統計土壤墑情監測采樣優化布局研究
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摘要：為給類似區域墑情監測的合理取樣數目和取樣位置提供參考價值，通過合理的取樣數目和挑選有代表性的取樣方法，獲得最佳的墑情監測結果，以此了解整個研究區內的墑情狀況，為區域內墑情（旱情）監測站點的建設和旱情的預測提供基礎依據，并根據旱情程度來指導節水灌溉。對曲靖珠江流域地區30hm2煙田范圍內選擇的有代表性的15個土壤水分監測實驗點的土壤墑情數據進行了地理統計分析，分別采用聚類分析法和協方差相關系數法來研究實驗區內干旱采樣在空間（平面和垂向）的優化布局。結果表明：地面上最終選定9個監測站點，垂向上取地面以下10cm、30cm、60cm這三個深度的墑情監測，即可滿足研究區內旱情監測、指導灌溉和農業生產的要求。
關鍵詞：墑情監測;干旱;地統計分析;采樣布局
中圖分類號： S512.11 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2019.06.022
我國是一個干旱災害頻發的國家，近年來，干旱缺水已成為制約工農業生產、城市發展和社會持續發展的主要因素之一。干旱導致的旱災已成為全世界發生最為頻繁，涉及范圍最廣，持續時間最長，危害程度最為嚴重的自然災害之一，對人類的生存和發展產生不利影響[1]。
農業對旱災反應是十分敏感的，也是防御和減輕旱災的薄弱環節[2]。旱情監測是指對影響旱情變化的諸因素，如降水、氣溫、土壤含水量、地下水位等進行具體定量的測定或資料的收集。影響旱情的因素很多，而土壤墑情是影響旱情變化的主要因素，墑情監測主要是對田間土壤含水率的監測。土壤墑情即土壤中的水分狀況，土壤含水量是一個重要干旱指標，同時也是最常用和最重要的土壤信息，其在農作物生長過程中具有重要的作用。其是科學地控制土壤水分狀況、實現科學用水和指導灌溉的基礎。要在生產管理中應用墑情監測技術，就要研究如何監測在空間上變化著的田間土壤水分[3]。
本文通過研究區域內土壤墑情變化來研究旱情的變化狀況，在研究區域內借助土壤水分測試儀器，建設墑情監測站點，在建站過程中，涉及墑情（旱情）監測裝置的取樣，傳感器埋設合理的站點數目以及位置，預測預報方法信息管理系統建設等一系列問題，這一系列問題的研究和解決，對于做好墑情監測工作，實現準確及時的預測與預報有著重要的理論指導和現實意義[4]。監測站點越多，數據的代表性越強，工作量也將增加，監測的次數過少，則不能滿足指導生產的需要。實踐經驗表明，在土壤墑情監測過程中要根據當時的土壤水分空間變異性，確定合理的取樣位置和取樣數目，取樣布置包括墑情監測點在區域內的平面布置及垂向的布設[5]。因此，要在研究區域內布設合理監測站點，使其得到的土壤含水率既能代表區域，又不使取樣數過多，并且方便實際應用，故需要合理建立墑情監測系統。開展土壤墑情監測預報工作不僅能實現監視和監測點位的墑情動態，而且能較好地掌握大范圍農田墑情和旱情嚴重程度及其在空間上的分布規律，從而為煙農適時適量灌溉烤煙和政府部門及時制定抗旱減災對策提供科學依據，減少干旱災害損失，并為未來工作中建設類似區域墑情監測站點提供依據，以此來指導墑情（旱情）監測、合理利用水資源、節水灌溉和抗旱、防災減旱。
1 試驗方法和原則
1.1 試驗原則
土壤含水量與降雨量、蒸發量、土壤類型、地下水位、作物類型及作物生長階段需水規律等因素有關，因此，在農田上建立監測站點時，其位置應根據以上因素，盡量使區域內土壤墑情可視為趨向 “均一性”，還要考慮選擇具有代表性的點取樣[6]。由于研究區內種植的主要作物是烤煙，占整個區域種植面積的85%以上，根據烤煙的生長期（6月～9月）、根系生長范圍（80cm以內）及土層厚度來初步確定在垂直方向上選取地表以下10cm、30cm、45cm、60cm、80cm深處監測土壤墑情。在平面上則根據土壤類型、地下水埋深、灌溉制度分區等情況，使區域內土壤墑情可視為“同一性”[7]。同時也盡量均勻的在地表建立旱情監測站點。根據上述原則，旱情監測站點監測的土壤含水量基本能最大程度的反映出臨近的較大地域范圍內旱情的真實情況，旱情監測體系能最接近真實的預測區域的旱情變化。
1.2 試驗方法
試驗于2011年～2014年在富源縣十八連山鎮取木德村委會取木德村進行。該地地理中心坐標為東經104°31′23.88〃，北緯25°07′46.67〃，海拔1760m。試驗用WATCHDOG1000系列生態因子記錄儀Watermark土壤水分傳感器監測土壤含水率。在30ha項目區內共建立15個土壤水分監測站點，并根據實際需要在田間用土壤水分測定儀臨時增加取樣點，每個站點均安裝型號相同的土壤水分傳感器，將傳感器按照一定的距離固定埋入地表不同位置及地表以下不同深度。具體做法為，地表面上大概相距100m范圍內埋設一個土壤水分傳感器，即采用均勻布點法。垂向上考慮到烤煙主要根系活動層深度，并結合當地土層厚度和地下水埋深，初步選定地面以下10cm、30cm、45cm、60cm、80cm五個深度的土層的含水量作為土壤墑情點。墑情取樣在作物生長的前三個階段（還苗期、團棵期、旺長期）一周監測一次，成熟期兩周監測一次，在灌溉前后、雨量過多或是連續多天未降雨則臨時增加土壤水分測定，試驗數據為15個監測站點和若干個臨時取樣點4年期間在試驗區內共采集的2025個土壤體積含水率，監測站點基本覆蓋了該片烤煙種植示范范圍。
2 結果與分析
2.1 旱情監測結果 根據項目區多年氣象觀測資料，可得出研究區內多年平均各月氣象因子（降雨、溫度、濕度及蒸發量）觀測的年內分布圖，見圖1。
由研究區內多年地面墑情監測原始數據，可以得出研究期內（6月中旬～9月下旬共11個時間系列，其中時間10～60共11個時間系列依次代表6月中旬～9月下旬）土壤含水量的變化趨勢，見圖2。
由圖2可以看出，在時間上看，各監測站點上各月土壤含水量變化不大，但在研究時段內變化較大，從6～8月（時間10～45時段）有上升趨勢，到8月中旬（時間點45處）達到最大值，接下來開始下降，到8～9月中旬有下降趨勢，這種變化趨勢與當地降雨，溫度、濕度及蒸發量等氣候狀況的變化是一致的，其中影響最為活躍的因子是降雨量。由多年不同深度土壤墑情監測數據還可以得出研究區域內各月土壤含水量在垂向變化趨勢圖，見圖3，并由此圖可得出，不同深度監測站點上的土壤含水量變化較大，總的變化趨勢是10～45cm深度在逐漸的增大，到50cm深左右反而減到最小，60cm深度至80cm保持在一個相對平穩趨勢，變化幅度較小。
2.2 試驗數據分析
2.2.1 平面上監測數據分析 平面上旱情監測分析采用系統聚類分析法，聚類分析是將樣本個體或指標變量按其特性進行分類的一種統計分析方法。這種方法的最終目的是對地面上的15個監測站點進行聚類，即根據距離的遠近和土壤墑情監測數據比較接近的采樣點進行一定程度的“凝聚”，通過“凝聚”點來反映和代表臨近點的旱情情況，這不僅使地面的監測點更加合理、有效，而且用最少的監測點來滿足最大范圍的監測，從而大大減少了監測站點的數量，使其布局達到最優，聚類分析的結果見圖4。
從聚類分析結果看，15個站點分為4類：第一類包括3個站點（1、13、15），第二類包括5個站點（2、5、6、9、14），第三類包括5個站點（3、8、7、10、11），第四類包括2個站點（4、12），由聚類分析成果及各站點所在位置的氣象特征和地形狀況，最終選定點1、點3、點5、點6、點8、點10、點12、點13、點14共9個站點建設監測站點，監測站點建設成功后，以后只需要在整個項目區內在9個所建的監測站點取樣，即可滿足指導灌溉和農業生產要求。通過本研究就可以將之前的15個監測點減為9個站點，大大優化了采樣布局，并使以往監測站點的布局方式更加科學。
2.2.2 空間上監測數據分析 空間上監測數據采用變異系數法及相關系數法進行分析，分析的目的是將相關系數較高的兩處或多處深度的監測站點用一層來代替。以最少的土層信息來代替整個監測深度的土壤墑情變化。
由監測數據得出各個層次土壤含水率的平均值、標準差、變異系數及相關系數，并將其匯總到表1中。由表1可看出，地表10cm處的變異系數最大，10～45cm范圍內變異性呈遞減趨勢，以后到80cm范圍內變化較小。地表下45cm處與60cm處、60cm處與80cm處的相關系數相關程度均較高，分別高達0.728和0.761。
變異系數大意味著墑情增加或減小的幅度較大，反之則較小。變異系數大的要在較短時間段內監測土壤墑情的變化，變異系數小的則可以間隔較長時間來監測土壤墑情的變化。但是在汛期，由于地下水位的上升，影響深層土壤含水率的變化較大，故需重視加強對深層土壤墑情的監測。將各層監測墑情數據進行相關系數分析，可根據這幾層相關系數的高低來將其監測數目進行濃縮，從而可以減少被濃縮層的監測工作，經過綜合分析舍掉45cm、80cm這兩層的監測工作，最后只需要在地表以下80cm范圍內保留10cm、30cm、60cm這三個深度的墑情監測，即可滿足監測要求。
3 結論與討論
在地平面上，各個監測站點在6月中旬～9月下旬這11個時間系列中土壤含水量變化較大，從6月中旬～8月中旬呈上升趨勢，到8月下旬達到最大值，接下來開始下降，到8月下旬～9月下旬呈下降趨勢，這種變化趨勢與當地降雨量的變化規律最相關。從垂向上看，不同深度監測站點上的土壤含水量變化較大，總的變化趨勢是10～45cm深度在逐漸的增大，到50cm深左右反而減到最小，60～80cm深度保持在一個相對平穩趨勢，變化幅度較小。
從分析結果來看，通過聚類分析可將研究區內的15個站點分為4類，并由此最終選定點1、點3、點5、點6、點8、點10、點12、點13、點14共9個站點建設監測站點，監測站點建設成功后，以后只需要在整個項目區內在9個所建的監測站點取樣，即可滿足指導灌溉和農業生產要求，并使以往監測站點的布局方式更加科學和合理。
空間上監測數據采用變異系數法及相關系數法進行分析，結果只需要在地表以下80cm范圍內保留10cm、30cm、60cm這三個深度的墑情監測，即可滿足監測要求。
參考文獻
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作者簡介：張維，碩士研究生，助理農藝師，研究方向：煙葉基礎設施建設管理。
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