膜下滴灌墑情監(jiān)測點布設(shè)方案研究

吳宏平，王樹仿，，繳錫云（.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州33；.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京0098）

膜下滴灌墑情監(jiān)測點布設(shè)方案研究

吳宏平1，王樹仿1，2，繳錫云2
（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州311231；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098）

研究了膜下滴灌墑情監(jiān)測點的布設(shè)方案 ，為降低監(jiān)測成本 ，提高田間信息采集精度提供了理論指導(dǎo)。在新疆庫爾勒市包頭湖農(nóng)場48 m×56 m（一根支管控制）的區(qū)域內(nèi)，制定了3種墑情監(jiān)測點布設(shè)方案 ，并對方案合理性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，此3種監(jiān)測點布設(shè)方案下插值后計算出的土壤含水率與實測樣本土壤含水率，在顯著性水平0.05下，沒有顯著性差異；綜合考慮農(nóng)田規(guī)格、合理監(jiān)測點數(shù)目、以及監(jiān)測點位置等因素，一根支管控制區(qū)域內(nèi)土壤墑情測布設(shè)方案可采用30 m×10 m網(wǎng)格。

墑情監(jiān)測方案；土壤含水率；膜下滴灌；克里格插值；顯著性檢驗

近年來，隨著我國水資源緊缺形勢日益加劇，精準(zhǔn)灌溉已成為水資源高效利用、可持續(xù)利用的有效途徑之一。膜下滴灌是近十年來在我國新疆發(fā)展起來的一種先進(jìn)的灌溉方法，該技術(shù)的發(fā)展對灌溉系統(tǒng)的自動化、智能化程度要求更高，因此也對墑情監(jiān)測提出更高的要求。合理的墑情監(jiān)測布設(shè)方案是精準(zhǔn)灌溉的基礎(chǔ)。近年來國外學(xué)者對田間土壤水分空間變異性、墑情采樣方法、數(shù)目進(jìn)行了研究［1-5］；同時國內(nèi)學(xué)者針對土壤水分時空變異規(guī)律、采樣方法和數(shù)目也進(jìn)行了一定研究［6-11］，但對土壤墑情的監(jiān)測點布設(shè)方案研究較少，而對應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)進(jìn)行田間土壤水分監(jiān)測點的布設(shè)方案研究一般還停留在空間變異性分析的理論階段 ，而對進(jìn)一步提出監(jiān)測點方案研究尚少涉及。另外楊風(fēng)亮、李彥等針對膜下滴灌墑情監(jiān)測方面有初步研究，但尚未提出監(jiān)測點布設(shè)方案［12-14］。本文根據(jù)前期已經(jīng)研究的田間土壤水分（隨灌溉次數(shù)增加）時空變異性規(guī)律，提出了墑情監(jiān)測點布設(shè)方案，為減少采樣數(shù)目和降低采樣成本，提高田間信息采集精度提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州首府庫爾勒市的包頭湖農(nóng)場智能化滴灌示范區(qū)內(nèi)。屬暖溫帶大陸性干旱氣候，氣候特征是光照資源充沛 ，主要風(fēng)向是西北風(fēng)，冬季寒冷少雪，夏季炎熱少雨，總?cè)照諗?shù)2 990 h，無霜期平均210 d，年平均氣溫11.4℃，年最大蒸發(fā)為2 788.2 mm，年均降水量為102 mm。試驗地塊毛管（滴灌帶）長度為56 m，毛管平均間距為1.25 m；支管長度為48 m。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，其密度1.43 g/cm3。地形東北高，西南低，平均坡度小于0.3‰。棉花種植方向為東西向。棉花栽培采用一膜四行的方式，膜寬為1.25 m，膜間距為45 cm，株距為9.5 cm。每膜一條滴灌帶，布設(shè)于膜中心線上，滴頭間距為0.3 m。

1.2 墑情監(jiān)測點布置與方法

在一根支管控制區(qū)域內(nèi)的試驗地塊，分別沿支管方向和毛管方向布設(shè)觀測點，共計63個，其中沿支管方向每間隔5 m布設(shè)一個觀測點，沿毛管方向每隔15 m布設(shè)一個觀測點。觀測點平面布設(shè)位置見圖1。在每次灌水前1 d（試驗地塊棉花生育期內(nèi)共灌溉7次），定點觀測田間土壤水勢。

圖1 土壤水分觀測點布設(shè)圖

由于棉花在滴灌田間下，根系的主要活動范圍在0 cm～60 cm范圍土層中，故每個觀測點布置3個SM-1型水勢監(jiān)測儀，用于監(jiān)測0 cm～20 cm、20 cm ～40 cm、40 cm～60 cm等3個土層水勢，進(jìn)而觀測求出土壤含水率平均值，作為該觀測點田間土壤水分值。因為邊行田間土壤水分最低（離滴灌帶位置最遠(yuǎn)），因此主要監(jiān)測該行棉花土壤水分。

1.3 分析方法

1.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)原理

比較一對或幾對樣本均數(shù)間的有無顯著性差異時，常采用最小顯著性檢驗（簡稱LSD法），此法主要用來比較兩個不同樣本間平均值的差異，當(dāng)兩樣本均數(shù)的絕對差超過最小顯著差數(shù)LSD值時，認(rèn)為樣本有差異。

1.3.2 地統(tǒng)計學(xué)原理

地統(tǒng)計學(xué)是以克里格插值法為手段，以半方差函數(shù)為主要工具，以平穩(wěn)性假設(shè)、隨機(jī)函數(shù)和區(qū)域化變量等概念為基礎(chǔ) ，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性，又有結(jié)構(gòu)性，或者空間相關(guān)性和依賴的自然現(xiàn)象的一門科學(xué)。

半方差函數(shù)的擬合模型有3個重要參數(shù):塊金值（Nugget）、基臺值（Range）、變程（Sill）。變程用以表示某個隨機(jī)變量在空間上的自相關(guān)程度。在變程以內(nèi)的采樣點，相關(guān)性越大點，位置越靠近；在變程以外的采樣點之間則不具備相關(guān)性。

克立格插值是地統(tǒng)計學(xué)兩大主要內(nèi)容之一，也稱空間局部插值或空間局部估計。其實質(zhì)是利用變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點以及區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù) ，對未采樣點的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計的一種方法。

2 分析與結(jié)果

根據(jù)王樹仿等人前期研究 ，試驗地塊的田間土壤水分（隨灌溉次數(shù)增加）呈現(xiàn)出較為明顯的時空變異規(guī)律:①每次灌溉前1 d的田間土壤水分均呈現(xiàn)中等變異性；②每次灌溉前1 d的田間土壤水分均呈中等程度的空間自相關(guān)性，變異性主要由隨機(jī)性因素引起，沿毛管方向、沿支管方向和地塊全方向的變程分別為30.7 m～37.9 m、10.5 m～14.2 m和21.5 m～28.5 m；③隨著灌水次數(shù)的增加（時間的推移），試驗地塊田間土壤水分的空間變異性逐漸減弱，而空間自相關(guān)性則逐漸增強(qiáng)，田間土壤水分的分布更加均勻。綜上，在整個灌溉期內(nèi)的地塊田間土壤水分時空變異性逐漸減弱，可根據(jù)第1次（5月25日）灌水前1 d的田間土壤水分空間分布情況 ，合理布置田間墑情監(jiān)測點，即可滿足墑情監(jiān)測要求［15］。

2.1 監(jiān)測點數(shù)量分析

根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)中正態(tài)分布法，得到第一次灌水前，支管控制區(qū)域內(nèi)田間土壤含水率合理的采樣樣本數(shù)目，見表1。

表1正態(tài)分布法合理采樣數(shù)目

2.2 監(jiān)測點空間間距分析

由于采樣空間序列是結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性的統(tǒng)一，經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法只考慮置信條件下的合理的監(jiān)測點數(shù)目，并不能解決采樣的空間布局，其計算結(jié)果雖然可以顯著減少監(jiān)測點數(shù)目，但忽略了采樣形狀和布局方式對田間土壤特性的變異程度和監(jiān)測點數(shù)目的影響。采用地統(tǒng)計學(xué)的方法，可以對監(jiān)測點設(shè)計的有效性進(jìn)行指導(dǎo)，可以彌補(bǔ)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)這一方面的不足。一般來說，取樣間隔的大小是由變程來決定的，監(jiān)測點應(yīng)盡量避免在變程內(nèi)的重復(fù)布設(shè) ，變程越大，則應(yīng)加大監(jiān)測點的間隔 ，減少監(jiān)測點的數(shù)目。因此，要確定合理的監(jiān)測點數(shù)目 ，不僅要考慮土壤水分的描述性統(tǒng)計特征，其空間結(jié)構(gòu)特性也應(yīng)考慮。

由以上可知，制定的水分監(jiān)測點間距沿毛管方向可大于30 m，沿支管方向可大于10 m，或全方向大于20 m。

2.3 監(jiān)測點布置方案分析

參考置信度為90%，采樣誤差為10%μ的條件下的監(jiān)測毛管數(shù)目以及合理的監(jiān)測點數(shù)目為基礎(chǔ)，并參考原測點位置以及田間土壤水分理論模型的變程，在分別沿支管方向滯后距為10 m，沿毛管方向滯后距為25 m，或全方向滯后距為20 m，來布置墑情監(jiān)測點。另外還應(yīng)遵循規(guī)則布置的原則，因為隨著監(jiān)測點數(shù)目減少，采用隨機(jī)來布置監(jiān)測點，其監(jiān)測點位置選擇的隨機(jī)性會很大，這有可能掩蓋土壤水分的空間變異性，綜合考慮農(nóng)田規(guī)格，以及滴灌地塊棉花種植的特點，其監(jiān)測點布置方案a、方案b、方案c分別見圖2～圖4。

利用地統(tǒng)計學(xué)方法對以上3種測點布置方案進(jìn)行克立格插值，分別以各自相應(yīng)點位上的插值數(shù)據(jù)組成檢驗樣本，與原始的63個測試數(shù)據(jù)組成的樣本進(jìn)行方差分析（方差齊性檢驗、LSD多重比較），驗證其采樣點的差異性、合理性。

由表2中齊性檢驗結(jié)果知，顯著性概率為0.544（檢驗水平為0.05），非常大。因此，不同方案方差沒有顯著性差異，即方差具有齊性。

圖2 布設(shè)方案a

圖3 布設(shè)方案b

圖4 布設(shè)方案c

本研究將整個支管單側(cè)控制區(qū)域內(nèi)的63個土壤含水率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計量作為LSD檢驗參考值，與其它3種不同的監(jiān)測點布置方案下，對應(yīng)監(jiān)測點上的的克立格插值含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行多個樣本的方差分析比較，其結(jié)果見表3。

表2方差齊性檢驗表

表3 最小顯著性檢驗（LSD檢驗）結(jié)果

由表3可知，上面3種監(jiān)測點布置方案插值后的含水率樣本與實測監(jiān)測點上的含水率數(shù)據(jù)樣本，在顯著性水平下為0.05下，沒有顯著性差異，這表明，以上3種方案所確定的監(jiān)測點所測數(shù)據(jù)能反映土壤水分空間分布特性，但各個監(jiān)測方案的優(yōu)劣程度還是有一定的差異。土壤含水率的監(jiān)測方案的優(yōu)劣順序為方案b優(yōu)于方案c，方案c優(yōu)于方案a。綜合考慮農(nóng)田規(guī)格、合理取樣點數(shù)目的限定等因素，棉花膜下滴灌支管控制區(qū)域內(nèi)土壤墑情測點的布設(shè)方案可采用方案b，即采用30 m×10 m的網(wǎng)格布置監(jiān)測點。

3 結(jié) 論

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［2］Russo D，Jury W A.A theoretical study of the estimation of

田間土壤水分監(jiān)測點推薦采用規(guī)則矩形網(wǎng)格方式布置。綜合考慮農(nóng)田規(guī)格、合理監(jiān)測點數(shù)目、以及監(jiān)測點位置等因素，棉花膜下滴灌支管控制區(qū)域內(nèi)土壤墑情測點的布設(shè)方案可以采用30 m×10 m布置，來監(jiān)測棉花整個灌溉期內(nèi)墑情，指導(dǎo)灌溉。the correlation scale in spatially variable fields:2.Nonstationary fields［J］.Water Resources Research，1987，23（7）: 1269-1279.

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Soil Moisture Monitoring Network for Plastic-film Mulched Drip Irrigation System

WU Hong-ping1，WANG Shu-fang1，2，JIAO Xi-yun2
（1.Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou，Zhejiang 311231，China；2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

The design of soil moisture monitoring network for plastic-film mulched drip irrigation system was discussed in this article，which would provide theoretical guideline for reducing monitoring costs and enhancing the accuracy of field monitoring data collection.In Korla Baotou lake farm，Xinjiang，three schemes of soil moisture monitoring point layouts were proposed and analyzed for the area of 48 m×56 m（controlled by one branch pipe）.The applicability analysis and the monitoring results of these three schemes indicate that，these plans have no significant differences for soil moisture content with the significance level of 0.05 between the results from interpolation calculation and the actual detected data of field samples.Considering the specifications of farmland，the reasonable number of monitoring points，as well as the location of monitoring points，the grid size of 30 m×10 m is recommended for the area controlled by one branch pipe.

schemes of soil moisture monitoring；soil moisture；plastic-film mulched drip irrigation；Kriging interpolation；significance test

S274.2

A

1672—1144（2015）02—0144—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.030

2014-11-07

2014-12-19

浙江省水利科技計劃項目（RC1455）

吳宏平（1966—），男，浙江衢州人，副教授 ，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程與水資源管理方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:33490608@qq.com