姚 麗，王仰仁，陳 釗，高 微，張 喆

(1.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備校企協(xié)同創(chuàng)新實驗室，天津 300384；3.天津市武清區(qū)水利技術(shù)推廣中心，天津 301700)

0 引 言

農(nóng)田土壤水分隨空間點變化呈現(xiàn)隨機性，即在同樣地塊、同樣灌水時間不同空間點土壤含水率不相同，而且，土壤水分的空間變異隨時間是變化的，將此稱為土壤水分的時空變異。土壤水分時空變異是由多重尺度上的土地利用(植被)、氣象(降雨)、地形、土壤、人為活動等多因子綜合作用的結(jié)果[1]。土壤含水率具有較強的空間變異性[2]，國內(nèi)外學(xué)者對此有了較多的研究，研究的方法有多種，例如，經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法、地統(tǒng)計學(xué)方法、染色示蹤法、時間序列法、土壤水分成像法等[3]。土壤水分時空變異也會隨著尺度的變化而發(fā)生明顯的改變, 大尺度由大氣控制，主要決定于降雨和蒸發(fā)格局, 小尺度主要決定于土壤、地形、植被和根系結(jié)構(gòu)等[4]。高科認為黃河源區(qū)的土壤水分整體在弱變異性范圍內(nèi)，林地覆蓋下土壤含水率變異系數(shù)最高[5]；竇旭以河套灌區(qū)下游烏拉特灌域為研究區(qū)，對鹽漬化灌區(qū)土壤水分空間變異性進行了研究，認為表層土壤含水率變異系數(shù)較高，屬于中等變異范圍，深層土壤含水率變異系數(shù)較低，屬于弱變異范圍[6]?？v觀現(xiàn)有研究，對農(nóng)田尺度土壤水分空間變異性研究多局限于短時段的、基于人工測試的土壤墑情，對于土壤含水率空間變異隨時間變化特性研究還較少。本文以TDR式土壤墑情傳感器監(jiān)測的土壤含水率為依據(jù)，利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，研究了農(nóng)田尺度空間變異隨時間的變化，目標是為農(nóng)田精準灌溉提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗于天津市武清區(qū)北靳莊試驗區(qū)(117°1′E，39°22′N，海拔8 m)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。年平均氣溫為11.6 ℃，1月平均氣溫為-5.1 ℃，7月平均氣溫為26.1 ℃，年平均降水量為606 mm，土壤為中壤土，土質(zhì)疏松肥沃，宜于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，該地區(qū)有較好的灌溉條件，水源從永定新河引入溝渠，再提水灌溉，小麥生育期一般灌水2～3次，玉米生育期灌水一般1～2次，全村耕地154．67 hm2。該地區(qū)多年平均氣溫12.2℃，多年平均降雨量為557.3 mm 左右，蒸發(fā)量1 735.9 mm。土壤質(zhì)地為中輕壤土，0～100 cm 土壤平均干容重1.41 g/cm3，田間持水率24.6%，地下水埋深隨季節(jié)變化而有所變化，干旱季節(jié)4～5 m，雨季1～2 m。試點分層土壤水分特征參數(shù)值見表1。

表1 試點分層土壤水分特征參數(shù)Tab.1 Pilot layered soil moisture characteristic parameters

1.2 試驗方法

本試區(qū)兩套墑情監(jiān)測系統(tǒng)分別設(shè)置于天津市武清區(qū)崔黃口鎮(zhèn)北靳莊試區(qū)和西呂村試區(qū)，用于監(jiān)測大田土壤墑情，系統(tǒng)布置見圖1，試區(qū)面積286.67 hm2。傳感器采集的土壤含水率(體積含水率)數(shù)據(jù)為小時值，數(shù)據(jù)管理中心設(shè)置在天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院。每套系統(tǒng)有一個基站，基站控制3個測點(B1、B2、B3代表北靳莊第一個、第二個、第三個測點的土壤含水率，X1、X2、X3代表西呂村第一個、第二個、第三個測點的土壤含水率)。每個測點連接兩個土壤水分傳感器(埋設(shè)于地表下30和60 cm處)，其中有一個測點埋設(shè)地溫傳感器(埋設(shè)于地表下30 cm處)。兩臺基站相距2 560 m；由于二者相距較近，僅在一個基站設(shè)置了天氣信息(空氣溫濕度、有效光合輻射、降雨量)采集傳感器。測點將土壤水分和溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)實時無線發(fā)送到基站，基站再將采集的天氣信息、測點傳來的土壤水分和土壤溫度信息通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心。

圖1 基站及節(jié)點分布圖Fig.1 Base station and measuring point distribution map

1.3 分析方法

1.3.1 土壤剖面平均含水率的計算

傳感器測得的為30、60 cm處土壤含水率，需轉(zhuǎn)化為0～60 cm平均含水率作為土壤墑情。由于傳感器監(jiān)測到的是逐小時土壤含水率，現(xiàn)取每日中午12時的土壤含水率作為當日土壤含水率，得到逐日土壤含水率(30、60 cm)，時間為2017年11月7日至2019年8月29日，共660 d。利用式(1)求得0～60 cm土壤含水率。

xk(t)=a1xl(t)+b1xm(t)+c1(l、m、k=1,2,3,…,6)

(1)

式中：xl(t)為傳感器監(jiān)測的逐日30 cm處的含水率；xm(t)為傳感器監(jiān)測到的逐日60 cm處的含水率；xk(t)為逐日0～60 cm平均含水率；l、m、k表示試區(qū)測點的序號，根據(jù)李泳霖[7]的研究結(jié)果；a1為0.645；b1為0.264；c1為1.868。

1.3.2 變異系數(shù)的計算

經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)通常用變異系數(shù)(CV)的大小描述變量的變異程度，當CV≤10% 時為弱變異，當10%≤CV≤100% 時為中等變異，當CV≥100% 時為強變異[8]。按式(2)～(4)計算得6個節(jié)點的分層(30 cm和60 cm處)、平均土壤含水率(0～60 cm)隨時間變化的CV值。

(2)

(3)

(4)

1.3.3 測點土壤含水率相關(guān)性分析

本研究以2個測點、3個測點土壤含水量的相關(guān)關(guān)系來描述不同距離測點土壤含水率的相關(guān)性。兩個測點之間的相關(guān)系數(shù)按照式(5)計算，由此分析相關(guān)系數(shù)隨測點之間距離的變化情況；3個測點之間的相關(guān)系數(shù)，則利用多元線性回歸分析的方法確定，試區(qū)共6個測點，選取其中一個測點的土壤含水率作為因變量，從剩余的5個測點中選取兩個作為自變量，按照式(6)做回歸分析，可求得式中參數(shù)(a2、b2、c2)、相關(guān)系數(shù)[式(7)]和相對誤差[式(8)和式(9)]。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 監(jiān)測點土壤含水率的變化過程

圖2給出了由傳感器測得的6個測點的土壤含水率以及按式(1)計算得到的0～60 cm土層平均含水率隨時間的變化過程，圖2中還給出了對應(yīng)時間的降雨量。

圖2 北靳莊、西呂村監(jiān)測點土壤含水率隨時間變化過程Fig.2 Change of soil water content with time at monitoring points in Beijinzhuang and Xilv Village

從圖2中可以看出，①土壤含水率有缺測情況，主要原因是傳感器設(shè)備的故障問題；②30 cm處的土壤含水率的波動比較大，主要原因是表層土壤含水率變化較大；330 cm處土壤含水率普遍大于60 cm處的含水率；④土壤含水率有顯著增大的時間點，該點處或者有較大降雨，或者有灌水。由此可確定測點所在地塊的灌水時間和灌水次數(shù)，進而分析給出當?shù)毓嗨闆r。

從圖2還可以看出，不同測點土壤含水率變化差異較大，有的測點含水率變化較大(西呂村測點3、北靳莊測點2和測點3)，有的測點含水率變化較為平緩(西呂村測點1、測點2和北靳莊測點1)，測點含水率變化較為平緩的情況下，土壤含水率往往較大，比如2018年7-8月、2019年7-8月期間，各測點土壤含水率變化均較為平緩，其最低含水率普遍在20%以上。

2.2 土壤含水率變異系數(shù)隨時間的變化過程

通過計算，給出試區(qū)6個測點的土壤含水率的最大值、最小值、平均值以及變異系數(shù)的變化范圍，見表2。6個測點30、60 cm處以及0～60 cm土壤含水率的最大值、最小值和平均值隨時間的變化過程，見圖3。

表2 土壤含水率最大值、最小值、平均值和變異系數(shù)的變化范圍Tab.2 variation Range of soil moisture content maximum, minimum, average and coefficient of variation

從表2中可以看到，6個測點土壤含水率的最大值的變化范圍為21.74%～41.78%，最小土壤含水率的變化范圍為9.43%～35.09%。從表2可以看到，6個測點30 cm處土壤含水率變異系數(shù)的變化范圍為5.5%～39.3%；60 cm處土壤含水率變異系數(shù)的變化范圍為7.2%～23.7%，小于30 cm處土壤含水率變異系數(shù)的變化范圍；0～60 cm平均土壤含水率變異系數(shù)的變化范圍為5%～35.8%，均呈弱變異和中等變異。

從圖3可以看出：

(1)各層逐日土壤含水率的差異較大，30、60、0～60 cm處土壤含水率變化幅度分別變化于4.7%～21.8%、6%～16%、4.4%～17.7%，30 cm處土壤含水率的變化幅度最大。

圖3 土壤含水率最大值、最小值、CV隨時間的變化過程Fig.3 The process of changing the maximum, minimum and CV of soil moisture content with time

(2)測試時期內(nèi)30、60、0～60 cm土壤含水率的變異系數(shù)差異較大，如2017年12月至2018年3月、2018年5-6月、2019年5-6月、2018年12月至2019年3月土壤含水率的變異系數(shù)變化于15%～40%，該時期為灌溉期，土壤含水率較小(最小可達9%)。測試期間7-9月，土壤含水率的變異系數(shù)差異相對較小，變化于10%～20%，該時段為雨季，土壤含水率較大(均大于20%)。有學(xué)者研究結(jié)果與本研究這一結(jié)果一致，土壤含水率越高，土壤變異性越小[12-14]，但也有學(xué)者的研究結(jié)果為土壤含水率越大土壤變異性越大[9]，主要原因是該學(xué)者的研究尺度較小(0.25、0.01、0.000 4 hm2)。

(3)60 cm處土壤含水率的變異系數(shù)變化較穩(wěn)定，相應(yīng)的30 cm處變化幅度較大；0～60 cm平均土壤含水率的變異系數(shù)變化幅度與30 cm處的變化一致，30 cm和0～60 cm土壤含水率的變異系數(shù)普遍高于60 cm處的變異系數(shù)，表明土壤表層的含水率變化幅度較大。

2.3 測試點土壤含水率的相關(guān)關(guān)系

2.3.1 兩個測點土壤含水率相關(guān)關(guān)系

對試區(qū)6個測點土壤含水率相關(guān)性進行分析，得到15組相關(guān)系數(shù)。以兩個測點之間的距離為橫坐標，相關(guān)系數(shù)為縱坐標，得到相關(guān)系數(shù)隨距離的變化情況，見圖4。

從圖4中可以看到，一個基站控制的3個測點土壤含水率兩兩相關(guān)系數(shù)變化于0.702 5～0.932 7(30 cm)和0.636 0～0.838 5(60 cm)，30 cm處土壤含水率的相關(guān)系數(shù)與60 cm處的相關(guān)系數(shù)變化情況相近，隨著距離的增大先增大再減小進而繼續(xù)增大，相關(guān)系數(shù)最高可達0.932 7，均達到極顯著水平[r=(500,0.01)=0.115，r(1 000,0.01)=0.081，500為樣本數(shù)，0.01為顯著性水平]因此可以說明在一定距離內(nèi)一個點的土壤含水率在一定程度上可代表另外一個點的含水率；將兩個基站控制的測點進行兩兩相關(guān)性分析，得到土壤含水率的相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.612 8～0.855 9(30 cm)和0.572 8～0.752 2(60 cm)，均達到極顯著水平。相關(guān)系數(shù)有所減??；30 cm處的土壤含水率的相關(guān)系數(shù)整體高于60 cm處的相關(guān)系數(shù)，且隨著二者距離的增大，相關(guān)系數(shù)的變化沒有明顯規(guī)律。因而進行墑情監(jiān)測點布置時，點與點之間的距離在現(xiàn)有基礎(chǔ)上應(yīng)該有所增加。

圖4 各測點分層土壤含水率的相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient of soil moisture content in each layer

2.3.2 3個測點土壤含水率相關(guān)關(guān)系分析

將6個測點按照式(6)進行組合，可得到60個組合，選取其中具有代表性的12種組合進行相關(guān)系數(shù)分析，可得到表3。

表3 3個測點土壤含水率相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation among soil moisture content of three measuring points

續(xù)表3 3個測點土壤含水率相關(guān)關(guān)系

從表3可以看出，在測試期間，兩個基站控制的6個測點的分層土壤含水率的相關(guān)系數(shù)變化幅度較大，變化于0.640 4～0.939 7，均值為0.787 8，相對誤差變化于2.54%～13.62%，均值為6.82%；3個測點土壤含水率具有明顯的線性關(guān)系，且參數(shù)a、b的值均小于1，常數(shù)c則無明顯變化規(guī)律；表明6個測點的土壤含水率具有一定的關(guān)系，由此說明本研究中測點之間的相對距離可適當增大。

從表3還可以看出，隨著試區(qū)尺度的增大(6.48、15.25、286.67 hm2)，土壤含水率的相關(guān)系數(shù)減小，研究尺度對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)平均值分別為0.715 5、0.705 8、0.547 2，主要原因是隨著試區(qū)尺度的增大，影響土壤含水率變化的因素不斷增多。該結(jié)果與馬春芽和胡偉等研究結(jié)果一致，他們認為研究尺度在一定范圍內(nèi)增大，土壤含水率的變異系數(shù)逐漸增大[10,11]。也有學(xué)者認為土壤含水率的統(tǒng)計特征值(R2)隨著研究尺度的減小而減小[9]，主要原因是該學(xué)者研究尺度較小(0.25、0.01、0.000 4 hm2)，遠小于本研究的尺度。

3 結(jié) 論

(1)土壤含水率的變異系數(shù)(CV)隨時間有顯著的變化，CV變化較大時，土壤含水率較小，通常為灌溉時期；CV較小時，土壤含水率較大，普遍為降雨量較大時期。

(2)本試區(qū)土壤含水率的時空變異基本呈弱變異和中等變異。

(3)測點含水率之間的相關(guān)系數(shù)在一定程度上能夠反映土壤含水率空間變異性，隨著研究尺度的增大，相關(guān)系數(shù)在減小。