基于空間變異性的土壤水分空間分布研究

基于空間變異性的土壤水分空間分布研究

根據(jù)田間的實(shí)際情況，在土壤條件（物理、化學(xué)和生物性質(zhì)）相同的區(qū)域，不同空間位置上的土壤特性（生物性質(zhì)）的數(shù)量值是不同的。這種屬性被稱為土壤特性的空間變異。土壤空間變異的研究始于20世紀(jì)60年代,國際學(xué)術(shù)界自70年代提出研究土壤空間變異以來,土壤特性空間變異一直是人們共同關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn)。國外開展了大量的關(guān)于土壤性質(zhì),尤其是土壤物理性質(zhì)方面的空間變異研究。我國學(xué)者于80年代初開始研究土壤和水資源系統(tǒng)中參數(shù)的空間變異問題。在農(nóng)田灌溉管理決策中,利用中子儀監(jiān)測土壤水分時(shí),中子儀觀測管的個(gè)數(shù)、間距及具體的位置對于灌溉決策的精度有重要的影響。根據(jù)有代表意義的田間持水量值進(jìn)行空間變異分析,進(jìn)而確定如何科學(xué)合理地埋設(shè)觀測管,對于農(nóng)田節(jié)水過程中動態(tài)監(jiān)測土壤水分狀況是十分必要和可行的。1采樣點(diǎn)樣的選取灌區(qū)土壤特性空間變異性實(shí)驗(yàn)研究分別在兩地進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)1在新疆農(nóng)七師奎屯地區(qū)128團(tuán)三連進(jìn)行,采樣日期是1998年5月16日,土壤質(zhì)地為粘土。布點(diǎn)方式為每隔4m沿東西、南北方向各取一點(diǎn),沿東西方向每一導(dǎo)線除第3行、第6行最后一點(diǎn)不取樣外,其余各行均取8個(gè)點(diǎn),共取7行,54個(gè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)2取樣點(diǎn)位于新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場,采樣日期是1998年6月5日,土壤質(zhì)地是砂壤土。各點(diǎn)之間相距9m,沿東西及南北方向各取8行8列,共取64個(gè)點(diǎn)。取樣布置圖見圖1和圖2。用環(huán)刀取土鉆取樣,采樣深度為土壤耕層20cm～30cm。為減少地邊土壤濕度變化影響,取樣均離地邊2m～3m。土樣用于測定田間持水量,土壤含水量的測定用烘干法。2田間持水量t分布特性,l土壤特性值的空間分布具有必然性和偶然性。土壤水分特性空間分布的偶然性表現(xiàn)為土壤特性的變化呈隨機(jī)性。在此,我們視空間變化的土壤特性為隨機(jī)變量,而且相互獨(dú)立。按經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法分析,得出田間持水量的統(tǒng)計(jì)特征值見表1。表中取樣誤差取10%,置信水平取95%。根據(jù)土壤水分的觀測值,作出累計(jì)概率曲線,結(jié)果近似為直線,因此土壤含水量近似為正態(tài)分布。表1中N指正態(tài)分布。表中:標(biāo)準(zhǔn)差σ=√Ν∑i=1(xi-ˉx)2/Ν(1)σ=∑i=1N(xi?xˉ)2/N????????????ue001?ue000ue000(1)平均值ˉx=1ΝΝ∑i=1xi(2)xˉ=1N∑i=1Nxi(2)變異系數(shù)Cv=σ/ˉx(3)Cv=σ/xˉ(3)合理取樣數(shù)n=λ2a?f(σΔ)(4)n=λ2a?f(σΔ)(4)式中:N為實(shí)際取樣數(shù)目;σ2為樣本方差;λ2a,f2a,f為t分布特征值;Δ為允許誤差。在農(nóng)田水分管理中,田間持水量是一個(gè)重要的水分常數(shù),它對于灌溉決策方案的制定具有重要意義。從上述兩表中可以看出,兩實(shí)驗(yàn)地田間持水量的合理取樣數(shù)分別為8和3。因此在實(shí)際的土壤研究中,實(shí)驗(yàn)工作量可大大減少。另外此結(jié)果還可用于中子儀測定土壤水分時(shí)觀測管布置的最小個(gè)數(shù)。3圖中規(guī)定了空間相關(guān)區(qū)域的確定和土壤含水量的等值線3.1持水量半方差函數(shù)的擬合半方差函數(shù)也可稱為半變異函數(shù),是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究土壤變異性的關(guān)鍵函數(shù)。如果隨機(jī)函數(shù)Z(x)具有二階平穩(wěn)性,則半方差函數(shù)(h)可以用Z(x)的方差S和空間協(xié)方差C(h)來定義:γ(h)=S2-C(h)(5)其中,γ(h)反映了Z(x)中的空間相關(guān)部分,它等于所有以給定間距h相隔的樣點(diǎn)測值之差平方的數(shù)學(xué)期望:γ(h)=12E[Ζ(x)-Ζ(x+h)](6)γ(h)=12E[Z(x)?Z(x+h)](6)實(shí)際計(jì)算可用:γ(h)=121Ν(h)-Ν(h)∑i=1[Ζ(xi)-Ζ(xi+h)]2(7)γ(h)=121N(h)?∑i=1N(h)[Z(xi)?Z(xi+h)]2(7)式中:N(h)是以h為間距的所有觀測點(diǎn)的成對數(shù)目。某個(gè)特定方向的半方差函數(shù)圖通常是由γ(h)對h作圖而得。實(shí)驗(yàn)半方差函數(shù)的形狀可以是多種多樣的。取決于實(shí)測數(shù)據(jù)和所用的采樣間隔。在通常情況下,半方差函數(shù)值都有隨著樣點(diǎn)間距的增加而增大,并在一定的間距(稱為變程,Arange)升大到一個(gè)基本穩(wěn)定的常數(shù)(稱為基臺,Sill)。平穩(wěn)性數(shù)據(jù)的基臺值近似于采樣方差S,所以間隔小于變程的樣點(diǎn)是空間相關(guān)的,而間隔大于變程的樣點(diǎn)則無空間相關(guān)性。因此,變程就理所當(dāng)然地又稱為空間相關(guān)域。根據(jù)農(nóng)七師128團(tuán)和石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場實(shí)驗(yàn)所得出的土壤水分特征值分析得出半方差圖見圖3、圖4。圖3中,田間持水量的半方差函數(shù)用球狀模型擬合:{γ(h)=C0+C1[1.5(h/a)-0.5(h/a)3)]0<h<aγ(h)=C0+C1h≥a(8){γ(h)=C0+C1[1.5(h/a)?0.5(h/a)3)]0<h<aγ(h)=C0+C1h≥a(8)式中:C0=6.57,C1=18.7,a=15m,a指變程。圖4中,田間持水量半方差圖采用球狀模型擬合(公式同上式):式中:C0=1.51,C1=2.83,a=28m,a指變程。3.2土壤水分特性“三化”到“3”的生長和最專業(yè)的布局2“x0”的計(jì)算克立格法是利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性,對未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最佳估值的方法,該方法的一個(gè)有用特點(diǎn)是能夠計(jì)算出每個(gè)估值的誤差大小(估值方差),從而能知道估值的可靠程度?？肆⒏穹梢哉f是一種局部估值方法,每一未知值都是由其鄰近觀測值加權(quán)平均計(jì)算而得的,即區(qū)域化變量Z在位置的內(nèi)插為?Ζ(x0)=n∑i=1λiΖ(xi)(9)Z?(x0)=∑i=1nλiZ(xi)(9)式中:n是鄰近觀測值Z(xi)的個(gè)數(shù),λi是相對于每個(gè)Z(xi)的權(quán)重。確定權(quán)重的條件是估值?Ζ(x0)為無偏,即E[?Ζ(x0)-Ζ(X0)]=0(10)并使估值方差σ2k為最小:σ2k=Var[?Ζ(x0)-Ζ(X0)]=min(11)因此,要求對于所有的i,下式成立:[n∑j=1λjγ(xi,xj)+μ=γ(xi,x0)i=1,2,?,nn∑j=1λi=1(12)其中:γ(xi,xj)和γ(xi,x0)分別為觀測點(diǎn)xi與xj之間,xi與內(nèi)插點(diǎn)x0之間的方差,μ是拉格朗日乘子。這n+1個(gè)方程組就是克立格方程,當(dāng)γ(x)正定時(shí)有唯一解。由此解得xi,再代入(12)式進(jìn)行估值,其估值方差為σ2k=n∑i=1λ1(X1,x0)+μ(13)克立格法的最普通用途是繪制土壤性質(zhì)的等值線圖。圖5、圖6分別為農(nóng)七師128團(tuán)和石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場田間持水量的等值線圖。將兩實(shí)驗(yàn)地的田間持水量等值線圖加以比較,可明顯看出農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場的等值線圖較農(nóng)七師128團(tuán)的等值線圖疏松,表明土質(zhì)不同對土壤水分參數(shù)空間分布的影響。砂性土持水性弱,各土壤水分特性值在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的空間上變化較大,土壤水分等值線因而分隔性較大。而粘性土持水性較強(qiáng),各土壤水分特性值在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的空間上變化相對較小,等值線圖也相對緊密些。根據(jù)土壤水分等值線圖可以獲得土壤參數(shù)值分布的宏觀信息。田間持水量在區(qū)域內(nèi)變化較大,這對于灌溉決策研究時(shí)用中子儀測定土壤水分前布設(shè)觀測管位置有一定的參考價(jià)值。我們可以根據(jù)等值線圖找出某一地塊中幾點(diǎn),這幾點(diǎn)相互之間的位置在前面研究得出的空間相關(guān)域范圍之外,而且其值能代表該地塊土壤水分特征的平均值,觀測管布設(shè)在這一點(diǎn)測量土壤含水量時(shí)較能反映整塊地的總體水分情況,使中子水分儀的測量更能反映灌區(qū)土壤水分的真實(shí)情況,從而提高中子儀測量含水量時(shí)的準(zhǔn)確度。4田間持水量的空間相關(guān)域與觀測管間距在農(nóng)田灌溉管理中,運(yùn)用中子儀測定土壤水分,制定科學(xué)的灌溉方案時(shí)首先要考慮田間土壤空間變異性對點(diǎn)觀測值的影響。上述分析表明,可利用田間持水量作空間變異分析,確定代表田間土壤濕度平均量的觀測點(diǎn)位置。根據(jù)土壤特性的空間變異分析確定觀測管在田間位置,對提高灌溉決策精確度具有重要意義。如果不進(jìn)行土壤空間變異分析,土壤水分觀測管布置在田間持水量最大點(diǎn),通過灌溉決策分析得出的灌溉量增大,使田間持水量小于最大值的田塊的作物受淹,多余灌溉水易產(chǎn)生深層滲漏,灌溉前作物會發(fā)生水分脅迫;如將中子儀觀測管布置在田間持水量最小點(diǎn),其灌溉間隔縮短,將會增加灌溉次數(shù),從而增加勞動強(qiáng)度,這些都會對灌溉決策的精度產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量。因此觀測管的布置應(yīng)在田間持水量平均值的位置。由前述的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,得出農(nóng)七師實(shí)驗(yàn)與石河子大學(xué)實(shí)驗(yàn)中田間持水量的合理取樣數(shù)分別為8和3,因此,理論上中子儀測量土壤含水量時(shí)的觀測管在這兩地分別為8和3。根據(jù)農(nóng)七師128團(tuán)土壤水分空間變異特性的研究結(jié)果,田間持水量的空間相關(guān)域?yàn)?5m。對農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,田間持水量的空間相關(guān)域?yàn)?8m。因此在確定中子管位置時(shí),對于土質(zhì)為粘土的128團(tuán),觀測管間距應(yīng)大于15m。而農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場土質(zhì)為砂土,觀測管間距應(yīng)至少大于28m,以便減少土壤空間變異性對測量數(shù)據(jù)的影響。但由于在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場所取實(shí)驗(yàn)地塊最大邊長為63,只能布置3根觀測管。根據(jù)表1和表2可知田間持水量的平均值,根據(jù)圖5和圖6,由已得出的空間相關(guān)距,可以確定在128團(tuán)某地塊內(nèi)和實(shí)驗(yàn)場地塊中3根觀測管各自的布置位置,表中各觀測管位置用平面直角坐標(biāo)表示,單位為m(表2)。5土壤水分特性的空間變異采用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了新疆農(nóng)七師128團(tuán)和石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)場土壤水分特性的空間變異性。計(jì)算得出的兩實(shí)驗(yàn)地的合理取樣數(shù)分別為3和8,可將此值作為中子儀測定土壤水分時(shí)埋設(shè)的觀測管的個(gè)數(shù);由實(shí)驗(yàn)研究確定的兩實(shí)驗(yàn)地的土壤水分的半方差函數(shù)圖可以清楚的找出空間相關(guān)域,此值的確定可為觀測管最小間距的