瑪納斯河流域土壤水分及斥水性空間變異性研究

邵志一，李　毅

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

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瑪納斯河流域土壤水分及斥水性空間變異性研究

邵志一，李毅

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

[摘要]【目的】 研究新疆瑪納斯河流域七大灌區(qū)內(nèi)的土壤含水率及斥水性(用滴水穿透時(shí)間表示)的空間變異規(guī)律?！痉椒ā?在瑪納斯河流域七大灌區(qū)布設(shè)了400個(gè)土壤樣點(diǎn)，分別用烘干法和滴水穿透時(shí)間法測(cè)定各土樣的土壤含水率和滴水穿透時(shí)間，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和考慮高程影響的CoKriging方法分析各灌區(qū)土壤含水率及滴水穿透時(shí)間的變異規(guī)律?！窘Y(jié)果】 新疆瑪納斯河流域0～10，10～20 cm土層土壤含水率均值分別為12.00%和15.60%，平均土壤含水率以10～20 cm土層更高；滴水穿透時(shí)間均值為1.64 s，整體屬于不斥水土壤。通過不同趨勢(shì)效應(yīng)下預(yù)測(cè)誤差值及塊金效應(yīng)的比較，結(jié)果顯示，0～10，10～20 cm土層土壤含水率空間變異的最優(yōu)模型分別為0階指數(shù)模型和0階球狀模型，土壤滴水穿透時(shí)間空間變異的最優(yōu)模型為2階指數(shù)模型。0～10 cm土層土壤含水率變化呈現(xiàn)出從東南和西北分別向西南和東北方向逐漸減小的趨勢(shì)，10～20 cm土層土壤含水率的變化呈現(xiàn)出從東向西、從南向北逐漸減小的趨勢(shì)；0～10 cm土層土壤含水率變異程度大于10～20 cm土層。滴水穿透時(shí)間的變化呈現(xiàn)出從東南和西北分別向西南和東北方向逐漸減小的趨勢(shì)，與0～10 cm土層含水率的分布格局相似?！窘Y(jié)論】 灌區(qū)0～10與10～20 cm土層土壤含水率的空間分布格局類似，滴水穿透時(shí)間的空間分布屬于強(qiáng)變異。

[關(guān)鍵詞]瑪納斯河流域；土壤水分；斥水性；空間變異；新疆

瑪納斯河是天山北麓最大的一條河流，流經(jīng)沙灣縣、瑪納斯縣、石河子市等地區(qū)，形成瑪納斯河流域。目前，此流域已經(jīng)成為了我國(guó)第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)和新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)取得了巨大發(fā)展，尤為突出的是當(dāng)?shù)氐奶厣魑铩藁?，產(chǎn)量占新疆地區(qū)棉花總產(chǎn)量的20%，占全國(guó)棉花產(chǎn)量的6%，2002年生產(chǎn)總值達(dá)123.58億元，為新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。據(jù)估計(jì)，中國(guó)的干旱區(qū)面積占全國(guó)總面積的1/3，鹽堿土廣泛分布于其中[1-2]。在新疆現(xiàn)有耕地406.7×104hm2中，約有1/3土地產(chǎn)生鹽漬化,嚴(yán)重影響到新疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2-4]。2011年，任鑫等[5]在新疆地區(qū)的研究提出，土壤含鹽量與斥水性除在0～10 cm土層呈正相關(guān)外,在其余土層兩者之間均呈負(fù)相關(guān)。研究土壤水分及斥水性的空間變化規(guī)律，對(duì)于制定灌溉制度、做出合理灌溉決策、治理土壤次生鹽漬化以及提升作物產(chǎn)量都具有重要意義。

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤水分空間變異的研究顯示出巨大潛力。20世紀(jì)80年代雷志棟等[6]通過經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析了土壤特性的空間變異，使用半方差函數(shù)反映土壤特性的空間關(guān)系；20世紀(jì)90年代周劉宗等[7]應(yīng)用時(shí)序分析方法研究土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化；2010年李毅等[8]在不同尺度下研究土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)的空間變異特性。近些年的研究從多方法、多角度相互印證，呈現(xiàn)出從宏觀層面向微觀層面過渡的趨勢(shì)。土壤斥水性的概念最初在20世紀(jì)20年代萌芽，是指水分不能或很難浸潤(rùn)土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，具有斥水性的土壤稱為斥水土壤[9]。國(guó)外對(duì)其研究開始于20世紀(jì)六七十年代，由最初單純的物理分析[10-12]逐漸向應(yīng)用型[13]發(fā)展，從森林土壤[13]、農(nóng)田土壤[14]、草原土壤[15]、火燒土壤[16]、受污染土壤[17]、礦區(qū)土壤[18]等方面綜合分析土壤斥水性[19]。在國(guó)內(nèi)學(xué)者中，楊邦杰等[20]、吳延磊等[21]、陳俊英等[22]分別對(duì)澳大利亞、內(nèi)蒙古錫林浩特草原及以色列土壤的斥水性進(jìn)行了研究。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)土壤水分及斥水性的研究雖然較多，但對(duì)瑪納斯河流域的研究尚不多見[19]，而這對(duì)于了解該流域土壤屬性及后續(xù)的水文模擬工作具有十分重要的實(shí)際意義。

對(duì)土壤屬性空間變異性的研究，目前常用的方法有傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法、時(shí)序分析方法、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、隨機(jī)模擬方法、分形與分?jǐn)?shù)維方法以及基于GIS技術(shù)的研究方法等[23]。本研究以瑪納斯河流域七大灌區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，應(yīng)用ArcGIS 10.2的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊中的協(xié)同克里格(CoKriging)分析方法來進(jìn)行空間插值分析，并繪制瑪納斯河流域試驗(yàn)區(qū)土壤含水率空間分布圖及土壤滴水穿透時(shí)間空間分布圖，進(jìn)一步分析瑪納斯河流域土壤水分和土壤斥水性的空間變異特征，以期為我國(guó)鹽漬化土壤水分和斥水性的空間變異性研究提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

瑪納斯河流域經(jīng)緯度范圍分別為E85°01′～86°32′和N43°27′～45°21′，地處新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南，西部是準(zhǔn)噶爾盆地邊緣，南部是天山山脈，地形南高北低，平原和山區(qū)各半?，敿{斯河流域存在沖積洪積扇、沖積平原和干三角洲3種主要地貌類型，不同地貌部位的地形、土壤、植被等明顯不同，尤其土壤質(zhì)地、地下水位高度、礦化度、土壤含鹽量等差異較大，自上游到下游，土壤質(zhì)地由粗變細(xì)，地下水位由深變淺再變深，礦化度由低變高，土壤鹽漬化程度由輕變重[24-25]。

1.2采樣方案與土壤屬性的測(cè)定

1.2.1土樣采集因瑪納斯河流域北方為沙漠，南方為雪山，采樣區(qū)域選于瑪納斯河流域七大灌區(qū)。采用隨機(jī)布點(diǎn)方式，按照每隔2～3 km設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)的方式，共設(shè)置400個(gè)樣點(diǎn)。應(yīng)用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位，多選擇以村莊、連隊(duì)為單位的農(nóng)田覆膜地進(jìn)行采樣。每個(gè)點(diǎn)分別取0～10和10～20 cm土層樣品。取樣點(diǎn)位詳見圖1。

1.2.2土壤含水率測(cè)定采用烘干法測(cè)定土樣的含水率。在田間樣點(diǎn)處取鋁盒(自然濕土)，經(jīng)105 ℃的烘箱中烘24 h至恒定質(zhì)量，水的質(zhì)量與烘干土質(zhì)量的百分比即為土壤含水率。

圖 1　瑪納斯河流域土壤采樣點(diǎn)的分布

1.2.3土壤斥水性測(cè)定采用滴水穿透時(shí)間法(Water droplet penetration time)測(cè)定土壤斥水性。將土壤上層的枯葉及雜物拂去，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的滴定管將約0.05 mL的蒸餾水水滴滴到土壤表面，用秒表記錄水滴完全入滲到土壤中所需的時(shí)間，以肉眼觀測(cè)到水滴在土面不再滯留為“穿透”的準(zhǔn)則。每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)定8次，取8滴水入滲時(shí)間的算術(shù)平均值作為每個(gè)樣品的最終滴水穿透時(shí)間，用滴水穿透時(shí)間來表示土壤斥水性。另外，在測(cè)試過程中，液滴距土壤表面的高度小于5 cm，以避免液滴滴落時(shí)過大的動(dòng)能影響水土作用。一般將滴水穿透時(shí)間t劃分為4個(gè)等級(jí)：t<5 s，不斥水；5 s≤t<60 s，輕微斥水；60 s≤t<600 s，中度斥水；t≥600 s，強(qiáng)烈斥水[18]。

1.3土壤水分和斥水性的空間變異性分析原理概述

本研究擬分別采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析土壤水分及斥水性的空間變異特征。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)主要通過計(jì)算樣本極差、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、峰態(tài)系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)特征值以及進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)來表征土壤屬性空間變異特征。地統(tǒng)計(jì)學(xué)主要通過半方差函數(shù)來反映空間相關(guān)結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用ArcGIS10.2的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊中的CoKriging分析方法來進(jìn)行空間插值分析。Kriging插值分析半方差函數(shù)按下式計(jì)算：

(1)

式中：γ(h)為與位差有關(guān)的半方差函數(shù)，h為位差，N(h)為以h為間距的所有觀測(cè)點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目，i為樣本成對(duì)數(shù)，Z(xi+h)、Z(xi)分別代表空間位置為xi+h、xi時(shí)所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值。

CoKriging插值分析使用的交互半方差函數(shù)按下式計(jì)算：

(2)

式中：γ12(h)、γ21(h) 分別為變量Z1和Z2之間的交互半方差函數(shù)，Z1、Z2分別代表空間位置為xi+h、xi時(shí)所對(duì)應(yīng)的2個(gè)觀測(cè)值，其他符號(hào)含義同前。

使用CoKriging插值，綜合了高程的影響，對(duì)土壤含水率和滴水穿透時(shí)間插值分析，可以提高估測(cè)精度，其插值誤差較Kriging小。通過研究模型中的塊金值(Nugget，C0)、基臺(tái)值(Sill，C0+C)、變程(Range，A)，用塊金值(C0)與基臺(tái)值之比(C0/(C0+C))，即塊金效應(yīng)[26-27]來分析土壤各屬性的變異規(guī)律。

2結(jié)果與分析

2.1瑪納斯河流域土壤屬性的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對(duì)瑪納斯河流域400個(gè)樣點(diǎn)的土壤屬性進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，其統(tǒng)計(jì)特征值見表1。

表 1　瑪納斯河流域不同土層土壤各屬性的統(tǒng)計(jì)特征值

表1顯示，從土壤含水率平均值來看，10～20 cm土層高于0～10 cm土層。0～10 cm土層含水率最小值為1.14%，最大值為38.85%；10～20 cm土層含水率最小值為0.71%，最大值為39.30%?，敿{斯河流域2層土壤含水率變幅較大。根據(jù)變異系數(shù)的等級(jí)分析，2個(gè)土層土壤含水率為中等變異強(qiáng)度，而且土壤水分變異程度隨土層深度增加而減小，即0～10 cm土層水分變異程度大于10～20 cm土層。0～10 cm土層土壤含水率的分布具有過度的峰度，10～20 cm土層土壤含水率的分布具有不足的峰度；2個(gè)土層土壤含水率的分布均屬于正偏。

表1還顯示，滴水穿透時(shí)間平均值為1.64 s，根據(jù)其等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，研究區(qū)流域土壤整體上屬于不斥水土壤。土壤滴水穿透時(shí)間最小值為0.10 s，最大值為21.40 s，個(gè)別地區(qū)有斥水性土壤。滴水穿透時(shí)間的最大值、最小值都相差較大。根據(jù)變異系數(shù)的等級(jí)分析，滴水穿透時(shí)間的分布屬于強(qiáng)變異性；此外滴水穿透時(shí)間具有過度的峰度，其分布屬于正偏。

2.2瑪納斯河流域土壤各屬性的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

在ArcGIS 10.2中對(duì)瑪納斯河流域土壤各屬性進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，利用Geostatistical Ananlyst模塊得到土壤屬性半方差函數(shù)模型的相關(guān)參數(shù)，并通過其誤差檢驗(yàn)值選出最優(yōu)半方差函數(shù)模型，其結(jié)果見表2。最終分析確定0～10，10～20 cm土層含水率的最優(yōu)模型分別為0階指數(shù)模型和0階球狀模型，滴水穿透時(shí)間的模型為2階指數(shù)模型(表2)。

表 2　瑪納斯河流域不同土層土壤各屬性最優(yōu)半方差函數(shù)模型的預(yù)測(cè)誤差

半方差函數(shù)模型具有4個(gè)重要的參數(shù)，即塊金值(C0)、變程、基臺(tái)值(C0+C)和偏基臺(tái)值。其中，塊金值與基臺(tái)值的比值稱為塊金效應(yīng)，用以表明土壤各屬性的空間變異特征；根據(jù)該比值大小可將相關(guān)土壤屬性劃分為強(qiáng)空間相關(guān)、中等空間相關(guān)和弱空間相關(guān)3個(gè)等級(jí)[26-27]。根據(jù)選定的最優(yōu)半方差函數(shù)模型，得到土壤各屬性的重要參數(shù)見表3。

表 3　瑪納斯河流域不同土層土壤各屬性最優(yōu)半方差函數(shù)模型的參數(shù)

由表3可知，瑪納斯河流域0～10，10～20 cm土層土壤含水率的塊金效應(yīng)分別為0.574和0.642，土壤滴水穿透時(shí)間的塊金效應(yīng)為0.737，均位于 0.25～0.75之間，說明該流域0～10，10～20 cm土層土壤含水率和土壤滴水穿透時(shí)間均具有中等空間相關(guān)性。長(zhǎng)軸變程和短軸變程是相關(guān)性消失最慢和最快方向的變程，其中0～10，10～20 cm土層土壤含水率變程為22～65 km，即不同土層土壤含水率空間相關(guān)性消失的范圍在22～65 km。土壤滴水穿透時(shí)間變程為23～71 km，即不同土層土壤含水率空間相關(guān)性消失的范圍在23～71 km。長(zhǎng)軸變程與短軸變程的比值稱為各向異性比，其值接近或等于1時(shí)，空間異質(zhì)性為各向同性，反之為各向異性。該流域0～10，10～20 cm土層土壤含水率及土壤滴水穿透時(shí)間的各向異性比均大于1，所以呈現(xiàn)明顯的各向異性，符合空間插值的要求[26]。

2.3瑪納斯河流域土壤各屬性的CoKriging插值與空間分布

2.3.1土壤含水率在ArcGIS 10.2中對(duì)瑪納斯河流域400個(gè)樣點(diǎn)的0～10及10～20 cm 2個(gè)土層的含水率進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，由于該流域2個(gè)土層土壤含水率均符合正態(tài)分布，所以直接應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊中的CoKriging分析，得到0～10及10～20 cm 2個(gè)土層的土壤水分空間分布圖，結(jié)果見圖2。

圖 2　瑪納斯河流域0～10 cm(A)和10～20 cm(B)土層土壤含水率的空間分布

由圖2可以看出，瑪納斯河流域0～10 cm土層土壤含水率最大值集中在東南方向的塊狀范圍內(nèi)，最小值出現(xiàn)在東北方向的塊狀范圍內(nèi)，土壤含水率的變化呈現(xiàn)出從東南和西北分別向西南和東北方向逐漸減小的趨勢(shì)。10～20 cm土層土壤含水率最大值集中在東南方向的塊狀范圍內(nèi)，最小值出現(xiàn)在西北方向的塊狀范圍內(nèi)，土壤含水率的變化呈現(xiàn)出從東向西、從南向北逐漸減小的趨勢(shì)。土壤含水率分布的空間變異性不僅表現(xiàn)在水平方向，而且表現(xiàn)在垂直方向。0～10，10～20 cm土層土壤含水率分布格局以及水平方向變異程度均相似，說明各層土壤含水率之間的空間相關(guān)性極強(qiáng)。

2.3.2滴水穿透時(shí)間在ArcGIS 10.2中對(duì)瑪納斯河流域400個(gè)樣點(diǎn)的滴水穿透時(shí)間進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，由于該流域土壤滴水穿透時(shí)間符合log正態(tài)分布，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊中的CoKriging分析時(shí)要先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)og變換，之后得到土壤滴水穿透時(shí)間空間分布圖，結(jié)果見圖3。圖3顯示，瑪納斯河流域七大灌區(qū)內(nèi)的土壤滴水穿透時(shí)間大部分集中在0.10～2.36 s，說明流域灌區(qū)內(nèi)大部分土壤不斥水?，敿{斯河流域土壤滴水穿透時(shí)間的空間分布的圖形較為密集，說明該滴水穿透時(shí)間的空間變異較大。土壤滴水穿透時(shí)間最大值集中在東南方向的塊狀范圍內(nèi)，最小值出現(xiàn)在東北方向的塊狀范圍內(nèi)，滴水穿透時(shí)間的變化呈現(xiàn)出從東南和西北分別向西南和東北方向逐漸減小的趨勢(shì)，與0～10 cm土層含水率的分布格局相似。

圖 3　瑪納斯河流域土壤滴水穿透時(shí)間的空間分布

3結(jié)論

1) 瑪納斯河流域七大灌區(qū)0～10 cm土層土壤含水率從東南和西北分別向西南和東北方向逐漸減?。?0～20 cm土層土壤含水率從東向西、從南向北逐漸減小。0～10 cm 土層土壤含水率變異程度大于10～20 cm 土層。滴水穿透時(shí)間的變幅較大，變異程度較大，屬于強(qiáng)變異；滴水穿透時(shí)間從東南和西北分別向西南和東北方向逐漸減小。

2) 0～10，10～20 cm土層含水率的最優(yōu)模型分別為0階指數(shù)模型和0階球狀模型，模型相應(yīng)的塊金效應(yīng)分別為0.574和0.642；滴水穿透時(shí)間的最優(yōu)模型為2階指數(shù)模型，模型的塊金效應(yīng)為 0.737，空間變異性較強(qiáng)。

本研究分析了瑪納斯河流域土壤水分及斥水性的空間變異規(guī)律，以期為我國(guó)鹽漬化土壤水分和斥水性的空間變異性研究提供參考，對(duì)于此地區(qū)土壤其他相關(guān)特性的空間變異規(guī)律還有待于進(jìn)一步研究。

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Spatial variability in soil moisture and water repellency in Manasi River basin

SHAO Zhi-yi,LI Yi

(KeyLabofAgricultureSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreas,MinistryofEducation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract:【Objective】 The spatial variability in soil moisture and water repellency (represented as water droplet penetration time) were studied in 7 irrigation areas of Manasi River basin in Xinjiang.【Method】 A total of 400 soil samples were collected from 7 irrigation areas and measured by oven dried method and water droplet penetration time method.Then classical statistics and CoKriging methods were used to analyze the spatial variation.【Result】 Average soil moistures at the depths of 0 to 10 and 10 to 20 cm were 12.00% and 15.60%,respectively.Soil in this area was generally non-water-repellent with average water droplet penetration time of 1.64 s.The best models of semi-variogram at two depths were zero-order exponential model and zero-order spherical model,respectively.The best model for water droplet penetration time was second order exponential model.Soil moisture at the depth of 0 to 10 cm decreased from southeast to southwest and from northwest to northeast,whereas soil moisture at the depth of 10 to 20 cm reduced from east to west and from south to north.Variation degree of moisture at depth of 0 to 10 cm was higher than that at 10 to 20 cm.The water droplet penetration time changed similarly with soil moisture at depth of 0 to 10 cm.【Conclusion】 The spatial distributions of soil moisture contents at depths of 0 to 10 and 10 to 20 cm were similar.The spatial variability of water droplet penetration time was strong.

Key words:Manasi River basin；soil moisture；water repellency；spatial variability；Xinjiang

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-01-0810:2210.13207/j.cnki.jnwafu.2016.02.029

[收稿日期]2014-06-11

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579213，U1203182)；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目(YQ2013006)

[作者簡(jiǎn)介]邵志一(1991-)，男，安徽懷遠(yuǎn)人，在讀碩士，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究。E-mail：469749446@qq.com[通信作者]李毅(1974-)，女，陜西武功人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤水鹽運(yùn)移研究。E-mail：liyikitty@126.com

[中圖分類號(hào)]S152.7

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)02-0207-07