宁夏南部黄土丘陵地土壤水分空间变异性分析

2019-03-22赵伶俐王福平

江苏农业科学 2019年24期

赵伶俐，王福平

（1.北方民族大学电气信息工程学院，宁夏银川 750021；2.北方民族大学创新创业教育中心，宁夏银川 750021）

土壤含水量是土壤特性的动态组成部分，土壤含水量的空间分布受到气候、水文地质、地理等因素的影响，在空间分布上表现出复杂性和不确定性，土壤水分这种随空间分布位置发生变化而变化的性质，称为土壤含水量的空间变异性［1］。同时土壤含水量的空间变异性也随研究尺度、季节变化和植被因子等的影响而异。描绘出某地区的土壤含水量空间变异性和分布特征，对了解当地土壤湿度、生态环境质量和农业生产等信息是不可或缺的，为土壤水分有效利用、植被合理布局和生态环境可持续发展提供依据。

宁夏南部山区地处在黄土高原的西北边缘，地形有丘陵、山地和盆地，气候和水文属于干旱半干旱区，地表植被覆盖稀疏，生态环境脆弱，水土流失严重，干旱少雨缺水，面临着严峻的生态重建问题［2］。研究该地区土壤水分的空间变异性和空间分布特征可为当地的水资源研究、生态重建提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区南部山区的固原市原州区、泾源县和中卫市海原县等地的黄土丘陵地，地理位置在105°58′～106°32′E，35°36′～36°38′N之间。气候属干旱和半干旱区，春季干旱气温多变，夏季短暂凉爽，秋季温凉干燥，冬季寒冷漫长。年平均降水量492.2 mm，大多集中在6—9月，年蒸发量1 753.2 mm。境内水资源贫乏，地表水主要来源于自然降水，地下水主要利用清水河，研究区地形多丘陵山地、缓坡。土壤以黄绵土为主，属于粉质壤土，土地利用类型有农地、撂荒地和草地，自然植被主要以天然牧草、蒿草、柠条等。

土壤含水量数据的采集在宁夏固原市原州区开成镇三十里铺村，在不同土地利用类型和空间位置进行样点选择和布设。在2017年3月（春）、6月（夏）和9月（秋）无降雨期间，每个月选择坡度、质地、土壤类型一致的样地进行土壤含水量测定，取样深度为0～15 cm的表层土样和深度为15～30 cm的深剖面土样，利用烘干称重法和土壤水分传感器测定土壤含水量。

1.2 研究方法

利用经典统计学和地统计学方法研究土壤含水量的空间变异性和空间分布特征。

（1）采集土壤含水量样本数据。

（2）计算土壤含水量的统计特征值如平均值、标准差、变异系数等，判断土壤水分的变异性。

（3）对土壤含水量数据进行半方差计算，半方差拟合与最优模型选择。

（4）确定变异函数的重要参数，利用参数分析土壤含水量空间变异相关性的强弱。

（5）进行克里格插值，将空间点数据转化成面数据，给出土壤湿度的空间分布图，分析土壤含水量的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 采样幅度对土壤水分变异性的影响

经典统计学里通常用变异系数（CV）的大小判断研究内容的变异程度，变异系数的计算公式为

土壤含水量的变异系数是标准差与平均值的比值，它的大小反映了土壤含水量的空间变异性大小，通常CV＜0.01为弱变异性，0.01＜CV＜1为中等变异性，CV＞1为强变异性［3-4］。

表1是2017年9月对土层深度10～15 cm采样的土壤含水量统计数据，采样区域在500～5 000 m2逐渐增大，在每个幅度中按照间距5 m×5 m的网格设采样点。从表1可以看出，变异系数在7%～20%之间，土壤水分具有中等变异性。数据中还发现，随着采样区域面积的增大，土壤含水量变异系数逐渐增大，这是由于研究区域范围的增大，采样的点数更多，对土壤水分有影响的较多因素（植被、降雨、表面蒸发等因素）体现出来，从而使得其变异系数增大，变异性也增大。在采样面积为3 500 m2时，土壤水分的变异系数为19.277%，而当采样面积从3 500 m2增大到5 000 m2时，变异系数不再增大而是趋于稳定在19%左右。说明变异系数增大到一定数值而趋于稳定，不再随着采样面积的增大而无限增大。

表1 采样幅度与变异系数的统计特征值

2.2 土壤水分空间变异性的季节性特征

在春季（3月）、夏季（6月）、秋季（9月）对土层深度10 cm和25 cm采集的土壤含水量统计特征值如表2所示。数据是在同一研究区域相同的采样幅度下，按采样时间和采样深度不同测得的。宁夏南部在夏季6—7月通常有暴雨，为减少降雨对土壤水分数据的直接影响，夏季土壤水数据于降水后间隔5 d采集，数据能够较好地反映土壤水分的季节性特征。

从表2中不同季节土壤含水量的平均值可以看出，3月份宁夏南部地区干旱少雨土壤干层较厚，土壤表层和深层含水量都很低。6月份固原的降水量开始增多，土壤含水量相对3月份上升，但夏季气温偏高，表层土壤水分蒸发很大，而且植物也需大量消耗水分，所以表层土壤含水量较低，25 cm深度的土壤水分相对表层较高；9月植物耗水减少，受降水天气变凉影响，表层和深层的土壤含水量逐渐增加。从变异系数看出，春、夏、秋土壤含水量的变异系数在7.3%～19.2%之间，属于中等变异性。但土壤水分空间变异性的季节性特征表现较为明显，夏季土壤水分变异系数最大，秋季土壤水变异系数最小，春季的变异系数介于夏季和秋季之间。另外，同一区域表层土壤水分的变异系数大于深层的，表明表层土壤水分的空间变异性更大。因此，夏季表层土壤水分的空间变异性最大。

表2 土壤含水量统计特征值

2.3 土壤水分空间变异相关性

在土壤特性空间变异性分析中，经典统计学理论认为，土壤水文性质在空间上是相互独立的，但是，实际上在一定的空间范围内，土壤水文性质间具有相关性。地统计学中通过半方差函数来定量描述土壤水文性质的空间变异结构，即土壤特性空间分布的相关性。区域化变量Z（x）在点xi和xi+h处的2个随机变量Z（xi）与Z（xi+h）的半方差函数（又称变异函数）：

表3是对土壤含水量数据进行半方差计算，确定半方差函数的参数。其中描述土壤水文性质空间变异特征的重要参数有块金值（C0）、基台值（C+C0）、空间异质比［C0/（C+C0）］和变程等。块金值表示为随机变异，基台值为随机变异和系统结构变异之和，空间异质比是块金值与基台值之比，表示系统变量的空间变异相关程度。当空间异质比＜25%时，表示水文特性具有较强的空间相关性；比值＞75%时，土壤水文性质具有弱空间相关性；介于25%～75%之间土壤水文性质具有中等空间相关性［4-5］。

由表3可知，3月10 cm和25 cm深度土壤水分空间异质比为3.913%和6.013%；6份月当地雨季到来，受到降水、植物耗水量、地表蒸发等影响，土壤水分的生态过程发生变化，10 cm和25 cm深度土壤水分空间异质比为11.713%和4.800%；9月份10 cm和25 cm深度土壤水分的空间异质比为5.868%和6.867%；春、夏、秋季节土壤水分的空间异质比均小于25%，表明该区域土壤水分具有强烈的空间相关性，不同季节土壤含水量的空间变异相关程度不同。另外，表3数据也显示，同一采样时间10 cm和25 cm深度的土壤水分空间异质比也有较大差异，表明相同区域不同采样深度的土壤含水量均表现出不同的空间变异性，都具有强烈的空间相关性。

表3 土壤含水量半方差函数参数

2.4 土壤水分空间分布

对试验数据半方差拟合选择最优拟合模型，并进行克里格插值，将空间点数据转化为面数据，绘出土壤水分空间分布图。其中，决定系数是评价理论模型与实验变异函数拟合程度高低的参数，通常按决定系数最大的原则选取拟合模型，决定系数越大，拟合效果越好［4，6］。表3中按决定系数r2最大的原则拟合的模型有球状模型和指数模型。利用GS+7.0软件仿真拟合后的曲线为实验变异函数，也即半方差图。图1所示为3月、6月、9月即春夏秋季节土层深度10 cm和25 cm土壤水分的半方差图。

从图1可以看出，不同季节不同深度土壤水分的空间变异相关程度不同。应用克里格插值制图可以得出土壤含水量的空间分布图。图2所示是3月、6月和9月在同一区域10 cm和25 cm深度的土壤含水量的空间分布图。

从图2可以看出，不同季节土壤水分的空间变异性和空间分布明显不同，相同区域不同深度的土壤水分空间变异和分布也存在差别，在空间不同方向上分布具有不同程度的空间相关性。受季节性、降水以及植被覆盖生长等因素影响，3月份土壤水分空间分布破碎化程度较高，土壤水分布规律不明显，具有零散性；6月和9月土壤水整体分布相对较均匀。还可以看出，土壤水分的空间分布表现为东南部区域的土壤含水量高于西北区域的，这和实际地形相符的，研究区域西北部多丘陵山地，土壤干层厚，植被覆盖少，而偏东南部多平地，靠近清水河流域，土壤含水量相对较高。

3 讨论

本研究基于统计学和地统计学方法对宁夏南部干旱区土壤水分的空间变异性进行研究。首先分析了采样幅度对土壤水分变异性的影响，试验中采样间距5 m×5 m，幅度为500～5 000 m2。研究结果表明，随着采样幅度的增大，土壤水分的变异系数逐渐增大，变异性增大，这是由于采样幅度增大，土壤覆盖的植被、降水等因素的空间变异性会增大，进而导致土壤水分空间变异性增大。但变异系数增大到一定数值趋于稳定后，不再随着采样幅度的增大而无限增大。这和胡伟等黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异尺度性的研究结果［1］相似。Western等指出，土壤样本采集时最理想的采样是采样幅度非常大，采样间距非常小［7］，但由于宁夏南部黄土丘陵山地沟壑较多，地形较复杂，进一步缩小采样间距采集数据的难度加大，所以文中未涉及减小采样间距对土壤水分空间变异性的影响。在丘陵山地沟壑地形的小尺度采样间距对土壤水分空间变异的影响后期进一步研究。

研究还分析了土壤水分空间变异性的季节性特征。试验数据的采集分别在宁夏南部干旱区春、夏、秋季节内无降雨期间，采集了距离表层10 cm和25 cm深度的土壤水分数据。试验研究发现，土壤水分空间变异性表现出较强的季节性特征，夏季土壤水分变异性明显高于春季和秋季。这是由于夏季降雨较多、植物生长耗水也增多、土壤表面蒸发较大等因素影响，导致夏季土壤水分的变异性最强。这和高晓东等在黄土高原陕西省清涧店则沟镇（丘陵地形）土壤水分季节性特征的研究结果［8］相似。本研究还发现，同一区域表层土壤水分的变异系数大于深层的，表层土壤水分的空间变异性更大。表层土壤水分空间分布破碎化程度较高，分布规律不明显，空间变异性较大，深层土壤水分整体分布相对均匀。这和Jia等的研究结果［9］相似。这是由于影响土壤水分发生变化的降雨、蒸发、植被覆盖等因素随深度的增加而降低，随着土层深度增加，土壤含水量稳定性较好。

黄土丘陵地土壤水空间变异性研究目前看到的文献研究大部分在陕西黄土高原地区，对于宁夏南部干旱半干旱区土壤水分空间变异性鲜有研究，宁夏南部生态环境脆弱，水资源贫乏，本研究给出宁夏南部干旱区土壤水分空间变异性及季节性特征，可为该区域土壤水资源研究提供参考。