本发明属于农业水土工程技术领域，具体而言，涉及一种地面灌溉适宜试验小区确定方法。
背景技术：
在农业水土领域，为了解决大田作物在实际生产中的问题，采用小区试验是科学研究的常规做法，即首先需要划分试验小区，试验小区的面积、形状及重复次数是决定其试验结果是否具有代表性的基础。
地面灌溉条件下，土壤水分空间变异性剧烈，加之作物、土壤质地、微气候异质性的影响，这对灌溉试验中的小区布设、土壤及作物水分状况监控、不同空间尺度耗水测定等提出了很高的要求。
但是，各地节水灌溉试验小区标准不统一，其研究结果代表性、可比性差，不同来源的数据标准化、同化方法欠缺，试验成果与生产实践搭接不充分等问题也日益凸显。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种地面灌溉适宜试验小区确定方法，针对现有地面灌溉条件下试验小区规格差异较大，试验结果代表性、可比性较差等问题进行改善，有利于灌溉试验标准化的推广与农业数据信息化的发展。
本发明的实施例是这样实现的：
基于上述目的，本发明的实施例提供了一种地面灌溉适宜试验小区确定方法，包括:
准备步骤:选取试验区，试验区四周起垄并灌水处理；
测定步骤：划分所述试验区为多个单元，记为基础单元格，在每个所述基础单元格中获取土壤样品，测定所述土壤样品中的土壤含水率；
整理步骤：将每个基础单元格测定的土壤含水率根据所处试验区的空间位置整理，对相邻基础单元格进行多种组合且标记为处理，计算不同处理下面积及其对应的土壤含水率，分别计算基础单元格和各处理的土壤含水率变异系数；
获取结果：以基础单元格和各处理面积为横坐标，对应变异系数为纵坐标，绘制散点图，采用幂函数对各点进行拟合，获得第一方程式；连接基础单元格对应变异系数点和组合最大处理对应变异系数点，拟合获得第二方程式，保持第二方程式斜率不变进行平移，获取与第一方程式相切的切线，切点处横坐标即为灌溉试验小区适宜处理面积。
在本发明的可选实施例中，所述试验区的面积大于或等于300m2，所述试验区的宽度尺寸大于或者等于5米，所述试验区的长宽比大于4:1。
在本发明的可选实施例中，所述试验区四周的垄高大于灌水处理时水流的高度，所述试验区内起低垄，所述低垄的高度小于四周起垄的高度。
在本发明的可选实施例中，所述测定步骤中，采用插杆方式划分试验区为每平方米为一个基础单元格，在每个基础单元格的中心获取厚度为100厘米的土壤样品，从上向下依次分为多层，将多层土壤样品分别放入铝盒中，采用烘干法测定每层土壤样品的土壤含水率，根据平均法获取每个基础单元格土壤样品的土壤含水率。
在本发明的可选实施例中，根据公式1计算变异系数：
其中，x1，x2......,xn为相同面积下，对应的各处理土壤含水率；stdev代表计算各土壤含水率方差；average代表计算各土壤含水率平均值。
在本发明的可选实施例中，采用基础单元格的土壤含水率数值计算的变异系数为Cv1。
在本发明的可选实施例中，所述获取结果步骤中，以基础单元格和处理面积为横坐标，对应的土壤含水率变异系数为纵坐标，绘制散点图；
采用幂函数进行拟合，获得第一方程式：Cv＝a·Sb。
在本发明的可选实施例中，连接基础单元格对应变异系数点与组合最大处理面积对应变异系数点，拟合获取第二方程式：
y＝k·x+c
其中，k为直线斜率，保持直线斜率k不变，平移直线或做第二方程式直线的平行线，使其与第一方程式的曲线相切。
在本发明的可选实施例中，所述处理为单处理。
在本发明的可选实施例中，所述处理、重复次数大于等于2时，根据公式2获取试验小区适宜面积：
其中，xr为重复下试验小区面积；r为重复数；d指期望通过试验检测出的处理间真实差异；t1为显著水平α对应的t值，取α＝0.05；t2指2(1-p)对应的t值，p指试验处理间真实差异能被鉴别出的概率，取p＝80％；a、b为第一方程式Cv＝a·Sb中的参数。
本发明实施例的有益效果是：
通过该方法能够科学、合理的确定地面灌溉条件下，不同处理、重复次数下，试验小区面积、规格等数据，所得结果既能满足试验精度要求，又能减少不必要的人财物投入，对未来灌溉试验的标准化推广和数据的包容性具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的地面灌溉适宜试验小区确定方法的拟合方程式图；
图2为本发明提供的地面灌溉适宜试验小区确定方法中试验例划分单元的空间分布示意图；
图3为本发明提供的地面灌溉适宜试验小区确定方法中试验例的拟合方程式图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例
本发明针对现有地面灌溉条件下，试验小区规格差异较大，试验结果代表性、可比性较差等问题进行改善，特提出一种地面灌溉适宜试验小区的确定方法，有利于灌溉试验标准化推广以及农业数据信息化的快速发展。
本发明实施例提供的地面灌溉适宜试验小区的确定方法，包括以下步骤：
准备步骤:根据试验区实际情况，首先选择较大面积的试验小区，可选的，选取的试验区面积大于或等于300m2，在试验区的四周起垄，并灌水处理，其中起垄的高度是以灌水后水不漫流为基准。
可选的，试验小区的试验区形状为长方形，其宽度尺寸大于或者等于5米，试验区的长宽比大于4:1，有利于后续单元的划分，满足一定的样本数量，从而保证后期整理数据的准确性。
可选的，试验区四周起垄，为了保证顺利灌水且不随意漫流，故满足上述目的的条件下，一般情况下，试验区四周的垄高大于或者等于20厘米。
为了确保一定的灌水水流推进速度，使得相应灌水定额内水流推进至地尾，从而保证全部的试验小区被均匀灌水，可选的，试验区内起1-2个低垄，即在四周起垄的内部起低垄，从而保证一定的水流推进速度，其中，内起低垄的高度小于四周起垄的高度。
测定步骤：采用插杆方式将试验区划分为多个单元，其中，基础单元格为边长为一米的方形。在基础单元格中获取土壤样品，进而测定所获得的土壤样品中的土壤含水率。
获取土壤样品时，在每个单元格的中心位置使用土钻进行取土，每个单元格取厚度为100厘米的土壤样品，其中每20厘米为一层，从上向下依次分为多层，取样时需将土钻表面的浮土去除，将每层土壤样品单独放入预先标记的铝盒中，采用烘干法测定每个铝盒内土壤样品中的土壤含水率。
可选的，在本实施例中，从上向下依次分为5层。
最后根据平均法来计算获得基础单元格的土壤含水率。
整理步骤：记录上述基础单元格的土壤含水率并组合整理，对相邻基础单元格进行多种组合且标记为处理，计算基础单元格和各处理的面积及对应土壤含水率变异系数并拟合第一方程式。
具体做法为：将上述所测得的基础单元格土壤含水率的数据，根据所处试验区的空间位置放置于表格中，每个数据代表一平方米土壤的含水率。
将相邻两个或多个基础单元格进行不同方式的组合，组合后的新单元格称为处理，计算不同处理面积及其对应的土壤含水率，相同面积下可能会有多种组合。
根据
采用上述公式1计算其变异系数Cv，其中公式1中x1，x2......,xn为相同面积下，对应的土壤含水率；stdev代表计算各土壤含水率方差；average代表计算各土壤含水率平均值。采用基础单元格土壤含水率数值计算的变异系数记为Cv1，其中，组合后最大处理面积即为试验小区面积，其变异系数为0。
以基础单元格和处理面积为横坐标，对应土壤含水率变异系数为纵坐标，绘制散点图，采用幂函数对其进行拟合得Cv＝a·Sb。
获取结果：根据基础单元格点和组合最大处理点拟合第二方程式，保持第二方程式斜率不变，获得第二方程式与第一方程式的切点。
具体为：连接基础单元格对应变异系数点(横坐标为1，纵坐标为Cv1)与组合最大处理面积对应变异系数点(横坐标为试验小区面积，纵坐标为0)，得到直线方程为y＝k·x+c，k为直线斜率。
保持直线斜率k不变，平移直线，使之与曲线切线重合，即为曲线切线，该曲线切线的切点处横坐标即为灌溉试验小区适宜处理面积。
图1为建立的第一方程式和第二方程式的示意图，由图1可知：
由于sinα一定，△y随着△t的增大而增大，故切点处△y最大，因此该点对应处理面积最适宜，大于该面积，随着面积的增大，曲线相对直线的变异系数变化量逐渐减小。
可以理解的是，由图1所求出的适宜面积为基于土壤水分变异以合理的试验区面积包含最大土壤水分变异为目的，其结果仅代表试验为单处理、单重复，实际工作中通常设置2处理或以上，重复数一般大于等于3。
当处理或重复增加时，试验小区适宜面积将适当减小，其计算公式为：
式中：xr为重复下试验小区面积；
r为重复数；
d指期望通过试验检测出的处理间真实差异，％；
k为处理数，与自由度df有关，继而影响t1、t2，df为方差分析中的误差自由度，df＝k(r-1)；
t1为显著水平α对应的t值，取α＝0.05；
t2指2(1-p)对应的t值，p指试验处理间真实差异能被鉴别出的概率，取p＝80％；
a、b为第一方程式Cv＝a·Sb中的参数。
发明人经过研究发现，沿水流推进方向的狭长试验地土壤含水率变异系数较小。
因此，在实际使用中，可在保证试验地宽方向(垂直水流推进方向)满足试验要求种植作物行数的前提下，适当加大试验地长度(沿水流推进方向)。
针对本发明的实施例提供的方法，发明人还做出了以下的试验例，具体如下：
试验例
收集以地面灌方式灌水后试验地土壤含水率空间分布情况，以面积为360m2(长40m宽9m)的试验地为例。
图2为本试验例提供的试验小区划分单元的示意图，请参照图2所示。
由于大田作物根系生长深度一般为1米，以土钻取土方式获取测点土壤含水率，土钻一次取土20cm，1米深需要5钻，如果每m2土壤含水率均采用实测值，则需要360×5＝1800钻，工作量巨大且土样时效性很难统一，因此拟精简取土点并采用kriging插值获取整块试验地每m2土壤含水率。
以4m2网格划分试验地，将360m2试验地划分为90个网格，在试验地中可采用插杆方式标记每个4m2试验区边界。为保证试验次数，应规律设置4m2试验区内取样点，图2中取样点为每4m2试验区中1m2内中心，即据临近标记点横纵方向50cm。以试验地外框四点任意一点为坐标原点，为90个取土点设置坐标，根据90点实测土壤含水率数据，采用Sufer或ArcGIS软件中Kriging插值获得每m2土壤含水率数据，共360个，见表1。
然后根据上述公式1计算出基础单元格的变异系数为Cv1＝5.088。
将相邻基础单元格进行不同方式的组合，组合后的新单元格称为处理，以面积120m2为例，其变异系数计算步骤为：
首先，找出面积为120m2的所有规格(长×宽)，并计算各种规则下数据区土壤含水率平均值，共计294个数据，分别为：
面积120m2＝40m×3m，数据区选择A1:C40，B1:D40，C1:E40，D1:F40，E1:G40，F1:H40，G1:I40，共计7个。
面积120m2＝30m×4m，数据区选择A1:D30，A2:D31，......，A11:D40(共11个)；B1:E30，B2:E31，......，B11:E40(共11个)；C1:F30，C2:F31，......，C11:F40(共11个)；D1:G30，D2:G31，......，D11:G40(共11个)；E1:H30，E2:H31，......，E11:H40(共11个)；F1:I30，F2:I31，......，F11:I40(共11个)；共计66个数据区。
面积120m2＝24m×5m，数据区选择A1:E24，A2:E25，......，A17:E40(共17个)；B1:F24，B2:F25，......，B17:F40(共17个)；C1:G24，C2:G25，......，C17:G40(共17个)；D1:H24，D2:H25，......，D17:H40(共17个)；E1:I24，E2:I25，......，E17:I40(共17个)；共计85个数据区。
面积120m2＝20m×6m，数据区选择A1:F20，A2:F21，......，A21:F40(共21个)；B1:G20，B2:G21，......，B21:G40(共21个)；C1:H20，C2:H21，......，C21:H40(共21个)；D1:I20，D2:I21，......，D21:I40(共21个)；共计84个数据区。
面积120m2＝15m×8m，数据区选择A1:H15，A2:H16，......，A26:H40(共26个)；B1:I15，B2:I16，......，B26:I40(共26个)；共计52个数据区。
以上述计算出的294个数据为基础，根据上述公式1可计算出面积为120m2对应的变异系数。其他面积对应变异系数计算方法与之相同。
表1试验地(长40米宽9米)每m2土壤含水率
计算出所有组合处理面积及对应变异系数后绘制散点图，采用幂函数对基础单元格点和所有处理点进行拟合，y＝27.796x-0.712，计算y′＝-27.796×0.712·x-1.712。
连接基础单元格点(横坐标为1，纵坐标为5.088)和组合最大处理点(横坐标为360，纵坐标为0)，拟合趋势线为y＝-0.0142x+5.1022。保持直线斜率不变，平移直线，使之与曲线切线重合，即让曲线的切线方程y'与直线斜率相等。计算切点即适宜处理面积为68.64m2，结合实际操作认为适宜面积为70m2。
图3为本试验例所绘制的散点图以及拟合的第一方程式和第二方程式图，请参照图3所示。
可以理解的是，该数值仅代表试验为单处理、单重复，实际工作中通常设置2处理或以上，重复数大于等于3。当处理或重复增加时，试验小区适宜面积将适当减小，可根据公式2计算不同处理重复下适宜小区面积并计入表2。
表2试验常用处理和重复下小区适宜面积及试验区域总面积整理表
表中小区适宜面积为计算所得，为方便实际操作可适当增加面积。当试验设置2处理，每处理重复3次，处理间差异介于10～15％，适宜小区面积宜取20～12m2，总面积120～72m2；每处理重复5次，处理间差异介于10～15％，适宜小区面积宜取12～7m2，总面积120～70m2。
当试验设置3处理，每处理重复3次，处理间差异介于10～15％，适宜小区面积宜取18～10m2，总面积162～90m2；每处理重复5次，处理间差异介于10～15％，适宜小区面积宜取11～6m2，总面积165～90m2。
以上面积均为相应条件下最小面积，实际试验中可根据情况适当增加。
通过对试验小区形状的研究发现，沿水流推进方向的狭长试验地土壤含水率变异系数较小。因此，在实际使用中，可在保证试验地宽方向(垂直水流推进方向)满足试验要求种植作物行数的前提下，适当加大试验地长度(沿水流推进方向)。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。