壓砂地土壤導水特性空間格局及影響因子

白一茹，王幼奇，王　菲，王建宇

(寧夏大學資源環境學院， 寧夏 銀川 750021)

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壓砂地土壤導水特性空間格局及影響因子

白一茹，王幼奇，王菲，王建宇

(寧夏大學資源環境學院， 寧夏 銀川 750021)

采用10 m×10 m網格布點的方式對寧夏壓砂田0～10 cm和10～20 cm深度下土壤飽和導水率(Ks)及其相關因素的空間變異規律進行研究。經典統計結果表明：2個采樣深度下土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度表現為弱變異，飽和含水量和土壤有機質含量表現為中等變異；0～10 cm深度下Ks表現為中等變異，10～20 cm深度下Ks表現為強變異；10～20 cm深度下土壤各種性質的平均值均大于0～10 cm深度。Pearson相關性分析可知，影響Ks的主要因素是毛管孔隙度，其次為容重、總孔隙度、飽和含水量和有機質含量。地統計結果表明，0～10 cm深度下Ks表現為純塊金效應，主要受隨機性因素的影響，10～20 cm深度下Ks主要受結構性因素的影響；在2個采樣深度下容重主要受隨機因素的影響。從空間分布圖可以看出，2個采樣深度下Ks和容重存在高度的負相關關系，與飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度存在高度的正相關關系。

壓砂地；土壤飽和導水率；地統計；克里格插值

壓砂是農民為了克服惡劣自然環境，利用河湖沉積、溝壑沖擊產生的礫石在土壤表面鋪設成一定厚度來種植作物，通過改善小生境中土壤水分和熱量條件以滿足作物生長需要的一種旱作耕作方式[1]。壓砂技術在歷史上被廣泛地應用到以甘肅省蘭州市為中心的干旱、半干旱地區[2]。為了提高土地生產力和農作物產量，寧夏大力推廣和開發壓砂技術，目前寧夏壓砂地面積已由2003年前累計的6.47×103hm2發展到現在的6.67×104hm2，并且有進一步擴大的趨勢[3-4]。然而，近年來隨著砂田種植面積逐年擴大、種植年限增加，壓砂地出現土壤水分減少[5-6]、容重增大[7]、養分含量下降[8]和生產力顯著降低[9]等問題，壓砂地退化成為阻礙壓砂產業可持續發展的關鍵問題。許多學者對壓砂土壤退化問題進行了深入研究和探索[10-12]，取得重要進展。但是關于壓砂地土壤導水性能方面的研究相對較少。土壤飽和導水率(Ks)是指土壤所有孔隙均充滿水時，在單位水勢梯度作用下，通過垂直于水流方向上單位面積土壤水流通量(速率)[13]。Ks是衡量土壤滲透能力的重要指標之一，也是水文模型中重要參數。其對于估算土壤非飽和導水率和模擬土壤水分、溶質運移具有重要意義[14]。同時Ks受土壤質地、孔隙度、有機質和耕作方式等空間變量的影響，使其在空間上呈現出強烈的變異性[15-16]。在寧夏中部旱區壓砂地研究Ks的空間分布及影響因素，對探索該區域水分運動規律、防治土壤干燥化都具有十分重要的意義。因此，以10 m×10 m網格方式采樣，利用經典統計和地統計學方法，研究寧夏中部旱區典型壓砂瓜田的耕層(0～10 cm)和亞耕層(10～20 cm)原狀土Ks的空間變異特征和分布格局，并分析土壤容重、孔隙度等土壤基本性質對Ks的影響，旨在為研究區農田管理和防治壓砂地干燥化提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

取樣地點選在寧夏中部干旱帶的中衛香山興仁鎮。地理坐標為東經105°47′～105°59′，北緯37°17′～38°28′，海拔1 679～1 680 m，多年平均氣溫13.5℃、日照時數2 990 h·a-1、平均降水量250～270 mm·a-1，無霜期170～175 d·a-1。夏季酷熱，冬季寒冷，氣候干燥，屬寧南溫暖風沙干旱區[17]。取樣地塊平整，種植作物為西瓜。

1.2樣點布設及土樣采集

在2013年4月上旬整地前進行土壤樣品采集。經過前期調研和采樣分析，該田塊土壤性質、耕作方式及種植作物在研究區具有代表性。其表層土壤(0～10 cm)平均粘粒含量為10.47%、粉粒含量為23.85%、砂粒含量為65.68%、有機質含量3.99 g·kg-1、全氮含量0.36 g·kg-1、全磷含量0.52 g·kg-1、全鉀含量19.13 g·kg-1、速效磷含量4.44 mg·kg-1、速效鉀含量162.70 mg·kg-1；壓砂厚度約為15 cm、粒徑為4～6 cm、壓砂年限為3年；種植作物為硒砂瓜。按照10 m×10 m網格方式采集土壤樣品，采樣點為110個，在每個采樣點位置0～10 cm和10～20 cm深度分別采集原狀土和擾動土，其中原狀土利用環刀采集，采集土壤樣品總數為220個。取樣點位置分布詳見圖1。

圖1研究區樣點布設

Fig.1Locations of the sampling points

1.3測定項目及方法

1.3.1土壤飽和導水率(Ks)測定用定水頭法測定采樣點原狀土壤Ks，根據質量守恒定律和達西定律得出Ks的計算公式為[18]：

K=10Q×L/A×ΔH×t

(1)

式中，K為飽和導水率，mm·min-1；Q是滲透量，mL；L為土層厚度，cm；ΔH是滲流路徑的總水頭差，cm；t是滲透時間，min；A是水流經過的橫截面積，cm2。10是將厘米轉化成毫米。

為了使不同溫度下所測得的K值便于比較，將其換算成10℃時的飽和導水率：

Ks=K/(0.7+0.03t)

(2)

式中，Ks為溫度10℃時的飽和導水率，mm·min-1；t為測定時水的溫度，℃。

1.3.2土壤容重、飽和含水量、孔隙度及土壤有機質測定用環刀法測定原狀土土壤容重、飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，土壤有機質含量用重鉻酸鉀容量法測定[19]。

1.4統計方法

分別采用經典統計學和地統計學分析Ks及相關性質的空間變異特征[20-21]。其公式為：

(3)

式中，r(h)為試驗半方差函數，h為滯后距離，N(h)為相距h(滯后距離)的數據點對數，Z(x)為區域化變量在x處實測值，Z(x+h)為區域化變量在x+h處實測值。

1.5數據處理

采用拉依達準則處理異常數據(顯著水平為0.01)，剔除了Ks的1個最大值，然后使用剩余數據最大值代替[22]。利用SPSS 17.0對Ks及相關性質進行經典統計分析，地統計分析在GS+7.0中完成，普通克里格插值圖利用Surfer 8.0完成。

2　結果與分析

2.1土壤導水特性描述性統計和正態分布檢驗

表1給出了壓砂地土壤導水特性及其相關因素的描述性統計值。0～10 cm和10～20 cm深度下土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的變異系數(CV)小于0.1，表現為弱變異；飽和含水量和土壤有機質含量表現為中等變異(0.1

2.2土壤導水特性空間變異特征

由于土壤物理性質的分布是空間連續的，描述性統計只能說明土壤性質變化的全貌，但難以完全反映其結構性、隨機性和相關性等，運用地統計學方法可以彌補上述缺陷[28]。利用半方差函數(公式1)計算并用不同模型進行擬合，獲得模型相關參數值，選取殘差平方和最小、決定系數最大的模型。土壤導水特性及其相關屬性的半方差函數模型及其參數見表2。0～10 cm深度下Ks和容重符合線性模型；飽和含水量和總孔隙度符合球形模型；毛管孔隙度和有機質含量符合高斯模型。Ks和容重的塊金系數為100%，表現為純塊金效應，土壤各樣點之間表現出較強的隨機性和獨立性，主要受隨機性因素(施肥、耕作等)的影響。飽和含水量、總孔隙度和有機質含量的塊金系數均小于25%，說明主要受結構性因素(氣候、地形和土壤質地等)的影響，具有強烈的空間相關性。毛管孔隙度的塊金系數均介于25%～75%之間，表現出中等空間依賴性，說明二者的空間分布特征受隨機性因素和結構性因素的共同影響。10～20 cm深度下Ks和土壤含水量符合高斯模型；容重符合線形模型；飽和含水量和總孔隙度符合球形模型；毛管孔隙度符合指數模型。容重的塊金系數為100%，表現為純塊金效應，各樣點之間表現出較強的獨立性和隨機性，主要受隨機因素的影響。其它土壤性質的塊金系數均小于25%，說明主要受結構性因素的影響，具有強烈的空間自相關性。廖凱華等[23]在研究大沽河流域Ks空間變異特征時也發現表層其具有弱空間相關性。牛海山等[29]分析放牧對Ks空間變異的影響也得出相同的結論。

表1　壓砂地土壤導水特性及相關因素描述性統計值

注：*LN—對數正態分布類型；N—正態分布類型。*P<0.05。

Note: LN—Lognormal distribution; N—Normal distribution.

表2　壓砂地土壤導水特性及相關因素半方差函數理論模型及參數

注：*G—高斯模型，E—指數模型，S—球形模型，L—線形模型。

Note: G—Gauss model, E—Exponential model, S—Spherical model, L—Line model.

2.3土壤導水特性空間分布特征

地統計學分析可以解釋土壤導水特性及其相關因素的空間結構特征，但其提供的信息仍有限。所以借助Surfer軟件分別對0～10 cm和10～20 cm深度土壤導水特性及其相關因素進行普通克里格插值并繪制空間分布圖(圖2、3)。

圖2　壓砂地0～10 cm土層土壤飽和導水率(a)、容重(b)、飽和含水量(c)、總孔隙度(d)、毛管孔隙度(e)和土壤有機質含量(f)空間分布

圖3壓砂地10～20 cm土層土壤飽和導水率(a)、容重(b)、飽和含水量(c)、總孔隙度(d)、毛管孔隙度(e)和土壤有機質含量(f)空間分布

Fig.3Spatial distribution ofKs(a), bulk density (b), saturation moisture (c), total porosity (d), capillary porosity (e) and soil organic matter (f) in 10～20 cm soil depths in the gravel mulched field

從圖中可以看出，2個采樣深度下Ks與容重存在高度的負相關關系，與飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度存在高度的正相關關系。Ks、容重、飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度的空間插值圖除存在數值上的差異外，其密集程度和走向都非常相似。這一現象和Duffera等、Wang等[24,26]文章中插值圖所描述的情況一致。這一現象也說明Ks受土壤容重、孔隙分布以及土壤水分含量等空間變量的影響，導致其在空間分布上呈現出結構性和變異特征。0～10 cm深度下Ks西部高，向東部逐漸遞減，飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度都在東北方向和東南方向上存在數值較高的區域，容重在西南方向上較高。有機質含量在空間上分布較為均勻，僅在南部邊緣含量較高。總體上土壤導水特性及其相關因素在空間上呈現出較為明顯的斑塊狀分布特征。

2.4土壤導水特性Pearson相關性分析

通過Pearson相關性分析可知，Ks與容重和有機質含量呈顯著負相關，Ks與總孔隙度、毛管孔隙度間具有極顯著正相關關系，Ks與飽和含水量呈顯著正相關關系。說明當Ks減小時，土壤呈現出粘重、緊實、透水性和通氣性差的特點。容重與Ks、飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和有機質含量均呈現顯著負相關關系。從Pearson相關系數的大小可以看出，影響壓砂地Ks的主要因素是毛管孔隙度，其次為容重、總孔隙度、飽和含水量和有機質含量。而張揚等[30]研究表明影響農地Ks的主要因子為有機質含量和毛管孔隙度。呂殿青[31]等和賀康寧[32]研究表明容重對Ks的影響最大。這些結論說明在不同區域影響Ks的主要因子存在明顯的差異性，應該根據研究區的土壤理化性質進行具體分析[33]。關于研究區土壤飽和導水率的其他可能的影響因素，如植被、土壤水分、溫度等因素還有待進一步研究。

表3　壓砂地土壤導水特性及相關因素Pearson相關性分析

注：*表示在0.05水平下顯著，**表示在0.01水平下顯著。

Note: ** Correlation is significant at the 0.01 level, * Correlation is significant at the 0.05 level.

3　結　論

本文應用地統計學和經典統計學相結合的方法，以寧夏中部旱區壓砂農田為例，研究了Ks及相關因素的空間變異特征及其影響因素。主要結論如下：

1) 經典統計結果表明，除Ks服從對數正態分布外，其余土壤性質服從正態分布。2個采樣深度下土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度表現為弱變異，飽和含水量和有機質含量表現為中等變異。0～10 cm深度下Ks表現為中等變異，10～20 cm深度下Ks表現為強變異。10～20 cm深度下土壤各種性質的平均值均稍大于0～10 cm深度。

2) 地統計結果表明，0～10 cm深度下Ks表現為純塊金效應，主要受隨機性因素(施肥、耕作等)的影響。10～20 cm深度下Ks的塊金系數小于25%，主要受結構性因素(氣候、地形和土壤質地等)的影響。在2個采樣深度下容重主要受隨機因素的影響。

3) 由普通克里格插值分布圖可以看出，2個采樣深度下Ks與容重存在高度的負相關關系，與飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度存在高度的正相關關系。Ks、容重、飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度的空間插值圖除存在數值上的差異外，其密集程度和走向都非常相似。其空間分布圖可為該地區土壤有效利用、土壤水鹽運移模擬和植被建設等提供一定的數據支持和理論指導。

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Spatial variability of soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors in the gravel mulched field of Ningxia

BAI Yi-ru, WANG You-qi, WANG Fei, WANG Jian-yu

(CollegeofResourcesandEnvironment,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Spatial variability of soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors could lay the scientific basis for soil water and soil desiccation management in mulched field. The classical and geological statistics were combined to identify the spatial variability of soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors at 0～10 cm and 10～20 cm depths with 10 m×10 m grids. The classical statistics indicated that at the 0～10 cm and 10～20 cm depths the soil bulk density, total porosity and capillary porosity showed light variation, saturation moisture content, soil organic matter showed moderate variation, while soil saturated hydraulic conductivity had moderate and wide variation at the 0～10 cm and 10～20 cm depths, respectively. The capillary porosity was the key factors influencing saturated hydraulic conductivity by Pearson correlation analysis, followed by bulk density, total porosity, saturation moisture content and soil organic matter content. The geological statistics indicated that saturated hydraulic conductivity at the 0～10 cm depths was basically affected by random factors with pure nugget variograms, while at the 10～20 cm depths primarily affected by structural factors. At the 0～10 cm and 10～20 cm depths, the spatial variability of soil bulk density was mainly affected by random factors. According to the spatial distribution patterns, saturated hydraulic conductivity was highly negative correlated with bulk density, while was high positively related to saturation moisture content, total porosity and capillary porosity.

gravel mulched field; soil saturated hydraulic conductivity; geostatistical statistics; kriging interpolation

1000-7601(2016)04-0055-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.09

2015-09-20

寧夏高校科學研究項目(NGY2013031，NGY2013028)；寧夏大學人才引進科研啟動基金(BQD2012012)；國家自然科學基金(41461104,41071156)

白一茹(1984—)，女，陜西渭南人，講師，博士，主要從事土壤物理研究。 E-mail：yr0823@163.com。

王幼奇(1980—)，男，安徽涇縣人，副教授，碩士生導師，主要從事旱區植被恢復研究。 E-mail：wyq0563@163.com。

S152.7+2

A