2016, Vol. 31
2. 桂林理工大学广西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;
3. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院南京土壤研究所, 江苏 南京 210008
2. Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China;
3. State Key Lab of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Nanjing, Jiangsu 210008, China
我国西南喀斯特地区地质环境背景较为特殊，是世界喀斯特地貌集中分布地区之一，加上不合理的人为开发和利用导致该地区自然生态环境遭受严重破坏，水土流失问题十分严重[1]。土壤水分不仅是研究植物水分胁迫、进行农作物防旱抗旱的最基本因子[2]，而且能够影响生态系统侵蚀过程，同时对该地区自然生态系统的恢复和重建具有重要决定作用[3]。如何增加土壤有效含水量和实现水资源合理利用，是喀斯特山区环境治理与消除贫困的关键，同时也能够对该地区的农业发展具有重要促进作用[4]。
近年来，众多国外学者采用地统计学方法对土壤含水量空间变异性进行了大量研究并已取得了比较良好的效果[5, 6, 7]。张笑楠等[8]通过对桂西北喀斯特峰从洼地坡面土壤水分的均值和空间异质性进行全面研究，发现二者随时间(降雨)表现出一定的规律，同时指出不同的土地利用方式对土壤水分的空间异质性具有显著影响。Greenholtz等[9]利用地统计学方法研究田间条件下土壤水分的空间变异，结果发现应用地统计学中的指数模型时能得到更好的效果。刘贤赵等[10]选取渭北塬区苹果基地中苹果地、中产农田以及苜蓿地等3种主要土地利用类型为试验对象，运用地统计学方法对不同层次下土壤水分的空间变异性进行深入研究，结果表明土壤水分具有明显的空间变异特性。吕军等[11]利用该方法对水稻土壤物理性质的田间变异进行观测和分析，发现其空间变异主要由微团聚体、有机质、粉粒的直接作用及黏粒通过微团聚体的间接作用共同影响。
广西桂林地区每年11月到次年的3月雨量比较少和土壤先天不足的水利条件，加剧了该地区作物需水问题的严重性。因此研究该地区不同植被覆盖条件下土壤含水量的时空变异，不仅可以为本地区合理农业用水提供理论基础，同时对于该地区农业健康发展以及喀斯特退化生态系统的恢复重建具有十分重要的现实指导意义。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验区位于广西桂林市农业科学院管理的区域(25°4′N，109°44′E)。试验区平均海拔约为160 m，多年平均温度为19℃，属于亚热带湿润季风气候，降雨丰沛，年降水量在1 949.5 mm左右，但是由于季风交替影响，降雨量的季节分配不均，干湿季节分明，其中60%~80%的降水发生在每年的4~8月。本次试验选取3种不同植被覆盖条件下的种植区为次级试验区，依次是大豆种植区、梨树种植区以及甘蔗种植区。在每一个试验区，利用GPS进行测量点定位，并建立1个栅格研究区。每个试验区都由1个长135 m，宽105 m的空间区域构成，其中每隔15 m建立1个测量点，得到80个测量点，并在这些测量点中间再建立20个次级测量点，共计100个测量点。
1.2 数据测定与处理本次试验于2014年9月至2015年3月期间进行。在试验开始前，均利用环刀采集3个试验区的土壤土样，并带回实验室进行分析土壤机械组成、容重、总孔隙度和土壤有机质等基本性质。其中土壤机械组成的测定是先将试样经处理制成悬浮液，根据司笃克斯定律，用特制的甲种土壤比重计于不同时间测定悬液密度的变化，并根据沉降时间、沉降深度及比重计读数计算出土粒粒径大小及其含质量百分数。土壤容重和总孔隙度的测定是通过最常用的环刀法，方法简便，并重复测定多次。土壤有机质的测定是在加热条件下，用过量的重铬酸钾-硫酸溶液氧化土壤有机碳，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准溶液滴定，由消耗的重铬酸钾量按氧化校正系数计算出有机碳量，再乘以常数1.724，即为土壤有机质含量。土壤体积含水量(0~6 cm)通过手持土壤水分测定仪(HH2 Delta-T Devices Moisture Meter，英国Delta公司)测定，每周测定2次，每次测定均是在1 d内完成。所有测量得到的土壤含水量数据首先利用SPSS 20 (SPSS Inc.，USA)进行基本统计描述。土壤含水量地统计分析利用半方差分析方法。半方差分析中半方差函数r(h)的具体表达式为[12]：
| $ r\left( h \right)=\frac{1}{2N\left( h \right)}\{\sum\limits_{i=1}^{N\left( h \right)}{{{[\left. {{x}_{i}}+h \right)-Z\left( {{x}_{i}} \right)]}^{2}}}\} $ | (1) |
对3个试验区的土样进行取样分析，得到相关的土壤机械组成、容重、总孔隙度和有机质的基本情况，见表 1。
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表 1 3个试验区土壤机械组成、容重、总孔隙度和和有机质 Table 1 Mechanical composition, bulk density, total porosity, and organic matters in soils at 3 testing plots |
从表 1可以看到，3个试验区的土壤属性情况明显有差异。梨树地的砂粒相对于甘蔗地和大豆地明显偏高，甘蔗地的砂粒含量最小；甘蔗地的粉粒最高，大豆低居中，梨树地最低；甘蔗地的黏粒含量也是最高，甘蔗地和大豆地的表现相当。从容重方面看，甘蔗地和梨树地差别不大，大豆地明显有差别，属于三者之中最高；从总孔隙度方面看，梨树地和大豆地比较接近，甘蔗地的总孔隙度明显最大；从土壤有机质方面看，梨树地的有机质含量最高，甘蔗地处于中等水平，大豆地则是最低。
2.2 土壤含水量统计特征值从3个试验区的土壤含水量的基本统计描述(表 2)中可以明显看出随着土壤湿度的增加，3个试验区的土壤含水量均值总体上都呈现升高的趋势，说明降水对土壤表层的土壤含水量变化具有决定作用。邓文君等[13]以中国南方地区10 cm表层的土壤含水量资料和降水资料为基础，并进行相关性分析，结果表明土壤含水量度与降水之间关系紧密，二者成正相关关系。
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表 2 土壤含水量在3种土壤水分状态下的统计描述 Table 2 Descriptive statistics on water content in soils of 3 moisture levels |
同时发现3个试验区在不同的土壤水分状态下土壤含水量均值的变化均表现为：梨树地＞甘蔗地＞大豆地。程星等[14]选取喀斯特地区的林地、草坡、灌丛等为研究对象，结果表明土壤含水量的高低与植被的覆盖程度以及植被类型紧密相关，林地由于覆盖物较多致使土壤含水量明显比灌丛和草坡高。梨树地土壤表面覆盖物较多，对土壤水分具有一定的保护作用，使土壤蒸发也相对较少，在一定程度上使梨树地的土壤含水量相对较高。而大豆地由于裸露的土壤部分较多，土壤直接被太阳照射，土壤蒸发也相应比较大，在一定程度上使其土壤含水量较小。而甘蔗地虽然其土壤裸露表面也较大，但土壤含水量却介于梨树地和大豆地之间，主要是因为其垄沟耕作方式，使得部分降水在垄沟中得以积累，并不断从垄沟两侧渗入土壤，从而在一定程度上增大其土壤含水量[15]。
此外，单秀枝等[16]研究发现在土壤有机质含量较高的情况下，土壤含水量也相应较高，一方面是因为有机质改善了土壤结构，使土壤孔隙度增加；另一方面改变了土壤的胶体状况，增强了土壤对水分的吸附作用。在这两方面的共同作用下，能够有效地保持土壤水分，使土壤含水量相应较高。根据上述3个试验区土壤属性的研究发现，梨树地的有机质含量最高，甘蔗地居中，大豆地最低。由于梨树地的土壤有机质含量最高，其土壤含水量也在一定程度相对另外2个试验区更高。
2.3 土壤含水量空间变异分析表 3为3个试验区在3种土壤水分状态下土壤含水量的地统计分析结果。总体而言，3个试验区在土壤不同水分状态下的结构方差与基台值之比[C/(C0+C)]为25.7%~69.3%，属于中等程度的空间相关性[12]。在空间变异研究中，主要包含由试验取样尺度上施肥、除草、田间管理等随机因素引起的变异，以及由土壤基本属性、地形条件、气候变化等非人为的结构因素引起的变异。李立等[18]基于地统计学方法研究了宝鸡峡灌区3种主要作物多年平均需水量的空间变异性，分析发现块金值/基台值是57.42%，明显是属于具有中等程度的空间相关性，其空间变异受结构性因素和随机性因素共同制约。
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表 3 土壤含水量在3种土壤湿度状态下的地统计分析结果 Table 3 Spatial distribution of water content in soils of 3 moisture levels |
在干旱状态下，大豆地、梨树地和甘蔗地三者的结构方差与基台值之比介于29.8%~46.1%，明显是块金方差较大，说明随机因素引起的变异占主导作用，分析其中的原因是在干旱状态下，3个试验区进行施肥、灌溉、除草等田间管理措施，由于人为因素的影响过多，随机性因素对空间变异影响占主要地位。在中等状态下，此时大豆地、梨树地和甘蔗地三者的结构方差与基台值之比介于52.3%~69.3%，气候湿润产生的降雨落到土壤表层，对其土壤含水量产生影响，土壤含水量相应升高，三者都是结构性因素中的降雨因素占主要地位。在湿润状态下，可以看到此时3个试验区的结构方差与基台值之比明显有差异，大豆地的比值是53.1%，而梨树地和甘蔗地分别为36.7%和25.7%。大豆地结构性因素中的气候因素不容忽视，降水在一定的程度上对土壤含水量的空间变异性产生影响；梨树地和甘蔗地明显是块金方差占主要地位，原因是梨子地和甘蔗地进行土地的除草、作物收割以及土地的翻耕，人为因素的随机影响较为明显。徐英等[19]为了研究河套灌区一农田的水分变异，利用地统计学方法对比分析了2个时期(秋浇前和夏灌前)土壤水分的空间变异性。结果表明秋浇前土壤水分由随机因素引起的变异占总变异的比例减小，此时气候因素产生的变异占主要地位。
2.4 土壤含水量的空间分布利用克里格插值方法对土壤含水量进行地统计分析，并得到3个试验区在3种不同土壤水分状态下的土壤含水量空间分布图。分布图中颜色的深浅直接代表土层土壤含水量的高低情况，每幅图土壤含水量的变化都有各自的变化阈值，具体见图 1。从图 1中可以看出3个试验区从湿润状态到干旱状态土壤含水量的空间分布都有一个比较清晰的变化过程。
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图 1 3种土壤水分状态下的土壤含水量空间分布 Fig. 1 Geostatistics on water content in soilsof 3 moisture levels |
图 1中的a、b、c分别代表大豆地在3种土壤水分状态下的土壤含水量空间分布。在湿润状态下，土壤含水量的高阈值区出现在东南角，如图 1-a所示。由于大豆地土层裸露较多，经过一段时间太阳照射，处于中等状态下的土壤含水量的分布出现一定程度的变化，但是从图中可以看出土壤含水量的高阈值区依旧分布在图中的东南角(图 1-b)。最后当达到干旱状态时，在图 1-c 中其土壤含水量高阈值却处于东北角，空间变化相对较大。主要是因为大豆地平时需要经常进行锄草、施肥等田间管理、人为践踏作用使土壤压实，受人为因素影响过多，在一定程度上影响土壤含水量的空间分布。王家文等[20]以中国西南喀斯特区的特殊自然环境和现有研究成果为基础，总结了喀斯特地区土壤水分的主要影响因素以及影响机制，发现人类活动在一定程度上能够对土壤含水量的空间变异性产生显著影响。可以看到大豆地在不同土壤水分状态下土壤含水量的空间变化情况虽然有差异，但是靠近试验区东侧的土壤含水量始终明显较高。
图 1-d~f分别代表梨树地在3种土壤水分状态下的土壤含水量空间分布。在图 1-d中，降水发生后在湿润状态下，土壤含水量较高的区域出现在东侧以及中部区域。在中等状态下，梨树地土壤有机质含量较高、地表杂草较多以及梨子地的根系分布不均匀，共同导致分布图东北侧和靠近西侧中部颜色较深，如图 1-e所示，表示此区域的土壤含水量相对较高。经过太阳辐射以及梨树的散发作用，在干旱状态下分布图的变化明显增大，但是在图 1-f中的中部区域依旧颜色较深，其余地方颜色较浅，说明梨树地中部区域的土壤含水量依旧相对较高。
图 1中的g、h、i部分分别代表甘蔗地在3种土壤水分状态下的土壤含水量空间分布。如图 1-g所示，在湿润状态下，颜色较深的区域不仅分布较为平均，而且分布范围较广，此时是试验区东侧和中部的土壤含水量较高；甘蔗地为了让水分可在降雨过后再入渗到土壤中增加土壤含水量，田间人为挖掘的垄沟较多，导致空间分布图 1-h变化显著，可以看到此时是东南角的土壤含水量较高；最后在干旱状态下，甘蔗生长到了一定高度后，为了防止被风吹倒影响甘蔗产量，需要对相邻的甘蔗进行捆绑，导致甘蔗地的叶片对土壤表层的覆盖产生变化，经过太阳辐射以及土壤蒸发，土壤含水量的变化引起相应的空间变异，但在图 1-i中此时东侧的土壤含水量依旧相对较高。
总体而言，3个试验区在不同土壤水分状态下土壤含水量的空间变化情况虽然有差异，但是土壤含水量相对较高的区域比较稳定，说明土壤本身具有恢复其空间分布稳定性的能力。
3 讨论与结论以桂林市农业科学院中的大豆地、梨树地、甘蔗地土壤表层的土壤含水量为研究对象，利用地统计学中的半方差函数和克里格插值方法为研究工具，全面分析和探讨喀斯特地区不同植被覆盖条件下土壤含水量的空间变异性，试验结果表明：
(1) 在3个试验区，降水因素对土壤含水量的变化具有决定作用。此外，不同的植被覆盖情况、土壤有机质含量以及耕作方式在一定程度上也能影响土壤含水量。梨树地因植被覆盖程度和有机质含量都较大而使土壤含水量最大，甘蔗地因垄沟种植使其土壤含水量处于中等水平，大豆地因地表裸露较多蒸发作用较强导致土壤含水量最小。
(2) 3个试验区在3种不同土壤水分状态下的土壤含水量空间分布属于中等程度的空间相关性，土壤含水量的空间变异受结构因素和随机因素共同制约，主要包含降雨因素以及耕作措施、田间管理等人为因素。
(3) 尽管不同的植被覆盖条件以及人为因素干扰会影响土壤含水量的空间分布，导致在不同状态下土壤含水量的空间分布情况变化显著，但是总体上存在土壤含水量较高的区域相对稳定，大豆地和甘蔗地的土壤含水量在靠近试验区东侧区域始终相对较高，梨树地的土壤含水量则是在试验区中部区域相对较高。说明土壤本身具有一定的恢复其空间分布的能力。
鉴于喀斯特地区土壤水分变异的复杂性，在生态环境极度脆弱的喀斯特地区土壤水分空间变异研究中，有必要进一步开展典型旱季和雨季时期土壤水分空间分布及其影响因素的差异研究，此外应考虑该地区较为特殊的土地利用方式和地形地貌特征，并且与当地的石漠化和水土流失治理以及地区植被恢复等生态过程结合起来，最终为喀斯特退化生态系统的恢复重建提供理论和方法指导。
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