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，對了解當(dāng)?shù)赝寥罎穸?、生態(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，水土流失嚴重，干旱少雨缺水，面臨著嚴峻的生態(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。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行樣點選擇和布設(shè)。在2017年3月（春）、6月（夏）和9月（秋）無降雨期間，每個月選擇坡度、質(zhì)地、土壤類型一致的樣地進行土壤含水量測定，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定土壤含水量。

1.2 研究方法

利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(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）計算土壤含水量的統(tǒng)計特征值如平均值、標準差、變異系數(shù)等，判斷土壤水分的變異性。

（3）對土壤含水量數(shù)據(jù)進行半方差計算，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)性的強弱。

（5）進行克里格插值，將空間點數(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 采樣幅度對土壤水分變異性的影響

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

土壤含水量的變異系數(shù)是標準差與平均值的比值，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為強變異性［3-4］。

表1是2017年9月對土層深度10～15 cm采樣的土壤含水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采樣區(qū)域在500～5 000 m2逐漸增大，在每個幅度中按照間距5 m×5 m的網(wǎng)格設(shè)采樣點。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，采樣的點數(shù)更多，對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，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，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）對土層深度10 cm和25 cm采集的土壤含水量統(tǒng)計特征值如表2所示。數(shù)據(jù)是在同一研究區(qū)域相同的采樣幅度下，按采樣時間和采樣深度不同測得的。寧夏南部在夏季6—7月通常有暴雨，為減少降雨對土壤水分數(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)計學(xué)理論認為，土壤水文性質(zhì)在空間上是相互獨立的，但是，實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xi和xi+h處的2個隨機變量Z（xi）與Z（xi+h）的半方差函數(shù)（又稱變異函數(shù)）：

表3是對土壤含水量數(shù)據(jù)進行半方差計算，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）、基臺值（C+C0）、空間異質(zhì)比［C0/（C+C0）］和變程等。塊金值表示為隨機變異，基臺值為隨機變異和系統(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，表示水文特性具有較強的空間相關(guān)性；比值＞75%時，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

對試驗數(shù)據(jù)半方差擬合選擇最優(yōu)擬合模型，并進行克里格插值，將空間點數(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)是評價理論模型與實驗變異函數(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驗變異函數(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，土壤含水量相對較高。

3 討論

本研究基于統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法對寧夏南部干旱區(qū)土壤水分的空間變異性進行研究。首先分析了采樣幅度對土壤水分變異性的影響，試驗中采樣間距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增大，進而導(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土壤水分空間變異的影響后期進一步研究。

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深度的土壤水分數(shù)據(jù)。試驗研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分空間變異性表現(xiàn)出較強的季節(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。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研究大部分在陜西黃土高原地區(qū)，對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

基于對寧夏南部干旱半干旱區(qū)土壤水分數(shù)據(jù)的空間變異性試驗分析，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均勻。