基于Grid算法的棉田雨后土壤水分時(shí)空變化特征研究

劉帥，崔愛花，孫巨龍，白志剛，胡啟星，楊北方，熊世武，聶太禮*

（1.江西省棉花研究所，江西 九江 332105；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽 455000）

長江流域棉區(qū)作為我國棉花主產(chǎn)區(qū)之一，在棉花生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。棉花是一種耐旱型作物，雖然對短期的澇害有一定的抗性，但會受到長期澇害脅迫的嚴(yán)重影響[1]。長江流域棉區(qū)棉花花鈴期正處于夏季高溫多雨階段，因此澇漬災(zāi)害在花鈴期頻發(fā)。澇漬災(zāi)害會在一定程度上加劇棉花膜脂過氧化進(jìn)程[2]，降低葉片中抗氧化酶的活性，進(jìn)而影響光合作用[3-7]。近年來，澇漬災(zāi)害成為影響該流域棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一[8-9]。

對于淹水后棉株的生理變化已有諸多報(bào)道：楊長琴等[10]發(fā)現(xiàn)在漬水后14d，棉鈴生物量累積增長速率降低；王曉森等[11]通過對棉花苗期、蕾期和花鈴期分別進(jìn)行淹水處理發(fā)現(xiàn)，株高和葉面積顯著小于對照。棉田淹水會直接導(dǎo)致土壤含水量的變化，但目前對于淹水后棉田土壤水分的變化特征卻少有報(bào)道；因此，開展長江流域棉區(qū)雨后棉田土壤水分變化規(guī)律的研究，對于及時(shí)制定雨后降漬排澇方案和棉花災(zāi)后補(bǔ)救措施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)所用品種為中棉425[12]，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供。

田間雨后取樣試驗(yàn)于2020年在江西省棉花研究所試驗(yàn)基地（江西省九江市，115°51′E，29°42′N）棉田進(jìn)行。2020年7月1－29日降水量為414.8mm，7月29日當(dāng)天降水量為11.8mm，2020年7月30日－8月9日無降水。該地土壤類型為壤質(zhì)灰潮土，耕作表層有機(jī)質(zhì)含量為1500mg·kg－1，全氮含量為1070mg·kg－1，速效磷含量為60mg·kg－1，速效鉀含量為251mg·kg－1。耕作制度為多年棉花連作，冬季空閑。棉花播種密度為6.0×104株·hm－2，等行距種植，行距約為80cm，株距約為22cm，田間管理方法與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取7月30日―8月9日棉田土壤含水量為研究對象，該時(shí)間段日照時(shí)間為92.97h，日平均氣溫31.33℃，日均相對濕度75.02%；采用網(wǎng)格法進(jìn)行取樣，即選具有代表性的2行棉花分別為橫向起止點(diǎn)，每隔20cm設(shè)置取樣點(diǎn)，在棉行橫向0～80cm內(nèi)向土層下方每隔20cm設(shè)置縱向取樣點(diǎn)，以A、B、C、D、E和a、b、c、d、e的不同組合表示不同取樣點(diǎn)位置，A、B、C、D、E分別代表橫向距離0、20、40、60、80cm處位置，a、b、c、d、e分 別代表縱向 距離10、30、50、70、90cm處位置，因此，取樣點(diǎn)共有Aa、Ab……De、Ee組合25個(gè)（圖1-I）。采用TM5-SDI 12土壤濕度傳感器（大連祺峰科技有限公司）進(jìn)行土壤含水量測定，于7月30日－8月9日每隔6h測定1次，共測定44次。

為觀察不同土壤區(qū)域土壤含水量整體變化情況，以縱向距離每20cm為1層劃分出10～30cm、30～50cm、50～70cm、70～90cm4塊土層（圖1-II）；將橫向0～20cm和60～80cm處區(qū)域（即棉行兩側(cè)20cm內(nèi)）作為棉行區(qū)域，而20～60cm處區(qū)域視為行間區(qū)域（圖1-III）。

圖1 取樣點(diǎn)布置與空間區(qū)域劃分

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

將取樣點(diǎn)外的數(shù)據(jù)運(yùn)用克里金法（Kriging）補(bǔ)充[13]，依據(jù)取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)空區(qū)域含水量時(shí)，采用Surfer13辛普森3/8方法[14]；在計(jì)算土壤水分在一段時(shí)間內(nèi)的降幅時(shí)，采用Liu等[15]的計(jì)算方法，其 中 各 位 點(diǎn) 數(shù) 據(jù) 計(jì) 算 公 式 為：CGrid（x，y）＝AGrid（x，y）－BGrid（x，y）。式中，x、y分別為橫向和縱向坐標(biāo)，AGrid（x，y）、BGrid（x，y）分別為坐標(biāo)（x，y）處不同時(shí)間該取樣點(diǎn)土壤含水量，CGrid（x，y）為A點(diǎn)與B點(diǎn)土壤含水量差值。最后通過Surfer13進(jìn)行土壤含水量統(tǒng)計(jì)分析，直觀地查看不同維度截面土壤含水量變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨后棉田土壤含水量靜態(tài)變化

由圖2可以看出，雨后棉田土壤含水量整體呈降低趨勢。雨后5d和10d時(shí)，在縱向距離10～50cm內(nèi)，棉田土壤含水量在同一深度不同橫向距離間差異較小。雨后0d時(shí)，10～40cm土層范圍內(nèi)不同橫向距離土壤含水量分布差異較大，這可能與長江流域棉田整地方式有關(guān)。在雨后0、5、10d，縱向距離10～30cm的表層土壤含水量分別為0.36～0.43m3·m－3、0.28～0.41m3·m－3、0.23～0.35m3·m－3，縱向距離50～90cm的深層土壤含水量分別為0.43～0.53m3·m－3、0.42～0.52m3·m－3、0.38～0.54m3·m－3（圖2）。

圖2 不同時(shí)間土壤含水量靜態(tài)變化

由圖3a可知，在雨后0～5d，縱向距離10～30cm內(nèi)土壤含水量降幅較大，在0.01～0.10m3·m－3，縱向距離50～90cm內(nèi)土壤含水量降幅較小，在0.01m3·m－3以下；在土壤表層10cm處，橫向距離0、40cm處土壤含水量分別降低了0.07、0.10m3·m－3，在縱向距離30cm處，橫向距離40cm處土壤含水量降低了0.05m3·m－3，降幅較大。在雨后5～10d，土壤含水量降幅在縱向距離10～30cm內(nèi)為0.05～0.09m3·m－3，在縱向距離50～90cm內(nèi)為0.01～0.06m3·m－3；在土壤表層10cm處，橫向距離0、40cm處土壤含水量分別減少0.09、0.05m3·m－3（圖3b）?？梢缘贸觯谟旰?d中，淺層（縱向距離10～30cm）土壤含水量下降較快，而在雨后5～10d，縱向距離10～50cm的土壤含水量降幅較大（圖3）。

圖3 不同位點(diǎn)土壤含水量變化

2.2 雨后不同位點(diǎn)土壤含水量動態(tài)變化

棉田不同深度土壤含水量不同，同時(shí)隨雨后時(shí)間變化也有差別。

在棉行（橫向0cm）處，不同縱向距離位點(diǎn)土壤含水量呈不斷降低趨勢（圖4a）。其中：Aa土壤含水量變化呈開口向上的平緩拋物線形（R2＝0.9914），Ab、Ac土壤含水量與雨后時(shí)間的增加呈線性負(fù)相關(guān)（R2Ab＝0.9835、R2Ac＝0.9584），且Aa斜率較Ab大，Aa位點(diǎn)土壤含水量降低速率較大；Ac、Ad、Ae土壤含水量在雨后1～11d內(nèi)降幅較小，僅分別降低了0.06m3·m－3、0.01m3·m－3和0.04m3·m－3。

在棉花行間（橫向距離40cm）處，雨后1d時(shí)，不同縱向距離位點(diǎn)土壤含水量差異較小；但隨著雨后時(shí)間的延長，縱向距離越小的位點(diǎn)土壤含水量下降越快（圖4b）。其中：Ca、Cb位點(diǎn)土壤含水量變化呈開口向上的拋物線形（R2Ca＝0.9897、R2Cb＝0.9862），Ca位點(diǎn)土壤含水量在雨后8d時(shí)降至0.23m3·m－3，且在雨后8～11d內(nèi)均在0.22～0.23m3·m－3范圍內(nèi)；Cc位點(diǎn)土壤含水量在雨后0～6d內(nèi)變化不大，在雨后6～11d隨時(shí)間增加呈不斷降低趨勢，并呈開口向上的拋物線形（R2＝0.9733）；Cd、Ce位點(diǎn)土壤含水量在雨后1～11d內(nèi)變化均較小，僅降低了0.01m3·m－3。

圖4 不同縱向距離位點(diǎn)土壤含水量與雨后時(shí)間關(guān)系

2.3 雨后不同區(qū)域土壤含水量動態(tài)變化

以選定的棉田土壤橫向0～80cm、縱向10～90cm區(qū)域?yàn)檎w可以看出，棉田整體土壤含水量與雨后時(shí)間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＝0.9976）。在1～11d內(nèi)土壤含水量降低了0.08m3·m－3（圖5）。

圖5 雨后棉田整體土壤水分隨時(shí)間變化

在不同縱向距離區(qū)域，各土層土壤含水量均隨雨后時(shí)間的增加逐漸降低，變化曲線呈不同開口方向的拋物線形，同一時(shí)間縱向距離較大土層土壤含水量高于縱向距離較小土層；10～30cm土層在前期土壤含水量降低較快，后期降低略慢，其他土層與之相反，50～70cm、70～90cm土層在雨后6d內(nèi)土壤含水量幾乎不變，雨后6～11d內(nèi)分別降低約0.03m3·m－3、0.01m3·m－3；10～30cm、30～50cm土層土壤含水量在雨后1～11d內(nèi)分別降低了0.16m3·m－3、0.10m3·m－3（圖6a）。

由圖6b可看出，棉行與行間區(qū)域土壤含水量均隨雨后時(shí)間的增加呈現(xiàn)出較強(qiáng)的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，雨后相同時(shí)間棉行土壤含水量高于行間；在雨后1～11d內(nèi)棉行與行間土壤含水量均降低了0.08m3·m－3，這與棉田整體區(qū)域土壤含水量降低趨勢一致。

圖6 不同區(qū)域土壤含水量隨雨后時(shí)間的變化

3 討論與結(jié)論

棉花對雨水澇害脅迫適應(yīng)能力較差[1]。目前關(guān)于土壤地表水分含量分布與變化的研究較多，如賈燕等[16]利用CYGNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤濕度的預(yù)測和估計(jì)，Brocca等[17]利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)反演土壤含水量，這都適用于宏觀的土壤表層濕度統(tǒng)計(jì)分析。然而，目前對于土壤深層含水量變化特征的研究鮮見報(bào)道。本研究基于空間網(wǎng)格取樣法將棉田10～90cm土壤含水量進(jìn)行時(shí)間與空間的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)表層土壤含水量隨雨后時(shí)間的延長遵循相關(guān)回歸模型，并保持較高的R2。宋學(xué)貞等[18]在黃河流域的研究發(fā)現(xiàn)，淹水后9d土壤表層0～20cm含水量降低至對照水平；本研究得出10～30cm表層土壤含水量在雨后1～11d降低了0.16m3·m－3，但更深層70～90cm土壤含水量在雨后1～11d內(nèi)變化較小，這可能與前期梅雨季節(jié)降水量較大造成的地下水位升高有關(guān)。

本研究運(yùn)用Grid算法分析了棉田土壤含水量的時(shí)空變化特征，并全面分析了棉田不同區(qū)域土壤含水量的變化特征。可以看出，長江流域棉田在雨后一定時(shí)期內(nèi)不同空間位點(diǎn)的土壤含水量呈現(xiàn)出不同的降低趨勢：在棉行區(qū)域，表層10cm土壤含水量降低速率隨雨后時(shí)間延長由高向低變化，30～50cm土壤含水量呈現(xiàn)線性降低趨勢；在棉花行間，表層10～30cm土壤含水量降低速率隨雨后時(shí)間延長由高向低變化；不同橫向位置處，70～90cm土壤含水量在雨后1～11d內(nèi)變化均較小。本研究分析了長江流域棉田土壤含水量在雨后的變化情況，可為生產(chǎn)中制定降漬排澇措施提供依據(jù)，以便及時(shí)進(jìn)行棉花災(zāi)后補(bǔ)救。