黃土丘陵溝壑區(qū)地形與土地利用的變異及景觀位置對(duì)土壤容重和水分的影響

土壤特征的突變包括系統(tǒng)突變和隨機(jī)變異。系統(tǒng)突變是由母質(zhì)、氣候、地形、生物和時(shí)間的差異引起的，隨機(jī)變異是由采樣和分析誤差引起的。分析預(yù)測(cè)土壤屬性空間變異及其動(dòng)態(tài)是可持續(xù)土地利用的一個(gè)重要組成部分。以往傳統(tǒng)的土壤分級(jí)制圖法及樣點(diǎn)數(shù)據(jù)空間內(nèi)插等方法,比較適用于較均一的環(huán)境,但對(duì)于高度異質(zhì)的景觀,以往的方法較難得出理想的空間預(yù)測(cè)結(jié)果。地形是影響土壤性質(zhì)的一個(gè)重要因素,尤其在黃土高原地區(qū),地形是影響土壤性質(zhì)的主要因素之一,因?yàn)槠淇刂屏怂趾统练e物的運(yùn)移。數(shù)字地形模型是采用系統(tǒng)定量的方法來分析和模擬地表以及地形、水文及生物之間的關(guān)系,由于可以獲取相關(guān)定量化的環(huán)境變量,因此,越來越被廣泛的應(yīng)用于地學(xué)問題的研究,特別是用于分析和預(yù)測(cè)土壤屬性的空間分布。黃土高原地形破碎,加之各種人類活動(dòng)干擾,土壤屬性空間變異程度大,其空間分布受土地利用和地形顯著影響。本文利用地形分析技術(shù),提取了相關(guān)地形因素,分析不同土地利用類型、不同景觀位置及地形因素等對(duì)土壤容重和質(zhì)量含水量的影響,空間分布規(guī)律并進(jìn)行預(yù)測(cè),以期為該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與有效治理提供理論依據(jù)。1降水量、時(shí)際變化研究區(qū)位于陜西省北部橫山縣朱家溝流域(北緯37°56′~37°59′,東經(jīng)109°21′~109°24′),面積11.3km2。區(qū)域氣候?yàn)榘敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,年平均溫度8.6℃,平均日照時(shí)數(shù)為2815h,無霜期146d左右,年平均降水量400mm左右,降水多集中在7~9月份,年際變率大。研究區(qū)地形破碎,溝壑縱橫,區(qū)內(nèi)土壤以黃綿土為主,土質(zhì)疏松,抗蝕性差,水土流失嚴(yán)重。流域內(nèi)自然植被破壞殆盡,墾殖指數(shù)較高,土地利用以坡耕地、梯田、壩地、草地、林地和灌木林地為主,是一個(gè)典型的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。主要作物品種有:谷子(Panicummiliaceum)、玉米(ZeamayL.)、高梁(Sorghumspp.)、綠豆(Phaseolusvalgaris)、土豆(Solanumtuberosum)等。2學(xué)習(xí)方法2.1外業(yè)采樣點(diǎn)分布購(gòu)買研究流域所在區(qū)域2000年1∶1萬地形圖,經(jīng)數(shù)字化生成柵格為5m的高精度DEM,利用2004年4月Quickbird影像(全色和多光譜),通過人工目視解譯,結(jié)合野外調(diào)查生成土地利用現(xiàn)狀圖,小流域的土地利用類型分為坡耕地、梯田、壩地、草地、林地和灌木林地6類,其中壩地包括一些溝谷平地。根據(jù)土地利用,參考地形圖,首先在GIS下有針對(duì)性的布置100個(gè)樣點(diǎn),記錄各樣點(diǎn)坐標(biāo),輸入手持GPS作為野外采樣參照點(diǎn)。于2004年8月進(jìn)行外業(yè)采樣,依據(jù)GPS定位盡量與內(nèi)業(yè)預(yù)設(shè)樣點(diǎn)相一致,并記錄實(shí)際采樣點(diǎn)坐標(biāo),取0~20cm的表層土壤,每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置3次重復(fù)。為了減少降水等因素的影響,該區(qū)域外業(yè)采樣前期一周內(nèi)無降水,所有采樣在3d內(nèi)完成。由于受野外實(shí)際條件限制,最終外業(yè)采樣共82個(gè)樣點(diǎn),樣點(diǎn)分布見圖1。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,土壤含水量采用烘干法測(cè)定。2.2土壤水分析的測(cè)量條件地形屬性可以劃分為基本屬性和派生(或復(fù)合)屬性,基本屬性可以利用地形分析技術(shù)從DEM直接計(jì)算獲得,而復(fù)合地形屬性可以利用基本屬性通過相關(guān)運(yùn)算獲得,其可以反映景觀中某一特定過程的空間變異特征。在GIS平臺(tái)下,利用樣點(diǎn)信息,通過DEM數(shù)字地形分析技術(shù),在空間分析模塊下獲取相關(guān)地形屬性。選取的地形屬性主要有:基本屬性——高程(h),坡度(β),坡向(α),平面曲率(Kh),剖面曲率(Kv);復(fù)合屬性——復(fù)合地形指數(shù)CTI(compoundtopographicindex),匯流動(dòng)力指數(shù)SPI(Streampowerindex)。高程以m為單位;在具體分析過程中,坡度轉(zhuǎn)化為百分比表示;坡向是一環(huán)形變量(°),按順時(shí)針方向從0°(正北)到360°來度量;平面曲率是垂直于坡向的表面曲率,剖面曲率是潛在坡度變化率的一個(gè)量度,二者對(duì)于水分和沉積物的運(yùn)移過程有著重要影響。復(fù)合地形指數(shù)CTI(亦稱為地形濕度指數(shù))和匯流動(dòng)力指數(shù)SPI(亦稱為徑流強(qiáng)度指數(shù))是表征特定景觀中水分和沉積物運(yùn)移的有用的綜合地形變量,定量化了某一點(diǎn)在景觀中的位置,是預(yù)測(cè)土壤屬性非常有用的變量。計(jì)算公式為:CΤΙ=ln(Actanβ)SΡΙ=ln(Ac+tanβ×100)CTI=ln(Actanβ)SPI=ln(Ac+tanβ×100)Ac垂直于水流方向的特定匯流面積,可通過ArcGIS下水文分析模型計(jì)算;β坡度(弧度),為了避免分母為0,對(duì)于那些坡度為0的柵格賦以極小值0.0001;本文中描述性統(tǒng)計(jì)分析、單因素方差分析、相關(guān)分析及多元線性逐步回歸均在SPSS11.0上完成。2.3預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)從82個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取20個(gè)樣點(diǎn)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集驗(yàn)證其余62個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的回歸預(yù)測(cè)模型。通過比較驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)位置j上土壤屬性的實(shí)際觀測(cè)值z(mì)j和估計(jì)值?zz?j可以評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)精度,通常以驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的平均預(yù)測(cè)誤差(MPE)和均方根預(yù)測(cè)誤差(RMSPE)來評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性,MPE和RMSPE的計(jì)算方法如下:ΜΡE=1nn∑j=1(zj-?zj)RΜSΡE=√1nn∑j=1(zj-?zj)2其中n為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。MPE反映了預(yù)測(cè)的偏差,對(duì)于無偏預(yù)測(cè)其值應(yīng)接近于0,反映了預(yù)測(cè)值高于或低于或接近于觀測(cè)值的程度。RMSPE表示預(yù)測(cè)的平均精度,其值越小越好,反映了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)方法系統(tǒng)誤差。3結(jié)果與分析3.1變異系數(shù)cv的質(zhì)量描述從表1可見,土壤容重介于1.119~1.424g/cm3之間,平均為1.261g/cm3;土壤質(zhì)量含水量變化于1.176%~8.726%之間,平均為4.314%。變異系數(shù)Cv反映了特性參數(shù)的空間變異程度,揭示區(qū)域化變量的離散程度。一般認(rèn)為,Cv<0.1為弱變異性,0.1≤Cv≤1為中等變異性,Cv>1為高度變異性。從變異系數(shù)來看,二者空間變異不大,質(zhì)量含水量變異相對(duì)較高,為中等變異。經(jīng)單樣本K-S檢驗(yàn),二者均符合正態(tài)分布。3.2不同土地利用和景觀布局的土壤體積重量和質(zhì)量含水量的變化3.2.1土地利用類型的差異表2、表3分別反映了不同土地利用下土壤容重和質(zhì)量含水量的變化,從變異系數(shù)來看,不同土地利用下土壤容重變異較小,屬于弱變異,其中尤以壩地的變異最小,究其原因,一是由于土壤容重本身變異較小,二是可能由于小流域壩地較少,受樣本量的影響而致。許多研究表明,土地利用對(duì)土壤容重有重要影響。研究表明:不同土地利用土壤容重的大小次序?yàn)?灌木林地>荒草地>梯田>壩地>林地>坡耕地,坡耕地由于耕作及水土流失的影響,造成耕層土壤疏松多孔,所以容重比較低;當(dāng)?shù)爻赡炅值剌^少,且郁閉度很低,較多林地為近年來退耕還林地,大多采用魚鱗坑種植,人為干擾較大,因此其容重也比較低。從容重大小分布來看,受人為耕作影響頻繁的土地,如壩地、坡耕地的土壤容重較小。土壤容重在不同土地利用類型上主要是受人為耕作的影響較大。不同土地利用土壤質(zhì)量含水量的變異較大,從變異系數(shù)來看,屬中等變異,其中以林地變異最大,主要是由于不同林地郁閉度及樹齡差異所致。質(zhì)量含水量大小順序?yàn)?壩地>荒草地>灌木林地>坡耕地>林地>梯田;壩地相對(duì)較高的主要原因是其處于溝谷地帶,淤地壩攔截了來自高處的物質(zhì)運(yùn)移,較多的接納了水分,而且壩地一般地勢(shì)較平,地塊較大,具有較好的保水能力,因此水分含量相對(duì)較高。植被類型不同,根系分布深度及密度具有很大的差異,從而土壤的蒸發(fā)和植被的蒸騰量不同,由此引起的土壤干燥化程度和土壤的水分分布也不相同。一般地,多年生植被生育期長(zhǎng),根系分布較深,年蒸發(fā)蒸騰量大于一年生植被。草地和灌木林地相對(duì)比較茂密,長(zhǎng)勢(shì)較好,蒸發(fā)作用相對(duì)低些,土壤含水量也相對(duì)較高。而林地由于郁閉度較低,且部分為近幾年退耕林,長(zhǎng)勢(shì)一般,雖采取魚鱗坑種植,但由于蒸發(fā)等因素影響,含水量較低;此外,林下缺少枯枝落葉和草本植物,不利于截留降水,加之樹木根系較深和樹冠蒸騰及耗水量較大,也是導(dǎo)致林地水分較低的原因之一。一些研究也表明在黃土高原溝壑區(qū)坡耕地、園地、草地和林地中,林地的土壤貯水量最低;當(dāng)?shù)氐奶萏锒际抢鲜教萏?一般地塊較小,保水能力一般,受入滲和蒸發(fā)等因素影響,耕層水分很低。尤其在較干旱年間,土壤含水量不易滿足作物生長(zhǎng)的需求,作物較易枯萎,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶調(diào)查中普遍反映了這一現(xiàn)象,因此含水量最小。從分析結(jié)果來看,草地和灌木林地土壤含水量較高,土壤涵水能力較強(qiáng),實(shí)際調(diào)查來看,生長(zhǎng)情況也相對(duì)較好,對(duì)于該區(qū)實(shí)施退耕還林還草工程是一個(gè)有益的啟示。在不同土地利用類型下,土壤容重和質(zhì)量含水量均有一定的差異,但方差分析表明,不論是土壤容重還是質(zhì)量含水量,各土地利用類型之間差異并不顯著。3.2.2不同坡位土壤水分變化許多研究表明,不同的景觀位置土壤理化性質(zhì)特征變異明顯。根據(jù)Brubaker劃分坡面景觀位置的方法,結(jié)合野外調(diào)查的實(shí)際情況,劃分為坡頂(包括梁、峁頂?shù)?、坡上、坡中、坡下及溝平地(包括壩地)5種類型來比較其差異。在不同景觀位置,土壤容重變異不大,屬于弱變異性(表4)。土壤容重在不同景觀位置上的大小次序?yàn)?坡頂>溝平地>坡下>坡上>坡中。坡頂容重較大的原因主要是因?yàn)槠马敳客寥涝谠馐芮治g沖刷過程中自身結(jié)構(gòu)變得愈加致密,而其它坡位接受中上部沖刷物后變得疏松,容重減小。溝平地由于地勢(shì)低洼,淤積沖蝕泥沙,土壤本身較為板結(jié),容重較大,僅次于坡頂,與前面不同土地利用類型土壤容重變化相比,決定因素發(fā)生變化。方差分析表明:坡頂與坡上、坡中及坡下之間差異達(dá)到了顯著水平,其它不同坡位之間土壤容重差異不顯著。在不同景觀位置,土壤質(zhì)量含水量變異比容重要大,屬于中等變異,從土壤質(zhì)量含水量的大小來看:溝平地>坡中>坡下>坡上>坡頂;黃土高原地區(qū)降雨產(chǎn)流以超滲產(chǎn)流為主,坡頂由于接納的水分來源單一,主要來自于降水,而其他景觀位置除了降水輸入,還有來自較高景觀位置水分的輸入,降水在坡面發(fā)生再分配,因此比坡頂?shù)暮慷家?尤以溝平地最大。此外,坡頂?shù)臐撛谡羯⒘看笥谄渌课?坡頂部位的太陽輻射強(qiáng)度較大,風(fēng)速較高,從而造成這一景觀位置上蒸發(fā)、蒸騰比其他景觀位置強(qiáng)烈的多;有研究表明土壤穩(wěn)滲率和產(chǎn)流歷時(shí)數(shù)值均隨坡位由上而下逐漸增加,因此也會(huì)影響含水量。有些研究表明,受地貌、植被、土地類型等因素影響,土壤水分一般表現(xiàn)為:坡下部>坡中部>坡上部。但研究表明不同坡位間以坡中部土壤水分最大,這與黃奕龍等的研究結(jié)果相一致。雖然不同景觀位置土壤質(zhì)量含水量存在一定差異,但方差分析表明,各組間差異并不顯著,可能是由于不同坡位條件下,組內(nèi)差異較大,所以組間的差異不顯著。3.3土壤水分與及土地利用類型的關(guān)系地形屬性可以刻畫、表征匯流特征,也可反映土壤屬性。利用所提取的地形指數(shù),分別和容重及土壤質(zhì)量含水量進(jìn)行相關(guān)分析。由于坡向是一環(huán)形變量,分別對(duì)其求正弦、余弦值進(jìn)行變換,生成新的兩個(gè)亞變量,進(jìn)行相關(guān)分析,正弦值表示朝東的程度,余弦值表示朝北的程度。土壤容重、水分與地形指數(shù)的相關(guān)分析結(jié)果見表6,分析表明土壤容重與復(fù)合地形指數(shù)CTI正相關(guān),由于復(fù)合地形指數(shù)與地表匯流和坡度有關(guān),分析結(jié)果間接的反映了土壤容重與地表匯流和坡度的關(guān)系。土壤容重與其它地形指數(shù)相關(guān)關(guān)系不顯著。土壤水分與地形指數(shù)的相關(guān)分析表明,土壤水分與高程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,統(tǒng)計(jì)分析表明達(dá)到了極顯著水平;一般來說,隨著海拔的升高,風(fēng)力加大,太陽輻射增強(qiáng),土壤水分物理蒸發(fā)加大;此外,海拔與坡位密切相關(guān),海拔越高,上坡徑流補(bǔ)充卻越少,因此土壤水分和高程負(fù)相關(guān);此外,土壤水分和剖面曲率正相關(guān),說明其微地形也是影響土壤水分的一個(gè)因素。分別以土壤容重和土壤水分為因變量,以相應(yīng)的地形指數(shù)為自變量,并綜合考慮土地利用類型的影響,將不同的土地利用類型作為虛擬自變量進(jìn)行回歸分析,采用最小二次方的方法進(jìn)行擬合,多元線性逐步回歸分析結(jié)果如下:BD=1.149+0.016CΤΙ-0.01ΚvR2=0.40(p<0.001)SWC=28.866-0.022hR2=0.213(p<0.001)其中BD表示土壤容重,經(jīng)多元線性逐步回歸最終進(jìn)入模型的自變量為復(fù)合地形指數(shù)CTI和剖面曲率Kv,R2=0.40(p<0.001),從該方程的方差分析結(jié)果來看,殘差平方和為0.168,回歸模型對(duì)總方差的解釋為40%;SWC表示土壤質(zhì)量含水量,滿足條件進(jìn)入回歸模型的只有高程h,R2=0.213(p<0.001),從該方程的方差分析結(jié)果來看,殘差平方和為130.2,回歸模型對(duì)總方差的解釋為21.3%。應(yīng)用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)分別對(duì)土壤容重和土壤水分預(yù)測(cè)偏差及預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn),即對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)于土壤容重的預(yù)測(cè)結(jié)果較為理想,平均預(yù)測(cè)誤差(MPE=0.009)和均方根預(yù)測(cè)誤差(RMSPE=0.127)均很小;而土壤水分預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)較差,平均預(yù)測(cè)誤差(MPE=0.065)和均方根預(yù)測(cè)誤差(RMSPE=1.362),這可能與其空間變異程度有關(guān),土壤容重變異很弱,因而模擬預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高。另外在驗(yàn)證過程中(圖2),土壤水分預(yù)測(cè)模型平滑效應(yīng)較強(qiáng),預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)有一個(gè)趨中趨勢(shì),預(yù)測(cè)效果不理想,須對(duì)殘差再進(jìn)行預(yù)測(cè)以降低預(yù)測(cè)殘差,提高預(yù)測(cè)精度,有待于進(jìn)一步研究。4土壤水分變化影響因素分析正確理解并充分考慮土壤空間變異,對(duì)于在景觀尺度上建立生態(tài)、環(huán)境過程模型是必不可少的。分析、預(yù)測(cè)土壤屬性空間變異及其動(dòng)態(tài)是區(qū)域土地質(zhì)量評(píng)價(jià)和可持續(xù)土地利用的一個(gè)重要組成部分。研究土壤屬性在景觀尺度上的變異已成為當(dāng)前許多生態(tài)研究熱點(diǎn)之一。土壤屬性是土壤質(zhì)量的重要決定因素,并最終影響土地利用和生態(tài)過程。利用氣候、土地利用、景觀位置和地形等其它相關(guān)環(huán)境特征信息研究土壤屬性空間變異及分布特征對(duì)于生態(tài)過程預(yù)測(cè),理解生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和評(píng)估未來土地利用變化對(duì)土壤屬性的影響至關(guān)重要。研究表明,黃土高原小流域土壤容重變異不大,為弱變異性;土壤水分變異較大,為中等變異。該區(qū)表層土壤水分含量普遍偏低,因此在進(jìn)行植被建設(shè)時(shí),要注意土壤水分補(bǔ)給,確保植被在幼苗期水分的供給,提高成活率。此外,由于受采樣時(shí)間及天氣因素等的影響,導(dǎo)致表層土壤水分偏低。采樣前期一周內(nèi)無降水,且天氣晴好,耕層土壤水分受其影響較大。沒有研究土壤剖面不同層次以及不同時(shí)間土壤水分變異,是我們目前研究工作的不足之處,也是下步工作的重點(diǎn)。氣候、母質(zhì)、地形和生物因素影響土壤的發(fā)育形成,但氣候通常在較大區(qū)域尺度上發(fā)揮其影響作用。研究所在的小流域土壤母質(zhì)相對(duì)較為均一,因此當(dāng)?shù)赝寥缹傩宰儺惡艽蟪潭壬峡赡苁芡恋乩煤偷匦我蛩氐挠绊?。在研究區(qū)小流域,不同土地利用類型對(duì)于土壤容重和水分有著重要影響,受人為耕作因素的影響較大,表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,但方差分析表明,無論是土壤容重還是土壤水分,各土地利用類型之間并無顯著性差異。不同景觀位置土壤容重變異不大,但方差分析表明,坡頂與坡上、坡中及坡下之間差異達(dá)到了顯著水平,其它不同坡位之間土壤容重差異不顯著。