毛烏素沙地固定沙丘表層土壤水分時間穩(wěn)定性特征

鄭云珠，趙 鑫，朱 超，田曉飛，翟 勝，孫樹臣

（1.聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東聊城252059；2.聊城大學(xué)人力資源處，山東聊城252059）

0 引言

干旱半干旱地區(qū)土地荒漠化是人類社會面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題之一，由于降水少、蒸發(fā)大等因素的影響，使土壤水分成為制約沙地植被生長與農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。土壤水分的分布和動態(tài)變化是地形、氣候、土壤、植被、人類活動等多個方面綜合作用的反映[2,3]，因此土壤水分具有一定的時空變異性，并影響植被的分布與演替。毛烏素沙地是我國四大沙地之一同時是節(jié)水研究的重點(diǎn)地區(qū)[4]，其表層土壤含水量季節(jié)差異較大，沙丘不同坡位和坡向的土壤水分具有一定空間變異特征[5,6]，因此準(zhǔn)確預(yù)測土壤水分的分布狀況對了解該地區(qū)土壤水文過程及植被建設(shè)具有重要意義。雖然土壤水分具有一定的時空變異性，但Vachaud 等[7]研究發(fā)現(xiàn)土壤水分空間模式具有時間上的穩(wěn)定性，某些觀測點(diǎn)可以代表整個研究區(qū)土壤含水量的平均值，并提出土壤水分時間穩(wěn)定性的概念。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者將土壤水分時間穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于不同植被[8]、不同土層[9]、不同尺度[10-12]、不同生態(tài)系統(tǒng)[13,14]等的研究中。通過時間穩(wěn)定性方法判定土壤水分代表性樣點(diǎn)，并指出代表性樣點(diǎn)可以較好的代表整個研究區(qū)平均土壤含水量水平[15]，不同觀測點(diǎn)代表不同土層[16]，甚至一個觀測點(diǎn)代表多個土層的平均土壤含水量[12]，從而減少土壤水分監(jiān)測點(diǎn)。

表層土壤處在大氣與陸地之間的交界面上，其水分含量影響降水入滲、地表徑流、蒸發(fā)等過程[17]，植物的正常生長也主要利用表層或淺層土壤水分，而表層土壤水分在時空變異上比深層土壤水分更強(qiáng)[16,18]，變異程度在不同年份間具有一定的差異[19]。毛烏素沙地作為植被恢復(fù)與重建的重點(diǎn)區(qū)域，深入理解和認(rèn)識該區(qū)表層土壤水分時空變異性對于合理利用毛烏素沙地有限的水資源進(jìn)行植被建設(shè)具有重要的理論和實(shí)踐意義?；诖耍狙芯吭诿珵跛厣车毓潭ㄉ城鸬挠L(fēng)坡、背風(fēng)坡以及坡頂進(jìn)行網(wǎng)格化布點(diǎn)，共布設(shè)樣點(diǎn)86 個，利用土壤溫濕度記錄儀（TMS）對表層（0～5 cm）土壤含水量進(jìn)行測定。采用經(jīng)典統(tǒng)計分析、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)、相對差分等方法分析表層土壤含水量的時空變異性與時間穩(wěn)定性特征，評估代表性觀測點(diǎn)估算整個研究區(qū)表層平均土壤含水量的精準(zhǔn)度，以期為毛烏素沙地固定沙丘合理布設(shè)土壤水分監(jiān)測點(diǎn)和水資源高效管理與利用，同時為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)及優(yōu)化生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在毛烏素沙地東南緣陜西省神木市生態(tài)協(xié)會毛烏素治沙造林基地（38°53′N，109°22′E）內(nèi)進(jìn)行。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫約為8.4 ℃，年均蒸發(fā)量約為2 200 mm，≥10 ℃積溫為2 400～3 600 ℃，無霜期為130～150 d，年均降水量約為435 mm，年際和年內(nèi)降水變率較大，其中7-9月降水量約占全年降水量的60%～75%。固定沙丘迎風(fēng)坡平均坡度約為3.3°，背風(fēng)坡平均坡度約為30°。研究區(qū)主要分布有灌木長柄扁桃（Amygdalus pedunculata Pall）、紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn）、沙柳（Salix psammophila）等，灌木下植被稀少，以1年生草本植物為主。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)與數(shù)據(jù)獲取

在固定沙丘迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和坡頂分別進(jìn)行網(wǎng)格化布點(diǎn)，迎風(fēng)坡以10 m×10 m網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)采樣，背風(fēng)坡和坡頂以5 m×10 m 網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)采樣，共布置86個樣點(diǎn)（圖1）。于2019年7月至10月使用土壤溫濕度記錄儀（TMS，Czech）對土壤含水量各觀測點(diǎn)進(jìn)行測定，共測定8 次。研究區(qū)降水由雨量筒（TE525MM，Campbell，USA） 測定，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器（CR1000，Campbell，USA）自動存儲。

1.3 研究方法

1.3.1 變異系數(shù)（CV）

變異系數(shù)（CV，%）可以反映土壤含水量的變異程度，CV≤10%為弱變異，10%

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為平均值。

1.3.2 Spearman秩相關(guān)系數(shù)

Spearman 秩相關(guān)系數(shù)可以表征土壤含水量的空間模式在時間上的穩(wěn)定性[7,21]，計算公式為：

式中：N為觀測點(diǎn)總數(shù)；Rij為觀測點(diǎn)i在觀測時間j下土壤含水量值的秩；Rik為觀測點(diǎn)i在觀測時間k下土壤含水量值的秩。rs越接近于1，說明土壤含水量的空間模式在時間上越穩(wěn)定。

1.3.3 相對差分法

相對差分平均值（MRD）和相對差分標(biāo)準(zhǔn)差（SDRD）可以判定觀測點(diǎn)土壤含水量的時間穩(wěn)定性[7]。觀測點(diǎn)i在觀測時間j下的土壤含水量相對差分δij，計算公式為：

式中：θij為觀測點(diǎn)i在觀測時間j下的土壤含水量值；為觀測時間j下所有觀測點(diǎn)土壤含水量的平均值。

觀測點(diǎn)i的相對差分平均值和相對差分標(biāo)準(zhǔn)差，計算公式為：

式中：M為觀測總次數(shù)。

1.3.4 代表性測點(diǎn)時間穩(wěn)定性判定

隨機(jī)組合采樣方法，確定表征研究區(qū)平均土壤含水量所需的最優(yōu)采樣數(shù)目（NRS，the number of required samples），以95%的置信區(qū)間和±2%的誤差（e）獲取NRS，以期用最低成本獲取研究區(qū)最全面準(zhǔn)確的土壤水分基本狀況[22,23]。

時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS），其值越小時間穩(wěn)定性越強(qiáng)[14]。計算公式為：

平均偏差(MBE)和均方根誤差(RMSE)可以評估代表性測點(diǎn)時間穩(wěn)定性[24]，觀測點(diǎn)i的RMSE數(shù)值越小越接近于研究區(qū)平均土壤含水量。計算公式為：

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 以及SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量的時空變化特征

表1為觀測期內(nèi)表層土壤含水量在空間上的經(jīng)典統(tǒng)計特征值。土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的平均值分別為3.04%和14.72%，分布范圍分別為2.34%～4.12%和10.97%～18.59%，標(biāo)準(zhǔn)差均較小但變異系數(shù)均大于10%，土壤含水量在空間上表現(xiàn)為中等變異性。8月各測次下的土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)總體高于其他觀測日期，這可能是由于該時期降水量較多，固定沙丘的坡向和坡位影響水分再分配，導(dǎo)致土壤含水量在該時期具有較高的空間變異。Kolmogorov-Smirnov（K-S）檢驗(yàn)表明，各觀測日期下86 個觀測點(diǎn)的土壤含水量在0.05 水平上均服從正態(tài)分布。

表1 表層土壤含水量（0～5 cm）經(jīng)典統(tǒng)計特征值Tab.1 Classical statistical characteristic value of surface soil water content(0～5 cm)

圖2為觀測期內(nèi)日降水量和土壤含水量平均值隨時間的變化。在整個觀測期內(nèi)，表層土壤含水量保持較高的水平，介于14.23%～24.60%之間。由于研究區(qū)夏季降水量較多，加之蒸發(fā)量大，使不同觀測時間下的土壤含水量平均值整體上隨降水發(fā)生較大波動，直到9月底之后趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

時間上土壤含水量在空間各觀測點(diǎn)的平均值為21%，分布在18.03%～24.58%之間，變異系數(shù)為6.42%，屬于弱變異（表2）。時間上的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)在空間各觀測點(diǎn)的平均值分別為3.95%和18.90%，分別分布在2.22%～7.82%和9.37%～43.38%之間。雖然標(biāo)準(zhǔn)差較低，但大部分觀測點(diǎn)變異系數(shù)>10%，研究區(qū)土壤含水量在時間上總體屬于中等變異。由時間上土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)在空間各觀測點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差（0.98%和4.98%）和變異系數(shù)（24.73%和26.33%）可知，各觀測點(diǎn)土壤含水量時間上的變化具有較大的差異性。

表2 時間上土壤含水量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的空間統(tǒng)計 %Tab.2 Spatial statistics of mean value standard deviation and coefficient of variation of soil water content over time

2.2 土壤含水量的時間穩(wěn)定性

2.2.1 土壤含水量的Spearman秩相關(guān)系數(shù)

通過Spearman 秩相關(guān)系數(shù)可以分析土壤含水量的空間模式在時間上的穩(wěn)定性特征。表3 是研究區(qū)86 個觀測點(diǎn)的土壤含水量在各日期對之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣。由表3可知，各日期對之間的相關(guān)系數(shù)總體不高，分布在-0.158～0.337 之間，絕大多數(shù)日期對之間不具有顯著性，僅3 個日期對之間具有顯著性，其中8月9日與8月20日之間具有較高的相關(guān)系數(shù)（0.337），并在0.01水平上表現(xiàn)顯著。表明研究區(qū)土壤含水量的空間模式在時間上的穩(wěn)定性不高。

表3 表層0～5 cm土壤含水量的Spearman秩相關(guān)系數(shù)Tab.3 Spearman rank correlation of soil moisture content in surface layer 0～5 cm

2.2.2 土壤含水量的相對差分

圖3 為研究區(qū)86 個觀測點(diǎn)表層土壤含水量的相對差分平均值按秩序數(shù)由小到大進(jìn)行排列，以及相對應(yīng)的時間穩(wěn)定性指數(shù)曲線，圖中誤差線為各觀測點(diǎn)的相對差分標(biāo)準(zhǔn)差。MRD處在-17.24%～18.80%范圍之間，標(biāo)準(zhǔn)差為6.66%（表4），總體上研究區(qū)各觀測點(diǎn)的MRD較小，研究期內(nèi)大部分觀測點(diǎn)的土壤含水量與研究區(qū)平均土壤含水量偏離程度較低，且MRD大于0的觀測點(diǎn)與小于0的觀測點(diǎn)相比，其SDRD和ITS均較低（圖3），較高土壤含水量比較低土壤含水量的觀測點(diǎn)更具有時間穩(wěn)定性。SDRD的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為12.70%和4.55%，ITS的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為14.20%和4.96%，標(biāo)準(zhǔn)差值均較小，研究區(qū)土壤含水量時間穩(wěn)定性較好。

表4 土壤含水量的相對差分平均值（MRD）、相對差分標(biāo)準(zhǔn)差（SDRD）和時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS）%Tab.4 Relative difference mean(MRD)，relative difference standard deviation(SDRD)and time stability index(ITS)of soil water content

2.3 土壤含水量代表性觀測點(diǎn)

通過隨機(jī)組合采樣方法得出表征研究區(qū)平均土壤含水量的NRS為10。通過ITS、RMSE、MRD和SDRD分別進(jìn)行代表性觀測點(diǎn)的分析判定，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)77 號、36 號、6 號、2 號、56號、11號、22號、82號、39號、10號觀測點(diǎn)與研究區(qū)平均土壤含水量均具有較高的相關(guān)系數(shù)。其中依據(jù)ITS、RMSE值越小時間穩(wěn)定性越強(qiáng)的原則選定研究區(qū)代表性觀測點(diǎn)，二者的最小值（6.11%，1.2832）均為觀測點(diǎn)77（圖3 和圖4），其MRD和SDRD分別為0.77%和6.06%（圖3）?；貧w分析表明，觀測點(diǎn)77的土壤含水量與研究區(qū)平均土壤含水量相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.876 9（圖5）。因此，觀測點(diǎn)77 能夠更好地代表整個研究區(qū)內(nèi)的表層平均土壤含水量，并可估算整個固定沙丘表層土壤含水量的均值，從而可以減少研究區(qū)表層土壤水分的監(jiān)測點(diǎn)。

3 討 論

土壤水分是毛烏素沙地植被生長與恢復(fù)的主要制約因素，夏季土壤含水量一般保持在較高的水平，固定沙丘研究期內(nèi)的表層土壤含水量平均值為21.00%，時空變異特征總體上表現(xiàn)為中等變異性，且時間上的變異程度高于空間上的變異。與張萍萍[25]在黑河中游荒漠景觀表層土壤水分時空變異性的研究結(jié)果相似，可能是由于表層土壤水分更易受降雨、滲透、蒸騰、蒸發(fā)和人類活動等因素的影響[26-28]，而各觀測點(diǎn)分布在固定沙丘的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和坡頂，地形與植被等具有一定的差異，導(dǎo)致表層土壤含水量的時空變異特征。研究區(qū)空間上土壤含水量平均值與對應(yīng)日期降水量的變化特征整體上具有較好的同步性，說明降水對表層土壤含水量變化產(chǎn)生較強(qiáng)的影響，與潘顏霞等[29]、Li等[30]研究結(jié)果一致，但也有研究發(fā)現(xiàn)植被蓋度可能造成土壤含水量與降水量在某些季節(jié)的變化具有不一致性[15]。本研究區(qū)植被蓋度較低，冠層只能截留較少的雨水，大部分雨水以穿透雨的形式補(bǔ)給表層土壤，因此表層土壤含水量變化與降水量具有密切聯(lián)系。

土壤水分時間穩(wěn)定性的判定可以通過Spearman 秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析[3]，本研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量空間模式在時間上的相似性較弱，即土壤含水量空間模式在時間上的穩(wěn)定性不高，但通過相對差分法分析得到研究區(qū)某些觀測點(diǎn)具有較好的時間穩(wěn)定性，兩者分析并不矛盾[15,31]，這可能是由于Spearman秩相關(guān)系數(shù)是描述土壤含水量空間模式在時間上的相似性，而相對差分法是描述某一特定觀測點(diǎn)的時間穩(wěn)定性[3,32]。有研究發(fā)現(xiàn)，觀測點(diǎn)土壤水分條件影響其時間穩(wěn)定性，較濕潤觀測點(diǎn)的時間穩(wěn)定性優(yōu)于較干旱觀測點(diǎn)[15,33]，與本研究結(jié)果一致。而白一茹等[24]研究發(fā)現(xiàn)濕潤狀態(tài)土壤水分的時間穩(wěn)定性較弱，這可能與研究區(qū)的土壤、植被、地形及空間尺度等因素有關(guān)。依據(jù)MRD接近于0且SDRD相對較小以及ITS、RMSE越小時間穩(wěn)定性越強(qiáng)的原則可以判定研究區(qū)土壤水分的代表性測點(diǎn)[14,16]，但在本研究中，僅ITS和RMSE所判定的代表性觀測點(diǎn)一致（觀測點(diǎn)77），且二者分析方法對代表性測點(diǎn)判定的效果較好，其中ITS 是由MRD與SDRD所組成的統(tǒng)計指標(biāo)，判定時間穩(wěn)定性代表性測點(diǎn)的精準(zhǔn)度優(yōu)于MRD接近于0且SDRD相對較小所判定的觀測點(diǎn)。觀測點(diǎn)77 的土壤含水量與研究區(qū)平均含水量之間具有較高的相關(guān)性（R2=0.876 9），因此一個觀測點(diǎn)能夠較好的代表整個研究區(qū)的表層土壤含水量均值，很多學(xué)者在不同研究區(qū)通過時間穩(wěn)定性的分析方法得出相同的結(jié)論[21,24]，表明當(dāng)外界條件趨于穩(wěn)定時，研究區(qū)某些觀測點(diǎn)土壤水分表現(xiàn)出時間穩(wěn)定性特征。Gao 等[34]研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)平均含水量的最佳代表觀測點(diǎn)，位于坡度平緩、相對較平的地表，也有研究指出，位于坡面中上部的觀測點(diǎn)能夠較好的代表研究區(qū)土壤水分的均值[15,35]。本研究代表性觀測點(diǎn)77位于固定沙丘迎風(fēng)坡與坡頂交界位置，地勢較高且坡度較小、地勢較為平坦，侵蝕性降水對其影響較小，而背風(fēng)坡平均坡度約為30°，坡度的復(fù)雜性會進(jìn)一步影響降水再分配、植被蒸散發(fā)等，影響土壤水分的時間穩(wěn)定性，因此地形因素可能是導(dǎo)致觀測點(diǎn)77 具有較好的時間穩(wěn)定性的重要原因。以往常規(guī)監(jiān)測土壤含水量樣點(diǎn)是進(jìn)行隨機(jī)分布，并需要大量樣本才可以獲得較為精確的土壤水分信息[28,36]，耗費(fèi)大量的時間和財力，本研究一個觀測點(diǎn)可以較好的代表整個固定沙丘表層土壤含量的均值，今后可減少研究區(qū)表層土壤水分監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量，同時又可提供較為精準(zhǔn)的整個研究區(qū)表層平均土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，有利于合理利用土壤水資源以及提高水資源利用效率，從而有利于該區(qū)域植被建設(shè)及生態(tài)環(huán)境改善。

4 結(jié)論

本研究通過對毛烏素沙地東南緣固定沙丘表層（0～5 cm）土壤水分時空變異性與時間穩(wěn)定性特征的分析研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）觀測期內(nèi)表層土壤含水量的平均值為21%，時空變化總體上具有中等變異性。降水是影響表層土壤含水量時空變異的重要因素。

（2）Spearman 秩相關(guān)系數(shù)在各日期對之間相關(guān)系數(shù)總體水平不高，表層土壤含水量空間模式在時間上的穩(wěn)定性較弱。相對差分分析，研究區(qū)某些觀測點(diǎn)表層土壤含水量的時間穩(wěn)定性水平較高，且較高含水量觀測點(diǎn)的時間穩(wěn)定性高于較低含水量觀測點(diǎn)。

（3）ITS、RMSE及回歸分析表明，觀測點(diǎn)77 可作為整個固定沙丘表層平均土壤含水量的代表性樣點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)為0.876 9。

綜上所述，本研究雖對毛烏素沙地東南緣固定沙丘表層土壤水分時間穩(wěn)定性進(jìn)行了研究并得出代表性樣點(diǎn)，但代表性樣點(diǎn)的準(zhǔn)確判定是一個長期的過程且土壤水分的變異性是多種因素共同影響的結(jié)果。因此，未來應(yīng)結(jié)合土壤、植被、地形等多種因素進(jìn)行綜合分析，深入開展固定沙丘表層及深層土壤水分時空變化與時間穩(wěn)定性特征的研究，為該地區(qū)有限水資源高效利用及生態(tài)環(huán)境建設(shè)服務(wù)。