馮 娜, 張維江,2,3, 李 娟,2,3, 馬 芳,姜瑞洋, 李偉建, 黃 艷, 丁 廣, 姜茂付, 王旭東

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750021; 3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心, 寧夏 銀川 750021)

土壤水分是植物所需水分的重要來源，是土壤的重要參數(shù)之一，土壤水分的含量[1]及變化關(guān)系到整個植物的生長及果實的發(fā)育，對土壤水分各個特性的研究為模擬土壤水分分布等其他領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)信息。隨著科技的不斷發(fā)展與進步，土壤水分的監(jiān)測手段更加智能化、自動化[2]。國內(nèi)外許多專家學者基于土壤水分空間變異性[3-4]和時間穩(wěn)定性[5-6]等各種方法對不同灌溉方式和不同農(nóng)作物的土壤水分監(jiān)測點數(shù)量[7]、位置[8]、布設(shè)方法[9]進行了廣泛研究，對區(qū)域土壤水分監(jiān)測點的布設(shè)提供了寶貴的理論依據(jù)。起壟覆膜[10]集雨滲灌技術(shù)針對半干旱、干旱地區(qū)無效降水[11]無法到達作物根系、蒸滲損失大、降水有效利用率低等特點，通過覆膜集流滲灌對作物實施根系區(qū)域補水，提高作物土壤水分利用效率[12]。目前對于起壟覆膜集雨滲灌技術(shù)下的土壤水分監(jiān)測點的布設(shè)研究較少，本文以寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)彭堡鎮(zhèn)紅梅杏經(jīng)濟林為研究對象，監(jiān)測其不同位置的土壤含水量情況，研究其土壤含水量的時空[13]分布特征，并基于時間穩(wěn)定性選取合理代表監(jiān)測點[14]，構(gòu)建各監(jiān)測點土壤水與代表樣點間的關(guān)系。在保證一定精度的條件下，用少量監(jiān)測點來反映紅梅杏根區(qū)土壤含水量的概況，降低土壤水分傳感器成本，為半干旱區(qū)果園水分管理提供了科學支撐，具有一定的科學意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)(106°13′E， 36°14′N[15])彭堡鎮(zhèn)，地處寧夏南部，六盤山東北麓，黃土高原中西部，區(qū)域內(nèi)山多川少，為內(nèi)陸暖溫帶半干旱氣候，年平均降水量300～500 mm，年平均蒸發(fā)量800～1 200 mm，多年平均氣溫6.75 ℃，多年平均日照時2 250～2 700 h，無霜期144 d。該區(qū)域的土質(zhì)組成質(zhì)地較為單一、土層較為深厚、地下水埋深較淺。土壤機械組成詳見表1。試驗所需觀測紅梅杏樹樹齡均為4 a，林相整齊，單株差異較小。

表1 試驗地土壤機械組成

1.2 田間布置

覆膜集雨滲灌技術(shù)是以主干[16]為中心，沿果樹行向[17]在樹干兩側(cè)100 cm各覆蓋0.01 mm厚的黑色地膜[18]，在距樹干兩側(cè)50 cm處各埋置滲灌器，滲灌器埋設(shè)位置頂部較四周田面低，利于集水。滲灌器為自主創(chuàng)新研發(fā)，滲灌器底部直徑為14 cm，頂部直徑為16 cm，高為35 cm，頂部封口并打孔，滲灌器器身距頂部5 cm，底部5 cm，中間全打孔。埋置土壤水分傳感器的方式為：水平方向以滲灌器頂部邊緣處為觀測原點，滲灌器頂部邊緣延長線為基準線，向遠離樹干徑向延伸；垂直方向以滲灌器頂部邊緣為觀測原點，滲灌器垂向邊緣切線為基準線，向地表以下方向延伸，傳感器按10 cm×10 cm呈網(wǎng)格狀布置，共30個監(jiān)測點，監(jiān)測點第一層L10D10(L代表橫向，D代表縱向)為1號點，依次按遠離滲灌器方向為2，3，4，5號點，第2層為6—10號，其他層以此類推。

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析

(1) 降雨量的測定。在紅梅杏樹附近的空曠地設(shè)置翻斗式雨量計，每次降雨后雨量計所得數(shù)據(jù)即為天然降雨量。

(2) 土壤體積含水量的測定。采用EC5土壤水分傳感器測定，設(shè)定為每1 min記錄1次，數(shù)據(jù)采集使用EM50記錄儀。

(3) 用Excel 2016對所得土壤體積含水量數(shù)據(jù)進行處理，用SPSS 25進行統(tǒng)計分析，用Origin 2 017進行繪圖。

本次試驗采用2019年9月22—26日共5 d數(shù)據(jù)，其中22日為降雨前1 d，23日為降雨日，累計降雨量為20 mm，24—26日為降雨后3 d，期間無降雨。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤體積含水量分布特征

圖1為豎直剖面降雨前1 d，降雨日、降雨后3 d土壤水分的分布情況。從圖1可以看出,分析時段內(nèi)，不同深度處土壤含水量的分布特征基本一致[19]，含水量由率先入滲點30 cm向上向下均呈先增大后減小[20]趨勢，在20—40 cm深度范圍內(nèi)達到最大；相比降雨前，在降雨歷時范圍內(nèi)，土壤含水量在各個深度處均有顯著的增加；隨著雨后時間的延長，整個果樹周圍土壤水分含量逐漸減??；分析時段內(nèi)，不同徑距土壤含水量的分布特征也基本一致，含水量隨著徑距的增加先增大后減小，在20—40 cm徑距范圍內(nèi)達到最大；相比降雨前，在降雨歷時范圍內(nèi)，土壤水含量在各個徑距處均有顯著的增加；隨著雨后時間的延長，土壤水進行再分布，各個徑距處土壤含水量逐漸減小。表2為整個分析時段內(nèi)土壤含水量在不同深度處的分布特征。從表2可以看出，各層土壤水分的穩(wěn)定性有所差異；由率先入滲點30 cm處往上土壤水分變異程度逐漸減小，土壤水分逐漸趨于穩(wěn)定；往下變異程度先增大后減小，40—50 cm深度范圍內(nèi)，土壤水分變異程度最大，表明該部分土壤中的水分最為活躍，這與此范圍內(nèi)土壤含水量較小和根系分布較密有關(guān)。表3為整個分析時段內(nèi)土壤含水量在徑向的分布特征。從表3可以看出，各個徑距處土壤水分的穩(wěn)定性也有所差異：整體上距離滲灌器越遠，土壤水分的變異程度越小，即越穩(wěn)定。綜上，覆膜集雨滲灌條件下土壤水分的空間變異性是各尺度[21]上各種復(fù)雜因素和過程綜合作用的結(jié)果[22]。

圖1 土壤含水量分布特征

表2 不同深度土壤含水量分布特征

2.2 土壤水分徑向監(jiān)測點的布設(shè)研究

將深度0—60 cm的土壤分為6層，每10 cm為1層，由時間穩(wěn)定性特征選取徑向代表樣點，根據(jù)劉玉嬌[14]和朱緒超[23]等的研究，土壤水分的時間穩(wěn)定性計算公式為：

(1)

(2)

(3)

對各監(jiān)測點在分析時段內(nèi)的土壤含水量進行時間穩(wěn)定性[24]分析，結(jié)果如圖2所示。土壤平均含水量相對偏差主要分布在-0.3～0.3之間，濕潤區(qū)22，13，12，26，1，11號和干旱區(qū)30，15，10，2，19號的Sδi<0.15，時間穩(wěn)定性較好；9，8，5，18，4，27號的Sδi>0.25，時間穩(wěn)定性較差；其余點的Sδi在0.15～0.25之間，時間穩(wěn)定性一般。在所有監(jiān)測點中，11號監(jiān)測點代表最濕潤，22號時間穩(wěn)定性最好，30號最干旱，9號時間穩(wěn)定性最差，21號最接近該層的平均土壤含水量但是穩(wěn)定性較差，22號與21號在同一層且時間穩(wěn)定性最好，故橫向代表測點選22號。

表3 不同徑距土壤含水量分布特征

圖2 各測點平均土壤含水量的相對偏差排序

2.3 垂向監(jiān)測點的布設(shè)研究

因為22號監(jiān)測點最穩(wěn)定且較濕潤，同時考慮到土壤水分傳感器探頭的長度(5 cm)，故選定22號(L20D50)的垂向(0—60 cm)各測點土壤含水量數(shù)據(jù)來反映根區(qū)土壤水分狀況。

2.3.1 相關(guān)性分析 由分析時段內(nèi)的數(shù)據(jù)分析L20各監(jiān)測點的土壤含水量之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果詳見表4。由表4可知，L20各深度土壤含水量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，除第3層與第4層的相關(guān)性較小外，其他相鄰兩層間土壤含水量的相關(guān)系數(shù)都大于0.7。相關(guān)系數(shù)為負一是由于隨著降雨量的增加，滲灌器中的積水在深度30 cm處開始入滲，濕潤鋒不斷向上下兩側(cè)推進，加之重力作用，在入滲過程中濕潤鋒向上推進速率比向下推進要小，二是由于果樹的根系分布的影響，從而使某幾層土壤含水量呈現(xiàn)負相關(guān)。其他土層間相關(guān)系數(shù)絕對值均在0.4以上。其中，第5層和第6層相關(guān)性最高，達到0.996。因此在布設(shè)監(jiān)測點時，可以適當拉大監(jiān)測點的布設(shè)間距，從而減少布設(shè)個數(shù)，使0—60 cm土層中各層的土壤含水量狀況可以用某幾層來反映。

表4 L20不同深度土壤體積含水量相關(guān)系數(shù)

2.3.2 聚類分析 利用相關(guān)分析所得出的結(jié)果，以L20垂向每個埋深處的土壤含水量作為一個變量，可得到6個變量，分別為D10，D20，D30，D40，D50，D60，利用R聚類分析對這6個變量進行分類。R型聚類分析將變量數(shù)據(jù)集自身作為1類，然后根據(jù)不同變量之間相似度或距離進行合并，合并后重新計算類間距離，直到將所有變量歸為一類。本文選用歐氏距離最短距離法[25]分析L20處各深度的土壤含水量數(shù)據(jù)。圖3為各深度處土壤含水量聚合過程譜系圖，由圖3可知，代表第1層、第5層、第6層處土壤水分的變量首先合并在一起，說明這3層的土壤含水量變量距離最小，所以可以考慮減少這3層的傳感器的埋設(shè)數(shù)量。當6層土壤含水量狀況被劃分為2類時，第4層和其余的土層就是兩大類;分為3類時，第2層和第3層的土壤含水量分為第1類，代表率先入滲時土壤含水量情況，考慮到滲灌器初始入滲點為30 cm處即第3層，故此處布設(shè)一個監(jiān)測點；第4層為第2類，代表中層土壤含水量情況，且為根域?qū)?，此處布設(shè)一個監(jiān)測點；第3類為第5層和第6層的土壤含水量，代表深層土壤含水量情況，在第6層處設(shè)置一個監(jiān)測點;以此類推，分類數(shù)目越大，歸類越詳細，需要布設(shè)的監(jiān)測點越多，傳感器的需求量也就越大。綜上所述，在0—60 cm范圍內(nèi)，只需在第3層，第4層，第6層處埋設(shè)3個土壤水分傳感器即可。

圖3 6個深度土壤水分的聚類譜系圖

2.4 平均土壤含水量預(yù)測模型建立

采用整個分析時段測得的土壤體積含水量數(shù)據(jù)，建立： ①第1—3層(10—30 cm)平均土壤含水量與L20D30測點含水量回歸模型； ②第5—6層(50—60 cm)平均土壤含水量與L20D60測點含水量回歸模型，模型表達式分別為：

Y=1.109X-0.067

(4)

式中：Y為1—3層(10—30 cm)土壤體積含水量均值；X為L20D30測點的土壤體積含水量的實測值。

Y=1.427X-0.070

(5)

式中：Y為第5—6層(50—60 cm)土壤體積含水量均值；X為L20D60測點的土壤體積含水量的實測值。對回歸方程進行顯著性檢驗，結(jié)果詳見表5。

表5 10-30 cm和50-60 cm相關(guān)回歸系數(shù)的顯著性檢驗

2.5 預(yù)測模型驗證

根據(jù)上述預(yù)測模型和雨量計記錄的數(shù)據(jù)，選取2019年10月23—27的土壤體積含水量數(shù)據(jù)(10月24日為降雨日，前1 d后3 d無降雨)進行預(yù)測，并與實測值進行比較，以檢驗?zāi)Ｐ偷木_度與可靠性。從降雨開始前到降雨后3 d每隔10 h選取1個數(shù)據(jù)，共10個數(shù)據(jù)，第1個數(shù)據(jù)作為0時。從表6中可知，將L20D30,L20D60測點的回歸值分別與30，60 cm深度土壤含水量實測值比較，絕對誤差率在±5%以內(nèi)；回歸值與實測平均值相對誤差在±5%以內(nèi)，誤差較小，符合實際要求，說明L20D30,L20D60點的實測值可以估算10—30，50—60 cm深度土壤含水量。

表6 模型預(yù)測和實測的土壤含水量對比

3 結(jié) 論

(1) 整個分析時段內(nèi)，土壤含水量的垂向和徑向分布特征基本一致，水分含量在垂向和徑向均先增大后減小。垂向由率先入滲點30 cm處往上土壤水分變異系數(shù)逐漸減小，往下變異系數(shù)先增大后減??；徑向整體上距離滲灌器越遠，土壤水分的變異系數(shù)越小。

(2) 通過相關(guān)性分析，除第3層與第4層的相關(guān)性較小外，其他相鄰兩層間土壤含水量的相關(guān)系數(shù)均在0.7以上；利用聚類分析得出，只需在L20處的第3層(30 cm)，第4層(40 cm)，第6層(60 cm)處各埋設(shè)1個土壤水分傳感器。

(3) 利用線性回歸模型分析，并采用各監(jiān)測點數(shù)據(jù)與模型預(yù)測值進行對比，絕對誤差率在±5%內(nèi)；模型預(yù)測值與相應(yīng)代表層的平均值進行對比，相對誤差率±5%內(nèi)。這說明L20D30，L20D60處的含水量分別可以反映10—30 cm和50—60 cm處的含水量情況。