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(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010021）

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成參數(shù)，參與地球表面和大氣之間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，影響土壤的理化性質(zhì)和植物生長(zhǎng).由于受到土壤、地形、植被、環(huán)境以及人類活動(dòng)等因素的影響［1］，土壤含水量在時(shí)間和空間上存在變異性［2］或相關(guān)性［3］.描述性統(tǒng)計(jì)分析、經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的變異系數(shù)（CV）［4］、土壤水分變差系數(shù)［5］、相對(duì)差分法［6］等方法主要適于地面點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析；地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)［4，7-10］、空間插值［4，11］、多重分形［12-13］等方法適于空間面數(shù)據(jù)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(jī)械組成、土壤有機(jī)質(zhì)等土壤理化性質(zhì)，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(xiàn)為土壤水的入滲和持水能力，往往土壤的持水能力越強(qiáng)，土壤越易吸收和保持水分，其水土保持性能就越強(qiáng)［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(shí)空結(jié)構(gòu)和演化常常與植被互為因果［6］.植被對(duì)土壤含水量的累積和變異性研究多見(jiàn)于林分、作物［6，18-19］等領(lǐng)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(tài)系統(tǒng)中，土地利用類型主要體現(xiàn)為功能區(qū)［22］.基于此，本文將分析植物生活型和功能區(qū)2個(gè)因素對(duì)土壤含水量及變異性的影響.

1 材料與方法

1.1 樣地布設(shè)與土樣采集選取呼和浩特市綠地為研究對(duì)象，東經(jīng)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(huán)路為邊界，采用均勻網(wǎng)格布點(diǎn)法，截取10 km×10 km的矩形范圍；選取21個(gè)網(wǎng)格為采樣區(qū)，進(jìn)行4期采樣，每期采樣持續(xù)5 d，間隔2 d.每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，共計(jì)63個(gè)樣點(diǎn)，采樣時(shí)盡量避開(kāi)外來(lái)土和新進(jìn)擾動(dòng)過(guò)的土層，用不銹鋼鏟在每個(gè)樣點(diǎn)取地下5和15 cm處土樣，以2個(gè)土層均值代表上表層土壤含水量的情況.采樣時(shí)每個(gè)土樣重復(fù)取土3次.21個(gè)樣區(qū)分為5類功能區(qū)（公園區(qū)、教學(xué)區(qū)、住宅區(qū)、道路區(qū)、商業(yè)區(qū)），每個(gè)樣區(qū)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(diǎn)布設(shè)圖Fig.1 Sampling point layout

1.2 數(shù)據(jù)處理及分析方法1）采用質(zhì)量含水量的方法計(jì)算土壤含水量，計(jì)算公式為

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

每個(gè)采樣點(diǎn)4個(gè)采樣期土壤含水量的累加即代表該樣點(diǎn)土壤含水量的累積值.

2）采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)中的變異系數(shù)（CV）表征土壤水分的變異程度，變異系數(shù)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(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［23］.一般認(rèn)為，當(dāng)CV≤10%時(shí)為弱變異性，當(dāng)10%＜CV＜100%時(shí)為中等變異性，當(dāng)CV≥100%時(shí)為強(qiáng)變異性［10］，其計(jì)算公式為

式中，CV為變異系數(shù)，S為標(biāo)準(zhǔn)差，ˉθ為變量均值.

3）采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的半方差函數(shù)確定研究區(qū)土壤含水量的空間變異性和空間相關(guān)性范圍.不同空間位置上土壤含水量與樣點(diǎn)的空間位置有關(guān)，是空間距離的函數(shù)［7］.半方差函數(shù)r（h）［24］的具體表達(dá)式為

式中，r（h）為半方差函數(shù)，Z（xi）為隨機(jī)變量在點(diǎn)xi處的實(shí)測(cè)值，Z（xi＋h）為隨機(jī)變量在點(diǎn)xi＋h處的實(shí)測(cè)值，h為樣點(diǎn)間距，即步長(zhǎng)，N（h）為間距h時(shí)的樣本對(duì)的總數(shù).

半方差函數(shù)的擬合模型有純塊金效應(yīng)模型、球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型等.半方差函數(shù)的參數(shù)主要包括塊金值（C0）、基臺(tái)值（C＋C0）和變程（A）等［25］：C0指變異系數(shù)在原處的數(shù)值，表示由試驗(yàn)誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機(jī)變異；C＋C0表示變異函數(shù)r（h）隨著間隔距離h增大時(shí)，由非零值達(dá)到的一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定常數(shù)，說(shuō)明研究區(qū)土地利用強(qiáng)度的總變異（包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異），一般來(lái)說(shuō)，基臺(tái)值越高，則土地利用強(qiáng)度總空間變異性越高［21］；塊金值與基臺(tái)值之比C0／（C＋C0）表示隨機(jī)部分引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異的比例，反映結(jié)構(gòu)因子（自然因子，包括氣候、地形、植被、土壤質(zhì)地等）和隨機(jī)因子（人類活動(dòng)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(qiáng)烈空間相關(guān)，25%≤C0／（C＋C0）≤75%表示中等空間相關(guān)，C0／（C＋C0）≥75%表示弱空間相關(guān)；變程（A）表示空間相關(guān)范圍［26］.通過(guò)分析土壤含水量的半方差函數(shù)的參數(shù)，可以確定土壤含水量的空間相關(guān)范圍和空間相關(guān)程度等空間變異信息［27］.

本文利用SPSS 25軟件進(jìn)行單因素方差和多重比較分析，利用ArcGIS 10.6軟件進(jìn)行反距離空間插值分析，利用GS＋7.0軟件進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)分析.

2 結(jié)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(jì)算喬灌草、灌草和喬草3類植物生活型的4個(gè)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(shuō)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(jié)，喬木和灌木的枝葉對(duì)土壤表層有遮陰作用，可以阻擋反射太陽(yáng)的直接輻射，降低地面的長(zhǎng)波輻射熱，減少地面水分的蒸散發(fā)［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(shù)（圖2（b））.結(jié)果顯示，土壤含水量的變異系數(shù)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(jiàn)3種植物生活型的土壤含水量變異系數(shù)均處于中等變異強(qiáng)度.此外，3種植物生活型的土壤含水量變異系數(shù)的表現(xiàn)為喬草＞喬灌草＞灌草，且喬草的土壤含水量變異系數(shù)的波動(dòng)范圍最大、灌草次之、喬灌草最小.說(shuō)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(fēng)力，導(dǎo)致喬草生活型的土壤受季風(fēng)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(gè)采樣期（圖2（b）），灌草的土壤含水量變異系數(shù)隨時(shí)間逐漸減小，而喬草和喬灌草的土壤含水量變異系數(shù)隨時(shí)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(yáng)輻射和風(fēng)力的影響下，土壤水分強(qiáng)烈蒸發(fā)，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(shù)Fig.2 Accumulation and CV of soil moisture content in plant life forms

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

綜合來(lái)看，土壤含水量累積值表現(xiàn)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(yàn)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(shuō)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(shù)的空間分布.在ArcGIS軟件中，擇優(yōu)選取反距離權(quán)重法做土壤含水量累積值及變異系數(shù)的空間插值［11］（圖3）.可以看出，采樣點(diǎn)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(shù)的范圍在4.93%～49.97%，平均值為21.82%.對(duì)比圖3（a）和（b）可知，土壤含水量累積值大的區(qū)域，其變異系數(shù)反而小.

圖3 植物生活型土壤含水量累積值及變異系數(shù)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(qū)土壤含水量及變異性

2.2.1 功能區(qū)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(qū)、住宅區(qū)、教學(xué)區(qū)、道路區(qū)和商業(yè)區(qū)5類功能區(qū)，并計(jì)算各功能區(qū)綠地4個(gè)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(qū)的土壤含水量累積值為教學(xué)區(qū)＞公園區(qū)＞住宅區(qū)＞道路區(qū)＞商業(yè)區(qū)（方差分析事后檢驗(yàn)多重比較LST，P＜0.05），說(shuō)明教學(xué)區(qū)和公園區(qū)的累積土壤水分最佳，住宅區(qū)次之，道路區(qū)和商業(yè)區(qū)較差.

分析各功能區(qū)的土壤含水量的變異系數(shù)，如圖4（b）所示，由于商業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)較少，其變異系數(shù)不參與此處分析.

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

結(jié)果顯示，土壤含水量的變異系數(shù)分別為公園區(qū)（30.40%～36.96%）、教學(xué)區(qū)（6.75%～10.81%）、住宅區(qū)（22.89%～32.82%）和道路區(qū)（19.41%～68.32%），可見(jiàn)各功能區(qū)上表層的土壤含水量變異系數(shù)均處于中等變異強(qiáng)度.此外，各功能區(qū)的土壤含水量變異系數(shù)表現(xiàn)為道路區(qū)＞住宅區(qū)＞公園區(qū)＞教學(xué)區(qū)，且道路區(qū)的土壤含水量變異幅度最大，住宅區(qū)次之，公園區(qū)和教學(xué)區(qū)較小.說(shuō)明道路區(qū)土壤含水量的變異強(qiáng)，住宅區(qū)和公園區(qū)的變異較小，教學(xué)區(qū)土壤含水量的變異最小.公園區(qū)、教學(xué)區(qū)、住宅區(qū)的土壤水分變異系數(shù)均在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，而道路區(qū)的土壤水分變異系數(shù)隨時(shí)間先減小后增大，波動(dòng)很大，說(shuō)明道路區(qū)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(jié)果顯示，5類功能區(qū)的上表層土壤含水量累積值和變異系數(shù)均存在顯著差異（P＜0.05），說(shuō)明功能區(qū)顯著影響土壤水分的累積和變異.

綜合來(lái)看，不同土地利用類型（功能區(qū)）對(duì)土壤含水量變異系數(shù)的穩(wěn)定狀態(tài)存在影響［32］，表現(xiàn)出功能區(qū)土壤含水量較高時(shí)，其變異性會(huì)較小［33］.因此，教學(xué)區(qū)土壤含水量最高且最穩(wěn)定.經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，教學(xué)區(qū)的人為澆灌規(guī)律性最強(qiáng)，公園區(qū)和住宅區(qū)一般，道路區(qū)和商業(yè)區(qū)幾乎無(wú)人為澆灌.因此，規(guī)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(qū)土壤含水量的空間分布 下面分析功能區(qū)土壤含水量累積值及變異系數(shù)的空間分布（方法同2.1.2）.由圖5（a）可見(jiàn)，公園區(qū)、教學(xué)區(qū)和住宅區(qū)的土壤水分累積明顯高于道路區(qū)和商業(yè)區(qū)；圖5（b）中除住宅區(qū)的一個(gè)樣點(diǎn)外，其余樣點(diǎn)均表現(xiàn)為公園區(qū)、教學(xué)區(qū)、住宅區(qū)的土壤水分變異小于道路區(qū)和商業(yè)區(qū)，可見(jiàn)城市綠地的土地利用類型（功能區(qū)）對(duì)土壤含水量變異性的空間格局影響較大［34］.因此，功能區(qū)類別對(duì)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(shí)，其受外界環(huán)境因素的影響會(huì)降低［35］.綜上，土壤含水量越高，土壤水分及變異的波動(dòng)越小［33］.

圖5 功能區(qū)土壤含水量累積值及變異系數(shù)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(shù)分析進(jìn)行5、15 cm以及2個(gè)深度平均土壤含水量累積值的單樣本K-S檢驗(yàn)，結(jié)果表明土壤含水量累積值的漸進(jìn)顯著水平分別為0.200、0.118和0.200，遠(yuǎn)大于0.05，即土壤含水量累積值數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布規(guī)律，故可以對(duì)其進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)半方差函數(shù)分析［36］.

本研究利用地統(tǒng)計(jì)軟件GS＋7.0運(yùn)算，土壤含水量累積值的半方差函數(shù)結(jié)果如表1所示.2個(gè)土壤深度下塊金值C0都很小，故基本不存在由實(shí)驗(yàn)誤差和小于采樣尺度引起的變異.由表1可見(jiàn)，5、15 cm及2個(gè)土層均值的C0／（C＋C0）均小于25%，說(shuō)明土壤含水量累積值表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性變異起主導(dǎo)作用，隨機(jī)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(shù)為0.220，而15 cm土壤含水量累積值和2個(gè)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(shù)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(shù)均表現(xiàn)出隨著滯后間距的增加，土壤含水量的半方差略有波動(dòng)，變化趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明土壤含水量空間變異較大，空間結(jié)構(gòu)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(nèi)，空間自相關(guān)存在，即隨著變程的增加，空間自相關(guān)尺度增大；在變程之外，空間自相關(guān)消失（即變量是獨(dú)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(jiàn)，土壤水分累積值的平均空間自相關(guān)范圍為900.7 m.土壤含水量的空間相關(guān)距離較大，源于研究的采樣期處于春末夏初，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，季節(jié)性大風(fēng)，使土壤表層含水量由于強(qiáng)烈蒸發(fā)而更均勻［3］.因此，土壤含水量在變程內(nèi)的空間自相關(guān)性強(qiáng)，而變程距離外土壤水的變異性才逐漸顯現(xiàn).土壤上表層是土壤系統(tǒng)與大氣系統(tǒng)的交界處，也是土壤系統(tǒng)對(duì)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(fēng)力）影響較大.

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

3 結(jié)論

本文運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法（單因素方差、多重比較）和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法（反距離權(quán)重空間插值、半方差函數(shù)），分析了植物生活型和功能區(qū)的城市綠地土壤含水量累積及其變異性.

植物生活型對(duì)綠地土壤含水量的累積無(wú)顯著影響，但對(duì)其變異系數(shù)存在顯著影響，說(shuō)明植物生活型會(huì)引起土壤水分穩(wěn)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(lái)說(shuō)，城市綠地種植可優(yōu)選灌草組合生活型，以達(dá)到遮陰土壤上表層，減少地面水分蒸散發(fā)，保持土壤水分的目標(biāo).

城市功能區(qū)對(duì)綠地土壤含水量累積及變異性均存在顯著影響.澆灌規(guī)律較好的功能區(qū)（公園區(qū)、住宅區(qū)、教學(xué)區(qū)）的土壤水分累積較多，其變異系數(shù)較穩(wěn)定；而幾乎無(wú)澆灌的道路兩側(cè)綠地的土壤水分累積少，其變異系數(shù)的變幅較大.除教學(xué)區(qū)的土壤含水量處于弱空間變異強(qiáng)度外，其余功能區(qū)均處于中等變異強(qiáng)度，這是由于教學(xué)區(qū)綠地澆灌規(guī)律明顯好于其他功能區(qū)綠地.因此，加強(qiáng)各功能區(qū)綠地的規(guī)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(dòng)幅度.

總的來(lái)說(shuō)，城市綠地土壤含水量受到植物生活型和功能區(qū)的影響，其變異性處于中等變異強(qiáng)度，以結(jié)構(gòu)性變異為主，土壤含水量累積越多的區(qū)域，其變異性越小.