大尺度區(qū)域控制灌溉水稻需水量的空間變異分析

郭龍勝，周光濤

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 引言

控制灌溉處理為只有當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的土壤水分在達(dá)到下限土壤含水量時(shí)，才能灌水至上限，灌水后田面不保留水層。遇降大雨，田間可蓄雨水(分蘗后期除外)，但蓄水不超過(guò)50 mm。控Ⅰ區(qū)完全按控灌標(biāo)準(zhǔn)灌水，控Ⅱ區(qū)在遇低溫冷害(返青期最低溫度降至3℃以下，拔節(jié)孕穗期最低溫度低于15℃)時(shí)灌水保溫，田間保留與常規(guī)灌溉相同的水層。該方法在黑龍江已大面積推廣應(yīng)用，具體指標(biāo)如下:

表1 控灌水稻生育階段根層土壤水分控制標(biāo)準(zhǔn)

以往研究結(jié)果表明，不論在大尺度上還是在小尺度上，控制灌溉水稻需水量均表現(xiàn)為高度的空間異質(zhì)性現(xiàn)象。控制灌溉水稻需水量空間分布的異質(zhì)性，降低了需水量分布狀態(tài)的可預(yù)知性，增加了水稻需水量研究時(shí)取樣點(diǎn)設(shè)置的難度。在進(jìn)行需水量研究時(shí)，經(jīng)常采用的方式是增加取樣點(diǎn)的數(shù)目，但此時(shí)面臨的兩個(gè)突出問(wèn)題是如何量化取樣點(diǎn)的數(shù)目以及如何進(jìn)行空間取樣點(diǎn)的布設(shè)。理想的方法是無(wú)限制的增加取樣點(diǎn)數(shù)目直至把研究系統(tǒng)的全部需水量測(cè)出，此法的操作性很差，但能否采用一種類(lèi)似于空間上無(wú)限取樣的方法，利用有限的取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合取樣點(diǎn)位置的信息較合理的對(duì)需水量進(jìn)行估測(cè)?地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的克里格內(nèi)插法結(jié)合定積分的方法可能為解決此類(lèi)問(wèn)題提供幫助，克里格內(nèi)插法是一種類(lèi)似于空間上無(wú)限增加取樣點(diǎn)數(shù)目的方法。它是以區(qū)域化變量理論(需水量可作為區(qū)域化變量)為基礎(chǔ)，利用變異函數(shù)分析結(jié)果提供的空間結(jié)構(gòu)信息，依據(jù)待估樣點(diǎn)周?chē)殉闃訙y(cè)定的數(shù)據(jù)，充分考慮待估點(diǎn)與鄰近樣點(diǎn)的空間位置關(guān)系，對(duì)空間上未取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的方法。本文針對(duì)克里格內(nèi)插法的估測(cè)值所進(jìn)行的檢驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠用于進(jìn)行水稻全省范圍內(nèi)未取樣點(diǎn)位置處的需水量的估計(jì)。為了得到研究區(qū)的需水量，利用克里格插值方法所估計(jì)出的各個(gè)空間位置處的需水量(均為離散變量)，通過(guò)建立空間位置坐標(biāo)與需水量之間的相關(guān)方程，發(fā)現(xiàn)對(duì)二者之間關(guān)系擬合程度最高的方程為線(xiàn)性模型，利用該模型，采用定積分的方法(積分區(qū)間為計(jì)算單元的大小)從而求出不同控制灌溉模式水稻的需水量。

2 變異函數(shù)理論模型最優(yōu)擬合

根據(jù)理論變差函數(shù)曲線(xiàn)的擬合情況及有關(guān)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果，選擇適當(dāng)?shù)陌胱儺惡瘮?shù)模型、直到得出理想的理論變差函數(shù)為指數(shù)函數(shù)，模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 控制灌溉需水量理論變差函數(shù)檢驗(yàn)

對(duì)需水量所進(jìn)行的理論模型擬合結(jié)果表明模型最低擬合決定系數(shù)R2=0.8935，擬合程度很好。控灌1和控灌2水稻需水量空間分布均達(dá)到顯著水平，空間變異性明顯。其空間變異模型系數(shù)見(jiàn)表3。

由于符合指數(shù)模型，需水量空間自相關(guān)范圍是模型范圍參數(shù)，因此控灌1和控灌2水稻需水量空間自相關(guān)范圍分別是29.10 m和29.14 m。

3 水稻控制灌溉需水量空間插值

3.1 控制灌溉水稻需水量克里格插值結(jié)果檢驗(yàn)

利用研究區(qū)內(nèi)7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的需水量實(shí)測(cè)數(shù)值，驗(yàn)證半方差分析基礎(chǔ)上所進(jìn)行的克里格插值方法對(duì)該區(qū)域水稻需水量的估計(jì)效果。非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的成對(duì)樣本的符號(hào)檢驗(yàn)結(jié)果表明，控灌1條件下7個(gè)采樣點(diǎn)各自對(duì)角線(xiàn)下方10 000m×10 000m樣方內(nèi)的需水量的估測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)值之間差異不顯著，表明克里格插值方法能夠用于對(duì)控制灌溉1水稻需水量的估計(jì)，而對(duì)控灌2克里格可能不是適當(dāng)?shù)牟逯捣椒ā?/p>

表3 控制灌溉需水量空間變異系數(shù)

表4 控制灌溉水稻需水量克里格插值檢驗(yàn)

3.2 控制灌溉水稻需水量的克里格估計(jì)

由表5可以看出，對(duì)于控灌2，依據(jù)樣地內(nèi)所有取樣點(diǎn)(n=7)的需水量的平均值所換算出的每公頃水稻田表層需水量之間存在較大的差異(最大為17.71 mm/hm2)，而控灌1在此方面卻存在較小的差異(最大為17.46 mm/hm2)，說(shuō)明隨著取灌溉模式的不同，水稻需水量的估計(jì)值之間也存在一定的誤差。

本研究根據(jù)7處不同的試驗(yàn)點(diǎn)，在整塊樣地范圍內(nèi)各空間位置處的估測(cè)值與其相應(yīng)坐標(biāo)之間的關(guān)系，采用線(xiàn)性模型能較好的擬合，說(shuō)明指數(shù)模型能反映需水量估測(cè)值與其空間位置之間的關(guān)系。控制灌溉水稻需水量的克里格插值方法估測(cè)結(jié)果表明，控灌1的需水量估測(cè)值與全部樣點(diǎn)平均值所推算出的需水量相差較大，說(shuō)明對(duì)于控灌1，說(shuō)明7個(gè)取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)可能未能正確反映水稻的需水量，需要繼續(xù)增大取樣點(diǎn)的數(shù)目。控灌2克里格插值方法估測(cè)結(jié)果與全部樣點(diǎn)平均值所推算出的結(jié)果較近似，7處取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)已能較為準(zhǔn)確的反映水稻的需水量。

表5 控制灌溉水稻需水量克里格插值殘差分析

4 黑龍江省水稻控制灌溉需水量空間變異性分析

5 結(jié)論

以上2種灌溉模式的水稻需水量的變異函數(shù)曲線(xiàn)理論模型均為指數(shù)模型，空間變異主要是由結(jié)構(gòu)性因素引起，且空間自相關(guān)程度均屬中等以上。控灌1、控灌2水稻需水量的空間變異尺度分別為4.17和5.56 m;非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的成對(duì)樣本符號(hào)檢驗(yàn)結(jié)果表明，變異函數(shù)分析結(jié)果基礎(chǔ)上的克里格內(nèi)插法適用于水稻需水量的估計(jì)。利用此估計(jì)值，擬合其與位置坐標(biāo)值之間的關(guān)系均為線(xiàn)性模型;在本次調(diào)查的范圍內(nèi)，控灌2條件下水稻需水量與實(shí)測(cè)值近似相等(p=0.22)，空間關(guān)聯(lián)緊密;采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的克里格空間插值，結(jié)合線(xiàn)性回歸和定積分的方法，可以實(shí)現(xiàn)水稻需水量的準(zhǔn)確估計(jì)。

圖1 控灌1水稻需水量空間分布圖

圖2 控灌2水稻需水量空間分布圖

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