陜北黃土區(qū)緩臺土壤水分空間變異性

馬 歡，朱清科，趙維軍，劉蕾蕾，姚文俊，王 瑜

（北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

水分是制約黃土高原地區(qū)植被恢復工作的一個重要因素，在有限的降水條件下最大限度的提高土壤中水分的利用效率，是提高植被恢復成功率的一條重要途徑。黃土高原坡面在不同形式土壤侵蝕力的作用下，產(chǎn)生了高低不平的微地形，這些微地形對坡面降雨、徑流的再分配以及地表蒸發(fā)產(chǎn)生影響，使得坡面尺度內(nèi)仍然存在水分條件的差異。因此在植被恢復重建過程中，為了避免出現(xiàn)人工林成活率低或林分生長不良等問題，開展了不同規(guī)模緩臺微地形的土壤水分空間變異性分析。

微地形一般指小尺度上的地形變化，黃土坡面的微地形是指在坡面尺度以內(nèi)由于各種土壤侵蝕作用形成的與原始坡面存在坡度差異、形狀各異、大小不等并且使得土壤養(yǎng)分和水分在小范圍內(nèi)發(fā)生變化的局部地形，朱清科、張巖等［1］將黃土坡面上的微地形劃分為淺溝、切溝、塌陷、緩臺、陡坎5種。由于坡面造林計量是以米為計量單位，因此本研究中微地形是指面積大于1m2的微小地形。其中緩臺是指其坡度明顯小于原狀坡坡面坡度的一種微地形，有研究［2］提出，緩臺的土壤水分條件優(yōu)于同一立地條件類型下其它幾種微地形，可優(yōu)先考慮栽植喬木樹種。因此，根據(jù)實地調(diào)查數(shù)據(jù)，首先根據(jù)面積的數(shù)量級定義了大（＞1000m2）、中（＞100m2，＜1 000m2），小（＞1m2，＜100m2）3種規(guī)模的緩臺進行研究比較。

目前，在黃土坡面及區(qū)域尺度上的土壤水分空間變異特征研究較多，但在微地形尺度的土壤水分空間變異性研究比較少，目前的研究［2－4］均集中在不同微地形種類的水分條件的差異性分析。李萍等［5］通過研究不同規(guī)格的人工整地魚鱗坑發(fā)現(xiàn)，規(guī)格上的不同會使得魚鱗坑在水分條件上明顯的不同，作為天然集水區(qū)的緩臺來說，在實際調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)，微地形的面積大小從1～4 000m2不等，由于面積的不同導致凹凸地表在徑流、集水區(qū)和蒸發(fā)上的差異勢必會影響到微地形內(nèi)的水分條件，而規(guī)模大小導致的水分條件的差異還鮮見報道，為了更好地了解土壤水分在微地形尺度上的分布規(guī)律，本研究通過對陜北黃土區(qū)不同面積大小的緩臺水分條件及空間變異性進行研究，籍以探索土壤水分條件在不同面積大小微地形上的表現(xiàn)，以期為黃土坡面進行植被優(yōu)化配置提供理論指導。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣的合家溝流域（北 緯 36°33′33″—37°24′27″，東 經(jīng) 107°38′57″—108°32′49″）。吳起縣地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫7.8℃，無霜期96～146d；1957—2009年平均降水量466mm，降水量年及變化較大，季節(jié)分配不均勻，7—9月降水占全年降水量的64%以上，多年平均陸地蒸發(fā)量400～450mm；該區(qū)土壤類型為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發(fā)育在黃土母質(zhì)上的黃綿土，質(zhì)地為輕壤。

研究區(qū)合家溝流域自1998年以來實行全流域封山禁牧，采取人工封育的方式進行植被恢復。目前該流域植被以天然草地為主，主要草本群落有百里香（Thymus mongolicus）、鐵 桿 蒿 （Artemisia gmelinii）、茭蒿（Artemisia giraldii）、長芒草（Stipa bungeana）、達烏里胡枝子（Lespide zdavurica）、委陵菜（Potentilla chinenisis）、冷 蒿 （Artemisia frigida）等。在溝底部位散生有少量灌木和喬木。流域內(nèi)坡面地形破碎，微地形大量分布，人為干擾因素較少，為本研究的進行提供了有利條件。

2 研究方法

2.1 土壤水分布點及測定

為了研究緩臺規(guī)模對其土壤水分的影響，選擇吳起縣分布較廣泛的坡度在25°～35°的東坡和西坡等立地類型中不同規(guī)模的緩臺作為研究對象。采樣點所在坡面植被全部為天然草地。在小規(guī)模緩臺和中規(guī)模緩臺中采用隨機布點的采樣方式設置土壤水分觀測點，分別在不同的緩臺內(nèi)部進行取樣，取樣盡量覆蓋緩臺的特征點。對于大規(guī)模的緩臺，采取以5m×5m的間距均勻布設樣點。同時取每個緩臺同一高度處兩側(cè)的原狀坡土壤樣品作為對照。土壤水分測定方法采用土鉆分層采土室內(nèi)烘干的方法，包括0—20cm，20—40cm，40—60cm，60—80cm，80—100cm等5個土層，3個重復的平均值作為該層次的土壤含水量。

土壤水分觀測樣點數(shù)量根據(jù)不同緩臺規(guī)模分別為小規(guī)模緩臺20個、中規(guī)模緩臺25個和大規(guī)模緩臺107個，對照組坡面樣地36個。

2.2 分析方法

2.2.1 土壤水分差異顯著性檢驗 Wilcoxon秩檢驗適用于配對資料的差異比較，如果計算結(jié)果中的p＜0.05，說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計學上的顯著差異，如果p＜0.01，則表示兩組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計學上存在極顯著差異。利用SPSS 18.0對不同規(guī)模的緩臺水分數(shù)據(jù)進行了兩兩配對的Wilcoxon秩檢驗，觀測其水分差異情況。

2.2.2 土壤水分變異系數(shù) 變異系數(shù)Cv和標準差SD的計算公式為：

式中：ˉx——為樣本（土壤水分觀測值）平均值；n——樣本總個數(shù)；xi——樣本的地i個觀測值。

變異系數(shù)表征了土壤水分變異的程度，在本研究中該值反映了土壤各層水分在空間上的穩(wěn)定性，Cv越大說明土壤水分變化越劇烈，越小說明土壤水分越穩(wěn)定。當Cv≤10%時為弱變異性，當10%＜Cv＜100%時為中等變異，當Cv≥100%為強變異性。

2.2.3 地統(tǒng)計學法 地統(tǒng)計學由法國學者Matheron于20世紀60年代建立，他提出了區(qū)域變量理論，使傳統(tǒng)的地學方法與統(tǒng)計學方法相結(jié)合。地統(tǒng)計學是以區(qū)域化變量、隨機函數(shù)和平穩(wěn)性假設等概念為基礎，以變異函數(shù)為核心，以克立格插值法為手段分析研究自然現(xiàn)象的空間變異問題。關于地統(tǒng)計學的研究方法國內(nèi)外文獻都有大量介紹［6－11］，本文不再贅述。本研究利用ArcGIS 9.3中的geostatistical analyst模塊對研究區(qū)進行統(tǒng)計學分析，生成緩臺內(nèi)部的土壤水分分布圖。

3 結(jié)果分析

3.1 不同規(guī)模緩臺水分特征

3.1.1 不同規(guī)模緩臺土壤含水量比較 利用SPSS 18.0對不同規(guī)模的緩臺水分數(shù)據(jù)進行兩兩配對樣本的Wilcoxon秩檢驗，檢驗結(jié)果詳見表1。

表1 不同規(guī)模緩臺土壤水分差異性檢驗

由表1可以看出，3種規(guī)模的緩臺與原狀坡的土壤含水量均有顯著的差異性（p＜0.05），這與以前的研究結(jié)果［7］是一致的，說明緩臺微地形的水分條件明顯不同于原狀坡面，因此在人工植被恢復的過程中需要區(qū)別對待。同時，大規(guī)模緩臺的水分含量和中等規(guī)模及小規(guī)模的含水量也有著顯著的差異（p＜0.05），說明由于緩臺面積的差異導致的含水量的差別是存在的。這主要是由于緩臺規(guī)模的大小影響了徑流的入滲時間，從而影響了不同規(guī)模緩臺的土壤水分含量。

為了比較不同規(guī)模緩臺的水分含量的大小差異，本研究引入土壤水分指數(shù)K值（K＝緩臺水分含量／對應原狀坡水分含量），當K＞1時表示該緩臺水分優(yōu)于其所在坡面的原狀坡，當K＜1時則表示該緩臺水分含量低于其所在坡面的原狀坡，通過數(shù)據(jù)處理得當陰坡和陽坡的3種規(guī)模緩臺的K值（圖1）。

由圖1可以看出，在陽向坡上，3種規(guī)模的緩臺總體上呈現(xiàn)面積越大，水分條件越好的趨勢，但小規(guī)模緩臺表現(xiàn)出了水分條件和原狀坡面差別不大，中等規(guī)模的緩臺表現(xiàn)出當土層深度＞40cm時水分條件才優(yōu)于原狀坡面。說明了在陽坡，小規(guī)模的緩臺盡管有一定的集水蓄水效果，但在強烈的蒸發(fā)作用下，使得其保水效果較差。在陰向坡，大規(guī)模緩臺土壤水分總體上同樣要優(yōu)于其它兩種緩臺及原狀坡，但在0—20cm土層內(nèi)，大規(guī)模緩臺的水分含量較低，僅優(yōu)于中規(guī)模的緩臺，這主要是因為在陰向坡的大規(guī)模緩臺上，草本覆蓋度較高，草本植物的蒸騰作用使得表層土壤水分含量較低。

因此在土壤含水量上，在兩種坡向上只有大規(guī)模的緩臺土壤水分含量明顯好于原狀坡，其它兩種規(guī)模的緩臺水分條件也均優(yōu)于原狀坡面，但相比較大規(guī)模緩臺，其優(yōu)越程度要小，同時在中規(guī)模和小規(guī)模緩臺之間的大小趨勢變化不明顯，這與前面得到的結(jié)論一致，說明當緩臺越大水分條件越好，但這一趨勢應該在緩臺面積達到一定規(guī)模的時候才能體現(xiàn)。

圖1 研究區(qū)不同規(guī)模緩臺含水量指數(shù)

3.1.2 不同規(guī)模緩臺水分變異系數(shù) 變異系數(shù)反映了不同面積大小的緩臺水分變化的差異性，從表2中數(shù)據(jù)可以得出，3種規(guī)模的緩臺和原狀坡隨著土層深度的增大，土壤水分變異系數(shù)變化趨勢一致，均表現(xiàn)出表層水分空間變化激烈，下層水分比較穩(wěn)定的趨勢，這主要是因為在土壤表層水分的下滲、蒸發(fā)等水分活動較劇烈，表層土壤水分較底層土壤水分含量較少，同時由于地形分異使得不同位置土壤蒸發(fā)量有所不同，因此土壤表層水分差異較大。

在土壤水分變異系數(shù)的總體變化中，變異系數(shù)在0—60cm各層均呈現(xiàn)小規(guī)模緩臺＞大規(guī)模緩臺＞中規(guī)模緩臺的趨勢。這主要是因為小規(guī)模的緩臺更容易受坡度、坡向和植被的影響，從而使得其接受的降雨、徑流及蒸發(fā)差別較大，所以導致了小規(guī)模的緩臺在水分上的差異比較大。而通過數(shù)據(jù)得出大規(guī)模緩臺的變異系數(shù)也比較高，可以推斷其內(nèi)部不均衡的水分分布使得變異系數(shù)在總體上呈現(xiàn)一個比較高的數(shù)值。在土層深度大于60cm時各種緩臺水分變異系數(shù)均比較小（＜10%）且差別不大，主要是因為隨著土層深度的增加，深層水分和表層以及大氣進行交換活動比較緩慢，使得深層水分含量在空間上分布較為穩(wěn)定。

3.2 大規(guī)模緩臺水分空間分布

3.2.1 土壤水分在垂直方向上的變異規(guī)律 由表3可以看出，除了表層土壤水分以外，從坡上部到坡下部（東西向），土壤水分變異總體呈中等變異（10%＜Cv＜100%），表明在坡面縱向上水分變異程度較高，坡腳處和緩臺邊緣處之間水分差異較大。沿著坡向向下，變異系數(shù)呈增加的趨勢，這和以前的研究結(jié)論略有差異［2，6－18］，這主要是因為該處緩臺上草本植被覆蓋度總體較高，使得土壤表面蒸發(fā)量趨于一致。有研究［8］證明，土壤水分的變異程度和土壤的水分含量均值呈正相關關系，因此由于植物的耗水，使得表層土壤含水量較低。使得表層土壤變異系數(shù)較低。

表2 研究區(qū)不同規(guī)模緩臺土壤水分變異系數(shù) %

由表4可以看出，在沿坡向橫向上（南北向），土壤水分變異程度與縱向相比較弱，只有在40—60cm土壤處呈中等變異，0—40cm土層均呈弱變異，這說明在大規(guī)模緩臺沿坡向橫向上土壤水分總體較穩(wěn)定，變化程度不明顯。

綜合比較縱向和橫向上的水分變異程度，可以得出在大規(guī)模緩臺的內(nèi)部，由于水分初始分布不均引起的水分變化程度要大于由于蒸發(fā)導致的變化，總體使得在大規(guī)模緩臺內(nèi)部，沿坡向縱向的變化大于橫向變化。

表3 大規(guī)模緩臺縱坡向土壤水分統(tǒng)計特征值

表4 大規(guī)模緩臺橫坡向土壤水分統(tǒng)計特征值

3.2.2 土壤水分在水平方向上的變異規(guī)律 通過對一個獨立連續(xù)的大規(guī)模緩臺0—60cm土壤水分數(shù)據(jù)進行基本統(tǒng)計特征分析，得到其土壤水分數(shù)據(jù)的偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)分別為1.161和0.96，近似正態(tài)分布，因此，可以對大規(guī)模緩臺內(nèi)0—60cm土層土壤數(shù)據(jù)進行地統(tǒng)計分析。

實驗半方差及其理論變異函數(shù)擬合模型如圖2所示，根據(jù)決定系數(shù)最大和殘差平方和最小的原則對半方差模型進行篩選，選取球狀模型為最優(yōu)的半方差理論模型，最終對未測點的土壤水分數(shù)據(jù)進行克里格插值方法進行最優(yōu)估計，得到大規(guī)模緩臺內(nèi)部的土壤水分（為0—60cm土壤水分平均值）分布圖（圖3）。

由圖3可以得出，在研究區(qū)內(nèi)部，土壤水分介于8.5%～13.0%，具有較大的差異。沿坡面縱向土壤平均水分含量呈逐漸降低的趨勢，這種趨勢主要是因為在降水產(chǎn)生徑流之后，由上坡集水區(qū)產(chǎn)生的徑流首先經(jīng)由緩臺上方的陡坎流入坡腳處下滲，使得坡腳處的土壤水分初始值較高，同時由于坡腳處在下午太陽高度降低時首先進入由梁峁造成的陰影區(qū)，使得日蒸發(fā)量比遠離坡腳處的小。另外，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)坡腳處的草本植物蓋度也較高，使得直接輻射到地表的太陽輻射減小，這些因素共同影響使得在大規(guī)模緩臺內(nèi)部，水分呈現(xiàn)出沿坡面縱向逐漸減小的趨勢（西高東低）。

圖2 大規(guī)模緩臺0－60cm土壤水分半方差函數(shù)及擬合模型圖

在沿坡面橫向上，土壤平均水分呈現(xiàn)“中間高兩頭低”的趨勢，并且在緩臺北向邊緣水分含量要高于緩臺南向邊緣。這是因為在緩臺南北兩頭各有一個較大的侵蝕溝，使得緩臺內(nèi)部水分發(fā)生側(cè)向遷移而產(chǎn)生損失。該緩臺總體上呈“啞鈴”形狀，在坡腳處有一道梁的存在使得緩臺南北發(fā)生了坡向上的變化，使得南端呈現(xiàn)出更傾向陽坡的水分特征，北段呈現(xiàn)出類似于陰坡的水分特征。總體上使在緩臺內(nèi)部出現(xiàn)以坡腳水分含量最高，向四周輻射下降的趨勢。因此在進行植被恢復的過程中，不僅對于不同面積的緩臺要區(qū)別對待，配置不同的喬灌木樹種，對于面積較大的緩臺，在其上的配置也需要有一定的差異。

圖3 大規(guī)模緩臺內(nèi)部0－60cm土壤平均水分分布

4 結(jié)論

（1）無論是在陰坡還是陽坡，大規(guī)模緩臺（面積＞1 000m2）的水分條件要好于中等規(guī)模（100～1 000 m2）和小規(guī)模（＜100m2）的緩臺，而中等規(guī)模緩臺和小規(guī)模緩臺在水分含量差別不大。證明只有當緩臺面積達到一定程度的時候，其水分條件會出現(xiàn)明顯的優(yōu)勢，在進行植被配置時可以采用比原狀坡面高一等級的植被配置模式。

（2）隨著土層深度的增加，土壤水分變異系數(shù)總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，就規(guī)模來說，各緩臺的變異系數(shù)存在小規(guī)模緩臺＞大規(guī)模緩臺＞中規(guī)模緩臺的趨勢。

（3）在大規(guī)模緩臺內(nèi)部，在緩臺上邊界靠近陡坎處土壤水分條件較好，由于緩臺周圍的地表起伏遮擋引起的太陽輻射的不均衡對緩臺內(nèi)部水分分布的影響是明顯的，因此在進行植被配置的過程中，對于大規(guī)模的緩臺，除了在整體配置上要優(yōu)于原狀坡面的等級配置，同時在緩臺內(nèi)部也要注意合理的布局，可以在坡腳處考慮配置以灌木為主的植被群落，在遠離坡腳處的緩臺邊緣則應以需水量較小的草本為主。

（4）通過分析發(fā)現(xiàn)，由于面積的大小不一致導致的水分的差異在緩臺微地形的表現(xiàn)較為明顯的，然而在本研究中，中等規(guī)模的緩臺和小規(guī)模的緩臺水分差異程度并不大，因此，當緩臺面積何種程度的時候才會對對其中的水分產(chǎn)生顯著的影響，需要進行進一步的研究來確定。同時在研究大規(guī)模緩臺水分分布時發(fā)現(xiàn)，緩臺的自然形狀也會對其中的水分產(chǎn)生明顯的影響，因此形狀因子對微地形土壤水分分布的影響也應將在未來的研究中加以考慮。

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