黃河沖積平原表層土壤水力學(xué)參數(shù)的空間變異特征

劉莉莉 王琳 趙貴章 潘登 湛江

摘要 為了解黃河沖積平原表層土壤水力學(xué)參數(shù)的空間變異特征，以河南省蘭考縣為分析對(duì)象，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法，分析土壤表層水力學(xué)參數(shù)的空間變異。結(jié)果表明，土壤干容重和土壤含水率的變異系數(shù)分別為7.8%、9.2%，呈現(xiàn)出弱變異;土壤滲透系數(shù)的變異系數(shù)為173.2%，呈現(xiàn)出強(qiáng)變異。土壤水力學(xué)參數(shù)均具有二階趨勢(shì)效應(yīng)。土壤干容重和土壤含水率的塊基比分別為0.458、0.500，具有中等空間自相關(guān)性;土壤滲透系數(shù)的塊基比為0.034，具有強(qiáng)空間自相關(guān)性。研究區(qū)土壤干容重和土壤含水率整體均表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤滲透系數(shù)較大值主要集中在北部，較小值主要集中在中東部，整體表現(xiàn)為由中部向四周逐步增大。

關(guān)鍵詞 黃河沖積平原;土壤水力學(xué)參數(shù);地統(tǒng)計(jì)學(xué);GIS;空間變異

中圖分類號(hào) S 152.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2022）06-0060-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.013

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Spatial Variation Characteristics of Surface Soil Hydraulics Parameters in the Yellow River Alluvial Plain

LIU Li-li1， WANG Lin2，ZHAO Gui-zhang1 et al （1.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou，Henan 450046;2. Geological Environmental Monitoring Institute of Henan Province， Zhengzhou，Henan 450006）

Abstract In order to understand the spatial variability characteristics of surface soil hydraulic parameters in the Yellow River alluvial plain，taking Lankao County in Henan Province as the object of analysis，the method of combining geostatistics and GIS was used to analyze the spatial variability of soil surface hydraulic parameters.The results showed that the coefficient of variation of soil dry bulk density and soil water content were 7.8% and 9.2%， respectively， showing a weak variability.The coefficient of variation of soil permeability coefficient was 173.2%， showing strong variability.The soil hydraulic parameters all had a second-order trend effect.The block-to-basis ratio of soil dry bulk density and soil moisture content were 0.458 and 0.500， respectively， which had medium spatial autocorrelation;the block-to-basis ratio of soil permeability coefficient was 0.034， which had strong spatial autocorrelation.The soil dry bulk density and soil moisture content in the study area showed a gradual increase from west to east as a whole.The larger value of soil permeability coefficient was mainly concentrated in the north， and the smaller value was mainly concentrated in the middle and east，the overall performance was gradually increasing from the middle to the surroundings.

Key words Yellow River alluvial plain;Soil hydraulics parameters;Geostatistics;GIS;Spatial variation

作者簡(jiǎn)介 劉莉莉（1993—），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向：包氣帶土壤水運(yùn)動(dòng)。*通信作者，高級(jí)工程師，碩士，從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究。

收稿日期 2021-07-19

作為水資源的重要組成部分，土壤水分對(duì)于研究地表徑流、水分轉(zhuǎn)化、土壤侵蝕、溶質(zhì)運(yùn)移等過程起非常重要的作用，也是流域水文過程研究的重要內(nèi)容之一[1]。受土壤本身、地形、土地利用類型、植被以及氣候條件等因素隨機(jī)性、非線性時(shí)空分布的影響[2]，土壤水力學(xué)參數(shù)在不同取樣尺度上均存在空間異質(zhì)性[3]。其中大尺度主要受控于降雨和蒸發(fā)格局等;而小尺度則決定于地形、根系、土壤和光等[4-6]。土壤水力學(xué)參數(shù)是生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)和水文學(xué)等的研究熱點(diǎn)，其研究主要集中在空間變異性、不同時(shí)間序列土壤水分布的影響因素及利用分布式水文模型定量研究土壤水分的時(shí)空分布3方面[7]，研究尺度主要為田間、坡面、洼地、流域或區(qū)域等[8-11]。國(guó)內(nèi)外已對(duì)土壤水力學(xué)參數(shù)的空間變異及其影響因素開展了大量研究，研究尺度主要為林分、坡面、小流域、流域或區(qū)域等[3，12-13]，主要集中在黃土高原、高寒草甸、喀斯特地區(qū)等干旱或半干旱地區(qū)[8，14]。而針對(duì)黃河沖積平原的土壤水力學(xué)參數(shù)的空間變異性研究至今鮮見報(bào)道。

黃河沖積平原（河南段）位于黃河下游、河南省東北部。該地區(qū)以引黃灌溉和開采淺層地下水井灌為主，遼闊平坦，但微地貌差異明顯，其流域水文過程對(duì)反映黃河沖積平原的包氣帶空間結(jié)構(gòu)以及生態(tài)需水安全等具有重要意義。為此，筆者采用地統(tǒng)計(jì)與GIS相結(jié)合的方法，分析黃河沖積平原土壤水力學(xué)參數(shù)的空間變異。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省開封市蘭考縣（圖1），處于河南省中部偏東，是黃河沖積扇平原的尖端，地理位置114°58′41″～114°59′41″E、34°52′14″～34°54′45″N，面積約15.75 km2。研究區(qū)地勢(shì)平坦，平均海拔約50 m。該區(qū)多年平均氣溫14.52 ℃，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，四季分明[15]。土地利用方式為農(nóng)田，以小麥、玉米輪作耕種為主，一年兩熟。

1.2 樣品采集與測(cè)定 該研究于2019年7月進(jìn)行土壤樣品的采集，采用網(wǎng)格法對(duì)樣點(diǎn)進(jìn)行初步布設(shè)，網(wǎng)格大小為500 m×500 m，10行8列，共計(jì)80個(gè)點(diǎn)，該研究采用其中60個(gè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，具體分布如圖1所示。采樣深度為0～0.3 m，采樣時(shí)進(jìn)行載波相位差分技術(shù)（RTK）定位，采集環(huán)刀樣。采用變水頭法測(cè)定飽和滲透系數(shù)，環(huán)刀法測(cè)定其干容重，烘干法測(cè)定其土壤含水率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

1.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)研究。采用SPSS 24.0軟件，分析前采用3倍標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)法對(duì)離群值進(jìn)行識(shí)別，對(duì)離群值分別用正常的最大值和最小值代替。檢驗(yàn)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)是否符合地統(tǒng)計(jì)學(xué)插值條件，采用Kolmogorov-Smirnov（簡(jiǎn)稱K-S）檢驗(yàn)法[16-18]分析樣點(diǎn)原始數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。其中，變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）指標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)用于確定變異程度的重要指標(biāo)，若CV<10%，表明數(shù)據(jù)呈弱變異，10%≤CV<100%呈中等變異，CV≥100%呈強(qiáng)變異[19]。

1.3.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用ArcGIS 10.4地統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)變量進(jìn)行趨勢(shì)效應(yīng)、誤差檢驗(yàn)分析以及克里格插值繪制預(yù)測(cè)圖，采用GS+9.0軟件進(jìn)行半方差函數(shù)分析。依據(jù)空間變異分析原理，用塊金效應(yīng)表示空間相關(guān)性強(qiáng)弱。塊金效應(yīng)為塊金值與基臺(tái)值的比值，一般認(rèn)為，小于0.25變量具有強(qiáng)空間自相關(guān)性，0.25～0.75變量具有中等空間自相關(guān)性，大于0.75變量具有弱空間自相關(guān)性[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水力學(xué)參數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì) 通過對(duì)研究區(qū)表層干容重、土壤含水率及滲透系數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析（表1），可以依據(jù)土壤各參數(shù)信息粗略估計(jì)研究區(qū)域相應(yīng)性狀的變異程度。從變異系數(shù)看，土壤干容重和土壤含水率的變異系數(shù)分別為7.8%、9.2%，呈現(xiàn)出弱變異;土壤滲透系數(shù)的變異系數(shù)為173.2%，呈現(xiàn)出強(qiáng)變異。半方差函數(shù)的計(jì)算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的規(guī)律，否則可能存在比例效應(yīng)[21]。在顯著性水平0.05的單樣本K-S檢驗(yàn)下，土壤滲透系數(shù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布，土壤干容重和土壤含水率符合正態(tài)分布。

2.2 趨勢(shì)效應(yīng)和插值模型選擇

空間趨勢(shì)效應(yīng)反映空間變量全局變化趨勢(shì)，一般用0～2階多項(xiàng)式來描述空間趨勢(shì)效應(yīng)。受成土因素、自然地理?xiàng)l件及人類活動(dòng)的影響，區(qū)域土壤水力學(xué)參數(shù)的空間分布常呈明顯的趨勢(shì)特征，在空間插值分析中不容忽視。運(yùn)用ArcGIS 10.4的地統(tǒng)計(jì)分析模塊獲得土壤水力學(xué)參數(shù)的趨勢(shì)效應(yīng)[22-23]，從圖2可以看出，土壤干容重在南—北方向呈“U”字型，在東—西方向呈倒“U”字型;土壤含水率在南—北方向呈倒“U”字型，在東—西方向呈“U”字型，但其變化弧度不大;土壤滲透系數(shù)在東—西方向呈倒“U”字型，在南—北方向呈“U”字型，但東—西方向弧度變化不大。

在考慮各向異性的情況下，分別選擇0階趨勢(shì)、一階趨勢(shì)、二階趨勢(shì)效應(yīng)參數(shù)結(jié)合普通克里格插值方法造成的插值誤差進(jìn)行了比較（表2）。判斷半方差函數(shù)模型及其參數(shù)是否合適可按以下標(biāo)準(zhǔn)綜合進(jìn)行：平均誤差的絕對(duì)值最接近于0;標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差最接近于0;均方根誤差越小越好;如果標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差<1，則高估了預(yù)測(cè)值，反之則低估了預(yù)測(cè)值[24]。由表2可知，在進(jìn)行普通克里格插值時(shí)，土壤干容重球狀模型一階趨勢(shì)效應(yīng)擬合效果最佳;土壤含水率高斯模型二階趨勢(shì)效應(yīng)擬合效果最佳;土壤滲透系數(shù)指數(shù)模型二階趨勢(shì)效應(yīng)擬合效果最佳。

2.3 土壤水力學(xué)參數(shù)的結(jié)構(gòu)分析

土壤水力學(xué)參數(shù)的空間變異是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。用GS+9.0軟件計(jì)算半方差函數(shù)，由表3可知，土壤干容重和土壤含水率的塊基比分別為0.458、0.500，具有中等空間自相關(guān)性，主要影響因素既有結(jié)構(gòu)性因素（如土壤母質(zhì)、地形等），也有隨機(jī)因素（如灌溉、施肥、耕作措施等人類活動(dòng)）。土壤滲透系數(shù)的塊基比為0.034，具有強(qiáng)空間自相關(guān)性，主要影響因素在于結(jié)構(gòu)性因素。在變程中，土壤滲透系數(shù)的變程最小，說明其空間連續(xù)性的尺度范圍較小;土壤含水率的變程最大且遠(yuǎn)大于取樣間隔，說明其空間連續(xù)性的尺度范圍最大。

2.4 土壤水力學(xué)參數(shù)的空間分布特征

為了更加直觀地反映黃河沖積平原土壤水力學(xué)參數(shù)的空間分布格局，在半方差結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合普通克里格插值方法，并考慮各向異性和趨勢(shì)參數(shù)，獲得了土壤水力學(xué)參數(shù)的空間分布格局圖，各插值結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，土壤干容重較大值集中在西部，較小值主要分布在東南角及中北部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤含水率較大值均集中在東南角，較小值集中在西部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤滲透系數(shù)較大值主要集中在北部，較小值主要集中在中東部，整體表現(xiàn)為由中部向四周逐步增大。

3 結(jié)論

該研究基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，且考慮趨勢(shì)效應(yīng)，采用ArcGIS對(duì)黃河沖積平原表層土壤水力學(xué)參數(shù)的空間變異進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）從變異系數(shù)看，土壤干容重和土壤含水率的變異系數(shù)分別為7.8%、9.2%，呈現(xiàn)出弱變異;土壤滲透系數(shù)的變異系數(shù)為173.2%，呈現(xiàn)出強(qiáng)變異。

（2）對(duì)土壤水力學(xué)參數(shù)普通克里格插值誤差的綜合比較表明，土壤干容重球狀模型一階趨勢(shì)效應(yīng)擬合效果最佳;土壤含水率高斯模型二階趨勢(shì)效應(yīng)擬合效果最佳;土壤滲透系數(shù)指數(shù)模型二階趨勢(shì)效應(yīng)擬合效果最佳。

（3）土壤干容重和土壤含水率的塊基比分別為0.458、0.500，具有中等空間自相關(guān)性，主要因素在于結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素。土壤滲透系數(shù)的塊基比為0.034，具有強(qiáng)空間自相關(guān)性，主要影響因素在于結(jié)構(gòu)性因素。

（4）普通克里格插值圖直觀地反映了土壤水力學(xué)參數(shù)的分布特征。研究區(qū)土壤干容重較大值集中在西部，較小值主要分布在東南角及中北部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤含水率較大值均集中在東南角，較小值集中在西部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤滲透系數(shù)較大值主要集中在北部，較小值主要集中在中東部，整體表現(xiàn)為由中部向四周逐步增大。

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