劉莉莉 王琳 趙貴章 潘登 湛江

摘要 為了解黃河沖積平原表層土壤水力學參數(shù)的空間變異特征，以河南省蘭考縣為分析對象，采用地統(tǒng)計學和GIS相結合的方法，分析土壤表層水力學參數(shù)的空間變異。結果表明，土壤干容重和土壤含水率的變異系數(shù)分別為7.8%、9.2%，呈現(xiàn)出弱變異;土壤滲透系數(shù)的變異系數(shù)為173.2%，呈現(xiàn)出強變異。土壤水力學參數(shù)均具有二階趨勢效應。土壤干容重和土壤含水率的塊基比分別為0.458、0.500，具有中等空間自相關性;土壤滲透系數(shù)的塊基比為0.034，具有強空間自相關性。研究區(qū)土壤干容重和土壤含水率整體均表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤滲透系數(shù)較大值主要集中在北部，較小值主要集中在中東部，整體表現(xiàn)為由中部向四周逐步增大。

關鍵詞 黃河沖積平原;土壤水力學參數(shù);地統(tǒng)計學;GIS;空間變異

中圖分類號 S 152.7? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）06-0060-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.013

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Spatial Variation Characteristics of Surface Soil Hydraulics Parameters in the Yellow River Alluvial Plain

LIU Li-li1， WANG Lin2，ZHAO Gui-zhang1 et al （1.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou，Henan 450046;2. Geological Environmental Monitoring Institute of Henan Province， Zhengzhou，Henan 450006）

Abstract In order to understand the spatial variability characteristics of surface soil hydraulic parameters in the Yellow River alluvial plain，taking Lankao County in Henan Province as the object of analysis，the method of combining geostatistics and GIS was used to analyze the spatial variability of soil surface hydraulic parameters.The results showed that the coefficient of variation of soil dry bulk density and soil water content were 7.8% and 9.2%， respectively， showing a weak variability.The coefficient of variation of soil permeability coefficient was 173.2%， showing strong variability.The soil hydraulic parameters all had a second-order trend effect.The block-to-basis ratio of soil dry bulk density and soil moisture content were 0.458 and 0.500， respectively， which had medium spatial autocorrelation;the block-to-basis ratio of soil permeability coefficient was 0.034， which had strong spatial autocorrelation.The soil dry bulk density and soil moisture content in the study area showed a gradual increase from west to east as a whole.The larger value of soil permeability coefficient was mainly concentrated in the north， and the smaller value was mainly concentrated in the middle and east，the overall performance was gradually increasing from the middle to the surroundings.

Key words Yellow River alluvial plain;Soil hydraulics parameters;Geostatistics;GIS;Spatial variation

作者簡介 劉莉莉（1993—），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向：包氣帶土壤水運動。*通信作者，高級工程師，碩士，從事水文地質工程地質研究。

收稿日期 2021-07-19

作為水資源的重要組成部分，土壤水分對于研究地表徑流、水分轉化、土壤侵蝕、溶質運移等過程起非常重要的作用，也是流域水文過程研究的重要內容之一[1]。受土壤本身、地形、土地利用類型、植被以及氣候條件等因素隨機性、非線性時空分布的影響[2]，土壤水力學參數(shù)在不同取樣尺度上均存在空間異質性[3]。其中大尺度主要受控于降雨和蒸發(fā)格局等;而小尺度則決定于地形、根系、土壤和光等[4-6]。土壤水力學參數(shù)是生態(tài)學、土壤學和水文學等的研究熱點，其研究主要集中在空間變異性、不同時間序列土壤水分布的影響因素及利用分布式水文模型定量研究土壤水分的時空分布3方面[7]，研究尺度主要為田間、坡面、洼地、流域或區(qū)域等[8-11]。國內外已對土壤水力學參數(shù)的空間變異及其影響因素開展了大量研究，研究尺度主要為林分、坡面、小流域、流域或區(qū)域等[3，12-13]，主要集中在黃土高原、高寒草甸、喀斯特地區(qū)等干旱或半干旱地區(qū)[8，14]。而針對黃河沖積平原的土壤水力學參數(shù)的空間變異性研究至今鮮見報道。

黃河沖積平原（河南段）位于黃河下游、河南省東北部。該地區(qū)以引黃灌溉和開采淺層地下水井灌為主，遼闊平坦，但微地貌差異明顯，其流域水文過程對反映黃河沖積平原的包氣帶空間結構以及生態(tài)需水安全等具有重要意義。為此，筆者采用地統(tǒng)計與GIS相結合的方法，分析黃河沖積平原土壤水力學參數(shù)的空間變異。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省開封市蘭考縣（圖1），處于河南省中部偏東，是黃河沖積扇平原的尖端，地理位置114°58′41″～114°59′41″E、34°52′14″～34°54′45″N，面積約15.75 km2。研究區(qū)地勢平坦，平均海拔約50 m。該區(qū)多年平均氣溫14.52 ℃，屬暖溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，四季分明[15]。土地利用方式為農田，以小麥、玉米輪作耕種為主，一年兩熟。

1.2 樣品采集與測定 該研究于2019年7月進行土壤樣品的采集，采用網(wǎng)格法對樣點進行初步布設，網(wǎng)格大小為500 m×500 m，10行8列，共計80個點，該研究采用其中60個點作為研究對象，具體分布如圖1所示。采樣深度為0～0.3 m，采樣時進行載波相位差分技術（RTK）定位，采集環(huán)刀樣。采用變水頭法測定飽和滲透系數(shù)，環(huán)刀法測定其干容重，烘干法測定其土壤含水率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計學分析

1.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計研究。采用SPSS 24.0軟件，分析前采用3倍標準差檢驗法對離群值進行識別，對離群值分別用正常的最大值和最小值代替。檢驗樣點數(shù)據(jù)是否符合地統(tǒng)計學插值條件，采用Kolmogorov-Smirnov（簡稱K-S）檢驗法[16-18]分析樣點原始數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。其中，變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）指標準差與平均值之比，是經(jīng)典統(tǒng)計學用于確定變異程度的重要指標，若CV<10%，表明數(shù)據(jù)呈弱變異，10%≤CV<100%呈中等變異，CV≥100%呈強變異[19]。

1.3.2 地統(tǒng)計學分析。采用ArcGIS 10.4地統(tǒng)計軟件對變量進行趨勢效應、誤差檢驗分析以及克里格插值繪制預測圖，采用GS+9.0軟件進行半方差函數(shù)分析。依據(jù)空間變異分析原理，用塊金效應表示空間相關性強弱。塊金效應為塊金值與基臺值的比值，一般認為，小于0.25變量具有強空間自相關性，0.25～0.75變量具有中等空間自相關性，大于0.75變量具有弱空間自相關性[20]。

2 結果與分析

2.1 土壤水力學參數(shù)的描述性統(tǒng)計 通過對研究區(qū)表層干容重、土壤含水率及滲透系數(shù)的數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析（表1），可以依據(jù)土壤各參數(shù)信息粗略估計研究區(qū)域相應性狀的變異程度。從變異系數(shù)看，土壤干容重和土壤含水率的變異系數(shù)分別為7.8%、9.2%，呈現(xiàn)出弱變異;土壤滲透系數(shù)的變異系數(shù)為173.2%，呈現(xiàn)出強變異。半方差函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的規(guī)律，否則可能存在比例效應[21]。在顯著性水平0.05的單樣本K-S檢驗下，土壤滲透系數(shù)經(jīng)對數(shù)轉換后服從正態(tài)分布，土壤干容重和土壤含水率符合正態(tài)分布。

2.2 趨勢效應和插值模型選擇

空間趨勢效應反映空間變量全局變化趨勢，一般用0～2階多項式來描述空間趨勢效應。受成土因素、自然地理條件及人類活動的影響，區(qū)域土壤水力學參數(shù)的空間分布常呈明顯的趨勢特征，在空間插值分析中不容忽視。運用ArcGIS 10.4的地統(tǒng)計分析模塊獲得土壤水力學參數(shù)的趨勢效應[22-23]，從圖2可以看出，土壤干容重在南—北方向呈“U”字型，在東—西方向呈倒“U”字型;土壤含水率在南—北方向呈倒“U”字型，在東—西方向呈“U”字型，但其變化弧度不大;土壤滲透系數(shù)在東—西方向呈倒“U”字型，在南—北方向呈“U”字型，但東—西方向弧度變化不大。

在考慮各向異性的情況下，分別選擇0階趨勢、一階趨勢、二階趨勢效應參數(shù)結合普通克里格插值方法造成的插值誤差進行了比較（表2）。判斷半方差函數(shù)模型及其參數(shù)是否合適可按以下標準綜合進行：平均誤差的絕對值最接近于0;標準化平均誤差最接近于0;均方根誤差越小越好;如果標準化均方根誤差<1，則高估了預測值，反之則低估了預測值[24]。由表2可知，在進行普通克里格插值時，土壤干容重球狀模型一階趨勢效應擬合效果最佳;土壤含水率高斯模型二階趨勢效應擬合效果最佳;土壤滲透系數(shù)指數(shù)模型二階趨勢效應擬合效果最佳。

2.3 土壤水力學參數(shù)的結構分析

土壤水力學參數(shù)的空間變異是由結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。用GS+9.0軟件計算半方差函數(shù)，由表3可知，土壤干容重和土壤含水率的塊基比分別為0.458、0.500，具有中等空間自相關性，主要影響因素既有結構性因素（如土壤母質、地形等），也有隨機因素（如灌溉、施肥、耕作措施等人類活動）。土壤滲透系數(shù)的塊基比為0.034，具有強空間自相關性，主要影響因素在于結構性因素。在變程中，土壤滲透系數(shù)的變程最小，說明其空間連續(xù)性的尺度范圍較小;土壤含水率的變程最大且遠大于取樣間隔，說明其空間連續(xù)性的尺度范圍最大。

2.4 土壤水力學參數(shù)的空間分布特征

為了更加直觀地反映黃河沖積平原土壤水力學參數(shù)的空間分布格局，在半方差結構模型的基礎上，結合普通克里格插值方法，并考慮各向異性和趨勢參數(shù)，獲得了土壤水力學參數(shù)的空間分布格局圖，各插值結果見圖3。從圖3可以看出，土壤干容重較大值集中在西部，較小值主要分布在東南角及中北部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤含水率較大值均集中在東南角，較小值集中在西部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤滲透系數(shù)較大值主要集中在北部，較小值主要集中在中東部，整體表現(xiàn)為由中部向四周逐步增大。

3 結論

該研究基于地統(tǒng)計學方法，且考慮趨勢效應，采用ArcGIS對黃河沖積平原表層土壤水力學參數(shù)的空間變異進行研究，得出以下結論：

（1）從變異系數(shù)看，土壤干容重和土壤含水率的變異系數(shù)分別為7.8%、9.2%，呈現(xiàn)出弱變異;土壤滲透系數(shù)的變異系數(shù)為173.2%，呈現(xiàn)出強變異。

（2）對土壤水力學參數(shù)普通克里格插值誤差的綜合比較表明，土壤干容重球狀模型一階趨勢效應擬合效果最佳;土壤含水率高斯模型二階趨勢效應擬合效果最佳;土壤滲透系數(shù)指數(shù)模型二階趨勢效應擬合效果最佳。

（3）土壤干容重和土壤含水率的塊基比分別為0.458、0.500，具有中等空間自相關性，主要因素在于結構性因素和隨機性因素。土壤滲透系數(shù)的塊基比為0.034，具有強空間自相關性，主要影響因素在于結構性因素。

（4）普通克里格插值圖直觀地反映了土壤水力學參數(shù)的分布特征。研究區(qū)土壤干容重較大值集中在西部，較小值主要分布在東南角及中北部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤含水率較大值均集中在東南角，較小值集中在西部，整體表現(xiàn)為由西向東逐步增大;土壤滲透系數(shù)較大值主要集中在北部，較小值主要集中在中東部，整體表現(xiàn)為由中部向四周逐步增大。

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