)最小值位于７０ｃｍ深處，可能與降雨量、灌溉水量及土壤性質(zhì)有關(guān)。

２．２各層土壤含水量相關(guān)性分析

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同土層土壤含水率相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表２，由表２可以看出，３個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同土層深度土壤含水率相關(guān)性差異較大。位于山東省的２個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，除ＳＳ１監(jiān)測(cè)點(diǎn)１０ｃｍ與９０ｃｍ土層深度的土壤含水率相關(guān)系數(shù)顯著性水平較低外，其余不同土層深度的土壤含水率相關(guān)系數(shù)顯著性水平均較高；位于河南省的ＨＳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)除表層１０ｃｍ與其余各土層深度的土壤含水率相關(guān)系數(shù)顯著性水平較低外，其余各土層深度的土壤含水率相關(guān)系數(shù)顯著性水平均較高。

除位于河南的ＨＳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)表層與其下部各土層的土壤含水率相關(guān)系數(shù)小于０．５外，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同土層深度的土壤含水率相關(guān)系數(shù)均較大，且某一土層與其下部土層的深度相差越小相關(guān)系數(shù)越大。因此，綜合考慮灌區(qū)日常監(jiān)測(cè)和相關(guān)性，在黃河下游引黃灌區(qū)通過(guò)表層３０ｃｍ處土壤含水率反演３０～９０ｃｍ深度土層的土壤含水率是可行的。

２．３深層土壤含水率反演分析

２．３．１表層與深層土壤含水率之間的關(guān)系

為選擇合適的反演模型，用淺層土壤含水率反演其他土層的土壤含水率，分別進(jìn)行了線性、對(duì)數(shù)、二次、三次、復(fù)合、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)擬合，并得出決定系數(shù)Ｒ２。

１）３０ｃｍ土層與各土層土壤含水率平均值的關(guān)系。

為驗(yàn)證擬合方程在淺層土壤含水率反演各土層含水率平均值的可行性，將使用ＨＳ、ＳＳ１和ＳＳ２三個(gè)測(cè)點(diǎn)２０２２年９月１日至１０月１０日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以３０ｃｍ處土壤含水率反演所有土層土壤含水率平均值，用Ｒ２反映各擬合方程擬合度，見(jiàn)表３。

從表３中可以看出，位于山東的ＳＳ１、ＳＳ２監(jiān)測(cè)點(diǎn)各擬合函數(shù)擬合精度均較高，決定系數(shù)都在０．９６０以上，而位于河南的ＨＳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)部分?jǐn)M合函數(shù)擬合精度較低，決定系數(shù)在０．６７０左右。

２）３０ｃｍ土層與７０ｃｍ土層土壤含水率的關(guān)系。

因黃河下游主要種植糧食作物需水關(guān)鍵期根系長(zhǎng)度一般達(dá)到５０ｃｍ深度及以下，故選取３０ｃｍ深處土壤含水率反演７０ｃｍ深處土壤含水率，表４為各測(cè)點(diǎn)不同擬合方程的決定系數(shù)。

由表４可知，除ＨＳ監(jiān)測(cè)點(diǎn)各擬合方程的擬合精度均較高外，其余２個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各擬合方程的擬合精度均較低。

綜上可知，基于表層土壤含水率采用擬合函數(shù)反演各土層平均含水率及７０ｃｍ土層含水率的方法精度不穩(wěn)定，不能很好地反映農(nóng)田土壤表層與深層土壤含水率之間的關(guān)系，無(wú)法根據(jù)表層土壤含水率精確求出深層土壤含水率，故應(yīng)采用其他反演模型來(lái)準(zhǔn)確構(gòu)建農(nóng)田表層土壤水分與深層土壤水分之間的關(guān)系。

２．３．２Ｂｉｓｗａｓ模型效果分析

為準(zhǔn)確構(gòu)建黃河下游引黃灌區(qū)表層土壤水分反演深層土壤水分模型，本文使用Ｂｉｓｗａｓ等提出的土壤水分估算模型，結(jié)合３個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定土壤水分估算模型的相關(guān)參數(shù)。

將土壤含水率數(shù)據(jù)按監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行整合，ｄ０取３０ｃｍ，ｄ分別取５０、７０、９０ｃｍ，用多元線性回歸方法進(jìn)行擬合，確定參數(shù)Ａ、Ｂ、Ｓｃ和Ｒ２。從表５看出，各個(gè)擬合方程的Ｒ２都趨近于１，說(shuō)明各方程擬合度都比較高。

將前述各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擬合結(jié)果作為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表灌區(qū)的深層土壤儲(chǔ)水量反演模型，并在每個(gè)灌區(qū)選取其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基于９月１、１１、２１日和１０月１、１０日實(shí)測(cè)的表層土壤儲(chǔ)水量（Ｓ０）反演深度為５０、７０、９０ｃｍ的土壤儲(chǔ)水量，并與實(shí)測(cè)的各土層土壤儲(chǔ)水量進(jìn)行比較，相對(duì)誤差見(jiàn)表６。

由表６可知，總體上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表灌區(qū)內(nèi)其他測(cè)點(diǎn)深層土壤儲(chǔ)水量的反演值相對(duì)誤差都較小，但測(cè)點(diǎn)ＳＳ２所代表灌區(qū)深層土壤儲(chǔ)水量反演值相對(duì)誤差較大，尤其是由深度為３０ｃｍ土層反演９０ｃｍ深處土壤的土壤含水率相對(duì)誤差都超過(guò)３０％。

３結(jié)論

１）表層及淺層土壤含水率在降雨或灌溉前整體上隨時(shí)間推移呈逐漸下降趨勢(shì)，降雨或灌溉后依降雨量或灌溉水量的大小呈緩增或陡增后隨土壤水分的下滲再次呈逐漸下降趨勢(shì)；中層土壤含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律與表層及淺層類似；深層土壤含水率受降雨或灌溉影響相對(duì)較小，整體上隨時(shí)間推移含水率變化不明顯。

２）各測(cè)點(diǎn)所有土層土壤含水率均屬于中等變異性，變異系數(shù)有隨深度變大而減小的趨勢(shì)，即土壤水分變化劇烈程度隨著土層深度增加而減弱。

３）總體上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同土層深度的土壤含水率相關(guān)系數(shù)均較大，通常來(lái)說(shuō)且某一土層與其下部土層的深度相差越小相關(guān)系數(shù)越大。

４）采用擬合函數(shù)反演深層土壤含水率的精度均較低，而采用Ｂｉｓｗａｓ模型反演深層土壤含水率的精度高、相對(duì)誤差小，可為黃河下游引黃灌區(qū)深層土壤含水率的精準(zhǔn)反演提供技術(shù)支持。