丹江鹦鹉沟小流域土壤可蚀性空间分异特征研究

胡克志

(陕西省水土保持生态环境监测中心，陕西 西安710004)



丹江鹦鹉沟小流域土壤可蚀性空间分异特征研究

胡克志

(陕西省水土保持生态环境监测中心，陕西 西安710004)

[摘要]以丹江源区鹦鹉沟小流域为研究对象，采用EPIC模型计算了不同地类的土壤可蚀性，研究了土壤可蚀性空间变异特征和不同植被类型对土壤可蚀性K值的影响，结果表明：研究区土壤养分差异显著，变化范围为0.027～0.062 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，均值为0.047 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，变异系数为12.8%，说明K值变异程度属中等变异；随着土层深度的增加K值逐渐变大，说明土壤表层可蚀性最小，抗侵蚀能力最强，6种不同植被类型土壤表层0～10 cmK值的大小排序为栎树林>花生地>草地>玉米地>松林>茶园；K值半方差函数理论模型为球状模型；K值从南至北、自东向西逐渐减小，条带状分布明显，反映了流域北部森林覆盖区土壤抗侵蚀能力较强，东南部及中东部耕作种植、居住生活区和未受关注的山体土壤抗侵蚀能力较弱。

土壤可蚀性是指土壤受侵蚀破坏的可能性，也是土壤对侵蚀介质的敏感性，是评价土壤被降雨侵蚀力分离、冲蚀和搬运难易程度的一项指标，是影响土壤流失的内在因素[1-2]。通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用土壤流失方程(RUSLE)中用K值来衡量土壤可蚀性。作为影响侵蚀量大小的重要因子，土壤可蚀性是土壤侵蚀预报、水土保持规划、生态环境与土壤潜在危险性评价等方面的重要内容[3-5]。

丹江口水库是南水北调中线工程的核心水源地，丹江水源区水质的好坏直接关系到工程的成败，更与受水地区国民经济和群众生活密切相关。已有的丹江水源区及水库区土壤侵蚀研究多集中于宏观的、面上的调查与分析评价[6-8]，涉及侵蚀机理的研究相对较少，特别是对该区土壤可蚀性的研究还未见报道。本研究以商南县鹦鹉沟小流域为例，研究丹江源区小流域土壤可蚀性K值及其分布特征，探讨成土母质与耕作对土壤可蚀性的影响，以期为流域土壤资源可持续利用与水土保持战略制定提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

鹦鹉沟小流域位于商南县城东南2 km处的城关镇五里铺村，是商南县“长治”二期工程东北山流域的一条支沟，地处流域下游，土地总面积2.04 km2；大部分为低山丘陵地貌，河谷开阔，最高海拔824 m，最低海拔464 m；处于北亚热带和暖温带过渡区，气候温和、日照充足、雨量充沛、四季分明；降水年内分配不均，主要集中在7—9月，期间降水量占年降水量的50%左右，且多以暴雨形式出现，年径流深261.3 mm，年径流总量53.4万m3；土壤以黄棕壤为主，有机质、微量元素较为缺乏；人口密度350人/km2，土地利用结构不合理，土地利用率低；流域内水土流失面积130.53 hm2，占土地总面积的63.8%，且主要分布在坡耕地、荒山、荒坡和河滩地上。

1.2研究方法

1.2.1数据资料

选取鹦鹉沟小流域不同土地利用类型和坡度的土壤为研究对象设置采样点，根据当地实际，选取0～10、10～20、20～40和40～60 cm土层土壤样品进行颗粒分析与有机碳计算。土壤颗粒分析采用Malvern公司生产的Mastersizer 2000激光粒度仪进行分析。土壤有机碳测定方法为采用高温催化氧化进行消解，使用NDIR法测定有机碳质量分数，分析仪器为Analytik Jena AG 公司生产的Multi N/C 3100 TOC/TC Analyzer。

1.2.2土壤可蚀性因子K值的计算

土壤可蚀性计算采用EPIC模型中土壤可蚀性因子K值的方法进行计算[9-13]，Williams等(1990年)在EPIC模型中发展的K值估算公式为

K={0.2+0.3exp[-0.025 6SAN(1-0.01SIL)]}×

(1)

式中：K为土壤可蚀性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；SAN为砂粒含量，%；SIL为粉粒含量，%；CLA为黏粒含量，%；C为有机碳含量，%；SN1=1-SAN/100；0.131 7为美国制单位向国际制单位转化的系数。

1.2.3数据分析

利用ArcMap 9.2、GS+7.0等软件，基于GIS平台和地统计学方法，对研究区土壤可蚀性的空间分异特征进行分析。考虑到克里格方法的使用范围为区域化变量存在空间相关性，本研究经过半方差函数分析后的K值可利用普通克里格方法进行空间插值。

2结果与分析

2.1土壤理化性质的空间分异特征

运用经典统计方法，对研究区各采样点土壤养分含量进行描述性统计，结果见表1。土壤有机碳和硝氮的变异系数分别为227.098%、118.825%，均大于100%，属于高度变异；全氮、氨氮、全磷和速效磷的变异系数分别为79.341%、54.760%、68.885%、41.493%，在10%～100%之间，属于中等变异。研究区土壤养分整体变异系数较大，体现了土地利用、地理位置等对土壤理化性质的影响，从而间接影响土壤可蚀性分布。

表1　鹦鹉沟小流域土壤养分描述性统计特征值

研究区土壤有机碳空间分布见图1。由图1知，研究区有机碳含量条带状分布明显，在北部及中部林地有机碳含量相对较高，由此可初步推测研究区北部可蚀性指标相对较小。

图1　研究区土壤有机碳空间分布

2.2土壤可蚀性K值的空间分异特征

2.2.1描述性统计特征

按照经典统计方法，研究区K值统计特征值见表2。由表2知：研究区土壤可蚀性K值的变化范围为0.027～0.062 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，最大值是最小值的2.29倍，说明K值变幅较大；K值均值为0.047 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，中值为0.045 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，均值与中值相近，说明K值分布较为均匀，没有受到特异值的影响；K值变化标准差为0.006，变异系数为12.8%，属于中等变异，是流域内土壤质地、地形、植被、耕作制度等多种因素的差异性导致的。

表2　研究区K值统计特征值

2.2.2正态分布检验

利用SPSS中Analyze-Descriptive Statistics-Frequencies频数分布统计功能可得K值的频数分布见图2。由图2可以看出，K值的频数分布呈倒钟形，基本符合正态分布。为了进一步确定其分布类型，对其进行非参数Kolomogoro-Smirnov(简称KS)检验。KS检验是建立在观测量与预期累积分布之间存在着巨大差异的基础上。一般情况下，当其显著性水平<0.05时，便可以拒绝数据的正态分布的假设。检验结果显示吻合度为0.717，因此接受本数据的正态分布假设。

图2　K值频数分布

2.3土壤可蚀性的趋势分析及半方差函数分析

趋势分析图中的每一根竖棒代表了一个数据点的值(高度)和位置。这些点被投影到一个东西向和一个南北向的正交平面上，通过投影点可以做成一条最佳拟合线，并用它来模拟特定方向上的存在趋势[14]。图3 为研究区K值的趋势分析图，从图中可以看出投影到东西向(X轴左西右东)上的趋势线，从西向东呈增加趋势；而南北方向上(Y轴上北下南)，趋势线呈倒U形。可以得知，流域内东部、中部土壤可蚀性较大，抗侵蚀能力最小，分析其原因可能是与鹦鹉沟小流域东部多山、中部多农田有关。

图3　K值趋势分析

表3为利用GS+7.0软件所做的半方差分析理论模型对比。表3中的5个参数中，显然最重要的是考虑决定系数R2的大小，其次是残差RSS，再次是变程和块金值[15]，因此综合选择球状模型为研究区K值的半方差函数理论模型(图4)。

表3　K值的半方差函数理论模型及其相关参数

图4　K值的半方差模型

K值的空间相关性可根据块金值与基台值之比[C0/(C0+C)]划分，该值越大，说明由随机部分引起的空间变异程度越大，相反则表明由结构性因素引起的空间变异性程度较大。当比值<25%时，变量具有强烈的空间相关性；当比值在25% ～75%之间时，变量具有中等的空间相关性；当比值>75%时，变量空间相关性很弱[16]。从表3可以看出，当K值的半方差函数理论模型为球状模型时，比值为4.8%，小于25%，表明在变程内具有强烈的空间相关性，进行Kriging插值能得到较准确的结果。

2.4不同植被土壤可蚀性K值垂直变异特征

不同的土地利用方式，影响土壤表层的理化性质，从而使地表状况产生差异，导致表层土壤可蚀性不同[17]。为了研究不同植被类型对K值的影响，选择玉米地、栎树林、草地、茶园、花生地、松林共6种植被覆盖样地，以0～10、10～20、20～40和40～60 cm分层分析K值的垂直变异特征。图5为不同植被类型、不同深度土层K值分布。

图5　不同植被类型、不同深度土层K值垂直变异特征

由图5(a)知，整体上随着土层深度的增加，K值逐渐变大，说明土壤表层可蚀性最小，抗侵蚀能力最强，而心土层(一般为40～60 cm深处)土壤结构较差、养分含量较低，K值整体偏高。由图5(b)知：在6种植被类型中，茶园、玉米地和草地的K值在10～20 cm处最大；花生地、松林K值在40～60 cm处最大；草地K值整体最小；松树根系发达，对土壤固持作用较强，其表层可蚀性也相对较低。调用SPSS工具栏中Analyze—Compare Means—One-Way ANOVA命令对数据进行统计分析，结果显示不同植被K值均值差异不显著(p=0.236>0.05)，不同植被类型土壤表层(0～10 cm)K值大小排序为栎树林>花生地>草地>玉米地>松林>茶地。需要说明的是，受不同植被根系在土壤垂直剖面及空间分布状况、采样点的地形差异及人为干扰程度等影响，不同植被类型对土壤可蚀性影响较为复杂，还需进一步研究。

2.5K值的空间变异特征

调用ArcMap9.2中地统计分析模块Geostatistical Analyst—Geostatistical Wizard，选用其中的Kriging插值，选择球状模型为理论模型，对研究区K值进行插值，生成研究区土壤可蚀性K值空间分异图(图6)。

图6　K值空间变异图

从图6可以看出，研究区K值总体分布趋势从南至北逐渐减小，条带状分布明显，与之前的趋势分析(图3)结果一致。造成这种空间分布特征的原因主要与土壤结构性因素(土壤类型、母质、地形、气候等)引起的空间变异性程度较大，随机性因素(施肥、耕作措施、种植制度等)使得土壤可蚀性的空间相关性增强有关。小流域不同区域下垫面的差异和人为干扰程度的不同是造成研究区K值出现上述分布特征的主要随机性因素。研究区整体呈峡谷状，山体横向延伸，西北部山体上由于多年的植树造林活动，植被覆盖度较大，土壤有机质的累积量也较大，因而可蚀性低；东北部草木生长茂盛，人为活动干扰较少，K值较小。在东南部山体上人类造林活动较少，植物的根系生长、分布情况比北部差，影响了土壤的抗侵蚀能力，定位监测时的滑坡现象也证明了这一点。中部耕作种植及居住生活区地势较低，长期人类耕作种植、过度开发利用导致土壤有机质分解加速、累积量较低，土壤颗粒组成受干扰程度较大，K值大，土壤抗侵蚀能力低于北部山体。可见，小流域西部、西北部森林覆盖区土壤抗侵蚀能力较强，东南部及中东部耕作种植、居住生活区和未受关注的山体土壤抵抗侵蚀能力弱。

3结语

(1)研究区土壤有机碳、全氮、氨氮、硝氮、全磷和速效磷含量平均值分别为8.698 g/kg、0.455 g/kg、5.042 mg/kg、8.388 mg/kg、0.511 g/kg、30.364 mg/kg。土壤养分整体变异系数较大，体现了土地利用、地理位置等对土壤理化性质的影响，并间接影响土壤可蚀性分布。

(2)采用经典统计学的方法对土壤可蚀性K值进行分析，SPSS分析结果显示K值服从正态分布，变化范围为0.027～0.062 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，均值为0.047 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，变异系数为12.8%，说明研究区土壤可蚀性K值分布较为均匀，没有受到特异值的影响，但其变异程度属中等变异，在土壤侵蚀定量监测及评价水土流失时应注意这种空间变异性。

(3)采用地统计学对研究区K值进行趋势分析，结果表明研究区K值自西向东、自北向南缓慢增大，说明流域内东部、南部土壤可蚀性较大，抗侵蚀能力较小，其原因可能与鹦鹉沟小流域东部、南部多山有关。另外，分析得出，研究区土壤可蚀性K值半方差函数理论模型为球状模型。

(4)K值的垂直变异特征整体上为随着土层深度的增加，K值逐渐变大，这说明土壤表层可蚀性最小，抗侵蚀能力最强。6种不同植被类型土壤表层0～10 cm内K值的大小排序为栎树林>花生地>草地>玉米地>松林>茶园。

(5)研究区K值在变程内具有中等的空间相关性，对其进行Kriging插值，结果显示K值从南至北逐渐减小，条带状分布明显，由此可知流域西部、西北部森林覆盖区土壤抗侵蚀能力较强，中南部及中东部耕作种植、居住生活区和未受关注的山体土壤抵抗侵蚀能力较弱。

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(责任编辑李杨杨)

[中图分类号]S157.1

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)07-0044-05

[作者简介]胡克志(1957—)，男，陕西蓝田县人，高级工程师，主要从事水文、泥沙分析和水土保持监测等相关工作。

[收稿日期]2016-05-14

[关键词]土壤可蚀性；地统计学；Kriging插值；空间变异；鹦鹉沟小流域