趙伶俐，王福平

（1.北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.北方民族大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中心，寧夏銀川 750021）

土壤含水量是土壤特性的動(dòng)態(tài)組成部分，土壤含水量的空間分布受到氣候、水文地質(zhì)、地理等因素的影響，在空間分布上表現(xiàn)出復(fù)雜性和不確定性，土壤水分這種隨空間分布位置發(fā)生變化而變化的性質(zhì)，稱為土壤含水量的空間變異性［1］。同時(shí)土壤含水量的空間變異性也隨研究尺度、季節(jié)變化和植被因子等的影響而異。描繪出某地區(qū)的土壤含水量空間變異性和分布特征，對(duì)了解當(dāng)?shù)赝寥罎穸取⑸鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等信息是不可或缺的，為土壤水分有效利用、植被合理布局和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

寧夏南部山區(qū)地處在黃土高原的西北邊緣，地形有丘陵、山地和盆地，氣候和水文屬于干旱半干旱區(qū)，地表植被覆蓋稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重，干旱少雨缺水，面臨著嚴(yán)峻的生態(tài)重建問題［2］。研究該地區(qū)土壤水分的空間變異性和空間分布特征可為當(dāng)?shù)氐乃Y源研究、生態(tài)重建提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)南部山區(qū)的固原市原州區(qū)、涇源縣和中衛(wèi)市海原縣等地的黃土丘陵地，地理位置在105°58′～106°32′E，35°36′～36°38′N之間。氣候?qū)俑珊岛桶敫珊祬^(qū)，春季干旱氣溫多變，夏季短暫涼爽，秋季溫涼干燥，冬季寒冷漫長(zhǎng)。年平均降水量492.2 mm，大多集中在6—9月，年蒸發(fā)量1 753.2 mm。境內(nèi)水資源貧乏，地表水主要來源于自然降水，地下水主要利用清水河，研究區(qū)地形多丘陵山地、緩坡。土壤以黃綿土為主，屬于粉質(zhì)壤土，土地利用類型有農(nóng)地、撂荒地和草地，自然植被主要以天然牧草、蒿草、檸條等。

土壤含水量數(shù)據(jù)的采集在寧夏固原市原州區(qū)開成鎮(zhèn)三十里鋪村，在不同土地利用類型和空間位置進(jìn)行樣點(diǎn)選擇和布設(shè)。在2017年3月（春）、6月（夏）和9月（秋）無降雨期間，每個(gè)月選擇坡度、質(zhì)地、土壤類型一致的樣地進(jìn)行土壤含水量測(cè)定，取樣深度為0～15 cm的表層土樣和深度為15～30 cm的深剖面土樣，利用烘干稱重法和土壤水分傳感器測(cè)定土壤含水量。

1.2 研究方法

利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤含水量的空間變異性和空間分布特征。

（1）采集土壤含水量樣本數(shù)據(jù)。

（2）計(jì)算土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征值如平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等，判斷土壤水分的變異性。

（3）對(duì)土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差計(jì)算，半方差擬合與最優(yōu)模型選擇。

（4）確定變異函數(shù)的重要參數(shù)，利用參數(shù)分析土壤含水量空間變異相關(guān)性的強(qiáng)弱。

（5）進(jìn)行克里格插值，將空間點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成面數(shù)據(jù)，給出土壤濕度的空間分布圖，分析土壤含水量的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣幅度對(duì)土壤水分變異性的影響

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)里通常用變異系數(shù)（CV）的大小判斷研究?jī)?nèi)容的變異程度，變異系數(shù)的計(jì)算公式為

土壤含水量的變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，它的大小反映了土壤含水量的空間變異性大小，通常CV＜0.01為弱變異性，0.01＜CV＜1為中等變異性，CV＞1為強(qiáng)變異性［3-4］。

表1是2017年9月對(duì)土層深度10～15 cm采樣的土壤含水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采樣區(qū)域在500～5 000 m2逐漸增大，在每個(gè)幅度中按照間距5 m×5 m的網(wǎng)格設(shè)采樣點(diǎn)。從表1可以看出，變異系數(shù)在7%～20%之間，土壤水分具有中等變異性。數(shù)據(jù)中還發(fā)現(xiàn)，隨著采樣區(qū)域面積的增大，土壤含水量變異系數(shù)逐漸增大，這是由于研究區(qū)域范圍的增大，采樣的點(diǎn)數(shù)更多，對(duì)土壤水分有影響的較多因素（植被、降雨、表面蒸發(fā)等因素）體現(xiàn)出來，從而使得其變異系數(shù)增大，變異性也增大。在采樣面積為3 500 m2時(shí)，土壤水分的變異系數(shù)為19.277%，而當(dāng)采樣面積從3 500 m2增大到5 000 m2時(shí)，變異系數(shù)不再增大而是趨于穩(wěn)定在19%左右。說明變異系數(shù)增大到一定數(shù)值而趨于穩(wěn)定，不再隨著采樣面積的增大而無限增大。

表1 采樣幅度與變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值

2.2 土壤水分空間變異性的季節(jié)性特征

在春季（3月）、夏季（6月）、秋季（9月）對(duì)土層深度10 cm和25 cm采集的土壤含水量統(tǒng)計(jì)特征值如表2所示。數(shù)據(jù)是在同一研究區(qū)域相同的采樣幅度下，按采樣時(shí)間和采樣深度不同測(cè)得的。寧夏南部在夏季6—7月通常有暴雨，為減少降雨對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的直接影響，夏季土壤水?dāng)?shù)據(jù)于降水后間隔5 d采集，數(shù)據(jù)能夠較好地反映土壤水分的季節(jié)性特征。

從表2中不同季節(jié)土壤含水量的平均值可以看出，3月份寧夏南部地區(qū)干旱少雨土壤干層較厚，土壤表層和深層含水量都很低。6月份固原的降水量開始增多，土壤含水量相對(duì)3月份上升，但夏季氣溫偏高，表層土壤水分蒸發(fā)很大，而且植物也需大量消耗水分，所以表層土壤含水量較低，25 cm深度的土壤水分相對(duì)表層較高；9月植物耗水減少，受降水天氣變涼影響，表層和深層的土壤含水量逐漸增加。從變異系數(shù)看出，春、夏、秋土壤含水量的變異系數(shù)在7.3%～19.2%之間，屬于中等變異性。但土壤水分空間變異性的季節(jié)性特征表現(xiàn)較為明顯，夏季土壤水分變異系數(shù)最大，秋季土壤水變異系數(shù)最小，春季的變異系數(shù)介于夏季和秋季之間。另外，同一區(qū)域表層土壤水分的變異系數(shù)大于深層的，表明表層土壤水分的空間變異性更大。因此，夏季表層土壤水分的空間變異性最大。

表2 土壤含水量統(tǒng)計(jì)特征值

2.3 土壤水分空間變異相關(guān)性

在土壤特性空間變異性分析中，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)理論認(rèn)為，土壤水文性質(zhì)在空間上是相互獨(dú)立的，但是，實(shí)際上在一定的空間范圍內(nèi)，土壤水文性質(zhì)間具有相關(guān)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)中通過半方差函數(shù)來定量描述土壤水文性質(zhì)的空間變異結(jié)構(gòu)，即土壤特性空間分布的相關(guān)性。區(qū)域化變量Z（x）在點(diǎn)xi和xi+h處的2個(gè)隨機(jī)變量Z（xi）與Z（xi+h）的半方差函數(shù)（又稱變異函數(shù)）：

表3是對(duì)土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差計(jì)算，確定半方差函數(shù)的參數(shù)。其中描述土壤水文性質(zhì)空間變異特征的重要參數(shù)有塊金值（C0）、基臺(tái)值（C+C0）、空間異質(zhì)比［C0/（C+C0）］和變程等。塊金值表示為隨機(jī)變異，基臺(tái)值為隨機(jī)變異和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變異之和，空間異質(zhì)比是塊金值與基臺(tái)值之比，表示系統(tǒng)變量的空間變異相關(guān)程度。當(dāng)空間異質(zhì)比＜25%時(shí)，表示水文特性具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性；比值＞75%時(shí)，土壤水文性質(zhì)具有弱空間相關(guān)性；介于25%～75%之間土壤水文性質(zhì)具有中等空間相關(guān)性［4-5］。

由表3可知，3月10 cm和25 cm深度土壤水分空間異質(zhì)比為3.913%和6.013%；6份月當(dāng)?shù)赜昙镜絹?，受到降水、植物耗水量、地表蒸發(fā)等影響，土壤水分的生態(tài)過程發(fā)生變化，10 cm和25 cm深度土壤水分空間異質(zhì)比為11.713%和4.800%；9月份10 cm和25 cm深度土壤水分的空間異質(zhì)比為5.868%和6.867%；春、夏、秋季節(jié)土壤水分的空間異質(zhì)比均小于25%，表明該區(qū)域土壤水分具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，不同季節(jié)土壤含水量的空間變異相關(guān)程度不同。另外，表3數(shù)據(jù)也顯示，同一采樣時(shí)間10 cm和25 cm深度的土壤水分空間異質(zhì)比也有較大差異，表明相同區(qū)域不同采樣深度的土壤含水量均表現(xiàn)出不同的空間變異性，都具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。

表3 土壤含水量半方差函數(shù)參數(shù)

2.4 土壤水分空間分布

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)半方差擬合選擇最優(yōu)擬合模型，并進(jìn)行克里格插值，將空間點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù)，繪出土壤水分空間分布圖。其中，決定系數(shù)是評(píng)價(jià)理論模型與實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)擬合程度高低的參數(shù)，通常按決定系數(shù)最大的原則選取擬合模型，決定系數(shù)越大，擬合效果越好［4，6］。表3中按決定系數(shù)r2最大的原則擬合的模型有球狀模型和指數(shù)模型。利用GS+7.0軟件仿真擬合后的曲線為實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)，也即半方差圖。圖1所示為3月、6月、9月即春夏秋季節(jié)土層深度10 cm和25 cm土壤水分的半方差圖。

從圖1可以看出，不同季節(jié)不同深度土壤水分的空間變異相關(guān)程度不同。應(yīng)用克里格插值制圖可以得出土壤含水量的空間分布圖。圖2所示是3月、6月和9月在同一區(qū)域10 cm和25 cm深度的土壤含水量的空間分布圖。

從圖2可以看出，不同季節(jié)土壤水分的空間變異性和空間分布明顯不同，相同區(qū)域不同深度的土壤水分空間變異和分布也存在差別，在空間不同方向上分布具有不同程度的空間相關(guān)性。受季節(jié)性、降水以及植被覆蓋生長(zhǎng)等因素影響，3月份土壤水分空間分布破碎化程度較高，土壤水分布規(guī)律不明顯，具有零散性；6月和9月土壤水整體分布相對(duì)較均勻。還可以看出，土壤水分的空間分布表現(xiàn)為東南部區(qū)域的土壤含水量高于西北區(qū)域的，這和實(shí)際地形相符的，研究區(qū)域西北部多丘陵山地，土壤干層厚，植被覆蓋少，而偏東南部多平地，靠近清水河流域，土壤含水量相對(duì)較高。

3 討論

本研究基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)寧夏南部干旱區(qū)土壤水分的空間變異性進(jìn)行研究。首先分析了采樣幅度對(duì)土壤水分變異性的影響，試驗(yàn)中采樣間距5 m×5 m，幅度為500～5 000 m2。研究結(jié)果表明，隨著采樣幅度的增大，土壤水分的變異系數(shù)逐漸增大，變異性增大，這是由于采樣幅度增大，土壤覆蓋的植被、降水等因素的空間變異性會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分空間變異性增大。但變異系數(shù)增大到一定數(shù)值趨于穩(wěn)定后，不再隨著采樣幅度的增大而無限增大。這和胡偉等黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異尺度性的研究結(jié)果［1］相似。Western等指出，土壤樣本采集時(shí)最理想的采樣是采樣幅度非常大，采樣間距非常?。?］，但由于寧夏南部黃土丘陵山地溝壑較多，地形較復(fù)雜，進(jìn)一步縮小采樣間距采集數(shù)據(jù)的難度加大，所以文中未涉及減小采樣間距對(duì)土壤水分空間變異性的影響。在丘陵山地溝壑地形的小尺度采樣間距對(duì)土壤水分空間變異的影響后期進(jìn)一步研究。

研究還分析了土壤水分空間變異性的季節(jié)性特征。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分別在寧夏南部干旱區(qū)春、夏、秋季節(jié)內(nèi)無降雨期間，采集了距離表層10 cm和25 cm深度的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分空間變異性表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性特征，夏季土壤水分變異性明顯高于春季和秋季。這是由于夏季降雨較多、植物生長(zhǎng)耗水也增多、土壤表面蒸發(fā)較大等因素影響，導(dǎo)致夏季土壤水分的變異性最強(qiáng)。這和高曉東等在黃土高原陜西省清澗店則溝鎮(zhèn)（丘陵地形）土壤水分季節(jié)性特征的研究結(jié)果［8］相似。本研究還發(fā)現(xiàn)，同一區(qū)域表層土壤水分的變異系數(shù)大于深層的，表層土壤水分的空間變異性更大。表層土壤水分空間分布破碎化程度較高，分布規(guī)律不明顯，空間變異性較大，深層土壤水分整體分布相對(duì)均勻。這和Jia等的研究結(jié)果［9］相似。這是由于影響土壤水分發(fā)生變化的降雨、蒸發(fā)、植被覆蓋等因素隨深度的增加而降低，隨著土層深度增加，土壤含水量穩(wěn)定性較好。

黃土丘陵地土壤水空間變異性研究目前看到的文獻(xiàn)研究大部分在陜西黃土高原地區(qū)，對(duì)于寧夏南部干旱半干旱區(qū)土壤水分空間變異性鮮有研究，寧夏南部生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源貧乏，本研究給出寧夏南部干旱區(qū)土壤水分空間變異性及季節(jié)性特征，可為該區(qū)域土壤水資源研究提供參考。

4 結(jié)論

基于對(duì)寧夏南部干旱半干旱區(qū)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的空間變異性試驗(yàn)分析，可得出以下結(jié)論：

（1）土壤水分的變異系數(shù)與研究區(qū)域采樣面積的大小有關(guān)，采樣面積增大，變異系數(shù)增大，變異增大。變異系數(shù)增大到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定，不隨著采樣面積的增大而無限增大。

（2）受到降雨、植物耗水、蒸發(fā)等因素的影響，土壤水分空間變異性均表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性特征，夏季土壤水變異系數(shù)最大，秋季土壤水變異系數(shù)最小，春季的變異系數(shù)介于夏季和秋季之間。另外，同一區(qū)域表層土壤水分的變異系數(shù)大于深層的，表層土壤水分的空間變異性更大。

（3）不同季節(jié)表征土壤水分空間變異相關(guān)程度的參數(shù)空間異質(zhì)比均小于25%，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。土壤水分的空間分布表現(xiàn)為東南部區(qū)域的土壤含水量高于西北區(qū)域的。表層土壤水分空間分布破碎化程度較高，深層土壤水分整體分布相對(duì)均勻。