小尺度温室土壤含水率空间变异性及水分迁移研究

李建波,王卫华

(1.烟台大学环境与材料工程学院,山东 烟台 264005;2.昆明理工大学农业与食品学院,云南 昆明 650500)

田间土壤含水率的施测是农田用水管理和区域水资源管理的一项基础工作,对于农田灌溉排水的合理实施、农作物的增产与节约用水、四水转化关系的分析和提高水资源的利用率等均有重要作用[1]．自20世纪80年代以来土壤含水率的空间变异性受国内外学者们的广泛关注[2-6]．Arcgis、Surfer等地统计学软件成为了众多学者们分析空间分布特征的重要工具,其中克里格插值算法应用较为广泛[7-8]．田间地块在一个灌水周期内,土壤水分运移方向有着不同的变化,目前在土壤水分迁移研究中多是基于单一剖面或土箱模拟,抑或在经验模型的改进中研究湿润锋的迁移变化[9-12]．在实验室条件下,供试土样多为扰动土,研究变量也比较单一,很多因素均控制为理想条件,并不能真实表现田间原状土壤水分迁移规律．本试验利用地统计学方法分析土壤含水率空间变异性和田间地块土壤水分的迁移规律,以期还原土壤水分的实况信息,确定供试地块土壤不同深度的保水信息,确定最佳保水层．田间工作者可根据该方法亦可供试地块土壤水分分布及迁移情况对田间环境进行更有利于作物生长的改善,为区域温室农作物的种植与田间灌溉提供方法依据与参考．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在昆明理工大学现代农业工程学院农业水土工程试验日光温室中进行．该地位于云南昆明市呈贡区(24°50′56″N,102°51′49″E),海拔1 903 m,气候属亚热带高原季风气候,年均降水量为1 450 mm,年均气温为16.5 ℃,无霜期为240 d以上．试验区降水在全年明显表现为旱、雨两季,5月至10月降水量约占全年的85%,11月至次年4月降水量约占全年的15%[13]．

1.2 试验设计

供试地块位于塑料薄膜日光温室中8 m×8 m的区域(该温室为原荒弃土地新建温室),田间作物为番茄．在试验小区布设1 m×1 m均匀网格,共有64个采样点(如图1)．采样时间恰逢番茄结果期,灌水周期根据番茄田间需水量和墒情定为7～12 d,灌溉方式为地上喷灌,采样时间为上一次灌溉结束后第6天．

图1 采样点地理位置

1.3 测量方法

对各采样点用土钻分别取距地表0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm,30～40 cm和0～50 cm的土样20～30 g,各采样点3次重复．土样装入小铝盒,称重后置于105 ℃烘箱中8 h,待冷却后再次称重,测量土样质量含水率．按均匀网格法选取16个采样点对每层深度进行土样采集,通过威尔科克斯法法测量田间持水率,采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机质含量．通过环刀法测试验小区土样容重,用离心机法测土壤水吸力,将土样烘干、研磨后过2 mm土壤筛,利用马尔文激光粒度仪分析各粒径的百分含量．

1.4 数据处理与分析

利用SPSS将供试地块土壤物理基本参数实测值进行描述性统计分析;对各采样点土壤含水率数据,使用GS+进行半方差拟合[13],分析空间分布特征的随机性和结构性;将数据处理后导入Surfer中,经过不同网格化插值方法的对比,选用地统计分析中应用普通克里格插值法[14-15]绘制0～50 cm深度土层含水率空间变异图．距供试地块自北侧边缘0.5 m、2.5 m、5.5 m和7.5 m处各取东西向剖面,分别记为剖面1(PM1)、剖面2(PM2)、剖面3(PM3)和剖面4(PM4)．在Surfer中绘制4个垂直剖面土壤含水率的等值线,分析土壤含水率在水平方向和垂直方向的空间变异性．

1.5 供试土样

1.5.1 供试土样基本物理性质 根据土壤质地自动识别系统(STARS)的国际制标准对供试土样质地类型进行分类[16],协同其他土壤物理基本参数列于表1．由表1中数据可知,0～50 cm深度土层间各粒度含量差异较小,质地类型均为黏壤土．容重范围在1.2～1.3 g·cm-3之间,田间持水率变化范围在23%～26%之间．

表1 试验土样基本物理性质

1.5.2 土壤水分特征曲线 图2为供试土样土壤水分特征曲线,反应了土壤水吸力(基质势)与土壤含水率的关系,可根据该曲线分析研究土壤水分的有效性、供试土壤持水性以及其他土壤水力参数等．可从图中反馈供试土样土壤含水率、容重、土壤水吸力三者的变化关系．

图2 供试土样土壤水分特征曲线

2 结果与分析

2.1 不同深度土层土壤含水率统计特征

由表2中数据可知,在0～50 cm深度的土层范围内随土壤深度增加,土壤含水率先升高后降低,且在20～30 cm土壤深度其含水率均值达到最高．在0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层土壤含水率比30～40 cm土层土壤含水率分别高4.50%、10.48%和18.05%;比40～50 cm土层土壤含水率分别高8.14%、14.33%和22.16%．表中变异系数范围在5.29%～9.94%之间,且随土壤深度的增加,变异系数逐渐减小．

表2 土壤含水率描述性统计

2.2 土壤含水率的半方差拟合分析

为探究各深度土层土壤含水率空间分布特征,采用GS+9.0对土壤含水率进行半方差分析．根据拟合度(R2)最高且残差平方和(RSS)最小原则,获取模型最优拟合结果(表3)．0～10 cm和40～50 cm深度球状模型为最优模型;10～20 cm和20～30 cm选用高斯模型;在30～40 cm深度则选用指数模型．块金值(Nugget variance,C0)反映了区域化变量由于试验误差或其他随机变量引起的变异程度,表中C0值较小,说明测量土壤含水率过程中由于测量误差等随机变量引起的空间变异程度低,即试验中随机因素引起的空间变异程度较低．基台值(Sill variance,C0+C)反映了变量在研究区现有的采样尺度下空间变异的总强度．块金系数(C0/(C0+C))为空间相关度,0～50 cm深度土壤含水率的块金系数变化范围为0.99%～13.20%,在各土层深度中土壤含水率表现为很强的空间相关性(块金系数小于25%)[17],说明仅有14%以内的空间变化由随机过程产生．因此在小尺度研究区域中,随机因素对研究对象空间变异性的贡献较小,反之,其自身的结构性因素贡献较大．变程(A)表示区域化变量样本间的最大空间自相关的距离[17]．0～10 cmA值最大为6.57 m,说明该层内某点的土壤含水率与相距6.57 m内其他点的土壤含水率存在空间相关性．本次试验的采样间距(1 m)小于半方差函数模型的最小变程(1.31 m),拟合度范围在0.897～0.998之间,说明试验中采样间距满足空间分析的要求[17-18]．

2.3 土壤含水率空间变异性

2.3.1 水平土层含水率空间变异性特征 为更直观地观察供试地块不同深度层次土壤含水率的分布特征,应用Surfer绘制0～50 cm深度土层土壤含水率空间分布图(图3),自上而下分别记为(a)、(b)、(c)、(d)和(e)层．

由图3可见,0～20 cm深度土层中绝大部分区域土壤含水率范围在20%～24%,且土层(a)和(b)“封闭圆”较土层(c)、(d)和(e)中少,说明在0～20 cm深度土层内土壤含水率连续性较好,归因于表层土壤浅耕,使得土壤结构、孔隙分散均匀,有利于土壤水分的水平扩散,该特点在田间农业应用上比较有利．土层(a)、(b)和(c)土壤含水率值大致表现为自西北向东南方向呈对角递增趋势,土层(a)、(b)和(c)含水率极差分别为10.79%、9.38%和8.12%．供试地块东南角土壤含水率较高,归因于采样期间降雨较多,该角温室外地面低洼,雨水在此汇聚,致使外部水分渗透进来．30～50 cm深度土层含水率在空间中表现出的连续性较差,归因于30～50 cm深度土层未受到翻耕,通过观察其剖面发现其内部含有大颗粒石块等杂物较多,致使水平方向孔隙连通性较差．供试地块北侧边缘约1.5 m内土壤含水率较低,范围仅为17%～19%,边界效应明显．是由于其北侧邻域地块为亏缺灌溉作物种植试验区(2地块间仅用隔离网在地表隔离开,未在地下部分修建隔离设施),该地块土壤含水率极低对供试地块北侧边缘造成水平吸渗边界效应明显．

表3 土壤含水率半方差函数模型及参数拟合

图3 不同深度土层土壤含水率空间分布

2.3.2 垂直剖面含水率空间变异特征 为更加直观地表现供试地块土壤含水率在垂直方向上的空间分布情况,以上述不同土层实测数据在Surfer中建立土壤含水率立体模型．根据土壤含水率变异函数在水平和垂直方向各向异性原则,从立体模型中直接将PM1、PM2、PM3和PM4剖面的土壤含水率垂直剖面等值线导出(图4),软件原理及操作过程此处不再赘述．

图4 不同垂直剖面土壤含水率空间分布

由图4可见,4组剖面中均在20～30 cm深度土层含水率呈现最高值,PM1、PM2、PM3和PM4在该深度的含水率范围分别为20%～23%、21%～25%、23%～28%和22%～28%,表明供试地块的最佳保水土层深度为20～30 cm,田间地块中所种植番茄的根系长度范围在25～35 cm与田间最佳保水层近似一致,可满足番茄生长过程中吸收水分的需求．当田间灌溉结束后,土壤水分沿着土壤孔隙运移并贮存于一定深度,随着蒸发作用的进行表土层土壤水分随之减少．30～50 cm深度土层受地表灌溉影响较弱,导致贮存于该深度土层的土壤水分含量低于0～30 cm深度土层．通过观察土壤剖面发现PM1与PM2中的“封闭圆”主要是由于剖面中石块存在、番茄根系的生长和土壤生物孔穴等因素造成．

2.4 土壤水分迁移

2.4.1 水平土层水分迁移 将离心机法测得的土壤水吸力应用Surfer的流向分析工具进行处理,土壤水吸力(水势)作为土壤水分的驱动力,由土壤水吸力获得的流向图可近似看作土壤水分迁移方向预测图．箭头所指示方向表示土壤水分迁移方向,且箭头越长代表驱动土壤水分扩散的强度越高．

图5为水平方向的土壤水分迁移预测图,其中(a)、(b)和(c)层土壤水分扩散方向较一致,(d)与(e)层土壤水分扩散较相近,该差异与表土层翻耕影响有关．当某一灌溉周期结束后,表土层(a)、(b)和(c)层受蒸发作用影响较大,且同一深度土层中田间作物、生物孔穴和土壤孔隙结构的差异等造成该深度土层蒸发强度产生差异,从而影响土壤水分的空间分布,土壤水分在基质势梯度作用下由含水率高处向含水率低处扩散．(d)和(e)层含水率的较高点处则是上层土壤水分通过“优势流”先到达该点,然后在土壤水势差作用下向周围迁移．

2.4.2 垂直剖面水分迁移 图6为垂直剖面土壤迁移方向预测图,在PM4中右上角表示土壤水分运移方向的箭头有向下扩散的趋势,归因于温室外水流堆积在渗透作用下沿土壤孔隙运移至温室内部．PM1、PM2和PM3箭头运移趋势近似相同,PM4中除温室外集水因素导致的特殊现象,各剖面中土壤水分迁移方向的共同点,表现为自20～30 cm土层深度向上下2层分别扩散．这是因为蒸发作用影响下,上层(0～20 cm)土壤含水率降低较快,当上层土壤水分含量降低后导致基质势减小,致使20～30 cm深度土壤水分克服重力势,在基质吸力的牵引作用下土壤水分沿着孔隙向上迁移,不断补充表土层土壤散失的水分．而在20～30 cm深度土层向下运移的箭头明显比向上运移箭头密集,说明该层下部水分仍受重力势作用,水分向下迁移的过程仍在继续．

图5 水平方向土壤水分迁移方向预测

图6 垂直剖面土壤水分迁移方向预测

3 结 论

(1)供试地块土壤含水率在0～50 cm深度呈现先升高后降低的趋势,且在20～30 cm达到最大值;块金系数均小于25%说明各深度土样的土壤含水率存在较强的空间相关性,块金值较小说明试验中随机因素引起的空间变异程度较低．

(2)0～20 cm土层土壤含水率受蒸发作用影响较大,在翻耕作用下水平方向的土壤含水率连续性较好．灌溉结束后,作物根系、土壤生物孔穴、土壤大颗粒石块等杂物和土壤孔隙结构等因素对土壤水分迁移影响较大,重力势对垂直方向上的水分迁移作用大于水平方向．

(3)该时段供试小区保水性最佳土层深度为20～30 cm,加深翻耕深对作物生长更有利．可根据作物根系长度,通过控制灌溉水量与灌溉周期调整最佳保水层深度,为作物提供高效的水分利用．