黃土區(qū)坡面尺度地形因子對土壤水分的影響

黃土區(qū)坡面尺度地形因子對土壤水分的影響

黃土區(qū)土壤水分的變化是由多個因素綜合影響的結(jié)果。在地形因素的影響下，土壤水分空間變異的主要因素是氣候和植被等影響因素的載體。對土壤水分變化的影響規(guī)律的分析，以及不同地形條件下土壤水分的變化，是全面了解黃土區(qū)土壤水分總體情況及其分布規(guī)律的前提。該地區(qū)依法進(jìn)行合理的林業(yè)建設(shè)。目前,國外在地形因子對土壤水分變異影響的研究中,運(yùn)用地統(tǒng)計學(xué)原理、采取網(wǎng)格法采樣、基于GIS技術(shù),對土壤水分狀況進(jìn)行全面估算,并建立了土壤水分變異的相關(guān)模型.但基于坡面土壤水分分布狀況與地形因子間相互關(guān)系的研究較少.國內(nèi)在這方面的研究,多集中于通過對地形條件不同的試驗(yàn)地土壤水分狀況的量測,進(jìn)行定性的比較分析.這些分析由于基于單點(diǎn)數(shù)據(jù),代表性較差,以致分析結(jié)果缺乏說服力.因此,本研究通過對黃土區(qū)典型梁峁坡面的地形因子數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析,試圖得到全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確的地形因子對土壤水分變異的影響規(guī)律.1黃隴煤炭基地土壤、濕地、植被自然情況研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川流域(北緯36°14′～36°18′、東經(jīng)110°40′～110°48′),流域主溝長12.15km,面積40.10km2.該流域?yàn)辄S土高原殘塬溝壑區(qū)和梁狀丘陵溝壑區(qū)的典型地區(qū),海拔904～1592m,年平均降雨量為579.5mm,年平均水面蒸發(fā)量為1723.9mm,年均氣溫10℃.土壤為褐土,黃土母質(zhì).流域森林覆蓋率為39.8%.實(shí)驗(yàn)區(qū)為黃土區(qū)典型梁峁類型(圖1),位于蔡家川流域中部.主梁為南北走向,南北向長675m,東西向長490m,峁頂海拔1195m,溝底海拔1060m,高差135m.坡度范圍在7°～66°之間.梁峁坡面植被以人工林為主(圖2),包括果園、純林、混交林、灌草坡.主要喬灌木有油松(PinustabulaeformisCarr.)、側(cè)柏(Platycladusorientalis(Linn.)Franco)、刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、梨(PyrusbretschneideriRehd.)、山桃(Prunusdavidiana(Carr.)Franch.)、山杏(Armeniacasibirica)、黃刺玫(RosexanthinaLindl.)、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataL.var.trilobata)等.2學(xué)習(xí)方法2.1土壤水分測定在試驗(yàn)區(qū),采用均勻網(wǎng)格法布置土壤水分測定樣點(diǎn),按20m×20m的網(wǎng)格選取樣點(diǎn),共布置土壤水分監(jiān)測樣點(diǎn)291個(見圖3).于2005年4月28和29日使用TDR測定所選樣點(diǎn)0～30cm和30～60cm土層水分含量.TDR是目前土壤水分測量中最為快捷、準(zhǔn)確的儀器.本次試驗(yàn)選用TRIME--TDR,并配合三針型P3探頭同時使用,可實(shí)現(xiàn)土壤水分快速、直接、準(zhǔn)確的測定.2.2基于grid方法的土壤水分模型利用ArcGIS,將全試驗(yàn)區(qū)291個樣點(diǎn)點(diǎn)位圖數(shù)字化,生成用于克立格插值分析的樣點(diǎn)分布空間數(shù)據(jù)庫,通過同名字段進(jìn)行與各點(diǎn)不同土層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)之間的鏈接,實(shí)現(xiàn)與樣點(diǎn)地理坐標(biāo)匹配的屬性數(shù)據(jù).然后用ArcGIS中的grid模塊對未測定區(qū)域土壤水分狀況進(jìn)行克立格插值計算,生成整個試驗(yàn)區(qū)梁峁坡面的土壤水分分布圖.將試驗(yàn)區(qū)1∶10000地形圖數(shù)字化,生成DEM圖,分別提取高程、坡向、坡度3個地形因子,生成試驗(yàn)區(qū)高程分布圖、坡向分布圖和坡度分布圖.使用ArcGIS中g(shù)rid的combine命令將高程、坡向、坡度分布圖與土壤水分分布圖先進(jìn)行共同疊加,而后單因子分別疊加,得到地形因子與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)庫和高程、坡向、坡度各因子與土壤水分相對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫.基于地形因子與土壤水分疊加數(shù)據(jù)庫,使用SPSS統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行主成分分析,得出主成分和各因子的貢獻(xiàn)率;基于單個地形因子與土壤水分的疊加數(shù)據(jù),使用Excel進(jìn)行單因素對土壤水分作用規(guī)律分析.3結(jié)果與分析3.1土壤水分含量在進(jìn)行土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)克立格插值之前,應(yīng)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)特征有一個初步的了解.對291個樣點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)分析,其結(jié)果見表1.由表1可見,平均土壤水分含量為10.94%(0～30cm)和11.88%(30～60cm).由于上一年度(2004年)屬豐水年,降水量為611.5mm,因此盡管測期處于生長季初期,土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,植物生長需水量較大,但0～60cm土壤水分含量較好.0～30cm土層土壤平均含水量低于30～60cm土層,變異系數(shù)高于30～60cm土層,說明表層土壤具有較低的土壤水分含量和較高的變異程度,而底層土壤水分狀況較好且變異程度較小.根據(jù)得到的實(shí)測土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),采用普通克立格法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插,繪制土壤水分含量的空間分布圖(見圖4).如圖4中(a)、(b)所示,土壤水分表現(xiàn)出較為規(guī)律的變化.總體呈現(xiàn)自東北向西南減小的趨勢,南向坡由于太陽輻射強(qiáng)度較大,土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,形成較低的土壤水分含量.30～60cm土層的高土壤水分含量區(qū)域的數(shù)量、面積均多于0～30cm土層,致使30～60cm土層土壤水分含量明顯好于0～30cm土層.其原因在于表層土壤水分含量受氣象因素影響強(qiáng)烈,測期(4月28、29日)正值旱季,缺乏降水補(bǔ)充,表層土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,土壤水分含量偏低.3.2土地因子提取通過試驗(yàn)區(qū)等高線圖的數(shù)字化處理,生成DEM圖.分別提取高程、坡向、坡度3個地形因子,生成試驗(yàn)區(qū)地形因子圖(見圖5).3.3影響土壤水分狀況的主成分將高程、坡向、坡度3個地形因子圖與土壤水分克立格插值圖疊加,輸出地形因子與土壤水分狀況相對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫.基于此數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計學(xué)分析,結(jié)果見表2.由表2可以看出地形因子的公因子方差均為1,3個地形因子的公因子方差之和為3.通過未旋轉(zhuǎn)的公因子方差(Extraction)可以預(yù)測土壤水分和地形因子的多重相關(guān)性.在0～30cm土層地形因子與土壤水分的相關(guān)性由大到小為坡向、高程、坡度;在30～60cm土層地形因子與土壤水分的相關(guān)性由大到小為坡度、高程、坡向.基于上述分析結(jié)果,對各成分的貢獻(xiàn)率進(jìn)行進(jìn)一步分析,以確定主成分個數(shù),結(jié)果見表3.表3中相關(guān)矩陣的特征值(total)決定了應(yīng)保留為主成分的因子.其值>1,該因子可保留為主成分;其值<1,則因子不應(yīng)保留為主成分.在0～30cm土層中,成分1(坡向)的total=1.350>1,應(yīng)保留為主成分,它的貢獻(xiàn)率是45.001%,累計貢獻(xiàn)率是45.001%;成分2(高程)的total=0.978<1,不應(yīng)保留為主成分,它的貢獻(xiàn)率是32.593%,累計貢獻(xiàn)率是77.594%;成分3(坡度)的total=0.672<1,不應(yīng)保留為主成分,它的貢獻(xiàn)率是22.406%,累計貢獻(xiàn)率是100%.在30～60cm土層中,成分1(坡度)的total=1.352>1,應(yīng)保留為主成分,它的貢獻(xiàn)率是45.054%,累計貢獻(xiàn)率是45.054%;成分2(高程)的total=0.976<1,不應(yīng)保留為主成分,它的貢獻(xiàn)率是32.549%,累計貢獻(xiàn)率是77.604%;成分3(坡向)的total=0.672<1,不應(yīng)保留為主成分,它的貢獻(xiàn)率是22.396%,累計貢獻(xiàn)率是100%.由上述分析可以得到影響每層土壤水分狀況的只存在一個主因子.通過對各因子的荷載量進(jìn)行分析,確定主成分.荷載量表示地形因子對土壤水分變量的影響程度.由表4可以看出在0～30cm土層中坡向在因子上的載荷量最大,其次為高程和坡度,坡向應(yīng)為主成分;在30～60cm土層中,坡度在因子上的載荷量最大,其次為高程和坡向,坡度應(yīng)為主成分.通過主成分分析可得,在0～30cm土層,坡向?yàn)橹鞒煞?高程的影響程度次之,坡度最小;在30～60cm土層,坡度為主成分,高程的影響程度次之,坡向最小.坡向作為0～30cm影響土壤水分狀況的主成分因子,其原因在于表層土壤水分的狀況受氣象因子,尤其是太陽輻射強(qiáng)度的影響最甚,坡向的差異可以最大程度地反映太陽輻射強(qiáng)度的差異,進(jìn)而反映土壤水分含量的差異;而隨著高程的升高,太陽輻射強(qiáng)度增大,這種變化對土壤水分狀況也有一定程度的影響;坡度在這方面的影響較為薄弱.在30～60cm土層,由于隨著土壤深度的增加,氣象因素的作用能力減弱,因此坡向的影響程度降為最小;而坡度成為對土壤水分狀況影響的主成分因子,坡度的差異導(dǎo)致了水分在土壤中的流動和保蓄,這是形成深層土壤水分差異的主要原因;而高程的差異也是土壤水分運(yùn)動的條件,因而也對土壤水分差異的形成有一定作用.3.4土壤水分隨坡度變化特征將試驗(yàn)區(qū)坡向圖、坡度圖分別與土壤水分克立格插值圖疊加,生成與坡向、坡度分別關(guān)聯(lián)的土壤水分屬性數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行主成分地形因子對土壤水分狀況的影響分析.將與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)相對應(yīng)的坡向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,結(jié)果見圖6.由圖6可以看出,0～30cm和30～60cm土壤水分隨坡度的變化保持基本相似的趨勢,但30～60cm土壤水分含量值明顯高于0～30cm.從總體上看,在坡向N337.50°(北偏西22.5°)存在土壤水分含量的最高區(qū)域,而在N202.50°(南偏西22.5°)(0～30cm)、N191.25°(南偏西11.25°)(30～60cm)存在土壤水分含量的最低區(qū)域.自土壤水分最高區(qū)域以順時針方向分析土壤水分變化規(guī)律,土壤水分變化呈現(xiàn)先減少后增加,再減少,后增加的兩次減增過程.自土壤水分含量最高區(qū)域N337.50°(北偏西22.5°)至N45°(北偏東45°),土壤水分減少,但在N22.50°(北偏東22.50°)(0～30cm)、N11.25°(北偏東11.25°)(30～60cm)處土壤水分值出現(xiàn)異常變化點(diǎn),測值偏高,原因在于試驗(yàn)區(qū)該方向上種植大面積果樹,灌溉使土壤水分含量升高;自N45°(北偏東45°)至N56.25°(東偏北33.75°)土壤水分含量升高;在N56.25°(東偏北33.75°)至N90°(東)之間保持相對穩(wěn)定;自N90°(東)至土壤水分含量最低點(diǎn)N202.50°(南偏西22.5°)(0～30cm)、N191.25°(南偏西11.25°)(30～60cm),土壤水分緩慢降低;自土壤水分含量最低點(diǎn)至最高點(diǎn)含水量迅速上升.根據(jù)各坡向土壤水分狀況對坡面進(jìn)行劃分,豐水區(qū)為N303.75°(北偏西56.25°)～N348.75°(北偏西11.25°)和N56.25°(東偏北33.75°)～N90°(東);平水區(qū)為N348.75°(北偏西11.25°)～N56.25°(東偏北33.75°);欠水區(qū)為N90°(東)～N303.75°(北偏西56.25°).將與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)相對應(yīng)的坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,結(jié)果見圖7.由圖7可知,土壤水分隨坡度變化的幅度很小.隨著坡度的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢,狀似正弦曲線.自0°至10°土壤水分迅速上升;自10°至40°土壤水分含量緩慢下降.總體來看,當(dāng)研究區(qū)坡面的坡度為5°～25°時,土壤水分狀況較好.而兩端低坡度(0°～5°)和高坡度(大于25°)土壤水分狀況較差.究其原因,作者認(rèn)為研究區(qū)低坡度區(qū)域(0°～5°)大多位于林道周圍,或?yàn)榱横股喜康幕牟萜?缺少植被遮蓋,土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈,0～60cm土層土壤水分狀況較差;而高坡度區(qū)域(25°以上)由于地形陡峻,不利于降水的入滲和土壤水分的保蓄,因此土壤水分狀況較差.因此根據(jù)坡度與土壤水分關(guān)系,以坡度5°和25°劃分為豐水區(qū)(5°～25°)、欠水區(qū)(0°～5°和25°以上).4坡向?qū)ν寥浪值挠绊?)通過克立格插值法得到研究區(qū)土壤水分空間分布圖,經(jīng)計算,整個研究區(qū)坡面不同土層(0～30cm、30～60cm)的土壤水分含量平均值分別為10.94%、11.88%.2)對影響土壤水分的地形因子經(jīng)主成分分析得出,在0～30cm土層,坡向?yàn)橹鞒煞?高程的影響程度次之,坡度最小;在30～60cm土層,坡度為主成分,高程的影響程度次之,坡向最小.3)坡向?qū)ν寥浪值挠绊懣杀硎鰹?在坡向N337.50°(北偏西22.5°)處存在土壤水分含量的最高區(qū)域,在N202.50°(南偏西22.5°)(0～30cm)、N191.25°(南偏西11.25°)(30～60cm)處存在土壤水分含量的最低區(qū)域.在土壤水分含量最高區(qū)域土壤水分變化呈現(xiàn)先減少后增加,再減少,后增加的兩次減增過程(順時針方向).根據(jù)各坡