太行山南麓鱼鳞坑工程对坡面土壤水分空间变异性的影响
2021-10-14张志华郭加伟桑玉强王德彩张锦豪陈楠楠杨喜田
张志华,郭加伟,桑玉强,王德彩,杨 柳,张锦豪,陈楠楠,杨喜田
▪水土资源与环境▪
太行山南麓鱼鳞坑工程对坡面土壤水分空间变异性的影响
张志华,郭加伟,桑玉强,王德彩,杨 柳,张锦豪,陈楠楠,杨喜田*
(河南农业大学 林学院,郑州 450002)
【】探讨鱼鳞坑工程对坡面土壤水分空间变异性的影响。以太行山南麓实施鱼鳞坑工程坡面为研究对象,以自然坡面为对照,分析鱼鳞坑对坡面土壤水分空间变异的影响。①太行山南麓坡面土壤水分具有很强的空间相关性,实施鱼鳞坑工程可有效改善该区土壤水分状况,土壤含水率增加了7%~41%,变异程度由中等变异变为弱变异,结构变异占总变异的比例提高了20%~88%。②无论是在降水还是干旱条件下,自然坡面土壤水分从坡上到坡下均呈逐渐减小的带状分布,而鱼鳞坑坡面土壤水分在干旱条件下则呈斑块状分布,离散程度较高。③冗余分析表明,各环境因子解释量从大到小依次为砾石量(22.7%)>砂粒量(2.9%)>粉粒量(2.3%)>体积质量(1.3%)>海拔(1.0%)>砾石覆盖度(0.02%),自然坡地为海拔(25%)>砾石量(13.9%)>粉粒量(8.1%)>体积质量(2.9%)>砂粒量(1.2%)>砾石覆盖度(0.4%)。鱼鳞坑工程通过改变下垫面结构,弱化地形对土壤水分的影响,砾石引起的变异占总变异的比例增加,同时改善土壤保水性能,减小土壤水分变异系数,增加结构因素所占比例,改变坡面土壤水分分布特征,从而对土壤水分空间异质性产生重要影响。
土壤水分;空间异质性;鱼鳞坑工程;地统计学;冗余分析
0 引 言
太行山是华北平原重要的水源补给区、京津冀地区重要的生态屏障和国家京津冀协同发展战略的水源涵养功能区。在特殊的地质背景和人类活动作用下,该区植被破坏和水土流失严重,严重威胁华北平原的生态安全[1]。为了保护和改善生态环境,我国在此先后实施了“退耕还林工程”、“天然林保护工程”等生态重建措施,进行了大面积的鱼鳞坑造林整地工程。鱼鳞坑工程的实施,加之该区石多土少、微地貌复杂多变等特殊的地质背景,导致土壤水分具有高度的空间异质性。土壤水分作为华北土石山区植物生长的限制因素,其空间变异特征与区域土地利用管理措施、植被生产力提高和生态恢复有着紧密联系[2]。【研究意义】土壤水分是半干旱区生态系统发展的限制因子,对于整个生态系统的气候平衡、水循环和生态平衡起着决定性作用[3]。受地形地貌、植被覆盖、降水、径流、人类活动等因素的影响[4],土壤水分具有很强的空间异质性[5-6],主要表现为土壤水分在空间上的复杂性(Complexity)和变异性(Variability)[7]。控制土壤水分空间异质性的因素因研究尺度的不同而不同,在坡面尺度,地形和土地利用方式等是影响空间异质性的主要因素[4],且各要素间的协同、叠加影响,导致土壤水分空间异质性更加复杂。科学把握坡面土壤水分空间异质性,不仅有助于深入理解坡面生态水文学过程,而且对阐明土壤与植物间的相互作用关系具有重要的理论意义。
鱼鳞坑是干旱半干旱地区常用的水土保持工程措施。通过布设工程措施,对坡面微地形进行改造整理,能够增强土壤的抗蚀性[8],有效地拦截降雨[9],改变坡面土壤水分分布特征[10],从而影响土壤水分空间异质性。【研究进展】众多学者对鱼鳞坑整地模式下土壤水分状况进行分析,李萍等[11-12]研究结果发现,鱼鳞坑可以通过集水减沙,实现恢复植被和改善生态环境,且不同规格的鱼鳞坑以及鱼鳞坑的不同部位,其效果存在着一定的差异;郭慧莉等[8]研究发现,鱼鳞坑坡面水流阻力来源于降雨阻力、颗粒阻力、形态阻力叠加,受地形高低起伏、地表糙度的影响,鱼鳞坑坡形态阻力一直居于主导地位;张乐涛等[13]研究发现,将鱼鳞坑与其他工程措施相结合,极大地减少泥沙量,可以有效缓解干旱半干旱地区水土流失问题。【切入点】目前研究多集中在黄土高原区和东北黑土区,内容侧重于鱼鳞坑内外部的对比,缺乏修建鱼鳞坑对坡面水分分布格局及变异性的影响。【拟解决的关键问题】本研究以实施鱼鳞坑工程坡面为研究对象,以自然坡面为对照,分析鱼鳞坑对坡面土壤水分分布规律及空间异质性的影响,以期为该区生态恢复与重建提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于河南省济源市境内的太行山南段,隶属于黄河小浪底地球关键带与地表通量野外科学观测研究站。该区是我国水源涵养与重要土壤保持区,生态系统结构简单、水源涵养能力低、水土流失严重。气候类型为暖温带大陆性季风气候,年均气温13.1 ℃,年均降水量 613 mm,年均蒸发量1 611 mm,降水多集中在 6—9月,占全年总降水量的68.3%。土壤主要为棕壤和在花岗片麻岩等风化母质上发育而来的山地褐土。土壤质地以砂土为主,砂粒量平均值为89.0%,粉粒量平均值为7.7%,黏粒量平均值为3.2%,土壤保水蓄水能力差。从坡上到坡下,土层平均厚度从10~20 cm增加到40~50 cm,坡面土被分布极不均匀,砾石平均体积含量从坡上36%减少到坡下25%。植被类型主要为次生低矮乔木刺槐()、人工种植的栓皮栎()和侧柏((L.)),灌木主要有荆条(L())和酸枣()。
基于野外调查,在研究区选取实施鱼鳞坑工程的坡面作为研究对象,选择地形地貌与之相似的自然坡面作为对照进行研究。样地基本情况如表1所示,鱼鳞坑坡面坡长100 m,宽30 m,自然坡地长85 m,宽30 m,坡向均为阳坡,海拔约为360 m,坡度在19°左右,土壤类型为砂土,土壤中砾石量较高,植被分布从坡上到坡下依次为草本-灌木-乔木,灌木类型为酸枣()、扁担杆()和荆条(L.),乔木类型为刺槐(L.)和栓皮栎()。鱼鳞坑由大岩石围成拦水埂,内部填充表层细土,呈鱼鳞状排列于坡面的坡上和坡中部位,坑内种植侧柏()幼苗。
表1 样地基本情况
1.2 样点布设与样品采集
本研究在2个坡均采用线状取样法,即沿坡面横向以5 m间隔依次布设5条纵向样线,在纵向样线上每间隔10 m布设1个采样点,依据坡面大小,鱼鳞坑坡共布设42个样点,自然坡地共布设32个样点。利用全站仪和GPS相结合的方法测定样点坐标和绘制地形图[14],采用3×3的DEM(Digital elevation model)栅格分析窗口(即八邻域运算),提取算法中用到的X和Y方向的高程变化率,用于基本地形因子(坡度、坡向、坡长、海拔等)的提取。在每个采样点清理地表枯落物后,取0~10 cm和10~20 cm土层土样,每层取3个重复样,样品带回实验室,过筛备用。用100 cm3环刀取原状土,测土壤体积质量;土样风干后用比重计法测定土壤机械组成;排沙法测砾石量;土壤含水率的测定采用烘干法,采样时间为7、8月,每2天取1次样。分别统计干旱(连续7 d未降水)和降水条件土壤水分(降水量大于20 mm,且于雨后6 h内测定土壤含水率)。
1.3 数据分析
数据的分析主要采用均值加减3倍标准差识别特异值,特异值分别由正常的最大值和最小值代替[15]。用Excel 2010进行数据的整理和表格绘制;运用Spss 25.0对数据进行Kolmogorov-Smironov(K-S)正态检测和描述性统计分析;土壤水分的地统计学分析通过GS+7.0进行;利用ArcGIS 10.5进行土壤水分空间插值;应用Canoco5.0进行冗余分析。
地统计学是以变异函数理论和结构分析为基础,在有限的区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法,是研究土壤空间分布特征及其变异规律的最有效的方法之一。在本文中,应用地理信息系统(GIS),将研究区域范围内样点的土壤含水率作为土壤属性数据,结合其地理数据,通过地理数据确定样点之间的距离,通过属性数据计算土壤水分之间的差异,从而得出地统计学所需要的步长和半方差的函数关系。研究表明,在土壤空间异质性分析中,样本足够大时可用半变异函数分析[16],分析结果可以反映空间相关性程度。半变异函数又称半变差函数、半变异距,是地统计学的特有函数。区域化变量()在点和处的值()与()差的方差的1/2称为区域化变量()的半变异函数,记为(),2()称为变异函数[17]。
半变异函数计算式为:
()∑[(x)(x+h)]2/2(), (1)
式中:()为的半方差函数值;为两样本空间距离;()为间隔距离等于的样本总数;(x)和(x)分别为空间位置点x和x处指标的实测值。
直接梯度分析(约束性排序)是数量生态学领域常用的研究方法,其原理是将物种加权平均迭算后,与环境因子进行多元线性回归,生成可以反映并揭示物种与环境之间关系的排序轴[18]。本研究将土壤水分作为研究对象,土壤理化性质和地形作为环境因子进行分析,结果显示其排序轴的梯度长度小于3,故分析土壤水分变异的主要影响因素时选用冗余分析(RDA,线性模型)。冗余分析是一种回归分析结合主成分分析的排序方法,以原始变量作为因变量,典型变量作为自变量,建立线性回归模型,描述由于因变量和典型变量之间的线性关系引起的因变量变异在因变量总变异中占的比例。
2 结果与分析
2.1 土壤水分的统计特征
表2为鱼鳞坑和自然坡地土壤水分的描述性统计结果。干旱条件下,土壤含水率随着土层深度的增加而增加;降水条件下,含水率则随着土层深度的增加而减小。无论在干旱还是降水条件下,鱼鳞坑土壤含水率平均值均大于自然坡地。干旱条件下,鱼鳞坑0~10 cm和10~20 cm土壤含水率分别比自然坡地增加了41%和25%,降水条件下则分别增加了17%和7%。变异系数反映了土壤含水率的离散程度,(%)<10为弱变异,10<(%)<100为中等强度变异[19]。鱼鳞坑各土层含水率的变异系数均小于自然坡地,在干旱条件下,鱼鳞坑和自然坡地0~20 cm土壤含水率均表现为中等强度变异;在降水条件下,鱼鳞坑0~10 cm和10~20 cm变异系数分别为7.95和8.95,属弱变异;自然坡地各土层变异系数则分别为16.81和16.28,达中等强度变异。半方差分析要求数据符合正态分布,K-S检验结果显示,渐近显著性(双侧)>0.05,表示数据符合正态分布。
表2 鱼鳞坑和自然坡地土壤水分的描述性统计结果
2.2 土壤水分的空间变异
变程(0)代表变量具有空间自相关性的最大距离。由表3可知,鱼鳞坑和自然坡地的变程分别为7.41~25.43 m和15.11~101.60 m,均大于5 m取样间隔,样点布设合理,且鱼鳞坑的变程远小于自然坡地,说明鱼鳞坑空间自相关的距离小于自然坡地。
块金值(0)表示随机部分空间异质性,基台值(0)表示最大变异程度,块金值和基台值的比值即为块金系数(0/0),可以用来表示随机因素引起的空间变异程度[20],块金值越大,随机变异越不可忽视。块金系数标准为<25%(较强空间相关性)、25%~75%(中等空间相关性)、>75%(弱空间相关性)[15]。干旱条件下,鱼鳞坑和自然坡地块金系数表现相似。鱼鳞坑和自然坡地的块金系数均随土层深度的增加而增加。0~10 cm土层二者的块金系数均<25%,有较强空间相关性;10~20 cm土层则均介于25%~75%之间,具有中等强度空间相关性。降水后,鱼鳞坑和自然坡地块金系数的变化规律则不尽相同。鱼鳞坑在0~10、10~20 cm土层的块金系数均小于25%,具有强烈的空间相关性。自然坡地的块金系数在降水后则表现为随土层深度的增加而减小,在0~10 cm为32.15%,有中等空间相关性;10~20 cm为23.43%,则具有较强的空间相关性。无论是干旱还是降水,鱼鳞坑的块金系数均小于自然坡地。干旱条件下,0~10 cm和10~20 cm土层深度,鱼鳞坑的块金系数分别比自然坡地减小了64%和20%;降水条件下则分别减小了85%和88%。
表3 鱼鳞坑和自然坡地土壤含水率变异函数理论模型及有关参数
2.3 土壤水分空间分布格局
本研究利用Kriging插值法绘制等值线分析鱼鳞坑和自然坡地土壤水分空间分布格局(图1)。自然坡地降水与干旱条件下土壤水分均从坡上到坡下逐渐增加,呈带状梯度变化,空间连续性好,这也是自然荒坡地变程大的原因。鱼鳞坑的中值区面积小于自然坡地,说明鱼鳞坑的土壤水分的变异程度小于自然坡地,与描述性统计分析结果相同。在干旱和降水条件下,鱼鳞坑坡地土壤水分分布不同。在干旱条件下,鱼鳞坑土壤水分斑块破碎严重,离散程度高;降水后,土壤水分呈带状梯度变化,空间连续性增加。
图1 鱼鳞坑和自然坡地土壤水分空间分布特征
2.4 土壤水分与环境因子RDA分析
为揭示土壤水分与环境因子关系,应用Canoco 5软件基于线性模型进行冗余分析。本文所用到的环境因子有砾石量、砾石覆盖度、体积质量、机械组成等土壤因子和海拔(坡位)、坡度、坡向等地形因子,前项选择结果显示,鱼鳞坑坡地土壤水分的主要影响因子是体积质量、砾石覆盖度、砾石量、砂粒量和粉粒量;自然坡地的主要影响因子是海拔(坡位)、体积质量、砾石覆盖度、砾石量、砂粒量和粉粒量。土壤水分与主要影响因子RDA分析结果(表4)显示,鱼鳞坑地和自然坡地第一轴和所有轴的蒙卡特罗置换检验结果值均小于0.05,表明冗余分析结果可信。依据环境因子与排序轴的相关系数对排序轴进行定义,鱼鳞坑第一轴定义为“砾石量轴”,特征值为0.238 1,解释量为23.81%,对响应变量累积解释量为93.15%,第二轴为“砂粒量—粉粒量轴”,对响应变量累积解释量为100%,前2个排序轴所形成的二维线性关系可以充分反映土壤水分与环境因子之间的关系;第一轴定义为“海拔-砾石量轴”,对应特征值0.480 7,解释量为48.07%,对应累积解释量为93.52%,第二轴为“砾石量-粉粒量轴”,第一、第二轴可用来反映水分与环境因子相关关系。
RDA排序图(图2)可以直观地反映出环境因子与土壤水分的关系。环境因子的箭头长度反映了环境变量对水分变量的解释量。结果发现,在图2(a),砾石量、粉粒量和海拔对土壤水分的变化作用影响最为强烈,在图2(b),海拔、砾石量、粉粒量、体积质量对水分的变化作用影响最为强烈。物种与环境因子之间的夹角可以反映出环境因子与土壤含水率之间的相关性(夹角<90°正相关;夹角>90°负相关)。可以看出,鱼鳞坑和自然坡地的土壤水分与环境因子之间的相关性相同,海拔、砾石覆盖度、体积质量、砾石量、砂粒量与土壤含水率之间呈负相关关系,即随着海拔、砾石覆盖度、体积质量、砾石量、砂粒量的增加,土壤含水率呈降低的趋势;粉粒量与土壤含水率之间呈显著正相关关系,随着粉粒量的增加,土壤含水率增加。
表4 土壤水分与环境因子RDA分析
图2 土壤水分RDA排序
将单个环境因子对土壤水分变异的解释贡献率进行量化,展示各环境因子的偏冗余分析结果(图3)。各环境因子的蒙特卡罗置换检验结果值均小于0.05,符合数据分析的要求。鱼鳞坑各环境因子解释量从大到小依次为砾石量(22.7%)>砂粒量(2.9%)>粉粒量(2.3%)>体积质量(1.3%)>海拔(1.0%)>砾石覆盖度(0.02%),共解释了水分变异的30.4%,未解释量为69.6%;自然坡地为海拔(25.0%)>砾石量(13.9%)>粉粒量(8.1%)>体积质量(2.9%)>砂粒量(1.2%)>砾石覆盖度(0.4%),总解释量为51.5%,未解释量为48.5%。综上,影响鱼鳞坑和自然坡地水分变异的主控因素不完全相同,鱼鳞坑土壤水分变异的主要影响因素是砾石量,自然坡地解释量最大的是海拔和砾石量。除此之外,砾石覆盖度、土壤体积质量和机械组成也是2个坡面土壤水分变异的重要影响因素,是该区土壤水分研究不可或缺的环境因素。
图3 环境因子偏冗余分析
3 讨 论
鱼鳞坑等整地工程的实施可有效提高土壤含水率,增强土壤持水性及抗旱能力,有效影响土壤的水分特性[21-23]。本研究发现,与自然荒坡地相比,鱼鳞坑坡地含水率增加了7%~41%,变异系数由中等变异变为弱变异,空间自相关的距离小于自然坡地。这是因为鱼鳞坑工程主要通过对地表下垫面原有形态结构的二次改造和整理,增加景观异质性,改变水文循环和物质迁移路径,达到保持土壤水分的目的[24-25]。本文的空间变异分析也发现相较于自然坡面,鱼鳞坑的块金系数比自然坡地减小了20%~88%,小尺度的随机变异占比大大减小,RDA分析显示,海拔(坡位)对自然坡地的影响大于鱼鳞坑坡地,说明鱼鳞坑工程的实施会减弱地形对土壤水分的影响,从而改变土壤水分空间分布。
本研究表明,无论在降水还是干旱条件下,自然荒坡地土壤水分从坡上到坡下均逐渐增加,呈带状梯度变化,空间连续性较好;鱼鳞坑坡地土壤水分仅在降水条件下呈带状梯度变化,在干旱条件下则呈斑块状分布,空间连续性差。这是因为在降水条件下表层土壤水分趋于饱和[26],坡面土壤水分差异降低,空间连续性增强。鱼鳞坑和自然坡面的水分分布规律说明鱼鳞坑工程减弱了海拔(坡位)对土壤水分的影响,减小了坡面水分变异,这与统计分析结果(表2)和冗余分析结果一致(图2)。与自然荒坡地相比,鱼鳞坑坡面能在降水过程中通过拦蓄地表径流,增加坡面土壤含水率;在干旱条件下,则通过减少蒸发,提升土壤保水能力[21]。鱼鳞坑的蓄水及保水能力改变了土壤水分从坡上至坡下逐渐增大的原有趋势,使土壤水分在干旱条件下呈斑块状分布。
土壤水分空间异质性与植被、地形因子和土壤性质有着密切的联系。由冗余分析结果(图3)可知,本研究区影响土壤水分空间异质性的因素主要为地形、砾石量和土壤机械组成。对地形的改造措施及其空间组合模式能够创造出许多不同的斑块镶嵌体,使之显著区别于周围环境的地形地貌结构和生物地球化学过程[27]。相较于自然荒坡地,鱼鳞坑工程的实施减弱了海拔(坡位)对土壤水分空间变异的影响程度(图3)。鱼鳞坑措施具有集水作用[11],其通过对坡面径流进行拦蓄和再分配,削弱了不同样点之间的水分差异。在鱼鳞坑坡面,砾石量和砂粒量对水分空间变异的解释量分别为22.7%和2.9%,大于自然坡地的13.9%和1.2%。由于地形的改变,海拔对土壤水分的影响减弱,突显了砾石和土壤机械组成对水分的影响作用。本研究表明,砾石及砂粒与土壤水分负相关(图2)。研究区土壤类型为砂土,平均砾石量大于30%,砾石量较高,且多紧密嵌入土壤内。大量砾石的存在,增加了水流弯曲度,阻滞水分入渗,降低了土壤含水率[28]。同时,研究发现鱼鳞坑工程可改善土壤质地,增加土壤黏粒和粉粒量,提高土壤饱和导水率,增强土壤保水性[21,29]。此外,鱼鳞坑整地工程通过改变地表粗糙度、起伏度等,对地表温度、风速等产生影响,从而降低土壤蒸发[22]。
当前,工程措施被广泛应用于干旱半干旱区植被建设中,是水资源高效利用的主要手段。研究鱼鳞坑工程措施对土壤水分空间异质性的影响对了解生态系统生物、物理及化学演变过程有重要意义。但是,目前国内外关于鱼鳞坑整地工程措施对水文过程、水分空间分布及其影响机制方面并无统一结论[23,30],需进一步深入研究。
4 结 论
1)鱼鳞坑工程可有效改善土壤水分状况,相比于自然坡地,土壤含水率增加了7%~41%,变异程度由中等变异变为弱变异,结构因素引起的变异占空间变异的比例提高了20%~88%。
2)鱼鳞坑具有集水、保水效果,干旱条件下鱼鳞坑坡面土壤水分呈斑块状分布,变程小,离散程度较高。
3)海拔和砾石是太行山南麓土壤水分空间异质性的主要影响因素,均与土壤水分负相关,土壤体积质量和机械组成也是引起土壤水分空间变异的重要因素。与自然坡地相比,鱼鳞坑工程的实施,使海拔对坡面水分空间分布的影响由25%减弱为1%,砾石对水分空间异质性的影响由13.9%提高为22.7%。
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Spatial Variation in Soil Water Content Over Hillslopes Engineered by Fish-scale Pits in Taihang Mountainous Region
ZHANG Zhihua, GUO Jiawei, SANG Yuqiang, WANG Decai, YANG Liu, ZHANG Jinhao, CHEN Nannan, YANG Xitian*
(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)
【】Fish-scale pit is a common technology used to engineering earth slopes in arid and semi-arid regions to improve water infiltration and reduce soil erosion. The objective of this paper is to investigate how implementation of this technology reshapes soil water distribution in the slopes.【】The experiments were carried out at slopes on the south face of Taihang mountainous region with slope without pits taken as the control. Across each experimental slope, we measured soil water content in the top 0~20 cm soil across the slope at different seasons and analyzed its spatial variation.【】①Engineering earth slopes with the fish-scale pits could improve soil water content by 7%~41% depending on seasons and locations in the slope; it also made soil water distribution less spatially heterogeneous and increased the proportion of structural variation in the total variation by 20%~88%.②Under natural conditions, soil water content in non-pitted slopes decreases from the top to the toe, while engineering the slopes with the pits made soil water distribution patchy, especially in drought seasons. ③Redundancy analysis revealed that for the engineered slopes, environmental factors that affected spatial variation in soil water content and their associated contribution scores (the numbers in the bracket) were ranked in the order of gravel content (22.7%)>sand content (2.9%)>silt content (2.3%)>altitude (1%)>bulk density (1.3%)>gravel coverage (0.02%), while for the natural slopes the factors were ranked in the order of altitude (25%)>gravel content (13.9%)>silt content (8.1%)>bulk density (2.9%)>sand content (1.2%)>gravel coverage of soil surface (0.4%).【】Engineering earth slopes using fish-scale pits can reduce the influence of topography on spatial distribution in soil moisture, with the gravel content affecting spatial variation in soil water content the most. It also reduced spatial variation in soil moisture and increased soil water content. These combine to improve the bioavailability of soil water to plants and crops.
soil moisture; spatial variability; fish-scale pits; geostatistical analysis; redundancy analysis
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S152.7
A
10.13522/j.cnki.ggps.2021060
1672 – 3317(2021)09 - 0085 - 08
2021-03-03
国家自然科学基金项目(41807174);河南省教育厅重点项目(18A220002);河南省科技攻关项目(182102311008)
张志华(1984-),女,宁夏吴忠人。讲师,主要从事生态水文学和水文土壤学方向研究工作。E-mail: zhihua1221@163.com
杨喜田(1965-),男,河南长垣人。教授,主要从事恢复生态学研究。E-mail: xitianyang@aliyun.com
责任编辑:白芳芳