基于GIS的山西省土壤墒情时空分析研究

论文总字数：20069字

目 录

摘要: 1

ABSTRACT： 2

1引言 3

2国内外研究进展 3

2.1 GIS技术 3

2.2土壤墒情时空分析 3

3研究区及实验数据概况 5

3.1研究区概况 5

3.1.1地理 5

3.1.2气候 5

3.1.3土壤 5

3.1.4研究区资料概况 5

3.2数据预处理 6

4研究内容及方法 7

4.1研究内容 7

4.2技术路线图 7

4.3研究方法 8

5结果分析 9

5.1空间分布特征分析 9

5.1.1土壤含水率空间分布特征 9

5.1.2降雨空间分布特征 19

5.2时间变化特征分析 21

5.2.1土壤含水率时间变化特征 21

5.2.2降雨时间变化特征 25

5.3降雨对土壤含水率的影响 26

6结论与展望 27

6.1结论 27

6.2展望 28

参考文献： 28

致谢 30

基于GIS的山西省土壤墒情时空分析研究

李静

摘要:土壤墒情分析全面概括了土壤含水量的时空分布以及降水和气温等因素对土壤含水量的影响，而降水是影响土壤含水量的一个要素，本文以1996—2001年山西省60个墒情站观测资料为基础，以土壤墒情时空分布及降水对其的影响为研究目的，以反距离权重插值法作为空间分析方法，分析土壤墒情的空间分布特征；以Mann-Kendall秩次相关检验法作为土壤墒情趋势分析的方法，研究土壤墒情的年均和季节变化规律；最终将数据结果标准化，分析降雨对土壤含水率的影响。结果表明，山西省年均和不同季节土壤墒情值由北到南，由西到东逐步增多，且各层水平空间分布基本一致；纵向空间由表及深，土壤墒情值逐步减少，且40cm土层处的土壤墒情值明显少于表层的值。土壤墒情随时间变化明显，全省及各地区年均土壤墒情值整体呈波动增减的趋势，秋季8月份墒值达到最大值；降雨量与各层土壤含水率在年均变化过程中与各层土壤含水率都存在明显相关性且降雨对土壤含水率的影响由深层到浅层逐步加大，且影响显著。

关键词:土壤墒情;时空变化;GIS;山西省

Research of the Soil Moisture Temporal Analysis in Shanxi Province Based on GIS

Li Jing

NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SCIENCE amp; TECHNOLOGY

Geography and Remote Sensing Faculty

Abstract：Soil moisture analysis summarizes the effects of spatial and temporal distribution of soil moisture ,precipitation , temperature, and other factors on soil moisture. Precipitation is a factor affecting soil water content. First, the paper analyses spatial distribution of soil moisture based on 60 moisture station in Shanxi Province in 1996—2001.The analysis aims to research the effect of spatial distribution of soil moisture and precipitation on soil moisture and uses the spatial analysis method of Inverse Distance Weighting. Second, the paper researches annual and seasonal variation of soil moisture based on Mann-Kendall rank correlation test method. Finally, the paper standardizes the data to analyse the effect of precipitation on soil moisture. The results showed that annual and seasonal soil moisture in Shanxi Province increases ​​from north to south and from west to east, and the layers of horizontal spatial distribution is consistent. From the table and deep in the vertical space, soil moisture gradually reduces ​​and 40cm soil layer of soil moisture is less than the value of the surface. When changes in soil moisture was significant over time, the whole average annual soil moisture fluctuations in the province and the region showed a decrease trend and the fall in August reached the maximum entropy value. Precipitation is correlated with soil moisture in layers with the change of annual process and the significant. impact of precipitation on soil moisture is gradually increased from the shallow to the deep.

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Keywords:soil moisture；temporal and spatial variation;GIS；Shanxi Province

1引言

山西属于典型的黄土高原地域、干化区，地下水资源和地表水资源是其主要的水资源组成，降水是该地水区资源的主要补给来源，但降水稀少，造成干旱现状。针对山西省干旱的情况，大多数学者研究降水和气温的变化，很少研究到土壤墒情时空分布的。

墒情，指土壤湿度的情况，土壤湿度是土壤的干湿程度，即土壤的实际含水量，土壤含水量的时空变化受限于多方面因素，降水、气温、植被等都是影响土壤含水量的因子^[1]。对土壤含水量时空分布进行深入研究、发现其中规律，可以为水土保持及环境保护等提供科学依据。

对于土壤含水量时空分布特征的研究运用传统统计学分析和地统计学的方法已经日渐成熟，后者已被证明是分析土壤特性时空分布特征最有效的方法之一，并在土壤科学中得到广泛的应用和发展，已然成为分析土壤特征的一个重要工具。地统计学的空间变异函数和反距离权重差值等方法是土壤性状分析的主要手段，而地理信息系统具有强大的空间分析和处理功能，可以大大减少研究时的诸多不便。本文即结合了地统计学和GIS技术对山西省1996年到2001年土壤墒情展开研究，发现土壤墒情的时空规律和特征以及降雨对其影响规律大小，为日后山西省土壤水的治理提供依据。

2国内外研究进展

2.1 GIS技术

地理信息系统的存在与发展30余年，它是应社会的发展需求而产生的，用户的发展需要，方法应用等各个方面都影响着GIS的发展。GIS的发展大致可分为以下几个阶段：

（1）60年代，GIS开拓发展阶段:1963年，R. F. Tomlinson提出并建立了世界上第一个地理信息系统。但这一时期计算机硬件系统功能低使软件技术的发展停滞不前。此时GIS的引用还很受局限。

（2）70年代是GIS的巩固阶段:这一时期GIS得到真正的发展，随着计算机的快速发展，尤其是小型高速硬盘的使用以及高性能图形显示器的发展，增强了人机对话和高质量图形显示功能，使GIS加速发展。专业化人才的不断涌现，许多专业性的土地信息系统和地理信息系统部门被建立，如美国环境研究所就成立于这一时期。

（3）80年是GIS的高速发展时期:由于计算机的发展，GIS的应用迅速扩大到诸多领域，其次，GIS软硬件投资大幅度降低而系统能力却在提高、软件开发工具的广泛应用和数据库技术的推广、卫星遥感技术趋于成熟和全球定位系统合出现，使得GIS的应用从解决比较简单的基础设施的规划问题转向更为复杂的区域问题。许多国家启动了GIS相关的科研项目并建立机构。

（4）90年代社会化阶段:GIS普及到了各行各业，己成为很多部门不可缺少的工具。GIS被更广泛的接受认同并影响、改变了现有机构的运行方式。

2.2土壤墒情时空分析

国内外对土壤墒情做出的研究有很多，邱扬、傅博杰等综述了土壤墒情的时空变异与环境因子的研究进展，同时提出开展多重时空度上土壤水分的时空变异与其诸因素的时空关系。Hawley通过研究得出土壤墒情的平均值和空间变异都随降雨量的增大而增大。Henninger通过研究表明，土壤墒情受降雨的影响十分显著且都有随季节变化的趋势。Scotteta通过研究发现冬季深层土壤墒情有随年纪变化的趋势且趋势显著，同时降雨的变化也与厄尔尼诺现象密切相关。

邱洋，王军等1999年在黄土丘陵根据不同地形状况与土地利用类型在流域内选取了81个典型样地，从土壤墒情与环境因子的关系分析入手，使用经典统计学的方差分析以及假设检验的方法得到了土壤含水量在降雨后立即升高随后逐渐降低等分析结果^[22]。

郝振纯，王慧等以2003-2012年山西省64个墒情站土壤墒情观测再聊为基础，在ARCGIS环境下用IDW插值发分析土壤含水量空间变化规律和土壤含水量年纪、季节的变化规律，并探讨了降水和气温对土壤含水量变化的影响，研究结果表示山西省土壤含水量东南高，北部和南部偏低。近十年年际变化趋势减少但不显著，降水是影响全省土壤含水量的主导因素^[23]。

卢淑贤，程惠艳等收集寿阳县1994-2008年的气象资料，包扩降水、气温等，选取寿阳气象局农业气象土壤墒情观测站资料以及国家旱农寿阳试验站土壤墒情资料，主要采用常规统计分析方法，包括回归分析、方差分析、时间序列分析对寿阳县的土壤墒情做分析^[24]。

杨曙光对国内外土壤墒情的研究进展进行了阐述 ^[2] 。

何玛峰，张俊栋用直方图、茎叶图等对比方法对唐山市6年来土壤墒情监测数据进行分析，分析表明：唐山市大部分监测站点的墒情数据总体呈现正态分布或近似正态分布^[21]。

土壤墒情的研究进展以20世纪80年代为分界线，80年代前，人们主要采用经典统计学方法和描述性统计方法来研究土壤墒情的空间变异特性；80年代之后，开始引进地统计学（Geostatistics）的方法进行土壤墒情时空分布特征的研究^[8]。刘继龙、张振华等利用传统统计学和地统计学方、半方差函数和分维数分析了梨园土壤水分时空分布特征；张娟运用趋势分析对元阳梯田水源区土壤胡思分时空分布特征进行了研究。Heinemann等应用GIS作为农田灌区信息系统平台，考虑作物需水量、灌溉排水、土壤含水量等因素影响，建立了县级区域的作物空间需水模型^[16]；Morari等采用土壤含水量平衡法和与GIS相结合的数学模型估算作物需水量，得到了研究区域水循环和作物月平均腾发量资料^[17]；美国加州水利厅和联邦政府水利部门运用 GIS技术，根据Tulare县地下水数据、土地区划分布地图及数据等资料，建立了一个空间数据库，分析了该县潜在地下水位与作物需水量之间的关系^[18]。

近年来，GIS与地统计结合的方法研究土壤墒情的空间分布特征的越来越普遍，熊亚兰和魏朝富结合二者研究了我国西南丘陵区坡面土壤水分特性的空间变异^[19]，张秀英等在研究定西县安家沟小流域内土壤墒情空间分布时采用Arcinfo软件环境下的GRID数据结构，对的降雨、径流和蒸散等要素进行了空间分布的模拟，并利用实测土壤水分数据进行检验，合格率达到83%以上^[20]。钱静等应用ArcGIS软件的地统计学分析模块，通过半变异函数的确定和变量因子空间变异程度及空间变异尺度的比较，研究了干旱区土壤墒情的空间变异性^[21]。

3研究区及实验数据概况

3.1研究区概况

3.1.1地理

山西是内陆省份，总面积为15.67万平方千米，东与河北为邻；西、南隔黄河与陕西、河南相望；北与内蒙古毗连。最南端在北纬34°34′的芮城县南张村南，最北端北纬40°44′在天镇县远头村北，,跨度约682千米；最东端东经114°33′在广灵县南坑村东，；最西端东经110°14′在永济市长旺村西，跨度约385千米。山西省地处黄土高原东部，其内部地形、地貌复杂多样；地势东北高西南低，大部分地区海拔在1500米以上，最高点为五台山主峰叶斗峰，海拔3061.1米。最低点在垣曲县境内西阳河入黄河处，海拔仅180米；分布的山脉有恒山、五台山、、吕梁山、太行山中条山等；分布的盆地有大同、忻州、长治、晋城、阳泉、太原、临汾、运城等盆地。

3.1.2气候

山西地处大陆东岸中纬度的内陆，东部省界有高大的太行山脉，所以虽距海岸有300~500千米但气候受海洋影响并不明显，属于温带大陆性季风气候，温差小气候暖、年降水450～600毫米、年均温度10～20°C。冬季比较寒冷；夏季比较温和；南北气候差异明显。气候特征表现为冬季漫长，寒冷干燥；夏季南长北短，雨水集中；春季气候多变，风沙较多；秋季短暂，天气温和。

3.1.3土壤

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