旱區葡萄園土壤水分分布范文

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1材料與方法

田間試驗是在中國農業大學石羊河流域農業與生態節水試驗站皇臺基地內進行，試驗地處甘肅省武威市涼州區，屬典型的內陸荒漠氣候區，該地區光熱資源非常豐富，全年日照時數達3000h以上，平均氣溫8．8℃，年積溫（＞0℃）3550℃，無霜期大于150d，地下水埋深25～30m。但是水資源相對匱乏，年降水164mm，年平均水面蒸發量2000mm。試驗地的土壤質地為灰鈣質輕砂壤土，土壤平均干密度為1．45g／cm3，孔隙率為52％。試驗材料為釀酒葡萄梅鹿輒，于1999年定植，葡萄行為東西走向，行距為270cm，株距為100cm，沿葡萄行向在行內每隔10m立支柱，灌溉方式采用溝灌。試驗范圍長約480m，寬約150m。試驗區根據葡萄行走向按照30m×30m布置網格，在每個網格中心布置采樣點，根據葡萄園的走向網格布置為15排，每排4個采樣點共計60個采樣點，并在采樣點附近布置2個重復，用GPS手持機對采樣點進行空間定位。2009年4月12日為葡萄初次灌水時間，葡萄在5月上旬正處于新梢生長階段，對水分比較敏感，于5月10日用Diviner2000測定各采樣點處100cm深度范圍內的土壤水分，并用烘干法進行校正。并根據葡萄根系分布將1m內土壤層分為：表層（10～20cm）、葡萄根區（20～80cm）、深層（80～100cm）。

2結果與討論

2．1土壤水分的傳統統計分析

利用SPSS軟件，對1m深度內3個不同層次的土壤水分進行傳統的統計學分析，分析結果見表1。由表1可見，土壤水分平均值具有明顯的差異性，表層土壤水分值最低為12．98％；深層土壤水分值最高為20．23％。從平均值可以看出隨著土壤深度的增加，土壤水分呈現出增大的趨勢。這是因為在土壤特性一定的前提下，土壤水分主要受蒸發和作物生長影響［3］。表層水分值較小是由于表層土壤蒸發強烈，導致表層土壤水分值最小，葡萄根區范圍內由于受到葡萄根系吸水的影響導致其水分值較小，而深層的土壤水分受作物生長和外界環境的影響比較小，所以水分值最大。在研究深度內土壤水分的變異系數在0．2238～0．3252之間，根據變異系數（Cv）的分級：Cv＜0．1為弱變異性；0．1≤Cv≤1．0為中等變異性；Cv＞1．0為強變異性。可知該葡萄園內的土壤水分屬于中等變異強度，并且表層和深層的變異系數較小，根區的變異系數最大。由于表層主要受土壤蒸發影響，葡萄園內各點處蒸發基本一致，深層受外界的影響較小，所以表層和深層的變異系數較小。而根區深度由于各點處作物長勢不同和溝灌的不均勻性導致根區變異系數最大。因此在溝灌中要控制好各個溝的灌水量，保證各溝灌水充分。采用單樣本Kolmogorov－Smirnov（K－S）方法對不同深度的土壤水分進行檢驗，檢驗結果見表1，各層次土壤水分的檢驗結果值均大于顯著水平0．05，符合正態分布假設，能直接對所采集的數據進行空間統計分析。

2．2土壤水分的地統計分析

2．2．1變異函數在變量滿足二階平穩假設的條件下，變異函數的理論公式為［4－5］：γ（h）＝12E［Z（x＋h）－Z（x）］2（1）式中：Z（x）和Z（x＋h）分別為變量在x和x＋h處的取值，h是變量的間距。實際應用中，由于只能知道區域化變量在有限采樣點處的取值，因此無法采用上述變異函數的理論公式進行計算，而是首先計算變異函數的樣本估計量，也稱樣本變異函數，計算式為：γ＊（h）＝12NhNhi＝1［Z（xi＋h）－Z（xi）］2（2）式中：Nh是在（xi＋h，xi）之間用來計算樣本的變異函數值的樣本的對數。根據實測土壤含水率數據利用式（2）得到樣本變異函數以后就可以對土壤含水率進行空間變異結構分析，然后建立一個最優的變異函數理論模型。利用GS＋軟件的SemivarianceAnalysis模塊提供的球狀、指數、線性及高斯模型對數據進行擬合對比，根據決定系數（R2）和殘差（RSS）來選擇最佳擬合［6］。根據上述方法獲得各層次土壤水分的模型后，得到其變異函數理論模型的參數，結果見表2。由表2可知，各層次土壤水分的空間結構可用指數模型和球狀模型描述。土壤水分的變異既具有結構性，又具有隨機性，是由土壤類型、地形、母質以及種植制度、耕作措施等各種因素在不同方向不同尺度共同作用的結果。所有土壤水分的塊金效應均為正值，說明存在著由采樣誤差、短距離的變異、隨機和固有變異引起的各種正基底效應。按區域化變量空間相關性程度的分級標準，當（C0／（C＋C0））＜0．25時，表明變量有強的空間相關性；當0．25＜（C0／（C＋C0））＜0．75時，表明變量有中等的空間相關性；（C0／（C＋C0））＞0．75時，表明變量有弱的空間相關性。從表2可看出，各層次的塊金值均較小，并且塊金值與基臺值的比值也較低，范圍為0．05～0．28，這些表明較小尺度上的某種過程可以忽視，隨機部分引起的空間異質性程度不占主要作用。即說明了土壤的空間結構、氣候等內在因子引起的空間異質性程度占主要作用。并且隨著深度的增加內在因子對土壤水分空間分布的影響越大。從表2知各層次土壤水分的理論變異函數的有效變程分別為117．04、167．92、174．81m，即各層次土壤水分分別在0～117．04、0～167．92、0～174．81m范圍內土壤水分存在空間自相關性，超出該范圍后空間自相關性消失，點與點之間的土壤含水率相互獨立。

2．2．2土壤水分的空間自相關性分析采用空間自相關Moran’sI系數（式（3））進行相關性分析［7］：I＝nni＝1nj＝1wij（Xi－珡X）（Xj－珡X）ni＝1nj＝1wi（）jni＝1（Xi－珡X）2（3）式中：Xi和Xj分別為變量X在相鄰配對空間i和j上的取值；wij為空間權重矩陣元素，表示空間變量在i、j二點間的連接關系；n為空間單元總數；I值為－1～1（I＝0表示空間不相關，I＞0為正相關，I＜0為負相關）。分析結果見圖1。圖1土壤水分空間相關分析從圖1可以看出各層土壤水分存在著一定的空間相關性，并且具有相似的變化趨勢，即在滯后距較小時都呈正相關，隨著滯后距的增大逐漸變化為負相關。空間相關大致反映了斑塊的平均半徑，正相關反映了相同性質斑塊間的平均距離，負相關反映了性質相反的斑塊間的平均距離［7］。土壤水分的這種變化趨勢說明土壤水分的空間格局呈現出比較簡單的斑塊。以根區土壤水分的Moran’sI系數為例進行分析，根區土壤水分在0～70m范圍內為正相關，超過70m表現為負相關，這說明在70m范圍內為性質相同的斑塊，超過70m為性質不同的斑塊。這是因為在樣區南段約0～70m的范圍內存在著砂壤土，土壤持水能力較弱，在超過70m的樣區北段土壤質地均勻，土壤含水率相對較高，使得南北二段土壤水分表現出性質不同的斑塊類型。

2．2．3土壤水分的空間插值為了直觀準確的描述土壤水分的空間分布特征，研究中利用ArcGIS9．2軟件，采用克立格插值法繪制了研究區5月10日1m范圍內各層次的土壤水分空間分布圖（圖略），研究區的土壤水分隨著深度層次的增加呈現出逐漸增加的趨勢，表層的土壤水分值最小，深層的土壤水分值最大。試驗區內各層次的土壤水分值呈現出西南部和東北部較高，中部和東南部較低的趨勢。根區的土壤水分對葡萄的生長影響最大，因此在進行灌溉時應參考根區的土壤水分制定灌溉制度。從根區的土壤水分分布看出，此時根區土壤含水率比較低，如果再不進行灌溉可能會對葡萄的生長產生影響。根區土壤水分空間分布大致可劃分為3個區，北部、中部和南部。在即將進行下次灌水時可以根據各區的土壤水分確定灌水量實現節約用水，達到精準灌溉的目的。

2．3合理取樣數的確定

土壤水分空間分布的研究離不開充足的取樣數據，但是考慮到時間、費用等因素進行大規模的采樣不現實，采用t分布法在置信水平分別為90％和95％，且精度為均值的10％和5％的情況下，得到了土壤水分在各層的取樣數目（表3）。結果表明在一定的允許誤差下，各層土壤水分所需的采樣點數不同，其中根區所需的采樣點最多。合理取表3土壤體積含水率所需的取樣數目個土層90％置信度5％10％95％置信度5％10％表層61158722根區1193017043深層56148120樣數目與置信水平及精度有關，不同置信水平及精度要求下取樣數目不同。經典統計學的采樣方法雖然能確定采樣點的數目，但是并不能決定取樣點的空間位置。由于土壤水分具有一定的空間結構性，因此，可將經典統計方法與地統計方法結合起來從而為取樣點的合理設計提供指導。

3結論

葡萄園各深度處土壤水分均服從正態分布。各層次土壤水分平均值隨著深度的增加而增加；不同層次處的土壤水分具有中等變異強度，并且隨著深度的增加土壤水分變異系數強度呈現出先增加后減小的趨勢。根區的土壤水分受葡萄長勢和蒸發的影響比較大，因而變異強度較大。通過地統計分析表明研究區各層土壤水分最優變異函數的理論模型為指數模型和球狀模型。各層次處土壤水分具有強的空間相關性，并且呈現出簡單的斑塊分布，說明了土壤的空間結構、氣候等內在因子引起的空間變異占主要作用。各層次土壤水分理論變異函數的有效變程分別是117．04、167．92、174．81m，在有效變程范圍內土壤水分存在空間自相關性，超出該范圍后空間自相關性消失。試驗區內土壤水分值呈現出西南部和東北部較高，中部和東南部偏低的趨勢。根據根區土壤水分的空間分布對研究區土壤水分進行分區，然后根據各區的土壤水分制定灌溉能夠實現水量的合理分配和精準灌溉。經典統計能夠確定土壤水分的取樣數目，但在設計中，還要考慮到土壤水分的空間結構性，結合地統計方法來合理設計取樣點的空間位置，制定出合理的取樣方案。