关中地区田块尺度土壤含水量时空变异性及合理采样方式

发布时间：2020-11-12 13:17

　　 我国是一个水资源极度短缺的国家,加之农业用水量大、用水效率低下,极大地影响了我国的可持续发展。灌溉是提高农业生产力的重要措施,而明确田间土壤含水量空间变异特征,能够准确监测土壤含水量变化,对提高精确灌溉尤为重要。本文以关中地区为例,利用经典统计学和地统计学相结合的方法,研究了不同采样间距、不同土层、不同植被覆盖下以及不同生育阶段的土壤含水量空间变异性,同时利用Spearman秩相关系数和相对偏差法对土壤含水量的时间稳定性进行了研究与分析。初步提出了田块尺度土壤含水量合理的采样方法,主要研究结果如下:(1)田块尺度土壤含水量空间分布呈弱变异或中等偏弱变异。土壤含水量在11.7%~20.1%范围时,土壤含水量越低,其空间变异性越强。采样间距对土壤含水量空间变异性的计算精度有较大的影响。采样间距设置为东西方向间距27m和南北方向间距9 m时的土壤含水量变异系数比采样间距设置为东西方向间距9 m和南北方向间距18 m的大3.3%。随着采样密度的增大,土壤含水量分布的等值线变化增大。表征田块尺度土壤含水量空间变异性采样密度约为45个·hm~(-2)。采样间距为东西方向间距18 m和南北方向间距9 m时,田块尺度土壤含水量具有较高的空间相关性,田块中间位置的土壤含水量比四周高3%~5%。(2)植被覆盖下对土壤含水量空间变异性的影响较小。玉米地土壤含水量空间变异系数为11.71%~13.29%,桃树地为9.16%~11.74%,柿树地为8.18%~11.75%。土层越深,土壤含水量空间变异强度越小。田块土壤含水量具有较强的空间相关性,土壤性质等结构因子对土壤含水量空间变异性产生较大的影响。(3)随深度的增加,田块尺度土壤含水量的时间稳定性而增强,40~60 cm土层土壤含水量空间格局变化比0~20 cm小。各土层已选定的测点的土壤含水量与区域平均土壤含水量的R~2值的均值为0.91,ME值的均值为0.08%,RMSE值的均值为1.46%,这些点可以作为代表性测点对区域土壤含水量的均值进行估计。不同采样时间的土壤含水量大都表现为显著正相关。对于雨养作物而言,夏季多雨期的土壤含水量相对较低,土壤含水量时间稳定性主要受外界因素影响。(4)田块尺度土壤含水量的最小合理采样点数为4个,宜采用四边形布置。当土壤含水量监测深度≤40 cm时,采样点宜布置在表层(0~20 cm)土壤中;当土壤含水量监测深度40 cm时,采样点宜布置在最大土壤含水量监测深度的中间。在玉米地、桃树地和柿树地进行实地验证:三种不同植被覆盖下不同土壤含水量监测深度内,水平与垂直方向上的采样布点方法相结合所确定的平均土壤含水量与田块区域平均土壤含水量的相对误差在10%内,说明推荐的采样点方法和采样点数目基本可行,采样精度高。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S152.7
【部分图文】：

关中地区田块尺度土壤含水量时空变异性及合理采样方式10地面积为56m×70m，采样间距为7m×7m。共63个测点，如图2.3b所示。每个测点用土钻分别取0~20、20~40、40~60、60~80和80~100cm土层的土样。采样区域3种植柿树，树龄为5年，柿树东西株距约2m，南北株距约1.5m，试验地长和宽为66m×20m，采样间距为6m×4.5m，共55个测点，如图2.3c所示。同采样方案2，每个测点用土钻取5个土层的土样。三处采样区域的采样在同一天进行。2.3.2.3采样方案3采样方案3的采样区域为采样方案2中的采样区域1（图2.3a），采样区域具体情况详见2.3.2.2。采样时间为2019年7月2日、7月13日、8月16日、8月28日和9月24日，分别对应玉米的三叶期、拔节期、抽雄开花期、灌浆期和成熟期，用土钻对每个测点的0~20cm、20~40cm、40~60cm土层进行取土。目的是研究玉米不同生育阶段土壤含水量的时间稳定性。2.3.3土壤样品采集及测定采样方案1中，使用TRIME-TDR土壤水分测量仪测定各采样点不同土层的土壤含水量，每个测点测三次取其均值；采样方案2和3中，采用烘干法测定各采样点不同土层的土壤含水量（鲍士旦，2000）。图2.2采样方案1的空间分布图Figure2.2Spatialdistributionofsamplingscheme1

第2章材料与方法11图2.3采样方案2的空间分布图Figure2.3Spatialdistributionofsamplingscheme2注：植被覆盖类型：a)玉米地；b)桃树地；c)柿树地2.4数据分析2.4.1空间变异性分析方法2.4.1.1经典统计学方法采用经典统计学方法对数据进行统计和计算，利用最大值、最小值、均值、标准差、变异系数及标准误差等统计值研究土壤含水量的空间变异性。标准误差计算公式如下：ndSEnii==12（2-1）式中：n为测量次数；di为误差=测量值-实际值

第3章田块尺度冬小麦土壤含水量空间变异性1916.01%~17%；7级17.01%~18%；8级18.01%~19%；9级19.01%~20%。图3.1不同采样间距下0~60cm土层平均土壤含水量的空间分布Figure3.1Spatialdistributionofaveragesoilwatercontentin0-60cmlayersatdifferentsamplingintervals.注：采样时间为：a)2018-09-20；b)2018-11-02；c)2018-11-19；d)2019-03-14；e)2019-04-02；f)2019-05-12；g)2019-05-31由图3.2可知，采样间距为18m×9m的各级面积与采样间距为9m×9m的对应面积最接近，7次采样中，6级面积变化最小，11月2日的5级面积变化最大，增加796.1m2，其变化占田块总面积的15%。采样间距为27m×9m时只保留了15个数据，仅占采样间距为9m×9m的1/3，其各级面积与采样间距为9m×9m的各级面积有较大不同。综上，土壤含水量的采样间距可以控制为18m×9m，采样密度约为45个·hm-2。
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本文编号：2880787