基于空間統(tǒng)計分析的柴達(dá)木盆地大格勒灌區(qū)土壤水分變化特征與監(jiān)測點優(yōu)化布置研究

中圖分類號S152.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號 0517-6611（2025）12-0149-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.12.034

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Studyon the Characteristicsof SoilMoisture Change and the Optimal Arrangement of Monitoring Points inthe Dagele Irrigation District in the Qaidam Basin Based on Spatial Statistical Analysis

LIU De-jun123，ZHAO Xian-hao，ZHAO Hou-zhen（1. Qinghai Water Resources and Hydropower Research Institute Co，Ltd.，Xin ing，Qinghai80l;2.QinghaiProvincialEngineeingTechologResearchCenterforEfcientUtlatioofWaterResos，Xiing Qinghai810o1;3.KeyLaboratory of Watershed Water Cycleand Ecologyin Qinghai Province，Xining，Qinghai 810001）

AbstractInoeraleespatialeatiosflsueoongtsipresegatioofandeeeelo cationandquantityofsoilmoisturemontorigonts，，thispapertokteDgeleIigationDstrictinteQidamBasiateeact Thespatial autocorrelation analysis Moran’s I index tool and spatial interpolationmethod wereadopted，based on field experiments in the irrigationarea，tespatialvrblityofsolmoistureasaalyd，ndtetioalspatialdistrbutionadumbeofsoilosturering pointsintexptaleeedogtospailooealisotsoflsoulde located at the average value of soil moisture，the monitoring depth should be controlled at 0-40cm ，and the distance between monitoring pointsshouldeontroledatabout299m.Teresearchresultsanprovideeferencsfortheaangementofsiloisturemoitogoints. Key WordsDagele Irigation District in the Qaidam Basin;Soil moisture;Monitoring;Optimal arrangement

土壤屬性在空間分布上有一定的差異[]，精準(zhǔn)灌溉是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用的有效途徑。土壤水分的精確監(jiān)測是實施精準(zhǔn)灌溉的重要前提，研究灌區(qū)土壤水分含量對于提高灌區(qū)水資源高效利用、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義[2]。在灌區(qū)土壤水分的監(jiān)測過程中，確定合理的土壤水分監(jiān)測點數(shù)量、位置及埋深對該區(qū)域土壤水分的精確監(jiān)測影響較大[3-5]。由于農(nóng)田土壤含水率存在空間變異性，所以在確保一定情監(jiān)測精度的條件下，通過科學(xué)、合理的方法來確定農(nóng)田土壤水分監(jiān)測點的合理數(shù)量和位置至關(guān)重要。筆者以柴達(dá)木盆地格爾木市大格勒灌區(qū)部分地面灌溉區(qū)域為研究對象，利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)等原理，采用空間趨勢分析、空間自相關(guān)分析、空間插值方法等[6-7]，在大田試驗的基礎(chǔ)上，分析了試驗區(qū)典型農(nóng)田土壤水分的時空變異規(guī)律，探索試驗區(qū)典型農(nóng)田土壤水分監(jiān)測點的合理空間布局和數(shù)量。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于柴達(dá)木盆地格爾木市大格勒灌區(qū)，地處大格勒河和五龍溝河洪積扇緣地帶，海拔 2500～3500m ，年平均氣溫 4.4⁴C ，年溫差、日溫差均較大，最高氣溫 33^°C （7月），最低氣溫 -29°C （1月），氣溫年較差為 277.7°C 。研究區(qū)水分資源主要為河流和地下水，年降水量 40.8mm ，年蒸發(fā)量2963.5mm_? 該地區(qū)降水主要集中在5—9月，該時期降水量占總降水量的 86%～92% 。該灌區(qū)氣候涼溫，光熱資源豐富，土地、人口均比較集中，交通便利。試驗區(qū)主要種植枸杞，土壤質(zhì)地主要為砂土和砂壤土，土層薄，有機(jī)質(zhì)含量較低，平均田間持水量為 18% ;試驗區(qū)面積 479452m² ，南北長 1148m ，東西寬 810m ;年灌溉5次，灌溉量 320m³ 。

2試驗方法

2.1土壤質(zhì)地的測定試驗區(qū)共布設(shè)9個土壤采樣點（如圖1所示），將采集的9個樣點土樣風(fēng)干、破碎、過篩后，使用馬爾文激光粒度儀（型號MS2000）進(jìn)行顆粒分級，9個樣點的土樣采集深度均為 0～60cm ，分別在 0～20.gt;20～40.gt; 40～60cm 采集1個土樣。馬爾文激光粒度儀測定樣品的粒徑范圍為 0.02～2000.00μm ，其測量原理為激光衍射法，具有高效率、高精度、高自動化程度等優(yōu)點。使用馬爾文激光粒度儀確定采集土樣中各粒徑顆粒的百分含量后，參照美國土壤質(zhì)地分類三角坐標(biāo)圖（圖2）確定土壤質(zhì)地類型。

通過最近鄰指數(shù)（averagenearestneighbor）分析得到試驗區(qū)各監(jiān)測點的平均距離為 192.30m 。通過對田間采集土樣土壤質(zhì)地的測定，分析不同采樣點不同深度的土壤質(zhì)地，確定試驗區(qū)的主要土壤質(zhì)地類型，分別從垂直和水平2個方向分析試驗區(qū)土壤在不同采樣點和不同深度的變異性。土壤粒徑檢測結(jié)果見表1。

從表1可以看出，試驗區(qū)大部分采樣點不同深度土壤質(zhì)地為極細(xì)砂，個別采樣點表層土壤類型為中砂，大部分采樣點 gt;20～40cm 深度土壤為極細(xì)砂，部分采樣點在垂直方向上土壤質(zhì)地類型變化較大。總體上看，不管是水平方向還是垂直方向上試驗區(qū)土壤粒徑較為均勻。

該研究采用空間趨勢統(tǒng)計法分析試驗區(qū)各監(jiān)測點海拔和土壤不均勻系數(shù)的空間變異，見圖3＼～4。從海拔空間趨勢分析圖（圖3）可以看出，試驗區(qū)東西方向海拔變化不大，而南北方向海拔變化較大，呈現(xiàn)明顯的南高北低趨勢。從土壤不均勻系數(shù)空間趨勢分析圖（圖4）可以看出，試驗區(qū)從西向東不均勻系數(shù)先增大后減小，從南到北不均勻系數(shù)也呈先增大后減小的趨勢

2.2土壤含水率的測定在試驗區(qū)布設(shè)1套LHITS土壤情監(jiān)測系統(tǒng)，分9個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點采集 0～20cm （第1層） 、gt;20～40cm （第2層） ，gt;40～60cm （第3層）深度的土壤，測定土壤含水率，實現(xiàn)自動采集、無線組網(wǎng)和遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

3典型農(nóng)田土壤水分的空間變化

土壤屬性與很多連續(xù)變量存在重要的關(guān)系。利用數(shù)字高程模型（DEM）遙感數(shù)據(jù)、其他與目標(biāo)變量相關(guān)的土壤屬性等作為輔助變量進(jìn)行分析[8]，均得到了較滿意的效果。利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)的方法對田間土壤水分進(jìn)行空間變異規(guī)律分析，包括描述性統(tǒng)計以及趨勢分析和插值分析。研究表明，太陽輻射、地形、土壤、坡度、坡向、海拔高程等都是影響土壤水分的重要因子[9]。結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲取性和研究區(qū)特點，該試驗將監(jiān)測點海拔、土壤不均勻系數(shù)作為擬合王壤含水量變化曲線的考慮因素。

3.1典型農(nóng)田土壤水分的時間趨勢分析選取研究區(qū)土壤水分監(jiān)測點的觀測數(shù)據(jù)，分析 0～20cm （第1層） gt;20～40cm （第2層）、 gt;40～60cm （第3層）不同深度土壤含水率的演變趨勢，通過算術(shù)平均值計算每個監(jiān)測點的平均土壤含水率。

從圖5可以看出，整體來看，隨著時間的推移，各監(jiān)測點第1層土壤含水率變化較為明顯，第3層土壤含水率變化不大。

3.2典型農(nóng)田土壤水分的空間趁勢分析2023年9月5—10日，采用地統(tǒng)計學(xué)分析模塊（geostatisticalanalyst）對灌溉前、灌后1＼～5d的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行空間趨勢分析，結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，除灌后1d外，所有時間點土壤水分從東向西均呈增加的趨勢；除灌后1d外，所有時間點土壤水分從南到北均呈降低的趨勢。

4土壤水分監(jiān)測點的布設(shè)研究

土壤水分的空間變異性分析是土壤水分監(jiān)測點合理布設(shè)的前提。該試驗對試驗區(qū)典型土壤水分監(jiān)測點的合理布設(shè)數(shù)量及位置進(jìn)行了研究，得出試驗區(qū)典型農(nóng)田土壤水分監(jiān)測點的合理布設(shè)數(shù)量。

4.1試驗區(qū)土壤含水率空間相關(guān)域的確定空間自相關(guān)分析一般用來檢測空間要素的異質(zhì)性和空間集聚特征。采用空間自相關(guān)分析工具，研究土壤含水率最大空間自相關(guān)距離。空間自相關(guān)統(tǒng)計量對于處理地理數(shù)據(jù)是非常重要的，主要反映空間位置不同時數(shù)據(jù)與變量之間的相互依存與相互聯(lián)系。利用空間自相關(guān)工具進(jìn)行分析，得到Moran’s1指數(shù)、預(yù)期指數(shù)、方差 L 得分及 P 值。Moran's I 指數(shù)的變化范圍為-1.0～+1.0_? 。當(dāng)Moran’s I 指數(shù)大于0時，表示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)空間正關(guān)，說明變量在空間上呈聚類分布趨勢，Moran’s I 指數(shù)越大，空間相關(guān)性越明顯；當(dāng)Moran’s I 指數(shù)小于0時，表示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)空間負(fù)相關(guān)，說明變量在空間上呈趨異性分布特征，Moran'sI指數(shù)越小，空間差異越大；當(dāng)Moran’s I 指數(shù)為0時，說明變量在空間上呈隨機(jī)性分布。 P 值表示概率，當(dāng) P 值很小時意味著觀測到的空間模式不太可能產(chǎn)生于隨機(jī)過程（小概率事件），因此可以拒絕零假設(shè)。 Z 得分為標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)[5，10-13]。

基于空間自相關(guān)分析，根據(jù)試驗區(qū)的土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到試驗區(qū)自相關(guān)分析結(jié)果（表2）。

4.2試驗區(qū)土壤含水率等值線圖基于地統(tǒng)計方法，通過采用空間插值方法，獲得各時間點土壤水分等值線圖[14]。空間插值方法的選擇是影響插值精度的主要因素之一，不同空間插值方法在數(shù)據(jù)要求、參數(shù)設(shè)置等方面存在較大差異，常用的空間插值方法包括反距離權(quán)重法（IDW）、徑向基函數(shù)空間插值方法、普通克里格插值方法以及結(jié)合線性回歸模型和普通克里格的回歸克里格插值方法。張優(yōu)等[15研究表明回歸克里格插值精度高于其他研究，此次研究采用回歸克里格插值方法繪制灌溉前和灌后1＼～5d的土壤水分等值線圖。從圖7可以看出，灌溉前與灌后1d的土壤水分空間分布差異最大，隨著時間的推移，土壤水分在空間分布上逐步趨于穩(wěn)定。

Fig.7Contour maps of soil moisture at different time in the experimental area

4.3試驗區(qū)土壤水分監(jiān)測點的確定測定土壤水分時，確定合理的土壤水分監(jiān)測點布設(shè)方案時，首先要考慮田間土壤空間變異對觀測值的影響。根據(jù)土壤特性的空間變異性，確定土壤水分監(jiān)測點在田間的布設(shè)位置，對于提高田間土壤水分信息采集的精度具有重要意義[4]。通過空間自相關(guān)分析，計算距離閾值，超出閾值判別為不鄰接。在空間自相關(guān)分析中，距離法分為歐氏距離（Euclideandistance）和曼哈頓距離（Manhattandistance）。通過土壤水分的自相關(guān)分析確定田間土壤情監(jiān)測點間的最短距離。試驗區(qū)距離閾值詳見表3。

歐式距離也稱歐幾里得距離，是最常見的距離度量方法，衡量的是多維空間中2個點之間的絕對距離，也就是兩點之間最短的直線距離，代表了它是在 ?_m 維空間中2個點之間的真實距離，通過計算確定試驗區(qū)土壤水分監(jiān)測點的最短距離為 299.28m ，監(jiān)測點的數(shù)量為5個。同時，土壤水分監(jiān)測點布置在土壤含水率最大或最小的點對田間作物水分空間分布趨勢產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而會影響灌溉時間。通過土壤水分等值線分析，結(jié)合空間自相關(guān)分析，土壤水分監(jiān)測點應(yīng)該布設(shè)在土壤含水率平均值的位置，監(jiān)測點的間距應(yīng)控制在 299m 左右。

5結(jié)論

該文在試驗區(qū)土壤質(zhì)地條件下開展現(xiàn)場調(diào)查和試驗，采用空間統(tǒng)計方法對土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析了其空間趨勢和土壤水分等值線圖，得到監(jiān)測點空間距離閾值。該研究的田間土壤水分監(jiān)測點布設(shè)方案是建立在理論分析和試驗驗證的基礎(chǔ)上，具有一定的指導(dǎo)性，但實際灌溉受灌溉田塊的布局、輪灌的安排以及土壤質(zhì)地、作物類型的影響，仍需要進(jìn)一步的研究和實踐檢驗

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