黃土地形因子對土壤水分的影響

黃土地形因子對土壤水分的影響

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)對土壤水分有著重要影響,它對土壤水分的作用是通過改變其他影響因子(氣候、植被等因子)來實現(xiàn)的。從宏觀上講,特殊的地形可能形成獨特的小氣候,從而間接影響土壤水分的含量和分布。地形因子也可通過影響太陽輻射強度和降水的再分配來影響土壤水分含量。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、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土壤水分狀況有明顯影響,對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象,不考慮植被因子的影響,利用地理信息系統(tǒng)對地形因子與坡面0～60cm土層的土壤水分進行空間疊加分析,通過kriging插值方法對全坡面土壤水分進行估算,避免了單點取樣測量所帶來的土壤水分數(shù)據(jù)量的偏差。進而研究地形因子和土壤水分的相關(guān)性,建立經(jīng)驗方程,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月三個月份,約占全年降水量的80.6%。實驗區(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675m,東西向長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土壤水分的測定在試驗區(qū),采用均勻網(wǎng)格法布置土壤水分測定樣點,按20m×20m的網(wǎng)格選取樣點,共布置土壤水分測點313個。在2005年4月25日至30日,使用TDR測定所選樣點0～30cm,30～60cm土層水分含量(土壤水分容積百分比%)。TDR是目前土壤水分測量中最為快捷、準(zhǔn)確的儀器。試驗選用TRIME-TDR,并配合三針型P3探頭(長30cm)同時使用,可實現(xiàn)短時間大量取樣點土壤水分數(shù)據(jù)的快速、直接、準(zhǔn)確的測定。建立測量點的土壤水分數(shù)據(jù)庫,利用ArcGIS中的地統(tǒng)計模塊對未測定區(qū)域土壤水分狀況進行克立格插值計算,生成整個試驗區(qū)梁峁坡面的土壤水分分布圖。利用實驗區(qū)域1∶1萬的等高線圖生成數(shù)字高程圖(DEM),分別提取高程、坡向、坡度三個地形因子,生成試驗區(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行疊加,得到地形因子(高程、坡向、坡度)與土壤水分相對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫?；诘匦我蜃优c土壤水分疊加數(shù)據(jù)庫,使用SPSS統(tǒng)計學(xué)軟件進行主成分分析,得出主成分因子和各因子的貢獻率。并對主成分地形因子進行聚類分析。使用地形因子聚類分析結(jié)果,對不同地形因子與土壤水分的關(guān)系進行擬和,并且得出其回歸方程。通過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)實測的土壤水分值,在ArcGIS中建立土壤水分數(shù)據(jù)庫,并采用普通克立格法進行最優(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,南向坡由于太陽輻射強度較大,土壤水分蒸發(fā)強烈,以至形成較低的土壤水分含量。這與邱揚等在黃土高原中部的研究結(jié)果一致。2.2土地因子提取通過對試驗區(qū)1∶1萬等高線圖的數(shù)字化處理,生成DEM圖,分別提取高程、坡向、坡度3個地形因子,生成試驗區(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ArcGIS軟件中Combine命令將高程、坡向、坡度三個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應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫,基于此數(shù)據(jù)庫,首先對地形因子與土壤水分的關(guān)系進行主成分分析,結(jié)果如下:通過表1中未旋轉(zhuǎn)變量的公因子方差(Extraction)可以預(yù)測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,(坡向為成分1,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,坡向為成分3)。基于上述分析結(jié)果,對各成分的貢獻率進行進一步分析,以確定主成分個數(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?？梢钥闯鲈?～30cm土層中,坡向為主成分因子,在30～60cm土層中,坡度為主成分因子。通過主成分分析可得,在0～30cm土層坡向為主成分,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,尤其是太陽輻射強度的影響最甚,坡向的差異可以最大程度的反映太陽輻射強度的差異,進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,基于土壤水分含量進行坡向(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,按順時針方向,每11.25°為一遞增量對坡向進行模糊聚類分析,計算歐式距離,指定觀測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:按順時針方向282.5°～112.5°為陽坡,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)按太陽輻射劃分的陰、陽坡地(陰坡:292.5°～360°,0°～112.5°;陽坡:112.5°～292.5°)基本一致,這很好地反映出坡向作為主要因子對淺層土壤水分的影響,坡向的差異在最大程度地反映太陽輻射強度的差異。在5°～35°坡度范圍之間按5°為一級,以同樣的方法進行聚類分析,其結(jié)果如圖5所示,當(dāng)λ=3時,其聚類結(jié)果將坡度劃分為兩個類別,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,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,對土壤與坡向之間的關(guān)系進行分析研究,用曲線描述它們的關(guān)系。曲線參數(shù)估計法(CurveEstimation)模塊能自動擬合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)需要選擇某一個表達式。用SPSS軟件中的11種曲線模型對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。四個回歸方程均有統(tǒng)計學(xué)意義。在坡度為5°～20°時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°時陽坡的土壤水分方程: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°時陽坡的土壤水分方程:f(x4)=1.44×10-6x3434-0.00046x2424+15.24x4∈(112.5°～192.5°)通過對四個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)通過計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)按陽坡高坡度、陽坡低坡度、陰坡高坡度、陰坡低坡度順序遞增的空間變化規(guī)律。3陰、陽坡坡度劃分地形因子對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。對地形因子與土壤水分的屬性數(shù)據(jù)庫進行主成分分析得出:在0～30cm土層坡向為主成分,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。通過聚類分析得出:坡向按順時針方向分282.5°～112.5°,112.5°～282.5°兩類,與傳統(tǒng)的陰、陽坡劃分基本相吻合。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°時陽坡的土壤水分方程:f(x2)=1.16×10-6x32-0.00035x22+14.31x2∈(112.5°～192.5°);在坡度為20°～35°時陰坡的土壤水分方程:f(x3)=-8.83×10-8x33-2.2×1