灌溉农田土壤湿度时空变化特征与空间关系分析

灌溉农田土壤湿度时空变化特征与空间关系分析

农业土壤湿度是影响旱土生长的重要因素。耕地土壤湿度信息是监测农业服务、农业干旱监测、农业遥感和产量预测的重要指标。这是气候、农业和渔业部门的一个重要贸易观察项目。以往关于土壤水分时空变化的研究主要侧重于其时空分布特征,研究目的主要针对水分利用、土壤墒情预报和田间管理等,对于土壤水分的空间关系研究尚未见报道,而认识局地土壤水分的空间关系对土壤墒情监测信息的使用及科学运用其监测方法具有重要的意义。目前气象部门已开始在全国范围内推广应用自动土壤水分监测仪器,以期对农田土壤水分进行实时连续监测,但是在每个监测地段怎样科学合理地布设仪器却缺少依据;另外,目前土壤墒情的遥感监测研究发展迅速,基于地表土壤介电特性的被动微波遥感方法被认为是反演土壤水分最有效的方法之一。微波在土壤中的穿透深度随频率的增高而迅速降低,对于裸露的潮湿土壤,微波的穿透深度一般只有几厘米,有研究认为,波长21cm的波段最适宜用于监测土壤水分,而21cm的微波在湿润土壤中的穿透深度约为5cm,但表层5cm的土壤湿度能否反映作物生长的土壤水分供应条件并没有受到注意。本文旨在通过分析农田中土壤水分的空间关系和时间变化特征,探讨农田土壤水分的时空特性对其监测信息代表性的影响,为合理有效地布设农田土壤水分自动化业务监测系统提供理论依据,为土壤墒情微波遥感监测方法研究提供有益的借鉴。1试验设计及试验材料在科研和业务中一般用土壤重量含水率表示土壤水分状况。用土钻取土烘干的方法直接测得土壤重量含水率。对于某个测点来说,如果测定的各个环节都严格按照观测规范的要求操作,可以认为其测量结果为该点土壤湿度的真值。因此,本文用烘干法测取的田间土壤湿度数据来分析农田土壤水分的时空变化和关系。中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验站位于河北省定兴县境内(115°44.043′E,39°08.992′N),地处华北平原北部高产农业区,主要农作物为冬小麦和夏玉米,年均降水量528mm,地下水埋深约15m。站内10hm2大田,开阔平坦,种植的作物及管理措施一致,土壤质地为中性壤土,0-100cm土层平均田间持水量为23.41%,冬小麦生长季一般分五次抽取地下水灌溉,玉米生长季只在播种时浇一水,均采用喷灌的方式。土壤水分的时间变化(2.1)和各层关系分析(2.3)中利用了固城站每旬一次的业务观测资料,采用4个测点的平均值,观测深度2m,表层10cm每5cm一层,10cm以下每10cm一层;资料年代为2005-2008年。土壤湿度水平变异特征观测试验于2009年8-11月在站内一块100m×100m的大田中进行,试验时下垫面先后为处于生长中后期的玉米、裸土和出苗期的小麦。每次按正方形选取4个地表覆盖基本一致的样点取样用烘干法观测土壤湿度,观测深度2m,每10cm一层,正方形边长分别取1、2.5、5、10、15、20、30、50m,按每种方案各进行2~3次观测,试验期间有1次灌溉和多次降水,灌溉和降水后两天内不观测。用每次4个测点的测值计算各层土壤重量含水率的变异系数,用百分数表示,分析时采用了0-100cm各层的平均值。2结果与分析2.1耕作层土壤湿度的变化特征通过固城基地大田土壤湿度多年定期观测资料分析得出,灌溉农田的土壤含水量因定期灌溉而呈一年周期的时间变化特征。从冬小麦返青至乳熟,因多次灌溉和作物快速耗水,0-50cm土壤湿度大幅波动,在冬小麦黄熟期至玉米播种阶段土壤最干,玉米生长季与华北降水季重合,耕层土壤潮湿,冬季因入冬前浇越冬水而保持较高的土壤湿度。60cm以下土壤湿度随时间变化的幅度很小,基本保持在其田间持水量附近。从土壤剖面的一年内湿度变异系数可以定量描述各层土壤湿度的波动程度,表1给出了各层土壤湿度的年内变异系数(Cv),耕作层干湿变化显著,表层(5cm)湿度在一年内的变异系数达到34%,10-20cm土层湿度的年变异系数达25%,随着深度增加变异系数逐渐减小,由于每10d一次的取土观测可能跳过了最干和最湿的时刻,所以,表层土壤湿度的实际变异系数可能远大于统计值。50cm以下土层湿度的变异系数都小于10%,属弱变异性。图1是灌溉农田0-200cm土层土壤湿度在一年内变化的典型剖面图,由图中可以看出,湿度宽幅变化的土层为0-50cm的耕作层。2.2地田间土壤湿度的空间差异对于相距足够远的两点来说,其土壤水分状况可能毫无关系,因此,研究大尺度范围的土壤水分状况的相互关系没有实际意义,而研究观测地段内土壤水分状况在水平方向的相互关系可以为制定土壤水分监测计划提供依据。图2a给出了固城基地大田四点0-100cm土壤湿度测值变异系数随测点距离的变化,在下垫面表观一致的平坦大田中,土壤湿度值的水平变异明显,一般来说,两点距离越远,其0-100cm层的土壤湿度差异越大,即便相距1m的两点,其土壤湿度值也是有差异的。分层土壤湿度的差异更大。从两点各层测值直线相关的复相关系数来看(图2b),越相近的两点间直线相关性越好,随着两点距离增加,一般情况下两点测值的相关性减小,超过20m后,两点各层测值之间可能几无关系。在任一地段内,土壤湿度会因土壤性状的空间差异和其它原因而呈现不均匀特点,很多研究也证实了这一点。由此可见,在农田中任一点的测值,其代表的水平范围很小,如果用一个点的测值代表一个地段的土壤水分状况,可能会产生很大的误差。2.3-10cm土层图3中逐个分析了土壤剖面各层之间土壤湿度的关系,各层土壤湿度值是四个重复测点的平均值,样本为2007-2008两个年度的每旬业务观测资料。可以看出,在表层0-5cm与5-10cm间,一般情况下两者测值相近,但0-5cm土壤湿度会显著小于下层,这可以解释为,降水或灌溉一般能同时湿润这一土层,当地表因日晒而快速失水时,最表层土壤湿度迅速降低;在10-30cm层次内上下层的湿度值大多也基本接近,当降水较小时会出现上层比下层湿的现象,另一个原因则是10cm以上作物根系少,在作物旺盛生长期,地表被作物覆盖,表层土壤失水速度小于下层;20-50cm土层,相邻两层间土壤湿度变化的相关性很好,但值的大小会因两层的土壤性状差异而不同;更深以下的土层因土壤湿度变化很小,两层测值间几乎没有同步变化关系(图略)。浅层0-50cm是各种农作物根系的主要分布层。分析表明(图4),表层5cm的土壤湿度在很多时候不能反映作物根系主要分布层的水分供应状况(图4a),主要是因为表层5cm土壤的湿度变化剧烈,忽干忽湿,而根系分布层土壤湿度变化较缓慢;0-10cm土壤湿度与0-50cm层平均土壤湿度相关密切(图4b);另外,0-50cm的平均土壤湿度与0-200cm层的平均土壤湿度有极显著相关关系(图4c)。3农田土壤湿度的监测从固城站单点的观测数据得出:灌溉农田土壤湿度呈一年周期性的变化;浅层(0-50cm)土壤湿度的时空变化最大,且各层的变化存在不一致性,0-50cm土层的平均土壤湿度可以较好地反映0-200cm土层的平均水分状况,考虑到0-50cm土层也是作物全生育期根系分布的主要土层,因此,土壤湿度的监测重点应放在该土层中,并需要逐层测量;60cm以下土层土壤含水率的时空变化幅度很小,因此60cm以下可以不作监测或减少监测层次。下垫面一致的农田,其土壤湿度的水平差异也很明显,大田中两点同一层的土壤湿度差异一般随两点距离增加而增大,两点各层土壤湿度的相关性随两点距离增加而减小。因此,农田土壤湿度测值的空间代表性较差,对于一个观测地段只做一个观测重复可能导致测值不具代表性,因此在自动土壤水分仪器布点时,应在每个监测站设置多个重复测点。表层5cm的土壤湿度与作物根系主要分布层(0-50cm)的土壤湿度不具有可靠的相关关系,因此不能依据对表层5cm土壤湿度的探测结果来判断作物的水分供应或受旱状况,而表层10cm的土壤湿度与作物根系主要分布层的土壤湿度具有很好的联动性,可以较好地反映作物生长环境的土壤水分状况,因此,在应用微波遥感监测土壤墒情时,对地表的探测深度需达到10cm以上才能获得关于作