膜下滴灌墒情监测点布设方案研究

吴宏平，王树仿，，缴锡云（.浙江同济科技职业学院，浙江杭州33；.河海大学水利水电学院，江苏南京0098）

膜下滴灌墒情监测点布设方案研究

吴宏平1，王树仿1，2，缴锡云2
（1.浙江同济科技职业学院，浙江杭州311231；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098）

研究了膜下滴灌墒情监测点的布设方案 ，为降低监测成本 ，提高田间信息采集精度提供了理论指导。在新疆库尔勒市包头湖农场48 m×56 m（一根支管控制）的区域内，制定了3种墒情监测点布设方案 ，并对方案合理性进行了分析，结果表明，此3种监测点布设方案下插值后计算出的土壤含水率与实测样本土壤含水率，在显著性水平0.05下，没有显著性差异；综合考虑农田规格、合理监测点数目、以及监测点位置等因素，一根支管控制区域内土壤墒情测布设方案可采用30 m×10 m网格。

墒情监测方案；土壤含水率；膜下滴灌；克里格插值；显著性检验

近年来，随着我国水资源紧缺形势日益加剧，精准灌溉已成为水资源高效利用、可持续利用的有效途径之一。膜下滴灌是近十年来在我国新疆发展起来的一种先进的灌溉方法，该技术的发展对灌溉系统的自动化、智能化程度要求更高，因此也对墒情监测提出更高的要求。合理的墒情监测布设方案是精准灌溉的基础。近年来国外学者对田间土壤水分空间变异性、墒情采样方法、数目进行了研究［1-5］；同时国内学者针对土壤水分时空变异规律、采样方法和数目也进行了一定研究［6-11］，但对土壤墒情的监测点布设方案研究较少，而对应用地统计学和经典统计学进行田间土壤水分监测点的布设方案研究一般还停留在空间变异性分析的理论阶段 ，而对进一步提出监测点方案研究尚少涉及。另外杨风亮、李彦等针对膜下滴灌墒情监测方面有初步研究，但尚未提出监测点布设方案［12-14］。本文根据前期已经研究的田间土壤水分（随灌溉次数增加）时空变异性规律，提出了墒情监测点布设方案，为减少采样数目和降低采样成本，提高田间信息采集精度提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州首府库尔勒市的包头湖农场智能化滴灌示范区内。属暖温带大陆性干旱气候，气候特征是光照资源充沛 ，主要风向是西北风，冬季寒冷少雪，夏季炎热少雨，总日照数2 990 h，无霜期平均210 d，年平均气温11.4℃，年最大蒸发为2 788.2 mm，年均降水量为102 mm。试验地块毛管（滴灌带）长度为56 m，毛管平均间距为1.25 m；支管长度为48 m。试验区土壤质地为砂壤土，其密度1.43 g/cm3。地形东北高，西南低，平均坡度小于0.3‰。棉花种植方向为东西向。棉花栽培采用一膜四行的方式，膜宽为1.25 m，膜间距为45 cm，株距为9.5 cm。每膜一条滴灌带，布设于膜中心线上，滴头间距为0.3 m。

1.2 墒情监测点布置与方法

在一根支管控制区域内的试验地块，分别沿支管方向和毛管方向布设观测点，共计63个，其中沿支管方向每间隔5 m布设一个观测点，沿毛管方向每隔15 m布设一个观测点。观测点平面布设位置见图1。在每次灌水前1 d（试验地块棉花生育期内共灌溉7次），定点观测田间土壤水势。

图1 土壤水分观测点布设图

由于棉花在滴灌田间下，根系的主要活动范围在0 cm～60 cm范围土层中，故每个观测点布置3个SM-1型水势监测仪，用于监测0 cm～20 cm、20 cm ～40 cm、40 cm～60 cm等3个土层水势，进而观测求出土壤含水率平均值，作为该观测点田间土壤水分值。因为边行田间土壤水分最低（离滴灌带位置最远），因此主要监测该行棉花土壤水分。

1.3 分析方法

1.3.1 经典统计学原理

比较一对或几对样本均数间的有无显著性差异时，常采用最小显著性检验（简称LSD法），此法主要用来比较两个不同样本间平均值的差异，当两样本均数的绝对差超过最小显著差数LSD值时，认为样本有差异。

1.3.2 地统计学原理

地统计学是以克里格插值法为手段，以半方差函数为主要工具，以平稳性假设、随机函数和区域化变量等概念为基础 ，研究那些在空间分布上既有随机性，又有结构性，或者空间相关性和依赖的自然现象的一门科学。

半方差函数的拟合模型有3个重要参数:块金值（Nugget）、基台值（Range）、变程（Sill）。变程用以表示某个随机变量在空间上的自相关程度。在变程以内的采样点，相关性越大点，位置越靠近；在变程以外的采样点之间则不具备相关性。

克立格插值是地统计学两大主要内容之一，也称空间局部插值或空间局部估计。其实质是利用变异函数的结构特点以及区域化变量的原始数据 ，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计的一种方法。

2 分析与结果

根据王树仿等人前期研究 ，试验地块的田间土壤水分（随灌溉次数增加）呈现出较为明显的时空变异规律:①每次灌溉前1 d的田间土壤水分均呈现中等变异性；②每次灌溉前1 d的田间土壤水分均呈中等程度的空间自相关性，变异性主要由随机性因素引起，沿毛管方向、沿支管方向和地块全方向的变程分别为30.7 m～37.9 m、10.5 m～14.2 m和21.5 m～28.5 m；③随着灌水次数的增加（时间的推移），试验地块田间土壤水分的空间变异性逐渐减弱，而空间自相关性则逐渐增强，田间土壤水分的分布更加均匀。综上，在整个灌溉期内的地块田间土壤水分时空变异性逐渐减弱，可根据第1次（5月25日）灌水前1 d的田间土壤水分空间分布情况 ，合理布置田间墒情监测点，即可满足墒情监测要求［15］。

2.1 监测点数量分析

根据经典统计学中正态分布法，得到第一次灌水前，支管控制区域内田间土壤含水率合理的采样样本数目，见表1。

表1正态分布法合理采样数目

2.2 监测点空间间距分析

由于采样空间序列是结构性与随机性的统一，经典统计学方法只考虑置信条件下的合理的监测点数目，并不能解决采样的空间布局，其计算结果虽然可以显著减少监测点数目，但忽略了采样形状和布局方式对田间土壤特性的变异程度和监测点数目的影响。采用地统计学的方法，可以对监测点设计的有效性进行指导，可以弥补经典统计学这一方面的不足。一般来说，取样间隔的大小是由变程来决定的，监测点应尽量避免在变程内的重复布设 ，变程越大，则应加大监测点的间隔 ，减少监测点的数目。因此，要确定合理的监测点数目 ，不仅要考虑土壤水分的描述性统计特征，其空间结构特性也应考虑。

由以上可知，制定的水分监测点间距沿毛管方向可大于30 m，沿支管方向可大于10 m，或全方向大于20 m。

2.3 监测点布置方案分析

参考置信度为90%，采样误差为10%μ的条件下的监测毛管数目以及合理的监测点数目为基础，并参考原测点位置以及田间土壤水分理论模型的变程，在分别沿支管方向滞后距为10 m，沿毛管方向滞后距为25 m，或全方向滞后距为20 m，来布置墒情监测点。另外还应遵循规则布置的原则，因为随着监测点数目减少，采用随机来布置监测点，其监测点位置选择的随机性会很大，这有可能掩盖土壤水分的空间变异性，综合考虑农田规格，以及滴灌地块棉花种植的特点，其监测点布置方案a、方案b、方案c分别见图2～图4。

利用地统计学方法对以上3种测点布置方案进行克立格插值，分别以各自相应点位上的插值数据组成检验样本，与原始的63个测试数据组成的样本进行方差分析（方差齐性检验、LSD多重比较），验证其采样点的差异性、合理性。

由表2中齐性检验结果知，显著性概率为0.544（检验水平为0.05），非常大。因此，不同方案方差没有显著性差异，即方差具有齐性。

图2 布设方案a

图3 布设方案b

图4 布设方案c

本研究将整个支管单侧控制区域内的63个土壤含水率的数据统计量作为LSD检验参考值，与其它3种不同的监测点布置方案下，对应监测点上的的克立格插值含水率数据进行多个样本的方差分析比较，其结果见表3。

表2方差齐性检验表

表3 最小显著性检验（LSD检验）结果

由表3可知，上面3种监测点布置方案插值后的含水率样本与实测监测点上的含水率数据样本，在显著性水平下为0.05下，没有显著性差异，这表明，以上3种方案所确定的监测点所测数据能反映土壤水分空间分布特性，但各个监测方案的优劣程度还是有一定的差异。土壤含水率的监测方案的优劣顺序为方案b优于方案c，方案c优于方案a。综合考虑农田规格、合理取样点数目的限定等因素，棉花膜下滴灌支管控制区域内土壤墒情测点的布设方案可采用方案b，即采用30 m×10 m的网格布置监测点。

3 结 论

［1］ Webster RM，Burgess T.Sampling and bulking strategies for estimating soil properties in small regions［J］.Journal of Soil Science，1984，35（1）:127-140.

［2］Russo D，Jury W A.A theoretical study of the estimation of

田间土壤水分监测点推荐采用规则矩形网格方式布置。综合考虑农田规格、合理监测点数目、以及监测点位置等因素，棉花膜下滴灌支管控制区域内土壤墒情测点的布设方案可以采用30 m×10 m布置，来监测棉花整个灌溉期内墒情，指导灌溉。the correlation scale in spatially variable fields:2.Nonstationary fields［J］.Water Resources Research，1987，23（7）: 1269-1279.

［3］ Prasolova N，Xu Zhihong，Saffigna P G，et al.Spatial-temporal variability of soil moisture，nitrogen availability indices and other chemical properties in hoop pine（Araucaria cunninghamii）plantations of subtropical Australia［J］.Forest E-cology and Management，2000，136（1）:1-10.

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Soil Moisture Monitoring Network for Plastic-film Mulched Drip Irrigation System

WU Hong-ping1，WANG Shu-fang1，2，JIAO Xi-yun2
（1.Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou，Zhejiang 311231，China；2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

The design of soil moisture monitoring network for plastic-film mulched drip irrigation system was discussed in this article，which would provide theoretical guideline for reducing monitoring costs and enhancing the accuracy of field monitoring data collection.In Korla Baotou lake farm，Xinjiang，three schemes of soil moisture monitoring point layouts were proposed and analyzed for the area of 48 m×56 m（controlled by one branch pipe）.The applicability analysis and the monitoring results of these three schemes indicate that，these plans have no significant differences for soil moisture content with the significance level of 0.05 between the results from interpolation calculation and the actual detected data of field samples.Considering the specifications of farmland，the reasonable number of monitoring points，as well as the location of monitoring points，the grid size of 30 m×10 m is recommended for the area controlled by one branch pipe.

schemes of soil moisture monitoring；soil moisture；plastic-film mulched drip irrigation；Kriging interpolation；significance test

S274.2

A

1672—1144（2015）02—0144—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.030

2014-11-07

2014-12-19

浙江省水利科技计划项目（RC1455）

吴宏平（1966—），男，浙江衢州人，副教授 ，主要从事水工结构工程与水资源管理方面的教学与科研工作。E-mail:33490608@qq.com