鄭云珠，趙 鑫，朱 超，田曉飛，翟 勝，孫樹(shù)臣

（1.聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東聊城252059；2.聊城大學(xué)人力資源處，山東聊城252059）

0 引言

干旱半干旱地區(qū)土地荒漠化是人類社會(huì)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，由于降水少、蒸發(fā)大等因素的影響，使土壤水分成為制約沙地植被生長(zhǎng)與農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。土壤水分的分布和動(dòng)態(tài)變化是地形、氣候、土壤、植被、人類活動(dòng)等多個(gè)方面綜合作用的反映[2,3]，因此土壤水分具有一定的時(shí)空變異性，并影響植被的分布與演替。毛烏素沙地是我國(guó)四大沙地之一同時(shí)是節(jié)水研究的重點(diǎn)地區(qū)[4]，其表層土壤含水量季節(jié)差異較大，沙丘不同坡位和坡向的土壤水分具有一定空間變異特征[5,6]，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤水分的分布狀況對(duì)了解該地區(qū)土壤水文過(guò)程及植被建設(shè)具有重要意義。雖然土壤水分具有一定的時(shí)空變異性，但Vachaud 等[7]研究發(fā)現(xiàn)土壤水分空間模式具有時(shí)間上的穩(wěn)定性，某些觀測(cè)點(diǎn)可以代表整個(gè)研究區(qū)土壤含水量的平均值，并提出土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性的概念。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者將土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于不同植被[8]、不同土層[9]、不同尺度[10-12]、不同生態(tài)系統(tǒng)[13,14]等的研究中。通過(guò)時(shí)間穩(wěn)定性方法判定土壤水分代表性樣點(diǎn)，并指出代表性樣點(diǎn)可以較好的代表整個(gè)研究區(qū)平均土壤含水量水平[15]，不同觀測(cè)點(diǎn)代表不同土層[16]，甚至一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)代表多個(gè)土層的平均土壤含水量[12]，從而減少土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

表層土壤處在大氣與陸地之間的交界面上，其水分含量影響降水入滲、地表徑流、蒸發(fā)等過(guò)程[17]，植物的正常生長(zhǎng)也主要利用表層或淺層土壤水分，而表層土壤水分在時(shí)空變異上比深層土壤水分更強(qiáng)[16,18]，變異程度在不同年份間具有一定的差異[19]。毛烏素沙地作為植被恢復(fù)與重建的重點(diǎn)區(qū)域，深入理解和認(rèn)識(shí)該區(qū)表層土壤水分時(shí)空變異性對(duì)于合理利用毛烏素沙地有限的水資源進(jìn)行植被建設(shè)具有重要的理論和實(shí)踐意義?；诖?，本研究在毛烏素沙地固定沙丘的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡以及坡頂進(jìn)行網(wǎng)格化布點(diǎn)，共布設(shè)樣點(diǎn)86 個(gè)，利用土壤溫濕度記錄儀（TMS）對(duì)表層（0～5 cm）土壤含水量進(jìn)行測(cè)定。采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)、相對(duì)差分等方法分析表層土壤含水量的時(shí)空變異性與時(shí)間穩(wěn)定性特征，評(píng)估代表性觀測(cè)點(diǎn)估算整個(gè)研究區(qū)表層平均土壤含水量的精準(zhǔn)度，以期為毛烏素沙地固定沙丘合理布設(shè)土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)和水資源高效管理與利用，同時(shí)為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)及優(yōu)化生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在毛烏素沙地東南緣陜西省神木市生態(tài)協(xié)會(huì)毛烏素治沙造林基地（38°53′N，109°22′E）內(nèi)進(jìn)行。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫約為8.4 ℃，年均蒸發(fā)量約為2 200 mm，≥10 ℃積溫為2 400～3 600 ℃，無(wú)霜期為130～150 d，年均降水量約為435 mm，年際和年內(nèi)降水變率較大，其中7-9月降水量約占全年降水量的60%～75%。固定沙丘迎風(fēng)坡平均坡度約為3.3°，背風(fēng)坡平均坡度約為30°。研究區(qū)主要分布有灌木長(zhǎng)柄扁桃（Amygdalus pedunculata Pall）、紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn）、沙柳（Salix psammophila）等，灌木下植被稀少，以1年生草本植物為主。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)與數(shù)據(jù)獲取

在固定沙丘迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和坡頂分別進(jìn)行網(wǎng)格化布點(diǎn)，迎風(fēng)坡以10 m×10 m網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)采樣，背風(fēng)坡和坡頂以5 m×10 m 網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)采樣，共布置86個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。于2019年7月至10月使用土壤溫濕度記錄儀（TMS，Czech）對(duì)土壤含水量各觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，共測(cè)定8 次。研究區(qū)降水由雨量筒（TE525MM，Campbell，USA） 測(cè)定，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器（CR1000，Campbell，USA）自動(dòng)存儲(chǔ)。

1.3 研究方法

1.3.1 變異系數(shù)（CV）

變異系數(shù)（CV，%）可以反映土壤含水量的變異程度，CV≤10%為弱變異，10%

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為平均值。

1.3.2 Spearman秩相關(guān)系數(shù)

Spearman 秩相關(guān)系數(shù)可以表征土壤含水量的空間模式在時(shí)間上的穩(wěn)定性[7,21]，計(jì)算公式為：

式中：N為觀測(cè)點(diǎn)總數(shù)；Rij為觀測(cè)點(diǎn)i在觀測(cè)時(shí)間j下土壤含水量值的秩；Rik為觀測(cè)點(diǎn)i在觀測(cè)時(shí)間k下土壤含水量值的秩。rs越接近于1，說(shuō)明土壤含水量的空間模式在時(shí)間上越穩(wěn)定。

1.3.3 相對(duì)差分法

相對(duì)差分平均值（MRD）和相對(duì)差分標(biāo)準(zhǔn)差（SDRD）可以判定觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的時(shí)間穩(wěn)定性[7]。觀測(cè)點(diǎn)i在觀測(cè)時(shí)間j下的土壤含水量相對(duì)差分δij，計(jì)算公式為：

式中：θij為觀測(cè)點(diǎn)i在觀測(cè)時(shí)間j下的土壤含水量值；為觀測(cè)時(shí)間j下所有觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量的平均值。

觀測(cè)點(diǎn)i的相對(duì)差分平均值和相對(duì)差分標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式為：

式中：M為觀測(cè)總次數(shù)。

1.3.4 代表性測(cè)點(diǎn)時(shí)間穩(wěn)定性判定

隨機(jī)組合采樣方法，確定表征研究區(qū)平均土壤含水量所需的最優(yōu)采樣數(shù)目（NRS，the number of required samples），以95%的置信區(qū)間和±2%的誤差（e）獲取NRS，以期用最低成本獲取研究區(qū)最全面準(zhǔn)確的土壤水分基本狀況[22,23]。

時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS），其值越小時(shí)間穩(wěn)定性越強(qiáng)[14]。計(jì)算公式為：

平均偏差(MBE)和均方根誤差(RMSE)可以評(píng)估代表性測(cè)點(diǎn)時(shí)間穩(wěn)定性[24]，觀測(cè)點(diǎn)i的RMSE數(shù)值越小越接近于研究區(qū)平均土壤含水量。計(jì)算公式為：

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 以及SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量的時(shí)空變化特征

表1為觀測(cè)期內(nèi)表層土壤含水量在空間上的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征值。土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的平均值分別為3.04%和14.72%，分布范圍分別為2.34%～4.12%和10.97%～18.59%，標(biāo)準(zhǔn)差均較小但變異系數(shù)均大于10%，土壤含水量在空間上表現(xiàn)為中等變異性。8月各測(cè)次下的土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)總體高于其他觀測(cè)日期，這可能是由于該時(shí)期降水量較多，固定沙丘的坡向和坡位影響水分再分配，導(dǎo)致土壤含水量在該時(shí)期具有較高的空間變異。Kolmogorov-Smirnov（K-S）檢驗(yàn)表明，各觀測(cè)日期下86 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量在0.05 水平上均服從正態(tài)分布。

表1 表層土壤含水量（0～5 cm）經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Classical statistical characteristic value of surface soil water content(0～5 cm)

圖2為觀測(cè)期內(nèi)日降水量和土壤含水量平均值隨時(shí)間的變化。在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，表層土壤含水量保持較高的水平，介于14.23%～24.60%之間。由于研究區(qū)夏季降水量較多，加之蒸發(fā)量大，使不同觀測(cè)時(shí)間下的土壤含水量平均值整體上隨降水發(fā)生較大波動(dòng)，直到9月底之后趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

時(shí)間上土壤含水量在空間各觀測(cè)點(diǎn)的平均值為21%，分布在18.03%～24.58%之間，變異系數(shù)為6.42%，屬于弱變異（表2）。時(shí)間上的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)在空間各觀測(cè)點(diǎn)的平均值分別為3.95%和18.90%，分別分布在2.22%～7.82%和9.37%～43.38%之間。雖然標(biāo)準(zhǔn)差較低，但大部分觀測(cè)點(diǎn)變異系數(shù)>10%，研究區(qū)土壤含水量在時(shí)間上總體屬于中等變異。由時(shí)間上土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)在空間各觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差（0.98%和4.98%）和變異系數(shù)（24.73%和26.33%）可知，各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水量時(shí)間上的變化具有較大的差異性。

表2 時(shí)間上土壤含水量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的空間統(tǒng)計(jì) %Tab.2 Spatial statistics of mean value standard deviation and coefficient of variation of soil water content over time

2.2 土壤含水量的時(shí)間穩(wěn)定性

2.2.1 土壤含水量的Spearman秩相關(guān)系數(shù)

通過(guò)Spearman 秩相關(guān)系數(shù)可以分析土壤含水量的空間模式在時(shí)間上的穩(wěn)定性特征。表3 是研究區(qū)86 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量在各日期對(duì)之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣。由表3可知，各日期對(duì)之間的相關(guān)系數(shù)總體不高，分布在-0.158～0.337 之間，絕大多數(shù)日期對(duì)之間不具有顯著性，僅3 個(gè)日期對(duì)之間具有顯著性，其中8月9日與8月20日之間具有較高的相關(guān)系數(shù)（0.337），并在0.01水平上表現(xiàn)顯著。表明研究區(qū)土壤含水量的空間模式在時(shí)間上的穩(wěn)定性不高。

表3 表層0～5 cm土壤含水量的Spearman秩相關(guān)系數(shù)Tab.3 Spearman rank correlation of soil moisture content in surface layer 0～5 cm

2.2.2 土壤含水量的相對(duì)差分

圖3 為研究區(qū)86 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)表層土壤含水量的相對(duì)差分平均值按秩序數(shù)由小到大進(jìn)行排列，以及相對(duì)應(yīng)的時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)曲線，圖中誤差線為各觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)差分標(biāo)準(zhǔn)差。MRD處在-17.24%～18.80%范圍之間，標(biāo)準(zhǔn)差為6.66%（表4），總體上研究區(qū)各觀測(cè)點(diǎn)的MRD較小，研究期內(nèi)大部分觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量與研究區(qū)平均土壤含水量偏離程度較低，且MRD大于0的觀測(cè)點(diǎn)與小于0的觀測(cè)點(diǎn)相比，其SDRD和ITS均較低（圖3），較高土壤含水量比較低土壤含水量的觀測(cè)點(diǎn)更具有時(shí)間穩(wěn)定性。SDRD的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為12.70%和4.55%，ITS的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為14.20%和4.96%，標(biāo)準(zhǔn)差值均較小，研究區(qū)土壤含水量時(shí)間穩(wěn)定性較好。

表4 土壤含水量的相對(duì)差分平均值（MRD）、相對(duì)差分標(biāo)準(zhǔn)差（SDRD）和時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS）%Tab.4 Relative difference mean(MRD)，relative difference standard deviation(SDRD)and time stability index(ITS)of soil water content

2.3 土壤含水量代表性觀測(cè)點(diǎn)

通過(guò)隨機(jī)組合采樣方法得出表征研究區(qū)平均土壤含水量的NRS為10。通過(guò)ITS、RMSE、MRD和SDRD分別進(jìn)行代表性觀測(cè)點(diǎn)的分析判定，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)77 號(hào)、36 號(hào)、6 號(hào)、2 號(hào)、56號(hào)、11號(hào)、22號(hào)、82號(hào)、39號(hào)、10號(hào)觀測(cè)點(diǎn)與研究區(qū)平均土壤含水量均具有較高的相關(guān)系數(shù)。其中依據(jù)ITS、RMSE值越小時(shí)間穩(wěn)定性越強(qiáng)的原則選定研究區(qū)代表性觀測(cè)點(diǎn)，二者的最小值（6.11%，1.2832）均為觀測(cè)點(diǎn)77（圖3 和圖4），其MRD和SDRD分別為0.77%和6.06%（圖3）?；貧w分析表明，觀測(cè)點(diǎn)77的土壤含水量與研究區(qū)平均土壤含水量相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.876 9（圖5）。因此，觀測(cè)點(diǎn)77 能夠更好地代表整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的表層平均土壤含水量，并可估算整個(gè)固定沙丘表層土壤含水量的均值，從而可以減少研究區(qū)表層土壤水分的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 討 論

土壤水分是毛烏素沙地植被生長(zhǎng)與恢復(fù)的主要制約因素，夏季土壤含水量一般保持在較高的水平，固定沙丘研究期內(nèi)的表層土壤含水量平均值為21.00%，時(shí)空變異特征總體上表現(xiàn)為中等變異性，且時(shí)間上的變異程度高于空間上的變異。與張萍萍[25]在黑河中游荒漠景觀表層土壤水分時(shí)空變異性的研究結(jié)果相似，可能是由于表層土壤水分更易受降雨、滲透、蒸騰、蒸發(fā)和人類活動(dòng)等因素的影響[26-28]，而各觀測(cè)點(diǎn)分布在固定沙丘的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和坡頂，地形與植被等具有一定的差異，導(dǎo)致表層土壤含水量的時(shí)空變異特征。研究區(qū)空間上土壤含水量平均值與對(duì)應(yīng)日期降水量的變化特征整體上具有較好的同步性，說(shuō)明降水對(duì)表層土壤含水量變化產(chǎn)生較強(qiáng)的影響，與潘顏霞等[29]、Li等[30]研究結(jié)果一致，但也有研究發(fā)現(xiàn)植被蓋度可能造成土壤含水量與降水量在某些季節(jié)的變化具有不一致性[15]。本研究區(qū)植被蓋度較低，冠層只能截留較少的雨水，大部分雨水以穿透雨的形式補(bǔ)給表層土壤，因此表層土壤含水量變化與降水量具有密切聯(lián)系。

土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性的判定可以通過(guò)Spearman 秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析[3]，本研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量空間模式在時(shí)間上的相似性較弱，即土壤含水量空間模式在時(shí)間上的穩(wěn)定性不高，但通過(guò)相對(duì)差分法分析得到研究區(qū)某些觀測(cè)點(diǎn)具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性，兩者分析并不矛盾[15,31]，這可能是由于Spearman秩相關(guān)系數(shù)是描述土壤含水量空間模式在時(shí)間上的相似性，而相對(duì)差分法是描述某一特定觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性[3,32]。有研究發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)點(diǎn)土壤水分條件影響其時(shí)間穩(wěn)定性，較濕潤(rùn)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性優(yōu)于較干旱觀測(cè)點(diǎn)[15,33]，與本研究結(jié)果一致。而白一茹等[24]研究發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)狀態(tài)土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性較弱，這可能與研究區(qū)的土壤、植被、地形及空間尺度等因素有關(guān)。依據(jù)MRD接近于0且SDRD相對(duì)較小以及ITS、RMSE越小時(shí)間穩(wěn)定性越強(qiáng)的原則可以判定研究區(qū)土壤水分的代表性測(cè)點(diǎn)[14,16]，但在本研究中，僅ITS和RMSE所判定的代表性觀測(cè)點(diǎn)一致（觀測(cè)點(diǎn)77），且二者分析方法對(duì)代表性測(cè)點(diǎn)判定的效果較好，其中ITS 是由MRD與SDRD所組成的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，判定時(shí)間穩(wěn)定性代表性測(cè)點(diǎn)的精準(zhǔn)度優(yōu)于MRD接近于0且SDRD相對(duì)較小所判定的觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)77 的土壤含水量與研究區(qū)平均含水量之間具有較高的相關(guān)性（R2=0.876 9），因此一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)能夠較好的代表整個(gè)研究區(qū)的表層土壤含水量均值，很多學(xué)者在不同研究區(qū)通過(guò)時(shí)間穩(wěn)定性的分析方法得出相同的結(jié)論[21,24]，表明當(dāng)外界條件趨于穩(wěn)定時(shí)，研究區(qū)某些觀測(cè)點(diǎn)土壤水分表現(xiàn)出時(shí)間穩(wěn)定性特征。Gao 等[34]研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)平均含水量的最佳代表觀測(cè)點(diǎn)，位于坡度平緩、相對(duì)較平的地表，也有研究指出，位于坡面中上部的觀測(cè)點(diǎn)能夠較好的代表研究區(qū)土壤水分的均值[15,35]。本研究代表性觀測(cè)點(diǎn)77位于固定沙丘迎風(fēng)坡與坡頂交界位置，地勢(shì)較高且坡度較小、地勢(shì)較為平坦，侵蝕性降水對(duì)其影響較小，而背風(fēng)坡平均坡度約為30°，坡度的復(fù)雜性會(huì)進(jìn)一步影響降水再分配、植被蒸散發(fā)等，影響土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性，因此地形因素可能是導(dǎo)致觀測(cè)點(diǎn)77 具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性的重要原因。以往常規(guī)監(jiān)測(cè)土壤含水量樣點(diǎn)是進(jìn)行隨機(jī)分布，并需要大量樣本才可以獲得較為精確的土壤水分信息[28,36]，耗費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力，本研究一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)可以較好的代表整個(gè)固定沙丘表層土壤含量的均值，今后可減少研究區(qū)表層土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)又可提供較為精準(zhǔn)的整個(gè)研究區(qū)表層平均土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，有利于合理利用土壤水資源以及提高水資源利用效率，從而有利于該區(qū)域植被建設(shè)及生態(tài)環(huán)境改善。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)毛烏素沙地東南緣固定沙丘表層（0～5 cm）土壤水分時(shí)空變異性與時(shí)間穩(wěn)定性特征的分析研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）觀測(cè)期內(nèi)表層土壤含水量的平均值為21%，時(shí)空變化總體上具有中等變異性。降水是影響表層土壤含水量時(shí)空變異的重要因素。

（2）Spearman 秩相關(guān)系數(shù)在各日期對(duì)之間相關(guān)系數(shù)總體水平不高，表層土壤含水量空間模式在時(shí)間上的穩(wěn)定性較弱。相對(duì)差分分析，研究區(qū)某些觀測(cè)點(diǎn)表層土壤含水量的時(shí)間穩(wěn)定性水平較高，且較高含水量觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性高于較低含水量觀測(cè)點(diǎn)。

（3）ITS、RMSE及回歸分析表明，觀測(cè)點(diǎn)77 可作為整個(gè)固定沙丘表層平均土壤含水量的代表性樣點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)為0.876 9。

綜上所述，本研究雖對(duì)毛烏素沙地東南緣固定沙丘表層土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性進(jìn)行了研究并得出代表性樣點(diǎn)，但代表性樣點(diǎn)的準(zhǔn)確判定是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程且土壤水分的變異性是多種因素共同影響的結(jié)果。因此，未來(lái)應(yīng)結(jié)合土壤、植被、地形等多種因素進(jìn)行綜合分析，深入開(kāi)展固定沙丘表層及深層土壤水分時(shí)空變化與時(shí)間穩(wěn)定性特征的研究，為該地區(qū)有限水資源高效利用及生態(tài)環(huán)境建設(shè)服務(wù)。