太行山南麓魚鱗坑工程對坡面土壤水分空間變異性的影響

張志華，郭加偉，桑玉強(qiáng)，王德彩，楊 柳，張錦豪，陳楠楠，楊喜田

?水土資源與環(huán)境?

太行山南麓魚鱗坑工程對坡面土壤水分空間變異性的影響

張志華，郭加偉，桑玉強(qiáng)，王德彩，楊 柳，張錦豪，陳楠楠，楊喜田*

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，鄭州 450002）

【】探討魚鱗坑工程對坡面土壤水分空間變異性的影響。以太行山南麓實施魚鱗坑工程坡面為研究對象，以自然坡面為對照，分析魚鱗坑對坡面土壤水分空間變異的影響。①太行山南麓坡面土壤水分具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，實施魚鱗坑工程可有效改善該區(qū)土壤水分狀況，土壤含水率增加了7%～41%，變異程度由中等變異變?yōu)槿踝儺?，結(jié)構(gòu)變異占總變異的比例提高了20%～88%。②無論是在降水還是干旱條件下，自然坡面土壤水分從坡上到坡下均呈逐漸減小的帶狀分布，而魚鱗坑坡面土壤水分在干旱條件下則呈斑塊狀分布，離散程度較高。③冗余分析表明，各環(huán)境因子解釋量從大到小依次為礫石量（22.7%）>砂粒量（2.9%）>粉粒量（2.3%）>體積質(zhì)量（1.3%）>海拔（1.0%）>礫石覆蓋度（0.02%），自然坡地為海拔（25%）>礫石量（13.9%）>粉粒量（8.1%）>體積質(zhì)量（2.9%）>砂粒量（1.2%）>礫石覆蓋度（0.4%）。魚鱗坑工程通過改變下墊面結(jié)構(gòu)，弱化地形對土壤水分的影響，礫石引起的變異占總變異的比例增加，同時改善土壤保水性能，減小土壤水分變異系數(shù)，增加結(jié)構(gòu)因素所占比例，改變坡面土壤水分分布特征，從而對土壤水分空間異質(zhì)性產(chǎn)生重要影響。

土壤水分；空間異質(zhì)性；魚鱗坑工程；地統(tǒng)計學(xué)；冗余分析

0 引 言

太行山是華北平原重要的水源補(bǔ)給區(qū)、京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障和國家京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的水源涵養(yǎng)功能區(qū)。在特殊的地質(zhì)背景和人類活動作用下，該區(qū)植被破壞和水土流失嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅華北平原的生態(tài)安全[1]。為了保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，我國在此先后實施了“退耕還林工程”、“天然林保護(hù)工程”等生態(tài)重建措施，進(jìn)行了大面積的魚鱗坑造林整地工程。魚鱗坑工程的實施，加之該區(qū)石多土少、微地貌復(fù)雜多變等特殊的地質(zhì)背景，導(dǎo)致土壤水分具有高度的空間異質(zhì)性。土壤水分作為華北土石山區(qū)植物生長的限制因素，其空間變異特征與區(qū)域土地利用管理措施、植被生產(chǎn)力提高和生態(tài)恢復(fù)有著緊密聯(lián)系[2]?！狙芯恳饬x】土壤水分是半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的限制因子，對于整個生態(tài)系統(tǒng)的氣候平衡、水循環(huán)和生態(tài)平衡起著決定性作用[3]。受地形地貌、植被覆蓋、降水、徑流、人類活動等因素的影響[4]，土壤水分具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性[5-6]，主要表現(xiàn)為土壤水分在空間上的復(fù)雜性（Complexity）和變異性（Variability）[7]?？刂仆寥浪挚臻g異質(zhì)性的因素因研究尺度的不同而不同，在坡面尺度，地形和土地利用方式等是影響空間異質(zhì)性的主要因素[4]，且各要素間的協(xié)同、疊加影響，導(dǎo)致土壤水分空間異質(zhì)性更加復(fù)雜?？茖W(xué)把握坡面土壤水分空間異質(zhì)性，不僅有助于深入理解坡面生態(tài)水文學(xué)過程，而且對闡明土壤與植物間的相互作用關(guān)系具有重要的理論意義。

魚鱗坑是干旱半干旱地區(qū)常用的水土保持工程措施。通過布設(shè)工程措施，對坡面微地形進(jìn)行改造整理，能夠增強(qiáng)土壤的抗蝕性[8]，有效地攔截降雨[9]，改變坡面土壤水分分布特征[10]，從而影響土壤水分空間異質(zhì)性。【研究進(jìn)展】眾多學(xué)者對魚鱗坑整地模式下土壤水分狀況進(jìn)行分析，李萍等[11-12]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，魚鱗坑可以通過集水減沙，實現(xiàn)恢復(fù)植被和改善生態(tài)環(huán)境，且不同規(guī)格的魚鱗坑以及魚鱗坑的不同部位，其效果存在著一定的差異；郭慧莉等[8]研究發(fā)現(xiàn)，魚鱗坑坡面水流阻力來源于降雨阻力、顆粒阻力、形態(tài)阻力疊加，受地形高低起伏、地表糙度的影響，魚鱗坑坡形態(tài)阻力一直居于主導(dǎo)地位；張樂濤等[13]研究發(fā)現(xiàn)，將魚鱗坑與其他工程措施相結(jié)合，極大地減少泥沙量，可以有效緩解干旱半干旱地區(qū)水土流失問題?！厩腥朦c】目前研究多集中在黃土高原區(qū)和東北黑土區(qū)，內(nèi)容側(cè)重于魚鱗坑內(nèi)外部的對比，缺乏修建魚鱗坑對坡面水分分布格局及變異性的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以實施魚鱗坑工程坡面為研究對象，以自然坡面為對照，分析魚鱗坑對坡面土壤水分分布規(guī)律及空間異質(zhì)性的影響，以期為該區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省濟(jì)源市境內(nèi)的太行山南段，隸屬于黃河小浪底地球關(guān)鍵帶與地表通量野外科學(xué)觀測研究站。該區(qū)是我國水源涵養(yǎng)與重要土壤保持區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、水源涵養(yǎng)能力低、水土流失嚴(yán)重。氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.1 ℃，年均降水量 613 mm，年均蒸發(fā)量1 611 mm，降水多集中在 6—9月，占全年總降水量的68.3%。土壤主要為棕壤和在花崗片麻巖等風(fēng)化母質(zhì)上發(fā)育而來的山地褐土。土壤質(zhì)地以砂土為主，砂粒量平均值為89.0%，粉粒量平均值為7.7%，黏粒量平均值為3.2%，土壤保水蓄水能力差。從坡上到坡下，土層平均厚度從10～20 cm增加到40～50 cm，坡面土被分布極不均勻，礫石平均體積含量從坡上36%減少到坡下25%。植被類型主要為次生低矮喬木刺槐（）、人工種植的栓皮櫟（）和側(cè)柏（(L.)），灌木主要有荊條（L()）和酸棗（）。

基于野外調(diào)查，在研究區(qū)選取實施魚鱗坑工程的坡面作為研究對象，選擇地形地貌與之相似的自然坡面作為對照進(jìn)行研究。樣地基本情況如表1所示，魚鱗坑坡面坡長100 m，寬30 m，自然坡地長85 m，寬30 m，坡向均為陽坡，海拔約為360 m，坡度在19°左右，土壤類型為砂土，土壤中礫石量較高，植被分布從坡上到坡下依次為草本-灌木-喬木，灌木類型為酸棗（）、扁擔(dān)桿（）和荊條（L.），喬木類型為刺槐（L.）和栓皮櫟（）。魚鱗坑由大巖石圍成攔水埂，內(nèi)部填充表層細(xì)土，呈魚鱗狀排列于坡面的坡上和坡中部位，坑內(nèi)種植側(cè)柏（）幼苗。

表1 樣地基本情況

1.2 樣點布設(shè)與樣品采集

本研究在2個坡均采用線狀取樣法，即沿坡面橫向以5 m間隔依次布設(shè)5條縱向樣線，在縱向樣線上每間隔10 m布設(shè)1個采樣點，依據(jù)坡面大小，魚鱗坑坡共布設(shè)42個樣點，自然坡地共布設(shè)32個樣點。利用全站儀和GPS相結(jié)合的方法測定樣點坐標(biāo)和繪制地形圖[14]，采用3×3的DEM（Digital elevation model）柵格分析窗口（即八鄰域運(yùn)算），提取算法中用到的X和Y方向的高程變化率，用于基本地形因子（坡度、坡向、坡長、海拔等）的提取。在每個采樣點清理地表枯落物后，取0～10 cm和10～20 cm土層土樣，每層取3個重復(fù)樣，樣品帶回實驗室，過篩備用。用100 cm3環(huán)刀取原狀土，測土壤體積質(zhì)量；土樣風(fēng)干后用比重計法測定土壤機(jī)械組成；排沙法測礫石量；土壤含水率的測定采用烘干法，采樣時間為7、8月，每2天取1次樣。分別統(tǒng)計干旱（連續(xù)7 d未降水）和降水條件土壤水分（降水量大于20 mm，且于雨后6 h內(nèi)測定土壤含水率）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的分析主要采用均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差識別特異值，特異值分別由正常的最大值和最小值代替[15]。用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和表格繪制；運(yùn)用Spss 25.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolmogorov-Smironov（K-S）正態(tài)檢測和描述性統(tǒng)計分析；土壤水分的地統(tǒng)計學(xué)分析通過GS+7.0進(jìn)行；利用ArcGIS 10.5進(jìn)行土壤水分空間插值；應(yīng)用Canoco5.0進(jìn)行冗余分析。

地統(tǒng)計學(xué)是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限的區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的一種方法，是研究土壤空間分布特征及其變異規(guī)律的最有效的方法之一。在本文中，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS），將研究區(qū)域范圍內(nèi)樣點的土壤含水率作為土壤屬性數(shù)據(jù)，結(jié)合其地理數(shù)據(jù)，通過地理數(shù)據(jù)確定樣點之間的距離，通過屬性數(shù)據(jù)計算土壤水分之間的差異，從而得出地統(tǒng)計學(xué)所需要的步長和半方差的函數(shù)關(guān)系。研究表明，在土壤空間異質(zhì)性分析中，樣本足夠大時可用半變異函數(shù)分析[16]，分析結(jié)果可以反映空間相關(guān)性程度。半變異函數(shù)又稱半變差函數(shù)、半變異距，是地統(tǒng)計學(xué)的特有函數(shù)。區(qū)域化變量（）在點和處的值（）與（）差的方差的1/2稱為區(qū)域化變量（）的半變異函數(shù)，記為（），2（）稱為變異函數(shù)[17]。

半變異函數(shù)計算式為：

()∑[(x)(x+h)]2/2()， （1）

式中：（）為的半方差函數(shù)值；為兩樣本空間距離；（）為間隔距離等于的樣本總數(shù)；（x）和（x）分別為空間位置點x和x處指標(biāo)的實測值。

直接梯度分析（約束性排序）是數(shù)量生態(tài)學(xué)領(lǐng)域常用的研究方法，其原理是將物種加權(quán)平均迭算后，與環(huán)境因子進(jìn)行多元線性回歸，生成可以反映并揭示物種與環(huán)境之間關(guān)系的排序軸[18]。本研究將土壤水分作為研究對象，土壤理化性質(zhì)和地形作為環(huán)境因子進(jìn)行分析，結(jié)果顯示其排序軸的梯度長度小于3，故分析土壤水分變異的主要影響因素時選用冗余分析（RDA，線性模型）。冗余分析是一種回歸分析結(jié)合主成分分析的排序方法，以原始變量作為因變量，典型變量作為自變量，建立線性回歸模型，描述由于因變量和典型變量之間的線性關(guān)系引起的因變量變異在因變量總變異中占的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的統(tǒng)計特征

表2為魚鱗坑和自然坡地土壤水分的描述性統(tǒng)計結(jié)果。干旱條件下，土壤含水率隨著土層深度的增加而增加；降水條件下，含水率則隨著土層深度的增加而減小。無論在干旱還是降水條件下，魚鱗坑土壤含水率平均值均大于自然坡地。干旱條件下，魚鱗坑0～10 cm和10～20 cm土壤含水率分別比自然坡地增加了41%和25%，降水條件下則分別增加了17%和7%。變異系數(shù)反映了土壤含水率的離散程度，（%）<10為弱變異，10<（%）<100為中等強(qiáng)度變異[19]。魚鱗坑各土層含水率的變異系數(shù)均小于自然坡地，在干旱條件下，魚鱗坑和自然坡地0～20 cm土壤含水率均表現(xiàn)為中等強(qiáng)度變異；在降水條件下，魚鱗坑0～10 cm和10～20 cm變異系數(shù)分別為7.95和8.95，屬弱變異；自然坡地各土層變異系數(shù)則分別為16.81和16.28，達(dá)中等強(qiáng)度變異。半方差分析要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，K-S檢驗結(jié)果顯示，漸近顯著性（雙側(cè)）>0.05，表示數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

表2 魚鱗坑和自然坡地土壤水分的描述性統(tǒng)計結(jié)果

2.2 土壤水分的空間變異

變程（0）代表變量具有空間自相關(guān)性的最大距離。由表3可知，魚鱗坑和自然坡地的變程分別為7.41～25.43 m和15.11～101.60 m，均大于5 m取樣間隔，樣點布設(shè)合理，且魚鱗坑的變程遠(yuǎn)小于自然坡地，說明魚鱗坑空間自相關(guān)的距離小于自然坡地。

塊金值（0）表示隨機(jī)部分空間異質(zhì)性，基臺值（0）表示最大變異程度，塊金值和基臺值的比值即為塊金系數(shù)（0/0），可以用來表示隨機(jī)因素引起的空間變異程度[20]，塊金值越大，隨機(jī)變異越不可忽視。塊金系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為<25%（較強(qiáng)空間相關(guān)性）、25%～75%（中等空間相關(guān)性）、>75%（弱空間相關(guān)性）[15]。干旱條件下，魚鱗坑和自然坡地塊金系數(shù)表現(xiàn)相似。魚鱗坑和自然坡地的塊金系數(shù)均隨土層深度的增加而增加。0～10 cm土層二者的塊金系數(shù)均<25%，有較強(qiáng)空間相關(guān)性；10～20 cm土層則均介于25%～75%之間，具有中等強(qiáng)度空間相關(guān)性。降水后，魚鱗坑和自然坡地塊金系數(shù)的變化規(guī)律則不盡相同。魚鱗坑在0～10、10～20 cm土層的塊金系數(shù)均小于25%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。自然坡地的塊金系數(shù)在降水后則表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減小，在0～10 cm為32.15%，有中等空間相關(guān)性；10～20 cm為23.43%，則具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性。無論是干旱還是降水，魚鱗坑的塊金系數(shù)均小于自然坡地。干旱條件下，0～10 cm和10～20 cm土層深度，魚鱗坑的塊金系數(shù)分別比自然坡地減小了64%和20%；降水條件下則分別減小了85%和88%。

表3 魚鱗坑和自然坡地土壤含水率變異函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)

2.3 土壤水分空間分布格局

本研究利用Kriging插值法繪制等值線分析魚鱗坑和自然坡地土壤水分空間分布格局（圖1）。自然坡地降水與干旱條件下土壤水分均從坡上到坡下逐漸增加，呈帶狀梯度變化，空間連續(xù)性好，這也是自然荒坡地變程大的原因。魚鱗坑的中值區(qū)面積小于自然坡地，說明魚鱗坑的土壤水分的變異程度小于自然坡地，與描述性統(tǒng)計分析結(jié)果相同。在干旱和降水條件下，魚鱗坑坡地土壤水分分布不同。在干旱條件下，魚鱗坑土壤水分斑塊破碎嚴(yán)重，離散程度高；降水后，土壤水分呈帶狀梯度變化，空間連續(xù)性增加。

圖1 魚鱗坑和自然坡地土壤水分空間分布特征

2.4 土壤水分與環(huán)境因子RDA分析

為揭示土壤水分與環(huán)境因子關(guān)系，應(yīng)用Canoco 5軟件基于線性模型進(jìn)行冗余分析。本文所用到的環(huán)境因子有礫石量、礫石覆蓋度、體積質(zhì)量、機(jī)械組成等土壤因子和海拔（坡位）、坡度、坡向等地形因子，前項選擇結(jié)果顯示，魚鱗坑坡地土壤水分的主要影響因子是體積質(zhì)量、礫石覆蓋度、礫石量、砂粒量和粉粒量；自然坡地的主要影響因子是海拔（坡位）、體積質(zhì)量、礫石覆蓋度、礫石量、砂粒量和粉粒量。土壤水分與主要影響因子RDA分析結(jié)果（表4）顯示，魚鱗坑地和自然坡地第一軸和所有軸的蒙卡特羅置換檢驗結(jié)果值均小于0.05，表明冗余分析結(jié)果可信。依據(jù)環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)系數(shù)對排序軸進(jìn)行定義，魚鱗坑第一軸定義為“礫石量軸”，特征值為0.238 1，解釋量為23.81%，對響應(yīng)變量累積解釋量為93.15%，第二軸為“砂粒量—粉粒量軸”，對響應(yīng)變量累積解釋量為100%，前2個排序軸所形成的二維線性關(guān)系可以充分反映土壤水分與環(huán)境因子之間的關(guān)系；第一軸定義為“海拔-礫石量軸”，對應(yīng)特征值0.480 7，解釋量為48.07%，對應(yīng)累積解釋量為93.52%，第二軸為“礫石量-粉粒量軸”，第一、第二軸可用來反映水分與環(huán)境因子相關(guān)關(guān)系。

RDA排序圖（圖2）可以直觀地反映出環(huán)境因子與土壤水分的關(guān)系。環(huán)境因子的箭頭長度反映了環(huán)境變量對水分變量的解釋量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在圖2（a），礫石量、粉粒量和海拔對土壤水分的變化作用影響最為強(qiáng)烈，在圖2（b），海拔、礫石量、粉粒量、體積質(zhì)量對水分的變化作用影響最為強(qiáng)烈。物種與環(huán)境因子之間的夾角可以反映出環(huán)境因子與土壤含水率之間的相關(guān)性（夾角<90°正相關(guān)；夾角>90°負(fù)相關(guān)）。可以看出，魚鱗坑和自然坡地的土壤水分與環(huán)境因子之間的相關(guān)性相同，海拔、礫石覆蓋度、體積質(zhì)量、礫石量、砂粒量與土壤含水率之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著海拔、礫石覆蓋度、體積質(zhì)量、礫石量、砂粒量的增加，土壤含水率呈降低的趨勢；粉粒量與土壤含水率之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，隨著粉粒量的增加，土壤含水率增加。

表4 土壤水分與環(huán)境因子RDA分析

圖2 土壤水分RDA排序

將單個環(huán)境因子對土壤水分變異的解釋貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化，展示各環(huán)境因子的偏冗余分析結(jié)果（圖3）。各環(huán)境因子的蒙特卡羅置換檢驗結(jié)果值均小于0.05，符合數(shù)據(jù)分析的要求。魚鱗坑各環(huán)境因子解釋量從大到小依次為礫石量（22.7%）>砂粒量（2.9%）>粉粒量（2.3%）>體積質(zhì)量（1.3%）>海拔（1.0%）>礫石覆蓋度（0.02%），共解釋了水分變異的30.4%，未解釋量為69.6%；自然坡地為海拔（25.0%）>礫石量（13.9%）>粉粒量（8.1%）>體積質(zhì)量（2.9%）>砂粒量（1.2%）>礫石覆蓋度（0.4%），總解釋量為51.5%，未解釋量為48.5%。綜上，影響魚鱗坑和自然坡地水分變異的主控因素不完全相同，魚鱗坑土壤水分變異的主要影響因素是礫石量，自然坡地解釋量最大的是海拔和礫石量。除此之外，礫石覆蓋度、土壤體積質(zhì)量和機(jī)械組成也是2個坡面土壤水分變異的重要影響因素，是該區(qū)土壤水分研究不可或缺的環(huán)境因素。

圖3 環(huán)境因子偏冗余分析

3 討 論

魚鱗坑等整地工程的實施可有效提高土壤含水率，增強(qiáng)土壤持水性及抗旱能力，有效影響土壤的水分特性[21-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，與自然荒坡地相比，魚鱗坑坡地含水率增加了7%～41%，變異系數(shù)由中等變異變?yōu)槿踝儺?，空間自相關(guān)的距離小于自然坡地。這是因為魚鱗坑工程主要通過對地表下墊面原有形態(tài)結(jié)構(gòu)的二次改造和整理，增加景觀異質(zhì)性，改變水文循環(huán)和物質(zhì)遷移路徑，達(dá)到保持土壤水分的目的[24-25]。本文的空間變異分析也發(fā)現(xiàn)相較于自然坡面，魚鱗坑的塊金系數(shù)比自然坡地減小了20%～88%，小尺度的隨機(jī)變異占比大大減小，RDA分析顯示，海拔（坡位）對自然坡地的影響大于魚鱗坑坡地，說明魚鱗坑工程的實施會減弱地形對土壤水分的影響，從而改變土壤水分空間分布。

本研究表明，無論在降水還是干旱條件下，自然荒坡地土壤水分從坡上到坡下均逐漸增加，呈帶狀梯度變化，空間連續(xù)性較好；魚鱗坑坡地土壤水分僅在降水條件下呈帶狀梯度變化，在干旱條件下則呈斑塊狀分布，空間連續(xù)性差。這是因為在降水條件下表層土壤水分趨于飽和[26]，坡面土壤水分差異降低，空間連續(xù)性增強(qiáng)。魚鱗坑和自然坡面的水分分布規(guī)律說明魚鱗坑工程減弱了海拔（坡位）對土壤水分的影響，減小了坡面水分變異，這與統(tǒng)計分析結(jié)果（表2）和冗余分析結(jié)果一致（圖2）。與自然荒坡地相比，魚鱗坑坡面能在降水過程中通過攔蓄地表徑流，增加坡面土壤含水率；在干旱條件下，則通過減少蒸發(fā)，提升土壤保水能力[21]。魚鱗坑的蓄水及保水能力改變了土壤水分從坡上至坡下逐漸增大的原有趨勢，使土壤水分在干旱條件下呈斑塊狀分布。

土壤水分空間異質(zhì)性與植被、地形因子和土壤性質(zhì)有著密切的聯(lián)系。由冗余分析結(jié)果（圖3）可知，本研究區(qū)影響土壤水分空間異質(zhì)性的因素主要為地形、礫石量和土壤機(jī)械組成。對地形的改造措施及其空間組合模式能夠創(chuàng)造出許多不同的斑塊鑲嵌體，使之顯著區(qū)別于周圍環(huán)境的地形地貌結(jié)構(gòu)和生物地球化學(xué)過程[27]。相較于自然荒坡地，魚鱗坑工程的實施減弱了海拔（坡位）對土壤水分空間變異的影響程度（圖3）。魚鱗坑措施具有集水作用[11]，其通過對坡面徑流進(jìn)行攔蓄和再分配，削弱了不同樣點之間的水分差異。在魚鱗坑坡面，礫石量和砂粒量對水分空間變異的解釋量分別為22.7%和2.9%，大于自然坡地的13.9%和1.2%。由于地形的改變，海拔對土壤水分的影響減弱，突顯了礫石和土壤機(jī)械組成對水分的影響作用。本研究表明，礫石及砂粒與土壤水分負(fù)相關(guān)（圖2）。研究區(qū)土壤類型為砂土，平均礫石量大于30%，礫石量較高，且多緊密嵌入土壤內(nèi)。大量礫石的存在，增加了水流彎曲度，阻滯水分入滲，降低了土壤含水率[28]。同時，研究發(fā)現(xiàn)魚鱗坑工程可改善土壤質(zhì)地，增加土壤黏粒和粉粒量，提高土壤飽和導(dǎo)水率，增強(qiáng)土壤保水性[21,29]。此外，魚鱗坑整地工程通過改變地表粗糙度、起伏度等，對地表溫度、風(fēng)速等產(chǎn)生影響，從而降低土壤蒸發(fā)[22]。

當(dāng)前，工程措施被廣泛應(yīng)用于干旱半干旱區(qū)植被建設(shè)中，是水資源高效利用的主要手段。研究魚鱗坑工程措施對土壤水分空間異質(zhì)性的影響對了解生態(tài)系統(tǒng)生物、物理及化學(xué)演變過程有重要意義。但是，目前國內(nèi)外關(guān)于魚鱗坑整地工程措施對水文過程、水分空間分布及其影響機(jī)制方面并無統(tǒng)一結(jié)論[23,30]，需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

1）魚鱗坑工程可有效改善土壤水分狀況，相比于自然坡地，土壤含水率增加了7%～41%，變異程度由中等變異變?yōu)槿踝儺?，結(jié)構(gòu)因素引起的變異占空間變異的比例提高了20%～88%。

2）魚鱗坑具有集水、保水效果，干旱條件下魚鱗坑坡面土壤水分呈斑塊狀分布，變程小，離散程度較高。

3）海拔和礫石是太行山南麓土壤水分空間異質(zhì)性的主要影響因素，均與土壤水分負(fù)相關(guān)，土壤體積質(zhì)量和機(jī)械組成也是引起土壤水分空間變異的重要因素。與自然坡地相比，魚鱗坑工程的實施，使海拔對坡面水分空間分布的影響由25%減弱為1%，礫石對水分空間異質(zhì)性的影響由13.9%提高為22.7%。

[1] 李秀彬, 馬志尊, 姚孝友, 等. 北方土石山區(qū)水土保持的主要經(jīng)驗與治理模式[J]. 中國水土保持, 2008(12): 57-62.

LI Xiubin, MA Zhizun, YAO Xiaoyou, et al. Main experience and treatment method of soil and water conservation of earth-rock region in north[J]. Soil and Water Conservation in China, 2008(12): 57-62.

[2] 馮棋, 楊磊, 王晶, 等. 黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)的土壤碳水效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2019, 39(18): 6 598-6 609.

FENG Qi, YANG Lei, WANG Jing, et al. Response of soil moisture and soil organic carbon to vegetation restoration in deep soil profiles in Loess Hilly Region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(18): 6 598-6 609.

[3] 袁瑞強(qiáng), 青松. 1990—2015年內(nèi)蒙古地表水時空變化特征研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(2): 136-143.

YUAN Ruiqiang, QING Song. Spatiotemporal variation of surface water resources in Inner Mongolia from 1990 to 2015[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(2): 136-143.

[4] 郭欣欣, 付強(qiáng), 盧賀, 等. 東北黑土區(qū)農(nóng)林混合利用坡面土壤水分空間異質(zhì)性及主控因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2018, 34(19): 123-130.

GUO Xinxin, FU Qiang, LU He, et al. Spatial variability and its controlling factors of soil moisture on cropland-forestland mixed hillslope in black soil area of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(19): 123-130.

[5] BROCCA L, TULLO T, MELONE F, et al. Catchment scale soil moisture spatial-temporal variability[J]. Journal of Hydrology, 2012, 422/423: 63-75.

[6] YANG L, CHEN L D, WEI W. Effects of vegetation restoration on the spatial distribution of soil moisture at the hillslope scale in semi-arid regions[J]. Catena, 2015, 124: 138-146.

[7] 李哈濱, 王政權(quán), 王慶成. 空間異質(zhì)性定量研究理論與方法[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 1998, 9(6): 651-657.

LI Habin, WANG Zhengquan, WANG Qingcheng. Theory and methodology of spatial heterogeneity quantification[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1998, 9(6): 651-657.

[8] 郭慧莉, 孫立全, 吳淑芳, 等. 黃土高原地區(qū)魚鱗坑坡面侵蝕演化過程及水力學(xué)特征[J]. 土壤學(xué)報, 2017, 54(5): 1 125-1 135.

GUO Huili, SUN Liquan, WU Shufang, et al. Erosion evolution processes and hydraulic characteristics analysis of fishscale pit slop on loess plateau region[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(5): 1 125-1 135.

[9] 侯雷, 謝欣利, 姚沖, 等. 不同規(guī)格魚鱗坑坡面侵蝕過程及特征研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2020, 36(8): 62-68.

HOU Lei, XIE Xinli, YAO Chong, et al. Erosion process and characteristics of different specifications of fish-scale pit slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(8): 62-68.

[10] 李虹辰, 趙西寧, 高曉東, 等. 魚鱗坑與覆蓋組合措施對陜北旱作棗園土壤水分的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2014, 25(8): 2 297-2 303.

LI Hongchen, ZHAO Xining, GAO Xiaodong, et al. Effects of scale-like pit and mulching measures on soil moisture of dryland jujube orchard in North Shaanxi Province, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(8): 2297-2 303.

[11] 李萍, 朱清科, 趙磊磊, 等. 黃土丘陵溝壑區(qū)魚鱗坑雨季土壤水分狀況[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2011, 27(7): 76-81.

LI Ping, ZHU Qingke, ZHAO Leilei, et al. Soil moisture of fish-scale pit during rainy season in Loess hi1ly and gully region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(7): 76-81.

[12] 李萍, 朱清科, 王晶, 等. 半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)不同規(guī)格魚鱗坑集水效果研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2011, 30(5): 91-94.

LI Ping, ZHU Qingke, WANG Jing, et al. Catchment effect of fish-scale pits with different specification in semi-arid hilly and gully loess plateau[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2011, 30(5): 91-94.

[13] 張樂濤, 董俊武, 袁琳, 等. 黃土區(qū)工程堆積體陡坡坡面徑流調(diào)控工程措施的減沙效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2019, 35(15): 101-109.

ZHANG Letao, DONG Junwu, YUAN Lin, et al. Sediment-reducing benefits by runoff regulation under engineering measures in steep slope of abandoned soil deposits in Chinese loessial region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(15): 101-109.

[14] 馬宇航. GPS技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用——評《水利工程測量》[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(3): 149.

[15] 宋同清, 彭晚霞, 曾馥平, 等. 喀斯特木論自然保護(hù)區(qū)旱季土壤水分的空間異質(zhì)性[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2009, 20(1): 98-104.

SONG Tongqing, PENG Wanxia, ZENG Fuping, et al. Spatial heterogeneity of surface soil moisture content in dry season in Mulun National Natural Reserve in Karst area[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(1): 98-104.

[16] REICH R M, AGUIRRE-BRAVO C, BRAVO V A, et al. Empirical evaluation of confidence and prediction intervals for spatial models of forest structure in Jalisco, Mexico[J]. Journal of Forestry Research, 2011, 22(2): 159-166.

[17] 畢華興, 李笑吟, 劉鑫, 等. 晉西黃土區(qū)土壤水分空間異質(zhì)性的地統(tǒng)計學(xué)分析[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006, 28(5): 59-66.

BI Huaxing, LI Xiaoyin, LIU Xin, et al. Spatial heterogeneity of soil moisture using geological statistics method in the loess region of west Shanxi Province[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2006, 28(5): 59-66.

[18] LEP? J, ?MILAUER P. Multivariate analysis of ecological data using CANOCO[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.

[19] 劉宇, 王彥輝, 郭建斌, 等. 六盤山華北落葉松人工林土壤水分空間異質(zhì)性的降雨前后變化及其影響因素[J]. 水土保持學(xué)報, 2016, 30(5): 197-204.

LIU Yu, WANG Yanhui, GUO Jianbin, et al. Variation and main influencing factors of spatial heterogeneity of soil moisture of larix principis-rupprechtii plantation before and after raining in liupan mountains of ningxia, China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 197-204.

[20] 王甜, 康峰峰, 韓海榮, 等. 山西太岳山小流域土壤水分空間異質(zhì)性及其影響因子[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2017, 37(11): 3 902-3 911.

WANG Tian, KANG Fengfeng, HAN Hairong, et al. Factors influencing spatial heterogeneity of soil moisture content in a small catchment of Mount Taiyue, Shanxi Province[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(11): 3 902-3 911.

[21] 于洋, 衛(wèi)偉, 陳利頂, 等. 黃土丘陵區(qū)小流域典型造林整地工程土壤水分特征曲線模擬[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2018, 38(18): 6 511-6 520.

YU Yang, WEI Wei, CHEN Liding, et al. Simulation of a soil water retention curve of typical soil and water conservation engineering measures in the Loess hilly watershed[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(18): 6 511-6 520.

[22] 衛(wèi)偉, 余韻, 賈福巖, 等. 微地形改造的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(20): 6 462-6 469.

WEI Wei, YU Yun, JIA Fuyan, et al. Research progress in the ecological effects of micro-landform modification[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(20): 6 462-6 469.

[23] 馮天驕, 衛(wèi)偉, 陳利頂, 等. 黃土丘陵區(qū)小流域不同整地措施長期影響下的土壤水力學(xué)特性[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017, 38(9): 3 860-3 870.

FENG Tianjiao, WEI Wei, CHEN Liding, et al. Comparison of soil hydraulic characteristics under the conditions of longterm land preparation and natural slope in Longtan catchment of the loess hilly region[J]. Environmental Science, 2017, 38(9): 3 860-3 870.

[24] 李虹辰. 黃土丘陵區(qū)魚鱗坑覆蓋組合措施棗樹水分耗散機(jī)制研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2018.

[25] 張杰, 陳曉安, 湯崇軍, 等. 典型水土保持措施對紅壤坡地柑橘園水土保持效益的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2017, 33(24): 165-173.

ZHANG Jie, CHEN Xiaoan, TANG Chongjun, et al. Benefit evaluation on typical soil and water conservation measures in citrus orchard on red soil slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(24): 165-173.

[26] 張繼光, 陳洪松, 蘇以榮, 等. 喀斯特山區(qū)洼地表層土壤水分的時空變異[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2008, 28(12): 6 334-6 343.

ZHANG Jiguang, CHEN Hongsong, SU Yirong, et al. Spatial and temporal variability of surface soil moisture in the depression area of Karst hilly region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(12): 6 334-6 343.

[27] APPELS W M, BOGAART P W, VAN DER ZEE S E A T M. Influence of spatial variations of microtopography and infiltration on surface runoff and field scale hydrological connectivity[J]. Advances in Water Resources, 2011, 34(2): 303-313.

[28] 戴翠婷, 劉窯軍, 王天巍, 等. 三峽庫區(qū)高礫石含量紫色土優(yōu)先流形態(tài)特征[J]. 水土保持學(xué)報, 2017, 31(1): 103-108, 115.

DAI Cuiting, LIU Yaojun, WANG Tianwei, et al. Characteristics of preferential flow under high-content rock fragment purple soil in the Three Gorges reservoir area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(1): 103-108, 115.

[29] 夏天, 田軍倉. 基于黏粒量的土壤水分特征曲線預(yù)測模型[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(3): 9-14.

XIA Tian, TIAN Juncang. Using clay content to estimate soil water characteristic curve[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 9-14.

[30] ZUAZO V H D, RUIZ J A, RAYA A M, et al. Impact of erosion in the taluses of subtropical orchard terraces[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2005, 107(2/3): 199-210.

Spatial Variation in Soil Water Content Over Hillslopes Engineered by Fish-scale Pits in Taihang Mountainous Region

ZHANG Zhihua, GUO Jiawei, SANG Yuqiang, WANG Decai, YANG Liu, ZHANG Jinhao, CHEN Nannan, YANG Xitian*

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

【】Fish-scale pit is a common technology used to engineering earth slopes in arid and semi-arid regions to improve water infiltration and reduce soil erosion. The objective of this paper is to investigate how implementation of this technology reshapes soil water distribution in the slopes.【】The experiments were carried out at slopes on the south face of Taihang mountainous region with slope without pits taken as the control. Across each experimental slope, we measured soil water content in the top 0～20 cm soil across the slope at different seasons and analyzed its spatial variation.【】①Engineering earth slopes with the fish-scale pits could improve soil water content by 7%～41% depending on seasons and locations in the slope; it also made soil water distribution less spatially heterogeneous and increased the proportion of structural variation in the total variation by 20%～88%.②Under natural conditions, soil water content in non-pitted slopes decreases from the top to the toe, while engineering the slopes with the pits made soil water distribution patchy, especially in drought seasons. ③Redundancy analysis revealed that for the engineered slopes, environmental factors that affected spatial variation in soil water content and their associated contribution scores (the numbers in the bracket) were ranked in the order of gravel content (22.7%)>sand content (2.9%)>silt content (2.3%)>altitude (1%)>bulk density (1.3%)>gravel coverage (0.02%), while for the natural slopes the factors were ranked in the order of altitude (25%)>gravel content (13.9%)>silt content (8.1%)>bulk density (2.9%)>sand content (1.2%)>gravel coverage of soil surface (0.4%).【】Engineering earth slopes using fish-scale pits can reduce the influence of topography on spatial distribution in soil moisture, with the gravel content affecting spatial variation in soil water content the most. It also reduced spatial variation in soil moisture and increased soil water content. These combine to improve the bioavailability of soil water to plants and crops.

soil moisture; spatial variability; fish-scale pits; geostatistical analysis; redundancy analysis

張志華, 郭加偉, 桑玉強(qiáng), 等. 太行山南麓魚鱗坑工程對坡面土壤水分空間變異性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(9): 85-92.

ZHANG Zhihua, GUO Jiawei, SANG Yuqiang, et al.Spatial Variation in Soil Water Content Over Hillslopes Engineered by Fish-scale Pits in Taihang Mountainous Region [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 85-92.

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021060

1672 – 3317（2021）09 - 0085 - 08

2021-03-03

國家自然科學(xué)基金項目（41807174）；河南省教育廳重點項目（18A220002）；河南省科技攻關(guān)項目（182102311008）

張志華（1984-），女，寧夏吳忠人。講師，主要從事生態(tài)水文學(xué)和水文土壤學(xué)方向研究工作。E-mail: zhihua1221@163.com

楊喜田（1965-），男，河南長垣人。教授，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。E-mail: xitianyang@aliyun.com

責(zé)任編輯：白芳芳