辽西山地丘陵区小流域土壤水分空间变异特性研究_王福兵.pdf

5 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）辽西山地丘陵区小流域土壤水分空间变异特性研究王福兵（锦州新泽工程建设监理有限公司，辽宁 锦州 121100）摘 要：为揭示地形条件和用地类型土壤含水率影响因素及其变异特性，以辽西山地丘陵区下山口小流域为例，用统计学方法全面探讨土壤水分变异特性。结果表明：从低到高不同土地利用方式下土壤含水率排序：灌木林地林地草地耕地，各用地类型呈极显著差异，从土壤剖面上含水率表现出先下降后上升变化特征；从低到高不同地形条件下土壤含水率排序：坡顶坡地沟底梯田，不同坡位上排序：坡中坡上坡下，不同坡向上排序：阳坡阴坡，土壤含水率达到中等变异程度。研究成果为辽西山地丘陵区不同地形条件下植被布局、土地利用结构优化以及土壤水分管理提供一定支持。关键词：地形条件；土地利用；土壤含水率；变异特性；山地丘陵区中图分类号：S812.2文献标识码：B1 研究方法1.1 流域概况以义县下山口小流域为研究区，该小流域位于辽西山地丘陵区，属于大凌河中游，地处E1205855121210.5，N412126.3412451.7之间，总面积 3586hm2。土壤类型以棕壤性土亚类为主，土壤腐殖质较少，通透性差，抗冲蚀性弱，极易发生水土流失。植被属华北针叶、阔叶和落叶混合类型区，以天然次生灌木林(荆条)和人工林(黑松、刺槐)为主，大部分为单一树种，成林面积较少，加之历代人类活动破话，大部分山地植物稀少。下山口小流域总面积 3586hm2，用地类型以耕地、草地、灌木林地以及林地为主。1.2 样品采集针对下山口小流域不同土地利用类型，采用网格法按间距 20m20m 进行采样，通过 GPS 定位共设置80个样点，不同用地类型的样品采集信息，见表 1。样点采集过程中利用土钻(直径 4cm)分层取样，为保证数据精度每个样点取土样 13 个，其中 060cm 深度范围内每隔 10cm 取样一次，60200cm 深度范围内每隔 20cm 取样一次。土样采集后放入铝盒内，在实验室利用烘干法进行土壤含水率测定，烘干时间 8h，设定温度 105110，以质量百分比反映含水率变化。表 1 不同用地类型的样品采集信息用地类型草地 灌木林地林地耕地水域村镇、公路及工矿地老果园合计面积/hm2528.07138.04673.591491.28312.59432.589.853586面积比例/%14.733.8518.7841.598.7212.060.27100.00样本数24163010/80样本比例/%30.020.037.512.5100.01.3 数据处理采样时间为 2021 年 7 月，为消除土壤水分空间变异性受前期降雨及其再分布的影响，本研究不考虑 020cm 深度范围内的水分数据。采用 Excel 2018、SPSS20.0、Sigmaplot 12.0、Arc GIS 9.5 等软件计算土壤含水率平均值、标准差、变异系数、方差分析、多种比较、图件制作以及相关统计分析。收稿日期 2022-12-17作者简介王福兵（1970-），男，辽宁锦州义县人，助理工程师，研究方向为水利工程、水土保持工程、河道、农业水利工程、监理等。文章编号:1007-7596（2023）01-0005-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.001 6 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）2 结果与分析2.1 不同用地类型的土壤水分特性2.1.1 土壤含水率的统计特征值变异系数 CV是反映土壤含水率离散程度以及特征参数空间变异程度的重要因子1，一般将变异程度划分成强、中、弱 3 个等级，所对应的变异系数 CV 100%、10%CV 100%、CV 10%，不同用地类的土壤含水率，见表 2。表 2 不同用地类的土壤含水率用地类型草地灌木林地林地耕地合计样本数2416301080土壤含水率/%最大值19.6116.3714.8522.7022.70最小值3.163.322.267.362.26平均值9.05a5.87b7.20c13.15d8.15标准差2.912.042.423.813.40变异系数/%31.2734.6133.1528.1341.62注：a、b、c、d 小写字母代表 P 0.01 上显著差异。由表 2 可知，下山口小流域土壤含水率总体处于 2.26%22.70%之间，平均值 8.15%，变异系数41.62%达到中等变异程度。对于不同用地类型，灌木林地、林地和草地的土壤含水率明显低于耕地的 13.15%，相较于耕地土壤含水率减小 55.4%、45.2%、31.2%；各用地类型的土壤水分变异系数处于 28.13%34.61%，总体达到中等变异程度。依据方差分析结果，不同用地类型下土壤含水率平均值在 P 0.01 上显著差异，差异性排序：灌木林地林地草地耕地，该变化特征可能与下山口小流域耕地地貌形态以梯田和沟坝地为主，而坡耕地较少且大多分布于坡度较小的区域有关2。2.1.2 土壤含水率的垂直分布土壤垂直方向上的含水率分布变化受影响因素有土地利用、地形、蒸散、降雨等，土壤含水率垂直分布，不同用地方式的土壤含水率垂直分布，见图1。图 1 不同用地方式的土壤含水率垂直分布由图 1 可知，2050cm 深度范围内随土层深度增加草地、林地和灌木林地的土壤含水率不断减小，深度 50cm 后随土层深度增加草地、林地和灌木林地的土壤含水率逐渐增大，但 140cm 处和 160cm处草地、林地呈现出相对低湿和高湿特征。植被根系较深的灌木林地和林地会消耗大量的土壤水分，另外垂直方向上的水分吸收在一定程度上降低了坡面上土壤含水率的波动3。20200cm 土层范围内耕地土壤含水率出现较大变异，总体呈先上升后下降再上升的变化趋势，100cm 土层深度处的含水率最低。在剖面上，耕地土壤含水率干湿波动与田间管理措施、人为对土壤的翻耕、土壤空隙分布等物理性能密切相关。不同土层深度不同用地方式下的土壤含水率，见表3，经K-S检验每层土壤含水率数据均符合正态分布。表 3 不同土层深度的土壤含水率及变异系数%土层深度/cm203030404050506060808010010012012014014016016018180200草地样本数2424222222222222202020均值9.157.867.688.008.659.019.129.029.869.859.81标准差2.102.162.042.252.223.103.743.162.452.702.70变异系数22.8627.4126.7828.4025.5734.0640.6034.6824.7627.1227.20灌木林地样本数1616151515141414141313均值6.245.105.005.165.225.215.515.845.826.006.57标准差2.001.150.810.860.821.641.721.151.861.121.67变异系数32.2523.1515.5016.4715.1331.4532.2020.1731.0818.7125.64林地样本数3030303029292928272727均值7.166.586.366.606.817.357.307.018.027.677.85标准差2.302.122.052.012.342.102.333.122.252.372.24变异系数32.0634.0532.7130.8034.6727.0430.2244.7828.1530.2628.37耕地样本数101010109888888均值12.6713.2512.8614.3712.7211.5814.0113.5914.4714.2315.00标准差3.753.864.065.374.025.174.363.022.763.474.42变异系数30.1028.8130.7236.5230.4743.6730.3221.5618.7124.1528.06 7 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）从表 3 可以看出，草地、灌木林地、林地、耕地的各层土壤水分变异系数处于 22.86%40.60%、15.13%32.25%、27.04%44.78%、18.71%43.67%范围，均达到中等变异程度；各土层变异系数随着土层深度的增大未表现出明显的变化规律。不同用地类型各土层土壤含水率变异系数、标准差与平均值的Pearson相关系数，含水率Pearson相关系数表，见表 4。结果表明林地、草地、耕地含水率均值与变异系数、标准差的相关性不显著，而灌木林地含水率均值与变异系数、标准差呈极显著正相关，说明随着土壤含水率均值的增加灌木林地含水率变异性逐渐增大，这与剖面上土壤含水率分布特征一致。另外，不同用地类型下土壤含水率变异系数与标准差呈极显著正相关4。表 4 含水率 Pearson 相关系数表变量用地类型含水率均值含水率标准差含水率变异系数含水率均值耕地1.000.320.71草地1.000.510.15林地1.000.25-0.28灌木林地1.000.90*0.80*含水率标准差耕地1.000.96*草地1.000.92*林地1.000.89*灌木林地1.000.97*含水率变异系数耕地1.00草地1.00林地1.00灌木林地1.00注：“*”代表相关系数在 P 0.01 上显著。2.2 不同地形的土壤水分变异特性2.2.1 土壤含水率的统计特征值统计分析不同地形条件的土壤含水率，不同地形条件的土壤含水率，见表 5。从低到高土壤含水率平均值排序：坡顶(8.12%)坡地(8.25%)沟底(8.67%)梯田(9.55%)，经方差检验达到P0.05的显著差异。不同地形的土壤水分变异系数处于34%45%之间，达到中等变异程度。表 5 不同地形条件的土壤含水率用地类型坡顶坡地沟底梯田样本数264077土壤含水率/%最大值22.7018.5616.2520.61最小值2.262.613.104.75平均值8.12A8.25A8.67A9.55B标准差3.752.864.014.22变异系数/%45.034.045.042.0注：A、B 大写字母代表 P 0.05 上显著差异。对小流域土壤含水率数据利用 Arc GIS 软件自带的统计模块进行正态分布检验，经对数转化后土壤含水率数据服从正态分布，可以进行插值处理。结果表明，从低到高不同地形土壤含水率排序：坡顶坡地沟底，该变化特征与表 5 统计数据保持一致。2.2.2 土壤含水率的垂直变化及差异特征将不同坡位按照坡高划分成坡下、坡中和坡上，结果显示从低到高不同坡位土壤含水率排序：坡中坡上坡下，不同坡位上的土壤含水率，见表 6。表 6 不同坡位上的土壤含水率用地类型坡上坡中坡下合计样本数1062440均值/%7.81aA6.15bB8.60cC8.12标准差2.822.452.712.80标准误差0.260.270.150.12变异系数/%37403135注：不同小写和大写字母代表 P 0.01、P 0.05 上显著差异。不同坡位的土壤含水率变异系数均 31%，达到中等变异程度，其中坡上与坡中相差不大，坡下最低，随海拔增加坡地上的土壤含水率差异性更加显著。经方差分析，坡上、坡中和坡下土壤含水率呈极显著或显著差异，其中坡下与坡上达到显著差异(P 0.05)，坡上、坡下与坡中土壤含水率呈极显著差异(P 0.01)。因此，土壤含水率受降雨再分配、土地类型、