霍泉灌区小尺度农田土壤含水率时变性研究

(太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

土壤水分是土壤最重要组成部分之一，是作物生长吸收水分的主要来源[1]。土壤水分具有一定的时空变异性[2]。土壤水分空间变异性受土壤水分控制因素的影响，随研究尺度的不同而不同[3-4]。土壤水分的变异性与土壤含水率有显著关系，土壤含水率高则呈现出强变异性，土壤含水率低则呈现弱变异性[5]。国内外学者利用经典统计学、地统计学等方法对土壤水分的时变性进行了较多研究[6]。秦海琴等[7]应用地统计学方法对白芨滩浅层土壤水分的空间变异特征进行了研究，结果表明10cm、30cm的土层含水率属中等变异；冯向星等[8]的研究表明，100cm以上土层，草地的土壤水分变异性最大，林地的较小；邢旭光等[9]的研究表明0～60cm深土壤含水率在水平和垂直方向上均表现为弱变异和中等变异；李建波等[10]分析了小尺度温室土壤含水率的空间变异性，发现土壤含水率的空间变异性受土壤结构、耕地深度、植物生长以及土壤微生物活动的影响较大。综上，土壤含水率的空间变异性研究多限于人工土钻取土以及中子仪定位测试的土壤含水率，目前基于数据云平台+物联网环境墒情网络远程智能监控技术条件下的土壤含水率空间变异性的研究还较少。本研究以物联网环境墒情监测系统在线监测的土壤含水率为依据，对霍泉灌区小尺度区域上的土壤含水率的空间变异性进行研究，为有限供水情况下精准灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验区位于山西省洪洞县广胜寺镇，区域属于暖温带半干旱大陆性季风气候。多年平均气温12.4℃，年日照时数1982.3h，无霜期为243天，年最大冻土深度为31cm，冬春寒冷干燥，夏秋暖热多雨。多年平均降水量439.3mm，雨季多集中在5—8月，多年平均蒸发量1420.5mm，地下水埋深4～6m。灌区土壤质地为轻壤土，土壤容重1.46g/cm3，土壤饱和含水率30.8%，田间持水率24.6%，凋萎含水率6.0%，有机质含量1.23，全氮0.11%，有效磷19.14mg/kg，速效钾141.82mg/kg。

2019年11月至2020年11月试验区降水量蒸发量及气温分布见图1，测试期间平均气温12.79℃，最高气温28.40℃，最低气温-4.80℃。总降水量648.90mm，日平均降水量9.10mm，日平均蒸发量2.90mm。降水量集中在5—8月，其中，以8月的降水量最高。

图1 霍泉灌区降水量、蒸发量及日平均气温分布

1.2 试验设计

试验采用两套物联网环境墒情监测系统，分别安置于洪洞县广胜寺镇东安村和三条沟试验区，用于在线监测大田土壤墒情。每套系统有一个基站，基站控制2～3个节点(Ⅰ、Ⅱ代表试验站第一个、第二个节点的土壤含水率，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ代表三条沟村第一个、第二个、第三个节点的土壤含水率)。每个节点均有3个传感器，其中有两个是土壤水分传感器，分别埋设于地下30cm、60cm深度处；有一个温度传感器，埋设于地下30cm深度处。用户可通过手机或电脑上的科百云数据平台实时查看监测点土壤墒情状况。灌区灌溉面积6733.33hm2，试区面积约80.00hm2。两台基站相距约有3km左右，系统布置见图2。

图2 试验区基站及节点布置示意

1.3 主要测试指标

1.3.1 平均含水率

传感器监测的是30cm、60cm处逐时土壤含水率，以每天逐时的平均含水率作为逐日土壤含水率，利用式(1)计算出0～60cm的日平均含水率。时间节点为2019年11月12日至2020年11月13日。

θt=a1θ30+b1θ60-c1

(1)

式中：θt为0～60cm的日平均含水率；θ30为30cm处的日平均含水率；θ60为60cm处的日平均含水率。根据李泳霖等[11]的研究结果：a1为0.687，b1为0.328，c1为-0.179。

1.3.2 土壤水分空间变异系数

标准差和变异系数反映土壤含水率的空间变异特性，变异系数值越小表示土壤含水率变化越小。按式(2)、式(3)计算5个测点30cm、60cm处土壤含水率变化、0～60cm平均土壤含水率的标准差和变异系数值。

计算公式分别为[8]

(2)

(3)

1.4 数据分析

利用Spss17.0对土壤水分的极大值、极小值、标准差、方差、峰度、偏度S-K检验进行描述性统计分析，Excel软件进行数据计算并作图。

2 结果分析与讨论

2.1 监测点土壤含水率随时间的变化过程分析

土壤水分传感器测得的5个测点的30cm、60cm处土壤含水率变化和0～60cm的日平均土壤含水率随时间的变化见图3。

图3 监测点含水率随时间的变化

从图3可以看出，各土层含水率与降水量的变化趋势基本一致。2020年8月总降水量高达288.90mm，该观测期间的土壤含水率相对较高。降水和灌溉是土壤含水率随时间变化的两个最主要的控制因素。受降水或灌溉的影响，5个测点土壤含水率的变化比较大。测点Ⅲ的上层土壤含水率大于下层土壤含水率，土壤含水率变化差异较大；其他测点则是下层土壤的含水率较大。遇强降水或者灌水后，土壤含水率整体有显著增大趋势，且表层含水率大于下层含水率；长时间无降水或灌溉，土壤含水率整体有持续降低的趋势，且表层土壤水分随着蒸发以及土壤水分再分布逐渐低于下层土壤含水率。各测点0～60cm土壤含水率变化范围分别为16.62%～30.24%、19.48%～30.77%、17.67%～35.42%、20.95%～34.06%、22.02%～32.84%，测点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的土壤含水率变化幅度较大，最小含水率与最大含水率相差在11.29%～17.75%左右。测点Ⅳ、Ⅴ的土壤含水率变化较为平缓，土壤最低含水率均在20.00%以上，大小差异在10.82%～13.11%之间。

2.2 测点土壤含水率描述性统计及秩相关分析

2.2.1 土壤含水率描述性统计分析

通过Spss17.0统计分析，给出霍泉灌区5个监测点不同土层土壤含水率的极大值、极小值、平均值、方差、标准差、偏度系数、峰度系数、K-S检验以及变异系数的变化范围，见表1。

表1 土壤含水率特征值

从表1中可以看到，5个测点不同土层土壤含水率极大值的变化范围分别为22.54%～35.32%、26.60%～35.30%、22.60%～35.42%，土壤含水率极小值的变化范围分别为16.34%～28.70%、14.20%～29.05%、16.62%～29.26%。偏度和峰度系数表明，5个测点土壤含水率曲线有的呈左偏，有的呈右偏，有的陡峭、有的平缓。对5个测点的数据进行K-S检验，其P值均大于0.05，表明不同土层土壤含水率符合正态分布。变异系数表明，测点30cm处土壤含水率变异系数的变化范围为0.01～0.26；60cm处土壤含水率变异系数的变化范围为0.02～0.29；0～60cm平均土壤含水率变异系数的变化范围为0.01～0.27。各层土壤含水率变异系数的最小值均小于0.1、最大值均小于1，均呈弱变异和中等变异。

2.2.2 测点间土壤含水率的秩相关分析

利用Spearman秩相关系数对同测点土壤含水率相关性进行分析。表2分别表示30cm、60cm、0～60cm土壤含水率秩相关系数。5个测点的土壤含水率的秩相关系数在0.01水平上总体上呈显著相关。0～60cm土壤含水率秩相关系数变化范围为0.21～0.83，平均值为0.39。30cm土层含水率秩相关系数，变化于0.03～0.76，均值为0.40；60cm土层含水率秩相关系数，变化于0.02～0.62，均值为0.34。

表2 各测点间土壤含水率的秩相关系数

续表

2.3 土壤含水率特征值随时间的变化过程分析

5个测点土壤含水率的最大值、最小值和平均值以及方差、标准偏差、变异系数随时间的变化过程见图4。

从图4可以看出各层土壤含水率及其变异系数均呈波动性变化。土壤含水率越高，其变异系数越小。降雨强度的大小在一定程度上影响土壤含水率的变化。30cm、60cm、0～60cm处的逐日土壤含水率之间差异较大，土壤含水率的变化幅度分别为18.98%、21.10%、18.80%，60cm处土壤含水率的变幅最大。受灌溉或降水以及作物生长的影响，土壤含水率变幅较大，土壤含水率的变异系数存在较大差异，30cm与0～60cm平均土壤含水率的变异系数变化趋势基本一致，土壤含水率变异系数曲线波动较大，变异系数值有大有小。60cm处土壤含水率的变异系数变化相对比较稳定，只有20个观测日期的变异系数值是小于0.1的，而其余观测日期的变异系数值均在0.10～0.29之间，说明60cm深度土层的土壤水分变异程度基本为中等变异，其变异系数普遍高于30cm和0～60cm土壤含水率的变异系数，各测点之间土壤含水率变幅较大，土壤含水率最低为14.20%，最高为35.30%。

3 结 论

山西省霍泉灌区试验区土壤含水率及其变异系数随时间呈波动性变化。60cm土层的土壤含水率总体大于30cm土层的土壤含水率。两个土层间的土壤含水率具有一定差异。土壤水分变异系数随土层深度增加而增加。表层土壤的含水率及变异系数波动较大，下层土壤的含水率及变异系数之间差异性较小，变化相对比较稳定。灌溉时期的土壤含水率及其变异系数变幅较大。降水和灌溉对土壤含水率的影响较大。灌溉或降水后的土壤含水率较大，其变异系数较小。30cm和60cm的土壤含水率的变异系数均在0.01～1.00之间，属弱变异和中等变异。土壤含水率的秩相关性分析表明5个测点相互间具有显著相关性。综上所述，研究土壤含水率随时间的变化和空间变异性以及各监测点间不同土层含水率的相关性，可对山西省霍泉灌区利用云平台和物联网技术实施智能化、数字化的精准灌溉提供理论基础，为乡村振兴数字化转型贡献力量。

图4 土壤含水率特征值随时间的变化