喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征
2014-08-10徐慧芳宋同清黄国勤彭晚霞曾馥平李莎莎
徐慧芳，宋同清，黄国勤，彭晚霞，曾馥平，杜 虎，李莎莎
(1.江西农业大学生态科学研究中心，南昌 330045； 2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125；3. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，环江 547100)
喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征
徐慧芳1,2,3，宋同清2,3，黄国勤1,*，彭晚霞2,3，曾馥平2,3，杜 虎2,3，李莎莎2,3
(1.江西农业大学生态科学研究中心，南昌 330045； 2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125；3. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，环江 547100)
基于典型喀斯特峰丛洼地坡面土地利用方式试验火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米(面积分别为20m×70m)控制性试验建设，通过网格法(5 m×5 m)采样，用经典统计学和地统计学方法，分析了6种土地利用方式下(火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米)表层土壤水分在不同季节的空间变异特征。结果表明：喀斯特峰丛洼地土壤含水量均很高，雨季显著大于旱季，雨季为火烧>封育、刈割除根>玉米、桂牧1号>刈割，旱季为刈割、火烧、刈割除根>桂牧1号、封育>玉米，均呈中等至强度变异，且含水量越低变异越大；不同土地利用方式土壤水分的自相关函数均呈由正向负方向发展的相同趋势，但拐点不同，且旱季大于雨季，不同土地利用方式旱季、雨季土壤水分的最佳拟合模型不同，但均呈中等或强烈的空间相关性，变程为6.8—213 m，且旱季大于雨季；同一土地利用方式旱季、雨季表层土壤水空间格局相似，不同土地利用方式空间格局则不同，因此在该区域进行植被恢复和生态重建时应采取不同的水资源利用策略。
表层土壤水分；空间异质性；土地利用方式；坡面；喀斯特峰丛洼地
土壤水分是地表水资源的重要组成部分，具有较强的时空变异性，是土壤的一个重要状态参数[1- 2]，是衔接四水转换与循环的核心，其高度的空间异质性受不同尺度的地质地貌、降水、植被覆盖、径流、蒸发蒸腾、干扰等自然、人为作用和过程控制[3]，区域尺度上由大气控制的降雨和蒸发格局起主导作用[4- 5]，小流域尺度则以土壤、地形和土地利用(植被) 的作用为主，但这些因子的作用因季节而异[6]。国内外学者大量研究表明影响土壤水分时空格局的驱动因子不同，且研究的差异较大[7- 8]，但一般认为，在湿润季节主要受汇水面积等非局地因子影响，在干旱季节，土壤水分格局受土壤性质、植被和微地形等局地因子控制。
喀斯特峰丛洼地地处世界三大岩溶区之一即以贵州为中心连带成片的我国西南喀斯特南部斜坡地带，属中亚热带季风气候,雨热资源丰富，年均降雨量在1300—1500 mm之间，但时空分布不均且蒸发量大，年蒸发量多在1500—1900 mm，明显大于降水量，导致水汽总体上处于亏损状态，易形成干旱气候[9]。长期强烈的岩溶作用形成了有别于其他地区的地表、地下双层二元水文结构，众多的溶洞、溶沟、溶隙、漏斗、地下河和落水洞及喀斯特浅薄的土层、大量的岩石裸露致使大气降水迅速渗漏和蒸发，形成了温润气候条件下特殊的岩溶干旱现象[10- 11]，又加之该地区土壤浅薄、土壤总量少、储水能力低、尖锐的人地矛盾产生了许多掠夺型的土地开发利用方式，大部分干扰区的森林覆盖率≤13%，形成了严重的干旱和石漠化状态[12]，且漏水、农田耗水量和蒸发量过大的问题难以解决，因此，土壤水分对喀斯特退化生态系统的水热平衡及系统稳定性起着决定作用。目前，有关喀斯特地质背景[13]、生态环境[14]、植被特性[15- 17]、土壤水分空间异质性及其主要影响因素[18]有了初步认识，但涉及不同土地利用方式土壤水分的空间异质性很少。本文选择典型喀斯特峰丛洼地坡面，基于火烧、刈割、刈割除根、封育、种植玉米、种植桂牧1号6种主要土地利用方式的控制性试验设置，用经典统计学和地统计学方法分析旱季、雨季表层土壤水分的空间异质性及其生态学过程，旨在为提高土壤有效含水量、实现水土资源协调利用、有效指导该区农业生产和植被快速恢复提供科学依据。
1 研究方法
1.1 区域概况
研究区位于广西壮族自治区环江毛南族自治县中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站综合试验示范区，地理位置为N2°43′—24°44′，E 108 °18′—108°19′，地势四周高，中间低，海拔为288.5—337.8 m，地形破碎，坡度较陡，≥20°的坡面占57%，坡地基岩裸露面积<30%。土壤为白云岩母质发育而成的深色或棕色石灰土，土层较薄，一般为10—50 cm；土壤质地为黏壤土和黏土，粉粒、黏粒质量分数分别为25%—50%和30%—60%；土壤呈碱性，pH值高达7.83—7.98，有机质、全氮、全磷、全钾分布为76.78—116.05 g/kg，4.29—6.95 g/kg，1.15—1.17 g/kg，3.59—6.05 g/kg。研究区属中亚热带季风气候区，全年无霜期300—330 d，年均气温19.9 ℃，极端高温38.7 ℃，极端低温-5.2 ℃，太阳年平均辐射总量414.1 kJ/cm2，≥10 C积温为5500—6530 C。年均降雨量1389.1 mm，降水丰富但季节分配不均，雨季降雨量占全年降雨量的70%以上。
1.2 试验设置与采样
2006年底在试验区一面东南向山坡中下部建立了6个20 m×70 m的动态监测样地，经过试验处理形成了火烧地、刈割第地、刈割除根地、封育地、玉米地和桂牧1号地6种土地利用方式。具体设计及处理见表1。用插值法将每个动态监测样地划分为5 m×5 m的网格，共获得80个样点，分别于2009年7月8日即雨季(采样前最后一次降雨时间为7月6日(30 mm))和11月28日即旱季(采样前最后一次降雨时间为11月5号(4.5 mm))，用土钻进行表层土壤(0—10 cm)网格法取样，采样过程中，若采样点有石块分布，则在石块周围取3个土样混合均匀后，取1/3代替该点样本，用烘干法测定土壤水分含量。采样同时进行立地因子、植被状况、人为干扰等调查。
1.3 数据处理
用经典统计学和地统计学方法对样本数据进行分析处理，经典统计学分析采用SPSS16.0软件，空间自相关分析、半变异函数分析和模型优化模拟均在专业地统计软件GS+中完成，Kriging等值线图绘制采用ArcGIS9.2软件。地统计学有关方法及原理见文献[19- 20]。
表1 不同土地利用方式坡面样地基本情况
2 结果与分析
2.1 经典统计描述
本文采用样本均值加减3倍标准差来识别特异值，在此区间外的数据均定为特异值，分别用最大和最小值代替[21]，后续计算均采用处理后的原始数据。由表2可以看出，喀斯特峰丛洼地土壤含水量均很高，旱季明显低于雨季(P<0.01)，但含水量仍在15.26%—18.93%之间，总体趋势上含水量越低变异系数越大，旱季变异系数(24.20%—46.33%)明显高于雨季(14.11%—21.86%)，这与前人研究的结果基本一致[22]。不同土地利用方式不同季节土壤含水量和变异系数不同，雨季为火烧>封育、刈割除根>玉米、桂牧1号>刈割，各组间差异极显著，火烧之后新草生长茂密，其蓄水性能最好，封育次之，刈割蓄水性能最差，各利用方式的变异系数均呈中等变异(10%
2.2 土壤水分的空间自相关分析
如图1所示6种土地利用方式的土壤水分具有相似的空间结构，大致趋势为：滞后距离较小的点对呈显著的正空间自相关，随着滞后距离的增大，自相关系数逐渐向负方向发展，达到显著的负空间自相关。正空间自相关的距离大致反映了性质相似斑块的平均半径，负空间自相关则反映了性质相反的斑块间的平均距离。不同的土地利用方法正负变化的拐点和变化趋势不同，总趋势为旱季的拐点向坡上移动且变化平缓，这可以从动态监测样地的具体情况得到解释，在坡的下部地形较为平坦，石砾含量较少，土壤含水量相对较高但土层较厚，为一种性质的斑块，在坡中上部正好相反，土壤持水性差。种植桂牧1号的动态监测样地，因受人为干扰和坡面呈凹型的原因，在1420 m范围内自相关系数在0附近上下波动。
表2 土壤水分描述统计特征
2.3 土壤水分的空间结构
半变异函数分析表明(图2)，不同土地利用方式不同季节的试验半变异函数拟合模型不同，主要有高斯模型(Gaussian)、指数模型(Exponential)和球状模型(Spherical)，理论模型的决定系数为0.490—0.991，均比较高，残差为2.52—53.30，均比较低，说明理论模型能很好的反映土壤水分的空间结构特征。
半变异函数模型各结构参数如表3所示，除火烧外其他土地利用方式的土壤水分块金效应明显，较大的块金值(C0)可能是因为石砾含量高，而石砾周围土层浅薄且蒸发强烈，从而有别于周围区域土壤性质，造成较大的块金值，基台值(C0+C)是半变异函数达到的极限值，不同土地利用方式的基台值均很高，在16.82—75.70之间，这说明土壤水分的空间分布主要受地形和微地貌等固定因素控制，且土壤水分变异大致与平均含水量变化相反。块金值与基台值之比反映了随机变异占总变异的大小，火烧和刈割雨季C0/(C0+C)小于25%，呈强烈的空间相关性，其余的在0.26—0.50之间，呈中等空间相关性。6种土地利用模式的变程在6.8—213 m之间，表明在喀斯特地区较高的石砾含量尽管会改变局部地段土壤水分的空间分布，但表层土壤水分仍具有一定的空间连续性，其中火烧、刈割、刈割除根和封育在旱季随土壤水分含量降低变程增大，连续性变好，种植玉米和桂牧1号在旱季进行了收割，人为干扰严重而导致变程变小，破碎性增大。
2.4 土壤水分的空间格局
用Kriging方法制作的等值线图可以全面和直观地揭示喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式下表层土壤水分雨季、旱季的空间分布格局(图3)。同一土地利用方式旱季、雨季表层土壤水分的空间分布格局相似，不同土地利用方式的空间分布格局不同。火烧和刈割人为干扰导致植被格局分布不均，表层土壤水分分布的斑块破碎化程度高，规律不明显，这也是火烧和刈割土壤水分变程小的原因；封育呈凹型分布，表层土壤水分含量中间低两头高，刈割除根、种植玉米和桂牧1号3种土地利用方式表层土壤水分的空间分布均呈单峰分布，随海拔的升高而降低，且空间连续性好，变程大。
表3 土壤水分半变异函数模型及参数
3 讨论与结论
近年来由于人类不合理的开发利用，喀斯特植被逐年退化，水土流失、石漠化等生态灾害日趋严重。而且喀斯特区域降水时空分布不均，土层浅薄、土壤持水性能低、缺乏植被系统的调节，加上长期强烈的岩溶作用，形成了有别于其他地区特殊的二元水文结构，使得水源深埋、漏失，出现了湿润季节下特殊的干旱——岩溶干旱，目前，每年人畜饮水短缺达3—4个月。喀斯特峰丛洼地属亚热带季风气候，降雨量丰富又加上土壤有机质含量高，众多石块和较多的石砾上的水分源源不断的流入周围土壤之中，虽然喀斯特脆弱生态系统整体处于干旱状态，但土壤仍然存在着局部水分优势的环境，土壤含水量较高，即使是干旱季节，仍保持着15.26%—18.93%的水平，呈中等强度变异。6种土地利用方式可以分成两类：一类是水源涵养型，包括火烧、封育和刈割除根，二类为水源消耗型，包括种植玉米、桂牧1号及刈割。
国内外许多学者应用地统计学探讨了水分的时空变异与环境因素、土壤侵蚀过程的关系[22]，我国的研究主要集中在黄土高原和沙漠化地区，而南方石漠化与北方沙漠化是制约我国西部地区可持续发展的两大生态环境问题，水资源的合理利用非常重要。喀斯特峰丛洼地虽然土层浅薄、土被不连续，但土壤水分仍具有明显的空间结构和空间连续性，空间自相关系数在0.159—0.465之间，不同的土地利用方式具有相似的空间自相关，自相关函数随着滞后距离的增大由正向负转换，正负空间自相关的距离大致反映了性质相似斑块的平均半径，坡下部土壤含水量高，为正相关，坡中上部土壤含水量低，为负相关，在干旱季节随着土壤含水量降低，由正向负转化的拐点呈向坡上部移动的趋势。不同的土地利用方式的空间结构不同，但分别能够用高斯模型、指数模型、球状模型进行很好的拟合，所有模型均具有较大的块金效应，说明存在着不同程度的随机变异和实验取样误差，较高的基台值说明土壤水分空间结构由一些自然的固定因素控制，除火烧和刈割雨季处于强烈的空间自相关外，其他不同土地利用方式在不同季节均呈中等空间相关性，6种土地利用模式的变程在6.8—213 m之间，旱季的变程有增大的趋势。不同的空间结构导致了不同土地利用方式下土壤水分空间分布格局不同，但同一土地利用方式在雨季和旱季的空间分布格局相似，火烧和刈割破碎化程度高，斑块小，封育的土壤水分呈凹型分布，中间低两头高，其他3种土地利用方法呈单峰分布，土壤水分随海拔和坡位的增高而降低。
图3 土壤水分Kriging等值线分布图Fig.3 Kriging contour maps of soil moisture
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Spatiotemporal variation of soil moisture under different land use types in a typical karst hill region
XU Huifang1,2,3, SONG Tongqing2,3, HUANG Guoqin1,*, PENG Wanxia2,3, ZENG Fuping2,3, DU Hu2,3, LI Shasha2,3
1ResearchCenterOnEcologicalScience,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China2KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China3HuanjiangObservationandResearchStationofKarstEcosystem,Huanjiang547100,China
In this study, spatiotemporal variation of soil moisture was investigated on six manipulated land use types, i.e., burning, cutting, cutting plus root removal, enclosure, maize field, and sward of Guimu No. 1.Each land use type covered an area of 20 m×70 m on a typical slope in depression between karst hills. Soil moisture was measured with 5 m × 5 m sampling grid and was analyzed through classical statistics and geostatistical methods. Soil moisture was high in depression between karst hills, and was significantly higher in rainy season than in dry season. In rainy season, soil moisture changed in the order of burning >enclosure and cutting plus root removal > maize field and sward of Guimu No. 1 > cutting, while in dry season, soil moisture changed in the order of cutting, burning, cutting plus root removal >sward of Guimu No. 1andexclosure> maize field. Soil moisture varied moderately or strongly, and the variation was larger when the soil moisture was lower. All autocorrelation coefficients of soil moisture under different land use types tended to change from positive to negative direction but with different inflection points and the values were larger in dry season than in rainy season. The best fitted models of soil moisture differed under different land use types, but all showed moderate or strong spatial correlation. The spatial variation rangedfrom 6.8 to 213 m and was larger in dry season than in rainy season. The spatial pattern of surface soil moisture under the same land use type in rainy season was similar to that in dry season, while spatial pattern of surface soil moisture varied among different land use types. Therefore, diverse strategies in the utilization of water resources should be adopted during ecological restoration and vegetation reconstruction in depressions between karst hills.
surface soil moisture; spatial heterogeneity; land use type; slope; depression between karst hills
中国科学院西部行动计划项目(KZCX2XB310)；国家自然科学基金项目(31370623, U1033004)
2014- 05- 09;
2014- 08- 11
10.5846/stxb201405100939
*通讯作者Corresponding author.E-mail: hgqjxnc@sina.com
徐慧芳，宋同清，黄国勤，彭晚霞，曾馥平，杜虎，李莎莎.喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征.生态学报,2014,34(18):5311- 5319.
Xu H F, Song T Q, Huang G Q, Peng W X, Zeng F P, Du H, Li S S.Spatiotemporal variation of soil moisture under different land use types in a typical karst hill region.Acta Ecologica Sinica,2014,34(18):5311- 5319.
