灌溉農(nóng)田土壤濕度時空變化特征與空間關(guān)系分析

灌溉農(nóng)田土壤濕度時空變化特征與空間關(guān)系分析

農(nóng)業(yè)土壤濕度是影響旱土生長的重要因素。耕地土壤濕度信息是監(jiān)測農(nóng)業(yè)服務(wù)、農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測、農(nóng)業(yè)遙感和產(chǎn)量預(yù)測的重要指標(biāo)。這是氣候、農(nóng)業(yè)和漁業(yè)部門的一個重要貿(mào)易觀察項目。以往關(guān)于土壤水分時空變化的研究主要側(cè)重于其時空分布特征,研究目的主要針對水分利用、土壤墑情預(yù)報和田間管理等,對于土壤水分的空間關(guān)系研究尚未見報道,而認(rèn)識局地土壤水分的空間關(guān)系對土壤墑情監(jiān)測信息的使用及科學(xué)運用其監(jiān)測方法具有重要的意義。目前氣象部門已開始在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用自動土壤水分監(jiān)測儀器,以期對農(nóng)田土壤水分進行實時連續(xù)監(jiān)測,但是在每個監(jiān)測地段怎樣科學(xué)合理地布設(shè)儀器卻缺少依據(jù);另外,目前土壤墑情的遙感監(jiān)測研究發(fā)展迅速,基于地表土壤介電特性的被動微波遙感方法被認(rèn)為是反演土壤水分最有效的方法之一。微波在土壤中的穿透深度隨頻率的增高而迅速降低,對于裸露的潮濕土壤,微波的穿透深度一般只有幾厘米,有研究認(rèn)為,波長21cm的波段最適宜用于監(jiān)測土壤水分,而21cm的微波在濕潤土壤中的穿透深度約為5cm,但表層5cm的土壤濕度能否反映作物生長的土壤水分供應(yīng)條件并沒有受到注意。本文旨在通過分析農(nóng)田中土壤水分的空間關(guān)系和時間變化特征,探討農(nóng)田土壤水分的時空特性對其監(jiān)測信息代表性的影響,為合理有效地布設(shè)農(nóng)田土壤水分自動化業(yè)務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)提供理論依據(jù),為土壤墑情微波遙感監(jiān)測方法研究提供有益的借鑒。1試驗設(shè)計及試驗材料在科研和業(yè)務(wù)中一般用土壤重量含水率表示土壤水分狀況。用土鉆取土烘干的方法直接測得土壤重量含水率。對于某個測點來說,如果測定的各個環(huán)節(jié)都嚴(yán)格按照觀測規(guī)范的要求操作,可以認(rèn)為其測量結(jié)果為該點土壤濕度的真值。因此,本文用烘干法測取的田間土壤濕度數(shù)據(jù)來分析農(nóng)田土壤水分的時空變化和關(guān)系。中國氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站位于河北省定興縣境內(nèi)(115°44.043′E,39°08.992′N),地處華北平原北部高產(chǎn)農(nóng)業(yè)區(qū),主要農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米,年均降水量528mm,地下水埋深約15m。站內(nèi)10hm2大田,開闊平坦,種植的作物及管理措施一致,土壤質(zhì)地為中性壤土,0-100cm土層平均田間持水量為23.41%,冬小麥生長季一般分五次抽取地下水灌溉,玉米生長季只在播種時澆一水,均采用噴灌的方式。土壤水分的時間變化(2.1)和各層關(guān)系分析(2.3)中利用了固城站每旬一次的業(yè)務(wù)觀測資料,采用4個測點的平均值,觀測深度2m,表層10cm每5cm一層,10cm以下每10cm一層;資料年代為2005-2008年。土壤濕度水平變異特征觀測試驗于2009年8-11月在站內(nèi)一塊100m×100m的大田中進行,試驗時下墊面先后為處于生長中后期的玉米、裸土和出苗期的小麥。每次按正方形選取4個地表覆蓋基本一致的樣點取樣用烘干法觀測土壤濕度,觀測深度2m,每10cm一層,正方形邊長分別取1、2.5、5、10、15、20、30、50m,按每種方案各進行2~3次觀測,試驗期間有1次灌溉和多次降水,灌溉和降水后兩天內(nèi)不觀測。用每次4個測點的測值計算各層土壤重量含水率的變異系數(shù),用百分?jǐn)?shù)表示,分析時采用了0-100cm各層的平均值。2結(jié)果與分析2.1耕作層土壤濕度的變化特征通過固城基地大田土壤濕度多年定期觀測資料分析得出,灌溉農(nóng)田的土壤含水量因定期灌溉而呈一年周期的時間變化特征。從冬小麥返青至乳熟,因多次灌溉和作物快速耗水,0-50cm土壤濕度大幅波動,在冬小麥黃熟期至玉米播種階段土壤最干,玉米生長季與華北降水季重合,耕層土壤潮濕,冬季因入冬前澆越冬水而保持較高的土壤濕度。60cm以下土壤濕度隨時間變化的幅度很小,基本保持在其田間持水量附近。從土壤剖面的一年內(nèi)濕度變異系數(shù)可以定量描述各層土壤濕度的波動程度,表1給出了各層土壤濕度的年內(nèi)變異系數(shù)(Cv),耕作層干濕變化顯著,表層(5cm)濕度在一年內(nèi)的變異系數(shù)達到34%,10-20cm土層濕度的年變異系數(shù)達25%,隨著深度增加變異系數(shù)逐漸減小,由于每10d一次的取土觀測可能跳過了最干和最濕的時刻,所以,表層土壤濕度的實際變異系數(shù)可能遠大于統(tǒng)計值。50cm以下土層濕度的變異系數(shù)都小于10%,屬弱變異性。圖1是灌溉農(nóng)田0-200cm土層土壤濕度在一年內(nèi)變化的典型剖面圖,由圖中可以看出,濕度寬幅變化的土層為0-50cm的耕作層。2.2地田間土壤濕度的空間差異對于相距足夠遠的兩點來說,其土壤水分狀況可能毫無關(guān)系,因此,研究大尺度范圍的土壤水分狀況的相互關(guān)系沒有實際意義,而研究觀測地段內(nèi)土壤水分狀況在水平方向的相互關(guān)系可以為制定土壤水分監(jiān)測計劃提供依據(jù)。圖2a給出了固城基地大田四點0-100cm土壤濕度測值變異系數(shù)隨測點距離的變化,在下墊面表觀一致的平坦大田中,土壤濕度值的水平變異明顯,一般來說,兩點距離越遠,其0-100cm層的土壤濕度差異越大,即便相距1m的兩點,其土壤濕度值也是有差異的。分層土壤濕度的差異更大。從兩點各層測值直線相關(guān)的復(fù)相關(guān)系數(shù)來看(圖2b),越相近的兩點間直線相關(guān)性越好,隨著兩點距離增加,一般情況下兩點測值的相關(guān)性減小,超過20m后,兩點各層測值之間可能幾無關(guān)系。在任一地段內(nèi),土壤濕度會因土壤性狀的空間差異和其它原因而呈現(xiàn)不均勻特點,很多研究也證實了這一點。由此可見,在農(nóng)田中任一點的測值,其代表的水平范圍很小,如果用一個點的測值代表一個地段的土壤水分狀況,可能會產(chǎn)生很大的誤差。2.3-10cm土層圖3中逐個分析了土壤剖面各層之間土壤濕度的關(guān)系,各層土壤濕度值是四個重復(fù)測點的平均值,樣本為2007-2008兩個年度的每旬業(yè)務(wù)觀測資料?？梢钥闯?在表層0-5cm與5-10cm間,一般情況下兩者測值相近,但0-5cm土壤濕度會顯著小于下層,這可以解釋為,降水或灌溉一般能同時濕潤這一土層,當(dāng)?shù)乇硪蛉諘穸焖偈畷r,最表層土壤濕度迅速降低;在10-30cm層次內(nèi)上下層的濕度值大多也基本接近,當(dāng)降水較小時會出現(xiàn)上層比下層濕的現(xiàn)象,另一個原因則是10cm以上作物根系少,在作物旺盛生長期,地表被作物覆蓋,表層土壤失水速度小于下層;20-50cm土層,相鄰兩層間土壤濕度變化的相關(guān)性很好,但值的大小會因兩層的土壤性狀差異而不同;更深以下的土層因土壤濕度變化很小,兩層測值間幾乎沒有同步變化關(guān)系(圖略)。淺層0-50cm是各種農(nóng)作物根系的主要分布層。分析表明(圖4),表層5cm的土壤濕度在很多時候不能反映作物根系主要分布層的水分供應(yīng)狀況(圖4a),主要是因為表層5cm土壤的濕度變化劇烈,忽干忽濕,而根系分布層土壤濕度變化較緩慢;0-10cm土壤濕度與0-50cm層平均土壤濕度相關(guān)密切(圖4b);另外,0-50cm的平均土壤濕度與0-200cm層的平均土壤濕度有極顯著相關(guān)關(guān)系(圖4c)。3農(nóng)田土壤濕度的監(jiān)測從固城站單點的觀測數(shù)據(jù)得出:灌溉農(nóng)田土壤濕度呈一年周期性的變化;淺層(0-50cm)土壤濕度的時空變化最大,且各層的變化存在不一致性,0-50cm土層的平均土壤濕度可以較好地反映0-200cm土層的平均水分狀況,考慮到0-50cm土層也是作物全生育期根系分布的主要土層,因此,土壤濕度的監(jiān)測重點應(yīng)放在該土層中,并需要逐層測量;60cm以下土層土壤含水率的時空變化幅度很小,因此60cm以下可以不作監(jiān)測或減少監(jiān)測層次。下墊面一致的農(nóng)田,其土壤濕度的水平差異也很明顯,大田中兩點同一層的土壤濕度差異一般隨兩點距離增加而增大,兩點各層土壤濕度的相關(guān)性隨兩點距離增加而減小。因此,農(nóng)田土壤濕度測值的空間代表性較差,對于一個觀測地段只做一個觀測重復(fù)可能導(dǎo)致測值不具代表性,因此在自動土壤水分儀器布點時,應(yīng)在每個監(jiān)測站設(shè)置多個重復(fù)測點。表層5cm的土壤濕度與作物根系主要分布層(0-50cm)的土壤濕度不具有可靠的相關(guān)關(guān)系,因此不能依據(jù)對表層5cm土壤濕度的探測結(jié)果來判斷作物的水分供應(yīng)或受旱狀況,而表層10cm的土壤濕度與作物根系主要分布層的土壤濕度具有很好的聯(lián)動性,可以較好地反映作物生長環(huán)境的土壤水分狀況,因此,在應(yīng)用微波遙感監(jiān)測土壤墑情時,對地表的探測深度需達到10cm以上才能獲得關(guān)于作