黃土區(qū)退耕草地小尺度土壤水分空間異質(zhì)性

劉丙霞，邵明安

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100039，北京;3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，100101，北京)

黃土區(qū)退耕草地小尺度土壤水分空間異質(zhì)性

劉丙霞1，2，邵明安1，3?

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100039，北京;3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，100101，北京)

通過在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶選取3塊不同年限退耕草地，進(jìn)行高密度、高頻度樣帶采樣，研究分析在表層土壤干旱和濕潤(rùn)狀況下，小尺度表層土壤含水率的空間異質(zhì)性，并分析改變采樣間距對(duì)土壤含水率空間異質(zhì)性的影響。結(jié)果表明:小尺度表層土壤水分空間異質(zhì)性為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地;空間變異強(qiáng)度表現(xiàn)為干旱時(shí)為中等變異＞濕潤(rùn)時(shí)為弱變異;表層土壤水分方差與含水率均值呈正相關(guān)，土壤水分方差隨含水率均值增大而增大;表層土壤水分空間連續(xù)性為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地，且與表層土壤含水率呈負(fù)相關(guān);小尺度下改變采樣間距，在土壤干旱和濕潤(rùn)時(shí)均不改變3塊退耕草地表層土壤水分空間變異程度。

小尺度;退耕草地;土壤含水率;空間異質(zhì)性;水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶

土壤水分是黃土高原植被生長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)及植被恢復(fù)建設(shè)的主要限制因子，表層土壤水分在SPAC(Soil－Plant－Atmosphere Continum) 水文過程中起關(guān)鍵作用。受自然因素、土壤特性、地形因素、植被因素和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等直接或間接的影響，土壤水分在時(shí)空上的分布常常很不均勻(表層土壤水分更為明顯)，其變化尺度從幾厘米到上百米，表現(xiàn)出高度的時(shí)空異質(zhì)性。土壤水分時(shí)空異質(zhì)性的存在對(duì)土壤侵蝕、溶質(zhì)遷移和土壤—大氣之間相互作用等水文學(xué)過程以及土壤形成過程有較大影響［1］。20世紀(jì)70年代以來，土壤水分時(shí)空變異性研究得到了較快發(fā)展［2－6］。土壤水分空間變異的相關(guān)研究［7－9］表明，土壤水分在大多數(shù)田間尺度上都為中等或弱變異，但相關(guān)距離依研究區(qū)域和尺度的不同而差異較大(從幾米到幾百米)。胡偉等［10］對(duì)黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶60 m×60 m的坡地進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)隨著采樣尺度在一定范圍內(nèi)的增大，土壤水分變異的特征參數(shù)，如變異系數(shù)、相關(guān)距離和Moran＇s I指數(shù)都不同程度地增大。目前對(duì)土壤水分空間異質(zhì)性的研究多基于田間等較大尺度，小尺度尤其在采樣間距＜1 m以下的土壤水分空間異質(zhì)性國(guó)內(nèi)還鮮有研究。一般認(rèn)為，充分小的采樣間隔可以代表土壤屬性真實(shí)的空間變異特征，而隨著采樣間隔的增大，小于取樣尺度的空間變異規(guī)律可能將被掩蓋，使得樣本數(shù)據(jù)的變異函數(shù)模型與真實(shí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏差。鑒于此，筆者在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的神木侵蝕與環(huán)境實(shí)驗(yàn)站六道溝流域內(nèi)，選擇3塊不同年限的退耕草地并沿坡長(zhǎng)在一維方向上進(jìn)行高密度(間隔25 cm)、高頻度(每3～5 d測(cè)定1次)采樣，研究不同年限退耕草地小尺度下表層土壤水分隨土壤干、濕狀況的空間變異規(guī)律及不同采樣間距下的空間異質(zhì)性，以期深化對(duì)小尺度表層土壤水分空間異質(zhì)性的理解，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)與恢復(fù)提供精準(zhǔn)信息。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶北部、陜西省神木縣城西14 km處神木侵蝕與環(huán)境實(shí)驗(yàn)站的六道溝小流域內(nèi)，E110°26＇，N38°49＇，海拔 1 094.0 ～1 273.9 m，北依長(zhǎng)城，地處毛烏素沙漠的邊緣，屬于典型的半干旱地區(qū)，流域面積6.9 km2。該區(qū)多年平均降水量437.4 mm，年內(nèi)、年際變化大。7—8月份降水量最多，約占全年降水量的50%。該區(qū)屬于中溫帶半干旱氣候區(qū)，年均氣溫8.4℃，月平均最低溫－9.7℃(1月)，月平均最高溫23.7℃(7月)，≥10℃年積溫3 232℃，無霜期169 d;盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅保昶骄L(fēng)速2.2 m/s。該區(qū)既是黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的強(qiáng)烈侵蝕中心，又為典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。該區(qū)屬于森林草原生物氣候帶，但是由于人為活動(dòng)強(qiáng)烈，天然植被多已遭到嚴(yán)重破壞，殘存的部分天然草場(chǎng)也多由人工草地退化演替而來。該區(qū)地貌類型主要為片沙覆蓋的黃土丘陵，主要土壤類型有綿沙土、硬黃土、紅土、風(fēng)沙土及壩地淤土。該區(qū)農(nóng)田自然棄耕地，退耕初期首先出現(xiàn)的是豬毛菜(Salsola arbuscula)、苦賣菜(Lactuca tatarica)等先鋒植物群落，3年左右演替為苦賣菜、茵陳蒿(Artemisia capillaries)等群落，10年左右演替為長(zhǎng)芒草(Stipa bungeana)伴生紫云英(Astragalus sinicus)或達(dá)烏里胡枝子(Lespedeza davurica)或草木樨狀黃芪(Astragalus melilotoides)等群落，之后向該區(qū)頂級(jí)群落長(zhǎng)芒草演替［11］。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)布置及測(cè)量方法

在研究區(qū)選取3塊坡向一致，坡長(zhǎng)、坡度、海拔相近，退耕年限分別為20 a、12 a及5 a的退耕還草坡地，退耕方式為自然修復(fù)，退耕前均為農(nóng)地，現(xiàn)在主要植被分別為長(zhǎng)芒草、長(zhǎng)芒草與紫云英、茵陳蒿。分別在3塊退耕草地中部典型代表區(qū)域選取一條長(zhǎng)25 m樣帶，每25 cm布設(shè)1點(diǎn)，每個(gè)樣帶101個(gè)點(diǎn)。采用經(jīng)典烘干法(105℃)測(cè)定表層0～10 cm土壤質(zhì)量含水率，每隔3～5 d測(cè)定1次，每次采樣用2 h左右。在表層土壤干旱和降雨后濕潤(rùn)期各測(cè)定5次，共測(cè)10次，測(cè)定時(shí)間為2010年7—8月。飽和導(dǎo)水率和機(jī)械組成按1 m間距取樣測(cè)定。用環(huán)刀法(環(huán)刀體積為100 cm3)測(cè)定表層土壤密度，然后與質(zhì)量含水率相乘得到土壤體積含水率;采用定水頭法測(cè)定飽和導(dǎo)水率，計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)化為10℃下飽和導(dǎo)水率;土樣風(fēng)干過篩后用MaterSizer2000激光粒度分析儀測(cè)定土壤機(jī)械組成。

2.2 改變采樣間距“再采樣”

對(duì)原有的數(shù)據(jù)依次按照50、75、100、125 cm 間距進(jìn)行“再采樣”，在每種間距下使所有的原測(cè)定數(shù)據(jù)都取到，計(jì)算每個(gè)采樣樣本的變異參數(shù)，相同間距下的樣本變異結(jié)果取平均值，該平均值作為該采樣間距尺度下的變異結(jié)果［10］。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

原數(shù)據(jù)和所有“再采樣”數(shù)據(jù)分別用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué) 和 地 統(tǒng) 計(jì) 學(xué) 方 法 分 析［7－10］。 利 用 Excel、SPSS16.0、GS+7.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 退耕草地表層土壤物理特性

表1為3塊退耕草地土壤物理性質(zhì)(密度、飽和導(dǎo)水率及機(jī)械組成)統(tǒng)計(jì)值。可知，農(nóng)耕地自然退耕后，退耕年限增加，表層機(jī)械組成差異不明顯，12 a退耕草地的粉粒和黏粒含量最大;退耕年限增加，3塊退耕草地表層土壤密度均值增大，即密度由小到大順序?yàn)? a＜12 a＜20 a;飽和導(dǎo)水率隨退耕時(shí)間增加而減小，即5 a＞12 a＞20 a。這可能是由于研究區(qū)土壤疏松且結(jié)構(gòu)性較差，退耕前人為耕作管理使表層土壤疏松多孔，質(zhì)地均一;另一方面，退耕植被生長(zhǎng)后，由于放牧或人為踩踏及固沙固土能力增強(qiáng)，使一些風(fēng)沙土被截留在表層，使表層土壤緊實(shí)，密度增大，飽和導(dǎo)水率減小。

表1 退耕草地表層土壤物理性質(zhì)Tab．1 Topsoil physical properties of regressed grasslands

3.2 不同年限退耕草地的表層土壤水分異質(zhì)性

3.2.1 小尺度下表層土壤水分方差與其體積含水率關(guān)系 方差(或標(biāo)準(zhǔn)差)描述變量的總體變異程度，是絕對(duì)變異，而變異系數(shù)表示的是變量相對(duì)變異性，是相對(duì)變量均值的變化程度，消除了量綱，因此，許多研究注重方差(或標(biāo)準(zhǔn)差)表示出的總的變異性［12－14］。

圖1為3塊退耕草地表層土壤水分方差(y)與其含水率均值(x)的關(guān)系曲線。可見，對(duì)于5 a、12 a和20 a退耕草地，用冪函數(shù)對(duì)土壤水分方差與其含水率均值關(guān)系擬合效果最佳。表層土壤水分方差與其含水率均值呈正相關(guān)，即土壤水分方差隨著表層含水率增加而增大，這與Hu Wei等［12］的研究結(jié)果相一致。而Pan Feifei等［13］進(jìn)行模擬研究后認(rèn)為，土壤水分方差與含水率均值間關(guān)系不是單調(diào)正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，他們研究了在理想化狀況下，即只考慮土壤質(zhì)地異質(zhì)性的影響、氣溫為20℃時(shí)，土壤含水率均值存在一個(gè)閾值，當(dāng)土壤含水率均值低于閾值時(shí)，方差隨著土壤含水率的增大而增大，而土壤含水率均值大于閾值時(shí)，方差隨著土壤含水率的增大而減小。筆者研究中的土壤含水率范圍值低于閾值，所以土壤水分方差表現(xiàn)為隨著土壤含水率均值增大而增大的趨勢(shì)。研究表明，在測(cè)定的土壤含水率范圍內(nèi)，3塊退耕草地隨著表層土壤含水率的增加，各樣點(diǎn)間土壤水分絕對(duì)差異增大。這可能是由于土壤含水率較大時(shí)，土壤水分變化受土壤基本性質(zhì)(土壤質(zhì)地、機(jī)械組成和結(jié)構(gòu)等)的影響減小而受土壤非內(nèi)部因素(蒸發(fā)、溫度、微地形等)影響增大，使土壤表層水分方差受土壤基本性質(zhì)影響減?。?4－15］。這也表明在土壤含水率較低時(shí)，采樣能更加準(zhǔn)確反映由于土壤基本性質(zhì)影響所產(chǎn)生的土壤水分空間異質(zhì)性。

圖1 退耕草地表層土壤水分方差與其含水率均值的關(guān)系Fig．1 Relationship between average topsoil water content and variances of regressed grasslands

3.2.2 表層土壤水分空間變異性的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)Nielsen劃分標(biāo)準(zhǔn)［16］，按照變異系數(shù)CV值大小，可將土壤性質(zhì)變異強(qiáng)度分為強(qiáng)變異(CV≥100%)、中等變異(10% ＜CV＜100%)和弱變異(CV≤10%)3類。由表2可見，土壤含水率較低(干旱)時(shí)，5 a、12 a和20 a退耕草地表層水分的CV均值分別為11.1%、20.0%和12.5%，為中等空間變異，而含水率較高(濕潤(rùn))時(shí)，CV均值分別為6.0%、8.5%和7.6%，屬于弱空間變異。表明表層土壤水分空間變異強(qiáng)度在土壤干旱時(shí)大于濕潤(rùn)時(shí)。這主要由于土壤濕潤(rùn)時(shí)，降水量大于蒸散量，地形、坡位、微地貌等非土壤內(nèi)部因素決定了水分分布;而土壤相對(duì)干旱時(shí)，蒸散量大于降水量，土壤水分狀況主要由土壤的物理特性和植被等因素控制［15］。由此可見，在土壤相對(duì)干旱時(shí)取樣比濕潤(rùn)時(shí)取樣更能準(zhǔn)確地反映土壤本身特性所產(chǎn)生的土壤水分空間異質(zhì)性。

3塊退耕草地的CV均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差等由大到小的順序均為12 a＞20 a＞5 a，表明12 a退耕草地表層土壤水分空間變異性最大。這可能是由于12 a退耕草地植被演替為長(zhǎng)芒草并伴生紫云英，生長(zhǎng)茂盛且呈斑塊狀，使得土壤顆粒分布較隨機(jī)，形成微地形，從而使表層土壤水分變異最大;20 a退耕草地植被演替達(dá)到了頂級(jí)群落，相對(duì)穩(wěn)定，長(zhǎng)芒草生長(zhǎng)較均一且主要利用表層土壤水分，從而使土壤含水率變幅相對(duì)較小，統(tǒng)計(jì)值較小;5 a退耕草地，由于退耕前的耕作，表層土壤疏松，結(jié)構(gòu)較均一，入滲快蒸發(fā)也快，處于退耕演替初期，土壤物理性質(zhì)改良不明顯，從而使表層土壤含水率小，其空間異質(zhì)性也?。?1，17］。

表2 表層土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值Tab．2 Statistical characteristic values of topsoil moisture

3.2.3 表層土壤水分空間異質(zhì)性的地統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析 半方差函數(shù)模型中地統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括塊金值(C0)、結(jié)構(gòu)方差(C1)、基臺(tái)值(C0+C1)、變程(α)，空間異質(zhì)比C0/(C0+C1)表示土壤水分的空間依賴性，其值在0～1之間［18］。根據(jù)Cambardella劃分標(biāo)準(zhǔn)［18］，C0/(C0+C1)≤0.25 表示強(qiáng)空間依賴性，C0/(C0+C1)≥0.75表示弱空間依賴性，0.25＜C0/(C0+C1)＜0.75表示中等空間依賴性。由表3可知:土壤干旱時(shí)，20 a退耕草地空間異質(zhì)比為0.42，為中等依賴性，5 a、12 a退耕草地空間異質(zhì)比分別為0.06和0.13，具有強(qiáng)空間依賴性;土壤濕潤(rùn)時(shí)，3塊退耕草地空間異質(zhì)比分別為0.50、0.44和0.49，均表現(xiàn)為中等空間依賴性。3塊退耕草地在土壤干旱和濕潤(rùn)時(shí)塊金值C0均大于0，說明相鄰2個(gè)數(shù)據(jù)間存在一定程度的變異，即存在正塊金效應(yīng)。3塊退耕草地土壤水分變異函數(shù)的變程α差異較大，5 a退耕草地變程α最小(干旱時(shí)1.08 m，濕潤(rùn)時(shí)4.41 m)，說明其表層土壤水分空間連續(xù)性最差，而12 a、20 a退耕草地變程較大，說明表層土壤水分空間連續(xù)性較好，可適當(dāng)增大采樣間距?？芍?，3塊退耕草地的土壤水分空間連續(xù)性為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地。

3.3 采樣間距對(duì)表層土壤水分空間變異性的影響

表4為不同采樣間距下表層土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值?？芍?，土壤干旱時(shí)，改變采樣間距(25、50、100、125 cm)，3塊退耕草地表層土壤水分的變異系數(shù)CV值變化無規(guī)律，變化范圍分別為11.1% ～12.3%(5 a)、20.0% ～21.8%(12 a)和11.6% ～13.7%(20 a)，均不改變其空間變異程度。對(duì)不同采樣間距下表層含水率進(jìn)行方差分析，Sig.分別為0.54(5 a)、0.99(12 a)和0.33(20 a)，均大于0.05，即不同采樣間距下表層含水率均值無顯著差異。標(biāo)準(zhǔn)差也無規(guī)律變化且變化很小。土壤濕潤(rùn)時(shí)，3塊退耕草地土壤水分的變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、均值隨采樣間距增大也均無規(guī)律地變化，且變幅很小。因此，小尺度下改變采樣間距對(duì)表層土壤水分的變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、均值等統(tǒng)計(jì)特征值的影響很小，不改變土壤水分的空間變異強(qiáng)度，可以認(rèn)為，小尺度改變采樣間距對(duì)土壤表層水分的空間變異性影響可忽略，這與胡偉等［10］在較大尺度上的研究結(jié)果一致。由此可見，在一定的研究區(qū)域內(nèi)，適當(dāng)增大采樣間距能簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地獲得土壤水分的真實(shí)空間變異性。如在本研究中，采樣間距為100 cm或更大時(shí)，可以減少采樣點(diǎn)并獲得可靠、真實(shí)的表層土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值。

表4 不同采樣間距下表層土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值Tab．4 Statistical characteristic values of topsoil moisture at different sampling spaces

4 結(jié)論

1)3塊退耕草地表層土壤水分空間異質(zhì)性在土壤含水率低(干旱)時(shí)屬于中等變異，含水率高(濕潤(rùn))時(shí)屬于弱變異;由于3塊退耕草地退耕年限不同，其植被狀況和土壤基本屬性等不同，從而導(dǎo)致表層土壤水分空間變異強(qiáng)度由大到小表現(xiàn)為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地。

2)在觀測(cè)的表層土壤含水率范圍內(nèi)，表層土壤水分方差與含水率均值呈正相關(guān)，即土壤水分方差隨表層含水率均值增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。在表層土壤含水率較小時(shí)，方差受土壤基本性質(zhì)影響較大，而表層土壤含水率較大時(shí)，方差受土壤非內(nèi)部因素影響增大;因而，表層土壤含水率較低時(shí)采樣能準(zhǔn)確反映受土壤基本性質(zhì)影響而產(chǎn)生的表層土壤水分空間異質(zhì)性。

3)3塊退耕草地表層土壤水分均存在正塊金效應(yīng)，即存在空間異質(zhì)性。土壤干旱時(shí)，20 a退耕草地為中等相關(guān)性，5 a、12 a退耕草地表層土壤水分具有強(qiáng)烈的空間依賴性，而土壤濕潤(rùn)時(shí)，3塊退耕草地表層土壤水分均為中等空間依賴性;表層土壤水分空間連續(xù)性表現(xiàn)為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地。

4)不同采樣間距下，土壤干旱和濕潤(rùn)時(shí)，3塊退耕草地的表層土壤水分空間變異程度均不改變。因此，在一定的研究區(qū)域內(nèi)，適當(dāng)增大采樣間距能快速、準(zhǔn)確地反映表層土壤水分的真實(shí)空間變異性。

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Soil water content heterogeneity at small-scale on degraded grasslands on Loess Plateau

Liu Bingxia1，2，Shao Ming＇an1，3

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，CAS ＆ MWR，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，100039，Beijing;3.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，100101，Beijing:China)

In order to explore the heterogeneity of topsoil water content(SM)of regressed grasslands at small－scale，three regressed grasslands in water－wind erosion crisscross region on Loess Plateau were selected.By using high sampling－density and high frequency sampling methods at three sampling transects，we explored the heterogeneity of topsoil water content when the surface soil was in dry and moist conditions and different sampling spaces at small－scale.Results showed that the heterogeneity of topsoil water content of different regressed grasslands followed a sequence of 12 a＞20 a＞5 a and it presented medium variation when topsoil was dry.Topsoil water content was positively correlated with its variance value，that is the variance of SM increased with SM increase.Spatial continuity of SM followed a sequence of 12 a regressed grassland ＞20 a regressed grassland ＞5 a regressed grassland and it was negatively correlated with topsoil water content.At different sampling spaces at small－scale，the variation intensity of topsoil water content under different regressed grasslands had no change whenever the topsoil was dry or moist.This information may provide scientific proofs for water reasonable utilization and vegetation restoration on the Loess Plateau.

small－scale;regressed grassland;soil water content;spatial variability;water－wind erosion crisscross region

2012－02－09

2012－05－12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“土壤水分植被承載力模擬研究”(E090103);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“黃土高原流域生態(tài)系統(tǒng)中水土遷移機(jī)制及其調(diào)控機(jī)理”(IRT0749)

劉丙霞(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:土壤物理。E－mail:liubingxia2008@126.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介:邵明安(1956—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向:土壤物理、生態(tài)水文。E－mail:mashao@ms.iswc.ac.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)