农田土壤墒情垂向变化特征研究
1农田土壤墒情影响着作物的产量、品质及灌溉制度的制定。通过Diviner2000便携式土壤墒情监测系统测定稻田土壤垂向墒情，分析了土壤墒情垂向变化特征，构建了表层土壤水分与深层土壤水分之间的关系。结果表明，垂向0-50cm范围内，随着土壤土层深度的增加，土壤水分呈现出递增的趋势，土壤容积含水率由最低的20%增长到45%；垂向60-100cm范围内，土壤水分未呈现出较大变化，土壤容积含水率基本保持在48%左右。通过经验模型与Biswas土壤水分预测模型对表层土壤水分与深层土壤水分的反演结果表明，0-30cm土层的水分可以较好的预测深层土壤水分，但Biswas土壤水分预测模型的预测精度更高。
目录
引言
引言：土壤水分作为联系降水—地表水—植物水的枢纽，是水资源的重要组成部分[15]。土壤墒情是直接反映农作物受旱状况的一项重要指标，也是分析旱情演变特征和开展抗旱灌溉的重要依据[611]。土壤水分在空间水平和垂直方向上都存在变异，现有的文献多以水平变异研究主，土壤剖面水分垂直方向变异研究较少[1215]。
土壤水分时空变异研究的发展，在一定程度上依赖于土壤水分动态监测技术的进步。土壤水分运移建模及预测预报是近代农业水土工程生产管理的重要依据。土壤水分运移建模及预测应用比较广泛的主要有引入随机变量的机理性模型、土壤水动力学模型法、时间序列分析模型、土壤水分平衡方程估算法、微波遥感技术估算法、人工神经网络预测的方法。土壤水分的垂直变化也属于空间变异的一个重要内容，土壤水分的收支随深度的变化具有明显的层次特征，根据各层土壤水分测定值的标准差和变异系数可以划分土壤水分的剖面层次[1619]。Biswas指出采样的土壤水分含量不仅在一个线性剖面上是正态分布的，在一个网格上也是正态分布的[30]。土壤表层与深层水分存在一定的关系，可以通过表层土壤水分的测定模拟预测深层土壤水分。因此研究土壤水分在垂直方向上的动态变化，利用表层土壤水分反演深层土壤水分，有助于根据土壤水分状况制定灌溉制度，可以为土壤水分的有效利用与动态调控管理提供决策依据与指导[2029]。
开展土壤剖面水分监测与垂向空间分布分析，对于研究不同壤层水分运动特征、作物需水规律、制定最佳灌溉时机及阈值提供信息源参考；研究不同壤层之间水分分布关系，为研制土壤剖
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
面水分传感设备以及节水灌溉装置提供理论依据。
1材料与方法
1.1试验设计
试验于2015年7月10月在南通市白蒲镇朱家桥村国家信息农业工程技术中心试验示范基地开展，试验小区面积为30m2，规格为5m×6m，试验点土壤为粉壤土。试验前期需在试验小区内安装好监测套管（图1），管长120cm，地上部为15cm，地下部为105cm，并保持密封。测试期间实验小区及时排水，即不保持水层。
图1试验小区监测套管
土壤墒情实行全日观测，每天测定各小区垂直剖面010cm、1020cm、2030cm、3040cm、4050cm、5060cm、6070cm、7080cm、8090cm、90100cm深度处的土壤容积含水率。为了准确掌握土壤增墒情况，灌溉前加测1次，灌溉后测土壤含水率变化过程，直至墒情变化稳定为止。
1.2 试验设备
土壤水分数据采集使用澳大利亚Sentek公司的Diviner2000便携式土壤墒情监测系统，测量精度为1％，能够自动的快速测量十个土层体积含水量。其由探测器(探头)、连接电缆、显示器及监测套管组成。
图2 Diviner2000便携式土壤墒情监测系统
1.3 数据分析
采用SPSS（Statistical Package for the Social Science）18.0软件对试验数据进行处理和统计分析，Origin9.1科技绘图及数据分析软件进行实验结果进行分析作图。
1.3.1土层土壤储水量计算
建立表层土壤水分与深层土壤水分之间的转换关系时，土壤水分采取土壤储水量的形式来表达，某一土层土壤储水量采用下式计算：
W=rh （1）
上式中，W为某一层土壤储水量，r为土壤容积含水率，h为土层厚度。规定为把1公升的水均匀覆盖到1平方米的土壤中，并且侵入厚度是1mm。单位图层中水分含量是1mm，对于此土壤层（仅仅指此层），则它的土壤体积水分含量就是1%。
1.3.2土壤水分的经验模型
土壤水分的经验模型即一元线性回归方程表达式：，其中称为常数，称为回归系数。
对于每一个真实的，其表达式为，是随机变量，是随机误差，由于的值不固定，从而使x和y呈现出不确定的关系。
1.3.3土壤水分的Biswas模型
Biswas等[30]提出了土壤水分随深度呈现非线性变化的趋势，给出了根据表层土壤水分确定深层土壤水分的估算模型：
（2）
上式中，为cm土层的土壤水分储量，为土壤表层cm土层土壤水分储量，、、为常数。
当且不趋于0时，，且令；当时，为常数。由（2）式可以得：
(3)
式（3）中，为简便起见，将记为，记为，则式（3）简化为：
（4）
2结果与分析
2.1土壤墒情垂直变化特征
2.1.1土壤含水率垂直分布特征
根据测试的实验结果，选择几次具有代表性的实验数据，绘制了土壤含水率在垂直剖面上的分布情况，如图3所示，图（a）（b）分别为8月份，9月份的实验数据绘制的土壤容积含水率在垂直方向上的分布图。
(a)8月 (a)9月
图3土壤容积含水率的垂直分布图
由图3可知，8月份与9月份土壤在垂直剖面上变化基本一致，随着土壤深度的变化，土壤容积含水率由最初的10%逐渐增长，发生较大的变化。050cm范围内，随着土壤土层深度的增加，土壤容积含水率都呈现出增加的趋势，50cm深度土壤体积含水率接近48%，趋于饱和；60100cm范围内，随着土壤土层深度的增加，土壤容积含水率变化不明显，基本在48%，处于饱和状态；主要原因是，试验小区所在区域为稻田，地下水位较高，补水能力明显。
2.1.2不同土层含水率随时间变化特征
图4所示为土壤0100cm土层范围内各土层土壤含水率随时间的变化动态图。
图4 不同土层土壤含水率随时间的变化图
从图4可以看出，在研究时间内，在050cm范围内各层土壤容积含水率的变化动态基本一致，60100cm范围内各层土壤容积含水率的变化动态基本一致。从8月3日土壤水分接近48%，趋于饱和后，随着时间的推移，土壤容积含水率逐渐开始下降，如10cm处土壤体积含水量逐渐由最初的48%减低到25%。即开始时趋于平稳，后期变化趋势很激烈。此外，土层深度较浅时，10cm、20cm、30cm各土层土壤含水率由25%到48%之间的差异较大；土壤深度较深时，各土层土壤含水率之间的差异较小，基本在48%左右，趋于饱和。
目录
引言
引言：土壤水分作为联系降水—地表水—植物水的枢纽，是水资源的重要组成部分[15]。土壤墒情是直接反映农作物受旱状况的一项重要指标，也是分析旱情演变特征和开展抗旱灌溉的重要依据[611]。土壤水分在空间水平和垂直方向上都存在变异，现有的文献多以水平变异研究主，土壤剖面水分垂直方向变异研究较少[1215]。
土壤水分时空变异研究的发展，在一定程度上依赖于土壤水分动态监测技术的进步。土壤水分运移建模及预测预报是近代农业水土工程生产管理的重要依据。土壤水分运移建模及预测应用比较广泛的主要有引入随机变量的机理性模型、土壤水动力学模型法、时间序列分析模型、土壤水分平衡方程估算法、微波遥感技术估算法、人工神经网络预测的方法。土壤水分的垂直变化也属于空间变异的一个重要内容，土壤水分的收支随深度的变化具有明显的层次特征，根据各层土壤水分测定值的标准差和变异系数可以划分土壤水分的剖面层次[1619]。Biswas指出采样的土壤水分含量不仅在一个线性剖面上是正态分布的，在一个网格上也是正态分布的[30]。土壤表层与深层水分存在一定的关系，可以通过表层土壤水分的测定模拟预测深层土壤水分。因此研究土壤水分在垂直方向上的动态变化，利用表层土壤水分反演深层土壤水分，有助于根据土壤水分状况制定灌溉制度，可以为土壤水分的有效利用与动态调控管理提供决策依据与指导[2029]。
开展土壤剖面水分监测与垂向空间分布分析，对于研究不同壤层水分运动特征、作物需水规律、制定最佳灌溉时机及阈值提供信息源参考；研究不同壤层之间水分分布关系，为研制土壤剖
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
面水分传感设备以及节水灌溉装置提供理论依据。
1材料与方法
1.1试验设计
试验于2015年7月10月在南通市白蒲镇朱家桥村国家信息农业工程技术中心试验示范基地开展，试验小区面积为30m2，规格为5m×6m，试验点土壤为粉壤土。试验前期需在试验小区内安装好监测套管（图1），管长120cm，地上部为15cm，地下部为105cm，并保持密封。测试期间实验小区及时排水，即不保持水层。
图1试验小区监测套管
土壤墒情实行全日观测，每天测定各小区垂直剖面010cm、1020cm、2030cm、3040cm、4050cm、5060cm、6070cm、7080cm、8090cm、90100cm深度处的土壤容积含水率。为了准确掌握土壤增墒情况，灌溉前加测1次，灌溉后测土壤含水率变化过程，直至墒情变化稳定为止。
1.2 试验设备
土壤水分数据采集使用澳大利亚Sentek公司的Diviner2000便携式土壤墒情监测系统，测量精度为1％，能够自动的快速测量十个土层体积含水量。其由探测器(探头)、连接电缆、显示器及监测套管组成。
图2 Diviner2000便携式土壤墒情监测系统
1.3 数据分析
采用SPSS（Statistical Package for the Social Science）18.0软件对试验数据进行处理和统计分析，Origin9.1科技绘图及数据分析软件进行实验结果进行分析作图。
1.3.1土层土壤储水量计算
建立表层土壤水分与深层土壤水分之间的转换关系时，土壤水分采取土壤储水量的形式来表达，某一土层土壤储水量采用下式计算：
W=rh （1）
上式中，W为某一层土壤储水量，r为土壤容积含水率，h为土层厚度。规定为把1公升的水均匀覆盖到1平方米的土壤中，并且侵入厚度是1mm。单位图层中水分含量是1mm，对于此土壤层（仅仅指此层），则它的土壤体积水分含量就是1%。
1.3.2土壤水分的经验模型
土壤水分的经验模型即一元线性回归方程表达式：，其中称为常数，称为回归系数。
对于每一个真实的，其表达式为，是随机变量，是随机误差，由于的值不固定，从而使x和y呈现出不确定的关系。
1.3.3土壤水分的Biswas模型
Biswas等[30]提出了土壤水分随深度呈现非线性变化的趋势，给出了根据表层土壤水分确定深层土壤水分的估算模型：
（2）
上式中，为cm土层的土壤水分储量，为土壤表层cm土层土壤水分储量，、、为常数。
当且不趋于0时，，且令；当时，为常数。由（2）式可以得：
(3)
式（3）中，为简便起见，将记为，记为，则式（3）简化为：
（4）
2结果与分析
2.1土壤墒情垂直变化特征
2.1.1土壤含水率垂直分布特征
根据测试的实验结果，选择几次具有代表性的实验数据，绘制了土壤含水率在垂直剖面上的分布情况，如图3所示，图（a）（b）分别为8月份，9月份的实验数据绘制的土壤容积含水率在垂直方向上的分布图。
(a)8月 (a)9月
图3土壤容积含水率的垂直分布图
由图3可知，8月份与9月份土壤在垂直剖面上变化基本一致，随着土壤深度的变化，土壤容积含水率由最初的10%逐渐增长，发生较大的变化。050cm范围内，随着土壤土层深度的增加，土壤容积含水率都呈现出增加的趋势，50cm深度土壤体积含水率接近48%，趋于饱和；60100cm范围内，随着土壤土层深度的增加，土壤容积含水率变化不明显，基本在48%，处于饱和状态；主要原因是，试验小区所在区域为稻田，地下水位较高，补水能力明显。
2.1.2不同土层含水率随时间变化特征
图4所示为土壤0100cm土层范围内各土层土壤含水率随时间的变化动态图。
图4 不同土层土壤含水率随时间的变化图
从图4可以看出，在研究时间内，在050cm范围内各层土壤容积含水率的变化动态基本一致，60100cm范围内各层土壤容积含水率的变化动态基本一致。从8月3日土壤水分接近48%，趋于饱和后，随着时间的推移，土壤容积含水率逐渐开始下降，如10cm处土壤体积含水量逐渐由最初的48%减低到25%。即开始时趋于平稳，后期变化趋势很激烈。此外，土层深度较浅时，10cm、20cm、30cm各土层土壤含水率由25%到48%之间的差异较大；土壤深度较深时，各土层土壤含水率之间的差异较小，基本在48%左右，趋于饱和。
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