蓄水坑灌條件下果樹(shù)水分測(cè)定探頭布設(shè)優(yōu)化研究

趙 琛，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2. 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

蓄水坑灌法[2]是孫西歡教授于1998年提出的一種新型的、針對(duì)果園灌溉的中深層立體節(jié)水灌溉方式，它綜合了環(huán)灌、穴灌等灌溉方法的諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)北方山丘果林地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。該方法的節(jié)水原理是依據(jù)果樹(shù)的灌溉定額，在果樹(shù)樹(shù)冠投影的外圍挖4個(gè)直徑為30 cm、深度為40 cm的蓄水坑，坑周?chē)灾窕\固壁，坑底采取一定的防滲措施，以減少不必要的水分流失，從而達(dá)到節(jié)水、保水的目的。

土壤水分在很大程度上影響著作物的生長(zhǎng)狀況[3]，土壤水分含量直接決定著作物的生育以及產(chǎn)量[4]。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)定土壤墑情極其重要。大量研究表明，蓄水坑灌條件下灌溉水在土壤中并非呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的一維層狀均勻分布特征，而且水分含量還會(huì)受到降雨及灌溉等因素的影響[5]。因此，為準(zhǔn)確測(cè)定土壤水分含量，在果樹(shù)周?chē)芗荚O(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在所難免，然而這樣不僅增加了測(cè)量的工作量，還加大了土壤水分傳感器和采集設(shè)備的投入。為此，研究如何在準(zhǔn)確把握土壤墑情信息的前提下，減少水分測(cè)點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量迫在眉睫。

目前，關(guān)于土壤水分測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置的研究和探索主要集中在以滴灌為主的大田作物，申孝軍對(duì)滴灌條件下棉田土壤水分測(cè)點(diǎn)的最優(yōu)布設(shè)方案研究后得出：利用徑向上距滴灌帶0、32.5和50 cm處觀測(cè)點(diǎn)以及垂向上0～10、20～30、40～50和60～80 cm處觀測(cè)點(diǎn)的體積含水率可以較準(zhǔn)確地反映出整個(gè)土壤剖面的含水量情況[6]；劉戰(zhàn)東對(duì)從商丘野外生態(tài)試驗(yàn)站測(cè)得的農(nóng)田土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)分析后得出：只需在地表下10、30、70、100和140 cm 5個(gè)深度處埋設(shè)水分測(cè)定探頭，即可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出該地區(qū)土壤水分含量[7]。而對(duì)蓄水坑灌條件下果樹(shù)水分測(cè)定探頭布設(shè)的優(yōu)化研究還相對(duì)較少。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)性分析，并且在綜合考慮了降雨及灌溉對(duì)土壤水分影響的前提下，試圖尋找代表性較好的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，探討該測(cè)點(diǎn)的體積含水率與果樹(shù)周邊土壤剖面水分含量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該轉(zhuǎn)換模型的精確度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本次試驗(yàn)在山西省晉中市太谷縣果樹(shù)研究所進(jìn)行。山西農(nóng)科院果樹(shù)研究所創(chuàng)建于1959年，是全國(guó)土地面積最大的果樹(shù)科研機(jī)構(gòu)，也是山西省唯一的省級(jí)果樹(shù)專(zhuān)業(yè)科研機(jī)構(gòu)。它地處太谷縣西南，平均海報(bào)約781.9m，以落葉果樹(shù)為主要研究對(duì)象。該地區(qū)蘋(píng)果品種以紅富士和丹霞為主，蘋(píng)果樹(shù)行距4 m，株距2 m。土壤的機(jī)械組成見(jiàn)表1。

表1 土壤質(zhì)地成分Tab.1 The Table of soil texture composition

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)于2015年4月-10月期間進(jìn)行。在第一次灌水之后，以7～10 d為一個(gè)周期對(duì)土壤含水率進(jìn)行測(cè)定(其他管理措施均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣管理措施一致)。試驗(yàn)期間每次降雨、灌溉前后均進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。為避免因測(cè)定時(shí)間的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每次測(cè)定時(shí)都保持相同的順序并盡可能在最短的時(shí)間內(nèi)完成。

選取樹(shù)齡、樹(shù)勢(shì)基本一致，無(wú)病蟲(chóng)害的蘋(píng)果樹(shù)3株，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)(灌水量和施肥量一致，當(dāng)含水量降到田間持水量的70%時(shí)進(jìn)行灌水，灌到田間持水量的100%)。3棵植株測(cè)點(diǎn)的布置方式一致，為3個(gè)重復(fù)。具體灌水安排見(jiàn)表2。

表2 灌水時(shí)間及灌水量 L

1.3 水分測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案

由于蓄水坑灌條件下土壤水分的入滲為典型的三維運(yùn)動(dòng)，水分在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的分布之后，勢(shì)必會(huì)在相鄰兩個(gè)蓄水坑分界線(xiàn)處形成一個(gè)零通量面，即AC面；而由于入滲的對(duì)稱(chēng)性，在各個(gè)蓄水坑的中心處也會(huì)形成零通量面，即AB面。因此，本文選取圖1中的扇形區(qū)域A-B-C來(lái)進(jìn)行蓄水坑灌條件下土壤水分的相關(guān)研究。

土壤水分測(cè)點(diǎn)分過(guò)坑、不過(guò)坑、過(guò)坑與不過(guò)坑中間距離樹(shù)干90 cm(z90)、120 cm(z120)兩點(diǎn)。不過(guò)坑測(cè)點(diǎn)布置于相鄰兩蓄水坑分界點(diǎn)與樹(shù)干連線(xiàn)上，背離樹(shù)干距離分別為30 cm(b30)、60 cm(b60)、90 cm(b90)、120 cm(b120)；過(guò)坑測(cè)點(diǎn)布置于樹(shù)干與蓄水坑中心連線(xiàn)上，與樹(shù)干距離分別為30 cm(g30)、50 cm(g50)、100 cm(g100)、120 cm(g120)。垂直方向每20 cm為一層，取至地表以下200 cm處。水分測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

1-環(huán)狀溝；2-樹(shù)干；3-蓄水坑；4-含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn) 圖1 含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意圖Fig.1 Schematic diagram of moisture monitoring points

1.4 測(cè)試項(xiàng)目

試驗(yàn)選用TDR時(shí)域反射儀對(duì)選點(diǎn)的土壤體積含水率進(jìn)行測(cè)定，選用試驗(yàn)區(qū)附近設(shè)立的小型自動(dòng)氣象站對(duì)試驗(yàn)期間田間的降雨?duì)顩r進(jìn)行收集和匯總。試驗(yàn)地日降雨量分布情況如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)地日降雨量分布圖Fig.2 Daily rainfall distribution of experimental-zone

1.5 數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)使用Microsoft Office Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，使用Surfer8.0構(gòu)造土壤水分二維分布圖，使用IBM SPSS Statistics 19.0進(jìn)行土壤水分的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓄水坑灌條件下土壤水分分布特征

圖3為AC剖面灌前1 d，灌后1 d、7 d土壤水分的分布情況。從圖3中可以看出，不同時(shí)間下，土壤水分的垂向分布特征基本一致，水分含量隨著土壤深度的增加均呈現(xiàn)出先增大后

減小的趨勢(shì)，在80～140 cm深度范圍內(nèi)達(dá)到最大；灌水后的短時(shí)間內(nèi)，土壤水分含量在各個(gè)深度處均有顯著的增加；隨著灌后時(shí)間的延長(zhǎng)，水分含量逐漸減小，其高值區(qū)也出現(xiàn)了較小幅度的下移。

由此可知，蓄水坑灌條件下土壤水分的分布情況是極其復(fù)雜的，并非簡(jiǎn)單的一維層狀均勻分布，而且還會(huì)受到灌溉、降雨等諸多因素的影響。因此，如何實(shí)現(xiàn)既能準(zhǔn)確把握土壤墑情，又能減輕測(cè)定的工作量成了人們最關(guān)注的問(wèn)題之一。下面，本文將就解決該問(wèn)題的方法展開(kāi)論述。

2.2 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向土壤水分相關(guān)性分析

在實(shí)際灌溉中，除了關(guān)心土壤水分的空間分布，更關(guān)注計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤的貯水量。為此，可通過(guò)各控制點(diǎn)的體積含水率及其控制的土體體積來(lái)求得相應(yīng)土層的貯水量，即：

圖3 蓄水坑灌條件下土壤水分分布特征Fig.3 Variation of soil moisture content under Water Storage Pit Irrigation

(1)

式中：Mvi為垂向方向第i層土壤貯水量；θi,j為第i層、第j位置處的土壤體積含水率；ΔVi,j為第i層、第j位置處控制點(diǎn)所控制的土體體積；i代表土壤垂向土層編號(hào)；j代表平面測(cè)點(diǎn)編號(hào)；n為平面測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

水分傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率，因此，為了便于分析、比較，在公式1的基礎(chǔ)上，將垂向方向各層土壤貯水量統(tǒng)一折算成各層土壤的加權(quán)平均體積含水率，即：

(2)

另外，從圖4中可以看出，不過(guò)坑且距離果樹(shù)30 cm處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率與各土層加權(quán)平均體積含水率的變化趨勢(shì)一致性較高，數(shù)值相差較小，有較好的吻合。

根據(jù)以上分析可知，不過(guò)坑且距離果樹(shù)30 cm處監(jiān)測(cè)點(diǎn)是相關(guān)性最好、代表性最高、最為理想的測(cè)點(diǎn)，可以利用它的體積含水率來(lái)估算蓄水坑灌條件下整個(gè)果樹(shù)周邊土壤的含水率情況。

2.3 平均土壤含水率預(yù)測(cè)模型建立

采用2015年4月-8月測(cè)得的土壤體積含水率數(shù)據(jù)，建立平均土壤含水率與b30測(cè)點(diǎn)含水率回歸模型，結(jié)果如下：

Y=0.887X+4.067

(3)

式中：Y為各土層的加權(quán)平均體積含水率；X為b30測(cè)點(diǎn)沿垂向方向體積含水率的測(cè)量值。

對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，無(wú)論是常數(shù)還是自變量，其t分布檢驗(yàn)下的P值均不否認(rèn)檢驗(yàn)結(jié)果。因此，以上分析與檢驗(yàn)可以說(shuō)明b30測(cè)點(diǎn)的體積含水率與各土層的加權(quán)平均體積含水率高度線(xiàn)性相關(guān)。

表3 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤水分相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of different monitoring point's soil moisture

圖4 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向0～200 cm土層體積含水率變化過(guò)程Fig.4 Change process of different monitoring point's longitudinal 0～200 cm soil's volumetric water content

模型非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)t值P常數(shù)4．0670．5747．0790不過(guò)坑30cm處監(jiān)測(cè)點(diǎn)0．8870．0260．95533．6000

2.4 預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

根據(jù)上述預(yù)測(cè)模型，對(duì)2015年9月和10月的土壤體積含水率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_度與可靠性。首先，對(duì)相應(yīng)實(shí)測(cè)值的置信區(qū)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。由概率論所學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)給定的置信水平分別為90%、95%、99%時(shí)，相應(yīng)實(shí)測(cè)值的置信區(qū)間分別為(y-1.64s,y+1.64s)、(y-1.96s、y+1.96s)、(y-2.58s、y+2.58s)，其中，s為建立回歸方程時(shí)所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)差(本文中s求得為0.574)，給定的置信區(qū)間如果越小，計(jì)算所得的精確度就越高。一般情況下，工程中要求的可靠性為99.7%[8]；其次，利用擬合方程計(jì)算出各次測(cè)定的回歸值；最后，將回歸值和s統(tǒng)一代入上面的置信區(qū)間公式，即可求出各實(shí)測(cè)值在不同置信水平下的置信區(qū)間[9]?，F(xiàn)分別用9月3日(灌后)、9月16日(灌前)、10月1日、10月10日的土壤水分實(shí)測(cè)資料來(lái)檢驗(yàn)回歸分析結(jié)論的可靠性，具體結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5中可以看出：①各次實(shí)測(cè)值與回歸值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差都較小；②當(dāng)置信水平為99%時(shí)，各次實(shí)測(cè)值的命中 率均為100%，說(shuō)明其精確度和可靠性均達(dá)到了指定要求；③特別地，對(duì)于10月10日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)置信水平為90%時(shí)，命中率就達(dá)到了100%。

表5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證結(jié)論Tab.5 Test conclusion of model validatio

由以上分析可知，回歸值的精確度與可靠性符合實(shí)際要求，說(shuō)明利用b30測(cè)點(diǎn)的體積含水率來(lái)估算蓄水坑灌條件下整個(gè)果樹(shù)周邊土壤的含水率情況的方法是可行的。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上研究表明，蘋(píng)果試驗(yàn)區(qū)不過(guò)坑且距離果樹(shù)30 cm處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率與各土層的加權(quán)平均體積含水率的線(xiàn)性相關(guān)性較好，建立平均土壤含水率與b30測(cè)點(diǎn)土壤含水率線(xiàn)性回歸模型，并采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，這充分說(shuō)明在果樹(shù)下b30位置處布置一個(gè)水分測(cè)點(diǎn)即可預(yù)測(cè)土體的平均土壤含水率。

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