一种基于趋势检验的农田土壤压实层深度判断方法技术

本发明专利技术涉及一种基于趋势检验的农田土壤压实层深度判断方法，属于土壤信息采集领域。基于趋势检验的农田土壤压实层深度判断方法，通过应用土壤穿透阻力，采用M‑K趋势检验判断穿透阻力的突变点，从而确定农田土壤压实层出现的深度。本发明专利技术的应用结果表明：农田土壤的压实层出现的深度在15cm～20cm之间，结果与土壤容重的变化规律一致。但较传统方法而言，本发明专利技术更适合用于大尺度的田间调查，对农田土体结构破坏较小，数据获取手段灵活，减少了田间的工作量，且所得结果较为客观，是一种更为简便、快捷的定量化研究方法，可应用于大尺度条件下的区域农田耕层结构调查和数据采集。

A Method for Determining the Depth of Compacted Layer of Farmland Soil Based on Trend Test

【技术实现步骤摘要】
一种基于趋势检验的农田土壤压实层深度判断方法
本专利技术涉及旱作农田耕层结构及其空间变化特征的定量化描述，属于土壤信息采集领域。
技术介绍
在农田土壤中，由于压实的作用导致在耕作层下形成了不同程度的压实层，从而直接影响到土壤物理性状和作物根系的穿插。诸多研究已经表明，土壤压实会导致土壤的大孔隙减少、渗透率下降以及容重的增大，此外，还会影响作物的根系延伸及形态变化。造成土壤压实的主要原因是田间长期、高强度的农业机械碾压，同时还与土壤质地、含水量及耕种制度有关。目前，土壤容重、总孔隙度、电导率等物理指标被认为可以用于判断土壤压实程度和压实层的位置，但这些指标均在田块尺度上应用较多，且需要田间取样进行室内分析，会对农田土壤的物理条件及作物生长造成一定的破坏；而在大尺度的调查中，更需要一种快速、简捷地判断方法。更重要的是，土壤压实是一个比较复杂的过程，由于其过程的不可见性和持续性导致其是一种较难定量化判断的土壤物理结构恶化类型之一。土壤穿透阻力是对土壤物理结构变化的敏感指标，它能够反映出土壤压实程度在土壤剖面的连续变化特征，且已有科研人员在田块尺度将其应用于寻找压实层的位置，但还没有具体的定量化判断压实层的位置及厚度的方法，而在大尺度田间土壤信息调查中却是十分亟需提出一种类似的定量化判断方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于穿透阻力在土壤剖面的连续性变化，采用序列数据趋势检验的方法识别穿透阻力的突变点，从而实现定量化判断压实层出现的位置。本方法简单易行，在大尺度农田土壤调查中是一种有效的方法。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于趋势检验的农田土壤压实层深度判断方法，包括如下步骤：步骤1：获取土壤穿透阻力数据。针对田间土壤，采用手持贯入式紧实度仪沿垂直方向匀速缓慢贯入，获取不同深度的土壤穿透阻力数值，组成穿透阻力的原始数据序列。步骤2：建立计算模型判断土壤穿透阻力在垂直方向上的突变点；将步骤1获取穿透阻力的原始数据序列导入计算模型；通过计算模型识别出穿透阻力发生突变点的序列。具体计算方法如下：步骤2.1：为了消除穿透阻力数据序列自相关性的影响，确保其独立性，首先需要对原始数据序列进行去趋势处理，实现趋势成分和非趋势成分的有效分离。本方法中采用一阶差分法对原始数据序列进行去趋势处理：其中Yt是一个不含趋势量的新序列，Xt是穿透阻力的原始数据序列，Tt则是原序列的趋势序列。步骤2.2：应用非参数Mann-Kendall(M-K)趋势检验识别原始数据序列中的突变点；设原序列的趋势序列T1，T2，T3，…,Tn-1，mi表示第i个样本Ti的累积数，同时定义统计量tj为：其中，1≤i≤n-1,1≤k≤i；在原序列独立的假设下，统计量tj的均值和方差分别为：并将以上公式的tj标准化，得到：之后，组成一条U(t)曲线，通过信度检验可得出其是否有明显的变化趋势。把此方法应用于到反序列中，计算得到另一条曲线U′(t)，则两条曲线交点确定为突变点。Z值为穿透阻力的标准化值，如果交点在置信区间(-1.96<Z<1.96)内，表示该点在本数据序列中突变显著，反之，说明突变不显著。步骤3：将确定发生突变点的序列顺序转换为相应的土层深度，并将相应的穿透阻力数值与之对应，最终得到采样点土壤压实层的深度及其压实程度，并基于软件绘制出区域农田土壤压实层空间分布图。在上述方案的基础上，步骤1所述的获取土壤穿透阻力数据前将农田地表周围尽量整治平整，以免周边障碍物对声波反射的影响；测量者的脚与探针的距离至少是15cm，以保证声波传感器测量结果的准确性；各样地测量3次重复，并取平均值。在上述方案的基础上，所述手持贯入式紧实度仪包括SC-900数显式土壤紧实度仪，以每增加2.5cm为间隔读取测量结果；在上述方案的基础上，所述手持贯入式紧实度仪可以配合GPS使用。在上述方案的基础上，步骤1所述贯入的深度应大于20cm,优选大于40～50cm。在上述方案的基础上，步骤3所述软件包括ArcGIS。与现有判断压实层的方法相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术基于穿透阻力的数据，采用M-K趋势检验判断其突变点，从而定量化判断压实层的深度。较传统的通过田间挖取剖面观察的方法而言，该方法更适合用于大尺度的田间调查，对农田土体结构破坏较小，数据获取手段灵活，减少了田间的工作量，且所得结果较为客观。附图说明本专利技术有如下附图：图1为实施例1典型黑土区土壤穿透阻力突变检验示意图；图2为实施例2典型黑土区土壤穿透阻力突变检验示意图；图3为实施例3黑钙土区土壤穿透阻力突变检验示意图；图4为实施例4潮土区土壤穿透阻力突变检验示意图；图5为实施例5棕壤区土壤穿透阻力突变检验示意图；图6为多案例集成的区域农田土壤压实层深度分布图；具体实施方式下面结合附图1～6对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。在此需要特别说明的是，对于这些实施例的说明主要用于帮助理解本方法，并不构成对本方法的限制。实施例中的实验数据使用以下仪器及分析方法获得：(1)土壤穿透阻力数据：使用SC-900数显式土壤紧实度仪测量土壤紧实度，以每增加2.5cm为间隔读取测量结果，配合GPS绘制土壤穿透阻力垂直变化图，以贯入深度40cm为例。表1SC-900数显式土壤紧实度仪深度测量表(2)突变点识别采用M-K趋势检验法：穿透阻力数据序列采用一阶差分法做去除趋势处理，穿透阻力数据序列的M-K趋势检验使用R语言编程，自动输出突变点的深度。(3)紧实层空间分布制图：应用ArcGIS空间分析对结果进行可视化。实施例中所使用的其他材料和设备均为市售而得。实施例1选取黑龙江省哈尔滨市宾县典型黑土区的农田试验样地，测试地点位于127.55°E，45.65°N，田块多年玉米连作，0～40cm各土层土壤质地均为粉质壤土。0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40cm土壤容重分别为1.33gcm-3、1.56gcm-3、1.45gcm-3和1.41gcm-3，各层土壤含水量分别为19.26％、20.21％、19.56％和23.31％。测量之前将农田地表周围尽量整治平整，以免周边障碍物对声波反射的影响；测量者的脚与探针的距离至少是15cm，以保证声波传感器测量结果的准确性。各样地测量3次重复，并取平均值。将穿透阻力的数据导出绘制垂直空间变化图，并应用趋势检验判断穿透阻力数据序列的突变点，从而确定压实层出现的深度。结果如图1所示，在测试样点17.50cm深度开始出现压实层。实施例2选取吉林省四平市公主岭典型黑土区的农田试验样地，测试地点位于125.18°E，43.65°N，田块多年玉米连作，0～40cm各土层土壤质地均为粉质壤土。0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40cm土壤容重分别为1.40gcm-3、1.60gcm-3、1.57gcm-3和1.54gcm-3，各层土壤含水量分别为19.56％、15.89％、12.54％和18.19％。依照实施例1中的方法对样点进行平整，并应用相同的方法确定压实层的位置。穿透阻力变化及突变点如图2所示，结果表明该典型黑土区农田测试样点压实层出现的深度为20cm。实施例3选取吉林省白城市黑钙土试验样地，试验地点位于122.62°E，45.63°N，田块多年玉米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于趋势检验的农田土壤压实层深度判断方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取土壤穿透阻力数据：针对田间土壤，采用手持贯入式紧实度仪沿垂直方向匀速缓慢贯入，获取不同深度的土壤穿透阻力数值，组成穿透阻力的原始数据序列；步骤2：建立计算模型判断土壤穿透阻力在垂直方向上的突变点；将步骤1获取穿透阻力的原始数据序列导入计算模型；通过计算模型识别出穿透阻力发生突变点的序列；具体计算方法如下：步骤2.1：采用一阶差分法对原始数据序列进行去趋势处理：

【技术特征摘要】
1.一种基于趋势检验的农田土壤压实层深度判断方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取土壤穿透阻力数据：针对田间土壤，采用手持贯入式紧实度仪沿垂直方向匀速缓慢贯入，获取不同深度的土壤穿透阻力数值，组成穿透阻力的原始数据序列；步骤2：建立计算模型判断土壤穿透阻力在垂直方向上的突变点；将步骤1获取穿透阻力的原始数据序列导入计算模型；通过计算模型识别出穿透阻力发生突变点的序列；具体计算方法如下：步骤2.1：采用一阶差分法对原始数据序列进行去趋势处理：其中Yt是一个不含趋势量的新序列，Xt是穿透阻力的原始数据序列，Tt则是原序列的趋势序列；步骤2.2：应用非参数Mann-Kendall趋势检验识别原始数据序列中的突变点；设原序列的趋势序列T1，T2，T3，…,Tn-1，mi表示第i个样本Ti的累积数，同时定义统计量tj为：其中，1≤i≤n-1,1≤k≤i；在原序列独立的假设下，统计量tj的均值和方差分别为：并将以上公式的tj标准化，得到：之后，组成一条U(t)曲线，通过信度检验得出其是否有明显的变化趋势；并应用于到反序列中，计算得到另一条曲线U′(t)，两条曲线交点确定为突变点；Z值为穿透阻力的标准化值，如果交点在置信区间内，表示该点在...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄元仿，卓志清，曹梦，兴安，李勇，赵云泽，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11