干旱區棉田土壤含水率時空變異研究

廉 娟

(新疆塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000)

干旱區棉田土壤含水率時空變異研究

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的重要變量,廣泛影響各種水文循環過程。研究土壤含水率的空間變異特性有助于了解上述循環過程,為制定精準灌溉制度提供依據。本文結合傳統統計學與地統計學方法,分析了土壤含水率空間變異特性的時間變化規律及其與土壤平均含水量之間的關系。結果表明: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,空間結構性變異相對隨機性變異的比例高,且隨機性相對結構性變異的比例隨平均含水率的增加而增加。研究結果為制定合理、精確的農業灌溉管理措施提供了參考。

土壤含水率;棉田;空間變異;地統計學;干旱區

土壤含水率作為陸地表層系統的重要狀態變量，在很大程度上影響著田間水分小循環(如土壤侵蝕、溶質運移、植物生長等)及區域水文大循環(如徑流、氣候變化等)過程［1］，也是水文模型中重要的參數之一。然而，由于自然條件下，土壤性質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確模擬上述水分循環過程以及優化農業生產活動等具有重要意義［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行了研究，結果表明地形、土壤質地、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間穩定性。已有的研究多是基于年內的監測數據進行的，少有涉及到土壤含水率空間變異特性的年際變化，同時多數是針對表層土壤進行的研究，著重說明土壤水分水平向的分布特征。另外現有的研究對象多為裸土或草地，植被的影響程度相對農田來說較小。而在農業生產中，作物的根系及灌溉、耕作等農業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律，對于評價現有管理措施的效果及改進現有措施十分必要。同時在西北半干旱地區，灌溉在農業的可持續發展中占據重要位置。它在很大程度上影響著蒸發蒸騰、根系吸水以及水分橫向流動等土壤水分運動過程，從而影響土壤含水率的時空變異。了解灌溉條件下土壤含水率空間結構及其與土壤質地、地形之間的關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棉田不同深度土壤含水率的3年全生育期監測數據，獲得田間尺度上土壤含水率在生育期內的時空變異特征及其在不同年份之間的變化規律，從而為更準確地評估土壤含水率的分布規律以及制定更合理、精確的灌溉管理措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆尉犁縣，該地區屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，具有冬冷夏熱、干燥、多風的特點。日照充足，光熱資源豐富，全年日照時數達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，多年平均蒸發皿蒸發量約2200m m，地下水位在30m以下。

1.2 數據采集

采樣點采取均勻網格布置，間距為25m×25m，共12行、12列，共144個采樣點。其中，2012年的監測數據來自于均勻分布的135個采樣點，2013和2014年的監測數據則包含了所有144個采樣點。各采樣點測定的體積含水率均通過烘干法測定的質量含水率進行校正。

1.3 數據分析方法

本文利用變異函數描述土壤含水率的空間分布。變異函數是地統計學的基礎，用來表征隨機變量的空間變異結構或空間連續性。樣本變異函數可通過式(1)計算［6，7］:

式中:h—分離距離，m;γ(h)—分離距離為h的樣本變異函數值;Nh—在(xi+h，xi)之間用來計算距離為h時的樣本變異函數值的樣本對數;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形式的理論變異函數與經驗的變異函數模型進行擬合，并選取擬合效果最好的模型模擬函數特征值進行研究。常用的變異函數模型有球形模型、指數模型、高斯模型3種，其中指數模型的表達式如下［8，9］:

式中:C0—塊金值，即在極短樣本距離之間變異函數從原點的跳升值，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，半方差隨著樣本點間距的增加而增大，并在變程處達到一個基本穩定的常數(基臺值);其他變量含義同前。

土壤含水率樣本的空間相關程度采用塊金效應來評價:

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

2 結果與分析

2.1 剖面土壤含水率空間結構隨時間變化特征

利用式(1)計算各次采樣所得土壤含水率的樣本變異函數，并采用上述3種模型進行擬合，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及球形模型擬合曲線，代表土壤深度由淺變深時的一般變化情況。不同時間所測土壤含水率的樣本變異函數與圖1類似。

圖1 土壤含水率半方差

可以看出，變異函數模型的變程在表層(0～20c m)土壤會比較大。需要指出的是由于2012年的數據缺乏較近距離的采樣，變異函數模型中的空間相關度估計值可能存在較大誤差，因此本文中針對空間相關度著重比較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(見表1)，可以看出變程和空間相關度隨深度的變化規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，2012和2014年的最大變程分別在20～40和0～20c m土層。上述結果表明，變程隨土壤深度(0～60c m)的變化規律與生育期的累積降雨量密切相關: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年呈現不同的趨勢，年降雨量接近平均降雨量時(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，土壤水分以垂向運動為主，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，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度的統計數據

2.2 剖面土壤含水率空間結構與其均值之間的關系

表2列出了對每年各土層變程、空間相關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、空間相關度與平均含水率的關系的線性擬合模型在大多數情況下都是顯著的，且斜率多為正值，即變程、空間相關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。與多數情況下的擬合結果不同的是，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系，采用分段線性回歸的R2大于簡單線性回歸的結果證實了這一趨勢。另一方面，2013年0～20c m土層含水率的空間相關度隨平均含水率的增加而減小的趨勢也與其它土層的結果不同。2013年0～20c m土層的含水率變程、空間相關度的不同變化趨勢從另一角度說明土壤含水率的時空分布規律很大程度上是由占主導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系會因降雨、灌溉發生時土壤濕潤狀況及根系吸收等水分運動過程的不同而存在差異，且在表層土壤因影響過程復雜而尤其顯著。之前的研究結果也表明不同的降雨、灌溉等因素會通過影響土壤水分運動過程，從而影響土壤含水率空間變異性。

3 結論

本文以棉田實測土壤含水率為基礎，結合傳統統計學與地統計學的方法，分析了土壤含水率的空間變異特征在土壤不同深度、不同年份的變化規律及其與土壤平均含水率之間的關系。結果表明土壤含水率的空間分布特征在土壤不同深度、生育期內不同時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系也隨土壤深度、時間的不同而不同。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。多數情況下，土壤含水率變異函數模型擬合參數隨土壤平均含水率的變化可以用線性關系來描述，但斜率在不同深度及不同時間都會有所不同。土壤含水率空間分布特征及其與土壤平均含水率的關系在不同時間存在差異，這很可能是因作物生長差異而導致的根系吸水及土壤水分在水平、垂直方向上運動的空間變異造成的。但在田間試驗中，對根系吸水及水分不同方向的運動進行觀測具有一定的困難，因此根據現有數據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測數據相結合的方法，能夠較好地控制影響因素，有利于量化不同因素的貢獻，應該成為下一步的研究內容。

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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。