喀斯特典型坡地旱季表層土壤水分時空變異性

張 川, 張 偉, 陳洪松,*, 聶云鵬, 葉瑩瑩, 王克林

1 中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室, 長沙 410125 2 中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站, 環江 547100 3 中國科學院大學, 北京 100049

喀斯特典型坡地旱季表層土壤水分時空變異性

張 川1,2,3, 張 偉1,2, 陳洪松1,2,*, 聶云鵬1,2, 葉瑩瑩1,2,3, 王克林1,2

1 中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室, 長沙 410125 2 中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站, 環江 547100 3 中國科學院大學, 北京 100049

基于網格(10 m×10 m)取樣，用地統計學方法研究了桂西北喀斯特地區典型灌叢與草灌兩種植被類型坡地(90 m×120 m)旱季(2011年10月至2012年3月)表層(0—16 cm)土壤水分含量的空間變異特征。結果表明：整個采樣期灌叢坡地的土壤水分含量明顯要高于草灌坡地，兩種類型坡地的表層土壤水分含量均屬于中等程度的變異(10%

土壤水分; 灌叢; 草灌; 時空變異; 喀斯特

我國西南喀斯特地區是全球三大喀斯特集中分布區(歐洲地中海沿岸、美國東部、中國西南部)中連片裸露碳酸鹽巖面積最大的地區，總面積約54萬km2[1]。該地區可溶巖造壤能力低，長期強烈的巖溶作用產生了水土資源不協調的雙層空間結構，導致地表水易流失、地下水深埋，加上土層淺薄、土壤持水性能差，又因缺乏植被系統的調節，致使旱澇災害頻發，生態環境十分脆弱[2]。因此，雖然西南喀斯特區域降雨比較充沛，土壤水仍然是喀斯特退化生態系統植被恢復重建的主要障礙因素[2-3]。坡地近地表土壤水分條件對徑流形成和侵蝕發生有重要影響，其空間格局由不同尺度上的自然作用和過程控制，包括降水、徑流、蒸發蒸騰等，其變化尺度從幾厘米到上百米[4]。在特殊的土地利用結構下，喀斯特峰叢洼地表層土壤含水量坡地高于洼地，甚至有隨海拔高度升高而增加的趨勢[5-6]。但是，當土層比較深厚、巖石裸露率較低時，與其他類型區相似，土壤水分可能具有沿坡向下逐漸升高的趨勢。顯然，喀斯特地區水分時空變異研究應該考慮地質背景與植被類型的影響[7]。同時，有必要對土壤水分的空間變異特征進行定量研究，充分認識土壤水分空間變異的程度、尺度，分析影響土壤水分空間分布的環境因素和過程。

空間異質性是土壤的基本屬性，即使在幾厘米的距離上土壤性質也存在強烈變異[8]。土壤性質在空間上的變異產生了其結構功能上的差異[9]。地統計學是在傳統統計學基礎上發展起來的空間分析方法，它不僅能有效地揭示屬性變量在空間上的分布、變異和相關特征，還能將空間格局與生態過程聯系起來，可有效地解釋空間格局對生態過程與功能的影響[10-12]。國內外學者應用地統計方法對土壤性質的空間變異特征進行了大量研究[4,8,13-18]，對喀斯特地區土壤性質的研究也有探討[9,19-21]，對于喀斯特區土壤水分的空間異質性亦有專門研究[5-7,22-24]，但都只是單一樣地(洼地或坡地)的空間變異特征及其影響因素，且水分沿坡變化結論不一，有的研究結果表明土壤水分沿坡向下具有不斷減小的趨勢[6]，也有研究發現沿坡變化無明顯規律[5]，對喀斯特坡地不同土地利用方式土壤水分的差異性[25]與不同植被類型土壤水分的時空變異[26]也有研究，但采樣方法均為隨機性較大的樣線法，且樣地退耕時間較短，存在較大的人為干擾，缺乏具有代表性的長時間未經人為干擾的不同植被類型坡地土壤水分的時空變異規律及其季節分布格局的比較。因此，本研究基于中國科學院環江喀斯特農業生態系統研究觀測站，以具有代表性的自1995年起未經人為干擾的兩種不同植被類型坡地做比較，利用標準網格采樣，結合經典統計學和地統計學方法分析比較了灌叢與草灌兩種植被類型坡地2011年10月至2012年3月土壤水分的時空變異規律及其季節分布格局，更有助于深入探討喀斯特地區坡地旱季表層土壤水分變異的自然過程和控制因素，為區域水資源精確模擬和有效利用奠定基礎，以期為喀斯特退化生態系統的植被恢復和生態重建提供理論指導。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于桂西北中國科學院環江喀斯特農業生態系統研究觀測站內。地理位置為108°18′56.9″—108°19′58.4″ E，24°43′58.9″—24°44′48.8″ N，地勢四周高，中間低，為典型峰叢洼地景觀，海拔最高為647 m，最低為272 m，坡度較陡，≥25°的坡面占62%。研究區地質基礎為白云巖，發育土壤為深色或棕色石灰土，坡地基巖裸露面積≥30%，土層較薄，一般為10—50 cm。研究區屬中亞熱帶季風氣候區，多年平均氣溫為19.9 ℃，7月平均氣溫為27.9 ℃，1月平均氣溫10.1 ℃，極端高溫和低溫分別為38.7 ℃ 和-5.2 ℃，年平均≥10 ℃ 積溫為6300 ℃，無霜期329 d。多年平均降雨量1389 mm，4—8月為雨季，降雨量占全年的74%，9月至次年3月為旱季。年平均日照1451 h，年平均太陽總輻射量4138 MJ/m2，其中有效輻射量為2119 MJ/m2。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣與測定方法

選取兩塊自1995年起未經人為干擾的典型灌叢與草灌坡地，在90 m×120 m(投影長)范圍內以網格法(10 m×10 m)采樣，灌叢與草灌坡地分別設置樣點130、129個(草灌坡地其中1個樣點分布在峭壁上，無法采樣)，用全站儀(南方，NTS-302R)確定各采樣點位置，用手持式GPS(etrex2000)記錄每個采樣點地理信息。采樣區位置及采樣點布設如圖 1 所示，樣地基本理化性質如表1所示。2011年10月—2012年3月(旱季)每月采樣1次，采樣日期的選取盡量避開降雨(連續5 d以上未降雨)，采樣時用TDR(Trime-ezc，IMKO，德國)測定各采樣點表層0—16 cm土壤體積含水量。所選灌叢樣地為典型灌木維管植物群落，坡腳土壤厚度較大，土壤比較肥沃，密生灌叢，山腰巖石較多，間生草本和藤蔓植物，坡上主要以矮小灌叢和草本為主。而草灌樣地植物以草本植物為主，間生藤蔓植物，僅在坡腳分布有灌叢，坡地右側土層深度較高，草本植物密度也較高。兩塊典型坡地山頂部巖石裸露均較大，在積土厚處偶見耐干旱的喬木，植被覆蓋度沿坡向下均明顯呈逐漸升高的趨勢。

表1 研究樣地土壤基本理化性質

圖1 采樣區位置及樣點分布圖Fig.1 Location of the study area and distribution of the sampling sites

圖2 土壤水分含量、標準誤、變異系數與降雨量的時間變化格局 Fig.2 Temporal pattern for each study area of mean soil water contents, standard error and coefficient of variation

1.2.2 數據處理

用經典統計學方法和地統計學方法對樣本數據進行分析處理。土壤水分含量的描述性統計分析在統計軟件SPSS18.0中進行，半變異函數的計算和模型的擬合及Kriging等值線圖的描繪在專業地統計軟件GS+7.0中完成。地統計學方法近年來已廣泛應用于土壤空間異質性研究，其有關方法及原理[21-24,27]等，本文不再贅述。

進行地統計分析前，利用單樣本K-S檢驗，對土壤水分數據進行正態分布檢驗。灌叢坡地2011年11月、12月與2012年1月、3月以及草灌坡地除2012年2月外其余5次土壤水分數據均不符合正態分布，其中灌叢坡地2012年1月、3月以及草灌坡地2011年10月、12月與2012年1月、3月土壤水分數據采用常用對數lg函數對數據進行轉化，灌叢坡地2011年11月、12月以及草灌坡地2011年11月土壤水分數據采用平方根反正切函數對數據進行轉化，轉換后所有數據均符合正態分布，可以進行地統計分析。

2 結果與分析

2.1 旱季坡面表層土壤水分含量的統計特征

由圖2中可知，旱季灌叢與草灌坡地表層土壤水分含量均屬于中等程度的變異(10%

2.2 旱季坡面表層土壤水分含量的空間變異特征

由圖3中可知，兩種植被類型坡地表層土壤水分含量最佳擬合模型為高斯模型、球狀模型或指數模型，模型的決定系數均較高，均大于0.85，說明模型擬合效果較好。兩種類型樣地半變異函數均有明顯的趨勢效應(曲線未達到穩定的趨勢)，為了更好地反映變化梯度此處不做相關的去除趨勢效應的處理。灌叢坡地2011年11月、2012年2月與3月土壤水分含量表現為強烈的空間自相關性(塊基比<25%)，其它時期兩塊樣地土壤水分含量均表現為中等的空間自相關性(25%<塊基比<75%)[27]。灌叢坡地2011年11月與12月、草灌坡地2012年1月與2月土壤水分含量變程均較大，超過150 m采樣范圍。兩塊樣地土壤水分的變程與塊基比隨時間的變化趨勢大致相反(圖4)，但灌叢與草灌坡地之間差異較大。灌叢坡地土壤水分的變程與土壤水分含量均值的變化趨勢在采樣前期和中期趨勢相反，在采樣后期趨勢相同，而草灌坡地土壤水分的變程與土壤水分含量均值的變化趨勢大致相同(圖4，圖2)。

圖3 不同時期土壤水分含量(0—16 cm)的半變異函數圖Fig.3 Semi-variograms of soil water contents (0—16cm) on shrub slope and shrub-grass slope in different periods

圖4 樣地土壤水分(0—16 cm)半變異函數參數的時間變化格局Fig.4 Temporal pattern for study area of semi-variograms of soil water contents (0—16cm)

2.3 旱季坡面表層土壤水分的空間分布格局

為了更全面、直觀的反映坡面表層土壤水分含量的分布特征，利用普通Kriging插值方法分別繪制了兩種植被類型坡地旱季表層土壤水分含量的等值線圖(基于坡地投影長90 m×120 m)。結合樣地的高程圖，由圖5中可知，兩塊樣地土壤水分含量最小值均發生于上坡位置，最大值均發生于下坡位置。灌叢坡地表層土壤水分含量沿坡面自上而下呈遞增趨勢，在坡腳處最大；草灌坡地表層土壤水分含量整體沿坡面自上而下也呈遞增趨勢，但樣地右側土壤水分含量較高。

圖5 土壤水分含量(0—16 cm)空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of soil water contents (0—16cm) on shrub slope and shrub-grass slope

3 討論

在整個采樣期灌叢坡地土壤水分含量均高于草灌坡地，說明灌叢植被相對于草本植物更有利于表層土壤水分的保蓄。灌叢與草灌坡地表層土壤水分含量在整個旱季均表現為中等程度的變異，這可能與研究區土壤碎石含量較高且微地貌形態比較復雜有關[28]，而同一采樣期灌叢坡地的土壤水分含量與變異系數均大于草灌坡地，植被對土壤水分影響的雙重作用可能是主要原因。首先，灌叢的不規則分布可能會增加蒸散量的隨機性而導致土壤水分的變化；其次，灌叢的不規則分布可能會增大土壤顆粒分布的隨機性從而增加土壤水分更多的可變性[29]。兩塊樣地的旱季土壤水分與降雨量的波動變化趨勢相同，這與該地區以往土壤水分的研究結果一致[30]。土壤水分含量與相應的變異系數變化趨勢整體上相反，這與該地區以往的研究結果一致[30]，與以往黃土高原地區的研究也一致[29]，但在采樣后期變化趨勢相同，這可能由于采樣后期降雨量適中且比較頻繁，對土壤水分有個充分補給的過程，土壤水分長期處于飽和狀態，導致土壤水分含量與相應的變異系數變化都不大且趨勢相同。

如果變量在采樣尺度上具有空間依賴性(或者空間相關性)，半方差函數會隨著滯后距的增加而增大，并且在超過一定距離(變程)后逐漸趨近于基臺值或圍繞基臺值波動[19,21]。灌叢與草灌坡地表層土壤水分含量在整個旱季觀測期均具有明顯的空間依賴性和空間結構。塊金值表示隨機變異的大小，主要有兩個來源：一是來源于最小取樣間隔內的自然過程造成的變異，二是來源于實驗誤差[23,31-32]。灌叢坡地2012年2月與3月土壤水分含量表現為強烈的空間自相關性(塊基比<25%)，說明在當前觀測尺度上，隨機因素對土壤水分含量分布的貢獻較小，其空間變異主要由土壤母質、地形等自然因素(結構性變異)引起[16]；兩塊樣地其他月份旱季坡面土壤水分含量的塊金效應均較大，說明隨機變異和小于采樣尺度的變異不容忽視。變程反映了土壤性質在空間上的平均變異尺度，灌叢坡地2011年11月與12月、草灌坡地2012年1月與2月土壤水分含量變程均較大，其空間連續性的尺度范圍超過了采樣范圍，采樣范圍需要進一步擴大；其它時期土壤水分含量變程較小，其空間連續性的尺度范圍較小。兩塊樣地土壤水分的變程與塊基比的變化趨勢大致相反，這與張繼光等[33]在喀斯特地區洼地表層土壤水分變程與塊基比的變化趨勢相同的結論相反，這可能是由于研究樣地的差異(洼地土層較深而坡地土層較淺且碎石含量高)所致；與Hu等[29]在黃土高原地區的研究結論也相反，這可能是由于研究區地質背景與氣候差異所致；而灌叢與草灌坡地之間的差別較大，這可能與兩塊樣地微地貌與植被類型的差異所致。灌叢坡地變程與土壤水分均值的變化趨勢在采樣前期和中期相反，隨著平均含水量的升高而減小，這與張繼光等[33]在喀斯特地區和Hu等[29]在黃土高原地區的研究結果一樣。變程的減小主要與該取樣尺度下影響土壤水分各種過程的空間相互作用加強有關[31]。在土壤水分較高或持續降雨過后，有研究認為由于土壤飽和區域的擴張等會造成土壤水分的變程增加[4]，但在喀斯特地區變程卻變小，這可能與該地區特殊的地形和微地貌有關，由于地形的起伏，必然有地表徑流和側向流的發生，側向流的再分配能導致排水線內形成濕潤的窄帶從而改變了土壤水分的空間格局；此外石叢的存在也使得降雨后其周圍土壤含水量明顯增加，兩者的疊加作用可能強化了土壤水分分布的不連續性，使變程減小。而到采樣后期，變程又與土壤水分變化相一致，這種情況可能由控制土壤水分格局的自然過程(如降雨等)的作用所致[22]。而草灌坡地變程與土壤水分均值的變化趨勢大致相同，與以往的研究結果類似[4]。灌叢與草灌坡地變程與土壤水分均值的變化趨勢的差異可能是由于兩塊樣地植被、土壤、地形等因素的差異綜合作用所致。

本研究兩種植被類型坡地土壤水分的空間分布規律與以往在喀斯特地區的研究結果相反，據張繼光等[6]的研究在石灰巖坡地土壤水分沿坡向下具有不斷減小的變化趨勢，這可能主要與研究區地質背景差異有關(本研究區基巖為白云巖)。石灰巖坡地各種封閉或半封閉的小生境普遍發育，尤其以中上坡發育較多，導致上坡位土壤水分含量較高，而白云巖坡地基巖以整體風化為主，各種小生境發育不明顯，而土壤碎石含量具有一定的坡位分異規律，造成土壤水分呈現出與石灰巖坡地截然不同的空間分布規律。研究區土壤碎石體積含量可達10%—40%，且隨海拔的升高而增加[28]，導致兩塊樣地土壤水分含量隨坡位升高而降低，且土壤水分含量最小值均出現在上坡。雖然灌叢和草灌坡地表層土壤水分含量整體沿坡面自上而下呈遞增趨勢，但土壤水分含量最大值均分布在樣地下坡位右側地段，這主要與該地段坡度較緩、土壤厚度較大且碎石含量較低有關。

4 結論

本研究利用的經典統計及地統計方法比較了兩種不同植被類型的典型喀斯特坡地(灌叢與草灌)旱季土壤水分的時空變異特征。結果表明，在整個采樣期灌叢坡地的土壤水分含量均高于草灌坡地，說明灌叢植被相對于草灌植物更有利于表層土壤水分的保蓄。土壤水分含量與降雨量的波動變化趨勢相同，而與變異系數的變化趨勢整體上相反。

兩種植被類型坡地土壤水分含量均具有明顯的空間依賴性和空間結構。兩種類型坡地土壤水分的變程與塊基比的變化趨勢都大致相反，灌叢坡地土壤水分的變異系數與變程的變化趨勢相反，而草灌坡地土壤水分的變異系數與變程的變化趨勢相同。兩塊樣地土壤水分的變異系數、變程與塊基比均隨土壤水分含量的變化有一定的季節變化規律，說明平均土壤水分含量對土壤水分空間格局的主導作用是持續存在的，結合研究目標可以有效指導后續的土壤采樣。

兩種植被類型坡地表層土壤水分含量整體沿坡面自上而下呈遞增趨勢，但土壤水分含量最大值均分布在樣地下坡位右側地段，這主要與該地段坡度較緩、土壤厚度較大且碎石含量較低有關。

致謝：感謝李德軍研究員對本文寫作的幫助。

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Temporal and spatial variation in surface soil moisture content of karst slopes in the dry season

ZHANG Chuan1,2,3, ZHANG Wei1,2, CHEN Hongsong1,2,*, NIE Yunpeng1,2, YE Yingying1,2,3, WANG Kelin1,2

1KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegions,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China2HuanjiangObservationandResearchStationforKarstEcosystems,ChineseAcademyofSciences,Huanjiang547100,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The karst region of southwest China is characterized by surface soils low in moisture and nutrients, low vegetation coverage and high microhabitat diversity. Knowledge of the temporal and spatial variability of surface soil moisture content is crucial for hydrological modeling and understanding soil water dynamics at different scales. This study aimed to characterize the spatial variability of surface soil (0—16cm) moisture content on two slopes, one dominated by shrubs and the other by a shrub-grass mixture, using a grid (10 m × 10 m) sampling scheme and geostatistical methods. The study was conducted in the dry season (October, 2011 to March, 2012) in a typical karst area located in northwest Guangxi, southwest China. Surface soil moisture content was found to vary moderately, with coefficients of variation from 10% to 100% on the two slopes. Surface soil moisture content and associated coefficients of variation on the shrub slope were significantly higher than those on the shrub-grass slope. This was mainly attributed to the irregular distribution of shrubs on the shrub-grass slope. Soil moisture content was positively correlated with rainfall but negatively correlated with coefficients of variation. The spatial distribution of surface soil moisture content on the two slopes differed. The spatial range of soil moisture content was negatively correlated with the magnitude of the nugget effect. For the shrub slope, surface soil moisture content was negatively correlated with mean soil moisture at the initial and middle stages of sampling, but was positively correlated mean soil moisture at the later stage of sampling. For the shrub-grass slope, surface soil moisture and mean soil moisture were positively correlated at all sampling stages. Differences between the two slopes were likely due to the combined effects of vegetation, soil type, topography and other factors. The coefficients of variation, spatial range and the nugget effect of soil moisture varied with season on the two typical slopes. These results suggest that mean soil moisture has a substantial influence on the spatial and temporal variability of surface soil moisture in this area; this could help design suitable soil sampling strategies to match future research objectives. The spatial distribution patterns of soil moisture on the two slopes were much different from those found in previous studies in karst areas. This was probably due to the geological differences between our study sites and sites of the previous studies. Kriged maps based on the selected variogram models showed a regular distribution of soil moisture on the two slopes. Soil moisture had a negative relationship with altitude on the two slopes. However, the maximum soil moisture was observed at the right downhill corner, probably due to the gentler slope, greater soil depth, and lower gravel content in that location. In summary, by investigating the spatial and temporal variation of surface soil moisture on two slopes with different vegetation types, this study helps to improve our understanding of hydrological processes, which is useful for rehabilitating vegetation in the karst region of southwest China.

soil moisture; shrub; shrub-grass; spatial variation; Karst

國家自然科學基金項目(41171187); 中國科學院西部行動計劃項目(KZCX2-XB3-10); 國家科技支撐計劃項目(2010BAE00739-02)

2014-02-28; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201402280349

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hbchs@isa.ac.cn

張川, 張偉, 陳洪松, 聶云鵬, 葉瑩瑩, 王克林.喀斯特典型坡地旱季表層土壤水分時空變異性.生態學報,2015,35(19):6326-6334.

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