遼西山地丘陵區(qū)小流域土壤水分空間變異特性研究

王福兵

（錦州新澤工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 錦州 121100）

1 研究方法

1.1 流域概況

以義縣下山口小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，該小流域位于遼西山地丘陵區(qū)，屬于大凌河中游，地處E120°58′55″～121°2′10.5″，N41°21′26.3″～41°24′51.7″之間，總面積3586hm2。土壤類型以棕壤性土亞類為主，土壤腐殖質(zhì)較少，通透性差，抗沖蝕性弱，極易發(fā)生水土流失。植被屬華北針葉、闊葉和落葉混合類型區(qū)，以天然次生灌木林(荊條)和人工林(黑松、刺槐)為主，大部分為單一樹種，成林面積較少，加之歷代人類活動(dòng)破話，大部分山地植物稀少。下山口小流域總面積3586hm2，用地類型以耕地、草地、灌木林地以及林地為主。

1.2 樣品采集

針對(duì)下山口小流域不同土地利用類型，采用網(wǎng)格法按間距20m×20m 進(jìn)行采樣，通過(guò)GPS 定位共設(shè)置80 個(gè)樣點(diǎn)，不同用地類型的樣品采集信息，見表1。樣點(diǎn)采集過(guò)程中利用土鉆(直徑4cm)分層取樣，為保證數(shù)據(jù)精度每個(gè)樣點(diǎn)取土樣13 個(gè)，其中0～60cm 深度范圍內(nèi)每隔10cm 取樣一次，60～200cm 深度范圍內(nèi)每隔20cm 取樣一次。土樣采集后放入鋁盒內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)室利用烘干法進(jìn)行土壤含水率測(cè)定，烘干時(shí)間8h，設(shè)定溫度105～110℃，以質(zhì)量百分比反映含水率變化。

表1 不同用地類型的樣品采集信息

1.3 數(shù)據(jù)處理

采樣時(shí)間為2021 年7 月，為消除土壤水分空間變異性受前期降雨及其再分布的影響，本研究不考慮0～20cm 深度范圍內(nèi)的水分?jǐn)?shù)據(jù)。采用Excel 2018、SPSS20.0、Sigmaplot 12.0、Arc GIS 9.5 等軟件計(jì)算土壤含水率平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、方差分析、多種比較、圖件制作以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同用地類型的土壤水分特性

2.1.1 土壤含水率的統(tǒng)計(jì)特征值

變異系數(shù)CV是反映土壤含水率離散程度以及特征參數(shù)空間變異程度的重要因子[1]，一般將變異程度劃分成強(qiáng)、中、弱3 個(gè)等級(jí)，所對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)CV≥100%、10% ＜CV＜100%、CV≤10%，不同用地類的土壤含水率，見表2。

表2 不同用地類的土壤含水率

由表2 可知，下山口小流域土壤含水率總體處于2.26%～22.70%之間，平均值8.15%，變異系數(shù)41.62%達(dá)到中等變異程度。對(duì)于不同用地類型，灌木林地、林地和草地的土壤含水率明顯低于耕地的13.15%，相較于耕地土壤含水率減小55.4%、45.2%、31.2%；各用地類型的土壤水分變異系數(shù)處于28.13%～34.61%，總體達(dá)到中等變異程度。

依據(jù)方差分析結(jié)果，不同用地類型下土壤含水率平均值在P＜0.01 上顯著差異，差異性排序：灌木林地＜林地＜草地＜耕地，該變化特征可能與下山口小流域耕地地貌形態(tài)以梯田和溝壩地為主，而坡耕地較少且大多分布于坡度較小的區(qū)域有關(guān)[2]。

2.1.2 土壤含水率的垂直分布

土壤垂直方向上的含水率分布變化受影響因素有土地利用、地形、蒸散、降雨等，土壤含水率垂直分布，不同用地方式的土壤含水率垂直分布，見圖1。

圖1 不同用地方式的土壤含水率垂直分布

由圖1 可知，20～50cm 深度范圍內(nèi)隨土層深度增加草地、林地和灌木林地的土壤含水率不斷減小，深度＞50cm 后隨土層深度增加草地、林地和灌木林地的土壤含水率逐漸增大，但140cm 處和160cm處草地、林地呈現(xiàn)出相對(duì)低濕和高濕特征。植被根系較深的灌木林地和林地會(huì)消耗大量的土壤水分，另外垂直方向上的水分吸收在一定程度上降低了坡面上土壤含水率的波動(dòng)[3]。20～200cm 土層范圍內(nèi)耕地土壤含水率出現(xiàn)較大變異，總體呈先上升后下降再上升的變化趨勢(shì)，100cm 土層深度處的含水率最低。在剖面上，耕地土壤含水率干濕波動(dòng)與田間管理措施、人為對(duì)土壤的翻耕、土壤空隙分布等物理性能密切相關(guān)。

不同土層深度不同用地方式下的土壤含水率，見表3，經(jīng)K-S檢驗(yàn)每層土壤含水率數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。

表3 不同土層深度的土壤含水率及變異系數(shù) %

從表3 可以看出，草地、灌木林地、林地、耕地的各層土壤水分變異系數(shù)處于22.86%～40.60%、15.13%～32.25%、27.04%～44.78%、18.71%～43.67%范圍，均達(dá)到中等變異程度；各土層變異系數(shù)隨著土層深度的增大未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。不同用地類型各土層土壤含水率變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的Pearson 相關(guān)系數(shù)，含水率Pearson 相關(guān)系數(shù)表，見表4。結(jié)果表明林地、草地、耕地含水率均值與變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差的相關(guān)性不顯著，而灌木林地含水率均值與變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明隨著土壤含水率均值的增加灌木林地含水率變異性逐漸增大，這與剖面上土壤含水率分布特征一致。另外，不同用地類型下土壤含水率變異系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差呈極顯著正相關(guān)[4]。

表4 含水率Pearson 相關(guān)系數(shù)表

2.2 不同地形的土壤水分變異特性

2.2.1 土壤含水率的統(tǒng)計(jì)特征值

統(tǒng)計(jì)分析不同地形條件的土壤含水率，不同地形條件的土壤含水率，見表5。從低到高土壤含水率平均值排序：坡頂(8.12%)＜坡地(8.25%)＜溝底(8.67%)＜梯田(9.55%)，經(jīng)方差檢驗(yàn)達(dá)到P＜0.05的顯著差異。不同地形的土壤水分變異系數(shù)處于34%～45%之間，達(dá)到中等變異程度。

表5 不同地形條件的土壤含水率

對(duì)小流域土壤含水率數(shù)據(jù)利用Arc GIS 軟件自帶的統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后土壤含水率數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可以進(jìn)行插值處理。結(jié)果表明，從低到高不同地形土壤含水率排序：坡頂＜坡地＜溝底，該變化特征與表5 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)保持一致。

2.2.2 土壤含水率的垂直變化及差異特征

將不同坡位按照坡高劃分成坡下、坡中和坡上，結(jié)果顯示從低到高不同坡位土壤含水率排序：坡中＜坡上＜坡下，不同坡位上的土壤含水率，見表6。

表6 不同坡位上的土壤含水率

不同坡位的土壤含水率變異系數(shù)均≥31%，達(dá)到中等變異程度，其中坡上與坡中相差不大，坡下最低，隨海拔增加坡地上的土壤含水率差異性更加顯著。經(jīng)方差分析，坡上、坡中和坡下土壤含水率呈極顯著或顯著差異，其中坡下與坡上達(dá)到顯著差異(P＜0.05)，坡上、坡下與坡中土壤含水率呈極顯著差異(P＜0.01)。因此，土壤含水率受降雨再分配、土地類型、地貌、植被等因素影響呈現(xiàn)出坡上＜坡中＜坡下的特征。

不同坡位的土壤含水率垂直分布，見圖3。在20～50cm 深度范圍內(nèi)隨土層增加坡下、坡中和坡上土壤含水率逐漸減少，超過(guò)50cm 后隨土層深度的增加含水率逐漸增大，該變化趨勢(shì)與不同用地類型保持一致。

圖3 不同坡位的土壤含水率垂直分布

2.2.3 不同坡向的土壤含水率

統(tǒng)計(jì)分析不同坡向的土壤含水率，不同坡向的土壤含水率，見表7，結(jié)果顯示陽(yáng)坡土壤含水率變異系數(shù)36%，均值7.86%，達(dá)到中等變異程度；陰坡土壤含水率變異系數(shù)32%，均值8.46%，達(dá)到中等變異程度，陰坡大于陽(yáng)坡土壤含水率，經(jīng)方差分析，陰坡顯著高于陽(yáng)坡的土壤含水率，究其原因是太陽(yáng)輻射的再分配直接取決于坡向，陽(yáng)坡遠(yuǎn)高于陰坡的蒸散發(fā)，對(duì)土壤含水率分布造成直接影響[5]；另外，陽(yáng)坡植被較少使得其土壤水分散失也高于陰坡。

表7 不同坡向的土壤含水率

經(jīng)方差分析，不各用地類型的土壤含水率呈極顯著差異，坡地灌木林地(5.68%)、林地(8.35%)、草地(6.56%)的土壤含水率極顯著(P＜0.01)低于耕地(12.60%)，從低到高排序：灌木林地＜草地＜林地＜耕地。坡頂上含水率最高的也是耕地，從低到高排序：灌木林地(4.25%)＜林地(6.01%)＜草地(8.26%)＜耕地(14.10%)。各用地類型下坡地和坡頂?shù)耐寥篮首儺愊禂?shù)均為中等變異程度，隨著土壤含水率的逐漸增加各用地類型的變異系數(shù)不斷減小。

2.3 土地利用與地形的交互作用

經(jīng)對(duì)比分析，地形條件相同情況下各用地類型的土壤含水率變化特征與整個(gè)流域相比呈顯著差異，不同用地方式相同地形條件的土壤含水率，見表8。對(duì)于耕地和草地，從低到高土壤含水率排序：坡地＜流域＜坡頂，針對(duì)灌木林地和林地，則表現(xiàn)為坡頂＜流域＜坡地。因此，土地利用方式和地形條件都會(huì)對(duì)土壤含水率空間變異性造成制約，單一考慮用地類型或地形條件對(duì)土壤含水率的影響無(wú)法全面揭示流域尺度上的空間變異規(guī)律。

表8 不同用地方式相同地形條件的土壤含水率

3 結(jié)論

文章以遼西山地丘陵區(qū)下山口小流域?yàn)槔?，?yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)原理探討土壤養(yǎng)分空間變異特性及其影響因素，結(jié)論有以下2 點(diǎn)：

1）不同用地類型下土壤含水率均值呈極顯著差異性，從低到高排序：灌木林地＜林地＜草地＜耕地，總體達(dá)到中等變異程度；從剖面上，土壤含水率呈先下降后上升變化趨勢(shì)；對(duì)于不同地形條件，從低到高排序：坡頂＜坡地＜溝底＜梯田；從坡位上，土壤含水率呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，坡下變異程度最小，而坡中最大；從坡向上，陽(yáng)坡的土壤含水率小于陰坡，不同坡向均達(dá)到中等變異程度。

2）流域中的梯田、溝底、坡地、坡頂處于不同位置，所接受的風(fēng)速、降雨再分配和太陽(yáng)輻射不同，從而使得土壤含水率具有明顯差異，不同地形條件下達(dá)到中等變異程度。