基于Grid算法的棉田雨后土壤水分时空变化特征研究

刘帅，崔爱花，孙巨龙，白志刚，胡启星，杨北方，熊世武，聂太礼*

（1.江西省棉花研究所，江西 九江 332105；2.中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000）

长江流域棉区作为我国棉花主产区之一，在棉花生产中占据重要地位。棉花是一种耐旱型作物，虽然对短期的涝害有一定的抗性，但会受到长期涝害胁迫的严重影响[1]。长江流域棉区棉花花铃期正处于夏季高温多雨阶段，因此涝渍灾害在花铃期频发。涝渍灾害会在一定程度上加剧棉花膜脂过氧化进程[2]，降低叶片中抗氧化酶的活性，进而影响光合作用[3-7]。近年来，涝渍灾害成为影响该流域棉花产量和品质的重要因素之一[8-9]。

对于淹水后棉株的生理变化已有诸多报道：杨长琴等[10]发现在渍水后14d，棉铃生物量累积增长速率降低；王晓森等[11]通过对棉花苗期、蕾期和花铃期分别进行淹水处理发现，株高和叶面积显著小于对照。棉田淹水会直接导致土壤含水量的变化，但目前对于淹水后棉田土壤水分的变化特征却少有报道；因此，开展长江流域棉区雨后棉田土壤水分变化规律的研究，对于及时制定雨后降渍排涝方案和棉花灾后补救措施具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验所用品种为中棉425[12]，由中国农业科学院棉花研究所提供。

田间雨后取样试验于2020年在江西省棉花研究所试验基地（江西省九江市，115°51′E，29°42′N）棉田进行。2020年7月1－29日降水量为414.8mm，7月29日当天降水量为11.8mm，2020年7月30日－8月9日无降水。该地土壤类型为壤质灰潮土，耕作表层有机质含量为1500mg·kg－1，全氮含量为1070mg·kg－1，速效磷含量为60mg·kg－1，速效钾含量为251mg·kg－1。耕作制度为多年棉花连作，冬季空闲。棉花播种密度为6.0×104株·hm－2，等行距种植，行距约为80cm，株距约为22cm，田间管理方法与当地一致。

1.2 试验设计

选取7月30日―8月9日棉田土壤含水量为研究对象，该时间段日照时间为92.97h，日平均气温31.33℃，日均相对湿度75.02%；采用网格法进行取样，即选具有代表性的2行棉花分别为横向起止点，每隔20cm设置取样点，在棉行横向0～80cm内向土层下方每隔20cm设置纵向取样点，以A、B、C、D、E和a、b、c、d、e的不同组合表示不同取样点位置，A、B、C、D、E分别代表横向距离0、20、40、60、80cm处位置，a、b、c、d、e分 别代表纵向 距离10、30、50、70、90cm处位置，因此，取样点共有Aa、Ab……De、Ee组合25个（图1-I）。采用TM5-SDI 12土壤湿度传感器（大连祺峰科技有限公司）进行土壤含水量测定，于7月30日－8月9日每隔6h测定1次，共测定44次。

为观察不同土壤区域土壤含水量整体变化情况，以纵向距离每20cm为1层划分出10～30cm、30～50cm、50～70cm、70～90cm4块土层（图1-II）；将横向0～20cm和60～80cm处区域（即棉行两侧20cm内）作为棉行区域，而20～60cm处区域视为行间区域（图1-III）。

图1 取样点布置与空间区域划分

1.3 数据处理与统计分析

将取样点外的数据运用克里金法（Kriging）补充[13]，依据取样点数据计算时空区域含水量时，采用Surfer13辛普森3/8方法[14]；在计算土壤水分在一段时间内的降幅时，采用Liu等[15]的计算方法，其 中 各 位 点 数 据 计 算 公 式 为：CGrid（x，y）＝AGrid（x，y）－BGrid（x，y）。式中，x、y分别为横向和纵向坐标，AGrid（x，y）、BGrid（x，y）分别为坐标（x，y）处不同时间该取样点土壤含水量，CGrid（x，y）为A点与B点土壤含水量差值。最后通过Surfer13进行土壤含水量统计分析，直观地查看不同维度截面土壤含水量变化特征。

2 结果与分析

2.1 雨后棉田土壤含水量静态变化

由图2可以看出，雨后棉田土壤含水量整体呈降低趋势。雨后5d和10d时，在纵向距离10～50cm内，棉田土壤含水量在同一深度不同横向距离间差异较小。雨后0d时，10～40cm土层范围内不同横向距离土壤含水量分布差异较大，这可能与长江流域棉田整地方式有关。在雨后0、5、10d，纵向距离10～30cm的表层土壤含水量分别为0.36～0.43m3·m－3、0.28～0.41m3·m－3、0.23～0.35m3·m－3，纵向距离50～90cm的深层土壤含水量分别为0.43～0.53m3·m－3、0.42～0.52m3·m－3、0.38～0.54m3·m－3（图2）。

图2 不同时间土壤含水量静态变化

由图3a可知，在雨后0～5d，纵向距离10～30cm内土壤含水量降幅较大，在0.01～0.10m3·m－3，纵向距离50～90cm内土壤含水量降幅较小，在0.01m3·m－3以下；在土壤表层10cm处，横向距离0、40cm处土壤含水量分别降低了0.07、0.10m3·m－3，在纵向距离30cm处，横向距离40cm处土壤含水量降低了0.05m3·m－3，降幅较大。在雨后5～10d，土壤含水量降幅在纵向距离10～30cm内为0.05～0.09m3·m－3，在纵向距离50～90cm内为0.01～0.06m3·m－3；在土壤表层10cm处，横向距离0、40cm处土壤含水量分别减少0.09、0.05m3·m－3（图3b）。可以得出，在雨后5d中，浅层（纵向距离10～30cm）土壤含水量下降较快，而在雨后5～10d，纵向距离10～50cm的土壤含水量降幅较大（图3）。

图3 不同位点土壤含水量变化

2.2 雨后不同位点土壤含水量动态变化

棉田不同深度土壤含水量不同，同时随雨后时间变化也有差别。

在棉行（横向0cm）处，不同纵向距离位点土壤含水量呈不断降低趋势（图4a）。其中：Aa土壤含水量变化呈开口向上的平缓抛物线形（R2＝0.9914），Ab、Ac土壤含水量与雨后时间的增加呈线性负相关（R2Ab＝0.9835、R2Ac＝0.9584），且Aa斜率较Ab大，Aa位点土壤含水量降低速率较大；Ac、Ad、Ae土壤含水量在雨后1～11d内降幅较小，仅分别降低了0.06m3·m－3、0.01m3·m－3和0.04m3·m－3。

在棉花行间（横向距离40cm）处，雨后1d时，不同纵向距离位点土壤含水量差异较小；但随着雨后时间的延长，纵向距离越小的位点土壤含水量下降越快（图4b）。其中：Ca、Cb位点土壤含水量变化呈开口向上的抛物线形（R2Ca＝0.9897、R2Cb＝0.9862），Ca位点土壤含水量在雨后8d时降至0.23m3·m－3，且在雨后8～11d内均在0.22～0.23m3·m－3范围内；Cc位点土壤含水量在雨后0～6d内变化不大，在雨后6～11d随时间增加呈不断降低趋势，并呈开口向上的抛物线形（R2＝0.9733）；Cd、Ce位点土壤含水量在雨后1～11d内变化均较小，仅降低了0.01m3·m－3。

图4 不同纵向距离位点土壤含水量与雨后时间关系

2.3 雨后不同区域土壤含水量动态变化

以选定的棉田土壤横向0～80cm、纵向10～90cm区域为整体可以看出，棉田整体土壤含水量与雨后时间呈线性负相关关系（R2＝0.9976）。在1～11d内土壤含水量降低了0.08m3·m－3（图5）。

图5 雨后棉田整体土壤水分随时间变化

在不同纵向距离区域，各土层土壤含水量均随雨后时间的增加逐渐降低，变化曲线呈不同开口方向的抛物线形，同一时间纵向距离较大土层土壤含水量高于纵向距离较小土层；10～30cm土层在前期土壤含水量降低较快，后期降低略慢，其他土层与之相反，50～70cm、70～90cm土层在雨后6d内土壤含水量几乎不变，雨后6～11d内分别降低约0.03m3·m－3、0.01m3·m－3；10～30cm、30～50cm土层土壤含水量在雨后1～11d内分别降低了0.16m3·m－3、0.10m3·m－3（图6a）。

由图6b可看出，棉行与行间区域土壤含水量均随雨后时间的增加呈现出较强的线性负相关关系，雨后相同时间棉行土壤含水量高于行间；在雨后1～11d内棉行与行间土壤含水量均降低了0.08m3·m－3，这与棉田整体区域土壤含水量降低趋势一致。

图6 不同区域土壤含水量随雨后时间的变化

3 讨论与结论

棉花对雨水涝害胁迫适应能力较差[1]。目前关于土壤地表水分含量分布与变化的研究较多，如贾燕等[16]利用CYGNSS数据进行土壤湿度的预测和估计，Brocca等[17]利用遥感监测数据反演土壤含水量，这都适用于宏观的土壤表层湿度统计分析。然而，目前对于土壤深层含水量变化特征的研究鲜见报道。本研究基于空间网格取样法将棉田10～90cm土壤含水量进行时间与空间的统计分析，发现表层土壤含水量随雨后时间的延长遵循相关回归模型，并保持较高的R2。宋学贞等[18]在黄河流域的研究发现，淹水后9d土壤表层0～20cm含水量降低至对照水平；本研究得出10～30cm表层土壤含水量在雨后1～11d降低了0.16m3·m－3，但更深层70～90cm土壤含水量在雨后1～11d内变化较小，这可能与前期梅雨季节降水量较大造成的地下水位升高有关。

本研究运用Grid算法分析了棉田土壤含水量的时空变化特征，并全面分析了棉田不同区域土壤含水量的变化特征。可以看出，长江流域棉田在雨后一定时期内不同空间位点的土壤含水量呈现出不同的降低趋势：在棉行区域，表层10cm土壤含水量降低速率随雨后时间延长由高向低变化，30～50cm土壤含水量呈现线性降低趋势；在棉花行间，表层10～30cm土壤含水量降低速率随雨后时间延长由高向低变化；不同横向位置处，70～90cm土壤含水量在雨后1～11d内变化均较小。本研究分析了长江流域棉田土壤含水量在雨后的变化情况，可为生产中制定降渍排涝措施提供依据，以便及时进行棉花灾后补救。