白一茹，王幼奇，王　菲，王建宇

(寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

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壓砂地土壤導(dǎo)水特性空間格局及影響因子

白一茹，王幼奇，王菲，王建宇

(寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

采用10 m×10 m網(wǎng)格布點的方式對寧夏壓砂田0～10 cm和10～20 cm深度下土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)及其相關(guān)因素的空間變異規(guī)律進(jìn)行研究。經(jīng)典統(tǒng)計結(jié)果表明：2個采樣深度下土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度表現(xiàn)為弱變異，飽和含水量和土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為中等變異；0～10 cm深度下Ks表現(xiàn)為中等變異，10～20 cm深度下Ks表現(xiàn)為強變異；10～20 cm深度下土壤各種性質(zhì)的平均值均大于0～10 cm深度。Pearson相關(guān)性分析可知，影響Ks的主要因素是毛管孔隙度，其次為容重、總孔隙度、飽和含水量和有機質(zhì)含量。地統(tǒng)計結(jié)果表明，0～10 cm深度下Ks表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)，主要受隨機性因素的影響，10～20 cm深度下Ks主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響；在2個采樣深度下容重主要受隨機因素的影響。從空間分布圖可以看出，2個采樣深度下Ks和容重存在高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度存在高度的正相關(guān)關(guān)系。

壓砂地；土壤飽和導(dǎo)水率；地統(tǒng)計；克里格插值

壓砂是農(nóng)民為了克服惡劣自然環(huán)境，利用河湖沉積、溝壑沖擊產(chǎn)生的礫石在土壤表面鋪設(shè)成一定厚度來種植作物，通過改善小生境中土壤水分和熱量條件以滿足作物生長需要的一種旱作耕作方式[1]。壓砂技術(shù)在歷史上被廣泛地應(yīng)用到以甘肅省蘭州市為中心的干旱、半干旱地區(qū)[2]。為了提高土地生產(chǎn)力和農(nóng)作物產(chǎn)量，寧夏大力推廣和開發(fā)壓砂技術(shù)，目前寧夏壓砂地面積已由2003年前累計的6.47×103hm2發(fā)展到現(xiàn)在的6.67×104hm2，并且有進(jìn)一步擴大的趨勢[3-4]。然而，近年來隨著砂田種植面積逐年擴大、種植年限增加，壓砂地出現(xiàn)土壤水分減少[5-6]、容重增大[7]、養(yǎng)分含量下降[8]和生產(chǎn)力顯著降低[9]等問題，壓砂地退化成為阻礙壓砂產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。許多學(xué)者對壓砂土壤退化問題進(jìn)行了深入研究和探索[10-12]，取得重要進(jìn)展。但是關(guān)于壓砂地土壤導(dǎo)水性能方面的研究相對較少。土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)是指土壤所有孔隙均充滿水時，在單位水勢梯度作用下，通過垂直于水流方向上單位面積土壤水流通量(速率)[13]。Ks是衡量土壤滲透能力的重要指標(biāo)之一，也是水文模型中重要參數(shù)。其對于估算土壤非飽和導(dǎo)水率和模擬土壤水分、溶質(zhì)運移具有重要意義[14]。同時Ks受土壤質(zhì)地、孔隙度、有機質(zhì)和耕作方式等空間變量的影響，使其在空間上呈現(xiàn)出強烈的變異性[15-16]。在寧夏中部旱區(qū)壓砂地研究Ks的空間分布及影響因素，對探索該區(qū)域水分運動規(guī)律、防治土壤干燥化都具有十分重要的意義。因此，以10 m×10 m網(wǎng)格方式采樣，利用經(jīng)典統(tǒng)計和地統(tǒng)計學(xué)方法，研究寧夏中部旱區(qū)典型壓砂瓜田的耕層(0～10 cm)和亞耕層(10～20 cm)原狀土Ks的空間變異特征和分布格局，并分析土壤容重、孔隙度等土壤基本性質(zhì)對Ks的影響，旨在為研究區(qū)農(nóng)田管理和防治壓砂地干燥化提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

取樣地點選在寧夏中部干旱帶的中衛(wèi)香山興仁鎮(zhèn)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°47′～105°59′，北緯37°17′～38°28′，海拔1 679～1 680 m，多年平均氣溫13.5℃、日照時數(shù)2 990 h·a-1、平均降水量250～270 mm·a-1，無霜期170～175 d·a-1。夏季酷熱，冬季寒冷，氣候干燥，屬寧南溫暖風(fēng)沙干旱區(qū)[17]。取樣地塊平整，種植作物為西瓜。

1.2樣點布設(shè)及土樣采集

在2013年4月上旬整地前進(jìn)行土壤樣品采集。經(jīng)過前期調(diào)研和采樣分析，該田塊土壤性質(zhì)、耕作方式及種植作物在研究區(qū)具有代表性。其表層土壤(0～10 cm)平均粘粒含量為10.47%、粉粒含量為23.85%、砂粒含量為65.68%、有機質(zhì)含量3.99 g·kg-1、全氮含量0.36 g·kg-1、全磷含量0.52 g·kg-1、全鉀含量19.13 g·kg-1、速效磷含量4.44 mg·kg-1、速效鉀含量162.70 mg·kg-1；壓砂厚度約為15 cm、粒徑為4～6 cm、壓砂年限為3年；種植作物為硒砂瓜。按照10 m×10 m網(wǎng)格方式采集土壤樣品，采樣點為110個，在每個采樣點位置0～10 cm和10～20 cm深度分別采集原狀土和擾動土，其中原狀土利用環(huán)刀采集，采集土壤樣品總數(shù)為220個。取樣點位置分布詳見圖1。

圖1研究區(qū)樣點布設(shè)

Fig.1Locations of the sampling points

1.3測定項目及方法

1.3.1土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)測定用定水頭法測定采樣點原狀土壤Ks，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律得出Ks的計算公式為[18]：

K=10Q×L/A×ΔH×t

(1)

式中，K為飽和導(dǎo)水率，mm·min-1；Q是滲透量，mL；L為土層厚度，cm；ΔH是滲流路徑的總水頭差，cm；t是滲透時間，min；A是水流經(jīng)過的橫截面積，cm2。10是將厘米轉(zhuǎn)化成毫米。

為了使不同溫度下所測得的K值便于比較，將其換算成10℃時的飽和導(dǎo)水率：

Ks=K/(0.7+0.03t)

(2)

式中，Ks為溫度10℃時的飽和導(dǎo)水率，mm·min-1；t為測定時水的溫度，℃。

1.3.2土壤容重、飽和含水量、孔隙度及土壤有機質(zhì)測定用環(huán)刀法測定原狀土土壤容重、飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，土壤有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測定[19]。

1.4統(tǒng)計方法

分別采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)分析Ks及相關(guān)性質(zhì)的空間變異特征[20-21]。其公式為：

(3)

式中，r(h)為試驗半方差函數(shù)，h為滯后距離，N(h)為相距h(滯后距離)的數(shù)據(jù)點對數(shù)，Z(x)為區(qū)域化變量在x處實測值，Z(x+h)為區(qū)域化變量在x+h處實測值。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用拉依達(dá)準(zhǔn)則處理異常數(shù)據(jù)(顯著水平為0.01)，剔除了Ks的1個最大值，然后使用剩余數(shù)據(jù)最大值代替[22]。利用SPSS 17.0對Ks及相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計分析，地統(tǒng)計分析在GS+7.0中完成，普通克里格插值圖利用Surfer 8.0完成。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤導(dǎo)水特性描述性統(tǒng)計和正態(tài)分布檢驗

表1給出了壓砂地土壤導(dǎo)水特性及其相關(guān)因素的描述性統(tǒng)計值。0～10 cm和10～20 cm深度下土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的變異系數(shù)(CV)小于0.1，表現(xiàn)為弱變異；飽和含水量和土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為中等變異(0.1

2.2土壤導(dǎo)水特性空間變異特征

由于土壤物理性質(zhì)的分布是空間連續(xù)的，描述性統(tǒng)計只能說明土壤性質(zhì)變化的全貌，但難以完全反映其結(jié)構(gòu)性、隨機性和相關(guān)性等，運用地統(tǒng)計學(xué)方法可以彌補上述缺陷[28]。利用半方差函數(shù)(公式1)計算并用不同模型進(jìn)行擬合，獲得模型相關(guān)參數(shù)值，選取殘差平方和最小、決定系數(shù)最大的模型。土壤導(dǎo)水特性及其相關(guān)屬性的半方差函數(shù)模型及其參數(shù)見表2。0～10 cm深度下Ks和容重符合線性模型；飽和含水量和總孔隙度符合球形模型；毛管孔隙度和有機質(zhì)含量符合高斯模型。Ks和容重的塊金系數(shù)為100%，表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)，土壤各樣點之間表現(xiàn)出較強的隨機性和獨立性，主要受隨機性因素(施肥、耕作等)的影響。飽和含水量、總孔隙度和有機質(zhì)含量的塊金系數(shù)均小于25%，說明主要受結(jié)構(gòu)性因素(氣候、地形和土壤質(zhì)地等)的影響，具有強烈的空間相關(guān)性。毛管孔隙度的塊金系數(shù)均介于25%～75%之間，表現(xiàn)出中等空間依賴性，說明二者的空間分布特征受隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素的共同影響。10～20 cm深度下Ks和土壤含水量符合高斯模型；容重符合線形模型；飽和含水量和總孔隙度符合球形模型；毛管孔隙度符合指數(shù)模型。容重的塊金系數(shù)為100%，表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)，各樣點之間表現(xiàn)出較強的獨立性和隨機性，主要受隨機因素的影響。其它土壤性質(zhì)的塊金系數(shù)均小于25%，說明主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響，具有強烈的空間自相關(guān)性。廖凱華等[23]在研究大沽河流域Ks空間變異特征時也發(fā)現(xiàn)表層其具有弱空間相關(guān)性。牛海山等[29]分析放牧對Ks空間變異的影響也得出相同的結(jié)論。

表1　壓砂地土壤導(dǎo)水特性及相關(guān)因素描述性統(tǒng)計值

注：*LN—對數(shù)正態(tài)分布類型；N—正態(tài)分布類型。*P<0.05。

Note: LN—Lognormal distribution; N—Normal distribution.

表2　壓砂地土壤導(dǎo)水特性及相關(guān)因素半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)

注：*G—高斯模型，E—指數(shù)模型，S—球形模型，L—線形模型。

Note: G—Gauss model, E—Exponential model, S—Spherical model, L—Line model.

2.3土壤導(dǎo)水特性空間分布特征

地統(tǒng)計學(xué)分析可以解釋土壤導(dǎo)水特性及其相關(guān)因素的空間結(jié)構(gòu)特征，但其提供的信息仍有限。所以借助Surfer軟件分別對0～10 cm和10～20 cm深度土壤導(dǎo)水特性及其相關(guān)因素進(jìn)行普通克里格插值并繪制空間分布圖(圖2、3)。

圖2　壓砂地0～10 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率(a)、容重(b)、飽和含水量(c)、總孔隙度(d)、毛管孔隙度(e)和土壤有機質(zhì)含量(f)空間分布

圖3壓砂地10～20 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率(a)、容重(b)、飽和含水量(c)、總孔隙度(d)、毛管孔隙度(e)和土壤有機質(zhì)含量(f)空間分布

Fig.3Spatial distribution ofKs(a), bulk density (b), saturation moisture (c), total porosity (d), capillary porosity (e) and soil organic matter (f) in 10～20 cm soil depths in the gravel mulched field

從圖中可以看出，2個采樣深度下Ks與容重存在高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度存在高度的正相關(guān)關(guān)系。Ks、容重、飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度的空間插值圖除存在數(shù)值上的差異外，其密集程度和走向都非常相似。這一現(xiàn)象和Duffera等、Wang等[24,26]文章中插值圖所描述的情況一致。這一現(xiàn)象也說明Ks受土壤容重、孔隙分布以及土壤水分含量等空間變量的影響，導(dǎo)致其在空間分布上呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性和變異特征。0～10 cm深度下Ks西部高，向東部逐漸遞減，飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度都在東北方向和東南方向上存在數(shù)值較高的區(qū)域，容重在西南方向上較高。有機質(zhì)含量在空間上分布較為均勻，僅在南部邊緣含量較高?？傮w上土壤導(dǎo)水特性及其相關(guān)因素在空間上呈現(xiàn)出較為明顯的斑塊狀分布特征。

2.4土壤導(dǎo)水特性Pearson相關(guān)性分析

通過Pearson相關(guān)性分析可知，Ks與容重和有機質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，Ks與總孔隙度、毛管孔隙度間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，Ks與飽和含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。說明當(dāng)Ks減小時，土壤呈現(xiàn)出粘重、緊實、透水性和通氣性差的特點。容重與Ks、飽和含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和有機質(zhì)含量均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。從Pearson相關(guān)系數(shù)的大小可以看出，影響壓砂地Ks的主要因素是毛管孔隙度，其次為容重、總孔隙度、飽和含水量和有機質(zhì)含量。而張揚等[30]研究表明影響農(nóng)地Ks的主要因子為有機質(zhì)含量和毛管孔隙度。呂殿青[31]等和賀康寧[32]研究表明容重對Ks的影響最大。這些結(jié)論說明在不同區(qū)域影響Ks的主要因子存在明顯的差異性，應(yīng)該根據(jù)研究區(qū)的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行具體分析[33]。關(guān)于研究區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率的其他可能的影響因素，如植被、土壤水分、溫度等因素還有待進(jìn)一步研究。

表3　壓砂地土壤導(dǎo)水特性及相關(guān)因素Pearson相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平下顯著，**表示在0.01水平下顯著。

Note: ** Correlation is significant at the 0.01 level, * Correlation is significant at the 0.05 level.

3　結(jié)　論

本文應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，以寧夏中部旱區(qū)壓砂農(nóng)田為例，研究了Ks及相關(guān)因素的空間變異特征及其影響因素。主要結(jié)論如下：

1) 經(jīng)典統(tǒng)計結(jié)果表明，除Ks服從對數(shù)正態(tài)分布外，其余土壤性質(zhì)服從正態(tài)分布。2個采樣深度下土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度表現(xiàn)為弱變異，飽和含水量和有機質(zhì)含量表現(xiàn)為中等變異。0～10 cm深度下Ks表現(xiàn)為中等變異，10～20 cm深度下Ks表現(xiàn)為強變異。10～20 cm深度下土壤各種性質(zhì)的平均值均稍大于0～10 cm深度。

2) 地統(tǒng)計結(jié)果表明，0～10 cm深度下Ks表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)，主要受隨機性因素(施肥、耕作等)的影響。10～20 cm深度下Ks的塊金系數(shù)小于25%，主要受結(jié)構(gòu)性因素(氣候、地形和土壤質(zhì)地等)的影響。在2個采樣深度下容重主要受隨機因素的影響。

3) 由普通克里格插值分布圖可以看出，2個采樣深度下Ks與容重存在高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度存在高度的正相關(guān)關(guān)系。Ks、容重、飽和含水量、總孔隙度和毛管孔隙度的空間插值圖除存在數(shù)值上的差異外，其密集程度和走向都非常相似。其空間分布圖可為該地區(qū)土壤有效利用、土壤水鹽運移模擬和植被建設(shè)等提供一定的數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。

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Spatial variability of soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors in the gravel mulched field of Ningxia

BAI Yi-ru, WANG You-qi, WANG Fei, WANG Jian-yu

(CollegeofResourcesandEnvironment,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Spatial variability of soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors could lay the scientific basis for soil water and soil desiccation management in mulched field. The classical and geological statistics were combined to identify the spatial variability of soil saturated hydraulic conductivity and its influencing factors at 0～10 cm and 10～20 cm depths with 10 m×10 m grids. The classical statistics indicated that at the 0～10 cm and 10～20 cm depths the soil bulk density, total porosity and capillary porosity showed light variation, saturation moisture content, soil organic matter showed moderate variation, while soil saturated hydraulic conductivity had moderate and wide variation at the 0～10 cm and 10～20 cm depths, respectively. The capillary porosity was the key factors influencing saturated hydraulic conductivity by Pearson correlation analysis, followed by bulk density, total porosity, saturation moisture content and soil organic matter content. The geological statistics indicated that saturated hydraulic conductivity at the 0～10 cm depths was basically affected by random factors with pure nugget variograms, while at the 10～20 cm depths primarily affected by structural factors. At the 0～10 cm and 10～20 cm depths, the spatial variability of soil bulk density was mainly affected by random factors. According to the spatial distribution patterns, saturated hydraulic conductivity was highly negative correlated with bulk density, while was high positively related to saturation moisture content, total porosity and capillary porosity.

gravel mulched field; soil saturated hydraulic conductivity; geostatistical statistics; kriging interpolation

1000-7601(2016)04-0055-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.09

2015-09-20

寧夏高?？茖W(xué)研究項目(NGY2013031，NGY2013028)；寧夏大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動基金(BQD2012012)；國家自然科學(xué)基金(41461104,41071156)

白一茹(1984—)，女，陜西渭南人，講師，博士，主要從事土壤物理研究。 E-mail：yr0823@163.com。

王幼奇(1980—)，男，安徽涇縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事旱區(qū)植被恢復(fù)研究。 E-mail：wyq0563@163.com。

S152.7+2

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