西南丘陵區(qū)坡地土壤水分時(shí)空變異的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

西南丘陵區(qū)坡地土壤水分時(shí)空變異的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

地球物理的差異。經(jīng)典的土地球理統(tǒng)計(jì)的顯著特征是強(qiáng)調(diào)變量因子的空間過程，考慮其空間分布特征和空間自我。此外，還證明，這是分析土壤水分空間特征及其變化規(guī)律最有效的方法之一。國外研究者利用遙感和野外實(shí)測的土壤水分資料,從不同尺度上分析了土壤水分的地統(tǒng)計(jì)特性,但他們的研究多集中在表層土壤水分的空間結(jié)構(gòu)分析,對剖面土壤水分的空間結(jié)構(gòu)特性研究不夠,缺乏系統(tǒng)分析實(shí)測土壤水分空間結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律。國內(nèi)尤其是在西南丘陵地區(qū)多是利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或描述性方法研究土壤水分,用地統(tǒng)計(jì)方法對其時(shí)空變異特征的研究鮮有報(bào)道。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究西南丘陵地區(qū)平均和剖面土壤水分空間結(jié)構(gòu)及其季節(jié)變化特征,揭示該尺度下土壤水分的時(shí)空變異規(guī)律,研究結(jié)果可以有效地指導(dǎo)土壤水分的取樣設(shè)計(jì)及取樣密度的確定,或進(jìn)行空間內(nèi)插和制圖;增強(qiáng)對土壤水分空間格局在景觀尺度上如何影響生態(tài)過程的理解;為土壤水分的有效利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。1土溫和降雨特征本研究在重慶市北碚區(qū)西南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)場進(jìn)行。該場地處東經(jīng)106°26′,北緯30°26′,海拔230m,屬亞熱帶濕潤氣候。多年平均溫度18.3℃,年際間平均氣溫變化不大。最熱月(7月)平均28.7℃,最冷月(1月)平均7.4℃,年≥0℃的總積溫為6679.5℃,≥10℃的總積溫為5960℃。土溫僅在1月表層才低于9℃。其余均高于10℃。雨量在季節(jié)分配上極不均勻,多集中在5~9月,占年降雨量的70.0%,其中5、6、9月雨量最大,7、8月相對減少,常出現(xiàn)伏旱。多年平均降水1105.4mm,且具有雨日多且多秋雨和夜雨的特點(diǎn),歷年平均雨日161天。一年中以夏秋季雨日最多,其中:中雨(10.0~24.9mm)與大雨(25.0~49.9mm)的降雨日數(shù)以5~9月最多,達(dá)31.9天。此期常帶有暴雨出現(xiàn)。夜雨占全年雨量的73.3%,空氣濕度大,多年平均相對濕度為80%,夏季絕對濕度大。云霧多,輻射和光照不足,多年平均87108.0卡/cm2年。試驗(yàn)研究地為丘陵旱坡地,土壤為侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色沙巖發(fā)育的灰棕紫泥土。2學(xué)習(xí)方法2.1土壤含水量測定采用網(wǎng)格取樣方式(圖1),網(wǎng)格大小為55m,共設(shè)置30個取樣點(diǎn)。土壤含水量用烘干法測定。在采樣點(diǎn)從2000年1月到12月,每月15日測定一次,每個樣點(diǎn)分6層(5、10、20、30、40和50cm)測定,每層取3個數(shù)值,取其平均數(shù)作為該層的含水量。2.2半方差變異函數(shù)模型地統(tǒng)計(jì)分析用GS+軟件,關(guān)于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的基本原理和方法在許多文章中都有很好的描述,在此不再敘述。變異函數(shù)的計(jì)算是通過GS+進(jìn)行的,一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,否則可能存在比例效應(yīng)。若不成正態(tài)分布則須進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。半方差圖描述了隨機(jī)函數(shù)Z空間依賴性的組成部分,將給定偏離間距為h的半方差估計(jì)為所有由間距h隔開的觀察值之間的方差平均值,下式為半方差變異函數(shù)模型:r(h)=12N(h)∑i=1n[Z(xi)?Z(xi+h)]2r(h)=12Ν(h)∑i=1n[Ζ(xi)-Ζ(xi+h)]2式中r(h)為變異函數(shù);h為樣點(diǎn)空間間隔距離,稱為步長;N(h)為間隔距離為h觀察值的對數(shù);Z(xi)和Z(xi+h)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h的實(shí)測值。本試驗(yàn)主要用球狀、指數(shù)和純塊金效應(yīng)模型進(jìn)行擬合。一些地統(tǒng)計(jì)學(xué)家認(rèn)為最好避免用高斯模型,因?yàn)槭褂酶咚鼓Ｐ统３?dǎo)致插值不準(zhǔn)確并且會加大插值圖的人為影響。目前對套合模型(圖2)的選擇和其參數(shù)(變程、基臺值)的計(jì)算仍具有爭議。3結(jié)果與分析3.10土壤水分隨氣候的變化表1是0~50cm平均土壤水分變異函數(shù)理論模型得出的相應(yīng)參數(shù)。理論變異函數(shù)可用球狀模型、指數(shù)模型和純塊金效應(yīng)模型擬合,決定系數(shù)變化在0.41~0.99之間,F檢驗(yàn)為顯著水平(表1),說明理論變異函數(shù)模型很好地反映了土壤水分的空間結(jié)構(gòu)特性。由于土壤水分在整個觀測期的大部分時(shí)間表現(xiàn)出基臺值,反映出土壤水分在研究區(qū)域內(nèi)具有平穩(wěn)特性或近平穩(wěn)特性。平均土壤水分空間結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化如圖3所示,1~6月土壤水分含量保持在24%上下,7月下降到14.77%,7~9月變化不大,10月上升后在11月稍有下降,說明0~50cm平均土壤水分主要受氣候影響。研究結(jié)果表明土壤水分具有強(qiáng)烈和中等程度的空間自相關(guān)(表1),這意味著土壤水分在此尺度上具有明顯的空間自相關(guān)和格局?；_值即全部樣點(diǎn)的總變異,其變化幅度0.83~4.98,表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化趨勢。這種變化趨勢與控制土壤水分格局的因子如土地利用、地形和降雨量等有關(guān)。1~6月期間,土壤水分的空間變異程度低且變化不大,這可能是因?yàn)橥寥浪值目臻g格局由土地利用和地形控制。進(jìn)一步觀測圖3可以發(fā)現(xiàn),基臺值的季節(jié)變化趨勢與平均土壤含水量相反。此外,從表1發(fā)現(xiàn),一次明顯的降雨常引起土壤水分的空間變異并非是球狀和指數(shù)模型,而由純塊金效應(yīng)模型描述,即研究區(qū)土壤水分無空間變異結(jié)構(gòu)。其原因是在濕潤狀況下,土壤水分格局由土壤容重和孔隙度等控制,其次是地形和土地利用的影響。變程的季節(jié)變化趨勢并不明顯(圖3),但是,變程變化幅度大,在3.02m~39.29m波動。由于變程取決于觀測尺度,以在該尺度下與影響土壤水分的各種過程空間相互作用有關(guān)。變程能反映土壤水分的空間相關(guān)范圍,因此,變程對采樣設(shè)計(jì)的有效性有一定的指導(dǎo)意義,如為傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析構(gòu)建空間獨(dú)立的數(shù)據(jù),或?yàn)榭臻g內(nèi)插制作土壤水分分布景觀圖的取樣布設(shè)。一般來說,變程以外的取樣距離對任何內(nèi)插和制圖均無效。塊金值變化在0.13~4.98(表1和圖3),其季節(jié)變化格局很明顯,并且與基臺值的季節(jié)變化格局相似。塊金值通常表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度(我們的最小取樣尺度5m)引起的變異,較大的塊金方差值表明較小尺度上的某種過程不容忽視。我們的結(jié)果顯示在原點(diǎn)處雖有塊金效應(yīng)(除6、7月)但其值并不大(表1),這反映了小于5m尺度影響水分過程的作用較小,若增加取樣密度并不能大幅度增加土壤水分的空間結(jié)構(gòu)信息。3.2土壤水分的季節(jié)和空間分布格局剖面土壤含水量的理論半變異函數(shù)模型的決定系數(shù)變化在0.32~0.90之間,經(jīng)F檢驗(yàn)達(dá)到顯著(α=0.05)水平,說明理論模型的擬合是可接受的。圖4顯示了剖面土壤水分的平均值和空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的季節(jié)變化,由圖4可知,在整個觀測期內(nèi),在剖面各層土壤含水量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,且趨勢較一致。1~6月各層含水量波動不大,在21.05~27.00%之間,7月各層的含水量都急劇下降,最低值9.48%出現(xiàn)在0~5cm。除0~5cm以外,剖面各層含水量在7~9月較穩(wěn)定,到10月含水量突然增加且隨剖面變化小,11和12月稍有下降趨勢。0~5cm含水量隨季節(jié)的波動較大,說明在我們的研究尺度內(nèi)氣候是影響土壤水分變化的主要因素。土壤水分的塊金值、基臺值和變程隨土壤深度增加變化規(guī)律不明顯,可見影響剖面土壤水分格局的過程在不同季節(jié)及不同深度是不同的,但其傾向于基臺值高,塊金值也高,說明在小區(qū)域范圍內(nèi)土壤水分的空間異質(zhì)性受地形、母質(zhì)、氣候和植被等的影響相差不大,而主要受隨機(jī)性因素的影響。剖面土壤水分的基臺值,表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。1~6月土壤剖面水分空間變異小,且基臺值的波動范圍小,說明在較濕潤條件下,土壤水分的空間分布格局受地形、土壤物理性質(zhì)如土壤容重和土壤導(dǎo)水率等控制作用較大,而土地利用的影響作用較弱。6月急劇升高,說明剖面土壤水分異質(zhì)性高,基臺值表現(xiàn)出高水平(圖4)。與剖面其它各層土壤含水量不同的是0~5cm的基臺值在7月繼續(xù)上升,其余各層在10~12月都保持穩(wěn)定,可能是因?yàn)?~5cm的土壤水分受氣候影響最大,因此基臺值的隨季節(jié)波動最強(qiáng)烈。與基臺值相比,6個層次土壤水分變異函數(shù)的變程并不表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化(圖4),雖然以上討論土壤水分影響因子及過程對基臺值的影響,同樣影響變程的變化。3.3含水量6月7.以下是具有代表性的1、6、9和11月0~50cm土壤平均水分含量的克立格插值圖(圖5)。不同季節(jié)土壤水分在坡面上的分布明顯不同。1月份研究區(qū)土壤含水量變化范圍在21.3%~26.4%,絕大部分地方含水量在24.2~25.2%之間,且由北到南逐漸增加。6月含水量的變化范圍為20.53~30.39%,研究區(qū)中部含水量較低,在20.53~26.54%之間,且大部分地區(qū)的含水量小于26.54%。9月含水量由西北至東南逐漸增高,變化范圍從14.38~17.41%。11月含水量的變化范圍為14.93~20.69%,最低值出現(xiàn)在東北方,最高值出現(xiàn)西南方。1、6和11月含水量的變化幅度較一致,這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)面積較小,無論是結(jié)構(gòu)性因素還是隨機(jī)性因素對土壤含水量影響都較小。4隨機(jī)模型的建立在我們的研究尺度內(nèi)影響水分過程的作用較小,以至有的月份土壤平均含水量的半方差函數(shù)為純塊金效應(yīng)模型,即水分的空間相關(guān)性不存在,在以后的研究中應(yīng)適當(dāng)增加取樣距離和區(qū)域。但目前對半方差模型的選擇及其參數(shù)的確定仍有爭議,進(jìn)行大面積預(yù)測和