自然生草桃园表层土壤水分和草地地上生物量的空间分布及其关系

黄玉杰，刘道纯，赵师成

（信阳农林学院，河南 信阳 464000）

土壤含水量是土壤的重要物理属性之一，直接影响植物生长和土壤物质循环[1]，其广泛受到土壤性质、降水、植被类型[2-3]和土壤管理等因素的综合影响。果园是土地农业化利用的重要类型之一，水分条件是影响果树正常生长和果实品质形成的重要因素，故广大学者就科学管理措施、改善土壤水分条件、保持水土等方面开展大量研究。Keesstra等[4]研究了耕作、除草剂处理和种草处理对土壤水土流失的影响，结果表明，种草可显著提高土壤含水量和土壤有机质含量，除草剂处理则显著促进了表层土壤的侵蚀。亦有采用秸秆覆盖、地膜覆盖、枝叶覆盖[5]等处理措施提高土壤含水量方面的研究实践。其中，通过种草或自然生草法增加表层土壤生物量和覆盖度，减少水分的蒸发损失，是改善表层土壤结构和性质，实现水分科学管理的一个重要措施，被广泛研究和应用[6-7]。如白岗栓等[8]的研究结果表明果园自然生草可显著提高0～80 cm土壤水分含量。然而土壤水分含量属于土壤易变属性，具有高度的时空变异性[9]，其在时间动态上受到植被物候期、温度、降水等因素的影响，在区域或点尺度上受到地形条件、植被盖度、土壤质地[10]等因素的综合影响。这就为准确评价和预测土壤含水量及其时空变异特征造成了困难。地统计学为研究和预测土壤某一特征因子在空间分布上的特征提供了有效工具，得到广大学者的广泛应用。Bárdossy等[11]分别采用普通克里格法、指示克里格法、贝叶斯-马尔科夫法等方法对流域尺度土壤含水量空间变异特征进行模拟，Hu等[12]用地统计学工具研究了小流域尺度上0～20 cm层次土壤含水量的空间分布特征。

然而目前关于自然生草措施下果园和草地生物量空间分布特征的研究报道较为鲜见，这不利于从土壤水分空间变异角度阐释表层土壤水分与草地生物量之间的关系。为阐明果园短期生草对表层土壤含水量的影响效应，在项目组对信阳五月鲜桃进行主要生理指标和果实品质指标研究的基础上[13-14]，本研究中以信阳特有桃品种五月鲜桃为研究对象，采用春季自然生草的方式，研究果园生草对表层土壤含水量的影响，并采用空间地统计学工具对点尺度上土壤含水量进行空间分布特征模拟，旨在为果园土壤水分管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河南省信阳市龙井乡，距离信阳市区约30 km，位于淮河上游，属亚热带季风气候，日照充足，年均降水量为900～1 400 mm，且绝大多数降水发生在5—9月，无霜期220 d。林业发展较好，桃、李、杏、石榴为主的小杂果林种植面积达400多hm2，是河南省重要的林产品基地之一。

1.2 样地设置与数据采集

采样地点为龙井乡范山村天顺桃园（108°45′E，36°23′N）。采样桃园管理措施为当地常见管理方法，灌溉方式为机电井水漫灌，施肥方式为秋季条状施基肥，于冬季开展整形修剪。供试树种为盛果期信阳五月鲜桃，树龄10 a。2008年4月定植实生毛桃苗，株行距3.5 m×5 m，行向南北向，2009年3月用切接法嫁接信阳五月鲜桃的接穗。在果园中选择微地形、树龄、树势生长一致的区域为研究区，并设置一个10 m×11 m的林地样方，冬春季不耕作，保持自然生草，并于2018年4月按照1 m×1 m网格法设置采样点，同时以采样点为中心设置20 cm×20 cm的地上生物量采样样方，共有132个土壤含水量采样点和132个地上生物量采样样方。使用土壤水分测定仪（Wet-2型，英国Delta-T设备公司）获取表层0～5 cm土壤含水量数据，所得含水量为体积含水量。测定土壤含水量的同时，采用收获法进行地上生物量调查，把样方内草本植被地上部分用剪刀齐地刈割后，装入自封袋中贴上标签后带回。在实验室内，将草样放置于80 ℃恒温的烘箱内，连续烘干至恒质量后，用电子天平（精度0.01 g）称量其干质量。

1.3 研究方法

1.3.1 经典统计分析和变异系数

利用经典统计学方法分析土壤含水量和地表生物量的极小值、极大值、平均值、极差、标准差、变异系数等指标。其中变异系数（coefficient of variation，Cv）为数据标准差与其平均值的比值。变异系数在0～10%属于弱变异，在10%～100%为中等变异，大于100%为强变异。

1.3.2 地统计分析和半方差函数

以地统计学中的半方差函数研究土壤含水量及草地生物量的变异性。半方差函数又称半变异函数，表示了一定范围内变量属性的空间依赖性，其计算公式如下。

式中：r(h)为半方差函数，是所有空间相距h的点对的平均方差；h为2个样本点的分隔距离；N(h)是取样间隔为h时的样点对总数；Z(xi)和Z(xi+h)分别为区域化变量在空间位置xi和xi+h处的实测值。

1.3.3 半方差函数模型

常用的半方差函数模型有球状模型（spherical model）、指数模型（exponential model）、高斯模型（Gaussian model）等，其表达式分别为

其中，C0称为块金值（nugget），反映间距小于抽样距离时的空间变异和随机误差；C0+C称为基台值（sill），反映区域变量变化幅度的大小；a为变程（range），反映采样数据间存在相关性的距离上限。土壤含水量空间依赖性采用空间模型块金值与基台值的比值C0/(C0+C)进行评价，该值＜0.25表示较强的空间依赖性，比值为0.25～0.75时空间相关性中等，比值＞0.75时空间相关性较弱。

1.4 数据分析与处理

土壤含水量和地上生物量数据采用Excel 2010软件进行整理，采用SPSS软件K-S检验法进行正态检验，采用GS+9.0软件拟合半方差函数模型，制函数图，并分析空间插值，其中空间插值采用克里格（Kriging）法进行分析，空间分布半方差函数模型的选择按照模型决定系数（R2）大小进行，选择R2值最大的模型作为最优模型。

2 结果与分析

2.1 桃园表层土壤含水量分布特征

2.1.1 桃园表层土壤含水量的统计学特征

研究样区果园表层0～5 cm土壤含水量平均值为10.08%，在空间分布上较为集中，95%置信区间含量为9.84%～10.32%，变异系数为13.63%，即具有较小的空间变异性。对所采集的132个样点土壤含水量数据进行正态分布K-S检验，K-S检验结果见表1。由表1可知，K-S检验Z值为0.618，渐近显著性为0.839，即桃园表层土壤水分数据在95%的显著水平上均服从正态分布，可直接使用原始数据做进一步的地统计学分析与插值分析，无须对其进行对数转换。

表1 桃园表层土壤含水量和草地地上生物量的正态检验结果Table 1 Normal test results of topsoil water content and aboveground grass biomass in peach orchard

2.1.2 桃园表层土壤含水量的空间分布特征

桃园表层土壤含水量及地上草地生物量半方差函数模型及参数值见表2。根据决定系数（R2）最大、残差（RSS）最小的筛选原则，选取最佳拟合模型。由表2可知，指数模型的R2值为0.898，在3个模型中最大，RSS值为0.03，在3个模型中最小，故桃园表层土壤含水量的空间变异最符合指数模型，其半方差函数如图1所示。

桃园表层土壤含水量的块金值C0=1.01，这表明研究区内存在某种不容忽略的生态过程对桃园表层土壤含水量的空间分布产生影响。模型基台值C0+C=2.11，这表明桃园表层土壤含水量在研究区域内具有平稳特性或近平稳特性。模型中块金系数C0/(C0+C)=0.523，即表层0～5 cm土壤含水量具有中等程度的空间依赖性。该研究区土壤含水量的变程为7.20 m，与王红梅等[15]采用不同采样尺度下土壤含水量的变程一致，其研究得出农牧交错带农田-草地界面土壤水分空间分布的变程范围为2.93～15.4 m，与王普昶等[16]在放牧草地上的研究结果也相一致，其研究结果表明，不同放牧条件下，草地土壤含水量变程为2.77～15.61 m。但土壤水分的空间变异性和变程又依赖于土地利用类型，如孔达等[17]关于农田的研究结果表明，土壤含水量空间变程范围为25.8～123.6 m，即本研究中自然草地表层土壤水分的空间变程显著小于农田。由此可知，在小空间尺度上，本研究中土壤水分采样空间尺度1 m具有其合理性，同时进行土壤水分空间变异研究时，应充分考虑空间变程的差异。

表2 桃园表层土壤含水量和草地地上生物量的半方差函数模型及参数值Table 2 Half-variance function models and parameter values of topsoil water content and aboveground grass biomass in peach orchard

图1 桃园表层土壤含水量和草地地上生物量的半方差函数Fig.1 Half-variance functions of topsoil water content and aboveground grass biomass in peach orchard

2.1.3 桃园表层土壤含水量的空间插值分析

空间插值能够更加直观全面地反映桃园表层土壤含水量的空间分布特征，利用半方差指数模型对表层土壤含水量进行克里格（Kriging）插值绘图，在将桃树标记后，得到研究区表层土壤含水量的空间分布图，如图2所示。由图2可见，桃园表层土壤含水量的空间分布呈现明显的不规则斑块分布特征，总体上含量较高的区域主要分布在研究区的株行之间，行距间体现尤为明显，但是个别株行之间的含水量出现较低的斑块，即0～5 cm层次土壤含水量空间分布与果树位置有关，主要表现为树穴周边土壤含水量相对较低，在距离树体较远的行间则较高。

2.2 桃园草地地上生物量分布特征

2.2.1 桃园草地地上生物量的统计学特征

在20 cm×20 cm样方中草地地上生物量见表1。由表1可知，草地地上生物量平均值为9.17 g，95%置信区间为8.27～10.06 g，具有中等程度的空间变异性，变异系数为56.71%。正态分布检验结果表明，草地地上生物量分布峰值和偏度值分别为3.77和1.42，K-S检验Z值为1.252，渐近显著性为0.087，即草地地上生物量符合近似正态分布。

2.2.2 桃园草地地上生物量的空间分布特征

采用地统计学方法，对草地地上生物量空间分布进行分析，其半方差函数符合指数函数模型，模型块金值（C0）为15.10，基台值（C0+C）为30.21，块金/基台值为0.499 8，该比值小于0.75，即草地地上生物量具有中等程度的空间依赖性，随机化因素影响相对较小。

草地地上生物量和表层（0～5 cm）土壤含水量的块金值/基台值表现为前者大于后者，分别为0.499 8和0.477 3，均属于中等程度空间变异，但生物量的空间依赖性强于土壤含水量，而含水量的空间自相关距离（7.20 m）表现为大于生物量（2.51 m），空间变异系数分别为13.63%和56.71%，这均说明，自然生草果园空间上，草地地上生物量具有更强的空间变异性，在进行草地生物量空间分布特征研究时，应适当缩小采样距离。

图2 桃园表层土壤含水量和草地地上生物量的空间分布Fig.2 Spatial distributions of topsoil water content and aboveground grass biomass in peach orchard

2.2.3 桃园草地地上生物量的空间插值分析

根据半方差函数模型，对草地地上生物量空间分布进行克里格插值分析。结果表明，区域上草地呈斑块状分布，在空间分布上与表层（0～5 cm） 土壤含水量相似，表现为果树行间空地地上部草生物量较大，靠近树体位置则相对较小。这主要是由于行间空间具有良好的通风透光条件，促进草种子的萌发和植物的生长。同时由图2可知，在靠近果园边界处，果园草地具有较高的地上生物量，即表现出明显的边界效应。

2.3 桃园草地地上生物量与表层土壤含水量的相关性

桃园草地地上生物量与表层土壤含水量的相关性见图3。由图3可知，各样点20 cm×20 cm小样方草地地上生物量与表层土壤含水量间的回归方程为y=0.090x+9.269，R=0.317 3，可知草地地上生物量与表层土壤含水量之间极显著正相关（P＜0.001），即草地地上生物量显著影响表层（0～5 cm）土壤含水量，桃园短期自然生草可有效提高表层土壤含水量。这主要是由于草地上部分对土壤的遮阴作用，降低了土表水分的蒸发量，同时草地植物根系主要集中在表层，也增加了土壤的水分含量。

3 结论与讨论

与清耕相比，田间生草可有效增加地表植被盖度，减少表层土壤受风、水侵蚀的风险，提高土壤含水量，改善土壤养分和生物学性质[18-19]，是果园土壤管理中一项常用措施。本研究中，冬春季节短期自然生草可有效提高表层土壤含水量，表层（0～5 cm）土壤含水量与草地生物量之间极显著正相关（P＜0.001），即在本研究点尺度上，地表草地生物量越高，表层土壤含水量越高。这与白岗栓等[8]关于渭北旱塬果园的研究结果一致，郭燕云等[20]的研究结果亦表明自然草地地上生物量与表层（0～5 cm）土壤含水量之间显著正相关。这是由于果园短期生草可有效增加地表覆盖度，促进降水向下层土壤迁移，同时可有效减少表土水分的蒸发，起到有效保水的作用。但亦有研究表明，在土壤水分蒸散旺盛的夏季（7—8月），果园生草导致表层（0～40 m）土壤含水量下降，生草处理和清耕处理土壤含水量分别为9.5%和8.8%。Fang等[21]，曹铨等[22]的研究亦表明，夏季经历长期干旱后，果园种植牧草会使果园各层次土壤水分含量显著降低。这些研究结果与本研究结果不同，可能主要是由于本研究中短期生草时间主要为冬春季的低温阶段，该阶段土壤水分蒸散作用弱，水分散失少，相比于旺盛生长期生草，具有更好的保水作用。同时生草可有效促进土壤微团聚结构的形成，增加土壤孔隙度[23]，有利于降水向下层土壤的入渗，提高土壤水分含量。由此可知，冬春季生草可能更有益于果园土壤水分保持，同时还田后可有效增加土壤有机质和养分含量。

图3 桃园草地地上生物量与表层土壤含水量的相关性Fig.3 Correlation of aboveground grass biomass and topsoil water content in peach orchard

在田块的小空间尺度上，果园表层土壤含水量具有较小的空间变异性，95%置信区间体积含水量为9.84%～10.32%，变异系数为16.36%，而草地地上生物量空间变异性较土壤含水量大，变异系数为56.71%，表明果园草地生物量可能更多地受到微地形、与果树距离等因素的影响。空间分布上，表层（0～5 cm）土壤含水量和草地地上生物量与果树位置之间存在一定的相关性，表现为距离树体越远相关性越高的特点，即在受果树根系和树冠影响较小的行间，有利于草的生长和表层土壤含水量的提高，而在距离树体较近的位置，受树冠遮阴及根系生长的影响，可能不利于草的生长。这与其他学者的研究结果相似，如郭秀明等[24]的研究结果表明，果树周围土壤体积含水量随与树根距离的增加而增加，即树基部土壤含水量较低。这可能主要是由于树冠覆盖范围内，不利于草的生长，使地表裸露，增加了表层土壤水分的蒸发，另一方面由于果树浅根系生长对水分的吸收消耗，降低了表层土壤水分含量，这也表明在研究果园草地生物量和土壤含水量时，还应充分考虑空间样点布设位置及采样密度。

土壤水分与植被之间具有的耦合效应，决定了土壤含水量和植物生物量空间上的分布规律[25]。半方差函数分析结果表明，本研究中小区域空间尺度上，短期自然生草果园表层（0～5 cm）土壤含水量和地上部草地生物量空间分布均符合指数函数模型。但程晓莉等[26]关于自然退化草地的研究得出，不同植被群落地上生物量空间分布符合球状模型，这可能主要是由于本研究中草地生长除受地形、土壤等因素的影响外，还受桃树生长的影响。土壤含水量及草地地上生物量均具有中等程度的空间依赖性，空间模型块金值/基台值分别为0.477 3和0.499 8，空间自相关距离分别为7.20 m和2.51 m，即草地地上生物量较表层土壤含水量具有更强的空间依赖性。因此，在较小的空间尺度上，分析果园草地地上生物量空间分布时，应适当降低采样点间距，增加采样点数量。

为给果园科学生草及水分的管理提供参考，本研究在田块尺度上，系统分析了冬春季短期生草草地地上生物量和表层（0～5 cm）土壤含水量的空间分布特征。但本研究中，田间自然生草时间主要集中在冬春季，缺乏更长生长季条件下对土壤水分空间分布的影响及相关机制的研究，同时土壤含水量测定土壤层较浅，尚未系统反映区域土壤、气候条件下自然生草对果园土壤含水量及贮水量的影响效应。为给区域果树节水生产提供参考，下一步将加强果园短期自然生草对不同深度土壤含水量及水分储量的影响研究。