黄土区坡面尺度地形因子对土壤水分的影响

黄土区坡面尺度地形因子对土壤水分的影响

黄土区土壤水分的变化是由多个因素综合影响的结果。在地形因素的影响下，土壤水分空间变异的主要因素是气候和植被等影响因素的载体。对土壤水分变化的影响规律的分析，以及不同地形条件下土壤水分的变化，是全面了解黄土区土壤水分总体情况及其分布规律的前提。该地区依法进行合理的林业建设。目前,国外在地形因子对土壤水分变异影响的研究中,运用地统计学原理、采取网格法采样、基于GIS技术,对土壤水分状况进行全面估算,并建立了土壤水分变异的相关模型.但基于坡面土壤水分分布状况与地形因子间相互关系的研究较少.国内在这方面的研究,多集中于通过对地形条件不同的试验地土壤水分状况的量测,进行定性的比较分析.这些分析由于基于单点数据,代表性较差,以致分析结果缺乏说服力.因此,本研究通过对黄土区典型梁峁坡面的地形因子数据与其对应的土壤水分数据相结合进行分析,试图得到全面、系统、准确的地形因子对土壤水分变异的影响规律.1黄陇煤炭基地土壤、湿地、植被自然情况研究区位于山西省吉县蔡家川流域(北纬36°14′～36°18′、东经110°40′～110°48′),流域主沟长12.15km,面积40.10km2.该流域为黄土高原残塬沟壑区和梁状丘陵沟壑区的典型地区,海拔904～1592m,年平均降雨量为579.5mm,年平均水面蒸发量为1723.9mm,年均气温10℃.土壤为褐土,黄土母质.流域森林覆盖率为39.8%.实验区为黄土区典型梁峁类型(图1),位于蔡家川流域中部.主梁为南北走向,南北向长675m,东西向长490m,峁顶海拔1195m,沟底海拔1060m,高差135m.坡度范围在7°～66°之间.梁峁坡面植被以人工林为主(图2),包括果园、纯林、混交林、灌草坡.主要乔灌木有油松(PinustabulaeformisCarr.)、侧柏(Platycladusorientalis(Linn.)Franco)、刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、梨(PyrusbretschneideriRehd.)、山桃(Prunusdavidiana(Carr.)Franch.)、山杏(Armeniacasibirica)、黄刺玫(RosexanthinaLindl.)、三裂绣线菊(SpiraeatrilobataL.var.trilobata)等.2学习方法2.1土壤水分测定在试验区,采用均匀网格法布置土壤水分测定样点,按20m×20m的网格选取样点,共布置土壤水分监测样点291个(见图3).于2005年4月28和29日使用TDR测定所选样点0～30cm和30～60cm土层水分含量.TDR是目前土壤水分测量中最为快捷、准确的仪器.本次试验选用TRIME--TDR,并配合三针型P3探头同时使用,可实现土壤水分快速、直接、准确的测定.2.2基于grid方法的土壤水分模型利用ArcGIS,将全试验区291个样点点位图数字化,生成用于克立格插值分析的样点分布空间数据库,通过同名字段进行与各点不同土层土壤水分数据之间的链接,实现与样点地理坐标匹配的属性数据.然后用ArcGIS中的grid模块对未测定区域土壤水分状况进行克立格插值计算,生成整个试验区梁峁坡面的土壤水分分布图.将试验区1∶10000地形图数字化,生成DEM图,分别提取高程、坡向、坡度3个地形因子,生成试验区高程分布图、坡向分布图和坡度分布图.使用ArcGIS中grid的combine命令将高程、坡向、坡度分布图与土壤水分分布图先进行共同叠加,而后单因子分别叠加,得到地形因子与土壤水分数据的属性数据库和高程、坡向、坡度各因子与土壤水分相对应的属性数据库.基于地形因子与土壤水分叠加数据库,使用SPSS统计学软件进行主成分分析,得出主成分和各因子的贡献率;基于单个地形因子与土壤水分的叠加数据,使用Excel进行单因素对土壤水分作用规律分析.3结果与分析3.1土壤水分含量在进行土壤水分数据克立格插值之前,应对数据的统计学特征有一个初步的了解.对291个样点的土壤水分数据进行传统统计学分析,其结果见表1.由表1可见,平均土壤水分含量为10.94%(0～30cm)和11.88%(30～60cm).由于上一年度(2004年)属丰水年,降水量为611.5mm,因此尽管测期处于生长季初期,土壤水分蒸发强烈,植物生长需水量较大,但0～60cm土壤水分含量较好.0～30cm土层土壤平均含水量低于30～60cm土层,变异系数高于30～60cm土层,说明表层土壤具有较低的土壤水分含量和较高的变异程度,而底层土壤水分状况较好且变异程度较小.根据得到的实测土壤水分数据,采用普通克立格法进行最优内插,绘制土壤水分含量的空间分布图(见图4).如图4中(a)、(b)所示,土壤水分表现出较为规律的变化.总体呈现自东北向西南减小的趋势,南向坡由于太阳辐射强度较大,土壤水分蒸发强烈,形成较低的土壤水分含量.30～60cm土层的高土壤水分含量区域的数量、面积均多于0～30cm土层,致使30～60cm土层土壤水分含量明显好于0～30cm土层.其原因在于表层土壤水分含量受气象因素影响强烈,测期(4月28、29日)正值旱季,缺乏降水补充,表层土壤水分蒸发强烈,土壤水分含量偏低.3.2土地因子提取通过试验区等高线图的数字化处理,生成DEM图.分别提取高程、坡向、坡度3个地形因子,生成试验区地形因子图(见图5).3.3影响土壤水分状况的主成分将高程、坡向、坡度3个地形因子图与土壤水分克立格插值图叠加,输出地形因子与土壤水分状况相对应的属性数据库.基于此数据库,进行相关统计学分析,结果见表2.由表2可以看出地形因子的公因子方差均为1,3个地形因子的公因子方差之和为3.通过未旋转的公因子方差(Extraction)可以预测土壤水分和地形因子的多重相关性.在0～30cm土层地形因子与土壤水分的相关性由大到小为坡向、高程、坡度;在30～60cm土层地形因子与土壤水分的相关性由大到小为坡度、高程、坡向.基于上述分析结果,对各成分的贡献率进行进一步分析,以确定主成分个数,结果见表3.表3中相关矩阵的特征值(total)决定了应保留为主成分的因子.其值>1,该因子可保留为主成分;其值<1,则因子不应保留为主成分.在0～30cm土层中,成分1(坡向)的total=1.350>1,应保留为主成分,它的贡献率是45.001%,累计贡献率是45.001%;成分2(高程)的total=0.978<1,不应保留为主成分,它的贡献率是32.593%,累计贡献率是77.594%;成分3(坡度)的total=0.672<1,不应保留为主成分,它的贡献率是22.406%,累计贡献率是100%.在30～60cm土层中,成分1(坡度)的total=1.352>1,应保留为主成分,它的贡献率是45.054%,累计贡献率是45.054%;成分2(高程)的total=0.976<1,不应保留为主成分,它的贡献率是32.549%,累计贡献率是77.604%;成分3(坡向)的total=0.672<1,不应保留为主成分,它的贡献率是22.396%,累计贡献率是100%.由上述分析可以得到影响每层土壤水分状况的只存在一个主因子.通过对各因子的荷载量进行分析,确定主成分.荷载量表示地形因子对土壤水分变量的影响程度.由表4可以看出在0～30cm土层中坡向在因子上的载荷量最大,其次为高程和坡度,坡向应为主成分;在30～60cm土层中,坡度在因子上的载荷量最大,其次为高程和坡向,坡度应为主成分.通过主成分分析可得,在0～30cm土层,坡向为主成分,高程的影响程度次之,坡度最小;在30～60cm土层,坡度为主成分,高程的影响程度次之,坡向最小.坡向作为0～30cm影响土壤水分状况的主成分因子,其原因在于表层土壤水分的状况受气象因子,尤其是太阳辐射强度的影响最甚,坡向的差异可以最大程度地反映太阳辐射强度的差异,进而反映土壤水分含量的差异;而随着高程的升高,太阳辐射强度增大,这种变化对土壤水分状况也有一定程度的影响;坡度在这方面的影响较为薄弱.在30～60cm土层,由于随着土壤深度的增加,气象因素的作用能力减弱,因此坡向的影响程度降为最小;而坡度成为对土壤水分状况影响的主成分因子,坡度的差异导致了水分在土壤中的流动和保蓄,这是形成深层土壤水分差异的主要原因;而高程的差异也是土壤水分运动的条件,因而也对土壤水分差异的形成有一定作用.3.4土壤水分随坡度变化特征将试验区坡向图、坡度图分别与土壤水分克立格插值图叠加,生成与坡向、坡度分别关联的土壤水分属性数据库,进行主成分地形因子对土壤水分状况的影响分析.将与土壤水分数据相对应的坡向数据进行分析处理,结果见图6.由图6可以看出,0～30cm和30～60cm土壤水分随坡度的变化保持基本相似的趋势,但30～60cm土壤水分含量值明显高于0～30cm.从总体上看,在坡向N337.50°(北偏西22.5°)存在土壤水分含量的最高区域,而在N202.50°(南偏西22.5°)(0～30cm)、N191.25°(南偏西11.25°)(30～60cm)存在土壤水分含量的最低区域.自土壤水分最高区域以顺时针方向分析土壤水分变化规律,土壤水分变化呈现先减少后增加,再减少,后增加的两次减增过程.自土壤水分含量最高区域N337.50°(北偏西22.5°)至N45°(北偏东45°),土壤水分减少,但在N22.50°(北偏东22.50°)(0～30cm)、N11.25°(北偏东11.25°)(30～60cm)处土壤水分值出现异常变化点,测值偏高,原因在于试验区该方向上种植大面积果树,灌溉使土壤水分含量升高;自N45°(北偏东45°)至N56.25°(东偏北33.75°)土壤水分含量升高;在N56.25°(东偏北33.75°)至N90°(东)之间保持相对稳定;自N90°(东)至土壤水分含量最低点N202.50°(南偏西22.5°)(0～30cm)、N191.25°(南偏西11.25°)(30～60cm),土壤水分缓慢降低;自土壤水分含量最低点至最高点含水量迅速上升.根据各坡向土壤水分状况对坡面进行划分,丰水区为N303.75°(北偏西56.25°)～N348.75°(北偏西11.25°)和N56.25°(东偏北33.75°)～N90°(东);平水区为N348.75°(北偏西11.25°)～N56.25°(东偏北33.75°);欠水区为N90°(东)～N303.75°(北偏西56.25°).将与土壤水分数据相对应的坡度数据进行分析处理,结果见图7.由图7可知,土壤水分随坡度变化的幅度很小.随着坡度的增加出现先增加后减小的趋势,状似正弦曲线.自0°至10°土壤水分迅速上升;自10°至40°土壤水分含量缓慢下降.总体来看,当研究区坡面的坡度为5°～25°时,土壤水分状况较好.而两端低坡度(0°～5°)和高坡度(大于25°)土壤水分状况较差.究其原因,作者认为研究区低坡度区域(0°～5°)大多位于林道周围,或为梁峁上部的荒草坡,缺少植被遮盖,土壤蒸发强烈,0～60cm土层土壤水分状况较差;而高坡度区域(25°以上)由于地形陡峻,不利于降水的入渗和土壤水分的保蓄,因此土壤水分状况较差.因此根据坡度与土壤水分关系,以坡度5°和25°划分为丰水区(5°～25°)、欠水区(0°～5°和25°以上).4坡向对土壤水分的影响1)通过克立格插值法得到研究区土壤水分空间分布图,经计算,整个研究区坡面不同土层(0～30cm、30～60cm)的土壤水分含量平均值分别为10.94%、11.88%.2)对影响土壤水分的地形因子经主成分分析得出,在0～30cm土层,坡向为主成分,高程的影响程度次之,坡度最小;在30～60cm土层,坡度为主成分,高程的影响程度次之,坡向最小.3)坡向对土壤水分的影响可表述为:在坡向N337.50°(北偏西22.5°)处存在土壤水分含量的最高区域,在N202.50°(南偏西22.5°)(0～30cm)、N191.25°(南偏西11.25°)(30～60cm)处存在土壤水分含量的最低区域.在土壤水分含量最高区域土壤水分变化呈现先减少后增加,再减少,后增加的两次减增过程(顺时针方向).根据各坡