陕南旬阳坝地区坡面土壤水分影响因子研究

安彬

（1.安康学院旅游与资源环境学院，陕西安康725000；2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心，陕西安康725000）

陕南旬阳坝地区坡面土壤水分影响因子研究

安彬1，2

（1.安康学院旅游与资源环境学院，陕西安康725000；2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心，陕西安康725000）

土壤水分状况是反映生态系统恢复及合理进行农业措施的重要参考指标。基于野外秦岭中山区典型坡面不同用地类型（林地、撂荒地、园地和农耕地）的土壤水分数据，利用生态数量学冗余分析法（RDA），分析了坡面尺度上的土壤理化性质、地形等环境因子与土壤水分之间的关系。结果表明，园地、撂荒地、林地和农耕地土壤水分均值表现出一致性，且各层多表现出中等变异程度；4种用地类型的环境因子对土壤水分前2轴的累积解释量占特征值的总和均达到93%以上，坡度、坡位、有机质和容重对坡面土壤水分影响最为显著，林地和撂荒地受坡位的影响较大，而园地和农耕地受坡度因子的影响较大。因此，针对陕南秦岭段中山区坡面土壤水分的特征研究，可以将样点的坡度和坡位等作为分析的重要参考因子。

秦岭中山区；表层土壤水分；坡面；影响因子；RDA

土壤水分是土壤的重要组成物质之一，也是区域内气候、植被、地形、土壤属性以及人类活动等因素的综合反映[1-2]，具有时空尺度上高异质性[3-5]。因此，掌握不同区域内土壤水分分布的影响因子，对研究土壤—植物—大气的水分过程有着重要意义。

目前，国内外许多学者已对不同尺度上影响土壤水分的因子进行了较深入的探索。NYBERG[6]研究表明，区域尺度内对土壤含水量的影响强弱依次是汇流面积、坡度、根系分布和土层厚度。孙中峰等[7]研究认为，坡向、坡度、坡位是影响坡面尺度土壤水分分布的主要因子。王信增等[8]研究表明，区域尺度土壤水分变化主要受到包括蒸散、降水、温度等气象因子的影响，而小流域尺度土壤水分变化则是受坡度、土地利用等因子影响。徐学选等[9]研究认为，坡位和坡向是影响黄土丘陵区地块尺度土壤水分空间分布的主要因子。唐杨等[10]研究指出，相对高程是影响绿洲各层土壤水分的主要因子。徐飞等[11]研究认为，高程、土地利用类型和土层厚度对土壤水分分布的相对贡献率最大。在时间尺度上，土壤水分往往受诸多气象因子的共同作用[12]。以上研究说明，空间及时间尺度的不同，使得影响土壤水分的主控制因素发生变化。但这些研究主要集中于黄土高原等西北干旱半干旱地区，而对于秦岭中山区的研究较少。

本研究选择秦岭中山区典型区域坡面尺度，采用冗余分析方法（Redundancy analysis，RDA）对土壤水分变异及其与影响因子的关系进行分析，旨在为今后秦岭山区合理实施农业措施和保护生态环境提供科学的依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

旬阳坝镇位于陕西省宁陕县城东北方向，介于108°25′12″～108°41′24″E，33°24′36″～33°36′36″N（图1）。地势西南高、东北低，中部谷底较平坦，以2 053 m的平河梁为最高，境内月河谷底海拔最低，高差达到800 m，属于秦岭亚高山和中山区的过渡区。多年平均气温为12.3℃，年平均日照时数为1 662.5 h，≥10℃的年平均积温为3 854.1℃；多年平均降水量为908 mm，年内降水以夏季为最多（415.8 mm）。土壤类型主要是黄棕壤和棕壤，土体含石砾多，缓坡或槽地土层深厚；陡坡、山梁土层较薄，部分土层甚至只有15 cm。河流密度较大，水利资源丰富，年平均径流深为400 mm以上。植被属于亚热带常绿阔叶林与北亚热带常绿落叶阔叶混交林地带中菜子坪、旬阳坝植被小区，是秦岭重要的林区之一[13]。

1.2 采样方法

根据收集到旬阳坝镇地形图，结合野外实地考察，选择上两河地区典型坡面作为研究对象。坡面上主要有农耕地（玉米、马铃薯）、林地（油松、华山松）、撂荒地（禾本科蒿草、白茅草）、园地（人工板栗林）4种土地利用类型，基本理化性质列于表1。

表1 上两河典型坡面土壤基本理化性质

每个采样点（除农耕地外，每个样点先轻轻刨去表层的腐殖质）以5 cm为间距挖取土壤剖面，统一深度为30 cm，用体积100 cm3的环刀取样。并且详细记录样点的坡度、坡向、海拔等数据。共计采集样点数78个，样品460个（部分样点20 cm处就开始出现母质层），所采土壤样品全部入袋称质量。

1.3 测定项目及方法

对土壤样品的理化性质进行室内分析，其中，

土壤水分采用经典烘干法，所测的是土壤质量含水量[13]；土壤有机质含量的测定采用烧失量法[14]；土壤容重采用烘干称重计算法测定[14]；土壤粒度采用Master-sizer 2000激光粒度仪测定[15]。

1.4 数据处理

表2 研究区内影响土壤水分定性因子的编码转换

为了反映环境因子对坡面土壤水分的影响，本研究采用冗余分析方法（RDA）进行分析排序。RDA分析，又称直接梯度分析，能够将研究对象排序和环境因子排序在一个图上表示出来，可以直观地看出二者之间的关系[16]。RDA分析需要分别建立土壤水分和环境因子的数据库矩阵[17]。环境数据矩阵为P×N维，其中，N为样点数，P为环境因子的数量[17]。根据实际情况，选择研究区内影响土壤水分的坡位、坡向、坡度、黏粒、粉粒、砂粒、有机质和容重8个相关的环境因子。其中，对定性因子（坡位、坡向、坡度和土地利用类）进行编码转换分级（表2），而其他因子直接从室内试验测定。

2 结果与分析

2.1 土壤水分的统计特征分析

通过不同土地利用类型下土壤水分统计分析发现，土壤水分均值大小依次为园地（20.9%）、撂荒地（19.59%）、林地（18.06%）、农耕地（17.22%），各层土壤水分大小排序与总体均值表现出一致性；且表现出0～10 cm土层水分最高，20～30 cm次之，10～20 cm最低。这可能与从坡顶到坡底的土地利用类型分别是林地、园地、撂荒地和农耕地有关，表现出坡顶土壤水分大，而坡底土壤水分小的特征，与徐学选等[9]和王健胜等[17]的研究观点相同。从标准差来看，各土地利用类型都基本在2%左右，说明该次采样所得的土壤水分分布均匀。各土地利用类型土壤水分的波动程度不同，除园地0～10 cm和农耕地20～30 cm表现为弱变异程度外，其余都属于中等变异程度，且均表现出随着土层深度的增加，变异性增强的趋势。通过计算，1/2以上土壤水分的偏度系数和峰度系数为正数，说明这些土壤水分数据的均值均在峰值的右侧；K-S值均为正值且都大于0.05，说明各层土壤水分数据都符合正态分布（表3）。

表3 不同土地利用类型下各层土壤水分统计

2.2 土壤水分与环境因子之间的关系

土壤水分RAD排序图较好地描述了不同土地利用类型下土壤水分与环境因子的关系（图2）。图2中，空心圆代表各采样点，粗线箭头代表坡面各个环境因子，细线箭头代表采样土层；粗线箭头连线与细线箭头连线之间的夹角的余弦值代表某土层与某环境因子之间的相关性；粗箭头所处的象限表示环境因子与排序轴间的正负相关性，用粗线箭头与排序轴夹角的余弦值表示二者之间的相关程度；粗线箭头所在线段的长度表示环境因子与土壤水分相关性的大小，线段越长，说明相关性越大，反之则越小[8，12]。表4表示RDA排序前2轴上土壤水分与环境因子的相关系数。从表4可以看出，各用地类型的环境因子对土壤水分前2轴的累积解释量占特征值的总和均达到93%以上，说明前2排序轴能够解释土壤水分与环境因子之间的关系。

从各用地类型的RAD排序图可以看出，第1排序轴包含了坡面大部分的环境因子信息，其中，坡位和坡度与第1排序轴的相关性显著。以林地样点为例，坡度、坡位、粉粒、砂粒的相关系数分别为0.343，-0.365，-0.285和0.237，说明林地各样点主要反映坡度、坡位、粉粒和砂粒这4个环境因子的梯度变化。不同样点的第2排序轴所反映的环境因子信息较复杂，林地中的土壤有机质与第2排序轴的关系最密切，相关系数为-0.248，说明第2排序轴反映的是土壤水分随有机质的梯度变化；而撂荒地、园地和农耕地与第2排序轴相关系数最大的分别是容重（0.282）、黏粒（-0.584）、容重（0.266）（图2）。

从图2中各环境因子的连线长度可以看出，4种类型用地的坡度、坡位、有机质和容重的箭头连线较长，由此可见，引起坡面尺度的土壤水分变化不仅有地形因子（坡度、坡位），土壤的理化性质（有机质、容重）也是水分变化的主要影响因子，它们影响着土壤的结构。以林地样点为例，林地箭头连线长度大小依次为：坡度、坡位、有机质、砂粒、粉粒、坡向、容重、黏粒，可以清楚地看到，坡位、坡度是影响坡面尺度上土壤水分变化的主控因子。原因是坡面尺度的气象因子基本上无差异，但是坡面上的微地形因子影响着土壤水分的分布[18]。理论上讲，在重力的作用下，坡面上降水以壤中流或地表径流等形式向下坡位运动，从而造成上坡位的土壤水分含量比下坡位低[19]。坡度、坡位影响降雨的地表再分配过程、地表水入渗等，会引起植物生境的差异[20]，因而影响到土壤水分含量的高低。从图2还可看出，不同土层土壤水分分布状况受到不同类型环境因子的影响，林地和撂荒地中的0～10 cm土层连线与坡位连线夹角最小，说明表层土壤水分受到坡位的影响最大，随着土层深度的增加，受坡位因子的影响降低；园地和农耕地中的坡度连线与20～30 cm连线的夹角最小，说明深层次土壤水分受到坡度的影响最大，随着土层深度的增加，受坡度因子的影响也随之增加。这说明影响秦岭中山区坡面土壤水分环境因子的复杂性。

表4 土壤水分RAD（前2个排序轴）与环境因子的相关系数

由此可见，RAD排序图直观地反映出坡面上各种相互关联的环境因子对土壤水分分布的影响程度。其中，坡度、坡位、有机质和容重对坡面土壤水分影响最为显著。因此，对陕南秦岭段中山区土壤水分的分析研究，可以从不同样点的坡度和坡位等作为表层土壤水分的重要参考因子。

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究通过对秦岭中山区典型坡面样点表层土壤水分和环境因子的实测与编码转换，利用RAD对所建立的土壤水分和环境因子数据矩阵进行排序、计算，最后绘制出坡面样点、土壤土层及环境因子的双序图。结果表明，坡面土壤水分均值介于17.10%～21.87%，由大到小依次为园地、撂荒地、林地和农耕地，各层土壤水分大小排序与总体均值表现出一致性，且表现出0～10 cm土层水分最高、20～30 cm土壤水分次之、10～20 cm土壤水分最低的特征。各用地类型土壤水分多表现出中等变异程度，且均表现出随着土层深度的增加，变异性增强的趋势；各土地利用类型的标准差基本都在2%左右，说明该次采样所得的土壤水分分布均匀。

RAD排序图可直观地反映出坡面土壤水分分布与环境因子的关系。4种用地类型的环境因子对土壤水分前2轴的累积解释量占特征值的总和均达到93%以上，能够解释土壤水分与环境因子之间的关系。第1排序轴包含了坡面大部分的环境因子信息，反映的是坡位和坡度环境因子信息；不同样点的第2排序轴所反映的环境因子信息较复杂，林地主要反映的是有机质，撂荒地、园地和农耕地则主要分别反映容重、黏粒、容重。

环境因子中的坡度、坡位、有机质和容重对坡面土壤水分影响最为显著，其中，林地和撂荒地受坡位的影响较大，而园地和农耕地受坡度因子的影响较大。坡面尺度的土壤水分变化不仅有地形因子（坡度、坡位），土壤的理化性质（有机质、容重）也是水分变化的主要影响因子，反映出影响秦岭中山区坡面土壤水分环境因子的复杂性。

3.2 讨论

由于空间及时间尺度的不同，使得影响土壤水分分布状况的主控因子也发生了变化。随着空间尺度的扩大，削弱了小尺度的坡面、土壤属性等影响因子，而突显出大尺度区域降水、区域地貌等影响因素。贾海坤等[21]研究发现，在不同坡向上的土壤水分随坡度的变化截然不同；LADSON等[22]研究得出，土壤水分与坡度二者之间的相关性不显著，反映出影响土壤水分环境因子的复杂性。秦岭的地貌特征主要以中高山为主，众多坡面的近地表土壤水分条件对径流形成和侵蚀发生有重要影响[23]。因此，针对陕南秦岭段中山区坡面土壤水分的特征研究，可以从不同样点的坡度和坡位等作为分析的重要参考因子。后期在坡面尺度上将扩大到地块、流域及集水区等不同尺度研究，增加降水、气温、微地形等因子，以期为秦岭中山区合理实施农业措施和保护生态环境提供科学依据。

［1］傅伯杰，杨志坚，王仰麟，等.黄土丘陵坡地土壤水分空间分布数学模型[J].中国科学（D辑：地球科学），2001，31（3）：185-191.

［2］高慧洲，谢英荷，李廷亮，等.覆膜对旱地冬小麦产量与土壤水分动态的影响[J].山西农业科学，2016，44（12）：1793-1795，1869.

［3］FAMIGLIETTI J S，RUDNICKI J W，RODELL M.Variability in surface moisture content along a hillslope transect：Rat-tlesnake Hill，Texas[J].Journal ofHydrology，1998，210（1/4）：259-281.

［4］LADSON A R，MOORE I D.Soil water prediction on the Konza Prairie by microwave remote sensing and topographic attributes[J]. Journal ofHydrology，1992，138（1/4）：385-407.

［5］王军，傅伯杰，蒋小平.土壤水分异质性的研究综述[J].水土保持研究，2002，18（1）：2-6.

［6］NYBERG L.Spatial variability of soil water content in the covered catchment of Gardsjon,Sweden[J].Hydrological Processes，1996，10：89-103．

［7］孙中峰，张学培.晋西黄土区坡面尺度土壤水分分布规律研究[J].水土保持通报，2006，26（2）：27-30.

［8］王信增.延河流域土壤水分状态及尺度效应[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

［9］徐学选，刘文兆，高鹏，等.黄土丘陵区土壤水分空间分布差异性探讨[J].生态环境，2003，12（1）：52-55.

［10］唐杨，吉力力·阿不都外力，刘东伟，等.基于微地形和土地覆被的土壤水分空间变异性：以玛纳斯河流域绿洲为例[J].干旱区研究，2011，28（2）：222-228.

［11］徐飞，赖晓明，朱青，等.太湖流域丘陵区两种土地利用类型土壤水分分布控制因素[J].生态学报，2016，36（3）：592-599.

［12］韩湘云，景元书，李根.低丘红壤坡面土壤水分变化的气象因素冗余分析[J].生态学杂志，2013，32（9）：2368-2374.

［13］窦金熙，郭玉明，王盛，等.土壤含水率测定方法研究[J].山西农业科学，2017，45（3）：482-485.

［14］中国科学院南京土壤研究所物理研究室.土壤物理性质测定法[M].北京：中国农业出版社，1978：23-80.

［15］郑树伟，庞奖励，黄春长，等.汉江上游郧县曲远河河口段全新世古洪水水文状态研究[J].长江流域资源与环境，2013，22（12）：1608-1613.

［16］张金屯.数量生态学[M].北京：科学出版社，2004：120-176.

［17］王健胜，刘沛松，文祯中.低山丘陵区不同植被恢复模式下土壤水分特征研究[J].河南农业科学，2013，43（12）：55-58.

［18］刘春利，邵明安.六道沟流域典型坡面不同土地利用方式下土壤水分动态变化研究[J].中国生态农业学报，2006，14（4）：54-56.

［19］刘梅，蒋定生，黄国俊，等.不同坡面位置土壤水分差异规律分析[J].水土保持通报，1990（2）：16-20.

［20］胡良军.黄土高原植被恢复的土壤水分生态环境[D].杨凌：西北农林科技大学，2002.

［21］贾海坤，刘颖慧，徐霞，等.皇甫川流域柠条林地水分动态模拟：坡度、坡向、植被密度与土壤水分的关系[J].植物生态学报，2005，29（6）：44-51.

［22］LADSON A R，MOORE I D.Soil water prediction on the Konza Prairie by microwave remote sensing and topographic attributes[J]. Journal ofHydrology，1992，138：385-407.

［23］张玉斌，郑粉莉.近地表土壤水分条件对坡面土壤侵蚀过程的影响[J].中国水土保持科学，2007，5（2）：5-10，17.

Study on Soil Moisture Contributing Factors of Xunyangba Area in Southern Shaanxi Province

ANBin1，2
（1.College ofTourism&Resources and Environment，Ankang University，Ankang 725000，China；2.Engineering Technology Research Center for Water Resource Protection and Utilization ofHanjiang River in Ankang City，Ankang 725000，China）

Soil moisture status is an important reference index of reflecting ecosystem restoration and implementing agricultural measures reasonably.Based on soil moisture data of the typical slope in different land uses in medium mountain of Qinling（forest land, abandoned land,yard and farmland）,the relationship between soil moisture and environmental factors such as terrain,soil physical properties on slope scale are analyzed by using ecological quantity redundancy-Redundancy Analysis.The results showed that the average soil moisture offour land uses presented consistency,and the same time most layers were moderate degree ofvariation.Four land uses ofenvironmental factors on soil moisture accumulation explanation for the previous two axis volume accounted for more than the sum of eigenvalues reached 93%.The most significant were slope,slope position,organic matter and bulk density on slope surface soil moisture.Affected forest and abandoned mainly was slope positions,while yard and farmland was slope.Therefore,factors such as slope and slope position,etc,are important reference when researched on soil moisture characteristics in medium mountain ofQinling.

medium mountain ofQinlin;soil surface moisture;slope;impact factor;RDA

S152.7

：A

：1002-2481（2017）07-1128-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.07.22

2016-12-14

陕西省教育厅自然科学专项研究计划项目（16JK1017）

安彬（1988-），男，江西九江人，讲师，硕士，主要从事土壤水与水资源管理教学与研究工作。