膜下滴灌棉田土壤水分空間變異研究

膜下滴灌棉田土壤水分空間變異研究

土壤水分空間變化是近年來的研究熱點(diǎn)之一。土壤水分空間變異是尺度的函數(shù),影響土壤水分空間分布的因素很多,土壤水空間分布在很大程度上依賴于土壤的結(jié)構(gòu),滴灌帶的布置方式及棉花種植模式?jīng)Q定了灌水量及地面蒸發(fā)量的空間分布特性。因此,本文主要針對(duì)膜下滴灌棉田不同的土壤質(zhì)地進(jìn)行分析。為棉花的膜下滴灌智能化系統(tǒng)的實(shí)施提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持,科學(xué)的指導(dǎo)農(nóng)田灌溉。1材料和方法1.1蘇集居區(qū)氣候特征頭屯河灌區(qū)主要以農(nóng)業(yè)為主,年平均氣溫為6.1℃。元月的平均氣溫為-17.5℃,7月份的平均氣溫24.6,年氣溫較差為41℃,平均日溫較差為13.4℃,最高達(dá)26.2℃,極端最高溫度是42.0℃,最低溫度為-38.2℃?！?℃積溫3834℃,≥10℃積溫3374℃。光熱資源比較理想,特別是在作物生長(zhǎng)發(fā)育成熟的6―8月份內(nèi),平均每天的日照時(shí)間都在10小時(shí)以上,對(duì)需要長(zhǎng)日照或短日照的作物都可以滿足。平原區(qū)為2833h,日照率為64%。太陽年輻射量為133.6千卡/cm2以上。年平均降水量180.1mm。頭屯河灌區(qū)降水比較集中,約在41.6-56.1mm之間,占平原區(qū)全年降水總量的31.1%-32.6%。1.2-40cm土層厚度的變化田間試驗(yàn)在位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)十二師頭屯河農(nóng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)展開,用土鉆取樣,并用烘干法處理樣品。在兩塊60m×80m面積的試驗(yàn)地,布點(diǎn)方式是沿東西方向每隔10m,沿南北方向也每隔10m布置采樣點(diǎn),形成10m×10m的均勻布點(diǎn),共設(shè)采樣點(diǎn)48個(gè);在滴灌水1天后,大部分土壤水仍存在于土壤表層0-60cm內(nèi),0-40cm層土壤水分變化不大。在棉花的生育灌溉期間,滴灌定額少于45mm,一般只能影響到土壤0-40cm這一區(qū)域,要掌握灌溉過程中土壤水分的變化情況,只需要對(duì)0-60cm土層內(nèi)的土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所以,設(shè)計(jì)采樣深度為60cm,在每個(gè)采樣點(diǎn)剖面測(cè)定0-20cm、20-40cm和40-60cm三層土壤含水量。1.3模型擬合算法半方差函數(shù),也稱空間變異函數(shù),是用來描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性并存這一空間特征而提出的,是描述土壤特性空間變異結(jié)構(gòu)的一個(gè)函數(shù)。半方差函數(shù)γ(h)的計(jì)算式:(1)式中,h是樣本的間隔;N(h)是間隔為h的樣本對(duì)數(shù)。交叉驗(yàn)證法(Cross-validation)是一種模型優(yōu)選的驗(yàn)證方法,它能對(duì)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。交叉驗(yàn)證的主要思想:假設(shè)有n個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn),為了在模型集中選擇一個(gè)最優(yōu)模型,首先,我們刪掉一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn),用其余n-1個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)去擬合模型;然后用刪掉的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?再對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都進(jìn)行一次上面的操作,消除人為檢驗(yàn)期所引入的誤差,并把預(yù)測(cè)值與原來的觀測(cè)值進(jìn)行比較,在該準(zhǔn)則下選擇最優(yōu)模型。2結(jié)果與分析2.1土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性利用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Q―Q正態(tài)概率檢驗(yàn),結(jié)果表明均符合正態(tài)分布。再對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析。半方差函數(shù)分析相關(guān)參數(shù)見表1。由表1中的塊金基臺(tái)比的值可以看出,相對(duì)于粘土研究區(qū)0-20cm、20-40cm和40-60cm的塊金基臺(tái)比依次為49.98%、49.98%、89.32%,其相應(yīng)的空間變異性依次屬于中等變異,中等變異和強(qiáng)變異,說明0-40cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性一般,40-60cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性較差。相對(duì)于壤土研究區(qū)0-20cm、20-40cm和40-60cm的塊金基臺(tái)比依次為100%、20.42%、19.98%,其相應(yīng)的空間變異性依次屬于強(qiáng)變異,弱變異和弱變異,說明0-20cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性較差,20-60cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性顯著。這是由于膜下滴灌局部灌溉的特點(diǎn)及不同土壤的田間持水性造成的。上述分析表明,在膜下滴灌模式下,不同土壤質(zhì)地,相應(yīng)于同一深度層的土壤含水率的理論模型不同。0-20cm層土壤含水率的隨機(jī)因素帶來的空間變異性最大,其它層的較小,粘土土壤含水率的隨機(jī)因素帶來的空間變異性大于壤土的。相對(duì)于兩個(gè)研究區(qū)同一深度而言,粘土土壤含水率的總的空間變異性大于壤土的。相對(duì)于粘土0-20cm、20-40cm和40-60cm的空間變異性依次屬于中等變異,中等變異和強(qiáng)變異,說明0T40cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性一般,40-60cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性較差。相對(duì)于壤土0-20cm、20-40cm和40-60cm的空間變異性依次屬于強(qiáng)變異,弱變異和弱變異,說明0-20cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性較差,20-60cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性顯著。主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)的土壤質(zhì)地的不同和受到的人為因素的不同。2.2模型估計(jì)精度檢驗(yàn)為了更精確地描述不同土壤質(zhì)地下滴灌棉田土壤含水率的空間變異,分別計(jì)算了不同土壤質(zhì)地下的各層土壤含水率的估計(jì)值,并進(jìn)行平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MRE)、相對(duì)均方差(RSME)和I值四個(gè)統(tǒng)計(jì)量的精度檢驗(yàn),結(jié)果見表2。為了更加準(zhǔn)確地反映滴灌棉田土壤含水率的空間分布情況,本文分別計(jì)算了普通克立格法(OK)和簡(jiǎn)單克立格法(SK)的兩種空間插值并進(jìn)行精度檢驗(yàn)比較。從表2中粘土研究區(qū)的估值精度來看,普通克立格法(OK)估值的平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MRE)、相對(duì)均方差(RSME)和I值四個(gè)統(tǒng)計(jì)量均大于簡(jiǎn)單克立格法(SK)的估值精度。從壤土研究區(qū)的估值精度來看,0-20cm層的普通克立格法(OK)估值的平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MRE)、相對(duì)均方差(RSME)和I值四個(gè)統(tǒng)計(jì)量均大于簡(jiǎn)單克立格法(SK)的估值精度;而20-40cm層和40-60cm層的四個(gè)統(tǒng)計(jì)量簡(jiǎn)單克立格法(SK)的估值精度更高。其中,20-40cm層土壤含水率的估值精度最大。分析表明,相對(duì)于粘土研究區(qū),普通克立格法(OK)優(yōu)于簡(jiǎn)單克立格法(SK)的估值精度,相對(duì)于壤土區(qū),簡(jiǎn)單克立格法(SK)優(yōu)于普通克立格法(OK)的估值精度。不同土壤質(zhì)地條件下,20з40cm層土壤含水率的估值精度最大。3土壤質(zhì)地對(duì)膜下自然權(quán)利的影響在兩個(gè)不同土壤質(zhì)地的研究區(qū)中,0-20cm層土壤含水率的隨機(jī)因素帶來的空間變異性最大,其它層的較小,粘土土壤含水率的隨機(jī)因素帶來的空間變異性大于壤土的。粘土滴灌棉田20-40cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)顯著性較好,而壤土滴灌棉田則是20-60cm層土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)顯著性較好,為弱變異。即是說明,不同土壤質(zhì)地的條件下,膜下滴灌棉田土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)性不同。從不同試驗(yàn)研究區(qū)的估值精度來看,不同土壤質(zhì)地的估值精度不同,粘土研究區(qū)的估值精度小于壤土研究區(qū)的估值精度,其中,20-40cm層土壤含水