辽西山地丘陵区小流域土壤水分空间变异特性研究

王福兵

（锦州新泽工程建设监理有限公司，辽宁 锦州 121100）

1 研究方法

1.1 流域概况

以义县下山口小流域为研究区，该小流域位于辽西山地丘陵区，属于大凌河中游，地处E120°58′55″～121°2′10.5″，N41°21′26.3″～41°24′51.7″之间，总面积3586hm2。土壤类型以棕壤性土亚类为主，土壤腐殖质较少，通透性差，抗冲蚀性弱，极易发生水土流失。植被属华北针叶、阔叶和落叶混合类型区，以天然次生灌木林(荆条)和人工林(黑松、刺槐)为主，大部分为单一树种，成林面积较少，加之历代人类活动破话，大部分山地植物稀少。下山口小流域总面积3586hm2，用地类型以耕地、草地、灌木林地以及林地为主。

1.2 样品采集

针对下山口小流域不同土地利用类型，采用网格法按间距20m×20m 进行采样，通过GPS 定位共设置80 个样点，不同用地类型的样品采集信息，见表1。样点采集过程中利用土钻(直径4cm)分层取样，为保证数据精度每个样点取土样13 个，其中0～60cm 深度范围内每隔10cm 取样一次，60～200cm 深度范围内每隔20cm 取样一次。土样采集后放入铝盒内，在实验室利用烘干法进行土壤含水率测定，烘干时间8h，设定温度105～110℃，以质量百分比反映含水率变化。

表1 不同用地类型的样品采集信息

1.3 数据处理

采样时间为2021 年7 月，为消除土壤水分空间变异性受前期降雨及其再分布的影响，本研究不考虑0～20cm 深度范围内的水分数据。采用Excel 2018、SPSS20.0、Sigmaplot 12.0、Arc GIS 9.5 等软件计算土壤含水率平均值、标准差、变异系数、方差分析、多种比较、图件制作以及相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同用地类型的土壤水分特性

2.1.1 土壤含水率的统计特征值

变异系数CV是反映土壤含水率离散程度以及特征参数空间变异程度的重要因子[1]，一般将变异程度划分成强、中、弱3 个等级，所对应的变异系数CV≥100%、10% ＜CV＜100%、CV≤10%，不同用地类的土壤含水率，见表2。

表2 不同用地类的土壤含水率

由表2 可知，下山口小流域土壤含水率总体处于2.26%～22.70%之间，平均值8.15%，变异系数41.62%达到中等变异程度。对于不同用地类型，灌木林地、林地和草地的土壤含水率明显低于耕地的13.15%，相较于耕地土壤含水率减小55.4%、45.2%、31.2%；各用地类型的土壤水分变异系数处于28.13%～34.61%，总体达到中等变异程度。

依据方差分析结果，不同用地类型下土壤含水率平均值在P＜0.01 上显著差异，差异性排序：灌木林地＜林地＜草地＜耕地，该变化特征可能与下山口小流域耕地地貌形态以梯田和沟坝地为主，而坡耕地较少且大多分布于坡度较小的区域有关[2]。

2.1.2 土壤含水率的垂直分布

土壤垂直方向上的含水率分布变化受影响因素有土地利用、地形、蒸散、降雨等，土壤含水率垂直分布，不同用地方式的土壤含水率垂直分布，见图1。

图1 不同用地方式的土壤含水率垂直分布

由图1 可知，20～50cm 深度范围内随土层深度增加草地、林地和灌木林地的土壤含水率不断减小，深度＞50cm 后随土层深度增加草地、林地和灌木林地的土壤含水率逐渐增大，但140cm 处和160cm处草地、林地呈现出相对低湿和高湿特征。植被根系较深的灌木林地和林地会消耗大量的土壤水分，另外垂直方向上的水分吸收在一定程度上降低了坡面上土壤含水率的波动[3]。20～200cm 土层范围内耕地土壤含水率出现较大变异，总体呈先上升后下降再上升的变化趋势，100cm 土层深度处的含水率最低。在剖面上，耕地土壤含水率干湿波动与田间管理措施、人为对土壤的翻耕、土壤空隙分布等物理性能密切相关。

不同土层深度不同用地方式下的土壤含水率，见表3，经K-S检验每层土壤含水率数据均符合正态分布。

表3 不同土层深度的土壤含水率及变异系数 %

从表3 可以看出，草地、灌木林地、林地、耕地的各层土壤水分变异系数处于22.86%～40.60%、15.13%～32.25%、27.04%～44.78%、18.71%～43.67%范围，均达到中等变异程度；各土层变异系数随着土层深度的增大未表现出明显的变化规律。不同用地类型各土层土壤含水率变异系数、标准差与平均值的Pearson 相关系数，含水率Pearson 相关系数表，见表4。结果表明林地、草地、耕地含水率均值与变异系数、标准差的相关性不显著，而灌木林地含水率均值与变异系数、标准差呈极显著正相关，说明随着土壤含水率均值的增加灌木林地含水率变异性逐渐增大，这与剖面上土壤含水率分布特征一致。另外，不同用地类型下土壤含水率变异系数与标准差呈极显著正相关[4]。

表4 含水率Pearson 相关系数表

2.2 不同地形的土壤水分变异特性

2.2.1 土壤含水率的统计特征值

统计分析不同地形条件的土壤含水率，不同地形条件的土壤含水率，见表5。从低到高土壤含水率平均值排序：坡顶(8.12%)＜坡地(8.25%)＜沟底(8.67%)＜梯田(9.55%)，经方差检验达到P＜0.05的显著差异。不同地形的土壤水分变异系数处于34%～45%之间，达到中等变异程度。

表5 不同地形条件的土壤含水率

对小流域土壤含水率数据利用Arc GIS 软件自带的统计模块进行正态分布检验，经对数转化后土壤含水率数据服从正态分布，可以进行插值处理。结果表明，从低到高不同地形土壤含水率排序：坡顶＜坡地＜沟底，该变化特征与表5 统计数据保持一致。

2.2.2 土壤含水率的垂直变化及差异特征

将不同坡位按照坡高划分成坡下、坡中和坡上，结果显示从低到高不同坡位土壤含水率排序：坡中＜坡上＜坡下，不同坡位上的土壤含水率，见表6。

表6 不同坡位上的土壤含水率

不同坡位的土壤含水率变异系数均≥31%，达到中等变异程度，其中坡上与坡中相差不大，坡下最低，随海拔增加坡地上的土壤含水率差异性更加显著。经方差分析，坡上、坡中和坡下土壤含水率呈极显著或显著差异，其中坡下与坡上达到显著差异(P＜0.05)，坡上、坡下与坡中土壤含水率呈极显著差异(P＜0.01)。因此，土壤含水率受降雨再分配、土地类型、地貌、植被等因素影响呈现出坡上＜坡中＜坡下的特征。

不同坡位的土壤含水率垂直分布，见图3。在20～50cm 深度范围内随土层增加坡下、坡中和坡上土壤含水率逐渐减少，超过50cm 后随土层深度的增加含水率逐渐增大，该变化趋势与不同用地类型保持一致。

图3 不同坡位的土壤含水率垂直分布

2.2.3 不同坡向的土壤含水率

统计分析不同坡向的土壤含水率，不同坡向的土壤含水率，见表7，结果显示阳坡土壤含水率变异系数36%，均值7.86%，达到中等变异程度；阴坡土壤含水率变异系数32%，均值8.46%，达到中等变异程度，阴坡大于阳坡土壤含水率，经方差分析，阴坡显著高于阳坡的土壤含水率，究其原因是太阳辐射的再分配直接取决于坡向，阳坡远高于阴坡的蒸散发，对土壤含水率分布造成直接影响[5]；另外，阳坡植被较少使得其土壤水分散失也高于阴坡。

表7 不同坡向的土壤含水率

经方差分析，不各用地类型的土壤含水率呈极显著差异，坡地灌木林地(5.68%)、林地(8.35%)、草地(6.56%)的土壤含水率极显著(P＜0.01)低于耕地(12.60%)，从低到高排序：灌木林地＜草地＜林地＜耕地。坡顶上含水率最高的也是耕地，从低到高排序：灌木林地(4.25%)＜林地(6.01%)＜草地(8.26%)＜耕地(14.10%)。各用地类型下坡地和坡顶的土壤含水率变异系数均为中等变异程度，随着土壤含水率的逐渐增加各用地类型的变异系数不断减小。

2.3 土地利用与地形的交互作用

经对比分析，地形条件相同情况下各用地类型的土壤含水率变化特征与整个流域相比呈显著差异，不同用地方式相同地形条件的土壤含水率，见表8。对于耕地和草地，从低到高土壤含水率排序：坡地＜流域＜坡顶，针对灌木林地和林地，则表现为坡顶＜流域＜坡地。因此，土地利用方式和地形条件都会对土壤含水率空间变异性造成制约，单一考虑用地类型或地形条件对土壤含水率的影响无法全面揭示流域尺度上的空间变异规律。

表8 不同用地方式相同地形条件的土壤含水率

3 结论

文章以辽西山地丘陵区下山口小流域为例，应用经典统计学原理探讨土壤养分空间变异特性及其影响因素，结论有以下2 点：

1）不同用地类型下土壤含水率均值呈极显著差异性，从低到高排序：灌木林地＜林地＜草地＜耕地，总体达到中等变异程度；从剖面上，土壤含水率呈先下降后上升变化趋势；对于不同地形条件，从低到高排序：坡顶＜坡地＜沟底＜梯田；从坡位上，土壤含水率呈先下降后上升的变化趋势，坡下变异程度最小，而坡中最大；从坡向上，阳坡的土壤含水率小于阴坡，不同坡向均达到中等变异程度。

2）流域中的梯田、沟底、坡地、坡顶处于不同位置，所接受的风速、降雨再分配和太阳辐射不同，从而使得土壤含水率具有明显差异，不同地形条件下达到中等变异程度。