基于空間變異性的土壤水分空間分布研究

基于空間變異性的土壤水分空間分布研究

根據(jù)田間的實際情況，在土壤條件（物理、化學和生物性質）相同的區(qū)域，不同空間位置上的土壤特性（生物性質）的數(shù)量值是不同的。這種屬性被稱為土壤特性的空間變異。土壤空間變異的研究始于20世紀60年代,國際學術界自70年代提出研究土壤空間變異以來,土壤特性空間變異一直是人們共同關注的一個研究熱點。國外開展了大量的關于土壤性質,尤其是土壤物理性質方面的空間變異研究。我國學者于80年代初開始研究土壤和水資源系統(tǒng)中參數(shù)的空間變異問題。在農(nóng)田灌溉管理決策中,利用中子儀監(jiān)測土壤水分時,中子儀觀測管的個數(shù)、間距及具體的位置對于灌溉決策的精度有重要的影響。根據(jù)有代表意義的田間持水量值進行空間變異分析,進而確定如何科學合理地埋設觀測管,對于農(nóng)田節(jié)水過程中動態(tài)監(jiān)測土壤水分狀況是十分必要和可行的。1采樣點樣的選取灌區(qū)土壤特性空間變異性實驗研究分別在兩地進行。實驗1在新疆農(nóng)七師奎屯地區(qū)128團三連進行,采樣日期是1998年5月16日,土壤質地為粘土。布點方式為每隔4m沿東西、南北方向各取一點,沿東西方向每一導線除第3行、第6行最后一點不取樣外,其余各行均取8個點,共取7行,54個點。實驗2取樣點位于新疆石河子大學農(nóng)學院實驗場,采樣日期是1998年6月5日,土壤質地是砂壤土。各點之間相距9m,沿東西及南北方向各取8行8列,共取64個點。取樣布置圖見圖1和圖2。用環(huán)刀取土鉆取樣,采樣深度為土壤耕層20cm～30cm。為減少地邊土壤濕度變化影響,取樣均離地邊2m～3m。土樣用于測定田間持水量,土壤含水量的測定用烘干法。2田間持水量t分布特性,l土壤特性值的空間分布具有必然性和偶然性。土壤水分特性空間分布的偶然性表現(xiàn)為土壤特性的變化呈隨機性。在此,我們視空間變化的土壤特性為隨機變量,而且相互獨立。按經(jīng)典統(tǒng)計方法分析,得出田間持水量的統(tǒng)計特征值見表1。表中取樣誤差取10%,置信水平取95%。根據(jù)土壤水分的觀測值,作出累計概率曲線,結果近似為直線,因此土壤含水量近似為正態(tài)分布。表1中N指正態(tài)分布。表中:標準差σ=√Ν∑i=1(xi-ˉx)2/Ν(1)σ=∑i=1N(xi?xˉ)2/N????????????ue001?ue000ue000(1)平均值ˉx=1ΝΝ∑i=1xi(2)xˉ=1N∑i=1Nxi(2)變異系數(shù)Cv=σ/ˉx(3)Cv=σ/xˉ(3)合理取樣數(shù)n=λ2a?f(σΔ)(4)n=λ2a?f(σΔ)(4)式中:N為實際取樣數(shù)目;σ2為樣本方差;λ2a,f2a,f為t分布特征值;Δ為允許誤差。在農(nóng)田水分管理中,田間持水量是一個重要的水分常數(shù),它對于灌溉決策方案的制定具有重要意義。從上述兩表中可以看出,兩實驗地田間持水量的合理取樣數(shù)分別為8和3。因此在實際的土壤研究中,實驗工作量可大大減少。另外此結果還可用于中子儀測定土壤水分時觀測管布置的最小個數(shù)。3圖中規(guī)定了空間相關區(qū)域的確定和土壤含水量的等值線3.1持水量半方差函數(shù)的擬合半方差函數(shù)也可稱為半變異函數(shù),是地質統(tǒng)計學中研究土壤變異性的關鍵函數(shù)。如果隨機函數(shù)Z(x)具有二階平穩(wěn)性,則半方差函數(shù)(h)可以用Z(x)的方差S和空間協(xié)方差C(h)來定義:γ(h)=S2-C(h)(5)其中,γ(h)反映了Z(x)中的空間相關部分,它等于所有以給定間距h相隔的樣點測值之差平方的數(shù)學期望:γ(h)=12E[Ζ(x)-Ζ(x+h)](6)γ(h)=12E[Z(x)?Z(x+h)](6)實際計算可用:γ(h)=121Ν(h)-Ν(h)∑i=1[Ζ(xi)-Ζ(xi+h)]2(7)γ(h)=121N(h)?∑i=1N(h)[Z(xi)?Z(xi+h)]2(7)式中:N(h)是以h為間距的所有觀測點的成對數(shù)目。某個特定方向的半方差函數(shù)圖通常是由γ(h)對h作圖而得。實驗半方差函數(shù)的形狀可以是多種多樣的。取決于實測數(shù)據(jù)和所用的采樣間隔。在通常情況下,半方差函數(shù)值都有隨著樣點間距的增加而增大,并在一定的間距(稱為變程,Arange)升大到一個基本穩(wěn)定的常數(shù)(稱為基臺,Sill)。平穩(wěn)性數(shù)據(jù)的基臺值近似于采樣方差S,所以間隔小于變程的樣點是空間相關的,而間隔大于變程的樣點則無空間相關性。因此,變程就理所當然地又稱為空間相關域。根據(jù)農(nóng)七師128團和石河子大學農(nóng)學院實驗場實驗所得出的土壤水分特征值分析得出半方差圖見圖3、圖4。圖3中,田間持水量的半方差函數(shù)用球狀模型擬合:{γ(h)=C0+C1[1.5(h/a)-0.5(h/a)3)]0<h<aγ(h)=C0+C1h≥a(8){γ(h)=C0+C1[1.5(h/a)?0.5(h/a)3)]0<h<aγ(h)=C0+C1h≥a(8)式中:C0=6.57,C1=18.7,a=15m,a指變程。圖4中,田間持水量半方差圖采用球狀模型擬合(公式同上式):式中:C0=1.51,C1=2.83,a=28m,a指變程。3.2土壤水分特性“三化”到“3”的生長和最專業(yè)的布局2“x0”的計算克立格法是利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結構性,對未采樣點的區(qū)域化變量進行無偏最佳估值的方法,該方法的一個有用特點是能夠計算出每個估值的誤差大小(估值方差),從而能知道估值的可靠程度?？肆⒏穹梢哉f是一種局部估值方法,每一未知值都是由其鄰近觀測值加權平均計算而得的,即區(qū)域化變量Z在位置的內(nèi)插為?Ζ(x0)=n∑i=1λiΖ(xi)(9)Z?(x0)=∑i=1nλiZ(xi)(9)式中:n是鄰近觀測值Z(xi)的個數(shù),λi是相對于每個Z(xi)的權重。確定權重的條件是估值?Ζ(x0)為無偏,即E[?Ζ(x0)-Ζ(X0)]=0(10)并使估值方差σ2k為最小:σ2k=Var[?Ζ(x0)-Ζ(X0)]=min(11)因此,要求對于所有的i,下式成立:[n∑j=1λjγ(xi,xj)+μ=γ(xi,x0)i=1,2,?,nn∑j=1λi=1(12)其中:γ(xi,xj)和γ(xi,x0)分別為觀測點xi與xj之間,xi與內(nèi)插點x0之間的方差,μ是拉格朗日乘子。這n+1個方程組就是克立格方程,當γ(x)正定時有唯一解。由此解得xi,再代入(12)式進行估值,其估值方差為σ2k=n∑i=1λ1(X1,x0)+μ(13)克立格法的最普通用途是繪制土壤性質的等值線圖。圖5、圖6分別為農(nóng)七師128團和石河子大學農(nóng)學院實驗場田間持水量的等值線圖。將兩實驗地的田間持水量等值線圖加以比較,可明顯看出農(nóng)學院實驗場的等值線圖較農(nóng)七師128團的等值線圖疏松,表明土質不同對土壤水分參數(shù)空間分布的影響。砂性土持水性弱,各土壤水分特性值在實驗區(qū)域的空間上變化較大,土壤水分等值線因而分隔性較大。而粘性土持水性較強,各土壤水分特性值在實驗區(qū)域的空間上變化相對較小,等值線圖也相對緊密些。根據(jù)土壤水分等值線圖可以獲得土壤參數(shù)值分布的宏觀信息。田間持水量在區(qū)域內(nèi)變化較大,這對于灌溉決策研究時用中子儀測定土壤水分前布設觀測管位置有一定的參考價值。我們可以根據(jù)等值線圖找出某一地塊中幾點,這幾點相互之間的位置在前面研究得出的空間相關域范圍之外,而且其值能代表該地塊土壤水分特征的平均值,觀測管布設在這一點測量土壤含水量時較能反映整塊地的總體水分情況,使中子水分儀的測量更能反映灌區(qū)土壤水分的真實情況,從而提高中子儀測量含水量時的準確度。4田間持水量的空間相關域與觀測管間距在農(nóng)田灌溉管理中,運用中子儀測定土壤水分,制定科學的灌溉方案時首先要考慮田間土壤空間變異性對點觀測值的影響。上述分析表明,可利用田間持水量作空間變異分析,確定代表田間土壤濕度平均量的觀測點位置。根據(jù)土壤特性的空間變異分析確定觀測管在田間位置,對提高灌溉決策精確度具有重要意義。如果不進行土壤空間變異分析,土壤水分觀測管布置在田間持水量最大點,通過灌溉決策分析得出的灌溉量增大,使田間持水量小于最大值的田塊的作物受淹,多余灌溉水易產(chǎn)生深層滲漏,灌溉前作物會發(fā)生水分脅迫;如將中子儀觀測管布置在田間持水量最小點,其灌溉間隔縮短,將會增加灌溉次數(shù),從而增加勞動強度,這些都會對灌溉決策的精度產(chǎn)生影響,進而影響作物的產(chǎn)量。因此觀測管的布置應在田間持水量平均值的位置。由前述的統(tǒng)計分析結果,得出農(nóng)七師實驗與石河子大學實驗中田間持水量的合理取樣數(shù)分別為8和3,因此,理論上中子儀測量土壤含水量時的觀測管在這兩地分別為8和3。根據(jù)農(nóng)七師128團土壤水分空間變異特性的研究結果,田間持水量的空間相關域為15m。對農(nóng)學院實驗場得出的數(shù)據(jù)進行分析可知,田間持水量的空間相關域為28m。因此在確定中子管位置時,對于土質為粘土的128團,觀測管間距應大于15m。而農(nóng)學院實驗場土質為砂土,觀測管間距應至少大于28m,以便減少土壤空間變異性對測量數(shù)據(jù)的影響。但由于在石河子大學農(nóng)學院實驗場所取實驗地塊最大邊長為63,只能布置3根觀測管。根據(jù)表1和表2可知田間持水量的平均值,根據(jù)圖5和圖6,由已得出的空間相關距,可以確定在128團某地塊內(nèi)和實驗場地塊中3根觀測管各自的布置位置,表中各觀測管位置用平面直角坐標表示,單位為m(表2)。5土壤水分特性的空間變異采用經(jīng)典的統(tǒng)計學方法和地質統(tǒng)計學方法研究了新疆農(nóng)七師128團和石河子大學農(nóng)學院實驗場土壤水分特性的空間變異性。計算得出的兩實驗地的合理取樣數(shù)分別為3和8,可將此值作為中子儀測定土壤水分時埋設的觀測管的個數(shù);由實驗研究確定的兩實驗地的土壤水分的半方差函數(shù)圖可以清楚的找出空間相關域,此值的確定可為觀測管最小間距的