棉田温度探头的布设

在土壤水热及整个SPAC系统研究中，土壤温度是非常关键的因素，但目前土壤温度的观测基本采用埋设地温计人工读取的方法，在滴灌环境下，土壤的水热分布不均匀，研究土壤剖面的温度状况，需要埋设3～4组温度计（每组包括5～8支温度计），观测任务量非常大。因此，在覆膜滴灌棉田，通过棉花生长期不同阶段的根区土壤温度观测，根据相关性分析和聚类分析方法确定滴灌条件下棉花根区土壤温度的最优布设方法，合理地减轻科研工作量。

1材料与方法

试验于2010年5—10月在石河子大学节水灌溉试验站进行，试验站位于石河子市西郊石河子大学农试场二连，平均地面坡度6‰，年平均日照时间达2865h，大于10℃积温为3463．5℃，无霜期170d，多年平均降雨量207mm，平均蒸发量1660mm，地下水埋深大于10m。试验田土壤质地为中壤土，0～100cm土层的平均土壤体积质量和田间持水率（质量含水率）分别为1．58g／cm3和18．73％。

试验在大田中进行，采用膜下滴灌灌溉方式，种植模式为1膜2带4行（图1），供试棉花品种为惠远710，种植平均株距11cm。5月8日播种（干播湿出），5月20日出全苗，5月26日定苗，9月19日开始采摘。

全生育期共施尿素575kg／hm2，高效肥160kg／hm2，采用随水滴肥方式分6次施入，每次尿素和高效肥的用量分别为96kg／hm2和27kg／hm2，喷施缩节安化控4次。

膜下滴灌试验毛管采用迷宫式薄壁滴灌带，滴头流量2．8L／h，滴头间距30cm。试验区面积约0．1080hm2（18．5m×4．25m），由一条支管控制，系统运行时，用输水管上的调压阀调控压力，由水表读取灌水量。

采用曲管水银温度计观测棉花根区不同位置处0～20cm的土壤温度，测定深度分别为0、5、10、15、20cm，由插入式地温计观测40、60、80cm深处的地温。根据滴灌棉花种植模式，每个处理在膜下宽行（MF1）、膜下窄行（MF2）、膜边内侧（MF3）和膜外裸地（BF4）处共布置4组（每组观测深度包括0、5、10、15、20、40、60、80cm）地温计（图1）。每隔2～3d观测1次；在棉花不同生育时期选典型天气从08：00到22：00（间隔2h观测1次）观测地温日变化。

2结果与分析

2．1相关分析

图2为棉田边膜内侧（MF3）的日平均地温变化情况，MF1、MF2和BF4观测点不同深处土壤温度在棉花生育期内的变化趋势大致相同，从播种至6月中下旬（花蕾前期），各层土壤日平均温度呈升高趋势，之后又逐渐降低。表层地温（0cm）波动最大，随着土层深度的增加波动趋于平稳，40～80cm土层变幅最小。根据试验数据，同一观测点地表处温度最高，80cm处地温最低。不同深处日平均地温值在全生育期的变异数，在地表0cm处最大，均在20％左右，而地表下60cm和80cm处最小，都在10％左右，地表下5、10、15、20、40cm处地温变异系数为13．1％～18．8％。相关性分析（表1）表明，同一观测点相邻2个深度的地温相关系数均达到了0．9以上（20cm与40cm除外），这说明同一观测点可通过减少相关系数很强的相邻层次的土壤温度计探头，在不影响（或影响较小）观测结果的前提下可减少温度计探头，从而减轻试验任务量，同时还可以降低成本。因此，在观测点垂直剖面，可以通过某几个点的土壤温度，充分表达整个土壤剖面的温度情况。

2．2聚类分析

为了从同一观测点处8个不同土层温度数据中科学合理的选取最少的数据反映观测剖面的土壤温度，利用R型聚类法对各层土壤温度分类分析，最后得到一个按相似性大小聚结起来的谱系图（图3）。对2010年膜下滴灌试验在同一观测点的8个土层温度作为8个不同的变量，利用DPS软件对8个变量进行聚类分析，利用欧氏距离公式计算聚类距离，聚类方法选最短距离法。图3中横坐标代表地温变化量（℃），纵坐标代表观测点处的不同深度（cm）。MF1图表示，15cm和20cm土层的地温变量首先合并在一起，5cm和10cm处的地温变量也要首先合并，然后再分类逐层合并；对于膜下窄行（MF2）、膜边内侧（MF3）以及膜外裸地（BF2）的日平均地温，均为15cm与20cm土层的地温数据变量首先合并在一起，然后各地温数据变量再逐层合并。地温变量距离越小的二层土壤温度变化过程越相似，因此，在布设地温探头时可以首先考虑从变量距离小的二层中减掉一个。从图3也可看出，不同分类数目条件下各层土壤温度变量所归属的类别情况，以膜下宽行日平均地温数据变量归属为例，当分为2类时，0cm土层地温变量被归为第1类，可以代表土壤表面地温，5、10、15、20、40、60、80cm处的地温变量被归为第2类，可代表地表以下土壤温度状况；当分为3类时，0cm土层地温变量被归为第1类，代表土壤表面地温，5、10、15、20cm处的地温变量被归为第2类，可代表中间土层地温，40、60、80cm处的地温变量被归为第3类，可以代表深层土壤地温；以此类推，类别数目越多，归类越细，越能更精确的反映土壤剖面地温状况，但相应的工作量和地温传感器费用也相应大幅度增加，考虑到剖面地温的变幅，将地温变量分为4类较适宜，即土壤垂直剖面在0、5、15、40cm布设地温计探头较为适宜。

2．3剖面平均地温与各层地温的关系

在以上聚类分析中，得到的结论是0、5、15、40cm作为土壤剖面温度的关键观测点。视0、5、15、40cm地温平均值为土壤剖面的平均温度，并与0～80cm平均地温进行回归分析（共912对数据），取得了较好的线性关系：取4个观测位置的平均地温作为滴灌棉田的平均地温，根据式（1）计算各观测位置的平均地温，回归分析（228对数据）得到如下关系：

3结论

滴灌条件下，膜下宽行、膜下窄行、膜边内侧以及膜外裸地垂直方向上相邻相层土壤温度具有很好的相关性，相关系数都接接近或超过了0．9，说明垂直方向上某一层的土壤温度能较好的反映邻近层次的地温。相关分析以及聚类分析结果均表明，垂直方向上，利用0、5、15、40cm处4个层次的地温信息就能较好的反映同一观测点0～80cm土层的土壤地温。膜下宽行地表下0、5、15、40cm处可作为滴灌棉田土壤剖面地温探头埋设的最优位置。