寧夏南部黃土丘陵地土壤水分空間變異性分析

趙伶俐，王福平

（1.北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏銀川 750021；2.北方民族大學創新創業教育中心，寧夏銀川 750021）

土壤含水量是土壤特性的動態組成部分，土壤含水量的空間分布受到氣候、水文地質、地理等因素的影響，在空間分布上表現出復雜性和不確定性，土壤水分這種隨空間分布位置發生變化而變化的性質，稱為土壤含水量的空間變異性［1］。同時土壤含水量的空間變異性也隨研究尺度、季節變化和植被因子等的影響而異。描繪出某地區的土壤含水量空間變異性和分布特征，對了解當地土壤濕度、生態環境質量和農業生產等信息是不可或缺的，為土壤水分有效利用、植被合理布局和生態環境可持續發展提供依據。

寧夏南部山區地處在黃土高原的西北邊緣，地形有丘陵、山地和盆地，氣候和水文屬于干旱半干旱區，地表植被覆蓋稀疏，生態環境脆弱，水土流失嚴重，干旱少雨缺水，面臨著嚴峻的生態重建問題［2］。研究該地區土壤水分的空間變異性和空間分布特征可為當地的水資源研究、生態重建提供參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區南部山區的固原市原州區、涇源縣和中衛市海原縣等地的黃土丘陵地，地理位置在105°58′～106°32′E，35°36′～36°38′N之間。氣候屬干旱和半干旱區，春季干旱氣溫多變，夏季短暫涼爽，秋季溫涼干燥，冬季寒冷漫長。年平均降水量492.2 mm，大多集中在6—9月，年蒸發量1 753.2 mm。境內水資源貧乏，地表水主要來源于自然降水，地下水主要利用清水河，研究區地形多丘陵山地、緩坡。土壤以黃綿土為主，屬于粉質壤土，土地利用類型有農地、撂荒地和草地，自然植被主要以天然牧草、蒿草、檸條等。

土壤含水量數據的采集在寧夏固原市原州區開成鎮三十里鋪村，在不同土地利用類型和空間位置進行樣點選擇和布設。在2017年3月（春）、6月（夏）和9月（秋）無降雨期間，每個月選擇坡度、質地、土壤類型一致的樣地進行土壤含水量測定，取樣深度為0～15 cm的表層土樣和深度為15～30 cm的深剖面土樣，利用烘干稱重法和土壤水分傳感器測定土壤含水量。

1.2 研究方法

利用經典統計學和地統計學方法研究土壤含水量的空間變異性和空間分布特征。

（1）采集土壤含水量樣本數據。

（2）計算土壤含水量的統計特征值如平均值、標準差、變異系數等，判斷土壤水分的變異性。

（3）對土壤含水量數據進行半方差計算，半方差擬合與最優模型選擇。

（4）確定變異函數的重要參數，利用參數分析土壤含水量空間變異相關性的強弱。

（5）進行克里格插值，將空間點數據轉化成面數據，給出土壤濕度的空間分布圖，分析土壤含水量的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 采樣幅度對土壤水分變異性的影響

經典統計學里通常用變異系數（CV）的大小判斷研究內容的變異程度，變異系數的計算公式為

土壤含水量的變異系數是標準差與平均值的比值，它的大小反映了土壤含水量的空間變異性大小，通常CV＜0.01為弱變異性，0.01＜CV＜1為中等變異性，CV＞1為強變異性［3-4］。

表1是2017年9月對土層深度10～15 cm采樣的土壤含水量統計數據，采樣區域在500～5 000 m2逐漸增大，在每個幅度中按照間距5 m×5 m的網格設采樣點。從表1可以看出，變異系數在7%～20%之間，土壤水分具有中等變異性。數據中還發現，隨著采樣區域面積的增大，土壤含水量變異系數逐漸增大，這是由于研究區域范圍的增大，采樣的點數更多，對土壤水分有影響的較多因素（植被、降雨、表面蒸發等因素）體現出來，從而使得其變異系數增大，變異性也增大。在采樣面積為3 500 m2時，土壤水分的變異系數為19.277%，而當采樣面積從3 500 m2增大到5 000 m2時，變異系數不再增大而是趨于穩定在19%左右。說明變異系數增大到一定數值而趨于穩定，不再隨著采樣面積的增大而無限增大。

表1 采樣幅度與變異系數的統計特征值

2.2 土壤水分空間變異性的季節性特征

在春季（3月）、夏季（6月）、秋季（9月）對土層深度10 cm和25 cm采集的土壤含水量統計特征值如表2所示。數據是在同一研究區域相同的采樣幅度下，按采樣時間和采樣深度不同測得的。寧夏南部在夏季6—7月通常有暴雨，為減少降雨對土壤水分數據的直接影響，夏季土壤水數據于降水后間隔5 d采集，數據能夠較好地反映土壤水分的季節性特征。

從表2中不同季節土壤含水量的平均值可以看出，3月份寧夏南部地區干旱少雨土壤干層較厚，土壤表層和深層含水量都很低。6月份固原的降水量開始增多，土壤含水量相對3月份上升，但夏季氣溫偏高，表層土壤水分蒸發很大，而且植物也需大量消耗水分，所以表層土壤含水量較低，25 cm深度的土壤水分相對表層較高；9月植物耗水減少，受降水天氣變涼影響，表層和深層的土壤含水量逐漸增加。從變異系數看出，春、夏、秋土壤含水量的變異系數在7.3%～19.2%之間，屬于中等變異性。但土壤水分空間變異性的季節性特征表現較為明顯，夏季土壤水分變異系數最大，秋季土壤水變異系數最小，春季的變異系數介于夏季和秋季之間。另外，同一區域表層土壤水分的變異系數大于深層的，表明表層土壤水分的空間變異性更大。因此，夏季表層土壤水分的空間變異性最大。

表2 土壤含水量統計特征值

2.3 土壤水分空間變異相關性

在土壤特性空間變異性分析中，經典統計學理論認為，土壤水文性質在空間上是相互獨立的，但是，實際上在一定的空間范圍內，土壤水文性質間具有相關性。地統計學中通過半方差函數來定量描述土壤水文性質的空間變異結構，即土壤特性空間分布的相關性。區域化變量Z（x）在點xi和xi+h處的2個隨機變量Z（xi）與Z（xi+h）的半方差函數（又稱變異函數）：

表3是對土壤含水量數據進行半方差計算，確定半方差函數的參數。其中描述土壤水文性質空間變異特征的重要參數有塊金值（C0）、基臺值（C+C0）、空間異質比［C0/（C+C0）］和變程等。塊金值表示為隨機變異，基臺值為隨機變異和系統結構變異之和，空間異質比是塊金值與基臺值之比，表示系統變量的空間變異相關程度。當空間異質比＜25%時，表示水文特性具有較強的空間相關性；比值＞75%時，土壤水文性質具有弱空間相關性；介于25%～75%之間土壤水文性質具有中等空間相關性［4-5］。

由表3可知，3月10 cm和25 cm深度土壤水分空間異質比為3.913%和6.013%；6份月當地雨季到來，受到降水、植物耗水量、地表蒸發等影響，土壤水分的生態過程發生變化，10 cm和25 cm深度土壤水分空間異質比為11.713%和4.800%；9月份10 cm和25 cm深度土壤水分的空間異質比為5.868%和6.867%；春、夏、秋季節土壤水分的空間異質比均小于25%，表明該區域土壤水分具有強烈的空間相關性，不同季節土壤含水量的空間變異相關程度不同。另外，表3數據也顯示，同一采樣時間10 cm和25 cm深度的土壤水分空間異質比也有較大差異，表明相同區域不同采樣深度的土壤含水量均表現出不同的空間變異性，都具有強烈的空間相關性。

表3 土壤含水量半方差函數參數

2.4 土壤水分空間分布

對試驗數據半方差擬合選擇最優擬合模型，并進行克里格插值，將空間點數據轉化為面數據，繪出土壤水分空間分布圖。其中，決定系數是評價理論模型與實驗變異函數擬合程度高低的參數，通常按決定系數最大的原則選取擬合模型，決定系數越大，擬合效果越好［4，6］。表3中按決定系數r2最大的原則擬合的模型有球狀模型和指數模型。利用GS+7.0軟件仿真擬合后的曲線為實驗變異函數，也即半方差圖。圖1所示為3月、6月、9月即春夏秋季節土層深度10 cm和25 cm土壤水分的半方差圖。

從圖1可以看出，不同季節不同深度土壤水分的空間變異相關程度不同。應用克里格插值制圖可以得出土壤含水量的空間分布圖。圖2所示是3月、6月和9月在同一區域10 cm和25 cm深度的土壤含水量的空間分布圖。

從圖2可以看出，不同季節土壤水分的空間變異性和空間分布明顯不同，相同區域不同深度的土壤水分空間變異和分布也存在差別，在空間不同方向上分布具有不同程度的空間相關性。受季節性、降水以及植被覆蓋生長等因素影響，3月份土壤水分空間分布破碎化程度較高，土壤水分布規律不明顯，具有零散性；6月和9月土壤水整體分布相對較均勻。還可以看出，土壤水分的空間分布表現為東南部區域的土壤含水量高于西北區域的，這和實際地形相符的，研究區域西北部多丘陵山地，土壤干層厚，植被覆蓋少，而偏東南部多平地，靠近清水河流域，土壤含水量相對較高。

3 討論

本研究基于統計學和地統計學方法對寧夏南部干旱區土壤水分的空間變異性進行研究。首先分析了采樣幅度對土壤水分變異性的影響，試驗中采樣間距5 m×5 m，幅度為500～5 000 m2。研究結果表明，隨著采樣幅度的增大，土壤水分的變異系數逐漸增大，變異性增大，這是由于采樣幅度增大，土壤覆蓋的植被、降水等因素的空間變異性會增大，進而導致土壤水分空間變異性增大。但變異系數增大到一定數值趨于穩定后，不再隨著采樣幅度的增大而無限增大。這和胡偉等黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異尺度性的研究結果［1］相似。Western等指出，土壤樣本采集時最理想的采樣是采樣幅度非常大，采樣間距非常小［7］，但由于寧夏南部黃土丘陵山地溝壑較多，地形較復雜，進一步縮小采樣間距采集數據的難度加大，所以文中未涉及減小采樣間距對土壤水分空間變異性的影響。在丘陵山地溝壑地形的小尺度采樣間距對土壤水分空間變異的影響后期進一步研究。

研究還分析了土壤水分空間變異性的季節性特征。試驗數據的采集分別在寧夏南部干旱區春、夏、秋季節內無降雨期間，采集了距離表層10 cm和25 cm深度的土壤水分數據。試驗研究發現，土壤水分空間變異性表現出較強的季節性特征，夏季土壤水分變異性明顯高于春季和秋季。這是由于夏季降雨較多、植物生長耗水也增多、土壤表面蒸發較大等因素影響，導致夏季土壤水分的變異性最強。這和高曉東等在黃土高原陜西省清澗店則溝鎮（丘陵地形）土壤水分季節性特征的研究結果［8］相似。本研究還發現，同一區域表層土壤水分的變異系數大于深層的，表層土壤水分的空間變異性更大。表層土壤水分空間分布破碎化程度較高，分布規律不明顯，空間變異性較大，深層土壤水分整體分布相對均勻。這和Jia等的研究結果［9］相似。這是由于影響土壤水分發生變化的降雨、蒸發、植被覆蓋等因素隨深度的增加而降低，隨著土層深度增加，土壤含水量穩定性較好。

黃土丘陵地土壤水空間變異性研究目前看到的文獻研究大部分在陜西黃土高原地區，對于寧夏南部干旱半干旱區土壤水分空間變異性鮮有研究，寧夏南部生態環境脆弱，水資源貧乏，本研究給出寧夏南部干旱區土壤水分空間變異性及季節性特征，可為該區域土壤水資源研究提供參考。

4 結論

基于對寧夏南部干旱半干旱區土壤水分數據的空間變異性試驗分析，可得出以下結論：

（1）土壤水分的變異系數與研究區域采樣面積的大小有關，采樣面積增大，變異系數增大，變異增大。變異系數增大到一定數值后趨于穩定，不隨著采樣面積的增大而無限增大。

（2）受到降雨、植物耗水、蒸發等因素的影響，土壤水分空間變異性均表現出較強的季節性特征，夏季土壤水變異系數最大，秋季土壤水變異系數最小，春季的變異系數介于夏季和秋季之間。另外，同一區域表層土壤水分的變異系數大于深層的，表層土壤水分的空間變異性更大。

（3）不同季節表征土壤水分空間變異相關程度的參數空間異質比均小于25%，表現出強烈的空間相關性。土壤水分的空間分布表現為東南部區域的土壤含水量高于西北區域的。表層土壤水分空間分布破碎化程度較高，深層土壤水分整體分布相對均勻。