龙脊梯田典型坡面表层土壤水分的空间变异特征

田 卓，何建华，张帅普*，方荣杰，李梓旋，邹传林

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

【研究意义】广西龙脊梯田作为全球重要的农业文化遗产之一，具有重要的生态、经济、社会和文化价值，然而由于灌溉水源日益匮乏和渠系水利用率低等原因，其农业生产与旅游发展受到了严重制约[1-2]。土壤水分是水资源的重要组成部分，也是各种田间生物化学反应过程的媒介，其空间变异特征直接影响农田管理措施的科学制定[3-4]。因此，充分掌握广西龙脊梯田土壤水分的空间分布特征，对防控其水土流失和提高水资源利用效率具有重要意义。【前人研究进展】修筑梯田是将天然斜坡转变为平坦阶地的关键措施，能通过改变地表形态减少坡面径流发生而提高梯田对水分的蓄集效果[5-9]。已有研究表明，海拔高度、田面宽度、土壤质地和土地类型等均对梯田土壤水分空间变异性产生重要影响，是提升土壤蓄水能力的关键因素[9-14]。Wei等[9]开展黄土丘陵区5种典型类型梯田土壤蓄水特性研究，结果表明，田面宽度对梯田土壤水分的蓄集效果具有显著影响，相较于窄梯田，宽梯田更有利于水分蓄集。Xu等[13]对黄土高原梯田的土壤水分进行空间变异特征研究，结果发现海拔越低其土壤水分含量越高。李源等[14]研究指出，哈尼梯田的土壤质地对其持水性能具有显著影响，且与海拔高度密切相关，土壤细颗粒会随着水流从高海拔区域移动到低海拔区域，海拔落差越大土壤细颗粒移动越明显。程谅等[15]研究显示，土地利用类型显著影响南方红壤低山丘陵区不同整地措施梯田的土壤水分空间变异特征。经典统计学和地统计学理论是空间分析的有效工具，已广泛应用于梯田土壤水分空间变异性研究。李春茂等[16]应用经典统计学和地统计学方法研究岩溶峰丛洼地区3种不同土地利用类型梯田的土壤水分空间变异特征，结果表明，雨季时梯田的土壤水分均具有中等程度空间变异性及强或中等空间自相关性，旱季时梯田的土壤水分均具有中等程度空间变异性及弱或中等空间自相关性，且田坎周围土壤含水量的空间变异性相对较弱。徐英等[17]应用相关方法进行南方丘陵山区缓坡梯田的土壤水分变异性研究，发现各级梯田田面内部的土壤水分均具有弱空间变异性，且变异系数随着尺度的增大而增大。【本研究切入点】广西龙脊梯田是典型的水作梯田，其土壤经饱水和失水过程循环交替，土壤结构变化明显，土壤水分空间分布复杂多变，对梯田水土流失及梯田稳定性具有重要影响，但目前对水作梯田土壤水分空间变异性的认识仍存在许多不足，有待进一步探究。【拟解决的关键问题】采用经典统计学和地统计学方法，分析广西龙脊梯田典型坡面表层土壤含水量的空间变异特征及影响因素，为提高广西龙脊梯田的水资源利用效率与农业管理水平提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广西龙脊梯田位于广西桂林市龙胜各族自治县，地处东经109°43′28″～110°21′14″，北纬23°29′21″～26°12′10″，海拔380～1180 m，面积7160 hm2[18-19]。该区域属亚热带季风气候，1月平均气温最低(7.1 ℃)，7月平均气温最高(25.4 ℃)，年均气温14.4～16.9 ℃，雨热同期，年降水量约1544 mm，全年气候较湿润，平均无霜期约290 d[19-20]。研究区梯田坡度约31°，海拔在990～1020 m。

1.2 数据采集

利用网格状布点方式采集土壤水分数据(图1)。土壤含水量采样点布设于每节梯田田面水平宽度与田坎垂直高度的三等分处，相邻两列采样点水平间隔5 m，每节梯田的田面和田坎各布设30个点位，但由于梯田形状不规则，边界处部分样点数据未能监测，最终布设土壤水分监测样点共617个。测定土壤含水量时先采用土壤墒情速测仪(TZS-1K)的频域信号测量土壤介电常数，再将其转换为土壤含水量，测定深度为土壤表面以下0～10 cm，测定时间在水稻收割完成且土壤水分稳定之后(2020年12月)。土壤样品采集点处于每节梯田田面宽度的二等分处，相邻两列采样点水平间隔25 m，每节梯田设3个重复，共采集土壤样品30个，带回实验室风干研磨后测定土壤理化性质。土壤pH利用酸度计(Sartorius PB-10)进行测定，测定溶液的土水比为1∶5[21-22]。土壤颗粒粒径和比表面积采用马尔文激光粒度仪(Mastersizer 3000)进行测定。为确保数据准确，所有样品均重复3次，测定完成后根据国际制标准将土壤颗粒组成分为黏粒(0～0.002 mm)、粉粒(0.002～0.020 mm)和砂粒(0.020～2.000 mm)[23]。田面宽度利用卷尺测量，海拔高度利用GPS定位坐标信息并结合卷尺测定。

图1 研究区地理位置及采样点分布Fig.1 The geographical location of study area and the distribution of sampling points

1.3 数据处理

采用半方差函数[24-25]和全局莫兰指数[26-27]分析土壤水分的空间结构。半方差函数是地统计学的基本工具，计算公式为：

式中，h为步长，γ(h)为半方差函数值，N(h)为间隔h的采样点对数，i为采样点编号，Z(xi)和Z(xi+h)为区域化变量Z在空间采样点xi和xi+h处的实测值。本研究选取指数模型对半方差函数进行拟合，计算公式为：

式中，C0为块金值，C为偏基台值，e为自然对数的底，ɑ为变程，C0+C为基台值，C0/(C0+C)为块金系数。变程越大表示空间分布平稳性越好，变程内的空间变量具有空间自相关性，变程外不存在空间自相关性；块金值和基台值越大表示随机变异和总变异越强，偏基台值越大表示在采样尺度上变异源引起的变异越强；块金系数反映空间自相关强度，一般认为块金系数小于0.25表示空间自相关性强，位于0.25～0.75间表示空间自相关性中等，大于0.75表示空间自相关性弱。模型拟合精度采用决定系数R2和残差平方和RSS判断[28]。

全局莫兰指数用以描述研究区域内对象间的空间关联与聚集程度，其计算公式为：

1.4 统计分析

采用地统计学软件GS+7.0对土壤水分数据进行半方差函数分析，并基于最优拟合模型进行Kriging插值[29-32]；利用ArcGIS 10.4进行全局莫兰指数计算；以SPSS 22.0对土壤含水量、土壤颗粒含量、pH及田面宽度等因子间进行Pearson相关分析[33]。

2 结果与分析

2.1 龙脊梯田土壤含水量的基本统计特征

由表1可知，龙脊梯田田面的土壤含水量在16.7%～58.0%之间，田坎的土壤含水量介于10.7%～41.6%，田面整体的土壤平均含水量(37.61%)极显著高于田坎(P<0.01，下同)72.52%；田面外侧的平均土壤含水量(39.78%)极显著高于内侧12.25%，田坎上侧的平均土壤含水量(23.54%)显著高于下侧17.17%；田面内侧、外侧和整体的土壤含水量变异系数(CV)分别为20.34%、17.46%和19.68%，田坎上侧、下侧和整体的土壤含水量CV分别为22.40%、20.96%和23.26%，均属于中等变异(10.00%≤CV≤100.00%)，其中，田面内侧土壤含水量的变异性高于外侧，田坎上侧土壤含水量的变异性高于下侧，田坎的土壤含水量整体变异性高于田面。说明对于龙脊梯田的田面而言，土壤含水量越高其土壤水分空间变异性越弱，而田坎与之相反。田面和田坎的偏度系数和峰度系数均趋近于0，且平均值接近中位数，说明龙脊梯田田面与田坎的土壤水分数据均近似正态分布。

表1 龙脊梯田土壤含水量的统计学特征

2.2 龙脊梯田土壤含水量的空间分布特征

图2显示，龙脊田面与田坎土壤含水量的半方差函数最优拟合模型均为指数模型；田面的块金系数(0.50)高于田坎(0.32)，且二者均高于0.25，说明田面和田坎的土壤含水量均具有中等强度的空间自相关性(0.25≤C0/(C0+C)≤0.75)，且田面土壤含水量的空间自相关性弱于田坎，说明龙脊梯田田面的土壤水分较田坎的土壤水分具有更强的随机变异性。

图3～4展示了龙脊梯田田面和田坎表层土壤含水量的空间分布格局。从图3可看出，田面的土壤含水量高值主要集中在研究区中部，低值分布于研究区两侧。从图4可看出，研究区上部的田坎土壤含水量整体偏高，下部的土壤含水量整体偏低，但最高值和最低值均出现在上部。

由表2可知，龙脊梯田田面和田坎的全局莫兰指数均为正值，表明二者的土壤含水量在空间上均具有正自相关关系，其相应的Z值(2.739和1.965)分别高于临界值2.580和1.960，具有统计学意义(P<0.01和P<0.05)，表明田面和田坎的土壤含水量具有极显著或显著的空间聚集性，而非随机分布；田面的全局莫兰指数高于田坎，说明田面土壤含水量的空间聚集性强于田坎。

图2 研究区土壤含水量的半方差图Fig.2 Semi-variance diagram of soil water content in the study area

图3 龙脊梯田田面土壤含水量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil water content in Longji terrace fields

图4 龙脊梯田田坎土壤含水量的空间分布Fig.4 Spatial distribution of soil water content in Longji terrace embankments

2.3 环境因子与土壤含水量的相关分析

由表3可知，土壤含水量与土壤颗粒比表面积、黏粒含量和粉粒含量呈极显著正相关，与土壤砂粒含量呈极显著负相关(其中与土壤黏粒含量的相关性最密切)，与田面宽度、海拔高度和土壤pH无显著相关性。田面宽度与海拔高度存在极显著负相关关系，说明随着高度的上升梯田田面逐渐变窄，但在研究区内这种海拔高差与田面变化未对土壤含水量产生显著影响。可见，土壤质地是影响梯田坡面上表层土壤含水量空间变异的主要因子。

3 讨 论

梯田土壤含水量与土壤质地、地形和农作物类型等自然因素关系密切，同时受灌溉水平与耕作管理方式影响，空间变异特征明显[13-14，34-35]。本研究中，田坎上侧的土壤含水量显著高于下侧，可能与田坎上侧更容易接受来自田面土壤水分的补给有关；田面的土壤含水量极显著高于田坎，主要是由于田面呈近似水平状态，而田坎呈近似垂直状态，在接受降雨补给时，大部分雨水会沿田坎下流进入田面，且田面具有良好的蓄水效果；田面内侧的土壤含水量低于田面外侧，与徐英等[17]、李仕华和王超凡[35]的研究结果不一致，徐英等[17]、李仕华和王超凡[35]研究认为，田面内侧可接受来自上一级梯田田坎的雨水径流，且田坎侧面的蒸发作用会使田面外侧的土壤水分向侧面补充，导致田面外侧土壤含水量偏低。本研究野外调查发现，在长期水流冲刷与土壤沉积作用下，部分梯田的田面处于不同程度向外倾斜状态，田面内侧略高于外侧，从而致使田面内侧的土壤水分有向外侧运移的趋势；而且田面外侧的田坎上有较高的田埂，并伴有杂草覆盖，在一定程度上发挥了蓄水和减缓蒸发的作用。

表2 龙脊梯田田面与田坎土壤含水量的空间自相关指数比较

表3 环境因子与土壤含水量的相关分析结果

李春茂等[16]研究指出，梯田田坎对土壤水分的空间分布影响显著，土壤含水量与距田坎的距离呈极显著负相关，且随着尺度的增加逐渐接近梯田的平均水平。本研究结果与其相似，龙脊梯田田面与田坎土壤水分的分布规律存在明显差异，田面土壤含水量的随机性变异与结构性变异比重相同，而田坎土壤含水量的结构性变异较随机性变异强，说明田坎近乎垂直的结构对土壤水分的分布具有重要影响。本研究Pearson相关分析结果还显示，土壤含水量与土壤颗粒比表面积、黏粒含量、粉粒含量和砂粒含量呈极显著相关，土壤黏粒和粉粒含量越高，砂粒含量越低，土壤含水量越大，与李源等[14]的研究结果一致；土壤含水量与土壤pH相关性不显著，与靳振江等[12]的研究结果相似。Shimbahri等[11]、靳振江等[12]研究表明，梯田的土壤含水量与梯田海拔呈显著负相关，即较高梯田的土壤含水量比较低梯田高，而在本研究中，采样区域高差较小，海拔高度对其土壤含水量未产生显著影响。

对于水作梯田，其表层土壤中部分粉粒和黏粒会随水流移动，影响土壤质地的空间分布，且田面不平整及田坎过于垂直会加剧水流形成[14]，对梯田土壤水分的空间变异具有重要影响。此外，较强的土壤水分空间变异及其干湿循环会在不同程度上影响土壤结构变化，继而加剧土壤裂隙发育，将对梯田水土的稳定性产生负面作用[36-37]。因此，在对梯田进行耕作时，不应为了增加梯田耕作面积而使田坎过于垂直；在水稻收割后的水田休闲期，可结合土壤质地的空间分布特征，通过田面平整、秸秆还田等措施对土壤水分进行适当调控，以保障土壤水分均衡分布。本研究仅分析了龙脊梯田表层土壤水分的空间变异特征及其影响因素，后续还需针对深层土壤水分运动对梯田边坡稳定性的影响等内容展开研究。

4 结 论

广西龙脊梯田田面的土壤含水量极显著高于田坎，田面外侧的土壤含水量显著高于内侧，田坎上侧的土壤含水量显著高于下侧。田面与田坎的土壤含水量均具有中等程度的空间变异性和中等强度的空间自相关性，且具有极显著或显著的空间聚集特征。土壤质地是龙脊梯田典型坡面表层土壤水分空间变异的决定性因素，在耕作管理上应尽量减少土壤细颗粒流失，以维持土壤质地与土壤水分的空间均衡，保障梯田水土的稳定性。