黃土區退耕草地小尺度土壤水分空間異質性

劉丙霞，邵明安

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;2.中國科學院研究生院，100039，北京;3.中國科學院地理科學與資源研究所，100101，北京)

黃土區退耕草地小尺度土壤水分空間異質性

劉丙霞1，2，邵明安1，3?

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;2.中國科學院研究生院，100039，北京;3.中國科學院地理科學與資源研究所，100101，北京)

通過在黃土高原水蝕風蝕交錯帶選取3塊不同年限退耕草地，進行高密度、高頻度樣帶采樣，研究分析在表層土壤干旱和濕潤狀況下，小尺度表層土壤含水率的空間異質性，并分析改變采樣間距對土壤含水率空間異質性的影響。結果表明:小尺度表層土壤水分空間異質性為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地;空間變異強度表現為干旱時為中等變異＞濕潤時為弱變異;表層土壤水分方差與含水率均值呈正相關，土壤水分方差隨含水率均值增大而增大;表層土壤水分空間連續性為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地，且與表層土壤含水率呈負相關;小尺度下改變采樣間距，在土壤干旱和濕潤時均不改變3塊退耕草地表層土壤水分空間變異程度。

小尺度;退耕草地;土壤含水率;空間異質性;水蝕風蝕交錯帶

土壤水分是黃土高原植被生長、生態環境建設及植被恢復建設的主要限制因子，表層土壤水分在SPAC(Soil－Plant－Atmosphere Continum) 水文過程中起關鍵作用。受自然因素、土壤特性、地形因素、植被因素和農業生產活動等直接或間接的影響，土壤水分在時空上的分布常常很不均勻(表層土壤水分更為明顯)，其變化尺度從幾厘米到上百米，表現出高度的時空異質性。土壤水分時空異質性的存在對土壤侵蝕、溶質遷移和土壤—大氣之間相互作用等水文學過程以及土壤形成過程有較大影響［1］。20世紀70年代以來，土壤水分時空變異性研究得到了較快發展［2－6］。土壤水分空間變異的相關研究［7－9］表明，土壤水分在大多數田間尺度上都為中等或弱變異，但相關距離依研究區域和尺度的不同而差異較大(從幾米到幾百米)。胡偉等［10］對黃土高原水蝕風蝕交錯帶60 m×60 m的坡地進行了相關研究，發現隨著采樣尺度在一定范圍內的增大，土壤水分變異的特征參數，如變異系數、相關距離和Moran＇s I指數都不同程度地增大。目前對土壤水分空間異質性的研究多基于田間等較大尺度，小尺度尤其在采樣間距＜1 m以下的土壤水分空間異質性國內還鮮有研究。一般認為，充分小的采樣間隔可以代表土壤屬性真實的空間變異特征，而隨著采樣間隔的增大，小于取樣尺度的空間變異規律可能將被掩蓋，使得樣本數據的變異函數模型與真實結構出現偏差。鑒于此，筆者在黃土高原水蝕風蝕交錯帶的神木侵蝕與環境實驗站六道溝流域內，選擇3塊不同年限的退耕草地并沿坡長在一維方向上進行高密度(間隔25 cm)、高頻度(每3～5 d測定1次)采樣，研究不同年限退耕草地小尺度下表層土壤水分隨土壤干、濕狀況的空間變異規律及不同采樣間距下的空間異質性，以期深化對小尺度表層土壤水分空間異質性的理解，為生態環境建設與恢復提供精準信息。

1 研究區概況

研究區位于黃土高原水蝕風蝕交錯帶北部、陜西省神木縣城西14 km處神木侵蝕與環境實驗站的六道溝小流域內，E110°26＇，N38°49＇，海拔 1 094.0 ～1 273.9 m，北依長城，地處毛烏素沙漠的邊緣，屬于典型的半干旱地區，流域面積6.9 km2。該區多年平均降水量437.4 mm，年內、年際變化大。7—8月份降水量最多，約占全年降水量的50%。該區屬于中溫帶半干旱氣候區，年均氣溫8.4℃，月平均最低溫－9.7℃(1月)，月平均最高溫23.7℃(7月)，≥10℃年積溫3 232℃，無霜期169 d;盛行風向為西北，年平均風速2.2 m/s。該區既是黃土高原水蝕風蝕交錯帶的強烈侵蝕中心，又為典型的生態環境脆弱區。該區屬于森林草原生物氣候帶，但是由于人為活動強烈，天然植被多已遭到嚴重破壞，殘存的部分天然草場也多由人工草地退化演替而來。該區地貌類型主要為片沙覆蓋的黃土丘陵，主要土壤類型有綿沙土、硬黃土、紅土、風沙土及壩地淤土。該區農田自然棄耕地，退耕初期首先出現的是豬毛菜(Salsola arbuscula)、苦賣菜(Lactuca tatarica)等先鋒植物群落，3年左右演替為苦賣菜、茵陳蒿(Artemisia capillaries)等群落，10年左右演替為長芒草(Stipa bungeana)伴生紫云英(Astragalus sinicus)或達烏里胡枝子(Lespedeza davurica)或草木樨狀黃芪(Astragalus melilotoides)等群落，之后向該區頂級群落長芒草演替［11］。

2 研究方法

2.1 樣點布置及測量方法

在研究區選取3塊坡向一致，坡長、坡度、海拔相近，退耕年限分別為20 a、12 a及5 a的退耕還草坡地，退耕方式為自然修復，退耕前均為農地，現在主要植被分別為長芒草、長芒草與紫云英、茵陳蒿。分別在3塊退耕草地中部典型代表區域選取一條長25 m樣帶，每25 cm布設1點，每個樣帶101個點。采用經典烘干法(105℃)測定表層0～10 cm土壤質量含水率，每隔3～5 d測定1次，每次采樣用2 h左右。在表層土壤干旱和降雨后濕潤期各測定5次，共測10次，測定時間為2010年7—8月。飽和導水率和機械組成按1 m間距取樣測定。用環刀法(環刀體積為100 cm3)測定表層土壤密度，然后與質量含水率相乘得到土壤體積含水率;采用定水頭法測定飽和導水率，計算時轉化為10℃下飽和導水率;土樣風干過篩后用MaterSizer2000激光粒度分析儀測定土壤機械組成。

2.2 改變采樣間距“再采樣”

對原有的數據依次按照50、75、100、125 cm 間距進行“再采樣”，在每種間距下使所有的原測定數據都取到，計算每個采樣樣本的變異參數，相同間距下的樣本變異結果取平均值，該平均值作為該采樣間距尺度下的變異結果［10］。

2.3 數據處理方法

原數據和所有“再采樣”數據分別用經典統計學 和 地 統 計 學 方 法 分 析［7－10］。 利 用 Excel、SPSS16.0、GS+7.0軟件對數據進行處理。

3 結果與分析

3.1 退耕草地表層土壤物理特性

表1為3塊退耕草地土壤物理性質(密度、飽和導水率及機械組成)統計值?？芍r耕地自然退耕后，退耕年限增加，表層機械組成差異不明顯，12 a退耕草地的粉粒和黏粒含量最大;退耕年限增加，3塊退耕草地表層土壤密度均值增大，即密度由小到大順序為5 a＜12 a＜20 a;飽和導水率隨退耕時間增加而減小，即5 a＞12 a＞20 a。這可能是由于研究區土壤疏松且結構性較差，退耕前人為耕作管理使表層土壤疏松多孔，質地均一;另一方面，退耕植被生長后，由于放牧或人為踩踏及固沙固土能力增強，使一些風沙土被截留在表層，使表層土壤緊實，密度增大，飽和導水率減小。

表1 退耕草地表層土壤物理性質Tab．1 Topsoil physical properties of regressed grasslands

3.2 不同年限退耕草地的表層土壤水分異質性

3.2.1 小尺度下表層土壤水分方差與其體積含水率關系 方差(或標準差)描述變量的總體變異程度，是絕對變異，而變異系數表示的是變量相對變異性，是相對變量均值的變化程度，消除了量綱，因此，許多研究注重方差(或標準差)表示出的總的變異性［12－14］。

圖1為3塊退耕草地表層土壤水分方差(y)與其含水率均值(x)的關系曲線?？梢?，對于5 a、12 a和20 a退耕草地，用冪函數對土壤水分方差與其含水率均值關系擬合效果最佳。表層土壤水分方差與其含水率均值呈正相關，即土壤水分方差隨著表層含水率增加而增大，這與Hu Wei等［12］的研究結果相一致。而Pan Feifei等［13］進行模擬研究后認為，土壤水分方差與含水率均值間關系不是單調正相關或負相關關系，因此，他們研究了在理想化狀況下，即只考慮土壤質地異質性的影響、氣溫為20℃時，土壤含水率均值存在一個閾值，當土壤含水率均值低于閾值時，方差隨著土壤含水率的增大而增大，而土壤含水率均值大于閾值時，方差隨著土壤含水率的增大而減小。筆者研究中的土壤含水率范圍值低于閾值，所以土壤水分方差表現為隨著土壤含水率均值增大而增大的趨勢。研究表明，在測定的土壤含水率范圍內，3塊退耕草地隨著表層土壤含水率的增加，各樣點間土壤水分絕對差異增大。這可能是由于土壤含水率較大時，土壤水分變化受土壤基本性質(土壤質地、機械組成和結構等)的影響減小而受土壤非內部因素(蒸發、溫度、微地形等)影響增大，使土壤表層水分方差受土壤基本性質影響減?。?4－15］。這也表明在土壤含水率較低時，采樣能更加準確反映由于土壤基本性質影響所產生的土壤水分空間異質性。

圖1 退耕草地表層土壤水分方差與其含水率均值的關系Fig．1 Relationship between average topsoil water content and variances of regressed grasslands

3.2.2 表層土壤水分空間變異性的經典統計分析

根據Nielsen劃分標準［16］，按照變異系數CV值大小，可將土壤性質變異強度分為強變異(CV≥100%)、中等變異(10% ＜CV＜100%)和弱變異(CV≤10%)3類。由表2可見，土壤含水率較低(干旱)時，5 a、12 a和20 a退耕草地表層水分的CV均值分別為11.1%、20.0%和12.5%，為中等空間變異，而含水率較高(濕潤)時，CV均值分別為6.0%、8.5%和7.6%，屬于弱空間變異。表明表層土壤水分空間變異強度在土壤干旱時大于濕潤時。這主要由于土壤濕潤時，降水量大于蒸散量，地形、坡位、微地貌等非土壤內部因素決定了水分分布;而土壤相對干旱時，蒸散量大于降水量，土壤水分狀況主要由土壤的物理特性和植被等因素控制［15］。由此可見，在土壤相對干旱時取樣比濕潤時取樣更能準確地反映土壤本身特性所產生的土壤水分空間異質性。

3塊退耕草地的CV均值、標準差和方差等由大到小的順序均為12 a＞20 a＞5 a，表明12 a退耕草地表層土壤水分空間變異性最大。這可能是由于12 a退耕草地植被演替為長芒草并伴生紫云英，生長茂盛且呈斑塊狀，使得土壤顆粒分布較隨機，形成微地形，從而使表層土壤水分變異最大;20 a退耕草地植被演替達到了頂級群落，相對穩定，長芒草生長較均一且主要利用表層土壤水分，從而使土壤含水率變幅相對較小，統計值較小;5 a退耕草地，由于退耕前的耕作，表層土壤疏松，結構較均一，入滲快蒸發也快，處于退耕演替初期，土壤物理性質改良不明顯，從而使表層土壤含水率小，其空間異質性也?。?1，17］。

表2 表層土壤水分統計特征值Tab．2 Statistical characteristic values of topsoil moisture

3.2.3 表層土壤水分空間異質性的地統計參數分析 半方差函數模型中地統計參數包括塊金值(C0)、結構方差(C1)、基臺值(C0+C1)、變程(α)，空間異質比C0/(C0+C1)表示土壤水分的空間依賴性，其值在0～1之間［18］。根據Cambardella劃分標準［18］，C0/(C0+C1)≤0.25 表示強空間依賴性，C0/(C0+C1)≥0.75表示弱空間依賴性，0.25＜C0/(C0+C1)＜0.75表示中等空間依賴性。由表3可知:土壤干旱時，20 a退耕草地空間異質比為0.42，為中等依賴性，5 a、12 a退耕草地空間異質比分別為0.06和0.13，具有強空間依賴性;土壤濕潤時，3塊退耕草地空間異質比分別為0.50、0.44和0.49，均表現為中等空間依賴性。3塊退耕草地在土壤干旱和濕潤時塊金值C0均大于0，說明相鄰2個數據間存在一定程度的變異，即存在正塊金效應。3塊退耕草地土壤水分變異函數的變程α差異較大，5 a退耕草地變程α最小(干旱時1.08 m，濕潤時4.41 m)，說明其表層土壤水分空間連續性最差，而12 a、20 a退耕草地變程較大，說明表層土壤水分空間連續性較好，可適當增大采樣間距。可知，3塊退耕草地的土壤水分空間連續性為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地。

3.3 采樣間距對表層土壤水分空間變異性的影響

表4為不同采樣間距下表層土壤水分統計特征值。可知，土壤干旱時，改變采樣間距(25、50、100、125 cm)，3塊退耕草地表層土壤水分的變異系數CV值變化無規律，變化范圍分別為11.1% ～12.3%(5 a)、20.0% ～21.8%(12 a)和11.6% ～13.7%(20 a)，均不改變其空間變異程度。對不同采樣間距下表層含水率進行方差分析，Sig.分別為0.54(5 a)、0.99(12 a)和0.33(20 a)，均大于0.05，即不同采樣間距下表層含水率均值無顯著差異。標準差也無規律變化且變化很小。土壤濕潤時，3塊退耕草地土壤水分的變異系數、標準差、均值隨采樣間距增大也均無規律地變化，且變幅很小。因此，小尺度下改變采樣間距對表層土壤水分的變異系數、標準差、均值等統計特征值的影響很小，不改變土壤水分的空間變異強度，可以認為，小尺度改變采樣間距對土壤表層水分的空間變異性影響可忽略，這與胡偉等［10］在較大尺度上的研究結果一致。由此可見，在一定的研究區域內，適當增大采樣間距能簡便、準確地獲得土壤水分的真實空間變異性。如在本研究中，采樣間距為100 cm或更大時，可以減少采樣點并獲得可靠、真實的表層土壤水分統計特征值。

表4 不同采樣間距下表層土壤水分統計特征值Tab．4 Statistical characteristic values of topsoil moisture at different sampling spaces

4 結論

1)3塊退耕草地表層土壤水分空間異質性在土壤含水率低(干旱)時屬于中等變異，含水率高(濕潤)時屬于弱變異;由于3塊退耕草地退耕年限不同，其植被狀況和土壤基本屬性等不同，從而導致表層土壤水分空間變異強度由大到小表現為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地。

2)在觀測的表層土壤含水率范圍內，表層土壤水分方差與含水率均值呈正相關，即土壤水分方差隨表層含水率均值增大呈現出增大趨勢。在表層土壤含水率較小時，方差受土壤基本性質影響較大，而表層土壤含水率較大時，方差受土壤非內部因素影響增大;因而，表層土壤含水率較低時采樣能準確反映受土壤基本性質影響而產生的表層土壤水分空間異質性。

3)3塊退耕草地表層土壤水分均存在正塊金效應，即存在空間異質性。土壤干旱時，20 a退耕草地為中等相關性，5 a、12 a退耕草地表層土壤水分具有強烈的空間依賴性，而土壤濕潤時，3塊退耕草地表層土壤水分均為中等空間依賴性;表層土壤水分空間連續性表現為12 a退耕草地＞20 a退耕草地＞5 a退耕草地。

4)不同采樣間距下，土壤干旱和濕潤時，3塊退耕草地的表層土壤水分空間變異程度均不改變。因此，在一定的研究區域內，適當增大采樣間距能快速、準確地反映表層土壤水分的真實空間變異性。

5 參考文獻

［1］Western A W，Zhou Senlin，Grayson R B，et al.Spatial correlation of soil moisture in small catchments and its relationship to dominant spatial hydrological processes［J］.Journal of Hydrology，2004，286(1－4):113－114

［2］呂貽忠，李保國，胡克林，等.鄂爾多斯夏初不同地形土壤水分的空間變異［J］.中國農業大學學報，2002，7(5):38－43

［3］胡克林，李保國，陳德立，等.農田土壤水分和鹽分的空間變異性及其協同克立格估值［J］.水科學進展，2001，12(4):460－465

［4］張淑娟，何勇，方慧.基于GPS和GIS的田間土壤特性空間變異性的研究［J］.農業工程學報，2003，19(2):39－43

［5］高鷺，陳素英，胡春勝，等.噴灌條件下農田土壤水分的空間變異性研究［J］.地理科學進展，2002，21(6):609－614

［6］Wilson D J，Western A W，Grayson R B，et al.Spatial distribution of soil moisture over 6 and 30 cm depth，Mahurangi river catchment，New Zealand ［J］.Journal of Hydrology，2003，276(1－4):254－274

［7］胡偉，邵明安，王全九.黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異性研究［J］.水科學進展，2006，17(1):74－81

［8］Hu Wei，Shao Mingan，Han Fengpeng，et al.Watershed scale temporal stablity of water content［J］.Geoderma，2010，158(3－4):181－198

［9］王云強，張興昌，從偉，等.黃土區不同土地利用方式坡面土壤含水率的空間變異性研究［J］.農業工程學報，2006，22(12):65－71

［10］胡偉，邵明安，王全九.黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異的尺度性研究［J］.農業工程學報，2005，21(8):11－16

［11］李裕元，邵明安.黃土高原北部紫花苜蓿草地退化過程與植物多樣性研究［J］.應用生態學報，2005，16(12):2321－2327

［12］Hu Wei，Shao Ming＇an.Spatio－temporal variability behavior of land surface soil water content in shrub－and grass－land ［J］.Geoderma，2011，162(3－4):260－272

［13］Pan Feifei，Peters－Lidard C D.On the relationship between mean and variance of soil moisture fields［J］.Journal of the American Water Resources Association，2008，44(1):235－242

［14］Zhu Yuanjun，Shao Ming＇an.Variability and pattern of surface moisture on a small－scale hillslope in Liudaogou catchment on the northern Loess Plateau of China［J］.Geoderma，2008，147(3－4):185－191

［15］Grayson R B，Western A W，Chiew F H S，et al.Preferred states in spatial soil moisture patterns:local and nonlocal controls［J］.Water Resources Research，1997，33(12):2897－2908

［16］Nielsen D R，Bouma J.Soil spatial variability［M］.Las Vegas:Pudoc Wageningen，1985:2－30

［17］魏興琥，謝忠奎，段爭虎.黃土高原西部棄耕地植被恢復與土壤水分調控研究［J］.中國沙漠，2006，26(4):590－595

［18］Cambardella C A，Moorman T B，Novak J M，et al.Field－scale variability of soil properties in central Iowa soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1994，58(5):1501－1511

Soil water content heterogeneity at small-scale on degraded grasslands on Loess Plateau

Liu Bingxia1，2，Shao Ming＇an1，3

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，CAS ＆ MWR，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，100039，Beijing;3.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，100101，Beijing:China)

In order to explore the heterogeneity of topsoil water content(SM)of regressed grasslands at small－scale，three regressed grasslands in water－wind erosion crisscross region on Loess Plateau were selected.By using high sampling－density and high frequency sampling methods at three sampling transects，we explored the heterogeneity of topsoil water content when the surface soil was in dry and moist conditions and different sampling spaces at small－scale.Results showed that the heterogeneity of topsoil water content of different regressed grasslands followed a sequence of 12 a＞20 a＞5 a and it presented medium variation when topsoil was dry.Topsoil water content was positively correlated with its variance value，that is the variance of SM increased with SM increase.Spatial continuity of SM followed a sequence of 12 a regressed grassland ＞20 a regressed grassland ＞5 a regressed grassland and it was negatively correlated with topsoil water content.At different sampling spaces at small－scale，the variation intensity of topsoil water content under different regressed grasslands had no change whenever the topsoil was dry or moist.This information may provide scientific proofs for water reasonable utilization and vegetation restoration on the Loess Plateau.

small－scale;regressed grassland;soil water content;spatial variability;water－wind erosion crisscross region

2012－02－09

2012－05－12

國家自然科學基金項目“土壤水分植被承載力模擬研究”(E090103);教育部創新團隊項目“黃土高原流域生態系統中水土遷移機制及其調控機理”(IRT0749)

劉丙霞(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:土壤物理。E－mail:liubingxia2008@126.com

?責任作者簡介:邵明安(1956—)，男，研究員，博士生導師。主要研究方向:土壤物理、生態水文。E－mail:mashao@ms.iswc.ac.cn

(責任編輯:宋如華)