黑土坡耕地水保措施下土壤水分時(shí)空變異分析

張興義，王禹宸，李浩，陳強(qiáng)，陳帥

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

黑土坡耕地水保措施下土壤水分時(shí)空變異分析

張興義1,2，王禹宸1，李浩2，陳強(qiáng)2，陳帥2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)黑土坡耕地水保措施下土壤水分含量的時(shí)空變異規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，黑土坡耕地土壤水分呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的空間異質(zhì)性，水土流失對(duì)土壤含水量的影響可達(dá)2 km，采取水保措施可逐漸減弱其空間異質(zhì)性，對(duì)土壤水分的影響可縮短到100 m以內(nèi)。不同水保措施對(duì)減弱土壤水分空間變異程度表現(xiàn)不同，其中梯田和地埂植物帶最為顯著。合理使用人工水保措施是黑土坡耕地高效管理的重要措施。

黑土；土壤水分；水保措施；空間變異

東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的工業(yè)和商品糧基地，墾殖率高達(dá)80%，坡耕地占耕地面積50%以上。但水土流失嚴(yán)重，水土流失會(huì)導(dǎo)致土地破裂，耕地貧瘠，沙塵暴加劇，環(huán)境惡化[1]。近年來(lái)通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)和測(cè)定探索東北黑土區(qū)坡耕地水土流失規(guī)律，合理有效地開(kāi)發(fā)水土流失防治措施。其中保水功效是衡量水土流失防治措施成效的指標(biāo)之一，土壤水分是土壤肥力環(huán)境的重要保障，更是植物吸收水分的主要來(lái)源，土壤水分受多種因素影響，包括土壤自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部如溫度、降雨等隨機(jī)因素，對(duì)土壤水分空間分布和空間異質(zhì)性的研究成為研究土壤水分變化規(guī)律和水土保持措施成效的重要內(nèi)容。地統(tǒng)計(jì)學(xué)已被證明是分析土壤性狀空間分布和空間異質(zhì)性的最有效方法之一[2-3]。傳統(tǒng)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法分析土壤水分的空間異質(zhì)性存在結(jié)構(gòu)和分析上的不足，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行土壤水分分析可有效解釋水分空間分布格局[4-5]。Andrew等利用遙感和野外實(shí)測(cè)的土壤水分資料,從不同尺度成功分析了土壤水分的地統(tǒng)計(jì)特性[6-8]。

本文選取典型黑土區(qū)實(shí)施水保措施的小流域作為研究對(duì)象，利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤水分空間分布特征及空間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，旨在為黑土坡耕地水土保持和科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黑土中部區(qū)的中國(guó)科學(xué)院海倫黑土水土流失監(jiān)測(cè)研究站區(qū)內(nèi)的水土保持示范區(qū)，東經(jīng)126°49′47′′～126°49′59′′，北緯47°21′13′′～47°24′ 46′′，面積8.96 hm2，種植作物全部為大豆，海拔高度在186.7～205 m。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤?，雨熱同期，年平均降雨量?30 mm，其中60%～70%集中在6～8月份，年均氣溫約為1.5℃，作物有效生長(zhǎng)季為120～130 d。示范區(qū)于本試驗(yàn)?zāi)昵扒锛救坎扇∷帘３执胧?，梯田：壟向總體為西南走向，壟向坡度為0.5°，田面寬8.4 m，12根壟，下埂寬2 m，上埂寬0.4 m，田坎坡度為43°，高1.5 m；等高改壟：以等高線壟作為基準(zhǔn)線，確定第一根壟位置，然后依次起壟；地埂植物帶：在等高壟作的基礎(chǔ)上，沿壟向間隔30 m修筑底寬1.40 m、上埂寬0.4 m、高為0.5～0.6 m的土埂，并在埂上種植石刁柏保水固土植物；新型大壟水保耕作：利用中型拖拉機(jī)淺翻深松起大壟，將傳統(tǒng)65 cm兩個(gè)小壟合并為一個(gè)130 cm的大壟，減少壟溝數(shù)量1/3，順坡壟作，壟向坡度3.2°；壟向區(qū)田：利用筑垱犁實(shí)施壟向區(qū)田作業(yè)，土垱間隔1.2 m，垱高低于壟臺(tái)2 cm，順坡壟作，壟向坡度2.39°；免耕：秋季收獲除籽實(shí)外，全部粉碎覆蓋還田，春季免耕播種，除播種外，不再擾動(dòng)土壤，不進(jìn)行中耕作業(yè)，順坡壟作，壟向坡度2.39°。各種水保措施的詳細(xì)位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)及水土保持措施Fig.1 Study site and soil and water conservation measures

1.2 研究方法

通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)格布點(diǎn)法，設(shè)置126個(gè)采樣點(diǎn)（見(jiàn)圖1），每個(gè)樣點(diǎn)間的東西、南北間距各為15 m，分別于2012年5月15日、6月27日、8月17日和10月2日，利用TDR300（時(shí)域反射儀）測(cè)定樣點(diǎn)壟臺(tái)耕層0～20 cm土層的平均容積含水量，每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行3次以上測(cè)量并取3個(gè)相近值進(jìn)行加和得出平均值，所得平均值為該點(diǎn)平均容積含水量。

利用Esri ArcGIS 9.3軟件繪制小區(qū)示意圖，包括采樣點(diǎn)、相對(duì)等高線、壟向和地塊邊界。圖樣品的描述性分析利用SPSS 10.0軟件包，用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+5.3b（美國(guó)GAMMA DESIGNSOFTWARE公司）進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并繪制空間Kriging插值分布圖[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分含量經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)用樣本的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、最大值、最小值表示土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的異質(zhì)性程度，但只能反映群體的變異性，不能反映空間的異質(zhì)性[10]。表1結(jié)果表明，水保措施實(shí)施于前一年秋季，由于5月和6月未發(fā)生水土流失，此時(shí)尚未起到水保作用，故土壤水分受地形的影響變異大；8月是水土流失主要發(fā)生期，由于全部采用水保措施，阻止或降低水土流失的影響，變異性減小，10月份也是如此。

表1 土壤水分含量經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果Table 1 Classical statistic analysis of soil moistures

5、6和8月土壤水分含量平均值較為接近并且數(shù)值較低，耕層土壤含水量分別為24.2%、24.0%和22.3%，土壤進(jìn)入5月之前土壤含水量主要來(lái)源于上一年土壤存儲(chǔ)的水量、當(dāng)年土壤表層融雪后進(jìn)入土壤水分和部分4月少量降雨，進(jìn)入5月，由于播種和中耕，人為對(duì)土壤表層的改變加大土壤水分蒸發(fā)，但是隨著時(shí)間推移，降雨對(duì)土壤水分進(jìn)行補(bǔ)充（見(jiàn)圖2），故5月和6月平均土壤含水量基本相同。進(jìn)入雨季降雨明顯增多，流入土壤耕層水分增多，而因研究區(qū)全部為坡耕地，部分雨水沖刷延地勢(shì)從高到低流失，作物處于生長(zhǎng)旺期對(duì)土壤水分的吸取增加，消耗部分土壤水分，8月份平均土壤含水量相比5月和6月略低。秋季盡管降雨減少和土壤溫度降低，土壤水分流失減弱，尤其是水土保持措施在一定程度上保持土壤水分，10月份含水量相比前3個(gè)月份明顯增高。由表1可知，4個(gè)不同時(shí)期小區(qū)土壤含水量的變異性，4個(gè)時(shí)期土壤含水量變異系數(shù)（CV）分別為0.257、0.355、0.251和0.107，均表現(xiàn)為中等強(qiáng)度變異（0.1＜CV＜0.75）[4]，變化趨勢(shì)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)減弱之勢(shì)，水保措施減少水土流失是致使土壤水分變異的主要原因。

圖2 2012年4～10月降雨量Fig.2 Rainfalls from April to October of 2012

2.2 土壤水分地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

土壤是時(shí)空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性，不論在大尺度上還是小尺度上，土壤的空間異質(zhì)性均存在[11]。土壤水分是土壤結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，尤其是坡耕地，在空間上的異質(zhì)性，主要是由于地表和土壤中均存在水沿地勢(shì)的流失，加劇土壤水分的空間異質(zhì)性[9]。

表2給出4個(gè)不同時(shí)期土壤水分變異半方差函數(shù)理論模型的相應(yīng)參數(shù)。4個(gè)不同時(shí)期的研究區(qū)土壤含水量半方差模型在隨時(shí)間變化時(shí)轉(zhuǎn)變度較大，分別為指數(shù)模型、高斯模型、高斯模型和球形模型。塊金值與基臺(tái)值之比表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例，反映結(jié)構(gòu)因子和隨機(jī)因子作用比例，結(jié)構(gòu)因子為自然因子，包括地形、坡度、坡長(zhǎng)、降雨、土壤等，隨機(jī)因子為人類活動(dòng)的作用，包括開(kāi)墾、施肥、耕作、種植作物以及水土保持措施，如果該比值小于25%，屬于強(qiáng)的空間自相關(guān)，說(shuō)明因子具有很好的空間結(jié)構(gòu)性；若比值在25%～75%，屬于中等程度空間自相關(guān)；若比值大于75%，屬于弱的空間相關(guān)，反映隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性程度起主要作用[12]。4個(gè)月份土壤含水量塊金值比基臺(tái)值在0.502～0.791，5和6月分別為0.502和0.577，屬于中等程度空間相關(guān)并且塊金值比基臺(tái)值變化不大，表明人為因素對(duì)土壤水分空間異質(zhì)性的影響和土壤自身結(jié)構(gòu)因素對(duì)其影響大致相同，均約占50%。而進(jìn)入8月雨季，隨著降雨增多、作物生長(zhǎng)，土壤理化性狀的改變，此時(shí)人工水保措施對(duì)土壤水分空間異質(zhì)性的影響作用明顯加強(qiáng)，8和10月塊金值比基臺(tái)值分別為0.772和0.791，屬于弱的空間相關(guān)，充分說(shuō)明水土保持措施具有降低土壤水分空間異質(zhì)性的作用。4個(gè)月份塊金值比基臺(tái)值整體比較，其大小趨勢(shì)隨時(shí)間變化呈升高趨勢(shì)，即空間相關(guān)程度隨時(shí)間變化呈減小趨勢(shì)，即反映出水土保持作用逐漸加強(qiáng)。決定系數(shù)變化范圍在0.250～0.601，說(shuō)明理論變異函數(shù)模型能夠較好反映土壤水分的空間結(jié)構(gòu)特性。變程反映性狀的有效空間相關(guān)距離，是土壤水分空間相關(guān)的有效距離，即為某一點(diǎn)土壤含水量與多遠(yuǎn)的另一點(diǎn)土壤含水量存在空間相關(guān)關(guān)系（簡(jiǎn)言之就是某一點(diǎn)土壤水分受另一點(diǎn)土壤水分影響的最大距離），其整體趨勢(shì)表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，也從另一個(gè)側(cè)面反映出水土保持措施的保水效益逐漸增強(qiáng)。5月土壤水分空間相關(guān)有效距離最大，高達(dá)1 832.7 m，表明該區(qū)域水土流失對(duì)土壤水分的影響近2 km，隨著時(shí)間推移，水土保持作用加強(qiáng)，其空間有效相關(guān)距離在10月份僅為80.6 m，說(shuō)明水土保持措施可將地表徑流控制在100 m以內(nèi)。

表2 半方差函數(shù)理論模型及相應(yīng)參數(shù)Table 2 Theoretical models of semivariogram and their parameters

2.3 土壤水分克里格差值及其時(shí)空演變

圖3為研究區(qū)5、6、8和10月的土壤水分含量克里格差值圖，坡耕地土壤水分含量變化受多種因素影響，起主導(dǎo)作用的為降雨量和地勢(shì)因素。5和6月份的土壤水分分布最不均勻，其原因主要為上一年未采取水土保持措施，水土流失導(dǎo)致封凍前土體中的水分差異，6月份雖有一定量的降雨補(bǔ)充到土壤中，但地表裸露，土壤表面蒸發(fā)量大，尚未對(duì)土壤水分的空間異質(zhì)性造成影響。6月份后進(jìn)入雨季，由于采取水土保持措施，降雨向土壤中相對(duì)均勻地輸入大量水分，逐漸降低前期的土壤水分空間異質(zhì)性，8月份土壤水分呈現(xiàn)出較為均勻的分布。10月份秋季溫度下降，土壤的蒸騰作用減小并伴隨著一定的降雨，致使土壤水分含量較前3個(gè)月含水量高，土壤水分含量分布雖比較均勻，但水保措施作用對(duì)土壤水分空間分布作用明顯。最為明顯的為西南部的梯田區(qū)，該區(qū)的自然坡面為西北-東南向，坡度為7.2°，未修梯田時(shí)，東南角的坡地土壤含水量最高，垂直坡向修筑水平梯田后，秋收后，坡上土壤含水量高于坡下，主要是由于梯田層層攔蓄雨水，保水作用顯著。再一個(gè)區(qū)域?yàn)槲鞅辈康毓≈参飵^(qū)，由于實(shí)施等高壟作和間隔修筑地埂攔蓄雨水，使中上部出現(xiàn)土壤水分高值區(qū)。

新型大壟水保耕作土壤含水量4個(gè)時(shí)期變化不明顯，由于大壟是將傳統(tǒng)兩個(gè)小壟合并為一個(gè)大壟減少壟溝數(shù)量，通過(guò)壟溝流失的水分減少和壟臺(tái)滲水增加達(dá)到水分保持效果，總體仍是坡腳的土壤水分含量大于坡上土壤含水量。壟向區(qū)田和帶耕免耕后期土壤含水量空間異質(zhì)性也呈減小趨勢(shì)。壟向區(qū)田主要技術(shù)是沿著壟向每隔一定距離在壟溝內(nèi)修筑的高度略低于壟高的土垱，形成小區(qū)域閉合，就地貯存降雨，避免徑流和徑流匯集保持水分。免耕其表面覆蓋秸稈有效降低濺蝕，減小地表徑流量達(dá)到土壤水分保持，而在10月該區(qū)域現(xiàn)出土壤含水量相比其他地區(qū)明顯較小。不同人工水保措施都會(huì)在不同程度上改變土壤表面攔蓄雨水能力，促使土壤雨水就地入滲，降低土壤水分的空間異質(zhì)性，故應(yīng)因地制宜對(duì)農(nóng)田利用人工水保措施達(dá)到人為對(duì)水土保持效果。

圖3 土壤水分空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil moisture

3 討論

通過(guò)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤水分含量進(jìn)行分析，得出不同水保措施下土壤含水量隨季節(jié)性變化規(guī)律，表明人為對(duì)土壤改動(dòng)可影響土壤水分含量變化，減少因水土流失導(dǎo)致對(duì)土壤含水量的影響，增強(qiáng)土壤保持水分能力。

本文通過(guò)對(duì)土壤含水量進(jìn)行克里格插值并得出差值圖，直觀展現(xiàn)不同時(shí)期水保措施下土壤水分含量變化規(guī)律，為人工水保措施研究提供有利基礎(chǔ)，但土壤含水量測(cè)定方法是利用TDR300（時(shí)域反射儀）儀器通過(guò)金屬探頭對(duì)土壤含水量進(jìn)行測(cè)定，而并非利用傳統(tǒng)烘干法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量精度小，存在系統(tǒng)誤差。試驗(yàn)對(duì)土壤含水量時(shí)空變異分析主要集中在春末秋初階段，并沒(méi)有對(duì)冬季融雪過(guò)程中土壤含水量變化進(jìn)行分析，主要由于環(huán)境、人工等因素影響。

人工水保措施是土壤空間變異性應(yīng)用于實(shí)踐的良好成果，如何將土壤空間變異性的研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，是現(xiàn)階段土壤空間變異研究者不容忽視的問(wèn)題之一。

4 結(jié)論

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得出，水保措施下不同時(shí)期土壤含水量均表現(xiàn)出中等強(qiáng)度變異，變異隨季節(jié)變化呈減弱趨勢(shì)，說(shuō)明水土保持有降低因水土流失造成土壤含水量差異。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤含水量進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，水土流失對(duì)土壤含水量的影響接近2 km，而實(shí)施水土保持措施，土壤水分空間相關(guān)程度隨時(shí)間呈減弱趨勢(shì)，影響可降到100 m以內(nèi)，人為活動(dòng)對(duì)土壤含水量的影響由50%提高到70%以上。

改壟、梯田、地埂植物帶、壟向區(qū)田、免耕、新型大壟水保耕作水土保持措施對(duì)土壤含水量均有影響，可降低其空間異質(zhì)性，其中梯田和地埂植物帶措施對(duì)坡耕地土壤含水量影響最大，因此合理利用人工水保措施是保障黑土農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

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Spatial-temporal variation of soil moisture under the soil and water conservation in black soil sloping farmland

ZHANG Xingyi1,2,WANG Yuchen1,LI Hao2,CHEN Qiang2,CHEN Shuai2
(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Northeast Institute of Geography and Agroecology ChineseAcademy of Sciences,Harbin 150081,China)

Spatial-temporal variation of soil moisture and its spatial correlations were analyzed with the classical statistics and geostatistics in a black soil sloping farmland under soil conservation measures. Results showed that the soil moisture in the farmland was moderate spatial heterogeneity.The distance of soil moisture influenced by soil erosion was 2 km,and the soil and water conservation measures decreased the spatial heterogeneity gradually,the distance of soil moisture influenced by soil erosion could be reduced to 100 m.The degree of different measures to decrease soil water spatial variability were different.The soil and water conservation mearsures of the terraces and interval earth bank did the best.Hence,suitable soil and water conservation measures are the important measures for the management in black soil sloping farmland.

black soil;soil moisture;soil and water conservation;spatial variation

S153.6

A

1005-9369（2014）11-0059-06

2014-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41171230，41071201）

張興義（1966-），男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹谕赁r(nóng)業(yè)生態(tài)等。E-mail:zhangxy@neigaehrb.ac.cn

時(shí)間2014-11-21 16:43:43[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1643.015.html

張興義,王禹宸,李浩,等.黑土坡耕地水保措施下土壤水分時(shí)空變異分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(11):59-64.

Zhang Xingyi,Wang Yuchen,Li Hao,et al.Spatial-temporal variation of soil moisture under the soil and water conservation in black soil sloping farmland[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):59-64.(in Chinese with English abstract)