環境因子對廣西典型巖溶區土壤溫度空間結構的影響

尹 輝, 李 暉, 蔣忠誠

(1.惠州學院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學 環境與資源學院,

廣西 桂林 541004; 3.中國地質科學院 巖溶地質研究所, 廣西 桂林 541004)

環境因子對廣西典型巖溶區土壤溫度空間結構的影響

尹 輝1, 李 暉2,3, 蔣忠誠3

(1.惠州學院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學 環境與資源學院,

廣西 桂林 541004; 3.中國地質科學院 巖溶地質研究所, 廣西 桂林 541004)

摘要：[目的] 探索空間異質性較大的巖溶區的土壤溫度空間自相關尺度及其空間結構，分析影響典型巖溶區土壤溫度空間結構的主要環境因子。 [方法] 應用經典統計學方法與“3S”技術。[結果] 不同深度土壤溫度的空間分布均存在高度的正向全局空間自相關和明顯的空間聚集區，各深度土壤溫度的空間孤立區分布較少；影響不同深度土壤溫度空間分異的環境因子排序為：土壤厚度>坡度>植被覆蓋度>高程。[結論]土壤厚度對土壤溫度的影響，實質上是巖溶環境的綜合反映。坡度、高程等地形因子是造成土壤逆溫結構的主要影響因素。此外，土壤溫度的空間分異還會受到植被覆蓋“遮蔽作用”或“保溫效應”的影響。

關鍵詞：土壤; 溫度; 空間結構; 環境因子; 果化巖溶區

土壤溫度是與農業生產和生態環境緊密相關的重要土壤物理性質之一，其區域特征和空間分異直接影響著土壤水分的運移[1]、淺層地表的熱狀況[2]、生態環境[3]、生物的空間分布和生長發育[4]。土壤溫度的空間異質及其影響因素的相關研究，近年來已得到諸多學者的高度重視[5-10]。縱觀土壤溫度空間結構及其影響因素的相關研究成果，經典統計學與3S技術的應用，對于土壤溫度空間變異、空間分布及相關格局方面的研究已有了突破性的進展，但針對典型巖溶區的土壤溫度空間變異及分布研究卻較少。相關研究[11-12]表明，相對于樣方和區域尺度而言，土壤理化屬性在微尺度下存在更大程度的變異。對于土壤理化性質空間變異程度較大的典型巖溶區[13-15]，若直接進行大尺度區域高密度取樣，勢必會產生極大的人力、物力和財力消耗；而低密度取樣，又難免因監測樣點數量的不足而影響其研究精度[16-17]。可見，探討土壤溫度樣點布設的空間自相關尺度是亟待系統研究的科學問題。據此，本研究以典型巖溶區廣西平果縣果化示范區土壤溫度為研究對象，將微尺度、高密度的室內布點和小區域實地監測相結合，應用經典統計學與3S技術，探索空間異質性較大的巖溶區的土壤溫度空間自相關尺度及其空間結構，探尋影響典型巖溶區土壤溫度空間結構的主要環境因子，為探討典型巖溶區土壤溫度的樣點尺度研究、指導典型巖溶區的農業生產、保障區域土壤資源的可持續利用提供科學依據。

1材料與方法

1.1　研究區概況

果化示范區位于廣西壯族自治區百色市平果縣果化鎮，主要為距果化鎮5 km處的龍何屯、布堯屯和隴堯屯及其各自的耕作區，地理坐標為23°22′28.7″—23°23′40.7″N，107°22′40.8″—107°23′56.9″E之間，總監測面積約為2.71 km2。

示范區屬于亞熱帶季風性氣候，年均氣溫約為21℃，區內總體降水量豐富，年均降水量多達1 322.3 mm，但時間分配不均，降水年內變化較大。地形地貌屬典型峰叢洼地，海拔為176.4 m～535.0 m之間，土壤以巖溶石灰土為主，主要發育棕色石灰土和黃棕色石灰土。土地利用類型以種植玉米、黃豆的旱作坡耕地為主，植被類型主要為稀疏林地、灌叢和低矮灌草。

1.2　圖件來源與處理

果化示范區的主要圖件包括：果化自然屯區劃圖、1∶1萬5 m等高距地形圖、2009年9月的alos高分辨率遙感影像(全色2.5 m分辨率，多光譜10 m分辨率)。以ArcGIS 9.3為操作平臺，完成果化自然屯區劃圖和1∶1萬地形圖的空間配準和矢量化，生成數字化高程圖(DEM)、坡度圖等圖件；運用Envi 4.8遙感軟件，對alos影像進行輻射定標、大氣校正、正射校正、影像融合、影像裁剪等處理，并完成歸一化植被指數(NDVI)的計算，為果化示范區土壤溫度的空間布點作準備。

1.3　樣點選取與實地監測

以果化示范區2009年9月高分辨率遙感影像為依托，完成土壤溫度的室內網格布點。考慮到耕作區農作物類型、生長狀況和植被覆蓋等因素會隨季節的變化而變化，將野外實地監測時間定于與示范區高分辨率影像同一季節的2011年9月。

野外實地監測以室內網格布點為依據，當遇到裸巖或土層淺薄的樣點，則在附近5～50 m內進行調整；若不能調整，則剔除該監測樣點，最終得到實際監測樣點191個(圖1)，各樣點的平均間距約為120 m，樣點密度約為70 個/km2。每個土壤樣點均挖取土壤剖面(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm和20—30 cm)，用校正后的土壤三參數儀監測各土層的土壤溫度(各土層均測量3次)，以土壤溫度均值作為空間結構分析的基礎數據源。

圖1　果化示范區土壤樣點布設圖

1.4　數據處理

1.4.1空間自相關分析空間自相關分析包括空間變量的位置及其屬性，常用Moran’sI統計量中的全局空間自相關和局部空間自相關來表示。其中，全局Moran’sI系數可定量描述研究變量在空間上的自相關程度，判斷區域化變量在研究區內是否存在空間聚集區和空間孤立區，其計算公式為：

(1)

局部Moran’sI系數Ii的計算公式為：

(2)

1.4.2基于區間統計的方差分析首先，將不同深度土壤樣點圖層與示范區高程圖層、坡度圖層、土壤厚度圖層和植被覆蓋度圖層導入ArcGIS9.3，基于上述圖層的空間屬性疊加功能，提取不同深度土壤樣點的高程值、坡度值、土壤厚度值和植被覆蓋度等環境信息，完成各環境背景下不同深度土壤溫度的分區統計；然后，運用SPSS18.0單因素方差分析模塊，比較不同環境背景下各深度土壤溫度均值的差異并進行顯著性檢驗，以此來判別各環境因子對影響土壤溫度空間分異的貢獻率排序，從而找出影響各深度土壤溫度的主要環境因子。

2結果與分析

2.1　土壤溫度的空間結構

果化巖溶示范區不同深度土壤溫度的全局空間自相關主要表現為Moran指數為正向的空間關聯(圖2)。

圖2　不同深度土壤溫度的Moran散點圖

表明不同深度土壤溫度的空間分布均表現出空間相似值之間的空間聚集，且隨土壤深度的變化而呈現出明顯的垂直分異。其中，不同深度土壤溫度樣點多數位于“高—高”集聚和“低—低”集聚類型的第1象限和第3象限內；少數土壤溫度樣點位于第2象限和第4象限內，屬于“低—高”集聚和“高—低”集聚類型。不同深度土壤溫度的空間孤立分布相對較少，“高—低”空間孤立區主要分布在“低一低”空間聚集區附近，而“低─高”空間孤立區則伴隨“高一高”空間聚集區出現。

由Moran’sI指數為正值時的最大間隔距離，即為土壤溫度指標的空間自相關尺度，得到5，10，20和30 cm深度的土壤溫度空間自相關尺度分別為1 800，1 400，600和2 000 m(圖3)。

圖3　不同深度土壤溫度間隔距離與Moran’s I指數

2.2　土壤溫度空間變異的影響因素

2.2.1不同環境背景對土壤溫度的影響從表1—4可以看出，不同深度土壤溫度在總體上隨土壤厚度的增加而減小，卻隨高程的增加而增加；不同深度土壤溫度隨土壤坡度的影響較為明顯，但未呈現出明顯的變化規律；不同深度土壤溫度隨植被覆蓋度的影響較為復雜，相對于植被覆蓋度偏低或偏高的區域而言，40%～60%植被覆蓋條件下的土壤溫度偏低。

表1　不同高程下的土壤溫度

表2　不同坡度下的土壤溫度

表3　不同土壤厚度下的土壤溫度

表4　不同植被覆蓋下的土壤溫度

2.2.2影響土壤溫度的主要環境因子從表5可見，影響不同深度土壤溫度空間分異的環境因子排序為：土壤厚度>坡度>植被覆蓋度>高程，土壤厚度能在一定程度上反映其區域微地形和植被覆蓋狀況。一般而言，坡度較緩、地勢較為低洼、有一定植被覆蓋的區域，土壤厚度相對較大。受典型巖溶峰叢洼地逆溫結構的影響，山頂和高坡部位，最先得到太陽的照射，而坡度較緩、地勢較低的坡底或洼地，受制于山體對日照遮擋的影響，得到的日照時數和熱量會相對較低；植被覆蓋度對土壤溫度的影響較為復雜，植被覆蓋度較低時，土層主要分布在土壤淺薄或基巖裸露的山體高坡部位，受逆溫結構和植被遮擋作用較小的因素，該土層的土壤增溫作用會得到一定程度的增強。然而，對于土壤淺薄、基巖裸露的地段，受前者土層薄、保溫效應差，后者基巖比熱較小，升溫快但降溫也快的因素，其土壤溫度也難以保持在一個較高的數值；隨著植被覆蓋度的增加，土壤溫度主要受植被遮擋，形成了“遮蔽效應”，導致植被覆蓋度適中的區域，土壤溫度的遞增受到了抑制；據實地調查，植被覆蓋度大于80%的區域主要分布在坡位較低的坡麓部位，土壤溫度雖仍然受到明顯的“遮蔽效應”影響，但當植被覆蓋度大于80%時，空氣不流通，難以散熱，加上動物和微生物活動較為頻繁，生物產熱量較大，導致該區域的空氣和土體在相對密閉的環境下，形成了一定的“保溫效應”，從而增加了該區域不同深度土壤溫度的積溫。

表5　不同影響因素下的各深度土壤溫度方差統計

2.3　基于土壤溫度空間分異的農作物布局

果化示范區主要種植春秋兩季的玉米和黃豆兩種旱地作物，耕作方式以傳統的緩坡地、坡耕地、坡改梯地等旱地耕作為主。實地調查表明，示范區農作物的種植帶有顯著的“廣種薄收”特征，這與當地耕作方式缺乏科學性論證，農業管理不善等人為因素有關。在農作物種植方面，沒有考慮農作物對光照條件的需求，整個峰叢洼地農耕區每年都定點耕種高密度的玉米和黃豆，不僅坡地大面積種植，連常年陰坡或受高大喬木遮檔的石窩和石穴都種有黃豆；農業管理方面，當地群眾缺乏現代化的農機和管理手段，僅對距離住所較近的田間管理較為重視，而對于距離較遠的旱地，呈現出“只種不管”，“靠天吃飯”的現象。由于示范區群眾對不同類型農作物的環境需求考慮不夠，僅靠大面積的“見縫插針”種植方式，不僅難以提高單位面積的當地農作物產量，還會造成生態環境的失衡、石漠化更趨嚴重。果化示范區的農業生產應緊密結合當地的日照強度、日積溫、月積溫等氣象條件，考慮到不同土壤厚度、不同地形條件、不同植被覆蓋度等造成的土壤溫度空間分異，對于當地農作物的耕作，要根據不同作物對長/短日照，喜陰/喜陽，適宜積溫等的不同需求，因地制宜、因時制宜地配置適宜的農作物和種植布局。

3結 論

(1) 不同深度土壤溫度的空間分布存在高度的正向全局空間自相關；各深度土壤溫度的空間分布均存在明顯的空間聚集區，其空間孤立區的分布卻相對較少。5，10，20和30 cm深度的土壤溫度空間自相關尺度分別為1 800，1 400，600和2 000 m。

(2) 影響不同深度土壤溫度空間分異的環境因子排序為：土壤厚度>坡度>植被覆蓋度>高程。巖溶區成土速率慢、土壤淺薄且不連續，在坡度較陡、植被覆蓋較低的山峰部位，巖溶土壤流失嚴重；而在坡度較低平、植被覆蓋較高的洼地部位，巖溶土壤較易于堆積。土壤厚度對土壤溫度的影響，實質上是巖溶環境的綜合反映。坡度、高程等地形因子是造成土壤逆溫結構的主要影響因素。此外，土壤溫度的空間分異還會受到植被覆蓋“遮蔽作用”或“保溫效應”的影響。(3) 果化示范區的農業生產應緊密結合當地的日照強度、日積溫、月積溫等氣象條件，考慮到不同土壤厚度、不同地形條件、不同植被覆蓋度等造成的土壤溫度空間分異，對于當地農作物的耕作，應根據不同作物對長/短日照，喜陰/喜陽，適宜積溫等不同需求，因地制宜、因時制宜地配置適宜的農作物和種植布局。

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Effects of Environmental Factors on Spatial Structures of Soil Temperature in Typical Karst Zone of Guangxi Area

YIN Hui1, LI Hui2,3, JIANG Zhongcheng3

(1.TourismDepartment,HuizhouUniversity,Huizhou,Guangdong516007，China; 2.CollegeofEnvironment&Resources,GuangxiNormalUniversity,Guilin,Guangxi541004,China; 3.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China)

Abstract：[Objective] This paper aims to demonstrate the spatial autocorrelation and the pattern of soil temperature, and to find the main environmental factors . [Methods] Classical statistics and 3S technology were used. [Results] The spatial distribution of soil temperature in different soil depth showed a general highly positive spatial autocorrelation and had obvious spatial clusters, nearly no spatial isolated distribution was found. The impacting factors of spatial distribution of soil temperature in different soil depth ranked as: soil thickness, slope, vegetation coverage and altitude. [Conclusion] The influence of soil thickness on soil temperature, essentially, is the comprehensive reflection of karst environment. Terrain factors, like slope, elevation and so on, are the main factors influencing soil inversed temperatual structure. In addition, the spatial heterogeneity of soil temperature also been affected by “covering” or “heat preservation effect” of plants.

Keywords:soil; temperature; spatial structure; environmental factors; Guohua karst zone

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0116-05

中圖分類號：S152.7

通信作者：李暉(1981—),男(漢族),河南省南陽市人,博士,副教授,主要從事巖溶生態、環境監測、3S技術等方面的研究。E-mail:lh1029@126.com。

收稿日期：2014-01-07修回日期：2014-03-24
資助項目：廣東省青年創新人才類項目“基于3S技術的粵北石漠化地區雨水資源化潛力研究”(2014KQNCX212)； 廣西自然科學基金項目(2013GXNSFBA019222); 巖溶地質研究所所控項目(121237128100212); 惠州學院博士科研啟動項目 (C513.0206)
第一作者：尹輝(1983—),男(漢族),廣西省桂林市人,博士,講師,主要研究方向為生態恢復、水文和水土保持。E-mail:yinhui741852963@163.com。