不同降雨强度下剖面土壤电导率的空间变异研究.docx

1、不同降雨强度下剖面土壤电导率的空间变异研究伍宇春'，傅瓦利I，高勇2,陈高起'程辉I(1.西南大学地理科学学院，重庆400715；2.四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610066)摘要：应用传统统计学和地统计学方法，分析了重庆市中梁山坡耕地土壤电导率在无雨、小雨、中雨和大雨4种降雨强度下的空间分布特征.并分析r不同降雨强度下土壤电导率与相关参数的相关性。结果表明：在一定条件下，土壤孔隙水电导率和土壤含水率是影响土壤电导率的主要因素；土壤电导率具有明显空间变异性，不同降雨强度下同一土层电导率差异显著，不同土层间土壤电导率差异显著；对不同降雨强度下土壤电导率的变异函数理论模

2、型拟合精度较高，无雨条件下，土壤电导率空间具有中等或强烈空间相关性，自相关域最大.不同降雨强度下010cm土层土壤电导率结构比为0,10-30.30-50cm土层结构比均有不同程度下降。关键词：降雨强度；土壤电导率；半方差函数；空间变异中图分类号:S153.2文献标识码：A文章编号:1004-874X(2014)15-0149-06SpatialvariabilityofsoilelectricalconductivityunderdifferentprecipitationintensityWUYu-chun',FUWa-liGAOYong2,CHENGao-qi',CHEN

3、GHui*(1.SchoolofGeographicalSciences,SouthwestUniversity,Chongi/ing400715,China;2.FacultyofGeographyResoursesSciences,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,China)Abstract:Spatialvariabilityofsoilelectricityconductivity(EC)inslo>efarmlandofZhongliangMountainunderdifferentprecipitationintensity(nor

4、ain,lightrain,inidcralerainandheavyrain)wasanalyzedbyclassicalstatisticsandgeo-statistics,andthecorrelationofsoilECandrelatedparameterswerealsoprocessed.Theresultsshowedthatinsomecondition,soilECofporewaterandsoilwatercontentwerethetwomajorfactorsafTectingsoilEC.ThesoilECwassignificantlydifferentfro

5、meachotherinboththesamesoillayerunderdifferentprecipitationintensityandthesoilprofile.Thefittingprecisionofsemi-varianceofsoilECwasashighasacceptable.TherewasamoderateorstrongspatialcorrelationwithlargestautocorrelationrangeofsoilECundernoraincondition.TheC(/(C+Co)ofsoilECin010cmsoillayerwas0,while1

6、0-30cmand30-50cmofsoillayerhadadifferentdegreeofdecreasingunderraincondition.Keywords:precipitationintensity；soilelectricityconductivity(EC);semi-variance;spatialvariability土壤电导率是土壤的电化学特性，在一定浓度范围内溶液电导率与含盐量呈显著正相关，含盐玷越高，溶液渗透压越大，电导率也越高叫土壤电导率的测定方法具有快速、简便、低成本等诸多优点，因而土壤电导率已广泛用于盐碱土的鉴别与改偎研究。对于非盐渍化土壤，土壤电导率可作

7、为上壤肥力的综合性参考指标土壤电导率能不同程度反映土壤中盐分、水分、有机质含量、土壤质地结构和孔隙度等参数大小少气通收稿日期：2014-05-06基金项目：国家自然科学基金(41072192)；重庆市自然科学基金(CSTC2O12jjA8O(X)8)作者简介：伍宇春(1989-),女.在读硕士生.E-mail：1009759314通讯作者：傅瓦利(1954-)，女.博士，教授.E-mail：fuwali过对电导率的测定，可以及时、快速掌握多种上壤性质，为农业生产提供科学指导。随着20世纪70年代地统计学被引入到土壤科学中.对土壤的形态和性质研究逐渐进入定量化描述阶段叫利用地统计学方法通过不同时

8、空尺度七壤电导率的变异特征监测盐分运动待征及对土壤盐碱化进行有效控制和防治具有重要意义和参考作用。研究表明，土壤的电导特性与土壤的含盐量、含水最密切相关而不同强度降雨可以通过影响土壤中水总逐动而对土壤电导性产生影响，进而影响土壤电导率的空间分布特征。但是目前尚未见到不同降雨强度下土壤电导率空间分布和空间变异的相关研究。为此，本研究以垂庆市中梁山岩溶槽谷区坡耕地为例，对不同降雨强度下土壤电导率的空间变异特征进行了研究.并对不同土层厚度下土壤电导率及相关参数的垂直分布特征进行了分析,以期更好r解不同降雨强度下土壤电导率的空间分布格局，为研究区坡耕地土壤肥力空间变异研究提供原始数据和参考依据。1材料

9、与方法1.1研究区概况土壤样品采自重庆市中梁山（29。39,10”30。3'53”N.106。】*14”106。56'53”E）。中梁山是观音峡背斜的一部分，其地貌类型受地质构造和岩性的强烈控制：坚硬的砂岩形成陡峻的两翼；紫色页岩组成的轴部构成波状起伏的丘陵地形；二者之间由灰岩组成，经岩溶作用后形成岩溶槽谷，组成“一山两槽三岭”的构造地貌局格。研究区海拔在400700m,属亚热带季风气候，四季分明，热量:充足，水热同期，年均温为18Y,年降雨最在1000mm左右。1.2样品采集与数据分析采样点设在中梁山岩溶槽谷区坡面上，其土壤母质灼为三登系嘉陵江组的角砾状白云质灰岩，土壤为黄色

10、石灰土。通过实地考察，在槽谷中典型坡耕地上设置1个100mxlOOm标准样地，再以20mx20m网格间距将标准样地分为25个采样地块，每个地块视为一个研究样点。根据之前的气象观测资料，分别于2012年4月23日、4月26日、5月1日和7月6日在不同降雨强度（分别为无雨、小雨、中雨、大雨）下对每块样地土壤分别按010、1030、3050上壤层次对土壤电导率进行采样测定。土壤电导率采用德国产Multi3430便携式多参数分析仪测定。描述性统计及单因素方差分析均采用SPSS软件完成，地统计分析借助GS+9.0完成。2结果与分析2.1不用降雨强度下剖面土壤电导率及相关参数的基本统计特征本研究利用SPS

11、S统计软件中的K-S非参数检验来验证研究区土壤电导率数据是否符合正态分布特征。由表1可知，不同降雨强度下各土层深度土壤电导率K-S检验Sig值均大于显著性水平0.05.表明研究区土壤电导率的分布服从正态分布，能够进行地统计学分析。从降雨强度来看，各土层深度土壤电导率变异系数的大小依次表现为：小雨无雨中雨大雨，说明中雨、大雨条件下上壤电导率分布更为均匀，变异系数值介于0.20.6之间，属于中等变异程度；电导率平均值大小顺序为：大雨中雨无雨小雨。电导率的平均值和变异系数随降雨强度的变化表现出相反的趋势。方差分析结果（表2）表明，同-土层深度不同降水强度的土壤电导率差异显著cm七层深度无雨和小雨条件

12、下的土壤电导率无显著性差异，中雨和大雨条件下的土壤电导率无显著性差异，而中雨、大雨条件卜的土壤电导率显若大于无雨、小雨条件下的土壤电导率；表1不同降雨强度下剖面土壤电导率描述性统计注：同行数据后小写英文字母不同者表示同-土层深度F不同降雨强度间土壤电导率差异显著；同列数据后大写英文字母不同降雨强度上层深度（cm）平均E壤电导率（pis/cm）标准差变异系数偏度峰度K-S检验值最大值最小值无雨01087.40260.5036.0048.030.552.1496.1520.3291030126.09304.2545.0055.780.441.2683.056().88030-50207.36410

13、.0072.0084.130.410.5250.1750.898小雨01076.32247.0032.0043.490.572.7529.823().15810-30121.96273.0046.0055.070.451.1001.0020.60230-50208.56454.0056.0097.530.470.6010.1460.966中雨0-10172.96324.0074.0071.780.420.673-0.3270.53210-30153.67234.0019.7054.800.36-0.511-0.1430.92330-50243.46425.00125.0088.350.360.

14、669-0.1970.839大雨010188.56403.0098.0069.330.371.3672.4430.5421030225.12389.0096.0074.420.330.221-0.197().9763050325.52526.00201.0087.090.270.650-0.1480.727表2不同降雨强度下剖面土壤电导率差异显著性分析土壤电导率（p.s/cm）P值工枢探说（cm）无雨小雨中雨大雨Piti01087.40CB76.32Cb172.96Ha188.56Ba23.4620.00010-30126.09BI)12I.96BB153.67BB225.l2Ba15.513

15、O.(XX)30-50207.36AI)208.56Ab243.46AI)325.52A&9.6150.000者表示同一降雨强度下不同土层深度间土壤电导率差异显著“10-30cm和30-50cm土层深度无雨、小雨和中雨条件下的土壤电导率无显著性差异，大雨条件下的土壤电导率显著大于前3种降雨条件下的电导率。以上说明降雨强度的增大使得同一土层上的电导率空间分布更为均匀，但也同时显著影响了土壤中电解质的含量从而影响土壤电导率。2.3不同降雨强度下剖面土壤电导率的垂直分布特点图1A是不同降雨强度下各土层深度土壤电导率的垂直分布状况。除小雨外，同一降雨强度卜不同土层深度的土壤电导率变异系数大小顺

16、序为：010cm>】030cm>3050cm,主要是因为表层干扰因素较多（降水、灌溉、植被覆盖及地表微地形的差异等），而随着土层深度增加，这些因素的干扰作用会逐渐减弱仞;除中雨外，土壤电导率平均值大小顺序为：3O5Ocm>1030即随着土层深度的增加，土壤电导率有逐渐升高的趋势。方差分析结果（表2）表明，无雨和小雨条件下,010J0-30J050cm土层深度的土壤电导率均表现出显著性差异，底层土壤电导率明显大于上层电导率；中雨和大雨条件下,010cm和1030cm间土壤电导率无显著性差异,30-50cm土层深度的土壤电导率明显高于010cm和103（）cm的土壤电导率。这可能

17、是因为降水强度在小雨条件下仅能在一定程度上增加土壤电解质含虽，随着降雨强度的增加，不同土层上壤含水量增加，土壤电解质增加的同时发生了淋溶作用，使得较深层次的土层电导率明显增加。对不同降雨强度卜各土层间土壤电导率进行相关性分析，结果（表3）表明，无雨条件下，相邻土层间具有极显著相关性；小雨条件下，1030cm和30-50cm±层间为极显著相关；中雨和大雨条件卜相邻土层间土壤电导率相关性为显著或极显著，相关程度随着降雨强度增加表现出先减小后增加的趋势。2.4不同降雨强度下剖面土壤相关参数基本统计特征A上壤电导率（p.s/cm）HMNMnuNH无小中大I）土壤温度（T）2122232425

18、26B孔隙水电导率（）7007508008509009501000C土壤含水率（）-50-5O203040-无雨小雨f中雨一大雨-50图1不同降雨强度下土增电导率及相关参数垂直分布由表46可知，不同降雨强度下各土层深度土壤相关参数（孔隙水电导率、土壤含水率和土壤温度）的K-S检验值均大于0.05,表明土壤相关参数均服从正态分布。其中，孔隙水电导率和上壤含水率变异系数在0.10.3之间，为中等变异程度，土壤温度变异系数均小于0.1.为弱变异程度。由图1B可见，不同降雨强度下表层010cm孔隙水电导率的大小依次表现为：中雨小雨无雨大雨，10-30cm孔隙水电导率大小依次为：中雨无雨小雨大雨，3（）

19、50cm孔隙水电导率大小依次为：中雨小雨大雨无雨；各降雨强度卜不同上层深度孔隙水电导率的垂宜分布特征各不相同，中雨和小雨条件下010cm>3050cm>10-30cm,大雨条件下010cm>10-30cm>3050cm,无雨条件卜1030cm>010cm>3O5Ocm。由土壤含水率垂直分布图（图1C）可知，各降雨条件F,剖面底层30-50cm±壤含水率最高，表层010cm土壤含水率最低；从降雨强度来看，土壤含水率的高低依次为大雨中雨小雨无雨，可见不同降雨强度对土壤含水率的影响明显，具有显著的正相关性。土壤温度平均值（图1D）在不同降雨强度下的大小依

20、次为大雨无雨中雨小雨，这与研究区不同降雨过程观测时间从春季向夏季逐渐发展，气温逐渐升高有表3不同降雨强度下各土层间土壤电导率的相关性分析降雨强度土层深度（cm）0-10cm土层1030cm土层3O5Ocm土层无雨0-10110-300.787*130-500.473*0.782*1小雨010110-300.361130-500.2820.896*1中雨010110-300.458*130-500.3500.517*1大雨010110-300.695*30-500.3230.567*1注：分别表示在0.05.0.01水平（双侧）上显著相关，表7同、关，剖面十壤温度在不同土层深度上也表现出不同特征

21、，总体来说，表层010cm和底层30-5（）cin土壤温度的平均值较为接近，而中层10-30cm土壤温度平均值较低。2.5不同降雨强度下剖面土壤电导率与相关参数的相关性分析将不同降雨强度下剖面土壤电导率与相关参数进行相关分析，结果（表7）表明.不同降雨强度下，各土层深度土壤电导率与孔隙水电导率和土壤含水率均呈极显著正相关。其中，土壤电导率与土壤含水率多数情况下呈高度相关（>0.8）,与孔隙水电导率多数为中度或高度相关（r>0.5）o据土壤电导率影响因素相关研究四表明，含水率在15%30%之间变化时电导率改变最为明显，且两者间近似为线性关系；当含水率超过或低于这一阈值时，土壤电导率变

22、化趋势明显减缓。本研究中所测的土壤含水量在14.58%31.19%之问，因而土壤电导率与含水率相关性好；孔隙水电导率是土壤电导率的主要影响因素之一叫，孔隙水含量的变化.将会导致十.壤中电解质含量的变化，进而影响土壤电导率；而本研究中上壤电导率与土壤温度相关性并不显著°由以上分析可知，一定条件F,含水率和孔隙水电导率是表4不同降雨强度下剖面孔隙水电导率描述性统计表6不同降雨强度下剖面土壤温度描述性统计降雨强度土层深度（cm）孔隙水电导率（|is/crn）标淮是变异系数偏度峰度K-S检验值平均值最大值最小值无雨010839.021594.5592213.980.262.0985.6560

23、.10610-3()845.701219.5548156.910.190.1670.1590.97730-5()818.721057.0502145.680.)8-0.173-0.2780.968小雨01()X72.681448.0696177.430.201.8923.9340.24210-30795.36995.0576109.210.140.190-0.494().69930-50839.721082.0633I25.4X0.15O.35X-0.5610.972中雨010950.821596.0677224.360.241.4331.9170.51710-30854.121109.064

24、6114.620.130.6930.0560.45530-5()927.681299.075()121.410.131.2642.2150.447大雨0-10717.04988.0451133.320.190.215-0.5080.79610-3()768.561057.0489136.160.180.108-0.2780.98630-50820.281066.0632129.770.160.459-0.80)0.962表5不同降雨强度下剖面土壤含水率描述性统计匕壤含水率（%）降雨强度土层深度（cm）平均值最大值最小伉你准差变异系数偏度峰度K-S检驶值无雨(M015.6222.8011.102

25、.980.190.369-03030.91710-3020.7329.9()14.004.340.210.186-0.6000.99230-5028.4540.2016.505.890.21-0.224-0.1110.891小雨(MO14.5823.509.303.530.240.6280.1620.85310-3021.7232.7012.405.300.240.274-0.5000.96530-5029.7746.1014.807.830.26-0.152-0.3930.934中雨01024.0232.6015.904.600.19-0.023-0.8990.94!10-3025.1730

26、.7015.804.240.17-0.584-0.6370.69030-5031.1942.9022.306.060.190.352-0.740().708大雨01028.5438.8020.804.730.170.314-0.4110.98510-3031.0138.3020.804.410.14-0.4750.0700.75230-5037.6747.6030.904.020.110.336-0.0800.923降雨强度土层深度(cm)土壤温度(V)标准差变异系数偏度峰度K-S检验值平均值婚大值最小值无雨01023.1827.6020.601.770.080.9910.5250.31510

27、-3021.4625.3519.701.190.061.3883.5750.77130-5023.6727.1019.702.020.090.028-0.5090.982小雨0-1020.5222.2018.700.940.05-0.314-0.6060.42210-3019.9121.2018.40().7()0.04-0.218-0.2890.49430-5020.4522.0019.100.690.030.128-0.0870.997中雨01020.5221.1019.650.420.02-0.827-0.2890.19510-3020.1120.8019.200.440.02-0.48

28、1-0.1580.75630-5019.9721.0019.100.500.030.120-0.6210.978大雨01025.6027.9023.401.160.05-0.198-0.2500.98510-3024.4525.5023.200.590.02-0.213-0.3351.00030-50253426.9024.000.760.030.028-0.2910.970表7不同降雨强度下剖面土壤电导率与相关参数的相关性分析降水强度土层深度(cm)孔隙水电导率土壤含水率上壤温度无雨0-100.959*0.891"-0.00610-300.773*0.906*-0.10630-50

29、0.774*0.926*-0.290小雨0100.741*0.868*0.20510-300.610*0.931*0.433*30-500.588*0.916*0.232中雨0100.765*0.796*0.16510-300.451*0.707*0.06830-500.566*0.945*0.326大雨0-100.655*0.859*-0.08210-300.85()*0.892*-0.22630-500.791*0.828*0.019土壤电导率的两个决定性因素。不同的降水条件会影响土壤含水率和孔隙水含鱼，从而影响土壤电导率。2.6不同降雨强度下土壤电导率的空间变异特征分析土壤特性传统统计分

30、析中，往往将土壤特性随空间位置的变化视为随机的、彼此间独立的.但实际上，当采样距离在某个相关距离内，同一土壤特性在不同空间点上存在一定的相关性。因此，传统统计方法只能在一定程度上反映样本全体，不能定鼠反映土壤特性的随机性和结构性、独立性和相关性气还需采用地统计学方法进行上壤特性空间结构分析.本研究中的土壤电导率分布符金正态分布，表明所测数据能够满足地统计学分析要求。由地统计学方法获得的变异函数理论模型中包括块金值(Co)、基台值(Co+C)、变程a等3个主要参数。C。表示块金方差，是由实验误差和小于取样尺度上施肥、作物和管理措施等随机因素共同引起的变异；C表示结构方差，由土壤母质、地形、气候等

31、非人为结构性因素引起的变异;C°+C为基台值，表示系统内的总变异；结构比C/(C+C。)则表示由结构性因素引起的空间变异占系统总变异的比例，即系统变量的空间相关程度，结构比C/(C+C°)>75%,变量空间相关性强；C/(C+C0)在25%75%之间，变量具有中等的空间相关性；C/(C+C°)<25%,变量的空间相关性弱；变程a表示变埴空间自相关变异的尺度范围。表8是根据土壤电导率变异函数理论模型得出的相应参数，各降雨强度下的剖面土壤变异函数理论模型中的决定系数？均较大，表明所得理论模型具有较好的分析精度；不同降雨强度下土壤电导率变程均大于采样距离(2

32、0m),即样点布设方式能够反映土壤电导率空间变异特征；不同降雨强度下各土层土壤电导率的块金值C。均为正值.说明存在山采样误差、短距离变异、随机和固有变异引起的正基底效应。无雨条件下土壤电导率结构比分别为65.72%、87.58%、95.77%,具有强烈或中等空间相关性，并且空间自相关范围较大，表明土壤主要受到结构性因素如土壤母质、地形等影响；小雨、中雨、大雨条件下010cm土层土壤电导率结构比为0,同时具有较大的空间自相关范围，这主要是由于降雨使得该层土壤电导率均匀性增强并具有恒定变异；同一降雨强度下，不同土层土壤电导率结构比均有上升趋势，表明降雨对"壤电导率的影响随若土层深度增加而

33、减弱，而结构因子对其影响增强；同一土层中雨条件下土壤电导率结构比相比于小雨、大雨条件下小，可能是研究期间研究区还受如施肥等其他人为因素的影响，3结论本研究根据重庆市中梁山岩溶槽谷区坡耕地选取的25个土壤样点,采用传统统计学和地统计学相靖合方法,通过对不同降雨强度下O1O、1O3O、3O5Ocm3个土层土壤电导率进行测定和分析研究，得到如下结论：(1) 据传统统计分析和正态分布检验结果表明，不表8不同降雨强度下土壤电导率变异函数理论模型及相关参数降雨强度土层深度(cm)块金值G)基台值Co+CC/(G汁C)(%)变程a(m)R'RSS理论模型无雨0-100.1430.41765.7236

34、4.200.8860.0003指数10-300.1391.11987.58408.590.8430.0030高斯30500.0932.19695.77428340.8260.0136高斯小雨0-100.2010.2010.0084.160.4830.0013线性10-300.1020.30566.58259.200.6200.0022指数30-500.0230.28892.1642.100.3870.0054球状中雨0-100.1720.172O.(X)84.160.7030,(X)57线性10-300.2270.227O.(X)102.630.8510.0602线性30-500.1090.1

35、4525.0365.190.6470.0001线性大雨0100.1030.1030.00102.630.5110.0051线性10300.1010.16137.05102.630.7270.0005线性30-500.0520.39286.73435.610.5870.001i高斯同降雨强度F各土层土壤电导率均服从正态分布；从降雨强度来看，同一土层土壤电导率变异系数小雨无雨中雨大雨，变异系数在0.2-0.6之间，为中等变异程度.平均值大小顺序为大雨中雨无雨小雨，方差分析表明，同一土层深度不同降水强度土壤电导率差异性显著；从土壤剖面来看，除小雨外，同一降雨强度下不同土层深度土壤电导率变异系数大小顺

36、序为。10cm>103()cm>3050cm,除中雨夕卜，土壤电导率平均值大小顺序为30-50cm>10-30cm>010cm,方差分析表明，不同土层深度的土壤电导率差异显著性随着降雨强度的变化表现不同；除小雨010cm和10-30cm土壤电导率相关性不显著外，不同降雨强度下相邻土层间土壤电导率均显著或极显著相关。(2) 据传统统计分析和正态分布检验结果表明.不同降雨强度土壤孔隙水电导率、土壤含水率和土壤温度均服从正态分布；孔隙水电导率和土壤含水率变异系数在0.1-0.3之间，为中等变异程度，土壤温度变异系数均小于0.1,为弱变异程度；各土壤相关参数在土壤剖面上的垂直分布规律及对不同降雨强度的响应规律表现各异。(3) 经相关分析表明，地方不同降雨强度下各土层土壤