李秀梅，趙偉霞，李久生，栗巖峰

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水分虧缺程度對變量灌溉水分傳感器埋設(shè)位置預(yù)判的影響

李秀梅，趙偉霞，李久生※，栗巖峰

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048）

基于土壤黏粒含量遴選可代表平均土壤含水率的點位，是確定變量灌溉系統(tǒng)土壤水分傳感器網(wǎng)絡(luò)埋設(shè)位置的重要方法。為了評估水分虧缺程度對傳感器埋設(shè)位置的影響，該研究通過在不同土壤可利用水量管理區(qū)內(nèi)設(shè)置不同的水分虧缺灌溉處理，基于土壤含水率時間穩(wěn)定性原理，分析了水分虧缺程度和土壤性質(zhì)對冬小麥主要根系層內(nèi)土壤含水率空間分布結(jié)構(gòu)相似性和直接代表平均土壤含水率點位的影響。結(jié)果表明，受土壤性質(zhì)和水分虧缺程度的影響，在土壤砂粒含量隨土層深度增加而增大的1區(qū)，土壤含水率空間分布結(jié)構(gòu)相似性僅在2016年的雨養(yǎng)處理達到了顯著水平（0.05），而在土壤剖面質(zhì)地均勻的2區(qū)，2016年的雨養(yǎng)和高、中、低水分虧缺處理和2017年的中、低水分虧缺處理均達到了顯著水平（0.05）。在冬小麥主要根系層內(nèi)，不同土壤性質(zhì)管理區(qū)直接代表平均土壤含水率點位占總測點數(shù)的比例基本相等。受水分虧缺程度的影響，1區(qū)直接代表平均土壤含水率的測點比例隨水分虧缺程度減小而增加，2區(qū)則呈先減小后略有增加趨勢。除2016年高水分虧缺處理外，0～0.2、>0.2～0.4、>0.4～0.6 m土層代表平均土壤含水率點位的黏粒含量與該土層平均黏粒含量之間均存在顯著的線性關(guān)系（0.05），2 a擬合系數(shù)變化范圍為0.66～1.03，且2017年擬合系數(shù)隨土壤水分虧缺程度增加呈增大趨勢。因此，在砂壤土地塊變量灌溉管理區(qū)內(nèi)，基于管理區(qū)平均土壤黏粒含量進行土壤水分傳感器埋設(shè)位置遴選時，需根據(jù)擬采用的水分虧缺管理模式對擬合系數(shù)進行修正。

土壤；水分；傳感器；網(wǎng)絡(luò)；時間穩(wěn)定性；埋設(shè)位置；冬小麥；變量灌溉

0 引 言

變量灌溉處方圖的生成依賴于各種傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測和反饋不同管理區(qū)內(nèi)土壤水分、作物生長和氣象條件等信息[1-2]。土壤水分傳感器用于監(jiān)測土壤水分對作物的滿足程度，是生成變量灌溉處方圖常用的工具之一[3-5]。因為每種類型的土壤水分傳感器均有一定的測量范圍，因此確保土壤水分傳感器埋設(shè)位置處所測定的土壤含水率對田塊內(nèi)平均值的代表性是變量灌溉技術(shù)應(yīng)用時面臨的主要任務(wù)[4]。

自1985年Vachaud等[6]介紹了土壤含水率時間穩(wěn)定性概念后，國內(nèi)外學(xué)者先后應(yīng)用土壤含水率時間穩(wěn)定性原理在不同土壤物理性質(zhì)[7-10]、海拔[11-12]、研究尺 度[13-14]和植被覆蓋[15]條件下開展了直接代表平均土壤含水率（以下簡稱為“代表含水率”）的樣點位置研究。2017年，Zhao等[16]在變量灌溉管理中開展了基于時間穩(wěn)定性原理的土壤水分傳感器埋設(shè)位置研究，通過在不同土壤可利用水量管理區(qū)設(shè)置相同的灌水下限，以均一灌溉管理為對照，研究了變量灌溉管理下主要根系層的土壤含水率空間結(jié)構(gòu)相似性和時間穩(wěn)定性，證明了當作物耗水主要來源于灌溉時，變量灌溉管理雖會改變農(nóng)田內(nèi)土壤水分空間格局的整體相似性，但每個管理區(qū)內(nèi)的土壤含水率時間穩(wěn)定性依然存在。研究還發(fā)現(xiàn)，每個管理區(qū)內(nèi)代表含水率點位的黏粒含量與對應(yīng)管理區(qū)的平均黏粒含量之間存在的線性關(guān)系，可用于土壤性質(zhì)變異較大的農(nóng)田中土壤水分傳感器埋設(shè)位置的預(yù)判。

因為濕潤土壤中具有時間穩(wěn)定性的測點在土壤干燥過程中，其穩(wěn)定性可能消失[17-18]，因此在不同的土壤水分狀態(tài)下，代表平均土壤含水率的點位并不完全相同[19]。Zhang等[20]也發(fā)現(xiàn)不同土壤水分條件下的土壤含水率大小在空間上的排序并不相同。因此，尋找不同水分虧缺程度下平均土壤含水率點位的“平均屬性”對確定平均土壤含水率點位更具指導(dǎo)意義[21]。

為了充分發(fā)揮變量灌溉技術(shù)在干旱半干旱地區(qū)的節(jié)水潛力，將非充分灌溉原理與變量灌溉技術(shù)相結(jié)合是發(fā)展干旱半干旱條件下作物變量灌溉管理的關(guān)鍵[3-4, 22]，因此本文基于不同水分虧缺灌溉管理條件下的土壤含水率時間穩(wěn)定性分析，研究不同濕潤程度下土壤含水率空間分布格局的相似性，分析土壤性質(zhì)和土壤水分虧缺程度對遴選代表含水率點位的影響，并驗證非充分灌溉制度下，以管理區(qū)內(nèi)平均土壤黏粒含量作為代表含水率點位的預(yù)判方法的可行性，研究結(jié)果將為非充分變量灌溉管理條件下土壤水分傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河北省涿州市東城坊鎮(zhèn)進行（39°27￠N，115°51￠E，海拔42 m）。該試驗場位于河北省中部，坐落于太行山山洪沖積扇平原上，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)。多年平均降水量563.3 mm，年平均溫度11.6 ℃。土壤質(zhì)地以壤土和砂壤土為主。

試驗區(qū)為圓形噴灌機變量灌溉系統(tǒng)[23]控制區(qū)域的1/4，面積1.64 hm2?；谕寥揽衫盟浚╝vailable soil water holding capacity, AWC）將試驗區(qū)劃分為4個管理區(qū)，1～4區(qū)0～0.6 m田間持水量分別為0.21、0.22、0.23和0.25 cm3/cm3；0～1.0 m深度AWC變化范圍依次為152～161、>161～171、>171～185、>185～205 mm[24]。因為4區(qū)0.4 m以下土層主要為南水北調(diào)管道工程回填的砂礫石，本文分析未包含4區(qū)。在1～3區(qū)，土壤性質(zhì)沿垂直剖面表現(xiàn)出不同的分層特征，1區(qū)0～0.2、>0.2～0.4、>0.4～0.6 m土層土壤砂粒體積分數(shù)隨深度增加呈明顯增加趨勢（57.8%～89.5%）；2區(qū)土壤砂粒和黏粒體積分數(shù)隨深度變化較小，分別為59.8%～65.8%和4.6%～5.7%；3區(qū)>0.2～0.4 m土層存在明顯的黏土夾層，該土層砂粒和黏粒體積分數(shù)分別為47.9%和8.6%[25]。

1.2 試驗設(shè)計

3個管理區(qū)內(nèi)，分別按照面積相等的原則設(shè)置灌水處理。1區(qū)和3區(qū)分別劃分為4個子區(qū)，2區(qū)劃分為5個子區(qū)，每個子區(qū)為1個灌水處理。2015—2016年冬小麥生育期內(nèi)（以下簡稱2016年冬小麥），設(shè)置為雨養(yǎng)和不同灌水下限（為田間持水量百分比）的處理（表1），灌水定額為20 mm。因為每個子區(qū)內(nèi)到達灌水下限的時間不同，所以采用部分噴頭開啟式變量灌溉方法進行每個子區(qū)的灌溉管理[23]。試驗結(jié)果表明，由于黏土夾層對入滲水流的阻水作用[26]，3區(qū)0.2～0.4 m土層土壤含水率較低，灌溉次數(shù)較多，難以實現(xiàn)基于灌水下限的水分虧缺管理。因此，2016—2017年冬小麥生育期內(nèi)（以下簡稱2017年冬小麥），除雨養(yǎng)處理外，各灌水處理灌水量設(shè)置為不同灌水定額（為設(shè)定灌水定額的百分比）（表1），采用脈沖式變量灌溉方法通過調(diào)節(jié)電磁閥占空比[23]進行每個子區(qū)的灌溉管理。所有子區(qū)均采用相同的灌水時間，灌水下限值設(shè)計為AWC最小的1區(qū)田間持水量的70%。揚花期之前灌水定額設(shè)定為20 mm，之后為30 mm。2 a雨養(yǎng)處理除了苗期灌水（20 mm）和施肥期間灌水（20 mm）外，其他時間均不灌溉。

表1 田間試驗處理設(shè)置

注：水分虧缺程度設(shè)置為雨養(yǎng)、高、中和低4個水平。雨養(yǎng)處理僅在苗期和施肥期時進行灌水，其他時間均不灌溉；2區(qū)低水分虧缺設(shè)置了2個處理，分別記為低1和低2。

Note: A total of 4 water deficit levels include rain-fed, severe, medium, and low deficit levels in each management zone. There is no additional irrigation except for seedling emergence and fertilization stages in rain-fed treatments. In zone 2, 2 low deficit levels (Low 1 and Low 2) are included.

將整個田塊劃分成12 m×12 m的網(wǎng)格，Trime-T3管式土壤水分探管（IMKO，德國）埋設(shè)在每個網(wǎng)格的中心，1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)的每個灌水處理內(nèi)分別布置6個、10個和3個探管，共86個。判斷灌水時間時，2016年每日測量所有灌水處理0.2～0.4 m土層的土壤含水率，2017年每日測量R1-4處理0～0.4 m土層的平均土壤含水率，當土壤含水率下降到設(shè)定下限時進行灌水。為評估土壤含水率時間穩(wěn)定性，每7～10 d分層測量1次所有處理的土壤含水率，每0.2 m 1層，測量至1.2 m深度。2016年和2017年冬小麥生育期內(nèi)分別測量了10次和13次，共23次。因為3區(qū)每個子區(qū)內(nèi)布置的測量點數(shù)較少（3個），因此在土壤含水率時間穩(wěn)定性分析時未考慮3區(qū)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)Spearman秩相關(guān)系數(shù)（r）原理[6]評價土壤含水率在不同時間的空間分布格局相似性：

式中R是任一測點在第次觀測時土壤含水率測量值的秩，R'為測量值在相同測點、不同觀測次數(shù)時的秩。r越趨于1表示土壤含水率在2個測量時間下空間分布格局相似性越強。為測點數(shù)，1區(qū)4個子區(qū)測點數(shù)量均為6個，2區(qū)5個子區(qū)測點數(shù)量均為10個。

計算每個測點的相對差分值[6]，以判斷特定測點土壤含水率在時間尺度的穩(wěn)定性：

式中為土壤含水率觀測次數(shù)。2016年和2017年冬小麥生育期內(nèi)分別監(jiān)測10次和13次。

為了準確捕捉不同采樣時間的土壤含水率均值，并有效地減少系統(tǒng)偏差，應(yīng)綜合考慮均值和方差，因此利用均方根誤差（root mean square error，RMSE）確定最佳的測點位置。

RMSEi值最趨于0的測點可設(shè)置直接代表平均土壤含水率的傳感器。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉制度下土壤含水率的空間結(jié)構(gòu)相似性

2 a冬小麥生育期內(nèi)，不同灌水處理的累積灌水量和降水量如圖1所示。2016年和2017年總降水量分別為80.1和80.3 mm，遠小于華北地區(qū)冬小麥400 mm的平均需水量[27]。由于初始土壤含水率的空間變異性和管理區(qū)之間不同的土壤分層特征，2016年不同灌水處理累積灌水量并不總是隨灌水下限降低而減少，1區(qū)最大累積灌水量（380 mm）發(fā)生在F1-3處理，分別比雨養(yǎng)、F1-2和F1-4處理多334、80和40 mm；2區(qū)最大累積灌水量發(fā)生在F2-5處理（416 mm），分別比雨養(yǎng)、F2-3、F2-2和F2-4處理多370、190、110和60 mm。3區(qū)最大累積灌水量發(fā)生在F3-3處理（396 mm），分別比雨養(yǎng)、F3-1、F3-2處理多350、16和16 mm。與1區(qū)相比，2區(qū)（不包括F2-5）累積灌水量減少132 mm。2017年，1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)相同處理的累積灌水量相同，雨養(yǎng)處理和3個灌水處理的累積灌水量分別為40、153、263和370 mm；R2-5處理累積灌水量為436 mm。

圖1 冬小麥生育期內(nèi)各區(qū)灌水量和降水量

表2 不同水分虧缺處理土壤含水率秩相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著。下同。

Note: Symobol*and**mean significance at probability levels of 0.05 and 0.01, respectively. Same as below.

2.2 不同測點土壤含水率的時間穩(wěn)定性

每個測點的δ在時間尺度上的標準差σ如圖2所示。根據(jù)Starks等[29]的劃分標準，當σ<0.05時，測點具有時間穩(wěn)定性。2016年1區(qū)所有處理0～0.2、>0.2～0.4和>0.4～0.6 m土層σ＜0.05的測點數(shù)量占總測點的比例分別為83%，91%和65%；2區(qū)所有處理相應(yīng)土層該比例分別為85%，92%和80%。2017年1區(qū)相應(yīng)土層該比例分別為91%、91%和95%；2區(qū)分別為96%、100%和93%。這說明大部分測點都具有較強的時間穩(wěn)定性，尤其是0～0.4 m土層，且除了2017年的>0.4～0.6 m土層外，2區(qū)任一土層具有時間穩(wěn)定性的測點數(shù)量均高于1區(qū)。

圖2 各測點不同土層土壤含水率標準差

每個測點均方根誤差RMSE值如圖3所示。在任一土層，所有測點的RMSE均在不同土層深度表現(xiàn)出明顯的波動，且＞0.4～0.6 m土層RMSE波動幅度最大，這表明各測點在剖面方向偏離平均土壤含水率的程度與深度有關(guān)，代表平均土壤含水率的測點和深度具有不一致性。2 a同一測點的RMSE值不完全相等，2016年RMSE值整體上大于2017年，但各測點的變化趨勢基本保持一致，說明各測點與平均土壤含水率的相對偏離程度具有年際間的時間穩(wěn)定性。

將RMSE<0.1[30]的點作為代表含水率的點位，代表含水率的測點個數(shù)占總測點數(shù)的比例如表3所示。代表含水率的測點個數(shù)占總測點個數(shù)的比例與水分虧缺程度密切相關(guān)。2016年1區(qū)雨養(yǎng)和高、中、低水分虧缺處理0～0.6 m土層代表含水率的測點數(shù)量占總測點數(shù)量的比例分別為17%、22%、28%和33%；2區(qū)雨養(yǎng)和高、中、低水分虧缺處理0～0.6 m土層代表含水率的測點數(shù)量占總測點數(shù)量的比例分別為31%、33%、13%和38%（F2-4和F2-5處理均值）。2017年1區(qū)相應(yīng)水分虧缺處理該比例分別為39%、34%、44%和53%；2區(qū)則分別為52%、43%、43%和49%（R2-4和R2-5處理均值）。2 a試驗，除中水分虧缺處理外，2區(qū)任一水分虧缺處理代表含水率的測點比例均高于1區(qū)。2016年1區(qū)0～0.2、>0.2～0.4和>0.4～0.6 m土層代表含水率的測點比例分別為25%、46%和4%；2區(qū)0～0.2、>0.2～0.4和>0.4～0.6 m土層代表含水率的測點比例分別為36%、40%和17%。2017年1區(qū)和2區(qū)相應(yīng)土層代表含水率的測點分別為57%、44%、27%和72%、48%、22%，除1區(qū)>0.2～0.4 m土層外，該比例明顯高于2016年。這與2 a水分管理方法一致時，代表含水率的測點個數(shù)占總測點個數(shù)的比例在年際間變化較小[23]的規(guī)律不同。另外，2 a試驗1區(qū)和2區(qū)0～0.2、>0.2～0.4、>0.4～0.6 m土層代表含水率的測點比例平均值分別為41%、45%、16%和54%、44%、19%，具有不同土壤剖面特征的管理區(qū)同一土層代表含水率的測點比例差別較小的結(jié)果表明，代表含水率的測點個數(shù)占總測點個數(shù)的比例受土壤剖面的分層特征影響相對較小。

圖3 各測點土壤含水率均方根誤差

表3 不同土層代表含水率的測點與總測點數(shù)的比值

2.3 代表平均土壤含水率點位的確定方法

為研究土壤水分虧缺程度對代表含水率點位“平均屬性”的影響，分別將所有管理區(qū)雨養(yǎng)和高、中、低水分虧缺處理內(nèi)不同土層RMSE<0.1的測量點的平均黏粒含量作為自變量，將對應(yīng)土層內(nèi)代表含水率點位的黏粒含量當作因變量，對二者進行線性擬合（=，為擬合系數(shù)），結(jié)果如表4所示。

表4 0~0.6 m土層含水率代表測點的黏粒體積分數(shù)（y）與管理區(qū)平均黏粒體積分數(shù)（x）的擬合關(guān)系

注 Note：*，<0.05；**，<0.01。

2016年雨養(yǎng)、中、低水分虧缺處理和2017年所有水分虧缺處理和之間均呈顯著的線性關(guān)系，2016年雨養(yǎng)和高水分虧缺處理值低于中、低水分虧缺處理，2017年值隨土壤水分虧缺程度增加呈增大趨勢。值隨水分虧缺程度的變化趨勢在年際間存在差異，這主要是因為土壤分層特征的影響使得2016年各處理灌水量并未隨灌水下限的降低而減少（圖1）。2 a擬合系數(shù)的變化范圍為0.66～1.03，小于前期在該地塊不同管理區(qū)灌水下限均設(shè)置為0.45 AWC時得出的值（1.15）[11]，這再次表明代表含水率的點位主要受土壤黏粒含量的影響，但與土壤黏粒含量的值在2017年隨土壤水分虧缺程度增加呈增大趨勢。

3 結(jié) 論

在華北平原土壤可利用水量變異較大的地塊，分別基于雨養(yǎng)和3種非充分灌溉制度開展了為期2 a的冬小麥變量灌溉試驗，利用冬小麥生育期內(nèi)布設(shè)的86個測點，共23次觀測值，分析了水分虧缺程度和土壤質(zhì)地對土壤含水率空間分布時間穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下：

1）受水分虧缺程度和土壤剖面分層特征的影響，在砂粒含量隨土層深度增加的1區(qū)，0～0.6 m土層的平均土壤含水率空間分布格局相似性隨土壤水分虧缺程度減小呈先減小后增加趨勢，且相似性僅在2016年的雨養(yǎng)處理達到了顯著水平。在沿垂直剖面方向砂粒含量分布均勻的2區(qū)，0～0.6 m土層平均土壤含水率空間分布格局相似性雖然隨水分虧缺程度減小呈增加趨勢，但2016年所有處理和2017年中、低水分虧缺處理相似性均達到了顯著水平。

2）受水分虧缺程度的影響，2 a試驗不同土層代表含水率的測點數(shù)量占總測點的比例差異較大。但受土壤剖面分層特征的影響較小，1區(qū)和2區(qū)同一土層代表含水率的測點比例平均值并無明顯差別，0～0.2、>0.2～0.4、>0.4～0.6 m土層該值分別為41%、45%、16%和54%、44%、19%。

3）2 a試驗中，除2016年高水分虧缺處理外，其他所有處理0～0.2、>0.2～0.4、>0.4～0.6 m土層所有測量點的平均黏粒含量與對應(yīng)土層內(nèi)代表含水率點位的黏粒含量之間均存在顯著的線性關(guān)系（<0.05），線性方程擬合系數(shù)為0.66～1.03，且2017年隨土壤水分虧缺程度增加呈增大趨勢。

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Influence of water stress level on determination of soil moisture sensor position under variable rate irrigation

Li Xiumei, Zhao Weixia, Li Jiusheng※, Li Yanfeng

(100048,)

Determining positions to represent mean soil water content based on soil clay contents is an alternative method for positioning soil water content sensors in wireless sensor networks for a variable rate irrigation system. The field was divided into 4 management zones according to available soil water holding capacity (AWC). Two of the 4 management zones were selected to arrange the rain-fed treatment and 3 irrigation treatments representing different water stress levels to assess the effect of the levels on the placement of soil water content sensors under variable rate irrigation system. In zone 1, sand fraction largely increased with depth with AWC within 1-m soil profile ranging from 152 to 161 mm. In zone 2, a relatively uniform profile was observed along the profile with AWC within 1-m soil profile ranging from 161 to 171 mm. Based on the temporal stability of soil water content, the effects of soil water status and soil properties on the similarity of soil water spatial pattern and the positions directly representing the plot-mean soil water content were studied. Results showed that both of soil texture and water stress had effect on the structure similarity of soil water content distribution. In zone 1, the average Spearman’s rank correlation coefficient of 0-0.6 m was significant at the probability level of 0.05 only in the rain-fed treatment in the 2016 season. In zone 2, the Spearman’s rank correlation coefficient was significant at the probability level of 0.05 in all treatments in the 2016 season and in the medium and low water stress treatments in the 2017 season. The percentages of positions directly representing the mean soil water content were almost the same in zones 1 and 2. Affected by soil water status, the percentages increased as the level of soil water stress decreased in zone 1. While in zone 2, as the severity of water stress decreased, the percentages decreased and then had a slight increase. In general, significant linear regressions (0.05) between the mean clay content and the clay content representing the mean soil water content sites were found in layers 0-0.2, 0.2-0.4, and 0.4-0.6 m for all the treatments in 2016 and 2017, except for that in the severe water stress treatment in 2016. The fitted equation coefficients ranged from 0.66 to 1.03 in the 2 seasons, demonstrating a clearly increasing trend as the severity of water stress increased in 2017. When the mean clay content was used for a priori identification for positioning soil water content sensors in the management zones under variable rate irrigation system in a field with sandy loam soil, the strategies of water stress management should be considered in determining a fitted equation coefficients.

soils; water content; sensors; networks; time stability; placement; winter wheat; variable rate irrigation

李秀梅，趙偉霞，李久生，栗巖峰. 水分虧缺程度對變量灌溉水分傳感器埋設(shè)位置預(yù)判的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(23)：94－100.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.011 http://www.tcsae.org

Li Xiumei, Zhao Weixia, Li Jiusheng, Li Yanfeng. Influence of water stress level on determination of soil moisture sensor position under variable rate irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 94－100. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.011 http://www.tcsae.org

2018-06-24

2018-08-10

“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0400104）；中國水科院科研專項（2016TS05）共同資助

李秀梅，河北邯鄲人，博士生，主要從事灌溉原理與技術(shù)方面的研究。Email：lixiumei11126@126.com

李久生，河北邢臺人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事灌溉原理與技術(shù)方面的研究。Email：lijs@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.011

S274.3

A

1002-6819(2018)-23-0094-07