丹江鸚鵡溝小流域土壤可蝕性空間分異特征研究

胡克志

(陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安710004)

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丹江鸚鵡溝小流域土壤可蝕性空間分異特征研究

胡克志

(陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安710004)

[摘要]以丹江源區(qū)鸚鵡溝小流域為研究對象，采用EPIC模型計算了不同地類的土壤可蝕性，研究了土壤可蝕性空間變異特征和不同植被類型對土壤可蝕性K值的影響，結(jié)果表明：研究區(qū)土壤養(yǎng)分差異顯著，變化范圍為0.027～0.062 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，均值為0.047 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，變異系數(shù)為12.8%，說明K值變異程度屬中等變異；隨著土層深度的增加K值逐漸變大，說明土壤表層可蝕性最小，抗侵蝕能力最強(qiáng)，6種不同植被類型土壤表層0～10 cmK值的大小排序為櫟樹林>花生地>草地>玉米地>松林>茶園；K值半方差函數(shù)理論模型為球狀模型；K值從南至北、自東向西逐漸減小，條帶狀分布明顯，反映了流域北部森林覆蓋區(qū)土壤抗侵蝕能力較強(qiáng)，東南部及中東部耕作種植、居住生活區(qū)和未受關(guān)注的山體土壤抗侵蝕能力較弱。

土壤可蝕性是指土壤受侵蝕破壞的可能性，也是土壤對侵蝕介質(zhì)的敏感性，是評價土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度的一項指標(biāo)，是影響土壤流失的內(nèi)在因素[1-2]。通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用土壤流失方程(RUSLE)中用K值來衡量土壤可蝕性。作為影響侵蝕量大小的重要因子，土壤可蝕性是土壤侵蝕預(yù)報、水土保持規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境與土壤潛在危險性評價等方面的重要內(nèi)容[3-5]。

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的核心水源地，丹江水源區(qū)水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到工程的成敗，更與受水地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和群眾生活密切相關(guān)。已有的丹江水源區(qū)及水庫區(qū)土壤侵蝕研究多集中于宏觀的、面上的調(diào)查與分析評價[6-8]，涉及侵蝕機(jī)理的研究相對較少，特別是對該區(qū)土壤可蝕性的研究還未見報道。本研究以商南縣鸚鵡溝小流域為例，研究丹江源區(qū)小流域土壤可蝕性K值及其分布特征，探討成土母質(zhì)與耕作對土壤可蝕性的影響，以期為流域土壤資源可持續(xù)利用與水土保持戰(zhàn)略制定提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

鸚鵡溝小流域位于商南縣城東南2 km處的城關(guān)鎮(zhèn)五里鋪村，是商南縣“長治”二期工程東北山流域的一條支溝，地處流域下游，土地總面積2.04 km2；大部分為低山丘陵地貌，河谷開闊，最高海拔824 m，最低海拔464 m；處于北亞熱帶和暖溫帶過渡區(qū)，氣候溫和、日照充足、雨量充沛、四季分明；降水年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月，期間降水量占年降水量的50%左右，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年徑流深261.3 mm，年徑流總量53.4萬m3；土壤以黃棕壤為主，有機(jī)質(zhì)、微量元素較為缺乏；人口密度350人/km2，土地利用結(jié)構(gòu)不合理，土地利用率低；流域內(nèi)水土流失面積130.53 hm2，占土地總面積的63.8%，且主要分布在坡耕地、荒山、荒坡和河灘地上。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)資料

選取鸚鵡溝小流域不同土地利用類型和坡度的土壤為研究對象設(shè)置采樣點，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H，選取0～10、10～20、20～40和40～60 cm土層土壤樣品進(jìn)行顆粒分析與有機(jī)碳計算。土壤顆粒分析采用Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行分析。土壤有機(jī)碳測定方法為采用高溫催化氧化進(jìn)行消解，使用NDIR法測定有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析儀器為Analytik Jena AG 公司生產(chǎn)的Multi N/C 3100 TOC/TC Analyzer。

1.2.2土壤可蝕性因子K值的計算

土壤可蝕性計算采用EPIC模型中土壤可蝕性因子K值的方法進(jìn)行計算[9-13]，Williams等(1990年)在EPIC模型中發(fā)展的K值估算公式為

K={0.2+0.3exp[-0.025 6SAN(1-0.01SIL)]}×

(1)

式中：K為土壤可蝕性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；SAN為砂粒含量，%；SIL為粉粒含量，%；CLA為黏粒含量，%；C為有機(jī)碳含量，%；SN1=1-SAN/100；0.131 7為美國制單位向國際制單位轉(zhuǎn)化的系數(shù)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

利用ArcMap 9.2、GS+7.0等軟件，基于GIS平臺和地統(tǒng)計學(xué)方法，對研究區(qū)土壤可蝕性的空間分異特征進(jìn)行分析?？紤]到克里格方法的使用范圍為區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，本研究經(jīng)過半方差函數(shù)分析后的K值可利用普通克里格方法進(jìn)行空間插值。

2結(jié)果與分析

2.1土壤理化性質(zhì)的空間分異特征

運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計方法，對研究區(qū)各采樣點土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計，結(jié)果見表1。土壤有機(jī)碳和硝氮的變異系數(shù)分別為227.098%、118.825%，均大于100%，屬于高度變異；全氮、氨氮、全磷和速效磷的變異系數(shù)分別為79.341%、54.760%、68.885%、41.493%，在10%～100%之間，屬于中等變異。研究區(qū)土壤養(yǎng)分整體變異系數(shù)較大，體現(xiàn)了土地利用、地理位置等對土壤理化性質(zhì)的影響，從而間接影響土壤可蝕性分布。

表1　鸚鵡溝小流域土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計特征值

研究區(qū)土壤有機(jī)碳空間分布見圖1。由圖1知，研究區(qū)有機(jī)碳含量條帶狀分布明顯，在北部及中部林地有機(jī)碳含量相對較高，由此可初步推測研究區(qū)北部可蝕性指標(biāo)相對較小。

圖1　研究區(qū)土壤有機(jī)碳空間分布

2.2土壤可蝕性K值的空間分異特征

2.2.1描述性統(tǒng)計特征

按照經(jīng)典統(tǒng)計方法，研究區(qū)K值統(tǒng)計特征值見表2。由表2知：研究區(qū)土壤可蝕性K值的變化范圍為0.027～0.062 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，最大值是最小值的2.29倍，說明K值變幅較大；K值均值為0.047 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，中值為0.045 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，均值與中值相近，說明K值分布較為均勻，沒有受到特異值的影響；K值變化標(biāo)準(zhǔn)差為0.006，變異系數(shù)為12.8%，屬于中等變異，是流域內(nèi)土壤質(zhì)地、地形、植被、耕作制度等多種因素的差異性導(dǎo)致的。

表2　研究區(qū)K值統(tǒng)計特征值

2.2.2正態(tài)分布檢驗

利用SPSS中Analyze-Descriptive Statistics-Frequencies頻數(shù)分布統(tǒng)計功能可得K值的頻數(shù)分布見圖2。由圖2可以看出，K值的頻數(shù)分布呈倒鐘形，基本符合正態(tài)分布。為了進(jìn)一步確定其分布類型，對其進(jìn)行非參數(shù)Kolomogoro-Smirnov(簡稱KS)檢驗。KS檢驗是建立在觀測量與預(yù)期累積分布之間存在著巨大差異的基礎(chǔ)上。一般情況下，當(dāng)其顯著性水平<0.05時，便可以拒絕數(shù)據(jù)的正態(tài)分布的假設(shè)。檢驗結(jié)果顯示吻合度為0.717，因此接受本數(shù)據(jù)的正態(tài)分布假設(shè)。

圖2　K值頻數(shù)分布

2.3土壤可蝕性的趨勢分析及半方差函數(shù)分析

趨勢分析圖中的每一根豎棒代表了一個數(shù)據(jù)點的值(高度)和位置。這些點被投影到一個東西向和一個南北向的正交平面上，通過投影點可以做成一條最佳擬合線，并用它來模擬特定方向上的存在趨勢[14]。圖3 為研究區(qū)K值的趨勢分析圖，從圖中可以看出投影到東西向(X軸左西右東)上的趨勢線，從西向東呈增加趨勢；而南北方向上(Y軸上北下南)，趨勢線呈倒U形?？梢缘弥?，流域內(nèi)東部、中部土壤可蝕性較大，抗侵蝕能力最小，分析其原因可能是與鸚鵡溝小流域東部多山、中部多農(nóng)田有關(guān)。

圖3　K值趨勢分析

表3為利用GS+7.0軟件所做的半方差分析理論模型對比。表3中的5個參數(shù)中，顯然最重要的是考慮決定系數(shù)R2的大小，其次是殘差RSS，再次是變程和塊金值[15]，因此綜合選擇球狀模型為研究區(qū)K值的半方差函數(shù)理論模型(圖4)。

表3　K值的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

圖4　K值的半方差模型

K值的空間相關(guān)性可根據(jù)塊金值與基臺值之比[C0/(C0+C)]劃分，該值越大，說明由隨機(jī)部分引起的空間變異程度越大，相反則表明由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大。當(dāng)比值<25%時，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；當(dāng)比值在25% ～75%之間時，變量具有中等的空間相關(guān)性；當(dāng)比值>75%時，變量空間相關(guān)性很弱[16]。從表3可以看出，當(dāng)K值的半方差函數(shù)理論模型為球狀模型時，比值為4.8%，小于25%，表明在變程內(nèi)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，進(jìn)行Kriging插值能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.4不同植被土壤可蝕性K值垂直變異特征

不同的土地利用方式，影響土壤表層的理化性質(zhì)，從而使地表狀況產(chǎn)生差異，導(dǎo)致表層土壤可蝕性不同[17]。為了研究不同植被類型對K值的影響，選擇玉米地、櫟樹林、草地、茶園、花生地、松林共6種植被覆蓋樣地，以0～10、10～20、20～40和40～60 cm分層分析K值的垂直變異特征。圖5為不同植被類型、不同深度土層K值分布。

圖5　不同植被類型、不同深度土層K值垂直變異特征

由圖5(a)知，整體上隨著土層深度的增加，K值逐漸變大，說明土壤表層可蝕性最小，抗侵蝕能力最強(qiáng)，而心土層(一般為40～60 cm深處)土壤結(jié)構(gòu)較差、養(yǎng)分含量較低，K值整體偏高。由圖5(b)知：在6種植被類型中，茶園、玉米地和草地的K值在10～20 cm處最大；花生地、松林K值在40～60 cm處最大；草地K值整體最??；松樹根系發(fā)達(dá)，對土壤固持作用較強(qiáng)，其表層可蝕性也相對較低。調(diào)用SPSS工具欄中Analyze—Compare Means—One-Way ANOVA命令對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示不同植被K值均值差異不顯著(p=0.236>0.05)，不同植被類型土壤表層(0～10 cm)K值大小排序為櫟樹林>花生地>草地>玉米地>松林>茶地。需要說明的是，受不同植被根系在土壤垂直剖面及空間分布狀況、采樣點的地形差異及人為干擾程度等影響，不同植被類型對土壤可蝕性影響較為復(fù)雜，還需進(jìn)一步研究。

2.5K值的空間變異特征

調(diào)用ArcMap9.2中地統(tǒng)計分析模塊Geostatistical Analyst—Geostatistical Wizard，選用其中的Kriging插值，選擇球狀模型為理論模型，對研究區(qū)K值進(jìn)行插值，生成研究區(qū)土壤可蝕性K值空間分異圖(圖6)。

圖6　K值空間變異圖

從圖6可以看出，研究區(qū)K值總體分布趨勢從南至北逐漸減小，條帶狀分布明顯，與之前的趨勢分析(圖3)結(jié)果一致。造成這種空間分布特征的原因主要與土壤結(jié)構(gòu)性因素(土壤類型、母質(zhì)、地形、氣候等)引起的空間變異性程度較大，隨機(jī)性因素(施肥、耕作措施、種植制度等)使得土壤可蝕性的空間相關(guān)性增強(qiáng)有關(guān)。小流域不同區(qū)域下墊面的差異和人為干擾程度的不同是造成研究區(qū)K值出現(xiàn)上述分布特征的主要隨機(jī)性因素。研究區(qū)整體呈峽谷狀，山體橫向延伸，西北部山體上由于多年的植樹造林活動，植被覆蓋度較大，土壤有機(jī)質(zhì)的累積量也較大，因而可蝕性低；東北部草木生長茂盛，人為活動干擾較少，K值較小。在東南部山體上人類造林活動較少，植物的根系生長、分布情況比北部差，影響了土壤的抗侵蝕能力，定位監(jiān)測時的滑坡現(xiàn)象也證明了這一點。中部耕作種植及居住生活區(qū)地勢較低，長期人類耕作種植、過度開發(fā)利用導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)分解加速、累積量較低，土壤顆粒組成受干擾程度較大，K值大，土壤抗侵蝕能力低于北部山體?？梢?，小流域西部、西北部森林覆蓋區(qū)土壤抗侵蝕能力較強(qiáng)，東南部及中東部耕作種植、居住生活區(qū)和未受關(guān)注的山體土壤抵抗侵蝕能力弱。

3結(jié)語

(1)研究區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、氨氮、硝氮、全磷和速效磷含量平均值分別為8.698 g/kg、0.455 g/kg、5.042 mg/kg、8.388 mg/kg、0.511 g/kg、30.364 mg/kg。土壤養(yǎng)分整體變異系數(shù)較大，體現(xiàn)了土地利用、地理位置等對土壤理化性質(zhì)的影響，并間接影響土壤可蝕性分布。

(2)采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)的方法對土壤可蝕性K值進(jìn)行分析，SPSS分析結(jié)果顯示K值服從正態(tài)分布，變化范圍為0.027～0.062 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，均值為0.047 [t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，變異系數(shù)為12.8%，說明研究區(qū)土壤可蝕性K值分布較為均勻，沒有受到特異值的影響，但其變異程度屬中等變異，在土壤侵蝕定量監(jiān)測及評價水土流失時應(yīng)注意這種空間變異性。

(3)采用地統(tǒng)計學(xué)對研究區(qū)K值進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果表明研究區(qū)K值自西向東、自北向南緩慢增大，說明流域內(nèi)東部、南部土壤可蝕性較大，抗侵蝕能力較小，其原因可能與鸚鵡溝小流域東部、南部多山有關(guān)。另外，分析得出，研究區(qū)土壤可蝕性K值半方差函數(shù)理論模型為球狀模型。

(4)K值的垂直變異特征整體上為隨著土層深度的增加，K值逐漸變大，這說明土壤表層可蝕性最小，抗侵蝕能力最強(qiáng)。6種不同植被類型土壤表層0～10 cm內(nèi)K值的大小排序為櫟樹林>花生地>草地>玉米地>松林>茶園。

(5)研究區(qū)K值在變程內(nèi)具有中等的空間相關(guān)性，對其進(jìn)行Kriging插值，結(jié)果顯示K值從南至北逐漸減小，條帶狀分布明顯，由此可知流域西部、西北部森林覆蓋區(qū)土壤抗侵蝕能力較強(qiáng)，中南部及中東部耕作種植、居住生活區(qū)和未受關(guān)注的山體土壤抵抗侵蝕能力較弱。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

[中圖分類號]S157.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)07-0044-05

[作者簡介]胡克志(1957—)，男，陜西藍(lán)田縣人，高級工程師，主要從事水文、泥沙分析和水土保持監(jiān)測等相關(guān)工作。

[收稿日期]2016-05-14

[關(guān)鍵詞]土壤可蝕性；地統(tǒng)計學(xué)；Kriging插值；空間變異；鸚鵡溝小流域