环境因子对广西典型岩溶区土壤温度空间结构的影响

尹 辉, 李 晖, 蒋忠诚

(1.惠州学院 旅游系, 广东 惠州 516007; 2.广西师范大学 环境与资源学院,

广西 桂林 541004; 3.中国地质科学院 岩溶地质研究所, 广西 桂林 541004)

环境因子对广西典型岩溶区土壤温度空间结构的影响

尹 辉1, 李 晖2,3, 蒋忠诚3

(1.惠州学院 旅游系, 广东 惠州 516007; 2.广西师范大学 环境与资源学院,

广西 桂林 541004; 3.中国地质科学院 岩溶地质研究所, 广西 桂林 541004)

摘要：[目的] 探索空间异质性较大的岩溶区的土壤温度空间自相关尺度及其空间结构，分析影响典型岩溶区土壤温度空间结构的主要环境因子。 [方法] 应用经典统计学方法与“3S”技术。[结果] 不同深度土壤温度的空间分布均存在高度的正向全局空间自相关和明显的空间聚集区，各深度土壤温度的空间孤立区分布较少；影响不同深度土壤温度空间分异的环境因子排序为：土壤厚度>坡度>植被覆盖度>高程。[结论]土壤厚度对土壤温度的影响，实质上是岩溶环境的综合反映。坡度、高程等地形因子是造成土壤逆温结构的主要影响因素。此外，土壤温度的空间分异还会受到植被覆盖“遮蔽作用”或“保温效应”的影响。

关键词：土壤; 温度; 空间结构; 环境因子; 果化岩溶区

土壤温度是与农业生产和生态环境紧密相关的重要土壤物理性质之一，其区域特征和空间分异直接影响着土壤水分的运移[1]、浅层地表的热状况[2]、生态环境[3]、生物的空间分布和生长发育[4]。土壤温度的空间异质及其影响因素的相关研究，近年来已得到诸多学者的高度重视[5-10]。纵观土壤温度空间结构及其影响因素的相关研究成果，经典统计学与3S技术的应用，对于土壤温度空间变异、空间分布及相关格局方面的研究已有了突破性的进展，但针对典型岩溶区的土壤温度空间变异及分布研究却较少。相关研究[11-12]表明，相对于样方和区域尺度而言，土壤理化属性在微尺度下存在更大程度的变异。对于土壤理化性质空间变异程度较大的典型岩溶区[13-15]，若直接进行大尺度区域高密度取样，势必会产生极大的人力、物力和财力消耗；而低密度取样，又难免因监测样点数量的不足而影响其研究精度[16-17]。可见，探讨土壤温度样点布设的空间自相关尺度是亟待系统研究的科学问题。据此，本研究以典型岩溶区广西平果县果化示范区土壤温度为研究对象，将微尺度、高密度的室内布点和小区域实地监测相结合，应用经典统计学与3S技术，探索空间异质性较大的岩溶区的土壤温度空间自相关尺度及其空间结构，探寻影响典型岩溶区土壤温度空间结构的主要环境因子，为探讨典型岩溶区土壤温度的样点尺度研究、指导典型岩溶区的农业生产、保障区域土壤资源的可持续利用提供科学依据。

1材料与方法

1.1　研究区概况

果化示范区位于广西壮族自治区百色市平果县果化镇，主要为距果化镇5 km处的龙何屯、布尧屯和陇尧屯及其各自的耕作区，地理坐标为23°22′28.7″—23°23′40.7″N，107°22′40.8″—107°23′56.9″E之间，总监测面积约为2.71 km2。

示范区属于亚热带季风性气候，年均气温约为21℃，区内总体降水量丰富，年均降水量多达1 322.3 mm，但时间分配不均，降水年内变化较大。地形地貌属典型峰丛洼地，海拔为176.4 m～535.0 m之间，土壤以岩溶石灰土为主，主要发育棕色石灰土和黄棕色石灰土。土地利用类型以种植玉米、黄豆的旱作坡耕地为主，植被类型主要为稀疏林地、灌丛和低矮灌草。

1.2　图件来源与处理

果化示范区的主要图件包括：果化自然屯区划图、1∶1万5 m等高距地形图、2009年9月的alos高分辨率遥感影像(全色2.5 m分辨率，多光谱10 m分辨率)。以ArcGIS 9.3为操作平台，完成果化自然屯区划图和1∶1万地形图的空间配准和矢量化，生成数字化高程图(DEM)、坡度图等图件；运用Envi 4.8遥感软件，对alos影像进行辐射定标、大气校正、正射校正、影像融合、影像裁剪等处理，并完成归一化植被指数(NDVI)的计算，为果化示范区土壤温度的空间布点作准备。

1.3　样点选取与实地监测

以果化示范区2009年9月高分辨率遥感影像为依托，完成土壤温度的室内网格布点。考虑到耕作区农作物类型、生长状况和植被覆盖等因素会随季节的变化而变化，将野外实地监测时间定于与示范区高分辨率影像同一季节的2011年9月。

野外实地监测以室内网格布点为依据，当遇到裸岩或土层浅薄的样点，则在附近5～50 m内进行调整；若不能调整，则剔除该监测样点，最终得到实际监测样点191个(图1)，各样点的平均间距约为120 m，样点密度约为70 个/km2。每个土壤样点均挖取土壤剖面(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm和20—30 cm)，用校正后的土壤三参数仪监测各土层的土壤温度(各土层均测量3次)，以土壤温度均值作为空间结构分析的基础数据源。

图1　果化示范区土壤样点布设图

1.4　数据处理

1.4.1空间自相关分析空间自相关分析包括空间变量的位置及其属性，常用Moran’sI统计量中的全局空间自相关和局部空间自相关来表示。其中，全局Moran’sI系数可定量描述研究变量在空间上的自相关程度，判断区域化变量在研究区内是否存在空间聚集区和空间孤立区，其计算公式为：

(1)

局部Moran’sI系数Ii的计算公式为：

(2)

1.4.2基于区间统计的方差分析首先，将不同深度土壤样点图层与示范区高程图层、坡度图层、土壤厚度图层和植被覆盖度图层导入ArcGIS9.3，基于上述图层的空间属性叠加功能，提取不同深度土壤样点的高程值、坡度值、土壤厚度值和植被覆盖度等环境信息，完成各环境背景下不同深度土壤温度的分区统计；然后，运用SPSS18.0单因素方差分析模块，比较不同环境背景下各深度土壤温度均值的差异并进行显著性检验，以此来判别各环境因子对影响土壤温度空间分异的贡献率排序，从而找出影响各深度土壤温度的主要环境因子。

2结果与分析

2.1　土壤温度的空间结构

果化岩溶示范区不同深度土壤温度的全局空间自相关主要表现为Moran指数为正向的空间关联(图2)。

图2　不同深度土壤温度的Moran散点图

表明不同深度土壤温度的空间分布均表现出空间相似值之间的空间聚集，且随土壤深度的变化而呈现出明显的垂直分异。其中，不同深度土壤温度样点多数位于“高—高”集聚和“低—低”集聚类型的第1象限和第3象限内；少数土壤温度样点位于第2象限和第4象限内，属于“低—高”集聚和“高—低”集聚类型。不同深度土壤温度的空间孤立分布相对较少，“高—低”空间孤立区主要分布在“低一低”空间聚集区附近，而“低─高”空间孤立区则伴随“高一高”空间聚集区出现。

由Moran’sI指数为正值时的最大间隔距离，即为土壤温度指标的空间自相关尺度，得到5，10，20和30 cm深度的土壤温度空间自相关尺度分别为1 800，1 400，600和2 000 m(图3)。

图3　不同深度土壤温度间隔距离与Moran’s I指数

2.2　土壤温度空间变异的影响因素

2.2.1不同环境背景对土壤温度的影响从表1—4可以看出，不同深度土壤温度在总体上随土壤厚度的增加而减小，却随高程的增加而增加；不同深度土壤温度随土壤坡度的影响较为明显，但未呈现出明显的变化规律；不同深度土壤温度随植被覆盖度的影响较为复杂，相对于植被覆盖度偏低或偏高的区域而言，40%～60%植被覆盖条件下的土壤温度偏低。

表1　不同高程下的土壤温度

表2　不同坡度下的土壤温度

表3　不同土壤厚度下的土壤温度

表4　不同植被覆盖下的土壤温度

2.2.2影响土壤温度的主要环境因子从表5可见，影响不同深度土壤温度空间分异的环境因子排序为：土壤厚度>坡度>植被覆盖度>高程，土壤厚度能在一定程度上反映其区域微地形和植被覆盖状况。一般而言，坡度较缓、地势较为低洼、有一定植被覆盖的区域，土壤厚度相对较大。受典型岩溶峰丛洼地逆温结构的影响，山顶和高坡部位，最先得到太阳的照射，而坡度较缓、地势较低的坡底或洼地，受制于山体对日照遮挡的影响，得到的日照时数和热量会相对较低；植被覆盖度对土壤温度的影响较为复杂，植被覆盖度较低时，土层主要分布在土壤浅薄或基岩裸露的山体高坡部位，受逆温结构和植被遮挡作用较小的因素，该土层的土壤增温作用会得到一定程度的增强。然而，对于土壤浅薄、基岩裸露的地段，受前者土层薄、保温效应差，后者基岩比热较小，升温快但降温也快的因素，其土壤温度也难以保持在一个较高的数值；随着植被覆盖度的增加，土壤温度主要受植被遮挡，形成了“遮蔽效应”，导致植被覆盖度适中的区域，土壤温度的递增受到了抑制；据实地调查，植被覆盖度大于80%的区域主要分布在坡位较低的坡麓部位，土壤温度虽仍然受到明显的“遮蔽效应”影响，但当植被覆盖度大于80%时，空气不流通，难以散热，加上动物和微生物活动较为频繁，生物产热量较大，导致该区域的空气和土体在相对密闭的环境下，形成了一定的“保温效应”，从而增加了该区域不同深度土壤温度的积温。

表5　不同影响因素下的各深度土壤温度方差统计

2.3　基于土壤温度空间分异的农作物布局

果化示范区主要种植春秋两季的玉米和黄豆两种旱地作物，耕作方式以传统的缓坡地、坡耕地、坡改梯地等旱地耕作为主。实地调查表明，示范区农作物的种植带有显著的“广种薄收”特征，这与当地耕作方式缺乏科学性论证，农业管理不善等人为因素有关。在农作物种植方面，没有考虑农作物对光照条件的需求，整个峰丛洼地农耕区每年都定点耕种高密度的玉米和黄豆，不仅坡地大面积种植，连常年阴坡或受高大乔木遮档的石窝和石穴都种有黄豆；农业管理方面，当地群众缺乏现代化的农机和管理手段，仅对距离住所较近的田间管理较为重视，而对于距离较远的旱地，呈现出“只种不管”，“靠天吃饭”的现象。由于示范区群众对不同类型农作物的环境需求考虑不够，仅靠大面积的“见缝插针”种植方式，不仅难以提高单位面积的当地农作物产量，还会造成生态环境的失衡、石漠化更趋严重。果化示范区的农业生产应紧密结合当地的日照强度、日积温、月积温等气象条件，考虑到不同土壤厚度、不同地形条件、不同植被覆盖度等造成的土壤温度空间分异，对于当地农作物的耕作，要根据不同作物对长/短日照，喜阴/喜阳，适宜积温等的不同需求，因地制宜、因时制宜地配置适宜的农作物和种植布局。

3结 论

(1) 不同深度土壤温度的空间分布存在高度的正向全局空间自相关；各深度土壤温度的空间分布均存在明显的空间聚集区，其空间孤立区的分布却相对较少。5，10，20和30 cm深度的土壤温度空间自相关尺度分别为1 800，1 400，600和2 000 m。

(2) 影响不同深度土壤温度空间分异的环境因子排序为：土壤厚度>坡度>植被覆盖度>高程。岩溶区成土速率慢、土壤浅薄且不连续，在坡度较陡、植被覆盖较低的山峰部位，岩溶土壤流失严重；而在坡度较低平、植被覆盖较高的洼地部位，岩溶土壤较易于堆积。土壤厚度对土壤温度的影响，实质上是岩溶环境的综合反映。坡度、高程等地形因子是造成土壤逆温结构的主要影响因素。此外，土壤温度的空间分异还会受到植被覆盖“遮蔽作用”或“保温效应”的影响。(3) 果化示范区的农业生产应紧密结合当地的日照强度、日积温、月积温等气象条件，考虑到不同土壤厚度、不同地形条件、不同植被覆盖度等造成的土壤温度空间分异，对于当地农作物的耕作，应根据不同作物对长/短日照，喜阴/喜阳，适宜积温等不同需求，因地制宜、因时制宜地配置适宜的农作物和种植布局。

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Effects of Environmental Factors on Spatial Structures of Soil Temperature in Typical Karst Zone of Guangxi Area

YIN Hui1, LI Hui2,3, JIANG Zhongcheng3

(1.TourismDepartment,HuizhouUniversity,Huizhou,Guangdong516007，China; 2.CollegeofEnvironment&Resources,GuangxiNormalUniversity,Guilin,Guangxi541004,China; 3.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China)

Abstract：[Objective] This paper aims to demonstrate the spatial autocorrelation and the pattern of soil temperature, and to find the main environmental factors . [Methods] Classical statistics and 3S technology were used. [Results] The spatial distribution of soil temperature in different soil depth showed a general highly positive spatial autocorrelation and had obvious spatial clusters, nearly no spatial isolated distribution was found. The impacting factors of spatial distribution of soil temperature in different soil depth ranked as: soil thickness, slope, vegetation coverage and altitude. [Conclusion] The influence of soil thickness on soil temperature, essentially, is the comprehensive reflection of karst environment. Terrain factors, like slope, elevation and so on, are the main factors influencing soil inversed temperatual structure. In addition, the spatial heterogeneity of soil temperature also been affected by “covering” or “heat preservation effect” of plants.

Keywords:soil; temperature; spatial structure; environmental factors; Guohua karst zone

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)02-0116-05

中图分类号：S152.7

通信作者：李晖(1981—),男(汉族),河南省南阳市人,博士,副教授,主要从事岩溶生态、环境监测、3S技术等方面的研究。E-mail:lh1029@126.com。

收稿日期：2014-01-07修回日期：2014-03-24
资助项目：广东省青年创新人才类项目“基于3S技术的粤北石漠化地区雨水资源化潜力研究”(2014KQNCX212)； 广西自然科学基金项目(2013GXNSFBA019222); 岩溶地质研究所所控项目(121237128100212); 惠州学院博士科研启动项目 (C513.0206)
第一作者：尹辉(1983—),男(汉族),广西省桂林市人,博士,讲师,主要研究方向为生态恢复、水文和水土保持。E-mail:yinhui741852963@163.com。