呼和浩特城市綠地土壤水分的累積與變異性

楊秀影， 李素英*， 靳雪怡， 楊 理， 王鑫廳，趙鵬程， 常 英， 周 輿

（1.內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特010051；2.內蒙古大學 經濟管理學院，內蒙古 呼和浩特010021）

土壤水分是陸地生態系統的重要組成參數，參與地球表面和大氣之間的物質循環和能量流動，影響土壤的理化性質和植物生長.由于受到土壤、地形、植被、環境以及人類活動等因素的影響［1］，土壤含水量在時間和空間上存在變異性［2］或相關性［3］.描述性統計分析、經典統計學的變異系數（CV）［4］、土壤水分變差系數［5］、相對差分法［6］等方法主要適于地面點數據的分析；地統計學的半方差函數［4，7-10］、空間插值［4，11］、多重分形［12-13］等方法適于空間面數據的量化分析.土壤水分變異性受多種因素制約，主要有土壤機械組成、土壤有機質等土壤理化性質，植被類型及根系密度，降雨、溫度等氣候因子，坡向、坡度、海拔等地形因子以及土地利用類型［1，13-14］等.土壤水分的累積表現為土壤水的入滲和持水能力，往往土壤的持水能力越強，土壤越易吸收和保持水分，其水土保持性能就越強［15］.植被可干擾土壤水的入滲和保持［16-17］，也有研究顯示土壤水分的時空結構和演化常常與植被互為因果［6］.植被對土壤含水量的累積和變異性研究多見于林分、作物［6，18-19］等領域，尚少涉及到城市植物生活型.此外，土地利用類型影響土壤含水量及水分入滲［20-21］，在城市生態系統中，土地利用類型主要體現為功能區［22］.基于此，本文將分析植物生活型和功能區2個因素對土壤含水量及變異性的影響.

1 材料與方法

1.1 樣地布設與土樣采集選取呼和浩特市綠地為研究對象，東經110°46′17″～112°10′26″、北緯40°51′37″～41°8′0″.2019年4月8日—5月9日，以二環路為邊界，采用均勻網格布點法，截取10 km×10 km的矩形范圍；選取21個網格為采樣區，進行4期采樣，每期采樣持續5 d，間隔2 d.每個樣區隨機選取3個樣點進行取樣，共計63個樣點，采樣時盡量避開外來土和新進擾動過的土層，用不銹鋼鏟在每個樣點取地下5和15 cm處土樣，以2個土層均值代表上表層土壤含水量的情況.采樣時每個土樣重復取土3次.21個樣區分為5類功能區（公園區、教學區、住宅區、道路區、商業區），每個樣區包含一、二或三類植物生活型（喬灌草、灌草、喬草），如圖1所示.

圖1 采樣點布設圖Fig.1 Sampling point layout

1.2 數據處理及分析方法1）采用質量含水量的方法計算土壤含水量，計算公式為

式中，θm為土壤質量含水量，M為烘干前土壤總質量，Ms為烘干后土壤總質量，Mb為烘干后鋁盒質量.

每個采樣點4個采樣期土壤含水量的累加即代表該樣點土壤含水量的累積值.

2）采用經典統計學中的變異系數（CV）表征土壤水分的變異程度，變異系數值越大，表示土壤含水量具有越大的空間離散特征；反之，表示土壤含水量結構越穩定［23］.一般認為，當CV≤10%時為弱變異性，當10%＜CV＜100%時為中等變異性，當CV≥100%時為強變異性［10］，其計算公式為

式中，CV為變異系數，S為標準差，ˉθ為變量均值.

3）采用地統計學中的半方差函數確定研究區土壤含水量的空間變異性和空間相關性范圍.不同空間位置上土壤含水量與樣點的空間位置有關，是空間距離的函數［7］.半方差函數r（h）［24］的具體表達式為

式中，r（h）為半方差函數，Z（xi）為隨機變量在點xi處的實測值，Z（xi＋h）為隨機變量在點xi＋h處的實測值，h為樣點間距，即步長，N（h）為間距h時的樣本對的總數.

半方差函數的擬合模型有純塊金效應模型、球狀模型、指數模型和高斯模型等.半方差函數的參數主要包括塊金值（C0）、基臺值（C＋C0）和變程（A）等［25］：C0指變異系數在原處的數值，表示由試驗誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機變異；C＋C0表示變異函數r（h）隨著間隔距離h增大時，由非零值達到的一個相對穩定常數，說明研究區土地利用強度的總變異（包括結構性變異和隨機性變異），一般來說，基臺值越高，則土地利用強度總空間變異性越高［21］；塊金值與基臺值之比C0／（C＋C0）表示隨機部分引起的空間變異性占系統總變異的比例，反映結構因子（自然因子，包括氣候、地形、植被、土壤質地等）和隨機因子（人類活動的作用，包括施肥、耕作、土地利用類型等）的作用比例，C0／（C＋C0）≤25%表示強烈空間相關，25%≤C0／（C＋C0）≤75%表示中等空間相關，C0／（C＋C0）≥75%表示弱空間相關；變程（A）表示空間相關范圍［26］.通過分析土壤含水量的半方差函數的參數，可以確定土壤含水量的空間相關范圍和空間相關程度等空間變異信息［27］.

本文利用SPSS 25軟件進行單因素方差和多重比較分析，利用ArcGIS 10.6軟件進行反距離空間插值分析，利用GS＋7.0軟件進行地統計學的半方差函數分析.

2 結果與分析

2.1 植物生活型土壤含水量及變異性

2.1.1 植物生活型土壤含水量的累積和變異 計算喬灌草、灌草和喬草3類植物生活型的4個采樣期土壤含水量的累積值（圖2（a））.可以看出，3類植物生活型的土壤含水量累積值為喬灌草（32.82%）＞灌草（32.67%）＞喬草（29.78%），說明喬灌草生活型的蓄水量最高，灌草次之，喬草最差.這是由于春夏季節，喬木和灌木的枝葉對土壤表層有遮陰作用，可以阻擋反射太陽的直接輻射，降低地面的長波輻射熱，減少地面水分的蒸散發［28］.因此，喬灌草和灌草生活型更易累積土壤水分.

分析3類植物生活型土壤含水量的變異系數（圖2（b））.結果顯示，土壤含水量的變異系數分別為喬灌草（46.47%～51.68%）、灌草（26.02%～37.43%）和喬草（45.23%～64.56%），可見3種植物生活型的土壤含水量變異系數均處于中等變異強度.此外，3種植物生活型的土壤含水量變異系數的表現為喬草＞喬灌草＞灌草，且喬草的土壤含水量變異系數的波動范圍最大、灌草次之、喬灌草最小.說明喬草的土壤含水量的變異性及變異幅度最大，灌草的土壤含水量的變異性小且變異幅度較大，喬灌草的土壤含水量變異性較大而變異幅度最小.由于草本植物不利于阻擋地面的風力，導致喬草生活型的土壤受季風影響更大［29］，因而喬草生活型的土壤水分變異最大［30］.在4個采樣期（圖2（b）），灌草的土壤含水量變異系數隨時間逐漸減小，而喬草和喬灌草的土壤含水量變異系數隨時間先增后減，這是由于采樣期處于春末夏初，溫度逐漸升高，在太陽輻射和風力的影響下，土壤水分強烈蒸發，則采樣初期土壤水分變異較大.

圖2 植物生活型土壤含水量的累積值及變異系數Fig.2 Accumulation and CV of soil moisture content in plant life forms

單因素方差分析結果顯示，3類植物生活型的土壤含水量累積值沒有顯著差異（P＞0.05），而其土壤含水量變異系數存在顯著差異（P＜0.05）.因此，植物生活型對上表層土壤含水量累積值影響不大，但對土壤水分的變異性影響顯著.

綜合來看，土壤含水量累積值表現出喬灌草＞灌草＞喬草，而其變異性為喬草＞喬灌草＞灌草（方差分析事后檢驗多重比較LST，P＜0.05）.因此，灌草生活型的土壤含水量較高且其變異小，說明灌草更有利于保持土壤水分.

2.1.2 植物生活型土壤含水量的空間分布 下面分析3類植物生活型上表層土壤含水量累積值及變異系數的空間分布.在ArcGIS軟件中，擇優選取反距離權重法做土壤含水量累積值及變異系數的空間插值［11］（圖3）.可以看出，采樣點土壤含水量累積值的范圍在13.05%～52.05%，平均值為31.93%；土壤含水量變異系數的范圍在4.93%～49.97%，平均值為21.82%.對比圖3（a）和（b）可知，土壤含水量累積值大的區域，其變異系數反而小.

圖3 植物生活型土壤含水量累積值及變異系數的空間插值圖Fig.3 Spatial interpolation plots of accumulation and CV of moisture content in plant life

2.2 功能區土壤含水量及變異性

2.2.1 功能區土壤含水量的累積和變異 參考城市綠地土地利用類型的劃分原則［31］，將呼和浩特綠地分為公園區、住宅區、教學區、道路區和商業區5類功能區，并計算各功能區綠地4個采樣期上表層土壤含水量的累積值（圖4（a））.可以看出，5類功能區的土壤含水量累積值為教學區＞公園區＞住宅區＞道路區＞商業區（方差分析事后檢驗多重比較LST，P＜0.05），說明教學區和公園區的累積土壤水分最佳，住宅區次之，道路區和商業區較差.

分析各功能區的土壤含水量的變異系數，如圖4（b）所示，由于商業區數據較少，其變異系數不參與此處分析.

圖4 功能區土壤含水量的累積值及變異系數Fig.4 Accumulation and CV of soil moisture content in functional areas

結果顯示，土壤含水量的變異系數分別為公園區（30.40%～36.96%）、教學區（6.75%～10.81%）、住宅區（22.89%～32.82%）和道路區（19.41%～68.32%），可見各功能區上表層的土壤含水量變異系數均處于中等變異強度.此外，各功能區的土壤含水量變異系數表現為道路區＞住宅區＞公園區＞教學區，且道路區的土壤含水量變異幅度最大，住宅區次之，公園區和教學區較小.說明道路區土壤含水量的變異強，住宅區和公園區的變異較小，教學區土壤含水量的變異最小.公園區、教學區、住宅區的土壤水分變異系數均在較小的范圍內波動，而道路區的土壤水分變異系數隨時間先減小后增大，波動很大，說明道路區的土壤含水量變異性受自然因素影響最大.

單因素方差分析結果顯示，5類功能區的上表層土壤含水量累積值和變異系數均存在顯著差異（P＜0.05），說明功能區顯著影響土壤水分的累積和變異.

綜合來看，不同土地利用類型（功能區）對土壤含水量變異系數的穩定狀態存在影響［32］，表現出功能區土壤含水量較高時，其變異性會較小［33］.因此，教學區土壤含水量最高且最穩定.經調查發現，教學區的人為澆灌規律性最強，公園區和住宅區一般，道路區和商業區幾乎無人為澆灌.因此，規律性的人為澆灌能有效累積土壤上表層水分并減小其變異.

2.2.2 功能區土壤含水量的空間分布 下面分析功能區土壤含水量累積值及變異系數的空間分布（方法同2.1.2）.由圖5（a）可見，公園區、教學區和住宅區的土壤水分累積明顯高于道路區和商業區；圖5（b）中除住宅區的一個樣點外，其余樣點均表現為公園區、教學區、住宅區的土壤水分變異小于道路區和商業區，可見城市綠地的土地利用類型（功能區）對土壤含水量變異性的空間格局影響較大［34］.因此，功能區類別對上表層土壤含水量的累積及其變異性有顯著影響，土壤含水量較高時，其受外界環境因素的影響會降低［35］.綜上，土壤含水量越高，土壤水分及變異的波動越小［33］.

圖5 功能區土壤含水量累積值及變異系數的空間插值圖Fig.5 Spatial interpolation plots of accumulation and CV of moisture content in functional areas

2.3 土壤含水量的半方差函數分析進行5、15 cm以及2個深度平均土壤含水量累積值的單樣本K-S檢驗，結果表明土壤含水量累積值的漸進顯著水平分別為0.200、0.118和0.200，遠大于0.05，即土壤含水量累積值數據符合正態分布規律，故可以對其進行地統計半方差函數分析［36］.

本研究利用地統計軟件GS＋7.0運算，土壤含水量累積值的半方差函數結果如表1所示.2個土壤深度下塊金值C0都很小，故基本不存在由實驗誤差和小于采樣尺度引起的變異.由表1可見，5、15 cm及2個土層均值的C0／（C＋C0）均小于25%，說明土壤含水量累積值表現出強烈的空間相關性，結構性變異起主導作用，隨機變異占比極小［37］.5 cm土壤含水量累積值的最佳擬合模型均為球狀模型，決定系數為0.220，而15 cm土壤含水量累積值和2個土層平均土壤含水量累積值的最佳擬合模型均為高斯模型，決定系數分別為0.286和0.294.如圖6所示，上表層土壤含水量累積值的半方差函數均表現出隨著滯后間距的增加，土壤含水量的半方差略有波動，變化趨勢不明顯，說明土壤含水量空間變異較大，空間結構特征較好［13］.

圖6 土壤含水量累積值的半方差圖Fig.6 Semivariogram of accumulation soil moisture content

在變程內，空間自相關存在，即隨著變程的增加，空間自相關尺度增大；在變程之外，空間自相關消失（即變量是獨立的）.因此，變程的大小表示變量的空間變異尺度.由表1可見，土壤水分累積值的平均空間自相關范圍為900.7 m.土壤含水量的空間相關距離較大，源于研究的采樣期處于春末夏初，太陽輻射強，季節性大風，使土壤表層含水量由于強烈蒸發而更均勻［3］.因此，土壤含水量在變程內的空間自相關性強，而變程距離外土壤水的變異性才逐漸顯現.土壤上表層是土壤系統與大氣系統的交界處，也是土壤系統對氣候最敏感的部位［29］，所以上表層土壤水分受氣候條件（如風力）影響較大.

表1 土壤含水量累積值半方差函數參數Tab.1 Semivariance function parameter of cumulative soil moisture content

3 結論

本文運用多元統計學方法（單因素方差、多重比較）和地統計學方法（反距離權重空間插值、半方差函數），分析了植物生活型和功能區的城市綠地土壤含水量累積及其變異性.

植物生活型對綠地土壤含水量的累積無顯著影響，但對其變異系數存在顯著影響，說明植物生活型會引起土壤水分穩定性的差異.灌草生活型的土壤含水量累積較高且變異小，因此從保持土壤水分的角度來說，城市綠地種植可優選灌草組合生活型，以達到遮陰土壤上表層，減少地面水分蒸散發，保持土壤水分的目標.

城市功能區對綠地土壤含水量累積及變異性均存在顯著影響.澆灌規律較好的功能區（公園區、住宅區、教學區）的土壤水分累積較多，其變異系數較穩定；而幾乎無澆灌的道路兩側綠地的土壤水分累積少，其變異系數的變幅較大.除教學區的土壤含水量處于弱空間變異強度外，其余功能區均處于中等變異強度，這是由于教學區綠地澆灌規律明顯好于其他功能區綠地.因此，加強各功能區綠地的規律性澆灌以提高土壤水分的累積，從而降低土壤水分的波動幅度.

總的來說，城市綠地土壤含水量受到植物生活型和功能區的影響，其變異性處于中等變異強度，以結構性變異為主，土壤含水量累積越多的區域，其變異性越小.