膜下滴灌棉田土壤水分空间变异研究

膜下滴灌棉田土壤水分空间变异研究

土壤水分空间变化是近年来的研究热点之一。土壤水分空间变异是尺度的函数,影响土壤水分空间分布的因素很多,土壤水空间分布在很大程度上依赖于土壤的结构,滴灌带的布置方式及棉花种植模式决定了灌水量及地面蒸发量的空间分布特性。因此,本文主要针对膜下滴灌棉田不同的土壤质地进行分析。为棉花的膜下滴灌智能化系统的实施提供可靠、准确的数据支持,科学的指导农田灌溉。1材料和方法1.1苏集居区气候特征头屯河灌区主要以农业为主,年平均气温为6.1℃。元月的平均气温为-17.5℃,7月份的平均气温24.6,年气温较差为41℃,平均日温较差为13.4℃,最高达26.2℃,极端最高温度是42.0℃,最低温度为-38.2℃。≥0℃积温3834℃,≥10℃积温3374℃。光热资源比较理想,特别是在作物生长发育成熟的6―8月份内,平均每天的日照时间都在10小时以上,对需要长日照或短日照的作物都可以满足。平原区为2833h,日照率为64%。太阳年辐射量为133.6千卡/cm2以上。年平均降水量180.1mm。头屯河灌区降水比较集中,约在41.6-56.1mm之间,占平原区全年降水总量的31.1%-32.6%。1.2-40cm土层厚度的变化田间试验在位于新疆生产建设兵团农十二师头屯河农场实验区展开,用土钻取样,并用烘干法处理样品。在两块60m×80m面积的试验地,布点方式是沿东西方向每隔10m,沿南北方向也每隔10m布置采样点,形成10m×10m的均匀布点,共设采样点48个;在滴灌水1天后,大部分土壤水仍存在于土壤表层0-60cm内,0-40cm层土壤水分变化不大。在棉花的生育灌溉期间,滴灌定额少于45mm,一般只能影响到土壤0-40cm这一区域,要掌握灌溉过程中土壤水分的变化情况,只需要对0-60cm土层内的土壤进行监测。所以,设计采样深度为60cm,在每个采样点剖面测定0-20cm、20-40cm和40-60cm三层土壤含水量。1.3模型拟合算法半方差函数,也称空间变异函数,是用来描述区域化变量结构性和随机性并存这一空间特征而提出的,是描述土壤特性空间变异结构的一个函数。半方差函数γ(h)的计算式:(1)式中,h是样本的间隔;N(h)是间隔为h的样本对数。交叉验证法(Cross-validation)是一种模型优选的验证方法,它能对模型进行预测。交叉验证的主要思想:假设有n个观测数据点,为了在模型集中选择一个最优模型,首先,我们删掉一个观测数据点,用其余n-1个观测数据点去拟合模型;然后用删掉的观测数据点检验模型,再对所有观测数据点都进行一次上面的操作,消除人为检验期所引入的误差,并把预测值与原来的观测值进行比较,在该准则下选择最优模型。2结果与分析2.1土壤含水率的空间结构性利用SPSS进行统计分析,对试验数据进行Q―Q正态概率检验,结果表明均符合正态分布。再对试验数据进行半方差函数分析。半方差函数分析相关参数见表1。由表1中的块金基台比的值可以看出,相对于粘土研究区0-20cm、20-40cm和40-60cm的块金基台比依次为49.98%、49.98%、89.32%,其相应的空间变异性依次属于中等变异,中等变异和强变异,说明0-40cm层土壤含水率的空间结构性一般,40-60cm层土壤含水率的空间结构性较差。相对于壤土研究区0-20cm、20-40cm和40-60cm的块金基台比依次为100%、20.42%、19.98%,其相应的空间变异性依次属于强变异,弱变异和弱变异,说明0-20cm层土壤含水率的空间结构性较差,20-60cm层土壤含水率的空间结构性显著。这是由于膜下滴灌局部灌溉的特点及不同土壤的田间持水性造成的。上述分析表明,在膜下滴灌模式下,不同土壤质地,相应于同一深度层的土壤含水率的理论模型不同。0-20cm层土壤含水率的随机因素带来的空间变异性最大,其它层的较小,粘土土壤含水率的随机因素带来的空间变异性大于壤土的。相对于两个研究区同一深度而言,粘土土壤含水率的总的空间变异性大于壤土的。相对于粘土0-20cm、20-40cm和40-60cm的空间变异性依次属于中等变异,中等变异和强变异,说明0T40cm层土壤含水率的空间结构性一般,40-60cm层土壤含水率的空间结构性较差。相对于壤土0-20cm、20-40cm和40-60cm的空间变异性依次属于强变异,弱变异和弱变异,说明0-20cm层土壤含水率的空间结构性较差,20-60cm层土壤含水率的空间结构性显著。主要是因为研究区的土壤质地的不同和受到的人为因素的不同。2.2模型估计精度检验为了更精确地描述不同土壤质地下滴灌棉田土壤含水率的空间变异,分别计算了不同土壤质地下的各层土壤含水率的估计值,并进行平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)、相对均方差(RSME)和I值四个统计量的精度检验,结果见表2。为了更加准确地反映滴灌棉田土壤含水率的空间分布情况,本文分别计算了普通克立格法(OK)和简单克立格法(SK)的两种空间插值并进行精度检验比较。从表2中粘土研究区的估值精度来看,普通克立格法(OK)估值的平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)、相对均方差(RSME)和I值四个统计量均大于简单克立格法(SK)的估值精度。从壤土研究区的估值精度来看,0-20cm层的普通克立格法(OK)估值的平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)、相对均方差(RSME)和I值四个统计量均大于简单克立格法(SK)的估值精度;而20-40cm层和40-60cm层的四个统计量简单克立格法(SK)的估值精度更高。其中,20-40cm层土壤含水率的估值精度最大。分析表明,相对于粘土研究区,普通克立格法(OK)优于简单克立格法(SK)的估值精度,相对于壤土区,简单克立格法(SK)优于普通克立格法(OK)的估值精度。不同土壤质地条件下,20з40cm层土壤含水率的估值精度最大。3土壤质地对膜下自然权利的影响在两个不同土壤质地的研究区中,0-20cm层土壤含水率的随机因素带来的空间变异性最大,其它层的较小,粘土土壤含水率的随机因素带来的空间变异性大于壤土的。粘土滴灌棉田20-40cm层土壤含水率的空间结构显著性较好,而壤土滴灌棉田则是20-60cm层土壤含水率的空间结构显著性较好,为弱变异。即是说明,不同土壤质地的条件下,膜下滴灌棉田土壤含水率的空间结构性不同。从不同试验研究区的估值精度来看,不同土壤质地的估值精度不同,粘土研究区的估值精度小于壤土研究区的估值精度,其中,20-40cm层土壤含水