黃土高原坡面土壤水分特征及時(shí)間穩(wěn)定性
——以延安市九龍泉溝為例

單玉琳， 解建倉(cāng)， 韓霽昌， 雷 娜， 董起廣

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710048，西安；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，710075，西安)

土壤水對(duì)于研究區(qū)域地表徑流、水分入滲、土壤侵蝕、溶質(zhì)運(yùn)移等過(guò)程具有十分重要的作用[1]，但其時(shí)空變異性大，難以準(zhǔn)確預(yù)估[2]；因此，關(guān)于土壤水分分布特征及時(shí)間穩(wěn)定性方面的研究一直備受關(guān)注，為更好地服務(wù)區(qū)域生態(tài)建設(shè)及水資源管理，諸多學(xué)者對(duì)不同區(qū)域土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性都開展了深入研究[3-4]。

我國(guó)黃土高原是典型的半干旱生態(tài)脆弱地區(qū)，而土壤水分是該區(qū)域植物生長(zhǎng)和植被恢復(fù)的主要限制因子；長(zhǎng)期造林過(guò)程中不合理的植被選擇和栽植密度不但使林地土壤干化[5-6]，也影響該地區(qū)水土保持的實(shí)施效果。黃土高原生態(tài)恢復(fù)及綜合整治可以改變部分區(qū)域的地形條件、植被覆蓋、土壤結(jié)構(gòu)等，同時(shí)對(duì)區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程及水資源時(shí)空分配產(chǎn)生較大影響[7]，進(jìn)而改變土壤水分的時(shí)空分布特征；因此，研究黃土高原坡面土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性，合理制定區(qū)域植被結(jié)構(gòu)，可為該區(qū)域水土保持及生態(tài)建設(shè)科學(xué)決策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇黃土高原一典型坡面進(jìn)行研究，研究區(qū)位于陜西省延安市南泥灣鎮(zhèn)的九龍泉溝流域，屬梁峁丘陵溝壑區(qū)。溝道內(nèi)海拔為1 170～1 100 m，南北長(zhǎng)9.8 km，屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，降水時(shí)空分布不均，季節(jié)變化大，主要集中在每年的7—9月，占到全年降水量的50%以上，多年平均降水量573 mm。區(qū)域土壤主要為黃綿土和灰褐土，溝道內(nèi)為整治后的旱田及部分水田，坡面植被主要以灌草地及林地為主。

2 材料與方法

2.1 樣點(diǎn)選擇及測(cè)試方法

研究區(qū)域山體走向?yàn)槟媳狈较?，試?yàn)區(qū)坡面坡向?yàn)槲飨虬腙?yáng)坡，坡度20°。分別選取上坡位(U1、U2、U3、U4)、中坡位(M1、M2、M3、M4)、下坡位(L1、L2、L3、L4)各4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行土壤水分定位觀測(cè)，坡面地表植被全部為天然次生灌木林及荒草地，研究區(qū)地理位置及土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。土壤水分采用TRIME-PICO TDR進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)。觀測(cè)深度為0～100 cm，測(cè)量深度間隔為10 cm。分別于2017年的5月9日、6月14日、8月12日、9月18日進(jìn)行4次土壤水分測(cè)定，每次測(cè)定重復(fù)3次。

圖1 研究區(qū)位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Location of the study area and monitoring points

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法 變異特性的大小反映隨機(jī)變量的離散程度，可用變異系數(shù)Cv來(lái)表示，當(dāng)Cv<10%時(shí)為弱變異性、10%≤Cv≤100%為中等變異性，Cv>100%為強(qiáng)變異性[8]。

2.2.2 秩相關(guān)系數(shù) Spearman秩相關(guān)系數(shù)法可以用來(lái)表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤水分在不同時(shí)間上的相似性，公式為：

(1)

式中：rs為秩相關(guān)系數(shù)，值越接近1，則土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性越強(qiáng)；Rij、Rij′分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)i在時(shí)間j和j′下土壤含水率測(cè)定值的秩；N為監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)量。

2.2.3 相對(duì)差分 相對(duì)差分用來(lái)判斷某一測(cè)點(diǎn)土壤含水率與研究區(qū)內(nèi)9個(gè)樣點(diǎn)平均土壤含水率的接近程度，公式為：

(2)

(3)

式中M為觀測(cè)次數(shù)。

2.2.4 時(shí)間穩(wěn)定性最佳代表測(cè)點(diǎn)判定方法 分別采用時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)、相對(duì)差分平均值等參數(shù)用于判定含水率的時(shí)間穩(wěn)定性最佳代表測(cè)點(diǎn)。

利用Jacobs等[9]提出的時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)(Its)，進(jìn)行時(shí)間穩(wěn)定性代表點(diǎn)的判定，計(jì)算公式為：

(4)

平均絕對(duì)偏差(MABE)及均方根誤差(RMSE)也可用來(lái)進(jìn)行時(shí)間穩(wěn)定性代表點(diǎn)的判定，二者數(shù)值最小的點(diǎn)可作為時(shí)間穩(wěn)定性最佳代表點(diǎn)。MABE及RMSE的計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤含水率的變異性

圖2反映不同坡位各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水率4次測(cè)定結(jié)果的平均含水率、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)隨土層深度的變化規(guī)律。土壤含水率的變異系數(shù)在不同坡位及不同深度上波動(dòng)較大，而標(biāo)準(zhǔn)差及平均值則相對(duì)穩(wěn)定。土壤含水率平均值隨土層深度的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，土壤水分標(biāo)準(zhǔn)差均<5%。上坡位與中坡位土壤含水率變異系數(shù)整體上表現(xiàn)為隨著土層隨深度的增加而減小，下坡位則表現(xiàn)為先減小后增大的變化趨勢(shì)，且上、中坡位在0～50 cm土層為多中等變異性，下坡位則除50 cm、70 cm處外，各層均為中等變異性。

圖2 不同深度下土壤含水率平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)Fig.2 Average, standard deviation and coefficient of variation of soil moisture at different depths

不同坡位土壤含水率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及其變異系數(shù)見圖3?？梢?，不同坡位下的土壤含水率平均值表現(xiàn)為：上坡位<中坡位<下坡位。雙側(cè)t檢驗(yàn)表明，上坡位與中坡位間土壤水分含量差異不顯著，而下坡位與上、中坡位差異均顯著(P<0.05)。不同坡位土壤含水率變異系數(shù)表現(xiàn)為上坡位、中坡位變異性較大，下坡位變異性較小，三者變異系數(shù)分別為15.77%、17.65%和13.57%，均為中等變異。

圖3 不同坡位下土壤含水率平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)Fig.3 Average, standard deviation and coefficient of variation of soil moisture at different slope positions

3.2 土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性

表1為不同深度土層土壤含水率平均值Spearman秩相關(guān)系數(shù)。0～100 cm土層土壤含水率的相關(guān)性最好，其次為0～50 cm，最低為50～100 cm。在0～50 cm范圍土層，5月的含水率與其他監(jiān)測(cè)時(shí)間的相關(guān)性較弱(P>0.05)，而6、8、9月之間該層土壤含水率具有較高的穩(wěn)定性，相關(guān)性極顯著(P<0.01)；50～100 cm土層土壤含水率僅在5、6月間具有顯著的相關(guān)性；而0～100 cm范圍土層的土壤含水率的穩(wěn)定性最高，在5、6月，6、8、9月間均具有較顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.383～0.786之間。

表1 研究區(qū)0～100 cm土壤含水率Spearman秩相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculated results of Spearman rank correlationcoefficient of soil moisture from 0 to 100 cmin the study area

不同坡位下土壤平均含水率Spearman秩相關(guān)系數(shù)見表2。在研究時(shí)間段內(nèi)，上坡位秩相關(guān)系數(shù)范圍為0.164～0.879之間，中坡位為0.394～0.745之間，下坡位為-0.754～0.744之間。整體上，土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性由高到低為：中坡位、上坡位、下坡位。

表2 不同坡位土壤含水率的Spearman秩相關(guān)系數(shù)Tab.2 Spearman rank correlation coefficient of soilmoisture at different slope positions

3.3 土壤含水率的相對(duì)差分及時(shí)間穩(wěn)定性點(diǎn)分析

圖4為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水率相對(duì)差分平均值從小到大排列情況及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。0～100 cm土層含水率的平均相對(duì)差分值范圍為-18.3%～23.7%，平均值為1.6%。相對(duì)差分標(biāo)準(zhǔn)差范圍為1.8%～9.9%，均值為6.4%。可見，位于中坡位的M3號(hào)點(diǎn)的相對(duì)差分值最接近于0，為-3.7%。圖5至圖7分別為時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)、平均絕對(duì)偏差、均方根誤差從小到大的排序圖，由圖可知，土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)<10%的測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，均位于中坡位，最小的為M2號(hào)測(cè)點(diǎn)，值為4.1%。平均絕對(duì)偏差及均方根誤差中，M3號(hào)點(diǎn)值均最小，分別為3.2%和2.6%。

圖4 土壤含水率相對(duì)差分平均值排序Fig.4 Ranking of mean relative difference of soil moisture

圖5 土壤含水率時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)排序Fig.5 Ranking of temporal stability index of soil moisture

圖6 土壤含水率平均絕對(duì)偏差排序Fig.6 Ranking of mean absolute deviation of soil moisture

圖7 土壤含水率均方根誤差排序Fig.7 Ranking of root mean square error of soil moisture

表3分別對(duì)樣地土壤含水率的平均值與測(cè)點(diǎn)含水率的線性決定回歸系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)、納什系數(shù)(NSE)進(jìn)行估算，結(jié)果顯示M3號(hào)點(diǎn)具有較大的R2和NSE值及較小的RMSE值。綜合以上方法，得到土壤含水率時(shí)間穩(wěn)定性最佳測(cè)點(diǎn)為M3，該測(cè)點(diǎn)與研究區(qū)實(shí)測(cè)平均值的誤差較小，為0～100 cm土層最優(yōu)的時(shí)間穩(wěn)定性代表性測(cè)點(diǎn)。在本研究中4種用于時(shí)間穩(wěn)定性代表點(diǎn)確定的方法均能得出相對(duì)可靠的結(jié)果，而時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)法在本研究中偏差略大于其他3種方法。

表3 不同方法對(duì)平均土壤含水率的估算精度Tab.3 Estimated accuracy of average soil moisture bydifferent methods

4 討論

土壤水分含量從上坡位至下坡位逐漸增加，在垂直剖面上隨土層深度的增加而增加，這種變化趨勢(shì)主要受水分入滲過(guò)程及地形條件的影響，下坡位得到的水分補(bǔ)給更多，而深層土壤受蒸發(fā)及作物根系的影響較小，水分消耗少[10]，這與何子淼等[11]關(guān)于土壤水分的垂向分布及坡向分布研究的結(jié)論類似。

Cv值在上坡位及中坡位表層較大的原因主要是表層土壤受蒸發(fā)及作物蒸騰因素的影響較大，這種趨勢(shì)與Zhang等[12]的研究相似，土壤水在垂直剖面上可以分為不同的活躍層次；而在下坡位Cv表現(xiàn)出深層較大的原因則可能是地表徑流及壤中流的不均勻補(bǔ)給引起的。

多數(shù)研究認(rèn)為土壤含水率的時(shí)間穩(wěn)定性隨土層深度及平均水分含量的增加而增大[13]，而本研究中0～50 cm土壤含水率在時(shí)間上的秩相關(guān)系數(shù)大于50～100 cm，下坡位土壤水時(shí)間穩(wěn)定性小于中坡位，原因可能是研究區(qū)域的地形、土壤等條件使坡面易產(chǎn)生優(yōu)先流，從而改變了深層土壤水時(shí)間穩(wěn)定性，而下坡位更加接近溝道整治后的農(nóng)田，可能受到農(nóng)田灌溉及上坡水分補(bǔ)給的綜合影響。同時(shí)，相對(duì)較大的人為干擾也可能是造成其時(shí)間穩(wěn)定性較低的原因之一，這與張帥普等的研究類似[4]。整體上，5—6月相對(duì)干旱，植物消耗也較少，6—9月蒸發(fā)及植物消耗降水較多，所以相關(guān)性較好。

朱緒超等[14]認(rèn)為，在較干和較濕的測(cè)點(diǎn)，土壤含水率的時(shí)間穩(wěn)定性相對(duì)較弱，本研究中中坡位的土壤含水率更加接近研究區(qū)的平均值，且具有較高的時(shí)間穩(wěn)定性，與其結(jié)論研究相同。同時(shí)，土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性還受土壤的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、植物根系活動(dòng)及人類活動(dòng)等共同影響[15-16]。因此,在后期的研究中應(yīng)增加對(duì)黃土高原流域土壤性質(zhì)變化及農(nóng)業(yè)活動(dòng)等方面對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的長(zhǎng)期影響分析。

5 結(jié)論

1)土壤含水率平均值隨土層深度的增加而增大，土壤含水率變異系數(shù)在上坡位和中坡位上隨深度的增加而減小，在下坡位上則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在不同坡位上，土壤含水率表現(xiàn)出上坡位<中坡位<下坡位的趨勢(shì)。

2)Spearman秩相關(guān)系數(shù)法分析土壤含水率的時(shí)間穩(wěn)定性顯示，0～50 cm土層土壤5月的含水率與其他監(jiān)測(cè)時(shí)間的相關(guān)性較弱(P>0.05)，而6、8、9月之間具有較高的穩(wěn)定性，相關(guān)性極顯著(P<0.01)；50～100 cm范圍土層土壤含水率僅在5月、6月間具有顯著的相關(guān)性；0～100 cm范圍土層土壤含水率則在5～9月各月份間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。

3)綜合多種方法得出，研究區(qū)域內(nèi)最佳時(shí)間穩(wěn)定性點(diǎn)為中坡位的M3號(hào)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)與研究區(qū)實(shí)測(cè)平均值的誤差較小，為0～100 cm土層最優(yōu)的時(shí)間穩(wěn)定性代表性測(cè)點(diǎn)。