全 文 ：第 26卷第3期
2006年3月
生 态 学 报
ACTA EC0LOGICA SINICA
Vo1．26，No．3
Mar．，2006
黄土高原小流域土壤容重及水分空间变异特征
连 纲 ，郭旭东 ，傅伯杰 ，虎陈霞
(1．国土资源部4-地利用重点实验室，北京 100035；2．中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室 ，北京 100085)
摘要：在黄土高原小流域尺度上，地形和土地利用是影响土壤变异的重要因素。在横山县朱家沟小流域采集了 82个样点，选取
土壤容重和水分作为研究对象 ，分析比较不同土地利用及不同景观位置下二者的变异及分布特征；分析了土壤容重和水分与地
形因素的关系并利用地形与土地利用信息进行了回归分析。结果表明，不同土地利用类型之间，土壤容重变异较小，其大小次
序为：灌木林地 >荒草地 >梯田>坝地 >林地 >坡耕地；土壤水分变化相对较大。·大小次序为：坝地 >荒草地 >灌木林地 >坡耕
地>林地 >梯田。在不同景观位置，土壤容重大小变化表现为：坡顶 >沟平地 >坡下 >坡上 >坡中；土壤水分大小变化为：沟平
地 >坡中>坡下 >坡上>坡顶。基于数字地形分析技术 ，提取相关地形指数。与土壤容重和水分进行相关分析并进行多元回归
分析，结果表明：土壤容重与复合地形指数 CTI正相关；土壤水分与高程呈现负相关关系。和剖面曲率正相关。建立 了多元线性
回归模型，结果发现模型对土壤容重预测结果比较理想，但对于土壤水分的预测存在较大的平滑效应 ，残差较大。须进一步
探讨。
关键词：土壤容重及水分；空间变异；地形因子；回归分析
文章编号：1000—0933(2006)03-0647-08 中田分类号：Q948 文献标识码：A
Spatial variability of bulk density and soil water in a smal catchment of the Loess
Plateau
LIAN Gang ，GUO Xu—Dong ，FU Bo．Jie ，HU Chen—Xid (1．Key 6 。ry矿 e，Mi 口， 。 s。H ．Beijng，
100035；2．Key Laboratory of跏ternsEcology，Research CenterforEco-Environmental Sciences，CAS，Beijing，100085)．ActaEcolo&icaSinica。20O6，26(3)：647
— 654．
Abstract：Topography and land use types are key factors which affect soil properties variability on catchment scale in the loess hily
area．Spatial variation of bulk density and soil water were analyzed according to diferent land use types and diferent landscape
positions，based on data from 82 points in Zhujiagou catchment in Hengshan county．Correlation analyses were caried out between
bulk density，soil water and terrain attributes．Finally。terrain atributes and land use types were used to predict bulk density and
soil water spatial distribution by multiple-linear regression analysis．There is little difference in bulk density among diferent land
use types．but there is a tendency：shrub land>grassland>terrace farmland>check—dam farmland>woodland>slope farmland．
For soil water content．that the tendency is：check-dam farmland>grassland>shrub land>slope farmland>woodland>terrace
farmland．The bulk density series for bulk density according to landscape position is：crest>fiat>lower slope>upper slope>
middle slope．For soil water content the positions order is：flat>middle slope>lower slope>upper slope>crest．Correlation
analyses were carried out between bulk density，soil water and terain indices．It was found that there is positive correlation
between bulk density and compound topographic index(CTI)；There is a strong negative correlation between soil water and
elevation，and a positive correlation between soil water and profile curvature(Kv)．The regression model is precise for the soil
bulk density，but the variation is rather large and there is a more smoothing efect on the predicted values for Soil water．
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40201004)
收稿日期：2005—08—30；修订日期：2006．01-05 ·
作者简介：连纲(1977～)，男，陕西彬县人，博士生，主要从事环境保护、景观生态学及土地质量研究．E—mail：frank．1ian@sohu．com
Foundation Item：The project was surpported by National Natural Science Foundation of China(No．40201004)
Reeeived da te：2005-08-30；Accepted date：2006—01—05
Biography：LIAN Gang，Ph．D．candidate，mainly engaged in environment protection，landscape and land quality-E-mail：frank·lian@sohu-tom
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Key words：bulk density and soil water；spatial variation；terrain attributes；regression analysis
土壤属性变异包括系统变异和随机变异，系统变异是由母质、气候、地形、生物、时间等的差异引起的，而
随机变异是由取样、分析等的误差引起的。分析预测土壤属性空间变异及其动态是可持续土地利用的一个重
要组成部分 ]。以往传统的土壤分级制图法及样点数据空间内插等方法，比较适用于较均一的环境[2]，但对
于高度异质的景观，以往的方法较难得出理想的空间预测结果。
地形是影响土壤性质的一个重要因素，尤其在黄土高原地区，地形是影响土壤性质的主要因素之一，因为
其控制了水分和沉积物的运移。数字地形模型是采用系统定量的方法来分析和模拟地表以及地形、水文及生
物之间的关系，由于可以获取相关定量化的环境变量，因此，越来越被广泛的应用于地学问题的研究，特别是
用于分析和预测土壤属性的空间分布b]。
黄土高原地形破碎 ，加之各种人类活动干扰，土壤属性空间变异程度大，其空间分布受土地利用和地形显
著影响 。本文利用地形分析技术，提取了相关地形因素，分析不同土地利用类型、不同景观位置及地形因素
等对土壤容重和质量含水量的影响，空间分布规律并进行预测，以期为该区生态系统恢复与有效治理提供理
论依据。
1 研究区概况
研究区位于陕西省北部横山县朱家沟流域(北纬 37o56 ～37。59 ，东经 109。21 109024，)，面积 11．3km2。
区域气候为半干旱大陆性季风气候，年平均温度8．6~C，平均日照时数为 2815h，无霜期 146d左右，年平均降水
量400mm左右，降水多集中在 7—9月份，年际变率大。研究区地形破碎，沟壑纵横，区内土壤以黄绵土为主，
土质疏松，抗蚀性差，水土流失严重。流域内自然植被破坏殆尽，垦殖指数较高，土地利用以坡耕地、梯田、坝
地、草地、林地和灌木林地为主，是一个典型的雨养旱作农业区。主要作物品种有：谷子 (Panicum miliaceum)、
玉米 (Zea may L．)、高梁 (Sorghum spp．)、绿豆 (Phaseolus valgaris)、土豆 (Solanum tuberosum)等。
2 研究方法
2．1 采样与分析
购买研究流域所在区域2000年 1：1万地形图，经数字化生成栅格为5m的高精度 DEM，利用2004年 4月
Quickbird影像(全色和多光谱)，通过人工目视解译，结合野外调查生成土地利用现状图，小流域的土地利用类
型分为坡耕地、梯田、坝地、草地、林地和灌木林地 6类，其中坝地包括一些沟谷平地。根据土地利用，参考地
形图，首先在 GIS下有针对性的布置 100个样点，记录各样点坐标，输入手持 GPS作为野外采样参照点。于
2004年 8月进行外业采样，依据 GPS定位尽量与内业预设样点相一致，并记录实际采样点坐标，取0 20cm的
表层土壤，每个样点设置3次重复。为了减少降水等因素的影响，该区域外业采样前期一周内无降水，所有采
样在3d内完成。由于受野外实际条件限制，最终外业采样共 82个样点，样点分布见图 1。土壤容重采用环刀
法测定，土壤含水量采用烘干法测定。
2．2 数据来源与分析方法
地形属性可以划分为基本属性和派生(或复合)属性，基本属性可以利用地形分析技术从 DEM直接计算
获得，而复合地形属性可以利用基本属性通过相关运算获得，其可以反映景观中某一特定过程的空间变异特
征。在 GIS平台下，利用样点信息，通过DEM数字地形分析技术，在空间分析模块下获取相关地形属性。选
取的地形属性主要有：
基本属性——高程(h)，坡度(卢)，坡向( )，平面曲率(K )，剖面曲率(K )；
复合属性——复合地形指数 CTI(compound topographic index)，汇流动力指数 SPI(Stream p0wer index)。
高程以m为单位；在具体分析过程中，坡度转化为百分比表示；坡向是一环形变量(。)，按顺时针方向从0。
(正北)到360。来度量；平面曲率是垂直于坡向的表面曲率，剖面曲率是潜在坡度变化率的一个量度，二者对于
水分和沉积物的运移过程有着重要影响。
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3期 连纲 等：黄士高原小流域土壤容重及水分空间变异特征
复合地形指数 c”(亦称为地形湿度指数)和汇流
动力指数 SPI(亦称为径流强度指数)是表征特定景观
中水分和沉积物运移的有用的综合地形变量，定量化了
某一点在景观中的位置，是预测土壤属性非常有用的变
量 ]。计算公式为：
CTI=In( )JsP，=In(Ac+tan／3×10)
垂直 于水流方 向的特定 汇流面积，可通过
AreGIS下水文分析模型计算；
口坡度(弧度)，为了避免分母为0，对于那些坡度为
0的栅格赋以极小值 0．0001；
本文中描述性统计分析、单因素方差分析、相关分
析及多元线性逐步回归均在 SPSS11．0上完成。
2．3 多元回归方程的检验
从82个样点数据随机抽取 2O个样点作为验证数 图1／l,流域样点分布格局
据集验证其余 62个样点数据产生的回归预测模型。通 Fig．1 Distribution patern of sampling sites
过比较验证数据点位置_『上土壤属性的实际观测值 ，和估计值ej可以评价预测精度，通常以验证数据集的平
均预测误差(MPE)和均方根预测误差(RMSPE)来评价预测准确性[7 ，MPE和RMSPE的计算方法如下：
MPE： (zj一2 )
。
厂■— —————一
RMSPE =
^
1∑(弓一ej)
Y — J=1
其中 n为验证数据集中采样点的个数。MPE反映了预测的偏差，对于无偏预测其值应接近于 0，反映了
预测值高于或低于或接近于观测值的程度。RMSPE表示预测的平均精度，其值越小越好 ，反映了预测准确性
和预测方法系统误差。
3 结果与分析
3．1 小流域土壤容重和质量含水量的基本统计学特征
从表 1可见，土壤容重介于 1．119～1．424g／cm3之间，平均为 1．261 g／cm3；土壤质量含水量变化于 1．176％
～ 8．726％之间，平均为 4．314％。变异系数 C 反映了特性参数的空间变异程度，揭示区域化变量的离散程
度。一般认为，C <0．1为弱变异性，0．1≤C ≤1为中等变异性，Co>1为高度变异性 。从变异系数来看，
二者空间变异不大，质量含水量变异相对较高，为中等变异。经单样本 K-S检验，二者均符合正态分布。
裹1 土壤窖1和质量古水量的基本统计学特征
Table 1 De~rlptive slatlstlcs for soil bulk dendty and soil water
3．2 不同土地利用及景观位置土壤容重和质量含水量变化
3．2．1 不同土地利用土壤容重和质量含水量变化 表2、表3分别反映了不同土地利用下土壤容重和质量含
水量的变化，从变异系数来看，不同土地利用下土壤容重变异较小，属于弱变异，其中尤以坝地的变异最小，究
其原因，一是由于土壤容重本身变异较小，二是可能由：f／J~流域坝地较少，受样本量的影响而致。许多研究表
明，土地利用对土壤容重有重要影响 。研究表明：不同土地利用土壤容重的大小次序为，灌木林地 >荒草
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地 >梯田>坝地 >林地 >坡耕地，坡耕地由于耕作及水土流失的影响，造成耕层土壤疏松多孔，所以容重比较
低；当地成年林地较少，且郁闭度很低，较多林地为近年来退耕还林地，大多采用鱼鳞坑种植，人为干扰较大，
因此其容重也比较低。从容重大小分布来看，受人为耕作影响频繁的土地，如坝地、坡耕地的土壤容重较小。
土壤容重在不同土地利用类型上主要是受人为耕作的影响较大。
裹 2 不同土地利用土壤窖t变化(~~cm3)
Table 2 Change of bulk density in diferent land lse typ馏
*LSD多重比较(p(O．05)，相同字母表无显著性差异 Valuesin each r0、 withthe sameleter are not signifcantly(p
由于不同林地郁闭度及树龄差异所致。质量含水量大小顺序为：坝地 >荒草地 >灌木林地>坡耕地>林地 >
梯田；坝地相对较高的主要原因是其处于沟谷地带，淤地坝拦截了来 自高处的物质运移，较多的接纳了水分，
而且坝地一般地势较平，地块较大，具有较好的保水能力，因此水分含量相对较高。植被类型不同，根系分布
深度及密度具有很大的差异，从而土壤的蒸发和植被的蒸腾量不同，由此引起的土壤干燥化程度和土壤的
水分分布也不相同。一般地，多年生植被生育期长，根系分布较深，年蒸发蒸腾量大于一年生植被⋯]。草
地和灌木林地相对比较茂密，长势较好，蒸发作用相对低些，土壤含水量也相对较高。而林地由于郁闭度较
低，且部分为近几年退耕林，长势一般 ，虽采取鱼鳞坑种植，但由于蒸发等因素影响，含水量较低；此外，林下缺
少枯枝落叶和草本植物，不利于截留降水，加之树木根系较深和树冠蒸腾及耗水量较大，也是导致林地水分较
低的原因之一。一些研究也表明在黄土高原沟壑区坡耕地、园地、草地和林地中，林地的土壤贮水量最低 ¨；
当地的梯田都是老式梯田，一般地块较小，保水能力一般，受入渗和蒸发等因素影响，耕层水分很低。尤其在
较干旱年间，土壤含水量不易满足作物生长的需求，作物较易枯萎，在当地农户调查中普遍反映了这一现
象 ，因此含水量最小。从分析结果来看，草地和灌木林地土壤含水量较高，土壤涵水能力较强，实际调查来
看，生长情况也相对较好，对于该区实施退耕还林还草工程是一个有益的启示。
裹3 不同土地利用土壤质量含水量变化(％)
Table 3 Change of soil water in diferent land ll types
LSD多重比较(p<0．05)，相同字母表无显著性差异 Values in each rOW with the same leter are n。t signifcantly(p<0．05，LSD)difemnt amongland use
在不同土地利用类型下，土壤容重和质量含水量均有一定的差异，但方差分析表明，不论是土壤容重还是
质量含水量，各土地利用类型之间差异并不显著。
3．2．2 不同景观位置土壤物理性质变化 许多研究表明，不同的景观位置土壤理化性质特征变异明显 。
根据 Bmbaker划分坡面景观位置的方法⋯ ，结合野外调查的实际情况，划分为坡顶(包括梁、峁顶等)、坡上、
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坡中、坡下及沟平地(包括坝地)5种类型来比较其差异。
在不同景观位置，土壤容重变异不大，属于弱变异性(表 4)。土壤容重在不同景观位置上的大小次序为：
坡顶>沟平地 >坡下>坡上 >坡中。坡顶容重较大的原因主要是因为坡顶部土壤在遭受侵蚀冲刷过程中自
身结构变得愈加致密，而其它坡位接受中上部冲刷物后变得疏松，容重减小。沟平地由于地势低洼，淤积冲蚀
泥沙，土壤本身较为板结，容重较大，仅次于坡顶，与前面不同土地利用类型土壤容重变化相比，决定因素发生
变化。方差分析表明：坡顶与坡上、坡中及坡下之间差异达到了显著水平，其它不同坡位之间土壤容重差异不
显著。
裹4 不同量观位置土壤窖重变化(g，c )
Table 4 Change ofbulk den~tyin differentlands~pe position
*LSD多 重 比较(P(0．05)，相 同字母 表无 显 著性差异 Values in each row with the 8Bme leter are not signifcantly(P<0．05，LSD)diferent among
landscape positions
在不同景观位置，土壤质量含水量变异比容重要大，属于中等变异，从土壤质量含水量的大小来看：沟平
地 >坡中>坡下 >坡上 >坡顶；黄土高原地区降雨产流以超渗产流为主 ¨，坡顶由于接纳的水分来源单一，
主要来自于降水，而其他景观位置除了降水输入，还有来 自较高景观位置水分的输入，降水在坡面发生再分
配，因此比坡顶的含水量都要高，尤以沟平地最大。此外，坡顶的潜在蒸散量大于其他部位 ¨，坡顶部位的太
阳辐射强度较大，风速较高，从而造成这一景观位置上蒸发、蒸腾比其他景观位置强烈的多；有研究表明土壤
稳渗率和产流历时数值均随坡位由上而下逐渐增加 l ，因此也会影响含水量。有些研究表明，受地貌、植被、
土地类型等因素影响，土壤水分一般表现为：坡下部>坡中部 >坡上部 ¨。但研究表明不同坡位间以坡中部
土壤水分最大，这与黄奕龙等的研究结果相一致_l 。虽然不同景观位置土壤质量含水量存在一定差异，但方
差分析表明，各组间差异并不显著，可能是由于不同坡位条件下，组内差异较大，所以组间的差异不显著。
裹 5 不同景观位置土壤质量含水量变化(％)
Table 5 Change of soil water in diferent landscape portion
*LSD多重比较(P
3．3 土壤容重和质量含水量与地形指数的关系及回归预测
地形属性可以刻画、表征汇流特征，也可反映土壤属性 。利用所提取的地形指数，分别和容重及土壤质
量含水量进行相关分析。由于坡向是一环形变量，分别对其求正弦、余弦值进行变换，生成新的两个亚变
量 20]，进行相关分析，正弦值表示朝东的程度，余弦值表示朝北的程度。
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土壤容重、水分与地形指数的相关分析结果见表6，分析表明土壤容重与复合地形指数 CTI正相关，由于
复合地形指数与地表汇流和坡度有关，分析结果间接的反映了土壤容重与地表汇流和坡度的关系。土壤容重
与其它地形指数相关关系不显著。土壤水分与地形指数的相关分析表明，土壤水分与高程呈现负相关关系，
统计分析表明达到了极显著水平；一般来说，随着海拔的升高，风力加大，太阳辐射增强，土壤水分物理蒸发加
大；此外，海拔与坡位密切相关，海拔越高，上坡径流补充却越少 工 ，因此土壤水分和高程负相关；此外，土壤
水分和剖面曲率正相关，说明其微地形也是影响土壤水分的一个因素。
裹 6 土壤窖重、水分与地形指数相美矩眸
Table 6 Correlation between bulk density。soil water and terrain Indie~
* 表不在 O．01水平上显著 Corelation is signifcant at the O．01 level； 表示在 O．05水平上显著 Corelation is signifcant at the O．05 leve1
分别以土壤容重和土壤水分为因变量，以相应的地形指数为自变量，并综合考虑土地利用类型的影响，将
不同的土地利用类型作为虚拟自变量进行回归分析 ，采用最小二次方的方法进行拟合，多元线性逐步回归
分析结果如下；
BD =1．149+O．016CTI—O．01 Kv R =O．40 (p
咒，R =0．40(P<0．001)，从该方程的方差分析结果来看，残差平方和为0．168，回归模型对总方差的解释为
40％；SWC表示土壤质量含水量，满足条件进入回归模型的只有高程 h，R =0．213(P
0观测值 Observed ▲ 预测值 Ptodictc,d
墨
喜
盏
篓
邑 8．00
{
暑 5．00
1．00
0
图2 实测值与预测结果比较
Fig．2 Comparison of observed and predicted value of soil properties
应用验证数据集数据分别对土壤容重和土壤水分预测偏差及预测准确性进行检验，即对模型进行验证，
对于土壤容重的预测结果较为理想，平均预测误差(MPE=O．009)和均方根预测误差(RMSPE=0．127)均很
小；而土壤水分预测结果相对较差，平均预测误差(MPE=O．065)和均方根预测误差(RMSPE=1．362)，这可能
与其空间变异程度有关，土壤容重变异很弱，因而模拟预测准确性较高。另外在验证过程中(图2)，土壤水分
预测模型平滑效应较强，预测数据有一个趋中趋势，预测效果不理想，须对残差再进行预测以降低预测残差，
提高预测精度，有待于进一步研究。
4 结论与讨论
正确理解并充分考虑土壤空间变异，对于在景观尺度上建立生态、环境过程模型是必不可少的。分析、预
测土壤属性空间变异及其动态是区域土地质量评价和可持续土地利用的一个重要组成部分。研究土壤属性
在景观尺度上的变异已成为当前许多生态研究热点之一 。土壤属性是土壤质量的重要决定因素，并最终
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影响土地利用和生态过程。利用气候、土地利用、景观位置和地形等其它相关环境特征信息研究土壤属性空
间变异及分布特征对于生态过程预测 ，理解生态系统运行机制 和评估未来土地利用变化对土壤属性的
影响 至关重要。
研究表明，黄土高原小流域土壤容重变异不大，为弱变异性；土壤水分变异较大，为中等变异。该区表层
土壤水分含量普遍偏低，因此在进行植被建设时，要注意土壤水分补给，确保植被在幼苗期水分的供给，提高
成活率。此外，由于受采样时间及天气因素等的影响，导致表层土壤水分偏低。采样前期一周内无降水，且天
气晴好，耕层土壤水分受其影响较大。没有研究土壤剖面不同层次以及不同时间土壤水分变异，是我们 目前
研究工作的不足之处，也是下步工作的重点。
气候、母质、地形和生物因素影响土壤的发育形成 ，但气候通常在较大区域尺度上发挥其影响作用。
研究所在的小流域土壤母质相对较为均一，因此当地土壤属性变异很大程度上可能受土地利用和地形因素的
影响。在研究区小流域，不同土地利用类型对于土壤容重和水分有着重要影响，受人为耕作因素的影响较大，
表现出一定的规律性，但方差分析表明，无论是土壤容重还是土壤水分，各土地利用类型之间并无显著性差
异。不同景观位置土壤容重变异不大，但方差分析表明，坡顶与坡上、坡中及坡下之间差异达到了显著水平，
其它不同坡位之间土壤容重差异不显著。在不同景观位置，土壤质量含水量变异比容重要大，属于中等变异，
尤以坡面不同景观位置的变异为大。但方差分析表明，各组间差异并不显著，可能是由于不同坡位条件下，组
内差异较大，所以组间的差异不显著。
地形是地表过程的决定性因素，景观中土壤的形成、发展与地表和亚表层水分、沉积物运移密切相关。地
形属性可以刻画反映汇流的特征，因此也可反映土壤属性特征。从地形分析人手，提取相关地形指数，研究定
量化地形特征与土壤性质之间的关系。分析表明土壤容重与复合地形指数 C 正相关，间接的反映了土壤
容重与地表汇流和坡度的关系。土壤水分与高程呈现负相关关系，和剖面曲率正相关。地形指数与土壤容重
和土壤水分的相关分析从一定程度上反映了土壤的形成、发展与地表和亚表层水分、沉积物运移相关。整体
而言，地形指数与土壤属性的相关性较低，远低于预期值。这可能与土地利用有关，表层土壤属性变化主要受
土地管理活动的影响。有研究表明 ]，在较新形成的冲积单元上，地形与土壤属性的关系远比其它景观单元
上密切 。
结合地形因子和土地利用类型，进行了多元线性逐步回归，分别对土壤容重和土壤水分进行回归分析。
从回归模型和验证数据集验证结果来看，对于空间变异较小的土壤容重，回归模型预测精度较高，而对于土壤
水分，预测结果不甚理想，存在一个平滑效应，对于残差解释相对较低，须进一步研究以更好的解释残差。对
于回归分析，R 均不是很高，但可以接受。如果使用高分辨率、大比例尺的数字地形模型和更为详尽的环境
变量，可能会解释更多的残差。然而，由于土壤属性本身的高度变异性和黄土高原特殊的自然地理环境条件，
预期很好的回归结果也是不太现实的。
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