單雙管微咸水膜下滴灌棉田根區(qū)土壤水電導(dǎo)率空間變異分析

胡文同， 陳 林， 高印軒， 曾 尚， 陳俊英,2， 栗現(xiàn)文,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

水資源短缺和土壤鹽漬化是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的兩個(gè)主要問題[1]。而在我國西北、華北地區(qū)廣泛分布著微咸水，利用微咸水對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉具有很大的開發(fā)潛力[2-3]。膜下滴灌技術(shù)具有減少棵間蒸發(fā)、保溫保墑、浸潤到位等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，而且能減少深層滲漏量、緩解鹽分在作物根區(qū)聚集[6]，被認(rèn)為是目前最合理有效的微咸水開發(fā)利用技術(shù)之一[7-8]，因此在我國新疆等干旱區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[9-10]。但因滴灌浸潤深度所限，微咸水膜下滴灌會(huì)使?jié)駶欝w及其附近土壤積鹽[11]，并使得土壤鹽分的空間變異性增強(qiáng)。

微咸水滴灌條件下的土壤鹽分分布特征對(duì)棉花生長具有重要控制作用，國內(nèi)外對(duì)膜下滴灌棉花根區(qū)土壤鹽分的遷移規(guī)律開展了大量研究。膜下滴灌條件下土壤各層次鹽分含量變化趨勢(shì)大體相同，從苗期開始呈現(xiàn)降低-升高-再降低的過程[12]。高礦化度水長期灌溉導(dǎo)致耕層土壤明顯積鹽，低礦化度水灌溉則降低了土壤鹽分[13]。也有研究表明，膜下滴灌使得下層土壤(60～100 cm土層)有積鹽趨勢(shì)[14]。單、雙管滴灌模式對(duì)比顯示，一膜雙管膜下滴灌模式下棉花根區(qū)形成淡化脫鹽區(qū)，而一膜單管模式則在滴頭處具有更強(qiáng)的淋洗能力[15]。在剖面尺度，土壤含鹽量變異性有隨著深度增加呈先減弱再增強(qiáng)的趨勢(shì)[16]。但現(xiàn)有研究中，較少系統(tǒng)分析單、雙管兩種微咸水膜下灌溉模式下土壤鹽分空間變異的差異性。

土壤水電導(dǎo)率可表征土壤水易溶鹽含量，研究表明二者具有顯著正相關(guān)關(guān)系[17-18]。而土壤水易溶鹽含量則直接關(guān)系到作物根系吸水能力和營養(yǎng)元素吸收[19-20]。采用WET(Delta-T Devices Ltd., Cambrige, UK)探針通過測(cè)定土壤的介電性質(zhì)來測(cè)定土壤水電導(dǎo)率，具有速度快(5 s)、易插入、適合多種土壤類型及穩(wěn)定精確的優(yōu)點(diǎn)[21]，可節(jié)省人工取樣測(cè)定所需的大量人力、物力。本研究選取棉花耗水量較大的花齡期，開挖0～60 cm深度二維剖面，精細(xì)測(cè)定單、雙管兩種膜下滴灌模式下的土壤水電導(dǎo)率分布狀況，通過進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征值分析和構(gòu)建地統(tǒng)計(jì)學(xué)半方差函數(shù)模型，進(jìn)而分析兩種模式下的土壤水電導(dǎo)率的空間變異與分布特征的差異性。其結(jié)果可為優(yōu)化田間節(jié)水控鹽模式提供一定的理論支持，為微咸水膜下滴灌技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)站點(diǎn)概況

田間小區(qū)位于新疆塔里木河流域巴音郭勒管理局水利科研所國家重點(diǎn)灌溉試驗(yàn)站(東經(jīng)86°10′，北緯41°35′)。該試驗(yàn)站地處天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，地勢(shì)平緩，海拔900 m左右；屬典型的暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降水量58.6 mm，蒸發(fā)量2 788.2 mm，年平均氣溫為11.48 ℃。試驗(yàn)地以壤土為主，土質(zhì)較均一，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為46.81%、45.96%和7.23%，容重為1.69 g/cm3。生育期棉花膜下滴灌用水為淺層地下水，灌水礦化度為2.2 g/L左右。

2.2 試驗(yàn)方法

微咸水膜下滴灌棉田試驗(yàn)采用“一膜雙管”和“一膜單管”兩種膜下滴灌模式(圖1)，灌溉制度一致。選擇棉田花齡期1次灌水作為研究對(duì)象，于灌水后2～3 d在棉花長勢(shì)較為均勻處開挖監(jiān)測(cè)剖面。具體為：從膜間向?qū)捫兄醒氪怪遍_挖至60 cm深度，測(cè)坑寬20 cm，在其兩側(cè)剖面標(biāo)出10×10 cm的網(wǎng)格線(圖2)。采用WET探針在兩相對(duì)剖面的網(wǎng)格線交點(diǎn)處各測(cè)49個(gè)點(diǎn)，兩種膜下滴灌模式共計(jì)98個(gè)點(diǎn)，每行取相對(duì)點(diǎn)1(3、5、7、9、11、13)和2(4、6、8、10、12、14)的電導(dǎo)率均值作為剖面土壤水電導(dǎo)率。

圖1 膜下滴灌雙管模式和單管模式示意圖(單位：cm)

圖2 膜下滴灌雙管模式和單管模式剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

2.3 合理取樣數(shù)計(jì)算

合理采樣數(shù)目是指用一個(gè)較小樣本量去替代總體樣本，使抽樣樣本的均值與方差能夠較好地估計(jì)總體的均值與方差。計(jì)算合理采樣數(shù)目的方法有正態(tài)分布法和t分布法，目前使用較多的是正態(tài)分布法，在已知變異系數(shù)的情況下，可采用下式計(jì)算[22]：

(1)

(2)

式中：n為合理采樣數(shù)；CV為變異系數(shù)；k為相對(duì)誤差。

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel軟件對(duì)用WET探針測(cè)得的0～60 cm深度二維剖面土壤水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和計(jì)算；采用SPSS Statistics 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；通過GS+軟件進(jìn)行半方差函數(shù)擬合分析及Kriging空間插值。

電導(dǎo)率分級(jí)計(jì)算：在GS+軟件中，將Kriging插值形成的等值線文件輸出為Surfer Grid (.grd)網(wǎng)格文件格式，并在Surfer 10軟件中通過網(wǎng)格-體積工具導(dǎo)入，將上表面設(shè)為網(wǎng)格文件，下表面設(shè)為給定的不同電導(dǎo)率界限值，統(tǒng)計(jì)大于不同界限值的平面面積，計(jì)算出不同電導(dǎo)率范圍對(duì)應(yīng)面積占總面積的比例。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)特征值分析

表1為單、雙管模下滴灌后土壤水導(dǎo)電率統(tǒng)計(jì)特征值。由表1的可知：雙管模式下，土壤水電導(dǎo)率的極差為0.73 mS/cm，中值為0.48 mS/cm，分別為單管模式的1.92和1.26倍。從均值看，雙管模式的土壤水電導(dǎo)率為0.49 mS/cm，較單管模式增加44.1%，兩者差異性達(dá)到了顯著性水平(P<0.05)。以上特征值表明，雙管模式下的土壤鹽分累積程度相對(duì)較高。研究表明，土壤變異系數(shù)低于10%為低度變異，10%～100%為中等強(qiáng)度變異，大于100%為強(qiáng)度變異[23]，單、雙管膜下滴灌模式的變異系數(shù)分別為32.17%和30.25%，故兩種模式的土壤水電導(dǎo)率均為中等強(qiáng)度變異，且較為接近。

3.2 合理取樣數(shù)分析

根據(jù)單、雙管模式下的土壤水電導(dǎo)率變異系數(shù)(表1)，通過公式(1)計(jì)算兩種模式下不同相對(duì)誤差(5%，10%，15%)條件下的合理采樣數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可看出，兩種模式均能滿足95%顯著性水平下10%的誤差精度要求，故這些數(shù)據(jù)能反映土壤水電導(dǎo)率空間分布狀況。

3.3 土壤水電導(dǎo)率半方差函數(shù)擬合模型

將用WET探針測(cè)得的兩種模式棉田土壤水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)作為區(qū)域化變量，用于地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間變異分析，兩種滴灌模式下土壤水電導(dǎo)率P-P正態(tài)概率見圖3。由圖3可知，兩種模式被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)期望的累計(jì)概率均近似為直線，且K-S檢驗(yàn)的P值均大于0.05，故兩種模式的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，可用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來定量研究剖面土壤水電導(dǎo)率的空間變異[24]。

半方差函數(shù)是表示區(qū)域化變量空間相關(guān)性的重要函數(shù)，主要用來確定結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素對(duì)土壤空間變異的影響，常用的理論半方差函數(shù)模型有球狀模型(Spherical Model)、高斯模型(Gaussian Model)及指數(shù)模型(Exponential Model)[25]。利用GS+對(duì)獲取的不同處理土壤水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)擬合，結(jié)果如表3所示。

表1 單、雙管膜下滴灌后土壤水電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)特征值

表2 基于樣本數(shù)據(jù)的合理采樣數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3 兩種滴灌模式下土壤水電導(dǎo)率P-P正態(tài)概率圖

表3 兩種滴灌模式的半方差函數(shù)擬合模型及參數(shù)

由表3可知，兩種模式的半方差函數(shù)擬合模型的R2均趨近1、殘差RSS趨近于0，故各擬合模型的精度均較高。在球狀、高斯及指數(shù)這3種模型中，高斯模型的R2最大、RSS最小，故高斯模型為兩種模式的最優(yōu)半方差擬合模型。雙管模式下最優(yōu)擬合模型的基臺(tái)值為0.0397，是單管模式的2.4倍，表明雙管模式下的土壤水電導(dǎo)率空間變異性較強(qiáng)。塊金基臺(tái)比(C0/(C0+C))表示空間變異性程度，即由隨機(jī)部分引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異的比例[16]。雙管模式的球狀、高斯和指數(shù)模型的塊金基臺(tái)比分別為10.7%、23.2%、3.4%；單管模式分別為0、3.8%、0.3%，均小于25%，表明剖面土壤水電導(dǎo)率具有十分強(qiáng)烈的空間相關(guān)性[26]，且空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起。同時(shí)，單管模式下由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異強(qiáng)于雙管模式。雙管模式下的球狀、高斯和指數(shù)模型的變程分別為64.87、67.24、155.22 m，而單管模式下分別為91.00、54.39、273 m，對(duì)于剖面尺度來說，常規(guī)的取樣深度多在數(shù)米土壤層內(nèi)，遠(yuǎn)小于上述變程，這也是剖面土壤水電導(dǎo)率具有強(qiáng)空間相關(guān)性的體現(xiàn)。

3.4 根區(qū)土壤水電導(dǎo)率空間分布特征

選用克里格(Kriging)插值法，在最優(yōu)半方差函數(shù)模型(Gaussian Model)的基礎(chǔ)上，通過交叉驗(yàn)證方法對(duì)理論模型參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(表4)。由表4中的R2和SE可知，兩種模式擬合模型均具有較高的顯著性，故選用Kriging空間插值具有較高精度。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙管模式下的R2較小、SE較大，也表明雙管模式下的剖面土壤水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)離散性較強(qiáng)，交叉驗(yàn)證模型的擬合優(yōu)度相對(duì)較差。

表4 兩種滴灌模式土壤水電導(dǎo)率空間預(yù)測(cè)交叉驗(yàn)證

注：y為土壤水電導(dǎo)率觀測(cè)值，x為估算值，R2為決定系數(shù)，SE為標(biāo)準(zhǔn)誤差。

通過Kring空間插值，獲得兩種滴灌模式的剖面土壤水電導(dǎo)率空間分布，見圖4。由圖4可看出，雙管模式下土壤水電導(dǎo)率等值線呈“水滴”狀分布，電導(dǎo)率峰值出現(xiàn)在剖面下部的“水滴”外圍；而單管模式下土壤水電導(dǎo)率等值線呈明顯“條帶”狀分布，電導(dǎo)率峰值出現(xiàn)在剖面30～40 cm深度的最左側(cè)的膜間部位，這是不同滴灌模式對(duì)剖面土壤鹽分進(jìn)行驅(qū)替，致使鹽分重分布的體現(xiàn)。在滴頭出流入滲作用下，土壤中的鹽分隨水分向濕潤體的邊緣聚集，且越靠近滴頭處的鹽分得到的淋洗效果越強(qiáng)。同時(shí)因不同滴灌模式滴灌帶鋪設(shè)位置不同，空間上即形成“條帶”狀和“水滴”狀的電導(dǎo)率分布形態(tài)。汪昌樹等[15]研究的一膜雙管4行和一膜單管4行兩種膜下滴灌方式下土壤鹽分的運(yùn)移規(guī)律也表明了這點(diǎn)。電導(dǎo)率等值線梯度變化也表明：兩種模式的土壤水電導(dǎo)率整體上隨土層深度的增加而增大，表明在滴灌條件下，剖面土壤鹽分具有底聚現(xiàn)象，有引發(fā)次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)，故對(duì)生育期鹽分狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理就顯得尤為重要。

為便于比較兩種膜下滴灌模式土壤水電導(dǎo)率的空間分布情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)土壤水電導(dǎo)率進(jìn)行分級(jí)(表5)。結(jié)合圖4，分析可知，在0～60 cm深度土壤剖面，兩種處理的土壤水電導(dǎo)率差異顯著，在0～0.2 mS/cm段，雙管模式下所占比例為0，單管模式下所占比例為10.22%；在0.2～0.4 mS/cm段，雙管模式下所占比例為24.95%，是單管模式下的58.86%；在0.4～0.6 mS/cm段，雙管模式下所占比例為62.56%，是單管模式下的1.31倍；在電導(dǎo)率值大于0.6 mS/cm段，雙管模式下所占比例為12.49%，而單管模式下所占比例為0，故雙管模式下的剖面土壤水電導(dǎo)率相對(duì)高值區(qū)面積明顯大于單管模式。其原因主要為：在試驗(yàn)壤土條件下，相同灌水定額時(shí)，雙管模式的流量相對(duì)較小，對(duì)鹽分的淋洗作用相對(duì)較弱；而單管流量則相對(duì)較大，滴頭下方土壤較易達(dá)到飽水狀態(tài)，而使得單管模式橫向滲流擴(kuò)展能力較強(qiáng)，對(duì)表層土壤鹽分淋洗較為充分。

表5兩種滴灌模式的土壤水電導(dǎo)率各等級(jí)面積比%

滴灌模式電導(dǎo)率值等級(jí)/(mS·cm-1)0～0.20.2～0.40.4～0.6>0.6一膜雙管024.9562.5612.49一膜單管10.2242.3947.390

4 結(jié) 論

本研究通過WET探針對(duì)一膜單管和一膜雙管兩種膜下滴灌模式0～60 cm深度的二維剖面土壤水電導(dǎo)率進(jìn)行細(xì)致網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征值和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)雙管模式下土壤水電導(dǎo)率的最大值明顯大于單管模式，且均值也較大，差異性達(dá)到了顯著性水平(P<0.05)；單、雙管膜下滴灌模式的變異系數(shù)分別為32.17%和30.25%，均為中等強(qiáng)度變異。

(2)兩種滴灌模式下電導(dǎo)率數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布；地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，兩種模式的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型均為高斯模型；棉田土壤水電導(dǎo)率的空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起；單、雙管模式的變程均遠(yuǎn)大于常規(guī)土壤剖面采樣尺度，兩種模式的剖面土壤水電導(dǎo)率均具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性。

(3)單、雙管剖面土壤水電導(dǎo)率空間分布表明，在試驗(yàn)壤土條件下，兩者分別呈“條帶”狀和“水滴”狀，單管模式具有更強(qiáng)的橫向滲流擴(kuò)展能力，對(duì)表層土壤鹽分淋洗較為充分。