砒砂巖區典型坡面土壤水分空間分布特征

辛軍偉， 尚振坤， 王俊鵬， 朱世雷， 甄 慶，張興昌,，馬炳召

(1.西北農林科技大學資源環境學院，712100，陜西楊凌；2.西北農林科技大學 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；3.中國科學院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

砒砂巖廣泛分布于黃土高原北部，它是由厚層砂巖、砂頁巖和泥質砂巖組成的巖石互層；由于其成巖程度低，砂粒間膠結程度差，結構強度低，故而遇水狀如泥土，干燥時則堅硬如石。晉陜蒙接壤地區土壤類型以風沙土和黃綿土為主，根據砒砂巖上層土壤類型的不同，可以將砒砂巖區分為覆沙區、覆土區和裸露區3個亞區[1]。該區的土壤結構以及保水保肥性能差，極易發生水土流失，多年平均土壤侵蝕模數為3萬t/(km2·a)，0.05 mm粒徑以上的粗沙占80%，是黃河粗沙的主要來源區之一[2-3]。20世紀90年代以來，隨著退耕還林(草)工程的施行，該區域大面積營造人工林，植被覆蓋度逐漸提升，生態環境得到改善[4-5]。土壤水分是干旱區生態環境恢復的主要限制因子[6-7]，水量平衡過程中輸入項與輸出項的動態變化及各種水源之間的相互轉化能夠決定其含量的多少[8]。土壤水分對該區的植被生長、水分循環和生態恢復等有重要影響。

由于成土因素的差異以及人為因素的影響，土壤水分的空間分布表現出不同程度的變異性，并且這種變異性是尺度的函數[9]。在不同尺度(例如田間、坡面、流域、區域等)上，土壤水分的變異性有所不同。當前，對土壤水分空間分布特征的研究很多。丁聰等[10]研究黃土高寒區人工林恢復坡面0～200 cm深土壤水分的空間變化特征，發現在測定時間段內，剖面各土層土壤含水率無顯著差別，在空間上表現為中等變異性，且呈現隨土層深度增加逐漸增大的趨勢。安彬[11]研究秦嶺中山區典型坡面不同用地類型的土壤水分，結果表明，不同土地利用類型土壤水分均值表現出一致性，且各層多表現出中等程度變異性，坡位、有機質等對坡面土壤水分影響顯著。張晨成等[12]選取黃土高原水蝕風蝕交錯區六道溝小流域的2個典型切溝樣點作研究對象，分析了土壤水分的時空變化特征，發現土壤儲水量與距溝道距離有關，植被特征影響土壤水分在垂直方向上的變化，溝道影響較小，坡位能夠影響坡面土壤儲水量的空間分布格局。胡偉等[13]對黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異特征進行研究，結果表明土壤水分沿坡長方向表現為從坡頂到坡腳先減小后增大的趨勢，變異程度為坡上>坡中>坡下。上述研究多集中在土壤質地較為均一的區域，砒砂巖區由于上覆土層的差異，形成了層狀的土巖結構，同一坡面不同坡位土層厚度也存在差異，這種分層結構對土壤水分分布的影響尚不明確。在坡面植被重建過程中，土壤水分作為限制因素，應充分考慮坡位對土壤含水量空間分布的影響。

因此，筆者以砒砂巖典型坡面土壤水分為研究對象，通過分析不同深度以及不同坡位土壤水分空間分布特征，以期為砒砂巖區植被恢復過程中植被配置提供數據支撐和科學依據。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區準格爾旗圪秋溝流域內(E 110°25′～110°48′，N 39°42′～39°50′)，平均海拔820～1 582 m，總面積約為96 km2。該流域內千溝萬壑，地形起伏大，土壤侵蝕程度強，水土流失非常嚴重。研究區屬于典型的中溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均降水量約400 mm，年均蒸發量約2 093 mm，年平均氣溫為6.2～8.7 ℃。該地區四季分明，太陽輻射強烈，日照時間長，平均日照時間2 900～3 100 h。春季風力大、持續時間較長，年平均風速3.2 m/s，最大風速32 m/s，年平均大風時間10～30 d。

研究區土壤類型主要是黃綿土和風沙土，主要草本植物有羊草(Leymuschinensis)、本氏針茅(Stipacapillata)、沙蒿(Artemisiaordosica)。該區植被以人工植被為主，造林樹種主要為沙棘(Hippophaerhamnoides)、油松(Pinustabuliformis)、錦雞兒(Caraganakorshinskii)和山杏(Prunussibirica)等[2]。

2 研究方法

2.1 取樣方法

自退耕還林(草)工程實施以來，魚鱗坑整地是該區域常見的造林整地方式。筆者選擇長度約為200 m，寬度約為40 m，植被恢復類型為油松的完整坡面作為研究區域，其中油松種植在魚鱗坑內。沿坡頂至坡下均勻布設38個采樣點，編號如圖1所示。將1-A至4-C 12個樣點作為坡下代表樣點，5-A至8-C 12個樣點作為坡中代表性樣點，9-A至13-B 14個樣點作為坡上代表性樣點。于2019年7月29日至8月2日完成1-A至5-C樣點的采樣工作，于8月21日至9月2日完成其余樣點的采樣工作，8月2日至8月21日期間有降雨發生。在每一樣點，用土鉆(直徑5 cm)分層采集土壤樣品，其中0～20 cm每10 cm采集1個土樣，20 cm以下每20 cm分層取樣。受堅硬砒砂巖層的影響，采樣深度最淺到達2 m，最深達到6 m，共采集土壤樣品862份。當天采樣后，采用烘干法(105 ℃，12 h)測定土壤質量含水量。

圖1 砒砂巖典型坡面樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sampling sites on a typical slope in the feldspathic sandstone area

2.2 分析方法

利用Excel 2016和SPSS 23進行各變量的描述性統計、單因素方差分析(ANOVA)及數據的正態性檢驗；利用Origin 2019、 SigmaPlot 12.5進行繪圖；采用GS+確定各層土壤水分數據符合的最優理論模型及其參數；利用Arcmap10.2對樣點土壤水分分布進行地統計學分析并繪圖。地統計學的相關理論及相關參數的含義詳見參考文獻[14-16]。

3 結果與分析

3.1 坡面土壤水分變化特征

3.1.1 樣點土壤水分隨深度變化特征 表1為油松人工林坡面0～200 cm深剖面土壤含水量的基本統計特征值。整個坡面平均含水量為12.03%，變異系數為33.08%。根據Nielsen等[17]的劃分，當變異系數>100%時，為強變異；介于10%～100%之間時，為中等變異；<10%時，為弱變異；因此，筆者研究中坡面土壤水分為中等程度變異。土壤含水量在不同深度的變化范圍為3.21%～27.51%，均值的變化范圍為9.93%～13.83%，變異系數介于18.68%～39.80%之間，均為中等程度變異性。表層土壤平均含水量最低，僅為9.93%，隨著深度的增加，平均含水量呈現增加的趨勢，180～200 cm土層平均含水量最高，達到13.88%。單因素方差分析結果表明，0～120 cm各層土壤含水量均值差異不顯著(P>0.05)，10～140 cm土層土壤含水量差異也不顯著(P>0.05)，140 cm深度以下土壤含水量呈微弱增加趨勢，而表層0～20 cm土壤含水量顯著低于140～200 cm土壤含水量(P<0.05)。各層土壤平均含水量與變異系數之間呈負極顯著相關關系(P<0.01)。每層數據經過K-S檢驗結果顯示都符合正態分布。

表1 油松人工林坡面0～200 cm剖面土壤水分統計特征值

3.1.2 樣點土壤水分隨坡位變化特征 圖2顯示了不同坡位土壤水分隨深度的變化趨勢。淺層0～40 cm土壤含水量坡中和坡下大于坡上(P<0.05)，且0～20 cm坡中土壤含水量大于坡下(P>0.05)；40～160 cm土壤含水量坡上和坡中大于坡下(P>0.05)，除60 cm以外，坡上的土壤含水量大于坡中；160～180 cm土壤含水量坡上最大，坡下次之，坡中最小。此外，在同一坡位，坡下土壤水分呈波動狀，隨著深度的增加，土壤水分先增加而又下降，在80 cm處達到最小值后開始逐漸上升；坡中的土壤含水量在0～200 cm整體上變化不大，比較穩定；而坡上的土壤含水量呈逐漸上升趨勢，在60 cm深度以下坡上的土壤含水量是整個坡面上最高的。

US、MS、LS分別表示坡上、坡中、坡下。US，MS and LS refers to the up，middle and low slope, respectively). 圖2 不同坡位土壤水分隨深度變化趨勢Fig.2 Change of soil moisture in different slope positions with different depths

3.2 坡面土壤水分變異的地統計分析

利用地統計方法對坡面0～200 cm深度土壤水分的空間結構及其自相關性進行分析。表2為各土層土壤含水量半方差函數最優模型及其相關參數，根據決定系數最大和殘差平方和最小的原則確定最優模型。除40～80 cm土層以外，其他各層決定系數均>0.456。高斯模型能夠擬合大部分土層土壤水分的空間結構，其次是球狀模型。各土層的塊金值都不為0，表明存在采樣誤差和小于采樣尺度的變異[15]。空間異質比可以體現隨機變異占總變異的大小，該值越小，表明變量的空間結構性越強。除60～80 cm土層土壤含水量為弱空間依賴性以外，其他各層土壤含水量均為強空間依賴性[16]。

無論采樣點密度多大，傳統的野外采樣和室內測定的手段無法得到所有區域的土壤水分值，而空間插值技術則可以將離散的數據轉化為連續的空間曲面進而實現土壤水分數據全覆蓋[10]。利用普通克里格插值繪制坡面0～200 cm各層土壤含水量的空間分布圖(圖3)，可以直觀地反映各土層土壤含水量的變異性及空間分布特征。可見，各土層土壤含水量大多呈斑塊狀鑲嵌分布，尤其是0～20 cm以及120～200 cm各土層更為明顯。

表2 各土層土壤水分半變異函數的參數

圖3 坡面土壤水分空間分布趨勢圖Fig.3 Maps for the spatial distribution of soil moisture in slopes

4 討論

土壤水分受土壤質地、地形因子、植被耗水、降雨入滲、土壤蒸散、干濕季節交替和人類活動等因素的影響，因此具有高度的異質性[18]。砒砂巖區位于半干旱區，年均蒸發量遠大于年均降雨量。采樣過程中發現，隨著深度的增加，砒砂巖開始出現，未風化的砒砂巖比較致密，具有較強的持水能力[19]。土壤質地、蒸發以及植被蒸騰的共同作用導致淺層土壤含水量低于深層(表1)[20]。淺層土壤含水量的變異系數比深層土壤大，這是因為在采樣期間存在降雨。此外，土壤的蒸發以及植物的蒸騰作用都會對淺層土壤含水量產生影響，從而產生較大的變異[9]。坡面大量存在的魚鱗坑也會增加淺層土壤含水量的變異性[11]。Penna等[21]研究意大利阿爾比斯山坡面表層土壤水分時空異質性，發現土壤含水量與土壤水分變異性呈反比，這與本研究結果一致。對不同坡位土壤含水量的分析得出，0～40 cm土層坡中和坡下的土壤含水量大于坡上(P<0.05)(圖2)，表明土壤含水量受坡位影響。徐學選等[22]以及安彬[11]研究發現，坡位是影響地塊尺度和坡面尺度土壤含水量空間分布的主要因子。下坡位更易于獲取水分的補充，但是由于下坡位植被生長茂密，消耗水分更多，使得坡上和坡下土壤含水量沒有明顯差別，這也說明土壤水分受多個因素的共同影響。

5 結論

1)砒砂巖區典型坡面土壤水分的變異特征具有深度依賴性。各層土壤水分均為中等程度變異，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸升高，而變異系數整體呈現下降趨勢。

2)砒砂巖區典型坡面不同深度土壤水分的差異與坡位有關。淺層(0～40 cm)土壤水分坡中和坡下高于坡上，坡中和坡下更有利于植被恢復。

3)0～200 cm各土層土壤含水量的變程介于15.60～91.07 m之間，可以為該區后續土壤水分空間分布特征研究的樣點布設提供參考依據。