黄土区刺槐林地土壤水分剖面的垂直分层（可编辑）

黄土区刺槐林地土壤水分剖面的垂直分层
年月中国水土保持科学 . .:.
黄土区刺槐林地土壤水分剖面的垂直分层
张波,张建军 ,李轶涛,隋旭红,郑芳,芦倩
北京林业大学水土保持学院,,北京
摘要为从蒸散耗水角度对黄土区刺槐林地土壤水分剖面进行垂直分层,在山西吉县蔡家川流域刺槐林地布设频
域反射仪对 ? 土层分层连续测定土壤水分,综合利用灰关联分析法和有序聚类法对各土层、不同时间蒸散
耗水特性进行研究。

结果表明:从蒸散耗水角度,黄土区刺槐林地土壤水分可垂直划分为地表植物蒸散耗水层~ 、林下灌木蒸散耗水层~ 、刺槐蒸散耗水层~;灰关联分析法和有序聚类法可以综
合应用于土壤水分剖面垂直分层研究。

分层方法数学理论基础较严密,取得的分层结果与现有相关研究结果基本
一
致,因此,有较高可信度,可为黄土区刺槐林地土壤水分研究提供参考。

关键词土壤水;垂直分层;蒸散;灰关联分析;有序聚类;刺槐;黄土区, , , , , , , , , ,. ,. :,?,?? ;. , ,,.; ;; ; ;;
应用较广的变异系数法并没有给出一个具有严
土壤水分剖面垂直分层是土壤水分动态研究的
重要组成部分,但是缺乏统一的分层方法?。

目前
密数学理论的解释,在各层土壤水分变异系数的划
收稿日期: ? 修回日期:项目名称:十一五科技支撑专题“黄土高原半湿润区水土保持植被恢复技术试验示范” ; “中国黄土高原水土保持林蒸发散及合理密度研究”
第一作者简介:张波一 ,男,硕士研究生。

主要研究方向:林业生态工程。

?:.
十责任作者简介:张建军一 ,男,博士,副教授,硕士生导师。

主要研究方向:森林水文。

?:..中国水土保持科学焦
分界限上只是初步指定一个变异系数值作为分界
研究方法
线;根系利用情况分类法也未提出明确的理论基
. 土层含水量监测和林地蒸散量计算方法
础。

李俊等利用有序聚类法对土壤水分剖面进
在试验地地下、、、、、、、、、
行垂直分层,分层方法数学理论基础严密,分层结果、、和处安装土壤含水量测定探
与其他分层结果较吻合,对分层方法进行了创新。

头,该探头根据电容原理工作并以 . %的分辨率
但是以上各类方法都没有考虑林地蒸散对不同土层
提供不同层次土壤从干燥到饱和的体积含水量 ,
含水量消耗不同这一重要因素。

探头每记录次数据,可观测不同层次体积
笔者在年 ? 月蔡家川小流域刺槐林
含水量动态变化情况。

该仪器的可用性及准确度曾土壤水分监测数据的基础上,考虑了林地蒸散对各分别在实验室条件和野外条件?进行了验证,证
土层含水量消耗不同这一因素,综合利用灰关联分明该仪器可用于黄土区土壤含水量观测。

析法和有序聚类法,试图从林地蒸散耗水的角度对在试验地刺槐林外布设自计式雨量计观测降
刺槐林土壤水分剖面进行垂直分层,并结合分层结雨,记录时间问隔为,观测精度 .。

果与 ? 月降雨情况分析不同土层蒸散耗水强度通过不同层次土壤体积含水量估算 ~
变化规律,以期为黄土区刺槐林地土壤水分剖面的总土壤含水量
垂直分层提供新的方法和视角,并为刺槐林地土壤。

水分蒸散损耗研究提供新的参考。

将上式展开,得到
研究区概况,
÷∑一
研究区位于山西省吉县的蔡家川流域,属黄土
残塬沟壑区。

蔡家川流域属黄河一级支流昕水河的
÷
二级支流,地理坐标为。

~ 。

, 。

式中: 和分别为第层和第层土层深~ 。

气候属暖温带大陆性气候,冬季寒冷
度, ;和 ?分别为第层和第层土壤体积
干燥,夏季温度较高。

多年平均降水量.,
含水量, 。

最大年降雨量.,最小年降雨量 .,
. .等 , 曾利用此种方法估算得到
降水的年内分布具有明显的典型大陆性特点,其中
的土壤含水量研究了种植被覆盖条件下土壤含水
月降雨量占全年降水量的 %左右。

年无霜
量变化规律和浅层地下水位以上土壤垂直含水量模
期平均左右,年平均气温℃,年照时间平
型,证明用此种方法估算得到的土壤含水量值具有
均. ,大于℃的年平均积温为. ,
较高可信度。

林地蒸散量
属暖温带、半湿润地区。

地形为典型黄土高原侵蚀一
地形,海拔~。

土壤类型为褐土,森林植
式中: ,和分别为第时间和.『时间总土壤含
被类型属半旱生落叶阔叶林带。

研究区主要植物种
水量, ;时间间隔为。

有油松、侧柏?
. 灰关联分析法和有序聚类法、刺槐、山杨 . . 灰关联分析法灰色关联分析法是指根据、虎榛子、丁香
因素之间发展趋势的相似程度或相异程度作为衡量等。

因素问关联程度是否紧密的一种方法,若个因素
试验地中心地理坐标为。

, 。

,
间灰关联度高,则个因素的变化趋势具有一致性,
坡向为半阴坡,平均坡度约。

土壤类型为褐土,
反之,则变化无一致性。

进行灰关联分析前,必须先
土壤质地为砂质壤土和壤土。

试验地年 ?
确定参考数列,然后比较其他数列同参考数列的接月共观测到降雨. ,集中分布于 ? 月。

近程度”。

主要乔木树种为刺槐,系人工种植,平均树龄为
设。

: 。

, ?,/ 为参考数列,
年生,平均树高 .,平均胸径 . ;林下主 , ,?, : , ,?, 为比较数
要灌木种为黄刺玫 ,问有少量虎
列,则和的关联系数
榛子。

第期张波等:黄土区刺槐林地土壤水分剖面的垂直分层一一定义目标函数。

将个样品分为类,设某
一
种分法是, : ¨ ,?,, ∞后一一 ,? ,
,, ,,, ,其中分点 : 川 : 。

定义这种分类的损失函数
式中: 为分辨系数,取值范围一般是 , ,越小,
为类内总离差平方和
分辨力越大;一为与的第个指标的绝对差;一和,∑ ,一。

一。

一分别为级极小差和级极大差。

当、固定时, ,越小表示各类的类
据此求出与对应的的关联系数
内离差平方和越小,分类是合理的。

, ,?, 求最优分类。

用,. 表示使 ,如果将每一比较数列各个时刻的关联系数集中
达到极小的分类。

由于, : , ,?,.一,
体现在一个值上,这个值就是比较数列对参考数列
./ ,?, ,所以
的灰关联度,, 一 ,,
∑
,
灰关联度的取值范围在 , 之间,越大表明二者
要将个有序样品分成类,等价于先将它分
的几何曲线形状越接近,即发展变化态势越接近。

成 , ,?, 一和.『,,?, 部分,然后再将
在本研究中,以每个月林地蒸散量的数据序
前半部分分成一类,后半部分则单独成一类。

因
列为参考数列, , ,?, 各土层含水量数
为≤≤ ,所以
据序列为比较数列,根据式~计算每个月各,
土层含水量与的灰关联度,用以表示各土层含水一 , 一,
乓量与林地蒸散量相关性强弱。

灰关联度越高,表明该
依次使用这一递推公式,得到所有的类: ,
土层含水量与林地蒸散量的变化具有较高一致性,即 , :,?,。

在实际问题中,分类数的
该层土壤水的蒸散消耗强度较大,反之,则较小。

确定一般要结合实际情况以及问题特点确定。

详细
. . 有序聚类法有序聚类法是聚类分析方法
的推导运算过程以及有序聚类法在计算机程序 .
的一种,与传统聚类方法的主要区别在于:分类结果中的具体实现参见文献。

不会打乱样本次序。

具体到本研究而言,就是以
结果与分析
土层深度为垂直轴线,以 ? 月蒸散量与各土层
含水量之间的灰关联度为样本进行聚类,聚类结果
. 刺槐林地土壤水分的垂直分层
仍将保持深度上的排序。

分别以年 ? 月试验地刺槐林每个月
本研究中使用的是有序聚类法中的最优分割
的林地蒸散量数据序列为参考数列,以当月所观测
法。

最优分割法的基本思想是寻找一个分割,使
各个土层的含水量数据序列为比较数列数据起止
得各段样品内部的差异最小,而各段样品之问的差
时间为每个月第天 : 到最后天 : ,数据
异最大。

假设有样品 , ,?, ,其中每个均是
时间间隔都为 ,运用灰关联分析法,根据式
维向量,则聚类过程如下。

~分别计算出林地蒸散量与每个月各个土定义类的直径。

设某一类是 . , ,
层含水量的灰关联度表。

可见,各月林地蒸散 ,它们的均值
量与 ~ 内各土层含水量的灰关联度都比较
,
而
大,绝对值均在 . 以上,表明林地蒸散量数据序列
与 ~内各土层含水量数据序列的动态变化
将该类内部各样品间的总差异定义为该类的直
均具有较高的一致性,所以利用表中灰关联度从
径,由于表示样品间总差异最常用的指标是离差平
蒸散耗水角度对林地土壤水分进行垂直分层是可
方和,所以常用的直径就是类内离差平方和。

用
行的。

, 表示肭直径。

首先构造有序聚类所需向量表中的 ~, ∑一一,然后应用有序聚类法
对表中的灰关联度在中国水土保持科学正
垂直方向上进行聚类。

分别计算类直径 , ,定义目标函数 ,。

计算结果见表和表。

表年一月林地蒸散量与各土层含水量的灰关联度 .,
注:分辨系数取 . 。

表类直径计算结果, . . ×一. × . × ~ . × ~ ×一 . ×一 . ’×一 . . ×一× . ×一 . × . ×一×一 . ×一 . ×一 . ×一 . ×一×一 . × . ×一 . ×一 . ×一 . ×一一 . ×一
× . ×一 . ×一 . ×一 . ×一 . ×。

. ~ . ×
×一 . ×一 . ×一 . ×一 . × . ×一 . ×一。

. × ? . ×一 . × . ×一 . ×一 . ×一×一 . × . ×一 . ×一 . 一。

. 一 . ×一 . ×一 . ×一 . ×一 . × . ×一 . ×一 . ×一 . ×。

×一。

. . ב . ×一 . ×一 . ×一 . ×一 . ×一 . × . ×一 . ×一 . ×一 . 。

. ב
的,故将该层命名为地表植物蒸散耗水层。

黄土区
分析聚类结果柱状图图可见:样本在整
个聚类过程中始终是独立的一类; 和先聚为一半阴坡刺槐林 ~ 土层主要分布的是灌木树
种比如黄刺玫等常见灌木的根系 ,该层土壤水
类,然后和蜀又聚为一类; ~ 。

,则最终聚为一
的消耗包括灌木蒸散和土壤水蒸发部分,所以命
类。

所以,根据现有土壤水垂直剖面分层普遍结果,
名为林下灌木蒸散耗水层。

黄土区半阴坡刺槐根系
并结合聚类柱状图,最终分类数目应该以类为宜。

在 ~ 分布较集中¨ ,该层土壤水的消耗
层分别为 ? 、 ~ 、 ~。

~ 土层分布的主要是草本植物的根系, 包含刺槐蒸散和土壤水蒸发部分,所以命名为刺
槐蒸散耗水层。

蒸散耗水主要是由该层土壤和草本植物蒸散引起¨
第期张波等:黄土区刺槐林地土壤水分剖面的垂直分层××××××××××表目标函数值 ,. ●●●●●●●×× × ×× × × ×
; ;
. ×
. ×
××××××××. ×一
;. ×一
■●●●●●● . ×一××××××× . ×一. ×一 . ×;●●●●
. ×一
. ×一
×××× . ×一×一 . ×一
. ×一 . ×. × ~×样蒜本××××
加
鉴
×× ×
图年 ? 月各层土壤水蒸散消耗
强度变化规律
图聚类结果柱状. .,
. 各层土壤水蒸散消耗强度变化规律
响因素是林内全光照和有效太阳辐射¨。

? 月
依据分层结果,首先计算出个层次 ? 月
降雨减少,又因为刺槐林冠层郁闭度较小,使得林内
灰关联度的平均值,然后结合降雨量变化态势图
全光照和有效辐射较大,所以灌木蒸腾较强烈,这进行分析,可以发现以下规律。

样, ~土壤水的消耗强度在 ? 月增加。

地表植物蒸散耗水层 ~ 土壤水的蒸
虽然月降雨量增大,但同时太阳辐射强度较、
散消耗 ? 月增大,而 ? 月减小。

这是由于该
月增强,林内全光照和有效太阳辐射同样增大,林下
层在降雨多的月份接受雨水下渗补给较多,地表植
灌木的蒸腾强度相应增强,并且刺槐林冠层郁闭度
物蒸散对原有土壤水的消耗较少的缘故。

的增大使林冠层对降雨的截留作用进一步增强,降
林下灌木蒸散耗水层~ 土壤水的蒸
雨更难入渗到灌木根系集中的土层。

这就使得即使
散消耗强度在 ? 月呈增大态势,在月降雨量达
在降雨量最大的月, ~土壤水的蒸散消
到最大值时该层土壤水的蒸散消耗强度依然增加。

耗强度依然较大。

这是因为试验地刺槐林下的主要组成灌木是黄刺
刺槐蒸散耗水层~土壤水的蒸散消
玫,晋西黄土区半阴坡黄刺玫 %的根系生物量和
耗强度在 ? 月与降雨量的增减呈相反变化态势。

%的根系长度都集中分布在 ? 土层
这是因为黄土区半阴坡刺槐吸收根主要集中分布在
中¨ , ~土壤水的消耗主要包括了林下灌~,疏导根集中分布在 ~¨ , ?
木蒸腾和土壤蒸发,而林下灌木蒸腾强度的主要影
月降雨量减小,该层土壤水消耗相应增加;而 ?。