黃土地形因子對(duì)土壤水分的影響

黃土地形因子對(duì)土壤水分的影響

土壤含水量是洛杉磯高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)的決定性因素之一。地形因子(坡向、坡度、高度)對(duì)土壤水分有著重要影響,它對(duì)土壤水分的作用是通過(guò)改變其他影響因子(氣候、植被等因子)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從宏觀上講,特殊的地形可能形成獨(dú)特的小氣候,從而間接影響土壤水分的含量和分布。地形因子也可通過(guò)影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和降水的再分配來(lái)影響土壤水分含量。地形因子影響坡面的光照、氣溫、降水、土壤性質(zhì)和植被格局,使不同地形因子的土壤水分含量存在很大差異。根據(jù)劉梅、邱揚(yáng)、王軍、孫中鋒等的研究結(jié)果表明在坡面尺度上坡向、坡度和小地形的地貌對(duì)土壤水分狀況有明顯影響,對(duì)不同土層的土壤水分,影響因子的影響程度也有差別,0～20cm以地形因子為主,20～60cm地形因子與植被因子共同起作用,60～100cm植被因子占據(jù)主要地位。根據(jù)前人的研究結(jié)果分析,植被因子不是影響淺層土壤水分分布狀況的主要因子,為此本研究以晉西黃土區(qū)典型梁峁作為研究對(duì)象,不考慮植被因子的影響,利用地理信息系統(tǒng)對(duì)地形因子與坡面0～60cm土層的土壤水分進(jìn)行空間疊加分析,通過(guò)kriging插值方法對(duì)全坡面土壤水分進(jìn)行估算,避免了單點(diǎn)取樣測(cè)量所帶來(lái)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)量的偏差。進(jìn)而研究地形因子和土壤水分的相關(guān)性,建立經(jīng)驗(yàn)方程,得出不同地形因子影響土壤水分的比例系數(shù),為黃土區(qū)基于地形因子變異的土壤水分估算提供基礎(chǔ),為造林樹種和密度的選擇提供參考。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1蔡家川梁坡面概況研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川流域(北緯36°14′～36°18′,東經(jīng)110°40′～110°48′間),流域主溝長(zhǎng)12.15km,面積40.10km2。年平均降水量為575.9mm,降水主要集中在6月、7月、8月三個(gè)月份,約占全年降水量的80.6%。實(shí)驗(yàn)區(qū)為黃土區(qū)典型梁峁類型,位于蔡家川流域中部。主梁為南北走向,南北向長(zhǎng)675m,東西向長(zhǎng)490m;峁頂海拔1195m,溝底海拔1060m,高差135m;坡度范圍在7°～66°之間;土壤為褐土,黃土母質(zhì);梁峁坡面植被以人工林為主,包括果園、純林、混交林、灌草坡;主要喬灌木有油松(PinustabulaeformisCam)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(RobiniapseudoscaciaL.)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、梨(PyrusbretschneideriRehd.)、山桃(Prunusdavidiana(Carr.)Franch.)、山杏(var.ansuMaxim)、黃刺梅(RoseXanthinaLindl.)、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataLiudl.)等。1.2土壤水分的測(cè)定在試驗(yàn)區(qū),采用均勻網(wǎng)格法布置土壤水分測(cè)定樣點(diǎn),按20m×20m的網(wǎng)格選取樣點(diǎn),共布置土壤水分測(cè)點(diǎn)313個(gè)。在2005年4月25日至30日,使用TDR測(cè)定所選樣點(diǎn)0～30cm,30～60cm土層水分含量(土壤水分容積百分比%)。TDR是目前土壤水分測(cè)量中最為快捷、準(zhǔn)確的儀器。試驗(yàn)選用TRIME-TDR,并配合三針型P3探頭(長(zhǎng)30cm)同時(shí)使用,可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大量取樣點(diǎn)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的快速、直接、準(zhǔn)確的測(cè)定。建立測(cè)量點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù),利用ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)未測(cè)定區(qū)域土壤水分狀況進(jìn)行克立格插值計(jì)算,生成整個(gè)試驗(yàn)區(qū)梁峁坡面的土壤水分分布圖。利用實(shí)驗(yàn)區(qū)域1∶1萬(wàn)的等高線圖生成數(shù)字高程圖(DEM),分別提取高程、坡向、坡度三個(gè)地形因子,生成試驗(yàn)區(qū)高程分布圖、坡向分布圖、坡度分布圖。將高程、坡向、坡度分布圖與土壤水分分布圖進(jìn)行疊加,得到地形因子(高程、坡向、坡度)與土壤水分相對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。基于地形因子與土壤水分疊加數(shù)據(jù)庫(kù),使用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行主成分分析,得出主成分因子和各因子的貢獻(xiàn)率。并對(duì)主成分地形因子進(jìn)行聚類分析。使用地形因子聚類分析結(jié)果,對(duì)不同地形因子與土壤水分的關(guān)系進(jìn)行擬和,并且得出其回歸方程。通過(guò)不同地形因子土壤水分回歸方程的積分相比,得出不同地形因子影響的土壤水分的比例系數(shù)。2結(jié)果與分析2.1土壤水分含量的空間分布根據(jù)實(shí)測(cè)的土壤水分值,在ArcGIS中建立土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù),并采用普通克立格法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插,繪制土壤水分含量的空間分布圖(krigingmap),見圖2。如圖2所示,土壤水分總體呈現(xiàn)自東北向西南減小的趨勢(shì),南向坡由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大,土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,以至形成較低的土壤水分含量。這與邱揚(yáng)等在黃土高原中部的研究結(jié)果一致。2.2土地因子提取通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)1∶1萬(wàn)等高線圖的數(shù)字化處理,生成DEM圖,分別提取高程、坡向、坡度3個(gè)地形因子,生成試驗(yàn)區(qū)地形因子圖,見圖3。2.3坡向土壤水分與地形因子的關(guān)系通過(guò)ArcGIS軟件中Combine命令將高程、坡向、坡度三個(gè)地形因子圖與土壤水分克立格插值圖疊加,輸出地形因子與土壤水分狀況相對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù),基于此數(shù)據(jù)庫(kù),首先對(duì)地形因子與土壤水分的關(guān)系進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如下:通過(guò)表1中未旋轉(zhuǎn)變量的公因子方差(Extraction)可以預(yù)測(cè)土壤水分和地形因子的多重相關(guān)性。由此可以看出在0～30cm土層,地形因子與土壤水分的相關(guān)性由大到小為坡向、高程、坡度,(坡向?yàn)槌煞?,高程為成分2,坡度為成分3);在30～60cm土層,地形因子與土壤水分的相關(guān)性由大到小為坡度、高程、坡向(坡度為成分1,高程為成分2,坡向?yàn)槌煞?)。基于上述分析結(jié)果,對(duì)各成分的貢獻(xiàn)率進(jìn)行進(jìn)一步分析,以確定主成分個(gè)數(shù),結(jié)果見表2。表2中相關(guān)矩陣的特征值決定了應(yīng)保留為主成分的因子,其值>1,該因子可保留為主成分,其值<1,則因子不應(yīng)保留為主成分。可以看出在0～30cm土層中,坡向?yàn)橹鞒煞忠蜃?在30～60cm土層中,坡度為主成分因子。通過(guò)主成分分析可得,在0～30cm土層坡向?yàn)橹鞒煞?高程的影響程度次之,坡度最小;在30～60cm土層,坡度為主成分,高程的影響程度次之,坡向最小。坡向作為0～30cm影響土壤水分狀況的主成分因子,其原因在于表層土壤水分的狀況受氣象因子,尤其是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響最甚,坡向的差異可以最大程度的反映太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的差異,進(jìn)而反映土壤水分含量的差異。在30～60cm土層,由于隨著土壤深度的增加,氣象因素的作用能力減弱,因此坡向的影響程度降低;而坡度成為對(duì)土壤水分狀況影響的主成分因子,坡度的差異導(dǎo)致了水分在土壤中的流動(dòng)和保蓄,這是造成深一層次的土壤水分差異的主要原因。2.4不同立地類型的聚類分析由主成分分析得出坡向是影響0～30cm土層土壤水分狀況的主要因子,坡度為影響30～60cm土層土壤水分狀況的主要因子,利用其相應(yīng)的土壤水分屬性數(shù)據(jù)庫(kù),基于土壤水分含量進(jìn)行坡向(0～30cm)、坡度(30～60cm)的模糊聚類分析。從而以坡面土壤水分為依據(jù)劃分立地類型。以正北向0°為起始點(diǎn),按順時(shí)針?lè)较?每11.25°為一遞增量對(duì)坡向進(jìn)行模糊聚類分析,計(jì)算歐式距離,指定觀測(cè)量聚類為最小方差法,得出聚類分析圖(見圖4),按λ=2.56(λ為臨界近似程度取類間距),將坡向劃分為兩大類即:按順時(shí)針?lè)较?82.5°～112.5°為陽(yáng)坡,112.5°～282.5°為陰坡。坡向的聚類結(jié)果顯示出按土壤水分狀況的坡向劃分與傳統(tǒng)林學(xué)按太陽(yáng)輻射劃分的陰、陽(yáng)坡地(陰坡:292.5°～360°,0°～112.5°;陽(yáng)坡:112.5°～292.5°)基本一致,這很好地反映出坡向作為主要因子對(duì)淺層土壤水分的影響,坡向的差異在最大程度地反映太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的差異。在5°～35°坡度范圍之間按5°為一級(jí),以同樣的方法進(jìn)行聚類分析,其結(jié)果如圖5所示,當(dāng)λ=3時(shí),其聚類結(jié)果將坡度劃分為兩個(gè)類別,分別為:5°～20°和20°～35°。2.5土壤水分關(guān)系方程利用坡向、坡度和相應(yīng)的土壤水分狀況的屬性數(shù)據(jù)庫(kù),建立土壤水分含量與坡向、坡度的關(guān)系模型。在相同坡度范圍內(nèi)坡度的影響視為一致,對(duì)土壤與坡向之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究,用曲線描述它們的關(guān)系。曲線參數(shù)估計(jì)法(CurveEstimation)模塊能自動(dòng)擬合11種曲線,所輸出的曲線模型都給出了相關(guān)指數(shù)R2值與顯著水平p值,可以結(jié)合曲線方程與變量得出相關(guān)指數(shù)R2,標(biāo)準(zhǔn)誤差F值與p值,根據(jù)需要選擇某一個(gè)表達(dá)式。用SPSS軟件中的11種曲線模型對(duì)土壤水分和坡向作曲線參數(shù)擬合(其中y為土壤水分含量,x為坡向),根據(jù)其F值的大小從中篩選出最適合模型,結(jié)果如表3。由表3中的方差結(jié)果可以看出其顯著水平p<0.0001。四個(gè)回歸方程均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在坡度為5°～20°時(shí)陰坡的土壤水分方程:f(x1)=-3.71×10-7x3131+0.00026x2121-0.045x1+14.03x1∈(292.5°～360°,0°～112.5°)在坡度為5°～20°時(shí)陽(yáng)坡的土壤水分方程:f(x2)=1.16×10-6x3232-0.00035x2222+14.31x2∈(112.5°～192.5°)在坡度為20°～35°時(shí)陰坡的土壤水分方程:f(x3)=-8.83×10-8x3333-2.2×10-5x2323+0.022x3+10.63x3∈(292.5°～360°,0°～112.5°)在坡度為20°～35°時(shí)陽(yáng)坡的土壤水分方程:f(x4)=1.44×10-6x3434-0.00046x2424+15.24x4∈(112.5°～192.5°)通過(guò)對(duì)四個(gè)土壤水分方程求積分,然后分別與f(x1)(坡度5°～20°,坡向292.5°～360°,0°～112.5°)的積分相比,其比值即為基于地形因子分異的土壤水分關(guān)系系數(shù),所得公式如下:αi=∫f(xi)d(xi)∫f(x1)d(x1)i∈(1?2?3?4)通過(guò)計(jì)算得出的土壤水分關(guān)系系數(shù)見表4。從上述關(guān)系系數(shù)可以看出:土壤水分呈現(xiàn)按陽(yáng)坡高坡度、陽(yáng)坡低坡度、陰坡高坡度、陰坡低坡度順序遞增的空間變化規(guī)律。3陰、陽(yáng)坡坡度劃分地形因子對(duì)淺層土壤水分有著重要的影響,其中坡向?qū)ζ溆绊懗尸F(xiàn)自東北向西南減小的趨勢(shì)。對(duì)地形因子與土壤水分的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行主成分分析得出:在0～30cm土層坡向?yàn)橹鞒煞?高程的影響程度次之,坡度最小;在30～60cm土層,坡度為主成分,高程的影響程度次之,坡向最小。通過(guò)聚類分析得出:坡向按順時(shí)針?lè)较蚍?82.5°～112.5°,112.5°～282.5°兩類,與傳統(tǒng)的陰、陽(yáng)坡劃分基本相吻合。坡度劃分為:5°～20°和20°～35°兩類。在坡度為5°～20°時(shí)陰坡的土壤水分方程:f(x1)=-3.71×10-7x31+0.00026x21-0.045x1+14.03x1∈(292.5°～360°,0°～112.5°);在坡度為5°～20°時(shí)陽(yáng)坡的土壤水分方程:f(x2)=1.16×10-6x32-0.00035x22+14.31x2∈(112.5°～192.5°);在坡度為20°～35°時(shí)陰坡的土壤水分方程:f(x3)=-8.83×10-8x33-2.2×1