統(tǒng)計土壤墑情監(jiān)測采樣優(yōu)化布局研究

摘要：為給類似區(qū)域墑情監(jiān)測的合理取樣數目和取樣位置提供參考價值，通過合理的取樣數目和挑選有代表性的取樣方法，獲得最佳的墑情監(jiān)測結果，以此了解整個研究區(qū)內的墑情狀況，為區(qū)域內墑情（旱情）監(jiān)測站點的建設和旱情的預測提供基礎依據，并根據旱情程度來指導節(jié)水灌溉。對曲靖珠江流域地區(qū)30hm2煙田范圍內選擇的有代表性的15個土壤水分監(jiān)測實驗點的土壤墑情數據進行了地理統(tǒng)計分析，分別采用聚類分析法和協(xié)方差相關系數法來研究實驗區(qū)內干旱采樣在空間（平面和垂向）的優(yōu)化布局。結果表明：地面上最終選定9個監(jiān)測站點，垂向上取地面以下10cm、30cm、60cm這三個深度的墑情監(jiān)測，即可滿足研究區(qū)內旱情監(jiān)測、指導灌溉和農業(yè)生產的要求。

關鍵詞：墑情監(jiān)測;干旱;地統(tǒng)計分析;采樣布局

中圖分類號： S512.11 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2019.06.022

我國是一個干旱災害頻發(fā)的國家，近年來，干旱缺水已成為制約工農業(yè)生產、城市發(fā)展和社會持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。干旱導致的旱災已成為全世界發(fā)生最為頻繁，涉及范圍最廣，持續(xù)時間最長，危害程度最為嚴重的自然災害之一，對人類的生存和發(fā)展產生不利影響[1]。

農業(yè)對旱災反應是十分敏感的，也是防御和減輕旱災的薄弱環(huán)節(jié)[2]。旱情監(jiān)測是指對影響旱情變化的諸因素，如降水、氣溫、土壤含水量、地下水位等進行具體定量的測定或資料的收集。影響旱情的因素很多，而土壤墑情是影響旱情變化的主要因素，墑情監(jiān)測主要是對田間土壤含水率的監(jiān)測。土壤墑情即土壤中的水分狀況，土壤含水量是一個重要干旱指標，同時也是最常用和最重要的土壤信息，其在農作物生長過程中具有重要的作用。其是科學地控制土壤水分狀況、實現(xiàn)科學用水和指導灌溉的基礎。要在生產管理中應用墑情監(jiān)測技術，就要研究如何監(jiān)測在空間上變化著的田間土壤水分[3]。

本文通過研究區(qū)域內土壤墑情變化來研究旱情的變化狀況，在研究區(qū)域內借助土壤水分測試儀器，建設墑情監(jiān)測站點，在建站過程中，涉及墑情（旱情）監(jiān)測裝置的取樣，傳感器埋設合理的站點數目以及位置，預測預報方法信息管理系統(tǒng)建設等一系列問題，這一系列問題的研究和解決，對于做好墑情監(jiān)測工作，實現(xiàn)準確及時的預測與預報有著重要的理論指導和現(xiàn)實意義[4]。監(jiān)測站點越多，數據的代表性越強，工作量也將增加，監(jiān)測的次數過少，則不能滿足指導生產的需要。實踐經驗表明，在土壤墑情監(jiān)測過程中要根據當時的土壤水分空間變異性，確定合理的取樣位置和取樣數目，取樣布置包括墑情監(jiān)測點在區(qū)域內的平面布置及垂向的布設[5]。因此，要在研究區(qū)域內布設合理監(jiān)測站點，使其得到的土壤含水率既能代表區(qū)域，又不使取樣數過多，并且方便實際應用，故需要合理建立墑情監(jiān)測系統(tǒng)。開展土壤墑情監(jiān)測預報工作不僅能實現(xiàn)監(jiān)視和監(jiān)測點位的墑情動態(tài)，而且能較好地掌握大范圍農田墑情和旱情嚴重程度及其在空間上的分布規(guī)律，從而為煙農適時適量灌溉烤煙和政府部門及時制定抗旱減災對策提供科學依據，減少干旱災害損失，并為未來工作中建設類似區(qū)域墑情監(jiān)測站點提供依據，以此來指導墑情（旱情）監(jiān)測、合理利用水資源、節(jié)水灌溉和抗旱、防災減旱。

1 試驗方法和原則

1.1 試驗原則

土壤含水量與降雨量、蒸發(fā)量、土壤類型、地下水位、作物類型及作物生長階段需水規(guī)律等因素有關，因此，在農田上建立監(jiān)測站點時，其位置應根據以上因素，盡量使區(qū)域內土壤墑情可視為趨向 “均一性”，還要考慮選擇具有代表性的點取樣[6]。由于研究區(qū)內種植的主要作物是烤煙，占整個區(qū)域種植面積的85%以上，根據烤煙的生長期（6月～9月）、根系生長范圍（80cm以內）及土層厚度來初步確定在垂直方向上選取地表以下10cm、30cm、45cm、60cm、80cm深處監(jiān)測土壤墑情。在平面上則根據土壤類型、地下水埋深、灌溉制度分區(qū)等情況，使區(qū)域內土壤墑情可視為“同一性”[7]。同時也盡量均勻的在地表建立旱情監(jiān)測站點。根據上述原則，旱情監(jiān)測站點監(jiān)測的土壤含水量基本能最大程度的反映出臨近的較大地域范圍內旱情的真實情況，旱情監(jiān)測體系能最接近真實的預測區(qū)域的旱情變化。

1.2 試驗方法

試驗于2011年～2014年在富源縣十八連山鎮(zhèn)取木德村委會取木德村進行。該地地理中心坐標為東經104°31′23.88〃，北緯25°07′46.67〃，海拔1760m。試驗用WATCHDOG1000系列生態(tài)因子記錄儀Watermark土壤水分傳感器監(jiān)測土壤含水率。在30ha項目區(qū)內共建立15個土壤水分監(jiān)測站點，并根據實際需要在田間用土壤水分測定儀臨時增加取樣點，每個站點均安裝型號相同的土壤水分傳感器，將傳感器按照一定的距離固定埋入地表不同位置及地表以下不同深度。具體做法為，地表面上大概相距100m范圍內埋設一個土壤水分傳感器，即采用均勻布點法。垂向上考慮到烤煙主要根系活動層深度，并結合當地土層厚度和地下水埋深，初步選定地面以下10cm、30cm、45cm、60cm、80cm五個深度的土層的含水量作為土壤墑情點。墑情取樣在作物生長的前三個階段（還苗期、團棵期、旺長期）一周監(jiān)測一次，成熟期兩周監(jiān)測一次，在灌溉前后、雨量過多或是連續(xù)多天未降雨則臨時增加土壤水分測定，試驗數據為15個監(jiān)測站點和若干個臨時取樣點4年期間在試驗區(qū)內共采集的2025個土壤體積含水率，監(jiān)測站點基本覆蓋了該片烤煙種植示范范圍。

2 結果與分析

2.1 旱情監(jiān)測結果

根據項目區(qū)多年氣象觀測資料，可得出研究區(qū)內多年平均各月氣象因子（降雨、溫度、濕度及蒸發(fā)量）觀測的年內分布圖，見圖1。

由研究區(qū)內多年地面墑情監(jiān)測原始數據，可以得出研究期內（6月中旬～9月下旬共11個時間系列，其中時間10～60共11個時間系列依次代表6月中旬～9月下旬）土壤含水量的變化趨勢，見圖2。

由圖2可以看出，在時間上看，各監(jiān)測站點上各月土壤含水量變化不大，但在研究時段內變化較大，從6～8月（時間10～45時段）有上升趨勢，到8月中旬（時間點45處）達到最大值，接下來開始下降，到8～9月中旬有下降趨勢，這種變化趨勢與當地降雨，溫度、濕度及蒸發(fā)量等氣候狀況的變化是一致的，其中影響最為活躍的因子是降雨量。由多年不同深度土壤墑情監(jiān)測數據還可以得出研究區(qū)域內各月土壤含水量在垂向變化趨勢圖，見圖3，并由此圖可得出，不同深度監(jiān)測站點上的土壤含水量變化較大，總的變化趨勢是10～45cm深度在逐漸的增大，到50cm深左右反而減到最小，60cm深度至80cm保持在一個相對平穩(wěn)趨勢，變化幅度較小。

2.2 試驗數據分析

2.2.1 平面上監(jiān)測數據分析 平面上旱情監(jiān)測分析采用系統(tǒng)聚類分析法，聚類分析是將樣本個體或指標變量按其特性進行分類的一種統(tǒng)計分析方法。這種方法的最終目的是對地面上的15個監(jiān)測站點進行聚類，即根據距離的遠近和土壤墑情監(jiān)測數據比較接近的采樣點進行一定程度的“凝聚”，通過“凝聚”點來反映和代表臨近點的旱情情況，這不僅使地面的監(jiān)測點更加合理、有效，而且用最少的監(jiān)測點來滿足最大范圍的監(jiān)測，從而大大減少了監(jiān)測站點的數量，使其布局達到最優(yōu)，聚類分析的結果見圖4。

從聚類分析結果看，15個站點分為4類：第一類包括3個站點（1、13、15），第二類包括5個站點（2、5、6、9、14），第三類包括5個站點（3、8、7、10、11），第四類包括2個站點（4、12），由聚類分析成果及各站點所在位置的氣象特征和地形狀況，最終選定點1、點3、點5、點6、點8、點10、點12、點13、點14共9個站點建設監(jiān)測站點，監(jiān)測站點建設成功后，以后只需要在整個項目區(qū)內在9個所建的監(jiān)測站點取樣，即可滿足指導灌溉和農業(yè)生產要求。通過本研究就可以將之前的15個監(jiān)測點減為9個站點，大大優(yōu)化了采樣布局，并使以往監(jiān)測站點的布局方式更加科學。

2.2.2 空間上監(jiān)測數據分析 空間上監(jiān)測數據采用變異系數法及相關系數法進行分析，分析的目的是將相關系數較高的兩處或多處深度的監(jiān)測站點用一層來代替。以最少的土層信息來代替整個監(jiān)測深度的土壤墑情變化。

由監(jiān)測數據得出各個層次土壤含水率的平均值、標準差、變異系數及相關系數，并將其匯總到表1中。由表1可看出，地表10cm處的變異系數最大，10～45cm范圍內變異性呈遞減趨勢，以后到80cm范圍內變化較小。地表下45cm處與60cm處、60cm處與80cm處的相關系數相關程度均較高，分別高達0.728和0.761。

變異系數大意味著墑情增加或減小的幅度較大，反之則較小。變異系數大的要在較短時間段內監(jiān)測土壤墑情的變化，變異系數小的則可以間隔較長時間來監(jiān)測土壤墑情的變化。但是在汛期，由于地下水位的上升，影響深層土壤含水率的變化較大，故需重視加強對深層土壤墑情的監(jiān)測。將各層監(jiān)測墑情數據進行相關系數分析，可根據這幾層相關系數的高低來將其監(jiān)測數目進行濃縮，從而可以減少被濃縮層的監(jiān)測工作，經過綜合分析舍掉45cm、80cm這兩層的監(jiān)測工作，最后只需要在地表以下80cm范圍內保留10cm、30cm、60cm這三個深度的墑情監(jiān)測，即可滿足監(jiān)測要求。

3 結論與討論

在地平面上，各個監(jiān)測站點在6月中旬～9月下旬這11個時間系列中土壤含水量變化較大，從6月中旬～8月中旬呈上升趨勢，到8月下旬達到最大值，接下來開始下降，到8月下旬～9月下旬呈下降趨勢，這種變化趨勢與當地降雨量的變化規(guī)律最相關。從垂向上看，不同深度監(jiān)測站點上的土壤含水量變化較大，總的變化趨勢是10～45cm深度在逐漸的增大，到50cm深左右反而減到最小，60～80cm深度保持在一個相對平穩(wěn)趨勢，變化幅度較小。

從分析結果來看，通過聚類分析可將研究區(qū)內的15個站點分為4類，并由此最終選定點1、點3、點5、點6、點8、點10、點12、點13、點14共9個站點建設監(jiān)測站點，監(jiān)測站點建設成功后，以后只需要在整個項目區(qū)內在9個所建的監(jiān)測站點取樣，即可滿足指導灌溉和農業(yè)生產要求，并使以往監(jiān)測站點的布局方式更加科學和合理。

空間上監(jiān)測數據采用變異系數法及相關系數法進行分析，結果只需要在地表以下80cm范圍內保留10cm、30cm、60cm這三個深度的墑情監(jiān)測，即可滿足監(jiān)測要求。

參考文獻

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作者簡介：張維，碩士研究生，助理農藝師，研究方向：煙葉基礎設施建設管理。