陜南旬陽壩地區(qū)坡面土壤水分影響因子研究

安彬

（1.安康學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西安康725000；2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，陜西安康725000）

陜南旬陽壩地區(qū)坡面土壤水分影響因子研究

安彬1，2

（1.安康學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西安康725000；2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，陜西安康725000）

土壤水分狀況是反映生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及合理進(jìn)行農(nóng)業(yè)措施的重要參考指標(biāo)?；谝巴馇貛X中山區(qū)典型坡面不同用地類型（林地、撂荒地、園地和農(nóng)耕地）的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，利用生態(tài)數(shù)量學(xué)冗余分析法（RDA），分析了坡面尺度上的土壤理化性質(zhì)、地形等環(huán)境因子與土壤水分之間的關(guān)系。結(jié)果表明，園地、撂荒地、林地和農(nóng)耕地土壤水分均值表現(xiàn)出一致性，且各層多表現(xiàn)出中等變異程度；4種用地類型的環(huán)境因子對(duì)土壤水分前2軸的累積解釋量占特征值的總和均達(dá)到93%以上，坡度、坡位、有機(jī)質(zhì)和容重對(duì)坡面土壤水分影響最為顯著，林地和撂荒地受坡位的影響較大，而園地和農(nóng)耕地受坡度因子的影響較大。因此，針對(duì)陜南秦嶺段中山區(qū)坡面土壤水分的特征研究，可以將樣點(diǎn)的坡度和坡位等作為分析的重要參考因子。

秦嶺中山區(qū)；表層土壤水分；坡面；影響因子；RDA

土壤水分是土壤的重要組成物質(zhì)之一，也是區(qū)域內(nèi)氣候、植被、地形、土壤屬性以及人類活動(dòng)等因素的綜合反映[1-2]，具有時(shí)空尺度上高異質(zhì)性[3-5]。因此，掌握不同區(qū)域內(nèi)土壤水分分布的影響因子，對(duì)研究土壤—植物—大氣的水分過程有著重要意義。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)不同尺度上影響土壤水分的因子進(jìn)行了較深入的探索。NYBERG[6]研究表明，區(qū)域尺度內(nèi)對(duì)土壤含水量的影響強(qiáng)弱依次是匯流面積、坡度、根系分布和土層厚度。孫中峰等[7]研究認(rèn)為，坡向、坡度、坡位是影響坡面尺度土壤水分分布的主要因子。王信增等[8]研究表明，區(qū)域尺度土壤水分變化主要受到包括蒸散、降水、溫度等氣象因子的影響，而小流域尺度土壤水分變化則是受坡度、土地利用等因子影響。徐學(xué)選等[9]研究認(rèn)為，坡位和坡向是影響黃土丘陵區(qū)地塊尺度土壤水分空間分布的主要因子。唐楊等[10]研究指出，相對(duì)高程是影響綠洲各層土壤水分的主要因子。徐飛等[11]研究認(rèn)為，高程、土地利用類型和土層厚度對(duì)土壤水分分布的相對(duì)貢獻(xiàn)率最大。在時(shí)間尺度上，土壤水分往往受諸多氣象因子的共同作用[12]。以上研究說明，空間及時(shí)間尺度的不同，使得影響土壤水分的主控制因素發(fā)生變化。但這些研究主要集中于黃土高原等西北干旱半干旱地區(qū)，而對(duì)于秦嶺中山區(qū)的研究較少。

本研究選擇秦嶺中山區(qū)典型區(qū)域坡面尺度，采用冗余分析方法（Redundancy analysis，RDA）對(duì)土壤水分變異及其與影響因子的關(guān)系進(jìn)行分析，旨在為今后秦嶺山區(qū)合理實(shí)施農(nóng)業(yè)措施和保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

旬陽壩鎮(zhèn)位于陜西省寧陜縣城東北方向，介于108°25′12″～108°41′24″E，33°24′36″～33°36′36″N（圖1）。地勢(shì)西南高、東北低，中部谷底較平坦，以2 053 m的平河梁為最高，境內(nèi)月河谷底海拔最低，高差達(dá)到800 m，屬于秦嶺亞高山和中山區(qū)的過渡區(qū)。多年平均氣溫為12.3℃，年平均日照時(shí)數(shù)為1 662.5 h，≥10℃的年平均積溫為3 854.1℃；多年平均降水量為908 mm，年內(nèi)降水以夏季為最多（415.8 mm）。土壤類型主要是黃棕壤和棕壤，土體含石礫多，緩坡或槽地土層深厚；陡坡、山梁土層較薄，部分土層甚至只有15 cm。河流密度較大，水利資源豐富，年平均徑流深為400 mm以上。植被屬于亞熱帶常綠闊葉林與北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林地帶中菜子坪、旬陽壩植被小區(qū)，是秦嶺重要的林區(qū)之一[13]。

1.2 采樣方法

根據(jù)收集到旬陽壩鎮(zhèn)地形圖，結(jié)合野外實(shí)地考察，選擇上兩河地區(qū)典型坡面作為研究對(duì)象。坡面上主要有農(nóng)耕地（玉米、馬鈴薯）、林地（油松、華山松）、撂荒地（禾本科蒿草、白茅草）、園地（人工板栗林）4種土地利用類型，基本理化性質(zhì)列于表1。

表1 上兩河典型坡面土壤基本理化性質(zhì)

每個(gè)采樣點(diǎn)（除農(nóng)耕地外，每個(gè)樣點(diǎn)先輕輕刨去表層的腐殖質(zhì)）以5 cm為間距挖取土壤剖面，統(tǒng)一深度為30 cm，用體積100 cm3的環(huán)刀取樣。并且詳細(xì)記錄樣點(diǎn)的坡度、坡向、海拔等數(shù)據(jù)。共計(jì)采集樣點(diǎn)數(shù)78個(gè)，樣品460個(gè)（部分樣點(diǎn)20 cm處就開始出現(xiàn)母質(zhì)層），所采土壤樣品全部入袋稱質(zhì)量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

對(duì)土壤樣品的理化性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)分析，其中，

土壤水分采用經(jīng)典烘干法，所測(cè)的是土壤質(zhì)量含水量[13]；土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用燒失量法[14]；土壤容重采用烘干稱重計(jì)算法測(cè)定[14]；土壤粒度采用Master-sizer 2000激光粒度儀測(cè)定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

表2 研究區(qū)內(nèi)影響土壤水分定性因子的編碼轉(zhuǎn)換

為了反映環(huán)境因子對(duì)坡面土壤水分的影響，本研究采用冗余分析方法（RDA）進(jìn)行分析排序。RDA分析，又稱直接梯度分析，能夠?qū)⒀芯繉?duì)象排序和環(huán)境因子排序在一個(gè)圖上表示出來，可以直觀地看出二者之間的關(guān)系[16]。RDA分析需要分別建立土壤水分和環(huán)境因子的數(shù)據(jù)庫矩陣[17]。環(huán)境數(shù)據(jù)矩陣為P×N維，其中，N為樣點(diǎn)數(shù)，P為環(huán)境因子的數(shù)量[17]。根據(jù)實(shí)際情況，選擇研究區(qū)內(nèi)影響土壤水分的坡位、坡向、坡度、黏粒、粉粒、砂粒、有機(jī)質(zhì)和容重8個(gè)相關(guān)的環(huán)境因子。其中，對(duì)定性因子（坡位、坡向、坡度和土地利用類）進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換分級(jí)（表2），而其他因子直接從室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征分析

通過不同土地利用類型下土壤水分統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，土壤水分均值大小依次為園地（20.9%）、撂荒地（19.59%）、林地（18.06%）、農(nóng)耕地（17.22%），各層土壤水分大小排序與總體均值表現(xiàn)出一致性；且表現(xiàn)出0～10 cm土層水分最高，20～30 cm次之，10～20 cm最低。這可能與從坡頂?shù)狡碌椎耐恋乩妙愋头謩e是林地、園地、撂荒地和農(nóng)耕地有關(guān)，表現(xiàn)出坡頂土壤水分大，而坡底土壤水分小的特征，與徐學(xué)選等[9]和王健勝等[17]的研究觀點(diǎn)相同。從標(biāo)準(zhǔn)差來看，各土地利用類型都基本在2%左右，說明該次采樣所得的土壤水分分布均勻。各土地利用類型土壤水分的波動(dòng)程度不同，除園地0～10 cm和農(nóng)耕地20～30 cm表現(xiàn)為弱變異程度外，其余都屬于中等變異程度，且均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，變異性增強(qiáng)的趨勢(shì)。通過計(jì)算，1/2以上土壤水分的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)為正數(shù)，說明這些土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的均值均在峰值的右側(cè)；K-S值均為正值且都大于0.05，說明各層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)都符合正態(tài)分布（表3）。

表3 不同土地利用類型下各層土壤水分統(tǒng)計(jì)

2.2 土壤水分與環(huán)境因子之間的關(guān)系

土壤水分RAD排序圖較好地描述了不同土地利用類型下土壤水分與環(huán)境因子的關(guān)系（圖2）。圖2中，空心圓代表各采樣點(diǎn)，粗線箭頭代表坡面各個(gè)環(huán)境因子，細(xì)線箭頭代表采樣土層；粗線箭頭連線與細(xì)線箭頭連線之間的夾角的余弦值代表某土層與某環(huán)境因子之間的相關(guān)性；粗箭頭所處的象限表示環(huán)境因子與排序軸間的正負(fù)相關(guān)性，用粗線箭頭與排序軸夾角的余弦值表示二者之間的相關(guān)程度；粗線箭頭所在線段的長度表示環(huán)境因子與土壤水分相關(guān)性的大小，線段越長，說明相關(guān)性越大，反之則越小[8，12]。表4表示RDA排序前2軸上土壤水分與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)。從表4可以看出，各用地類型的環(huán)境因子對(duì)土壤水分前2軸的累積解釋量占特征值的總和均達(dá)到93%以上，說明前2排序軸能夠解釋土壤水分與環(huán)境因子之間的關(guān)系。

從各用地類型的RAD排序圖可以看出，第1排序軸包含了坡面大部分的環(huán)境因子信息，其中，坡位和坡度與第1排序軸的相關(guān)性顯著。以林地樣點(diǎn)為例，坡度、坡位、粉粒、砂粒的相關(guān)系數(shù)分別為0.343，-0.365，-0.285和0.237，說明林地各樣點(diǎn)主要反映坡度、坡位、粉粒和砂粒這4個(gè)環(huán)境因子的梯度變化。不同樣點(diǎn)的第2排序軸所反映的環(huán)境因子信息較復(fù)雜，林地中的土壤有機(jī)質(zhì)與第2排序軸的關(guān)系最密切，相關(guān)系數(shù)為-0.248，說明第2排序軸反映的是土壤水分隨有機(jī)質(zhì)的梯度變化；而撂荒地、園地和農(nóng)耕地與第2排序軸相關(guān)系數(shù)最大的分別是容重（0.282）、黏粒（-0.584）、容重（0.266）（圖2）。

從圖2中各環(huán)境因子的連線長度可以看出，4種類型用地的坡度、坡位、有機(jī)質(zhì)和容重的箭頭連線較長，由此可見，引起坡面尺度的土壤水分變化不僅有地形因子（坡度、坡位），土壤的理化性質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、容重）也是水分變化的主要影響因子，它們影響著土壤的結(jié)構(gòu)。以林地樣點(diǎn)為例，林地箭頭連線長度大小依次為：坡度、坡位、有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒、坡向、容重、黏粒，可以清楚地看到，坡位、坡度是影響坡面尺度上土壤水分變化的主控因子。原因是坡面尺度的氣象因子基本上無差異，但是坡面上的微地形因子影響著土壤水分的分布[18]。理論上講，在重力的作用下，坡面上降水以壤中流或地表徑流等形式向下坡位運(yùn)動(dòng)，從而造成上坡位的土壤水分含量比下坡位低[19]。坡度、坡位影響降雨的地表再分配過程、地表水入滲等，會(huì)引起植物生境的差異[20]，因而影響到土壤水分含量的高低。從圖2還可看出，不同土層土壤水分分布狀況受到不同類型環(huán)境因子的影響，林地和撂荒地中的0～10 cm土層連線與坡位連線夾角最小，說明表層土壤水分受到坡位的影響最大，隨著土層深度的增加，受坡位因子的影響降低；園地和農(nóng)耕地中的坡度連線與20～30 cm連線的夾角最小，說明深層次土壤水分受到坡度的影響最大，隨著土層深度的增加，受坡度因子的影響也隨之增加。這說明影響秦嶺中山區(qū)坡面土壤水分環(huán)境因子的復(fù)雜性。

表4 土壤水分RAD（前2個(gè)排序軸）與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

由此可見，RAD排序圖直觀地反映出坡面上各種相互關(guān)聯(lián)的環(huán)境因子對(duì)土壤水分分布的影響程度。其中，坡度、坡位、有機(jī)質(zhì)和容重對(duì)坡面土壤水分影響最為顯著。因此，對(duì)陜南秦嶺段中山區(qū)土壤水分的分析研究，可以從不同樣點(diǎn)的坡度和坡位等作為表層土壤水分的重要參考因子。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究通過對(duì)秦嶺中山區(qū)典型坡面樣點(diǎn)表層土壤水分和環(huán)境因子的實(shí)測(cè)與編碼轉(zhuǎn)換，利用RAD對(duì)所建立的土壤水分和環(huán)境因子數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行排序、計(jì)算，最后繪制出坡面樣點(diǎn)、土壤土層及環(huán)境因子的雙序圖。結(jié)果表明，坡面土壤水分均值介于17.10%～21.87%，由大到小依次為園地、撂荒地、林地和農(nóng)耕地，各層土壤水分大小排序與總體均值表現(xiàn)出一致性，且表現(xiàn)出0～10 cm土層水分最高、20～30 cm土壤水分次之、10～20 cm土壤水分最低的特征。各用地類型土壤水分多表現(xiàn)出中等變異程度，且均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，變異性增強(qiáng)的趨勢(shì)；各土地利用類型的標(biāo)準(zhǔn)差基本都在2%左右，說明該次采樣所得的土壤水分分布均勻。

RAD排序圖可直觀地反映出坡面土壤水分分布與環(huán)境因子的關(guān)系。4種用地類型的環(huán)境因子對(duì)土壤水分前2軸的累積解釋量占特征值的總和均達(dá)到93%以上，能夠解釋土壤水分與環(huán)境因子之間的關(guān)系。第1排序軸包含了坡面大部分的環(huán)境因子信息，反映的是坡位和坡度環(huán)境因子信息；不同樣點(diǎn)的第2排序軸所反映的環(huán)境因子信息較復(fù)雜，林地主要反映的是有機(jī)質(zhì)，撂荒地、園地和農(nóng)耕地則主要分別反映容重、黏粒、容重。

環(huán)境因子中的坡度、坡位、有機(jī)質(zhì)和容重對(duì)坡面土壤水分影響最為顯著，其中，林地和撂荒地受坡位的影響較大，而園地和農(nóng)耕地受坡度因子的影響較大。坡面尺度的土壤水分變化不僅有地形因子（坡度、坡位），土壤的理化性質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、容重）也是水分變化的主要影響因子，反映出影響秦嶺中山區(qū)坡面土壤水分環(huán)境因子的復(fù)雜性。

3.2 討論

由于空間及時(shí)間尺度的不同，使得影響土壤水分分布狀況的主控因子也發(fā)生了變化。隨著空間尺度的擴(kuò)大，削弱了小尺度的坡面、土壤屬性等影響因子，而突顯出大尺度區(qū)域降水、區(qū)域地貌等影響因素。賈海坤等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在不同坡向上的土壤水分隨坡度的變化截然不同；LADSON等[22]研究得出，土壤水分與坡度二者之間的相關(guān)性不顯著，反映出影響土壤水分環(huán)境因子的復(fù)雜性。秦嶺的地貌特征主要以中高山為主，眾多坡面的近地表土壤水分條件對(duì)徑流形成和侵蝕發(fā)生有重要影響[23]。因此，針對(duì)陜南秦嶺段中山區(qū)坡面土壤水分的特征研究，可以從不同樣點(diǎn)的坡度和坡位等作為分析的重要參考因子。后期在坡面尺度上將擴(kuò)大到地塊、流域及集水區(qū)等不同尺度研究，增加降水、氣溫、微地形等因子，以期為秦嶺中山區(qū)合理實(shí)施農(nóng)業(yè)措施和保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

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Study on Soil Moisture Contributing Factors of Xunyangba Area in Southern Shaanxi Province

ANBin1，2
（1.College ofTourism&Resources and Environment，Ankang University，Ankang 725000，China；2.Engineering Technology Research Center for Water Resource Protection and Utilization ofHanjiang River in Ankang City，Ankang 725000，China）

Soil moisture status is an important reference index of reflecting ecosystem restoration and implementing agricultural measures reasonably.Based on soil moisture data of the typical slope in different land uses in medium mountain of Qinling（forest land, abandoned land,yard and farmland）,the relationship between soil moisture and environmental factors such as terrain,soil physical properties on slope scale are analyzed by using ecological quantity redundancy-Redundancy Analysis.The results showed that the average soil moisture offour land uses presented consistency,and the same time most layers were moderate degree ofvariation.Four land uses ofenvironmental factors on soil moisture accumulation explanation for the previous two axis volume accounted for more than the sum of eigenvalues reached 93%.The most significant were slope,slope position,organic matter and bulk density on slope surface soil moisture.Affected forest and abandoned mainly was slope positions,while yard and farmland was slope.Therefore,factors such as slope and slope position,etc,are important reference when researched on soil moisture characteristics in medium mountain ofQinling.

medium mountain ofQinlin;soil surface moisture;slope;impact factor;RDA

S152.7

：A

：1002-2481（2017）07-1128-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.07.22

2016-12-14

陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)研究計(jì)劃項(xiàng)目（16JK1017）

安彬（1988-），男，江西九江人，講師，碩士，主要從事土壤水與水資源管理教學(xué)與研究工作。