全 文 ：坡地土壤溶质迁移参数的空间变异特性*
郑纪勇1* * 邵明安1, 2 张兴昌1 李世清1
( 1 西北农林科技大学中国科学院水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀和旱地农业国家重点实验室,杨凌 712100;
2 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)
摘要 以氯离子为示踪离子, 以 41m ! 5m 径流小区为研究区域,采用原状土柱法, 通过拟合穿透曲线估
计了氯离子在坡地土壤中的迁移参数, 并利用经典统计学和地统计学理论分析了溶质迁移参数在坡面的
空间变异特征. 结果表明,平均孔隙流速从坡上到坡下有逐渐增加的趋势,属于中等程度变异, 在坡面的变
异具有漂移特征; 弥散系数在距坡顶 0~ 20 m 范围内变化不大, 20 m 以下呈逐渐上升趋势,属于中等程度
变异,具有空间自相关特征,其自相关特征长度为 21 m; 弥散度从坡上到坡下有逐渐增加的趋势, 属于中
等程度变异, 具有空间自相关特征,其自相关特征长度为 10 m.
关键词 径流小区 迁移参数 空间变异
文章编号 1001- 9332( 2005) 07- 1285- 05 中图分类号 S153. 6 文献标识码 A
Spatial variability of slope land soil solute transport parameters. ZHENG Jiyong1 , SHAO Mingan1, 2 , ZHANG
Xingchang1 , L I Shiqing 1( 1State Key L aboratory of Soil Er osion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute
of Soil and Water Conservation, Chinese A cademy of Sciences and Nor thw estern SciTech Univer sity of Agriculture
and For estry , Yangling 712100, China; 2 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese A
cademy Sciences , Beij ing 100101, China) . Chin. J . A pp l. Ecol. , 2005, 16( 7) : 1285~ 1289.
In this paper, the transport parameters of chlorine in a slope land so il were determined in situ by fitting breaking
though curve, and the spat ial v ar iability of the par ameters in a 41 m ! 5 m runoff plot was analy zed by using tra
ditional and geostatistics. The results show ed that the average porewater velocity increased gradually from the
top to the bottom of the slope, and t he diffusiv edispersive coefficient ( D ) had no remarkable variation within
20m away fr om the top but gr adually increased with the distance beyond 20m. The disper sivity ( ) had the same
character istics as D . The porewater velocity ( v ) had a float ing feature on the slope, while parameters D and
showed obvious spatial cor relat ion character istics, t he range of the spatial correlation being 21m and 10m, respec
tively.
Key words Runoff plot, T ranspor t parameters, Spatial variability .
* 国家重点基础研究发展规划项目 ( G2000018605)、国家自然科学
基金项目( 40171063、40371076)和西北农林科技大学博士专项资助
项目( 05BS006) .
* * 通讯联系人.
2004- 06- 28收稿, 2004- 10- 18接受.
1 引 言
黄土高原地区地形以坡地为主, 由于土壤侵蚀
严重,导致水土大量流失,同时伴随着严重的土壤养
分流失,致使土壤干旱贫瘠,成为制约黄土高原地区
生态恢复的主要因素, 因此研究黄土高原地区坡地
土壤水分养分迁移, 具有重要的现实意义[ 5, 14] . 水
是溶质迁移的载体, 水分运动是溶质(养分)迁移主
要推动力, 土壤溶质随降水沿坡地的迁移方式主要
集中在两方面: 一是溶质随径流在坡面的迁移,二是
溶质随降雨入渗向下迁移和水分再分布过程的迁
移,称为剖面迁移[ 8] . 坡地降雨在产生径流之前土
壤溶质主要以向下迁移的剖面迁移为主. 当坡面径
流产生后, 坡面溶质随径流迁移主要以坡面迁移为
主,但仍有部分溶质随下渗水继续向下迁移. 降雨停
止后坡面迁移随径流消失而消失,但土壤溶质随水
分的再分布过程迁移仍将继续.近些年来,对坡地溶
质迁移的研究主要以坡面迁移为主[ 10, 19~ 21] , 因为
土壤溶质随径流的坡面迁移是导致土壤养分流失的
主要途径,而对坡地土壤溶质沿剖面迁移研究开展
较少.有学者对灌区和平地土壤溶质剖面迁移进行
了研究, 并基于土壤水分运动 Richards方程提出了
许多溶质迁移模型[ 9] , 但模型中参数的难确定性限
制了这些模型的应用, 将溶质迁移模型应用于坡地
溶质迁移的研究目前还不多见.
空间变异是土壤性质的一种普遍规律, 应用地
统计理论研究土壤性质的空间变异已成为土壤科学
家研究的热点[ 2, 3, 6, 12, 13, 15~ 18] , 但针对坡地溶质迁
移参数空间变异性的研究较少. 为研究坡地表层土
壤饱和状态下的溶质迁移规律及其变异特征,我们
采取原状土柱法, 在定水头条件下测定了表层土壤
的溶质迁移过程, 拟合了迁移模型中的参数,并利用
应 用 生 态 学 报 2005 年 7 月 第 16 卷 第 7 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jul. 2005, 16( 7)∀1285~ 1289
经典统计学和地统计学理论对溶质迁移参数在坡面
的空间变异特征进行了分析.
2 研究方法
该研究在中国科学院水土保持研究所神木野外
生态试验站进行, 研究对象为 41 m ! 5 m 径流小
区,小区坡度 15#,植被为 3年生草木樨.从顶距坡 3
m处开始每隔 3 m 取原状土柱, 重复 3个, 土柱长
10 cm ,直径 44 cm. 土柱下端用滤纸和纱布封紧,
防止试验过程中土壤颗粒流出土柱,然后放在水桶
中,使水面略高于土壤上表层,从上到下进行饱和排
气平衡一夜. 运移溶液为 0. 15 mol∃L - 1的 KCl 溶
液,示踪离子为氯离子( Cl- ) ,采取定水头步输入边
界条件进行溶质迁移试验, 马氏瓶控制 2 cm 水头,
试验过程中接取出流液并测定 Cl- 浓度. 由于野外
试验条件限制, Cl- 的测定采用 AgNO3 滴定法. 应
用美国盐土实验室编写的 CXTFIT 2. 0程序拟合穿
透曲线估计溶质迁移参数.为节省版面,空间变异分
析的理论基础部分本文不再介绍, 可参见文献[ 22] .
3 结果与讨论
31 溶质迁移模型的选择及参数估计
溶质迁移模型可分为确定性模型和随机模型,
确定性模型又可分为确定性平衡模型和确定性非平
衡模型,考虑到黄土的均质性和迁移离子( Cl- )的
惰性,本文采用确定性平衡模型进行参数的拟合. 在
忽略源汇项稳态条件下的确定性平衡模型可描述
为:
R
cr
t = D
2 cr
x 2 - v
cr
x ( 1)
R = 1 +
bK b ( 2)
式中, cr 为溶质浓度(M ∃ L- 3) ; t为时间(T ) ; R是无
量纲延迟因子; D 为弥散系数(L2 ∃ T - 1) ; x 为距离
(L) ; v 为平均孔隙水流速(L ∃ T- 1) ; b 为土壤容重
(M ∃ L- 3) ; 体积含水量(L 3∃ L- 3) ; K b 为经验分配
常数.
Cl- 为带有负电荷的惰性离子, 常被用来进行
土壤中溶质迁移机理的研究[ 1, 7] . Cl- 在土壤中基本
上不发生反应,也不被带有负电荷的土壤颗粒所吸
附,因此溶质迁移实验中可以认为延迟因子 R 等于
1. 平均孔隙水流速 v 既可以通过试验实测获得,又
可由拟合穿透曲线获得.
机械弥散系数( D) 和平均孔隙水流速( v ) 的比
值即 D/ v 称为弥散度[ 9] .弥散度是表征溶质迁移过
程中溶质弥散程度的一个物理参数, 也可以用来表
征土壤的异质程度. 溶质迁移过程中迁移物质的弥
散是机械弥散和离子扩散的共同作用,即
D( , v ) = Dh + Ds = | v | n + D s (3)
式中, D 为弥散系数; Dh 为机械弥散系数; D s 为离
子扩散系数; n 为经验参数; v 为平均孔隙水流速.
但实际中离子的扩散作用远小于弥散作用, 可以忽
略不计, n 值一般可近似等于 1,所以有:
= Dh/ v % D / v (4)
在假定 R= 1条件下,拟合的平均孔隙水流速、
弥散系数和弥散度见表 1. 图 1是以距坡顶 3 m 和
30 m 处为例的实测穿透过程和拟合穿透过程比较.
从表 1可以看出, 拟合的结果反映了 Cl- 迁移特征
的真实情况,从拟合图(图 1)也可以看出观测值与
拟合线吻合非常好,说明拟合结果可信.
图 1 Cl-在土壤中的迁移特征
Fig. 1 Transport characteristic of Cl- in soil.
表 1 坡面距坡顶不同距离溶质迁移参数
Table 1 Transport parameters of solute in soil at the distance away from the top
项 目
Item
距坡顶距离 Distance f rom the top(m )
3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33
Max. M in . C v
实测 v Observed porewater velocity ( cm∃h- 1) 2. 25 2. 56 2. 75 2. 82 3. 30 2. 70 3. 85 4. 70 6. 07 5. 40 6. 47 6. 47 2. 25 0. 37
拟合 v Fitted porew ater velocity ( cm∃h- 1) 2. 99 2. 03 2. 445 2. 39 3. 61 2. 48 2. 79 3. 25 4. 78 4. 07 5. 65 5. 65 2. 03 0. 32
D Dif fusivedispersive coeff icient ( cm2∃h- 1) 1. 12 0. 93 0. 94 0. 94 0. 87 1. 04 1. 34 2. 52 2. 95 2. 41 2. 77 2. 95 0. 87 0. 50
Dispersivity ( cm) 0. 38 0. 46 0. 38 0. 39 0. 24 0. 42 0. 48 0. 78 0. 62 0. 59 0. 49 0. 78 0. 24 0. 29
相关系数 Correlation coeff icient 0. 98 1 1 1 0. 99 1 1 0. 97 1 0. 98 1
1286 应 用 生 态 学 报 16卷
32 平均孔隙水流速沿坡面变化及空间变异特征
从图 2可以看出,无论拟合平均孔隙水流速还
是实测平均孔隙水流速均表现出从坡顶到坡脚逐渐
增加的趋势.拟合平均孔隙水流速和实测平均孔隙
水流速相比较, 在坡中央以上坡位拟合平均孔隙水
流速和实测平均孔隙水流速表现出一致性, 坡中央
以下坡位实测值略高于拟合值,总体而言,拟合平均
孔隙水流速接近实测平均孔隙水流速. 从表 1 可以
看出, 平均孔隙水流速最大为 6. 47 cm∃h- 1,最小为
2. 25 cm∃h- 1,变化范围比较大, 通过经典统计学空
间变异分析,平均孔隙水流速的 Cv 值等于 0. 32, 属
于中等程度变异,说明平均孔隙水流速在坡面空间
的变异程度较大.
图 2 拟合参数平均孔隙水流速沿坡面变化
Fig. 2 Change of f it t ed porew ater velocity on a slope.
经典统计分析结果可以说明样本的总体统计性
质,但不能定量说明空间变量的随机性和结构性. 图
3是平均孔隙水流速在坡面空间的半方差变化趋势
图.据地统计理论,符合内蕴和平稳假设的空间变量
的半方差必须是有限增量函数, 且半方差曲线为凸
形[ 11] . 图 3中平均孔隙水流速的半方差函数符合增
量条件,但半方差曲线明显为凹形,且在所研究坡面
空间范围内未能显示为有限函数,说明平均孔隙水
流速不符合内蕴和平稳条件. 地统计理论中, 把半方
差曲线为凹形现象称为漂移现象,即 E { Z ( x ) } = !
( x ) + ∀( x ) ,在很多情况下,根据地统计理论可把漂
移现象转化为非漂移现象,求得空间变量的变异特
图 3 孔隙水流速坡面空间变异特征
Fig. 3 Spatial variability of porew ater velocity on a slope.
征[ 4] . 对于凹形漂移现象可能是由于采样间隔过小
引起的, 一般增大采样距离可以避免凹形漂移[ 11] .
本文由于研究区域(径流小区)的空间有限,从而限
制了采用增大采样距离的措施进一步分析平均孔隙
水流速空间变异特征的可行性. 所以,尽管在本试验
条件下平均孔隙水流速不符合内蕴条件和平稳条
件,但也无法判断平均孔隙水流速的空间分布是否
具有结构性.
33 弥散系数 D 沿坡面变化及空间变异特征
弥散系数实际上包括溶质扩散和机械弥散两部
分,虽然两者引起浓度分散的机理不同,但因为在实
际情况中不容易区分, 常把两种作用通称为弥散(或
者水动力弥散) .产生扩散的主要原因是浓度势梯度
导致,机械弥散主要原因则是孔隙的大小不一和孔
隙的曲折特征.扩散的大小取决于浓度势梯度, 机械
弥散取决于孔隙特征和流速.图 4为弥散系数 D 在
坡面的变化情况, 从图 4可以看出,弥散系数在距坡
顶 0~ 18 m 范围内基本变化不大, 18 m 以下呈逐渐
上升趋势,在距坡顶27 m左右达到最大值后又呈下
降趋势,总体坡下部位的弥散系数大于坡上部位.可
以认为, 这种波动特征主要与平均孔隙水流速沿坡
面波动有关.方程( 3)显示,弥散系数中的机械弥散
项与平均孔隙水流速有近似的线性正相关关系, 所
以弥散系数在坡面的变化规律与平均孔隙水流速具
有相同特征. 根据经典统计结果, 弥散系数的 Cv =
0. 50,属于中等程度的变异,说明弥散系数在坡面的
变异程度较大.
图 4 弥散系数沿坡面变化
Fig. 4 Change of dif fusivedispersive coef ficient on a slope.
图 5是弥散系数在坡面的半方差变化.根据图
5, 弥散系数的半方差函数符合有限增量和曲线凸形
3个条件, 说明弥散系数符合内蕴和平稳假设条件,
在坡面空间内的变异特征具有结构性. 从图 5可以
看出,弥散系数半方差的变化明显具有阶梯状变化,
可以利用直线模型拟合半方差变化, 获得弥散系数
的空间变异特征. 利用直线模型拟合的参数见表 2.
12877 期 郑纪勇等:坡地土壤溶质迁移参数的空间变异特性
从表 2可以看出,拟合的决定系数较高,说明拟合结
果可信.弥散系数在坡面的空间自相关特征长度为
21 m ,块金值为 0,说明弥散系数在 3 m采样距离内
不具有更小尺度的空间变异特征, 是纯随机变量.
图 5 弥散系数坡面空间的变异特征
Fig. 5 Spatial variability of D on a slope.
表 2 迁移参数( TP)坡面空间变异特征
Table 2 Spatial variabi lity of transport parameters ( TP) on a slope
迁移参
数( T P)
块金值1)
C0
基台值2)
C
模型系数3)
a
变程4)
h( m)
决定系数5)
R2
D ( cm2∃h- 1) 0 2. 887 0. 0663 21 0. 97
( cm ) 0. 0013 0. 027329 0. 0026 10 0. 98
1) Nugget effect; 2) Sill; 3) Model parameter; 4) Range; 5) Determ ination coef fi
cient.
34 弥散度 沿坡面变化及空间变异特征
弥散度表示溶质迁移过程中的弥散程度, 已有
室内试验结果表明, 通常约为 0. 20~ 0. 55 cm[ 7] .
根据表 1, Cl- 弥散度在坡面的变化范围为 0. 241~
0. 778 cm, 平均为 0. 48 cm , 总体较大, 这与野外条
件下土壤的非均质性有关.据表 1,弥散度的变异系
数 Cv = 0. 29, 根据变异程度分级属于中等程度变
异.从图 6 可以看出,弥散度 在坡面的分布与弥
散系数具有相同的波动特征, 也是总体上坡上部小
于坡下部,说明坡下部土壤的非均质(异质)程度大
于坡上部.
图 7是弥散度半方差在坡面的变化. 从图 7 可
以看出,弥散度同样符合有限增量和曲线凸形的条
件,明显具有空间变异结构,且半方差变化具有阶梯
状变化特征.利用直线模型拟合弥散度在坡面的半
图 6 弥散度 沿坡面变化
Fig. 6 Change of dispersivity on a slope.
图 7 弥散度坡面空间变异特征
Fig. 7 Spat ial variabilit y of dispersivity on a slope.
方差变化,拟合结果见表 2. 根据拟合的决定系数,
拟合结果可信.从表 2可以看出,弥散度的空间自相
关特征长度为10 m,块金值接近于 0但不等于 0,说
明弥散度在 3 m的空间内可能存在更小尺度轻微的
空间变异特征.
4 结 论
41 拟合平均孔隙水流速和实测平均孔隙水流速
沿坡面变化具有从坡上到坡下逐渐增加的趋势, 其
变异特征经典统计分析结果为中等程度变异,地统
计学分析结果证明平均孔隙水流速在坡面具有漂移
特征.
42 弥散系数 D 在距坡顶 0~ 20 m 范围内变化不
大, 20 m 以下呈逐渐上升趋势.其变异特征经典统
计分析结果为中等程度变异,地统计学分析结果证
明弥散系数具有明显的空间自相关特征, 其特征长
度为 21 m.
43 弥散度 在坡面的变化范围为 0. 241~ 0. 778
cm ,经典统计变异系数 Cv = 0. 29,属于中等程度变
异.弥散度 在坡面的分布特征是坡上部位小于坡
下部位,说明坡下部土壤的非均质(异质)程度大于
坡上部. 地统计学分析结果证明弥散度在坡面具有
空间自相关特征, 其特征长度为 10 m.
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作者简介 郑纪勇, 男, 1974 年生,博士.主要从事土壤中物
质迁移方面的研究. Email: jiy ongzheng@ 163. com
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12897 期 郑纪勇等:坡地土壤溶质迁移参数的空间变异特性