桂林喀斯特地区干湿循环过程中土壤水含量的空间变异

甘磊　郑思文　黄太庆　陈晓冰　包涵　程芳丽　陈廷速

摘要：[目的]研究桂林喀斯特地区干湿循环过程中土壤水含量的空间分布变化，为解决该地区农田水土流失及农作物防旱抗旱提供理论依据。[方法]选取种植有大豆、梨树和甘蔗3种不同农作物的耕作地为试验地，分析3种试验地在干湿交替条件下土壤表层0-6 cm土壤水含量的空间变异，并利用地统计方法研究不同土地利用方式下的土壤空间分布变异。[结果]大豆、梨树和甘蔗3种试验地的土壤质地差异不显著（P>0.05），土壤容重表现为梨树地最小，但土壤有机质含量和总孔隙度均以梨树地最高。3种试验地湿润阶段的土壤水含量是干旱阶段土壤水含量的2-3倍。在整个干旱一湿润循环过程中，3种试验地的土壤水含量均表现为梨树地>甘蔗地>大豆地，土壤水含量空间分布比为37.18%-95.99%，呈中等偏上的空间相关性，说明试验地的空间分布在一定范围内表现稳定，但因不同的土地利用方式存在一定变异性，变异强度也因其耕作方式或管理方式的不同而异。[结论]桂林喀斯特地区土壤自身具有维持其土壤水含量空间分布稳定的能力，但耕作方式、灌溉等人为因素在一定程度上会削弱土壤水含量的空间稳定性。

关键词：干湿循环；土壤水含量；地统计分析；空间稳定性；桂林喀斯特地区

0引言

[研究意义]桂林作为我国西南典型的喀斯特地区，长期强烈的岩溶作用导致该地区形成了地表水易流失、地下水深埋的水资源不协调双层空间结构。近年来，人为开发和利用的不合理，再加上土层浅薄、土壤持水性差，致使该区域生态脆弱、水土流失严重（张川等，2013）。因此，研究桂林地区表层土壤水含量的空间分布对增加土壤有效水含量、实现水资源合理利具有重要意义，同时可为解决桂林地区农田水土流失、农作物防旱抗旱提供理论依据。[前人研究进展]目前，有关喀斯特地区土壤水含量的研究主要集中在土壤理化性质对土壤水含量影响（黄媛等，2013；张川等，2013）、土壤水含量分布格局（李猛等，2012）及不同土地利用方式下土壤水含量变化（徐慧芳等，2014；任笔墨等，2015；彭扬建等，2016）等方面。Zhao等（2007）对内蒙古羊草草地土壤水含量的空间分布进行研究，发现土壤水含量的空间分布与土壤质地、容重和有机质问存在一定相关性。李猛等（2012）采用网格法布点对生长季内林隙各样点土壤水含量进行连续观测，发现林隙土壤水含量存在明显的空间异质性，且空间异质性的强度、尺度和空间结构组成随时间而改变。张川等（2013）通过运用半变异函数的方法，研究发现土壤水含量表现出强烈的空间自相关性，但土壤水含量与土壤容重、饱和导水率均呈现显著负相关。甘磊等（2015）研究发现，放牧对内蒙古草原土壤水含量的空间稳定性有破坏作用，但土壤自身具有一定的修复作用。彭扬建等（2016）利用地统计学方法全面分析和探讨了喀斯特地区不同植被覆盖条件下土壤水含量的空间变异性，发现不同的植被覆盖情况、耕作方式在一定程度上影响土壤水含量。王玲等（2017）研究了降雨对黄土丘陵区人工林草植被土壤水分的影响，结果表明，自然条件下降雨的最大人渗深度为140 cm，降雨可提高最大人渗深度以内土层的土壤水分有效性。[本研究切入点]干湿循环过程对不同土地利用方式下的土壤理化性质有一定影响（马蕊等，2016），进而影响土壤水含量。目前，针对桂林喀斯特地区干湿交替演变循环过程中不同土地利用方式下土壤水含量的空间变异及其稳定性的研究鲜见报道。[拟解决的关键问题]在干旱一湿润一干旱一湿润的干湿循环演变水分条件下，利用半方差分析方法分析桂林喀斯特地区不同土地利用方式下土壤水含量的空间分布，研究干湿循环过程中土壤水含量的空间变异，为解决该地区农田水土流失及农作物的防旱抗旱提供理论依据。

3讨论

本研究选取種植有大豆、梨树和甘蔗3种不同农作物的耕作地为试验地，对其干旱-湿润-干旱-湿润交替过程中的土壤水含量进行分析，结果表明，湿润阶段试验地的土壤水含量是干旱阶段土壤水含量的2-3倍，说明土壤水含量与降雨关系密切，降雨量直接决定土壤水含量的基数。在整个干旱-湿润循环过程中，梨树地土壤水含量相对于甘蔗地和大豆地较高，其主要原因是大豆地和甘蔗地长期遭受耕作，土壤容重变大，总空隙度减小，入渗的水分减少，同时梨树地的有机质含量最高，导致其土壤水含量为三者中最高。这与潘云和吕殿青（2009）发现土壤有机质含量越高，土壤持水能力越强，土壤有机质含量与有效水最大储量呈正相关的结果相同。有机质含量不仅可改善土壤结构，使土壤孔隙度增加，还可改善土壤胶体情况，增加土壤对水的吸附作用（单秀枝等，1998）。甘蔗地土壤水含量高于大豆地可能是由于甘蔗地采用垄沟耕作，干旱阶段垄沟耕作可增加活性土层的厚度，提高土壤的蓄水能力，利于作物生长，而湿润阶段垄沟耕作可去水通风，雨水能及时排走，防涝。易克传和周如太（1998）也发现起垄沟耕作技术可通过增加活性土层的厚度提高土壤蓄水能力。大豆试验地土层裸露较多，经太阳照射土壤水分极易蒸发，导致土壤持水性能差，不易存储水分。因此，在整个干湿循环过程中，3种试验地的土壤水含量均表现为梨树地>甘蔗地>大豆地。

国内外众多学者已通过地统计学方法对土壤水含量空间变异进行了大量研究（Amador et al.，2000；Zhao et al.，2007；李猛等，2012；甘磊等，2015）。本研究通过半方差函数与Kriging插值的方法研究干湿循环过程中土壤水含量的空间变异，结果表明，在两次干旱和湿润阶段中，梨树地土壤水含量均主要集中在试验地中部，其土壤水含量在两次干湿循环过程具有一致性，但土壤水含量最高和最低阈值跨度较大。其主要原因可能是梨树地采取的免耕措施导致的，免耕措施使地表覆盖较多且分布不均，从而能较好地减少水分蒸发，覆盖物分布不均也会导致水分人渗和存储存在差异，这些因素最终导致梨树地土壤水含量空间分布阈值跨度较大。这与甘磊等（2016）在该地区的研究结果基本一致。甘蔗地在第一次干湿循环过程中，土壤水含量空间比分别为76.10%和74.79%，而在第二次干湿循环过程中，其土壤水含量空间比仅为47.06%和37.1 8%，两次干湿循环过程中其土壤水含量空间比相差明显，可能是因为在第一次干旱条件后人为加大了田间管理（施肥、除草、垄沟、灌溉），导致试验地土壤水含量空间分布发生变化；但在两次干旱阶段，甘蔗地的土壤水含量主要分布在试验地中部偏东区域，在两次湿润阶段下，其土壤水含量依旧集中在中部偏东区域，说明其土壤水含量空间分布还具有一定的空间稳定性。Zhao等（2007）认为人为活动或外界因素的参与将干扰土壤水含量的空间分布，导致其空间分布发生变异，但土壤有维持其稳定的趋势，与本研究结果基本一致。对于大豆地而言，在两次干湿交替的演变过程中，土壤水含量最高阈值均出现在东南角，但在两次湿润阶段，其土壤水含量最高阈值则分布在试验地四周，且东南角也表现出较高的水含量。这主要是因为大豆地处于耕作条件下，其人为干预活动最多，因此其土壤水含量的空间分布最不稳定。

土壤结构系统的各种性质相互制约，当外界环境向这个系统中输入物质和能量时，土壤系统就可通过自身的反馈作用进行合理的调节、控制以便保持自身的稳定状态（孙波和解宪丽，2005）。在干旱一湿润循环过程中，由于外界向土壤输入水分，破坏了土壤在干旱时达到的平衡，甘蔗地和大豆地因不同耕作方式等人为地破坏了土壤原本所具备的调节系统，而梨树地因为免耕、地表覆盖多影响了土壤水分输入，削弱了整体调节功能，因此总体而言每次从干旱到湿润的过程中，3种试验地的土壤水含量空间分布均表现出一定的稳定性，只是程度上有所差别，变异程度由其土壤的耕作方式或管理方式决定。本研究仅分析了喀斯特地区表层土壤水含量的空间变化，后续研究还应加强对其不同深度土层土壤水含量空间变化的研究，进一步为桂林地区水土保持问题提供科学理论依据。

4结论

在干旱-湿润循环过程中，桂林喀斯特地区土壤自身具有维持其土壤水含量空间分布稳定的能力，但耕作方式、灌溉等人为因素在一定程度上会削弱土壤水含量的空间稳定性。不同土地利用方式下的土壤水含量均表现为梨树地>甘蔗地>大豆地。