黃土高原雨養(yǎng)區(qū)坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)空間特征及影響因素

白一茹, 王幼奇, 王建宇

(寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 銀川 750021)

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黃土高原雨養(yǎng)區(qū)坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)空間特征及影響因素

白一茹, 王幼奇, 王建宇

(寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 銀川 750021)

土壤水力學(xué)性質(zhì)在建立水分運(yùn)動(dòng)模型及水土保持措施配置中具有重要作用。以網(wǎng)格采樣測定了黃土高原雨養(yǎng)區(qū)坡面土壤水分特征曲線，擬合了Van Genuchten和Gardner模型參數(shù)，并利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)方法分析了其空間分布特征及影響因子。結(jié)果表明：在黃土高原雨養(yǎng)區(qū)復(fù)雜的土地利用結(jié)構(gòu)下，坡面表層土壤水力學(xué)性質(zhì)具有明顯的空間變異性，Van Genuchten模型參數(shù)n不存在空間相關(guān)情況，為純隨機(jī)變量，參數(shù)a，A，B，A·B和飽和導(dǎo)水率的空間變異受到系統(tǒng)變異和隨機(jī)變異的共同作用。Gardner模型參數(shù)A和B值受到有機(jī)質(zhì)含量的影響，飽和含水量、田間持水量和容重與參數(shù)A，A·B及有效孔隙度之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。比重與坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系不顯著。土地利用和地形因子對水分特征曲線的影響明顯，在高吸力階段，上坡位比下坡位土壤保持的水分多，農(nóng)田的持水能力不如草地和林地。

黃土高原雨養(yǎng)區(qū); 水力學(xué)參數(shù); 空間變異; 水分特征曲線

黃土高原雨養(yǎng)區(qū)氣候變化劇烈，降雨量低，加之人為不合理的開墾和放牧，使大部分天然植被消失殆盡，土壤理化性質(zhì)逐漸變差，土壤結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，從而導(dǎo)致水土流失和土壤侵蝕狀況異常嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[1]。土壤水分是黃土高原地區(qū)植被生長最主要的限制因子，土壤水分虧缺容易形成土壤干層，土壤水分運(yùn)動(dòng)直接影響土壤水分的滲流，可使土壤干層水分得到補(bǔ)給[2]。土壤水力學(xué)性質(zhì)是研究土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的理論基礎(chǔ)，是影響流域水文模型的重要因素，可為改善坡面土壤結(jié)構(gòu)和水土流失狀況提供幫助。研究土壤水力學(xué)性質(zhì)的空間變異性對于揭示黃土高原土壤侵蝕過程、土地管理和可持續(xù)利用以及水土保持措施的配置等有著重要意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者對土壤水力學(xué)性質(zhì)的空間變異進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，得出了許多可供參考的結(jié)論。Olyphant[3]研究得出砂土的Van Genuchten模型參數(shù)隨時(shí)間基本呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的變化趨勢，但在監(jiān)測期結(jié)束前有異常值出現(xiàn)。陳洪松[4]研究得出黃土高原溝壑區(qū)小流域坡面土壤水分特征曲線具有一定的空間變異性，且飽和導(dǎo)水率的空間分布與有機(jī)質(zhì)含量、黏粒含量和根系分布有關(guān)。鄭紀(jì)勇[5]等分析得出黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶水力學(xué)性質(zhì)沿土壤剖面的變異不顯著。EI Idrysy 和De Smedt[6]利用水力坡度進(jìn)行協(xié)同克里格空間插值可以較好的預(yù)測導(dǎo)水率的空間變異。已有研究表明不同空間位置的水力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律[7-8]，但是隨研究區(qū)域的尺度、環(huán)境、地形及土壤類型的變化，土壤空間變異性具有特定性和多變性，黃土高原雨養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、土地利用方式和地形復(fù)雜，已有的空間變異特征無法準(zhǔn)確地描述該區(qū)域土壤水力學(xué)性質(zhì)的空間變化規(guī)律。本文運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)方法分析黃土高原雨養(yǎng)區(qū)坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)的空間變異性，及其在坡面上的分布特征和環(huán)境因子的影響作用，為建立坡面土壤水分運(yùn)動(dòng)模型和土壤水分的合理配置提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本研究在中科院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于陜西省神木縣以西14 km處的六道溝流域，屬于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的強(qiáng)烈侵蝕中心，地形特點(diǎn)為典型的蓋沙黃土丘陵區(qū)，屬中溫帶半干旱草原季風(fēng)氣候，年平均降水量437 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%以上。主要的土壤類型為綿沙土，硬黃土，紅土以及在沙地發(fā)育起來的風(fēng)沙土。

1.2采樣點(diǎn)分布及樣品分析

本文選取六道溝流域的一個(gè)坡面，山體走向?yàn)闁|西方向，坡長350 m，坡頂海拔1 256 m，整個(gè)坡面除了距坡頂110 m左右較陡外，其它坡度為20°左右。坡頂為長芒草地，坡面上端110 m內(nèi)為已退耕20 a的老苜蓿地，坡中是退耕4 a的杏樹林，伴有草木樨—黃芪一烏里胡枝子建群種，坡下大部分為農(nóng)田和少部分已退耕4 a的杏樹林。在坡面上按照10 m×20 m進(jìn)行網(wǎng)格采樣，取表層原狀土和擾動(dòng)土，采樣點(diǎn)數(shù)為54。土壤水分特征曲線用日本HITACHI公司生產(chǎn)的CR21G離心機(jī)測定，然后利用美國鹽土實(shí)驗(yàn)室RETC軟件擬合水力學(xué)參數(shù)；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定；容重、飽和含水量和田間持水量用環(huán)刀法測定；比重用比重瓶法測定。

1.3統(tǒng)計(jì)分析方法

1.3.1經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法隨機(jī)變量的離散程度，即空間變異性的大小，可用變異系數(shù)CV的大小來反映，具體計(jì)算公式為：

(1)

式中：m——樣本平均值；s——標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)變異程度分級：CV<10%為弱變異性；10%≤CV<100%為中等變異性；CV≥100%為強(qiáng)變異性。

1.3.2地統(tǒng)計(jì)方法地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量和隨機(jī)函數(shù)為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)和Kriging插值為基本工具的一種統(tǒng)計(jì)方法[6]。半方差函數(shù)可用下式表示：

(2)

式中：r(h)——半方差函數(shù)；h——滯后距離，即分隔兩樣點(diǎn)的矢量；N(h)——滯后距離為h時(shí)的樣本對數(shù)；Z(x)，Z(x+h)——區(qū)域化變量Z(x)在位置x和x+h的實(shí)測量。

1.4水分特征曲線模型

Van Genuchten模型適用范圍較廣，對不同質(zhì)地的土壤水分特征曲線均能很好的擬合，因而成為研究水分特征曲線的通用模型[9]。公式為：

(3)

式中：θr——滯留含水量；θs——飽和含水量，參數(shù)n為曲線形狀因子或孔隙大小指標(biāo)，參數(shù)a為進(jìn)氣吸力的倒數(shù)，有效孔隙度為飽和含水量和滯留含水量之差。

Gardner的冪函數(shù)模型θ=AS-B對黃土高原幾種典型土壤的持水曲線都適用[10]，而且具有待定參數(shù)較少的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中更為方便。A值決定曲線高低，表示持水能力大小，B值決定曲線走向，表示土壤含水量隨吸力降低而遞減的快慢。A·B與土壤的供水性和耐旱性密切相關(guān)，也是土壤水力學(xué)性質(zhì)中極重要的參數(shù)。

利用SPSS 17.0進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，GS+7.0進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，克里格插值圖用Surfer 8.0繪制。

2　結(jié)果與分析

2.1坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)特征分析

表1為坡面表層土壤水力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)特征結(jié)果，可以看出參數(shù)n和B的變異系數(shù)小于10%，在坡面上表現(xiàn)為弱變異性，參數(shù)a，A，A·B、有效孔隙度和飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)均大于10%，在坡面上表現(xiàn)為中等變異性。其中飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)最大，這與鄭紀(jì)勇等的研究結(jié)果類似[11]。黃土高原坡面水力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的變異性，這主要是因?yàn)檠芯科旅嫔戏N植了多種植被，從坡頂?shù)狡碌滓来沃饕L著長芒草—杏樹—苜?！訕洹茸?，并伴有草木樨—黃芪一烏里胡枝子建群種，這種復(fù)雜的土地利用結(jié)構(gòu)模式會(huì)對土壤水分分布、入滲和徑流產(chǎn)生影響，導(dǎo)致坡面土壤侵蝕程度不均一[12]，從而影響土壤水力學(xué)性質(zhì)的空間分布。偏度系數(shù)和峰度系數(shù)分別描述總體概率分布的偏斜程度及陡緩程度。當(dāng)偏度系數(shù)接近于0，峰度系數(shù)接近于3時(shí),說明頻率分布曲線的對稱性較好且陡緩適中。由表1可以看出除了參數(shù)A和A·B以外，其它參數(shù)均為正偏，其中參數(shù)a的對稱性最差且曲線最陡。

表1　坡面土壤導(dǎo)水特性的描述性統(tǒng)計(jì)特征值

2.2坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)的半方差分析

由表2可以看出，參數(shù)n的塊金值與基臺值相等，半方差函數(shù)隨滯后距離的增加保持不變，表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)，不服從本征假設(shè)，說明參數(shù)n不存在空間相關(guān)，為純隨機(jī)變量，其空間上的變異是由取樣測定誤差及取樣點(diǎn)內(nèi)部本身的變異引起的。參數(shù)a，A，B，A·B、有效孔隙度和飽和導(dǎo)水率的空間半方差函數(shù)符合指數(shù)模型，而且塊金效應(yīng)明顯。參數(shù)a，B，A·B和飽和導(dǎo)水率的變程都超出了研究區(qū)域的范圍，說明它們的空間變化較和緩，對它們空間變異的研究需要在更大尺度上進(jìn)行分析。

塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)是空間異質(zhì)比，反映隨機(jī)部分的空間變異性占總空間變異性的程度，當(dāng)C0/(C0+C)≤25%時(shí)表示強(qiáng)的空間依賴性，25%

分維數(shù)值D表征樣本之間的結(jié)構(gòu)性。D值介于1～2之間，越接近于1，說明樣本的結(jié)構(gòu)性較好，均一程度較差，越接近于2，說明樣本的隨機(jī)性越強(qiáng)，均一程度越好。各個(gè)參數(shù)的分維值從大到小依次為：飽和導(dǎo)水率(1.986)，a(1.985)，n(1.971)，B(1.968)，A·B(1.956)，A(1.913)，有效孔隙度(1.840)。飽和導(dǎo)水率的分維值最大，其采樣點(diǎn)之間的差異性較小，采樣間距可以較大，而參數(shù)A和有效孔隙度的采樣間距則應(yīng)該小一些。

2.3土壤理化性質(zhì)與水力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

由于土壤特性之間存在著互相影響、互相制約的關(guān)系，本文對黃土高原坡面土壤理化性質(zhì)和水力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析。通過表3可以看出坡面土壤理化性質(zhì)和水力學(xué)性質(zhì)之間存在著一定的相關(guān)性。Gardner模型參數(shù)A，B值都受到有機(jī)質(zhì)含量的影響，說明有機(jī)質(zhì)可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤孔隙度提高，持水供水能力增強(qiáng)。飽和含水量、田間持水量和容重與參數(shù)A，A·B及有效孔隙度之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，其中土壤容重與參數(shù)A和A·B都呈負(fù)相關(guān)性，呂殿青等也研究發(fā)現(xiàn)Brooks-Corey模型參數(shù)a和λ都隨土壤容重的增加而減小[13]。土壤理化性質(zhì)對Van Genuchten模型參數(shù)和飽和導(dǎo)水率的影響不明顯，原因可能是坡面復(fù)雜的土地利用結(jié)構(gòu)模式并存在較強(qiáng)的人為干擾。比重與坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系不顯著，這是因?yàn)槠旅嫱寥辣戎刈兓苄?，其變異系?shù)僅為2.09%，因而對水力學(xué)性質(zhì)的影響作用被減弱。

表2　坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)的半方差模型參數(shù)

表3　土壤理化性質(zhì)與水力學(xué)性質(zhì)的Pearson相關(guān)系數(shù)

注：*表示顯著水平為0.05；**表示顯著水平為0.01。

2.4土地利用和地形對坡面土壤水分特征曲線影響

土地利用和地形因子是研究坡面土壤水分變異的重要影響因素[14]，并與土壤特性的空間分布有一定相關(guān)性[15]。從圖1可以看出，在高吸力階段，上坡位置的土壤比下坡位置的土壤能夠保持較多的水分，說明上坡的土壤結(jié)構(gòu)較下坡好，這可能是水土流失的沖刷作用使下坡土壤顆粒較粗，比重增加，而且下坡位置人為踩踏和放牧的影響較大，這些因素的綜合作用導(dǎo)致下坡土壤的持水能力較差。從土地利用方式來看，土壤持水能力依次為：苜蓿地>杏樹林>長芒草地>谷子地，說明土地利用方式對土壤水分特征曲線影響較大，常年耕作破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤質(zhì)量下降，導(dǎo)致農(nóng)田的持水能力不如草地和林地。

圖1土地利用和地形因子對土壤水分特征曲線的影響

2.5坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)的Kriging插值

從圖2可以看出各個(gè)參數(shù)的空間分布有較明顯的區(qū)別，這主要是受到土壤水分狀況、土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、植被的分布和種類、坡位和坡向等因素共同作用的影響。

參數(shù)A在坡底較小，在中坡較大，參數(shù)B在中坡到坡頂較小，而在坡底位置較大，空間分布差異性不大。有效孔隙度的空間分布受到飽和含水量和滯留含水量的共同影響，可以看出中坡和上坡的有效孔隙度較高，而下坡和坡底位置較小。飽和導(dǎo)水率在坡面上的空間分布差異最明顯，呈斑點(diǎn)狀分布，中坡位置較大。有效孔隙度和飽和導(dǎo)水率的空間分布特征與Hendrayanto研究森林坡地土壤水力學(xué)性質(zhì)空間變異性的結(jié)果類似[7]。

圖2　坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)的Kriging插值

3　結(jié) 論

(1) 在黃土高原雨養(yǎng)區(qū)復(fù)雜的土地利用結(jié)構(gòu)下，坡面表層土壤水力學(xué)性質(zhì)具有明顯的空間變異性。Van Genuchten模型中的參數(shù)n不存在空間相關(guān)情況，為純隨機(jī)變量。參數(shù)a，A，B，A·B和飽和導(dǎo)水率的空間變異受到系統(tǒng)變異和隨機(jī)變異的共同作用，反映出施肥、耕作、灌溉、土地利用方式等隨機(jī)性因素導(dǎo)致坡面水力學(xué)性質(zhì)的空間自相關(guān)程度減弱。

(2) 坡面土壤理化性質(zhì)和水力學(xué)性質(zhì)之間存在著一定的相關(guān)性。Gardner模型參數(shù)A，B值都受到有機(jī)質(zhì)含量的影響。飽和含水量、田間持水量和容重與參數(shù)A，A·B及有效孔隙度之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。比重與坡面土壤水力學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系不顯著。

(3) 土地利用和地形因子對水分特征曲線的影響很明顯。在高吸力階段，上坡位置土壤比下坡位置土壤保持的水分多。農(nóng)田的持水能力不如草地和林地。

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Spatial Variability of Soil Hydraulic Properties and Influence Factors on Hillslope in Rainfed Region of the Loess Plateau

BAI Yiru, WANG Youqi, WANG Jianyu

(College of Resources and Environment, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Soil hydraulic properties are very important in establishing water movement model and soil and water conservation. In this study, soil water characteristic curves of a slope were measured based on the grid sampling in rainfed region of the Loess Plateau. The parameters of Van Genuchten and Gardner model were fitted, and their spatial distribution characteristics were analyzed with classical statistics and geostatistics method. Then we examined the influencing factors on soil hydraulic properties. The results showed that the spatial variability of soil hydraulic properties on the slope surface was significant due to the complicated land use structure in the rainfed region of the Loess Plateau. Parameterndid not have spatial correlation and was thought as the simple random variable. The spatial variability of parameters(a,A,B,A·B) andKswas influenced by systematic and random variations. The organic matter contents had effect on parametersAandBin Gardner model. ParametersA,Band effective porosity showed extremely significant correlations with saturated water content, field capacity and bulk density. The relationships between soil specific gravity and soil hydraulic properties were not significant. Soil water characteristic curves were influenced obviously by land uses and topography. At the high suction stage, the soil in the uphill can hold more moisture than downhill. The water holding capacity of farmland was less than grassland and forestland.

rainfed region of the Loess Plateau; hydraulic properties; spatial variability; water characteristic curve

2015-06-01

2015-06-11

寧夏自然科學(xué)基金(NZ13018);寧夏大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金(BQD2012012);國家自然科學(xué)基金(41461104,41071156)

白一茹(1984—),女,陜西渭南人,博士,講師,主要從事土壤物理研究。E-mail:yr0823@163.com

王幼奇(1980—),男,安徽涇縣人,博士,副教授,主要從事旱區(qū)植被恢復(fù)研究。E-mail:wyq0563@163.com

S152.7

A

1005-3409(2015)04-0168-05