基于熵權法的黃土丘陵區(qū)賀莊溝流域土壤水分分析

林 坤，焦 峰，2

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100)

土壤水分是影響作物生長和植被恢復的重要因子。由于降水稀少，蒸發(fā)強烈，地表水資源極其匱乏，而且地下水通常埋深達40～100 m[1]，植物很難能夠利用，所以土壤水是極為寶貴而且有限的水資源，是決定該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的關鍵因子，對植被生長和旱作農(nóng)業(yè)具有重要的意義[2]。土壤水分狀況對土壤物理性質(zhì)和植被生長狀況有重要影響[3-5]，是決定土壤生產(chǎn)力的一個重要因素[6]。以小流域水分行為、生態(tài)效應及其優(yōu)化調(diào)控為主線，深入了解流域水文生態(tài)特征，有助于持續(xù)、扎實地推進生態(tài)環(huán)境建設[7]。由于小流域地形起伏，加上土地利用條件的不同，形成多種多樣的土壤水分再分配的微域分異。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，坡向、坡位和土地利用類型是影響土壤水分時空變異最重要的3個因子[8-9]，因此，研究黃土丘陵區(qū)的各因子對土壤水分的影響程度有重要意義。本研究擬通過對賀莊溝流域不同土層深度下土壤水分影響因子的權重分析，定量描述各影響因子對土壤水分的影響程度，從而為小流域恢復生態(tài)建設等提供科學的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 流域概況

賀莊溝流域位于延河流域安塞縣，地處東經(jīng)108°52′35″-109°04′30″，北緯 37°02′00″-37°05′45″，流域面積80 km2，地形地貌復雜多樣，境內(nèi)溝壑縱橫、川道狹長、梁峁遍布，山高、坡陡、溝深，屬典型的黃土丘陵區(qū)。土壤類型為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃綿土，土質(zhì)疏松，抗蝕抗沖性差，土壤侵蝕劇烈，水土流失嚴重。流域內(nèi)自然植被破壞殆盡，墾殖指數(shù)較高，土地利用以農(nóng)耕地、果園、天然草地、灌木林和喬木林為主。

1.2 研究方法

1.2.1 立地類型劃分 在賀莊溝流域，水分虧缺是限制這一地區(qū)林業(yè)等發(fā)展的主要障礙因素之一。因此，該地區(qū)在進行立地分類時，以影響土壤水分的主導環(huán)境因子作為依據(jù)，在此主要是指影響植被生長的坡向、坡位和坡度因子。賀莊溝流域立地類型劃分見表1。

表1 賀莊溝流域立地類型劃分

1.2.2 數(shù)據(jù)采集 采用斷面采樣法，樣點間隔100 m，充分照顧立地類型。土鉆法采樣，烘干法(105℃)測定[10]，測深2 m，取樣間隔20 cm。采樣的同時記錄采樣地點的經(jīng)緯度、土地利用類型、高程、坡度、坡位和主要植被類型等基本信息。采樣時間為2010年7月。

1.2.3 土壤水分剖面劃分 根據(jù)相關文獻將賀莊溝流域0-200 cm土壤剖面水分分布分為速變微利用層(0-20 cm)、活躍利用層(20-60 cm)、次活躍利用層(60-120 cm)、次活躍調(diào)節(jié)層(120-200 cm)[11-12]。

1.2.4 熵權法確定權重系數(shù) 在大多數(shù)評價問題中，權重的確定都受到主觀因素的影響，評價結果不統(tǒng)一，也沒有可比性。屬性識別模型是以屬性集理論和屬性測度為基本概念，在有序分割類和屬性識別準則的基礎上，能對事物進行有效的識別和比較分析。該模型在一定程度上減小了主觀因素的影響[13-14]。運用基于熵權法進行土壤水分綜合評價的基本思路:首先分別計算樣本各評價指標的屬性測度及其權重系數(shù)，利用加乘法原則求出樣本的屬性測度，最后根據(jù)置信度準則和評分準則對樣本進行分類、比較和排序。本研究運用熵值法確定各評價指標的權重系數(shù)，對賀莊溝流域土壤水分進行多因素綜合評價[15-17]。

2 結果與分析

2.1 土壤水分不同影響因子在速變微利用層的影響

由圖1可以看出，0-20 cm土層深度下，坡度的熵權值最大，為0.329;其次分別為坡位(0.265)、坡向(0.209)和土地利用類型(0.198)。這說明，在速變微利用層，坡度對土壤水分的影響最大，其次為坡位、坡向，土地利用類型的影響程度最小。在地表，降雨對土壤表層水分的影響遠遠高于植被對其影響。坡度影響坡面接受降水的有效面積，影響水分和徑流在坡面的停留和入滲時間，從而影響土壤水分。通常，在其他條件相同的情況下，坡度越大，土壤水分狀況越差。坡位影響水分在坡面的蒸發(fā)、入滲、匯集等水分的再分配過程。坡向影響坡面接受太陽輻射能量的數(shù)量，而在表層，其影響相對降雨入滲也很小，比土地利用類型的影響更大。

圖1 0一20 cm土層深度土壤水分不同影響因子的熵權

2.2 土壤水分不同影響因子在活躍利用層的影響

由圖2可以看出，20-60 cm土層深度下，土地利用類型的熵權值最大，為0.269;其次分別為坡位(0.255)、坡度(0.247)和坡向(0.229)。這說明，在活躍利用層，土地利用類型對土壤水分的影響最大，其次為坡位、坡度，坡向的影響程度最小。這是因為該層為植物根系主要分布的范圍，降雨從上層滲入的水分大都儲存在該層，是林木根系直接利用水分的范圍[12]。植被的根系對水分的吸收利用程度在20-60 cm土層差異最大，而坡位影響降雨的匯集。降水的影響相對0-20 cm土層有所減弱，所以影響接收降雨有效面積的坡度的影響也相對減小。坡向?qū)ν寥浪值挠绊懽畈幻黠@。

2.3 土壤水分不同影響因子在次活躍利用層的影響

由圖3可以看出，60-120 cm土層深度下，坡位的熵權值最大，為0.305;其次分別為坡度(0.273)、土地利用類型(0.222)、和坡向(0.199)。這說明，在次活躍利用層，坡位對土壤水分的影響最大，其次為坡度、土地利用類型，坡向的影響程度最小。這是因為，相對20-60 cm土層，此時植被的根系吸水對土壤水分的影響程度減弱。相反，坡位和坡度的影響程度就相對有所提升。

圖2 20一60 cm土層深度土壤水分不同影響因子的熵權

圖3 60一120 cm土層深度土壤水分不同影響因子的熵權

2.4 土壤水分不同影響因子在次活躍調(diào)節(jié)層的影響

由圖4可以看出，120-200 cm土層深度下，坡位的熵權值最大，為 0.313;其次分別為坡度(0.273)、土地利用類型(0.210)和坡向(0.204)。這說明，在次活躍調(diào)節(jié)層，坡位對土壤水分的影響最大，其次為坡度、土地利用類型，坡向的影響程度最小。這與60-120 cm土層深度下各影響因子的影響一致。

圖4 120一200 cm土層深度土壤水分不同影響因子的熵權

3 結語

在速變微利用層，坡度對土壤水分的影響最大，其次為坡位、坡向，土地利用類型的影響程度最小，坡向和土地利用類型的影響相差不大;在活躍利用層，土地利用類型對土壤水分的影響最大，其次為坡位、坡度，坡向的影響程度最小;在次活躍層，坡位對土壤水分的影響最大，其次為坡度、土地利用類型，坡向的影響程度最小。

坡向?qū)ν寥浪值挠绊懺? m以內(nèi)都較小。土地利用類型除在活躍利用層對土壤水分的影響相對較大以外，其它都比較小，這與黃奕龍等[18]的研究結果一致。坡位和坡度對土壤水分的影響明顯要高于土地利用類型和坡向的影響，這與劉世梁等[19]的研究結果一致。而坡位對土壤水分的影響，除峁頂和溝臺地外，坡上、坡中和坡下部分都受到坡度的影響。因此，提高小流域土壤水分的有效措施就是調(diào)整立地的坡度。

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