膜下滴灌前后表層土壤水分空間變異性

譚　帥，王全九，羅小東，馬　媛

(西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室,西安理工大學， 陜西 西安 710048)

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膜下滴灌前后表層土壤水分空間變異性

譚帥，王全九，羅小東，馬媛

(西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室,西安理工大學， 陜西 西安 710048)

摘要：以2 m×2 m的網格布點，采用經典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學結合的方法研究了一次灌溉前后膜下滴灌棉田的表層土壤體積含水量的空間變異性特征。結果表明：(1) 灌溉前后表層土壤含水量變異系數(shù)(CV)分別為28.7%和21.8%，均表現(xiàn)出中等變異特性，顆粒分布能為灌溉前后表層土壤含水量的變異系數(shù)變化提供參考。(2) 灌溉前后表層土壤含水量的半方差函數(shù)均可用高斯模型很好地描述(R2>0.9)，對應的空間異質比(C0/(C0+C))分別為0.201和0.324，表現(xiàn)出強烈和中等的空間依賴性；灌溉后，表層土壤含水量空間自相關性減小，4.373 m可作為該研究區(qū)域的參考取樣步長。(3) 灌溉前后表層土壤含水量的Moran’s I隨滯后距離變化的趨勢大體一致，且灌前表層土壤含水量的自相關性較灌后顯著。(4) Kriging插值結果表明，灌溉前后含水量空間分布較相似，表現(xiàn)出顯著的變異性，且灌后含水量分布較灌前復雜。

關鍵詞：膜下滴灌；表層土壤含水量；空間自相關；Kriging

土壤水分是水循環(huán)的重要組成部分[1-3]，在土壤-植物-大氣(SPAC)過程中起到關鍵的作用[4]。表層土壤水分決定著水分入滲、徑流、蒸發(fā)等過程[5]。由于自然因素、地形因素、土壤結構特性、植被因素、農業(yè)活動等影響，往往使得土壤水分在空間上存在變異性，其中表層土壤水分分布的變異性尤為明顯。

國內外對表層土壤水分變異性的研究很多，大多數(shù)研究[6-10]都表明表層土壤含水量具有顯著的空間變異特征，而其研究主要集中在中大尺度[6,8]、不同景觀模式[6]、地形[7-8]、土地利用方式[9]等方面，而在農業(yè)活動(如灌溉、耕作)方面的研究較少，尤其是膜下滴灌下土壤表層水分的變異性研究。由于田間灌溉，必然會造成灌溉前后土壤水分空間分布產生差異，進而對作物生長產生影響。因此，了解灌溉前后土壤表層水分空間分布的變異特征具有重要意義。

在干旱的新疆地區(qū)，土壤水分是作物生長發(fā)育的主要因素。該地區(qū)農田灌溉模式主要以膜下滴灌為主，滴灌屬于局部灌溉，加之覆膜使得水分分布更加復雜。為了更好地解釋該灌溉情況下土壤-大氣邊界上水分與能態(tài)關系，進而指導當?shù)剡M行合理灌溉，了解該灌溉模式下表層土壤水分空間分布十分必要。鑒于此，本文采用經典統(tǒng)計和地統(tǒng)計學結合的方法，對20 m×20 m膜下滴灌下棉田進行2 m×2 m網格采樣，分析了該灌溉模式下一次灌水前后對表層0～15 cm土層土壤體積含水量空間分布的動態(tài)變化的影響，旨為指導農田合理灌溉提供理論基礎和參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗區(qū)設在巴音郭楞蒙古族自治州巴州重點灌溉試驗站。試驗站地處亞歐大陸中心，新疆腹地，塔里木盆地北緣，地形較平緩，海拔988～991 m，東經86°09′～86°10′，北緯41°34′～41°35′，地形總趨勢為北高南低。多年降水量53.5～62.7 mm，蒸發(fā)量2 273～2 788 mm(直徑20 cm蒸發(fā)皿)，平均氣溫10.7℃，年日照數(shù)3 036.2 h，風速2.4 m·s-1，無霜期144～241 d，地下水埋深為1.37～2.47 m，地下水礦化度為2.98～4.19 g·L-1。該地區(qū)干燥少雨且風沙較多、四季分明、冬夏漫長、春秋短暫，屬典型的大陸性氣候。試驗區(qū)農田以種植棉花為主，灌溉方式為膜下滴灌，采用一膜兩管四行的種植方式，寬行、窄行、膜間距離分別為40 cm、20 cm、30 cm，具有一定代表性[11-12]。滴灌帶設計滴頭流量為2.7 L·h-1，滴頭制造偏差≤10%，滴頭間距為30 cm，灌溉水主要來自孔雀河，平均灌水礦化度為0.8 g·L-1。試驗區(qū)土質以砂土和砂壤土為主。

1.2采樣點布置及測定方法

研究所選區(qū)域為試驗區(qū)面積為20 m×20 m的田塊，于2013年8月對該區(qū)域進行灌溉前后采樣，此時處于棉花吐絮期，累積灌溉次數(shù)為10次。沿試驗區(qū)東西和南北方向以2 m×2 m的網格對研究區(qū)布點，共設121個測點，取樣點包括膜間、窄行及寬行，具有一定代表性。圖1為取樣點示意圖，其中膜間樣點33個，窄行樣點33個，寬行樣點55個。在第11次灌水前后各一天對表層0～15 cm的土壤進行取樣，此時正處于棉花吐絮期，棉花耗水較小，此時更能反映田中水分空間分布情況，累積采樣242個，灌水前后同一測點的取樣點相鄰，且灌水期間無降雨。用直徑為5 cm的土鉆取土，將0～15 cm的土樣均勻混合，分為2份分別裝入塑封袋和鋁盒中。待土樣風干后，過2 mm分樣篩，用馬爾文MS2000激光粒度分析儀測定各取樣點的表層土壤的機械組成，根據(jù)國際制劃分黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)和砂粒(0.02～2 mm)。采用經典烘干法(105℃)測定表層土壤0～15 cm的平均質量含水量(g·g-1)，環(huán)刀法(體積為100 cm3)測定表層土壤干容重，然后通過質量含水量和干容重換算出表層土壤體積含水量(cm-3·cm-3)，文中的含水量均為體積含水量。

圖1取樣點布設

Fig.1Layout of sampling points

1.3經典統(tǒng)計學分析

(1)

1.4半方差函數(shù)

半方差函數(shù)能在一定范圍內反映不同觀測點的觀測值之間關系的空間依賴情況，描述各觀測指標的空間變異結構及基本規(guī)律[13-14]。半方差函數(shù)反映了測定區(qū)域所考察地域化變量的空間變異結構，在確定土壤參數(shù)合理取樣數(shù)和克里格插值計算中起著重要的作用[15]。估算半方差的公式為

(2)

式中，h為兩樣本點空間分隔距離或滯后距離；N(h)為滯后距離為h時的樣本對數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)為隨機變量Z在空間位置xi和xi+h上的觀測值。描述單一尺度空間變異特征的半方差模型分為線性、球形、指數(shù)和高斯模型[16]。一般情況下，半方差函數(shù)在最大間隔的1/2內才有意義，故本文中半方差函數(shù)的有效滯后距(Activelag)均設為最大采樣間距的1/2[17]。

文中對半方差函數(shù)主要采用高斯模型擬合，其公式為

(3)

式中，C0為塊金值(Nugget)，表示隨機變異的大小，包括最小取樣間隔內自然過程產生的變異以及試驗誤差；C是結構方差，表示由土壤母質、地形及氣候等非人為因素造成的變異；h為滯后距離；a為變程。當h越大時，半方差γ(h)將趨向于一個極限值C0+C，即基臺值(Sill)，表示變量在研究區(qū)域的總變差。一般用[C0/(C0+C)]表示空間異質性程度，反映隨機變異占總變異的大小[18]，大小在0～1之間。根據(jù)Cambardella[19]劃分標準，C0/(C0+C)≤25%時表現(xiàn)為強烈的空間依賴性；25%

1.5局部Moran's I

Moran's I是由Moran于1948年提出，隨后在1995年Anselin提出局部Moran指數(shù)來反映每一個空間單元與鄰近單元某一屬性的相似程度，其值介于-1到1之間，大于0表示正相關，小于0則表示負相關，等于0表示不相關，取決于相關的程度和方向[20]。

(4)

1.6數(shù)據(jù)處理

用SPSS 19.0對樣本數(shù)據(jù)作描述性統(tǒng)計學分析；采用GS+9.0對數(shù)據(jù)進行地統(tǒng)計分析；利用ArcGIS 9.3進行克里格(Kriging)插值，繪制表層土壤水分分布圖。

2結果與分析

2.1灌溉前后表層土壤含水量統(tǒng)計特征

表1顯示了滴灌棉田表層土壤含水量的統(tǒng)計特征值。由表可知，灌水前表層土壤含水量在5.08%～21.21%范圍內變化，且處于萎蔫系數(shù)(6.24%)與田間持水量(23.7%)之間。灌溉結束后，滴灌灌水增加了土壤中水分含量，表層土壤含水量在6.30%～21.69%范圍內變化，平均表層土壤含水量相對灌前增加45.9%。通過Kolmogorov-Smirnov (K-S)檢驗可知，灌前和灌后表層土壤含水量均服從正態(tài)分布。

表1　表層土壤含水量統(tǒng)計特征值

注：表中含水量均為體積含水量(cm-3·cm-3)，下同。N表示正態(tài)分布。

Note: Water content in the table are volumetric water content (cm-3·cm-3) and the same below. N expresses normal distribution.

研究表明[3,5-6]，由于氣象、微地形、灌水施肥方式等因素影響，土壤水分平均含量必然存在差異。因此，滴灌灌溉后，表層含水量的變異程度也會存在差異。根據(jù)Nielsen劃分標準，灌前和灌后表層土壤含水量的變異系數(shù)分別為28.7%和21.8%，均表現(xiàn)為中等變異性。這與徐英[21]、李彥[22]、李芳松[23]和李敏[24]等的研究結果相一致。灌水結束后，表層土壤含水量的CV減小，這與Hu等[8]、劉丙霞等[4]、佘冬立等[25]及張繼光等[7]在干濕條件下表層水分變化的研究結果具有一致性，但與李芳松等[23]的研究結果有所差異。原因可能是其研究區(qū)域滴灌帶布置為一膜一管四行，加之其取樣僅為一個膜內，研究地點不同進而造成土壤土質、氣象、地形等情況不同，也可能造成結果不一致。

土壤含水量不僅受氣象、地形等因素的影響，還受土壤特性的影響，特別是土壤顆粒組成的影響[26-27]。Hu等提出由于土壤顆粒分布不同，土壤水分變異性能反映出土壤孔隙的變異程度，相反地不同土壤粒徑大小或許能夠解釋體積含水量變異情況[8]。為進一步分析表層土壤含水量的變異性，對各樣點的土壤顆粒組成進行統(tǒng)計分析(表2)。由表2可知，黏粒、粉粒和砂粒的CV值分別為10.7%、10.5%和3.7%，說明除砂粒呈弱變異性外，黏粒和粉粒均呈中等變異性，其中黏粒的變異程度最大。

表2　顆粒組成的均值和變異系數(shù)

一般來說，土壤中小孔隙大多由粒徑較小的顆粒組成，在干旱情況下，小孔隙能儲存較多的水分。為了能更好闡述水分與顆粒組成間的關系，對灌溉前后含水量與顆粒組成進行了相關性分析(表3)。由表3可知，灌溉前后含水量與黏粒的相關性差異較明顯(灌前0.299，灌后0.232)，與粉粒、砂粒兩者間的相關性差異不明顯，說明黏粒含量可能是影響水分分布的主要因素。由表3可知灌前表層土壤含水量隨黏粒含量的變化幅度較灌后明顯，而在顆粒組成中，黏粒的變異程度最大，可能使得灌前表層含水量較灌后的變異程度大，這為解釋該區(qū)域灌后表層土壤水分CV值呈減小趨勢的變化提供參考依據(jù)。Baroni等[10]的研究表明在土壤濕潤的條件下，土壤含水量變異性與土壤質地有一定關系，而在土壤干旱條件下，土壤含水量受植被因素的影響較大。Gonzalo等[28]發(fā)現(xiàn)在干燥條件下土壤含水量的變異是土壤水力特性和氣象因素共同作用的結果。Baroni和Gonazlo的研究結果均與本文中灌前(干旱)表層土壤含水量與土壤質地有一定關系不一致，原因可能是研究區(qū)域、濕潤方式、植被影響程度等方面也存在差異。因此，除了土壤質地的影響因素，植被因素(如葉面積、株高等)、氣象因素、土壤水力參數(shù)等對土壤水分影響也需進行深入研究。

表3　土壤參數(shù)Pearson相關性分析

注：**表示P<0.01的極顯著水平。Note: ** Significant level atP<0.01.

2.2灌溉前后表層土壤水分空間地統(tǒng)計學分析

2.2.1半方差分析為進一步反映滴灌棉田土壤表層含水量的空間結構性，應用GS+9.0地統(tǒng)計學軟件在不考慮各向異性的情況下，分別對灌溉前后表層土壤含水量進行半方差分析，通過決定系數(shù)(R2)和殘差(RSS)選擇最優(yōu)半方差函數(shù)模型對其進行擬合，表4為最優(yōu)半方差函數(shù)參數(shù)，圖2為灌溉前后表層土壤含水量的半方差圖。

表4　土壤表層含水量半方差函數(shù)參數(shù)

圖2灌溉前后表層含水量的半方差

Fig.2The variogram for surface layer water

content before and after irrigation

由表4可知，灌前和灌后含水量的最優(yōu)擬合模型均為高斯模型，各項的殘差平方和(RSS)均較小，決定系數(shù)R2均在90%以上，說明高斯模型能較好地描述試驗半方差函數(shù)與滯后距離之間的關系。

灌溉前后表層土壤含水量的塊金值(C0)分別為1.95和3.50，表明無論在灌前還是灌后表層土壤含水量具有塊金效應，說明在低于試驗取樣尺度(2 m)下有影響表層水分分布結果的作用存在。灌后塊金值較灌前大，這與張繼光等[7]在喀斯特地區(qū)和佘冬立等[27]在黃土高原研究干濕條件下表層含水量的結果類似?；_值(Still)同樣表現(xiàn)為灌后大于灌前，這與張繼光等[7]和佘冬立等[27]的研究結果不同，原因可能是一方面由于研究區(qū)域不同，導致氣候、土質、植被覆蓋條件等因素不同；另一方面其研究分別為喀斯特地形和坡地，從而使得表層土壤水分分布存在差異；加之，濕潤情況主要為滴灌灌溉在局部性影響下的水分分布，而黃土高原和喀斯特地區(qū)的濕潤情況主要是由降雨影響，具有整體性，與本研究區(qū)域存在一定差異。

由表4可知，灌溉前后表層土壤含水量由隨機因素引起的空間異質性(C0/(C0+C))分別為20.1%和32.4%，主要體現(xiàn)在2 m以下的尺度上，而灌溉前后表層含水量由空間自相關引起的空間異質性占總空間異質性的79.9%和67.6%，該差異主要表現(xiàn)在取樣間隔(2 m)到變程的(4.573 m和4.347 m)尺度上。根據(jù)Cambardella[19]劃分標準，灌前表層土壤含水量表現(xiàn)出強烈的空間依賴性，而灌后表層含水量表現(xiàn)出中等空間依賴性。灌后表層土壤含水量的空間異質比增加，表明隨機因素(灌水、施肥等)引起的變異概率增加，而受自身結構(如土壤結構、微地形、土壤物化性質、地溫等)產生的變異概率減小。

灌溉前后表層含水量的變程(a)分別為4.573 m和4.347 m，表明灌水結束后，含水量半方差函數(shù)對應的a較灌水前減小，反映水分空間連續(xù)相對變小，隨機變異性增加，這與其空間異質比的變化是相對應的。原因可能是灌水前土壤表層水分就存在著差異，土壤結構的不均勻性就已使得區(qū)域內各處保持水分的能力不同，加之滴灌和覆膜，可能使得灌水后研究田塊內水分分布差異性更大，從而導致含水量變異性增加。另一方面，a可以反映最大相關距離，可通過a優(yōu)化采樣間距，從而減少取樣點數(shù)，可用4.347 m作為參考來優(yōu)化灌溉對該區(qū)域水分變異性影響的采樣間距。

2.2.2空間自相關性分析為確定土壤含水量在空間上的相關程度，引入局部Moran's I來定量描述表層土壤含水量在空間上的依賴關系。圖3顯示了表層土壤含水量的局部Moran's I與滯后距離的關系，可以看出隨滯后距離增大，灌溉前后的表層含水量的局部Moran's I隨滯后距離的變化大體一致，表現(xiàn)為波動性減小的趨勢，說明土壤表層水分具有一定的空間結構，呈較簡單的斑塊狀分布。當滯后距離處于采樣間距(2 m)與變程(灌前4.573 m、灌后4.347 m)之間，局部Moran's I為正值，說明灌溉前后表層土壤含水量具有顯著的空間正相關，主要表現(xiàn)為高含水量向高含水量集聚，低含水量向低含水量集聚，灌前相似的表層土壤含水量空間集聚性較為明顯；隨滯后距離增加，Moran's I減小，表明灌溉前后表層土壤含水量的自相關性減小。當滯后距離處于變程與7.5 m間時，局部Moran's I仍為正值，但變化較小，說明灌溉前后表層土壤含水量的集聚性差異不明顯；當滯后距離增加到7.5 m左右，局部Moran's I接近于0，表現(xiàn)為灌溉前后表層土壤含水量空間不相關，說明變量呈隨機分布，無規(guī)律性；當滯后距離大于7.5 m時，局部Moran's I向負方向延伸，整體達到顯著的空間負相關，表現(xiàn)為高含水量向低含水量集聚，而低含水量向高含水量集聚，變量趨于分散分布。

圖3灌溉前后表層土壤含水量的Moran's I

與滯后距離的關系

Fig.3The relationship between Moran's I and lag distance

for surface layer soil water before and after irrigation

2.3基于Kriging插值空間分布格局

Kriging插值是無偏預測中最好的插值方法，但做分位圖和概率圖時，數(shù)據(jù)必須服從正態(tài)分布，否則會存在比例效應和不穩(wěn)定性。故本文采用Kriging插值方法對表層土壤含水量進行預測。

通過ArcGIS 9.3對灌溉前后表層土壤含水量進行插值，繪制其空間分布圖(圖4)。從圖4可知，灌水后含水量增加，并且從斑塊大小和顏色深度不同反映出灌溉前后的表層土壤含水量表現(xiàn)出明顯的空間變異性，灌后表層含水量分布較灌前復雜，即灌后較灌前斑塊多且含水量高低差異較明顯，并且還可以看出無論是灌前還是灌后，較高的表層土壤含水量和較低的表層土壤含水量均相對集中，即較高表層土壤含水量集中于膜下(寬行和窄行處)，較低表層土壤含水量集中于膜間處。由圖4可知，灌水前較高表層土壤含水量的斑塊位置在灌水后仍處于較高值，并且逐漸向四周擴散。原因可能是較高表層土壤含水量的位置大部分集中于膜下，而膜間與膜下表層土壤含水量差異較大，使得膜下與膜間存在水勢梯度，因此水分向兩側橫向擴散。

圖4表層土壤含水量空間分布

Fig.4The spatial distributions of surface layer soil water content

3討論

在干旱區(qū)，土壤含水量是作物生長發(fā)育的主要限制因素，表層含水量在水分蒸發(fā)、入滲等過程中起著關鍵的作用，了解表層含水量空間分布具有重要意義。加之為實現(xiàn)在干旱區(qū)達到高效節(jié)水和防治鹽堿地的目的，膜下滴灌灌溉農田的灌溉方式使用較為廣泛，而由于局部灌溉和覆膜的復雜性，必然會造成滴灌前后的表層含水量的分布有所差異。

本文研究表明，灌溉前后表層土壤含水量均具有不同程度的變異性。通過經典統(tǒng)計學分析表明灌溉后表層土壤含水量的CV值減小，而地統(tǒng)計學表明空間依賴性減小。這與前人[4,7-8,10,21-25,28]的研究結果較為一致，研究雖具有相似性，并且部分研究是在膜下滴灌條件下進行的測定[21-24]，但由于管道布設方式與測定地區(qū)的不同，使得水分分布存在部分差異；加上部分研究是基于次降雨的干濕交替下[4,7-8,25]和不同地形條件下(坡地[4,8]、喀斯特地區(qū)[7,27])測定得到的結果，也會造成水分分布出現(xiàn)不同。而農田表層含水量空間分布情況是受到氣象、微地形、作物吸水、土壤孔隙、灌水施肥模式等多方面因素的綜合影響結果。因此，各種影響因子對農田表層含水量的影響究竟如何仍需進一步探究。

4結論

本文通過空間小尺度網格布點對一次滴灌前后棉田表層含水量空間變異性進行了研究，主要得到以下結論：

1) 灌水前后含水量均表現(xiàn)為中等變異特性且呈正態(tài)分布，但灌溉結束后，含水量變異系數(shù)減小。顆粒組成的變異特點可能為研究區(qū)域灌后含水量變異系數(shù)的減小提供一定解釋。

2) 灌溉前后含水量的半方差函數(shù)均能用高斯模型很好地描述，分別表現(xiàn)出強烈和中等的空間依賴性，且灌后含水量的空間自相關性有一定程度的減小，灌后塊金值、基臺值及空間異質比較灌前增加，但變程減小。采用4.347 m作為參考采樣間距能優(yōu)化該研究區(qū)域的取樣步長。

3) 灌溉前后的表層含水量空間自相關性變化大體一致，具有明顯的空間結構性，且灌前表層土壤含水量的相關性較灌后的高。

4) Kriging插值結果表明，灌前和灌后含水量變化具有一定程度的相似性，且表現(xiàn)出明顯的變異性。

參 考 文 獻：

[1]Heathman G C, Cosh M H, Han E, et al. Field scale spatiotemporal analysis of surface soil moisture for evaluating point-scale in situ networks[J]. Geoderma, 2012,170:195-205.

[2]Martínez-Fernández J, Ceballos A. Mean soil moisture estimation using temporal stability analysis[J]. Journal of Hydrology, 2005,312(1):28-38.

[3]Brocca L, Melone F, Moramarco T, et al. Soil moisture temporal stability over experimental areas in Central Italy[J]. Geoderma, 2009,148(3):364-374.

[4]劉丙霞,邵明安.黃土區(qū)退耕草地小尺度土壤水分空間異質性[J].中國水土保持科學,2012,10(4):60-65.

[5]Weiherm Ller L, Huisman J A, Lambot S, et al. Mapping the spatial variation of soil water content at the field scale with different ground penetrating radar techniques[J]. Journal of Hydrology, 2007,340(3):205-216.

[6]Mohanty B P, Skaggs T H, Famiglietti J S. Analysis and mapping of field-scale soil moisture variability using high-resolution, ground-based data during the Southern Great Plains 1997 (SGP97) Hydrology Experiment[J]. Water Resources Research, 2000,36(4):1023-1031.

[7]張繼光,陳洪松,蘇以榮,等.濕潤和干旱條件下喀斯特地區(qū)洼地表層土壤水分的空間變異性[J].應用生態(tài)學報,2006,17(12):2277-2282.

[8]Hu W, Shao M A, Wang Q J, et al. Soil water content temporal-spatial variability of the surface layer of a Loess Plateau hillside in China[J]. Scientia Agricola, 2008,65(3):277-289.

[9]郭德亮,樊軍,米美霞.黑河中游綠洲區(qū)不同土地利用類型表層土壤水分空間變異的尺度效應[J].應用生態(tài)學報，2013,24(5):1199-1208.

[10]Baroni G, Ortuani B, Facchi A, et al. The role of vegetation and soil properties on the spatio-temporal variability of the surface soil moisture in a maize-cropped field[J]. Journal of Hydrology, 2013,489:148-159.

[11]單魚洋.干旱區(qū)膜下滴灌水鹽運移規(guī)律模擬及預測研究[D]．北京：中國科學院研究生院，2012.

[12]劉建軍.棉田膜下滴灌條件下土壤水鹽分布特征試驗研究[D]．西安：西安理工大學,2009.

[13]邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學[M].北京:高等教育出版社，2006.

[14]何丹.封丘地區(qū)土壤水分入滲特性的時空變異及其影響因素研究[D]．雅安：四川農業(yè)大學,2012.

[15]秦耀東.土壤空間變異研究中的半方差問題[J].農業(yè)工程學報,1998,14(4):42-47.

[16]王政權.地統(tǒng)計學及在生態(tài)學中的應用[M].北京:科學出版社,1999.

[17]張川,陳洪松,張偉,等.喀斯特坡面表層土壤含水量、容重和飽和導水率的空間變異特征[J].應用生態(tài)學報,2014,25(6):1585-1591.

[18]王云強,張興昌.黃土區(qū)小尺度坡面土壤含水率時空變異性研究[J].水土保持學報,2008,22(2):32-37.

[19]Cambardella C, Moorman T, Parkin T, et al. Field-scale variability of soil properties in central Iowa soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1994,58(5):1501-1511.

[20]張松林,張昆.空間自相關局部指標Moran指數(shù)和G系數(shù)研究[J].大地測量與地球動力學,2007,27(3):31-34.

[21]徐英,陳亞新,史海濱,等.土壤水鹽空間變異尺度效應的研究[J].農業(yè)工程學報,2004,20(2):1-5.

[22]李彥,雷曉云,申詳民,等.膜下滴灌條件下土壤水分空間分布特征研究[J].水資源與水工程學報,2010,21(6):4-7.

[23]李芳松,雷曉云,陳大春,等.膜下滴灌棉田土壤水分空間變異規(guī)律研究[J].灌溉排水學報,2010,29(6):68-71.

[24]李敏,李毅,曹偉,等.不同尺度網格膜下滴灌土壤水鹽的空間變異性分析[J].水利學報,2009,40(10):1210-1218.

[25]佘冬立,邵明安,俞雙恩.黃土區(qū)農草混合利用坡面土壤水分空間變異性[J].農業(yè)機械學報，2010,41(7):57-63.

[26]張永萱,張光輝,王志強.黃土剖面土壤顆粒組成對土壤含水量的影響[J].水土保持通報,2009,29(6):6-9，15.

[27]Grayson R B, Chiew F H S, BL SCHL G. Preferred states in spatial soil moisture patterns: Local and nonlocal controls[J]. Water Resources Research, 1997,33(12):2897-2908.

[28]Gonzalo Martínez García, Yakov A. Pachepsky, Harry Vereecken. Effect of soil hydraulic properties on the relationship between the spatial mean and variability of soil moisture[J]. Journal of Hydrology, 2014,516(SI):154-160.

The variability of surface layer soil water content under

plastic mulch dripping before and after irrigation

TAN Shuai, WANG Quan-jiu, LUO Xiao-dong, MA Yuan

(StateKeyLaboratoryBaseofEco-HydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

Abstract：In this research, classical statistics and geostatistics were combined to research the characteristics of spatial variability for surface layer soil water content in a area of 20 m×20 m cotton field by dripping under mulch before and after the irrigation. The primary results showed that the variation coefficients (CV) for surface layer soil water before and after irrigation were 28.7% and 21.8%, respectively, exhibiting moderate variability. The particle distribution could provide a basis for the variations inCVof water content before and after irrigation. Additionally, the semivariogarm function for surface layer soil water content before and after irrigation could be described well by Gaussian model (R2). The corresponding ratios of spatial heterogeneity (C0/(C0+C)) were 0.201 and 0.324, respectively, indicating strong and moderate spatial dependences, respectively. After irrigation, the spatial autocorrelation of surface layer soil water content became decreased. The reference sample step lag of study region could be adopted by 4.373 m. Moreover, Moran’s I for surface layer soil moisture before and after irrigation followed similar trends with the lag distance. The autocorrelation of surface layer soil water content before irrigation was more significant than that after irrigation. Lastly, the results of Kriging interpolation showed that spatial distributions for water content before and after irrigation were similar and showed obvious variabilities. Water content after irrigation was more complex than that before irrigation.

Keywords:plastic mulch drip irrigation; surface layer soil water content; spatial correlation; Kriging

中圖分類號：S275.6；S152.7

文獻標志碼：A

通信作者：王全九(1964—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)水土工程與生態(tài)環(huán)境方面的研究。 E-mail: wquanjiu@163.com。

作者簡介：譚帥(1990—)，女，湖南衡陽人，碩士研究生，主要從事農業(yè)水土資源與生態(tài)環(huán)境方面的研究。 E-mail:tans90@163.com。

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經費項目(201301102)；新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃項目(201130103-3)；國家自然基金(51409212，51409213)；博士后基金(2014M562525XB)

收稿日期：2015-04-05

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.07

文章編號：1000-7601(2016)01-0043-07