隴中黃土高原安家溝小流域土壤水分空間分布模擬*

吳建國，白艷萍，張進(jìn)禧，雒紅玉（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅　蘭州　730070）

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隴中黃土高原安家溝小流域土壤水分空間分布模擬*

吳建國，白艷萍，張進(jìn)禧，雒紅玉
（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730070）

摘要：土壤水分的空間分布狀況是植被適宜性評價(jià)的關(guān)鍵問題。實(shí)現(xiàn)流域尺度土壤水分模擬對于亟待生態(tài)恢復(fù)的黃土高原地區(qū)尤為重要。基于DEM計(jì)算了安家溝小流域地形濕度指數(shù)，同時(shí)引入坡向、坡度等環(huán)境變量與土壤水分實(shí)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了土壤水分空間分布的回歸模型。結(jié)果表明：土壤水分模擬方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，模型檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)均在0.6以上，回歸效果顯著，能夠模擬小流域土壤水分的時(shí)空分布。

關(guān)鍵詞：黃土高原；小流域；土壤水分；模擬

1　概述

黃土高原地區(qū)，土壤水分是水分循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于作物和植物生長具有重要意義。關(guān)于土壤水分的研究,比較多的工作是在點(diǎn)尺度上,針對具體土壤剖面來分析的。近年來，隨著GIS技術(shù)的迅速發(fā)展，相關(guān)學(xué)者開始著眼于小流域尺度的土壤水分研究[1]。相關(guān)研究概括為三個(gè)方面:一是利用制圖學(xué)方法,將土壤水分與坡度和土地利用方式建立關(guān)系,進(jìn)而完成小流域乃至縣域土壤水分的制圖研究；二是充分考慮土壤水分的影響因素,在實(shí)測資料基礎(chǔ)上,利用GIS空間分析建模方法,完成對區(qū)域尺度土壤水分的評價(jià)與制圖分析；三是引入地形濕度指數(shù),并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,進(jìn)而完成小流域尺度土壤水分制圖分析。俱戰(zhàn)省在研究黃土高原南部的長武王東溝小流域的土壤水分時(shí)空分布和地形濕度指數(shù)適用性評價(jià)中得出了兩條結(jié)論：1）分析了土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特征，發(fā)現(xiàn)土壤剖面水分的時(shí)程變化具有分層特征，與土地利用類型關(guān)系密切；2）研究了流域土壤水分的空間分布特征，表明王東溝小流域土壤水分呈中上游偏干，而下游偏濕的分布特征[2]。趙傳燕等在安家坡流域研究中指出在季節(jié)變化中土壤水分的變化受該地區(qū)降雨的強(qiáng)烈影響，8～10月的平均土壤水分高于6～8月平均土壤水分[3]。目前研究方法主要是引入地形濕度指數(shù)，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)而完成小流域尺度土壤水分空間分布模擬[4，5]。因已有研究受到實(shí)測數(shù)據(jù)限制，對于存在的缺陷我們將土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)與在DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提取的地形濕度指數(shù)、坡度、剖面曲率、坡向余弦和相對高程結(jié)合,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析和線性回歸的方法,進(jìn)行小流域尺度土壤水分與地形濕度指數(shù)等因素的相關(guān)性分析,力圖建立小流域尺度土壤水分空間分布模型，為急待進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的黃土高原地區(qū)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的土壤侵蝕模型中徑流估算提供支持。

2　數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1研究區(qū)概況

安家溝流域(35°35＇N,104°39＇E)面積為10km2,位于黃土高原西部。流域海拔1900～2250m，平均坡度18.08°，地形波狀起伏，具有典型溝壑地貌特征。多年平均溫度為6.13℃，多年平均降水量為427 mm，降水年內(nèi)變異高達(dá)40%，年降水量50%集中在7～9月份，且50%的降水是以暴雨的形式發(fā)生。研究區(qū)潛在蒸散發(fā)量1450mm，蒸發(fā)量與降水之比巨大，導(dǎo)致區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)常受到干旱的威脅。該區(qū)土壤類型主要是灰鈣土，灰鈣土A層厚大約60cm，B層分布在土壤剖面60～140cm范圍。土壤母質(zhì)為黃土，厚度大，質(zhì)地以粉壤和粉砂壤為主，表土(0～30cm)粘粒(＜0.002mm)含量較高，但全剖面粘粒平均含量＜8%。粉粒含量(0.05～0.002mm)占比例較大，平均值為69.62%，砂粒(0.05～2mm)含量為22.84%。由于土地利用強(qiáng)度較大，流域內(nèi)自然植被破壞嚴(yán)重，土壤侵蝕強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重。如圖1所示。

圖1　研究區(qū)位置

2.2數(shù)據(jù)源

2.2.1地形數(shù)據(jù)

本研究所使用的DEM分辨率為5m。

2.2.2土壤水分實(shí)測數(shù)據(jù)

根據(jù)地形因素的不同,布設(shè)26個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤水分觀測，采樣點(diǎn)經(jīng)GPS定位，在2014年4～9月每周采樣1次，降雨后加采1次，采樣深度分9層(0～20,20～40,40～60,60～80,80～100,100～120,120～140,140～160,160～180cm),用傳統(tǒng)的烘箱法對土壤樣品的水分進(jìn)行測試。

2.3研究方法

2.3.1地形因子的提取

基于DEM提取坡度和坡向；在ArcMap中的表面分析中提取剖面曲率；基于坡向數(shù)據(jù)利用柵格計(jì)算器計(jì)算坡向余弦。

2.3.2地形濕度指數(shù)的計(jì)算

地形濕度指數(shù)是指單位等高線長度上的匯流面積與局部坡度比值的自然對數(shù)。本次研究采用單向流算法[6,7]，計(jì)算公式為，公式中W為地形濕度指數(shù)，α為單元柵格的匯流面積，β為局部坡度。其中α采用公式α=A/L來計(jì)算，公式中A為網(wǎng)格的總上坡匯水面積，L為網(wǎng)格周圍入流方向上的有效等高線長度。

2.3.3回歸模型建立

以實(shí)測的土壤水分平均值為因變量，以相對高程、地形濕度指數(shù)、坡度、剖面曲率以及坡向余弦為自變量。進(jìn)行多元回歸分析，建立2014年4～9月土壤水分回歸模型。

2.3.4小流域土壤水分空間分布

利用建立的回歸模型，在柵格計(jì)算器中計(jì)算，獲得安家溝小流域土壤水分的空間分布。

3　結(jié)果與分析

3.1地形因子的空間分布

圖2是安家溝小流域地形因子的空間分布布圖。由圖2可見沿溝谷兩側(cè)，坡度較大，坡度范圍大致在40°～72°之間，坡頂處坡度最小，地形性對平緩（圖2a）;坡向則以溝谷為界以東南和西北向?yàn)橹鳎▓D2b）；剖面曲率是對地面坡度的沿最大坡降方向地面高程變化率的度量,沿溝谷附近剖面曲率值最大，由此可見，在溝谷兩側(cè)高程變化率最大。

圖2　安家溝流域地形因子空間分布（a.坡度;b.坡向;c.剖面曲率;d.坡向余弦）

3.2地形濕度指數(shù)

本文基于DEM數(shù)據(jù)，采用單向流算法，計(jì)算了安家溝小流域地形濕度指數(shù)空間分布（如圖3），由圖可見，沿溝谷兩側(cè)及東北部坡頂平緩處地形濕度指數(shù)最大，其值在15～31之間；其次沿小支溝兩側(cè)地形濕度指數(shù)較大，取值范圍為8～15之間；而在坡中和坡頂?shù)膹V大區(qū)域形濕度指數(shù)最小，其值為0.24～6之間。

圖3　地形濕度指數(shù)

3.3土壤水分空間分布多元線性回歸模型

3.3.1多元線性回歸分析

分別利用2014年4～9月土壤水分樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對高程、地形濕度指數(shù)、坡度、剖面曲率和坡向余弦各項(xiàng)系數(shù)，以0～180cm的土壤平均含水量(Y)為因變量，相對高程系數(shù)（X1）、地形濕度指數(shù)（X2）、坡度（X3）、剖面曲率（X4）和坡向余弦系數(shù)(X5)為自變量。調(diào)用Excel 2010數(shù)據(jù)分析工具中的回歸函數(shù)進(jìn)行多元回歸分析，建立2014年4～9月土壤水分模擬模型。各月回歸方程如下：

由方程（1）～（6）可知，土壤水分與相對高程呈負(fù)相關(guān)；土壤水分與地形濕度指數(shù)在各月均成正相關(guān)；土壤水分與坡度呈負(fù)相關(guān)；土壤水分與剖面曲率在4～6月呈負(fù)相關(guān)，在7～9月呈正相關(guān)；土壤水分與坡向余弦在5～6月呈正相關(guān)，在4月、7～9月呈負(fù)相關(guān)。

3.3.2土壤水分空間分布模擬

借助GIS平臺，利用土壤水分模擬方程，完成每月土壤水分的空間分布模擬（如圖4所示）。從土壤水分空間分布圖來看，土壤水分空間分布在4～9月的分布范圍分別為8.21%～14.61%、8.87%～11.47%、8.53%～13.06%、7.39%～11.88%、8.66%～15.21%、10.31%～19.79%。從這些數(shù)據(jù)中可以得出土壤水分的變化：先降低（4～5月）再有微小的升高（6月）再降低（7月）再升高（8～9月），在9月份達(dá)到最大值，7月份存在最低值。

圖4　2014年4～9月土壤水分空間分布圖

3.4模型檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本次研究的結(jié)果是否合理，針對建立的土壤水分空間分布模型做出檢驗(yàn)。在建立土壤水分回歸方程時(shí)抽取了3號、6號、17號、19號和22 號5個(gè)采樣點(diǎn)作為檢驗(yàn)的依據(jù)。分別作這5個(gè)點(diǎn)模擬值和實(shí)測值4～9月份的散點(diǎn)圖（如圖5所示）。在土壤水分空間分布檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌梢钥吹綄?shí)測值與模擬值成正相關(guān)且模型相關(guān)性達(dá)到0.6以上，表明，本文所建立的土壤水分空間分布模型可以用于小流域土壤水分空間分布模擬。

4　結(jié)果討論

圖5　土壤水分空間分布檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本研究在安家溝小流域DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用GIS工具提取相對高程、地形濕度指數(shù)、坡度、剖面曲率和坡向余弦，作為土壤水分的影響因素。運(yùn)用多元回歸分析的方法，對土壤水分與相對高程、地形濕度指數(shù)、坡度、剖面曲率和坡向余弦進(jìn)行多元回歸分析，建立了小流域土壤水分回歸方程，回歸效果中度顯著（效果顯著性較低的原因在于未將土地利用類型[8,9]等因素添加進(jìn)去[3]）。借助GIS的空間分析方法將回歸模型應(yīng)用于安家溝小流域土壤水分的空間分布模擬研究，能夠得到小流域土壤水分時(shí)空變化圖。在時(shí)間上各月水分表現(xiàn)不同，從土壤水分空間分布圖中可以反映4～9月份，土壤水分表現(xiàn)為先降低（4～5月）再有微小的升高（6月）再降低（7月）再升高（8～9月），在9月份達(dá)到最大值，7月份存在最低值。這與相關(guān)論文分析結(jié)果是一致的。這一方面說明該模擬方法是可行的，另一方面也給予啟示，即在沒有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，利用本研究方法，再引進(jìn)氣象因子(月降雨、氣溫等)，可模擬小流域土壤水分的季節(jié)和空間變化[10]。本研究是在小流域進(jìn)行的，模擬時(shí)假定降雨、蒸發(fā)和土壤類型在空間上沒有變異性，而在較大流域尺度應(yīng)考慮這些因子的空間變異性，進(jìn)而為較大流域土壤含水量的模擬提供支持。

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中圖分類號：S152.7

*基金項(xiàng)目：本文由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)SRTP重點(diǎn)項(xiàng)目資助。