太湖流域丘陵區兩種土地利用類型土壤水分分布控制因素

徐　飛, 賴曉明, 朱　青, 廖凱華

1 中國科學院南京地理與湖泊研究所, 流域地理學重點實驗室, 南京　210008

2 中國科學院大學, 北京　100049

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太湖流域丘陵區兩種土地利用類型土壤水分分布控制因素

徐飛1,2, 賴曉明1,2, 朱青1,*, 廖凱華1

1 中國科學院南京地理與湖泊研究所, 流域地理學重點實驗室, 南京210008

2 中國科學院大學, 北京100049

摘要:為探究太湖流域丘陵區典型土地利用類型(如竹林地和茶園)土壤水分的控制因素，在不同深度土壤水分定期觀測的基礎上，根據前7d降雨量將研究時段劃分為干旱狀態和濕潤狀態，利用分類與回歸樹(CART)方法得出不同干濕狀態下土壤水分分布的主控因子，并借助典范對應分析(CCA)定量分析不同土地利用類型、不同土壤深度土壤水分格局與環境因子關系。結果表明：(1)高程、土地利用類型和土層厚度對土壤水分分布的相對貢獻率最大，但在不同干濕狀態下其影響程度存在差異； (2)干旱狀態時土壤水分主要受高程、坡度、地形濕度指數(TWI)和剖面曲率等地形因素的作用，而土層厚度和粘粒也分別為0—20 cm和20—40 cm深度土壤水分的主控因子； (3)在濕潤狀態下，茶園0—20 cm土壤水分的主控因素為地形因子，在20—40 cm則以土壤性質為主，竹林地兩個深度的土壤水分受地形和土壤性質的作用都很強，其中20—40 cm深度土壤水分與環境因子的關系較0—20 cm深度更為復雜。

關鍵詞：太湖流域; 土壤水分; 環境因子; 主控因子

土壤水分是陸地生態系統最重要的因素之一，其時空變化研究在多個學科和應用領域有著重要的意義[1]。首先，土壤水分對土壤的形成和發育、土壤中物質和能量的運移以及植物的生存與生長，都有著重要的影響；其次，作為一種重要的水資源，土壤水分通過控制地球表層水分和能量遷移和建立土壤-植物-大氣連續體(SPAC)之間的物理關系，進而在全球水循環中起到了關鍵作用[2- 3]。因此，土壤水分的時空格局在土壤學、水文學和生物化學領域引起了極大的重視并得到廣泛的研究。

土壤水分受地形、土壤性質和土地利用方式等多種因素的復雜影響。傳統觀點認為，在干旱季節，土壤水分的空間分布主要受到土壤理化性質的影響；而在濕潤季節，則主要受到地形因素的影響[4- 5]。然而，隨著研究區域氣候、地形條件和土地利用類型的變化，土壤水分含量的時空分布規律及其控制因素往往大不相同[6- 7]。此外，當前已有的相關研究大多側重于研究表層土壤水分的時空變化規律，而對下層土壤水分的研究尚不多見[8- 9]。因此，深入探討不同氣候、地形、土地類型和土層深度條件下土壤水分時空分布的影響因子，是當前需要解決的重點問題。

目前，國內有關土壤水分與環境因子關系的研究主要集中在西北干旱地區，尤其是黃土丘陵區。如劉鑫等[10]以晉西黃土區典型梁坡面為例，基于地形因子對土壤水分分異進行了深入研究；姚雪玲等[7]分析了黃土丘陵溝壑區坡面尺度土壤水分空間變異及其與影響因子之間的關系。然而，有關太湖流域丘陵區土壤水分與環境因子的關系研究仍比較缺乏。太湖流域水體富營養化問題日益嚴重，土壤水分分布和壤中流被認為是營養鹽輸移的主要控制因素之一[11]。尤其是近年來隨著經濟發展的需要，太湖流域丘陵區林地被大量開發為園地和旱地[12]，由此帶來的農業水肥投入及土壤水文過程變化給該區水環境也造成了很大影響。因此，研究太湖流域丘陵區典型土地類型土壤水分時空格局的控制因素，對于該區域水土資源可持續利用和農業水肥管理具有較強的現實意義。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于太湖流域西部南京高淳區的青山茶廠(31°22′ N，119°03′ E)。該地區屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，年均降雨量超過1100 mm，但年內分配不均，近60%集中在4—9月，光照充足，年均氣溫15.9 ℃。研究區海拔在80—90 m范圍內，整體上呈西北高東南低的變化趨勢，土壤類型以薄層粗骨土為主，土壤粒徑分布中粉粒含量最高(超過70%)，砂粒含量和粘粒含量相當(約13%)，土層厚度自18 cm到86 cm不等，空間差異很大。地貌類型為典型的丘陵山區，坡度變化范圍在0.02—19.5°。該地區農業發達，主要土地利用類型有毛竹林地和茶園。

圖1　研究區位置及監測樣點分布示意圖　Fig.1　Schematic diagram of the study area and sample point distribution

1.2樣點布置與數據采集

在青山茶廠選取茶園(10年生)和毛竹林(30年生)兩種典型土地類型，根據地形布設77個土壤水分監測點，其中茶園39個，竹林地38個(圖1)。在每個監測樣點安裝PVC接入管，采用剖面土壤水分傳感器(TRIME-PICO-IPH)測定不同深度(0—20 cm和20—40 cm)土壤水分，測定日期自2013年1月9日至11月13日，共12次，其中5月中旬有典型降雨，因而連續測定了3次。采用土鉆法采集各樣點不同深度處土壤樣品，同時記錄下土層厚度，將土壤樣品帶回實驗室風干、過2 mm篩，利用Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀測量土壤粒徑分布，得到砂粒(0.05—2 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)和黏粒(0—0.002 mm)含量。此外，根據1∶5000地形圖生成1 m分辨率的研究區數字高程模型(DEM)，進而利用ArcGIS的空間分析模塊提取各監測樣點位置上的地形因子，包括地形濕度指數(TWI)、高程、坡度和剖面曲率。

1.3研究方法

利用決策樹中的分類回歸樹(CART)模型研究不同干濕條件下土壤水分分布的影響因素，相關分析在Clementine12.0軟件中完成。CART最早于1984年提出，是一種廣泛應用的基于樹結構產生分類和回歸模型的統計過程[13]，其內部是個分層的二叉樹結構，在每個節點處利用最優的變量將數據劃分為兩個相互獨立的子集，最終可以得出各變量在數據分類中的貢獻率。CART中輸入變量和輸出變量可以是分類型也可以是數值型。利用CART模型，分別將不同時期各樣點的平均土壤含水量作為因變量輸出，其對應的環境因子作為自變量輸入，從而獲取各環境因子對土壤水分分類的相對貢獻率。

利用典范對應分析(CCA)方法對土壤水分監測樣點進行排序分析，并得到其分布格局與環境因子關系的雙序圖，相關分析在Canoco4.5軟件中完成。CCA又名多元直接梯度分析，是基于對于分析發展而來的一種排序方法，將對應分析與多元回歸分析相結合，每一步計算均與環境因子進行回歸。CCA主要用于分析植物群落時空變異及其與環境因子的關系，近年來在土壤水分時空格局與環境因子關系方面多有應用[14- 15]。運用時首先要對定性數據進行編碼，將茶園定義為1，竹林地定義為2。此外該方法需要兩個數據矩陣，在本研究中為土壤水分含量矩陣和樣點對應的環境因子矩陣。土壤水分含量矩陣為P×N維，其中P為采樣次數(共12次)，N為監測樣點數目。環境因子矩陣為Q×N維，其中Q為環境因子數量。

2結果與分析

2.1干濕變化條件下土壤水分主控因子識別

根據前7d降雨量大小，將12次土壤水分測量數據分為兩類，分別代表土壤的干旱狀況和濕潤狀況(表1)。其中濕潤狀態包括2013年3月27日、5月10日、5月13日、5月15日和7月7日共5次，余下7次屬于干旱狀態。值得注意的是，土壤平均含水量不僅受降水影響，還受到土地利用類型和土壤深度的作用。竹林地對應深度處的土壤平均含水量均顯著高于茶園(約2倍)，這可能是因為竹林地地表的枯枝落葉等能有效降低地表的蒸散發，從而更好地涵養水源，且竹林地的礫石含量為0.42(重量比)，要低于茶園的0.51，導致兩種土地利用類型的土壤飽和含水量存在差異。同時，在干旱狀態下表層0—20 cm深度土壤平均含水量整體上低于20—40 cm深度，濕潤狀態下情況則不同，0—20 cm深度的平均土壤含水量與20—40 cm基本持平或略高。

表1　不同降雨條件下兩種土地利用的土壤含水量

CART分析結果如表2所示，可見太湖流域丘陵區土壤水分分布主要受高程、地形濕度指數和土地類型的影響，但不同時期的主控因子存在一定差異。在整個研究時段內，高程、土地類型和土層厚度對土壤水分的影響起著主導作用，共解釋了77.7%的累積貢獻率；在干旱狀態，高程對土壤水分影響的貢獻率最大(38.2%)，其次為坡度(18.8%)和土層厚度(12.6%)；而在濕潤狀態，土壤水分空間格局的主控因子則為土地類型、TWI和粘粒，它們的累積貢獻率達到64.1%，此外高程和土層厚度對土壤水分也有一定影響。

與以往的研究不同[10,14]，本研究區各時段內土壤水分的主控因子呈現數量較多，單一因子相對貢獻率偏小的特點，且與分階段相比，在整個時段部分環境因子對土壤水分的影響出現波動變化。這可能是因為太湖流域丘陵區地形和土壤性質等空間異質性很大，且植被覆蓋率高、土地利用類型多樣，加上降雨的年內分布不均，導致土壤水分與環境因子之間的關系隨時間變化差異較大。

表2　環境因子對不同時段土壤水分影響的相對貢獻率

2.2干旱狀態時土壤水分與環境因子的定量關系

圖2為干旱狀態時茶園和竹林地不同深度土壤水分與環境因子的CCA排序情況，可見前兩軸累積解釋的土壤水分與環境因子相關系數與總方差的比值均超過80%，排序達到了較理想的效果。在茶園0—20 cm深度，第一軸與土層厚度和高程顯著相關，相關系數分別為0.278和-0.262，第二排序軸與坡度(0.238)和剖面曲率(-0.222)相關性較好，與其他環境因素的關系并不顯著。由此可知，茶園0—20 cm土壤水分分布的主控因子為土層厚度、高程、坡度和剖面曲率。在20—40 cm深度，與第一軸關系緊密的有粘粒(-0.370)、高程(0.355)、坡度(-0.291)和TWI(0.261)，第二軸方向投影較長的是土層厚度(0.347)和剖面曲率(-0.274)，這些因素是茶園20—40 cm土壤水分變異的主控因子。

圖2　干旱狀況時竹林地、茶園不同深度的土壤水分與環境因子的CCA排序圖Fig.2　Ordination diagram resulting from CCA on soil moisture with environment attributes at different depths in the bamboo forest and the tea garden during the dry condition箭頭連線代表環境因子，箭頭連線的長度代表環境因子與土壤水分分布格局的相關性大小，連線越長，相關性越大，反之越小，箭頭連線投影在排序軸上的長度代表該環境因子與排序軸的相關性大小; TWI：地形濕度指數Topographic Wetness Index

對于竹林地0—20 cm深度而言，第一排序軸包含了大部分的環境信息，主要反映了土層厚度(-0.4017)、TWI(-0.400)、高程(0.339)和剖面曲率(-0.323)等的梯度變化，第二排序軸則與坡度顯著相關(0.248)。而在20—40 cm深度，粘粒含量(0.272)的影響明顯增大，坡度(0.412)、高程(0.271)和TWI(-0.21)也具有一定影響，說明該深度土壤水分主要受坡度、粘粒含量、高程和TWI的共同作用。

干旱狀態時太湖流域丘陵區坡面土壤水分主控因子主要受土壤深度影響，土地利用類型的作用較弱。在0—20 cm深度，地形因子(如高程、坡度和剖面曲率等)和土層厚度是竹林地和茶園土壤水分空間格局的主控因子。在20—40 cm深度，粘粒含量的影響明顯增大，這首先與土壤質地在不同深度的空間分布有關，表層(0—20 cm)土壤質地較為均一，其砂粒、粉粒、粘粒的變異系數分別為0.27、0.03、0.11，而下層(20—40 cm)空間異質性高于表層，對應的砂粒、粉粒、粘粒變異系數則分別為0.33、0.05、0.13。另一方面可能是由于該深度土壤水分受外界環境(如降雨和蒸散發)的影響要小于0—20 cm深度。此外，干旱狀態下茶園和竹林地對應深度土壤水分主控因子類似，表明在此時段土地利用類型對土壤水分影響較小，這不同于史志華等[16]的研究結論，鑒于兩個研究區相近的氣候和地形地貌，最大的可能是研究尺度的差別，類似的結論在王信增等[15]的研究中得到驗證。

2.3濕潤狀態時土壤水分與環境因子的定量關系

圖3為茶園和竹林地不同深度(0—20 cm和20—40 cm)環境因子對土壤水分分布的影響結果，可見對于茶園0—20 cm深度，第一軸與坡度(-0.416)和高程(0.392)顯著相關，與砂粒含量(-0.237)也有一定的相關性，而第二軸僅與剖面曲率(-0.296)相關性較好，上述表明濕季茶園0—20 cm深度土壤水分主控因子仍為地形因子(高程、坡度和剖面曲率)。在20—40 cm深度，第一排序軸主要反映的是粘粒含量(-0.409)和土層深度(-0.350)的梯度變化，第二軸則主要反映的是砂粒(0.265)和粘粒(-0.230)的梯度變化，說明土壤性質(土壤質地和土層厚度)是該深度土壤水分分布的主控因子。

圖3　濕潤狀態時竹林地、茶園不同深度的土壤水分與環境因子的CCA排序圖Fig.3　Ordination diagram resulting from CCA on soil moisture with environment attributes at different depths in the bamboo forest and the tea garden in the wet condition

在竹林地0—20 cm深度，第一、二軸方向箭頭連線較長的僅有TWI(-0.259)、粘粒(0.215)和高程(0.202)，因此TWI、粘粒和高程為濕季林地0—20 cm深度土壤水分主控因子。而在20—40 cm深度處，土壤水分空間格局的主控因子較多，包括粉粒(-0.419)、粘粒(0.404)、坡度(0.388)、土層厚度(-0.334)、剖面曲率(-0.348)和砂粒(0.305)等。

與干旱狀態時不同，濕潤狀態下太湖流域丘陵區土壤水分格局的主控因子受土壤深度、土地利用類型的作用都很大。茶園0—20 cm、20—40 cm深度土壤水分的主控因子分別為地形因子和土壤性質，而竹林地地形因子和土壤性質對0—20 cm和20—40 cm兩個深度的土壤水分影響都很大。此外，就土壤水分的具體影響因素而言，兩種土地類型也存在差異，相對于茶園0—20 cm深度影響土壤水分的地形因子主要為坡度、高程，林地0—20 cm深度則變為TWI。20—40 cm深度竹林地土壤水分與環境因子的關系遠比茶園復雜，其主控因子的數量、影響大小均高于茶園。

濕潤狀態下土壤深度和土地利用類型對土壤水分主控因子的作用偏大很可能與植被有關。王軍德等[17]的研究表明，植被根系對不同深度處的土壤水分影響不同，在30 cm處達到最大，由此導致20—40 cm土壤水分的主控因子較表層復雜。與此同時，濕潤時段幾乎對應著植被生長茂盛期(表1)，在此時段不同土地利用方式下其植被生長狀況大不相同。與竹林地的近似自由生長不同，茶園受人類活動如除草、修剪、施肥等干擾明顯增強。不同植被類型無論是通過冠層對降雨的截留再分配作用，進而影響水分入滲，還是根系吸水能力都有較大差異[18- 20]，因而濕潤狀態時土壤水分主控因子在竹林地和茶園顯示出很大不同。

3小結

本文結合CART和CCA方法研究太湖流域丘陵區茶園和竹林地不同深度(0—20 cm和20—40 cm)土壤水分與環境因子的關系，得出以下主要結論：

(1)土壤平均含水量受降雨影響很大，濕潤狀態時要高于干旱狀態，同時土壤水分分布的主控因子在不同季節表現形式有很大差異，干旱狀態時土壤水分的主控因子以地形因子為主，到了濕潤狀態則受到地形和土壤性質的顯著作用。

(2)土地利用類型對土壤水分的作用同樣表現在平均含水量大小及土壤水分主控因子兩方面。首先，竹林地平均土壤含水量兩倍于對應深度的茶園，其次，在干旱狀態下，土地利用類型對土壤水分與環境因子的關系影響較小，兩種土地利用類型對應深度土壤水分的主控因子相似，但在濕潤狀態，主控因子無論是數量還是類型都存在顯著差異。

(3)土壤水分分布主控因子受土壤深度的影響同樣顯著，在兩種土地類型的干旱、濕潤狀態，20—40 cm深度土壤水分主控因子數量均多于0—20 cm深度，表明環境因子與下層土壤水分(20—40 cm)的關系比表層土壤(0—20 cm)復雜。

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The controlling factors of soil moisture distribution under two typical land-use hillslopes in a hilly region of Taihu Lake basin

XU Fei1,2, LAI Xiaoming1,2, ZHU Qing1,*, LIAO Kaihua1

1KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Soil moisture is one of the most important factors in terrestrial ecosystems. Adequate knowledge of its spatio-temporal variability is critical to many scientific and practical applications. We explored the factors controlling moisture distribution in soils under typical land-use types (i.e., bamboo forest and tea garden) in a hilly region of Taihu Lake basin. In situ soil moisture measurements were made at different depths, and these were classified as dry or wet conditions, based on the precipitation during the previous 7 d. The main controlling factors were identified by using the classification and regression tree (CART) method. Canonical correspondence analysis (CCA) was then applied to quantitatively analyze the relationships between soil moisture and environmental factors under different land-uses at different soil depths. The results show that: (1) the relative influences of elevation, land use, and soil thickness on soil moisture distribution were larger than those of other environmental factors in most cases. Together these accounted for more than 50% of the total variation in soil moisture. However, their relative contributions differed between dry and wet conditions. (2) In dry conditions soil moisture was mainly affected by topographic indices such as elevation, slope, topographic wetness index (TWI) and profile curvature. Soil thickness and clay content also significantly affected soil moisture at 0—20 and 20—40 cm depths, respectively. The main factors controlling soil moisture in dry conditions varied with soil depth, but not with land-use type. This finding was different from that of a previous study, in which the study area had similar landforms and climatic conditions. This may be due to the effects of spatial scale. (3) In wet conditions, topographic indices and soil properties were the main factors controlling soil moisture in tea gardens at 0—20 and 20—40 cm depths, respectively. Both topographic indices and soil properties were the main controlling factors of soil moisture in a bamboo forest at these two depths. It is noted that the relationship between soil moisture and environmental factors at 20—40 cm depth is more complicated than that at 0—20 cm depth in bamboo forest. In contrast to dry conditions, both soil depth and land-use type had a significant impact on the environmental factors that control soil moisture distribution. This study is of great relevance to the sustainable utilization of water and soil resources and to the management of water and fertilizer in agriculture in this region.

Key Words:Taihu Lake basin; soil moisture; environmental factors; main controlling factors

DOI:10.5846/stxb201405181019

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: qzhu@niglas.ac.cn

收稿日期:2014- 05- 18; 網絡出版日期:2015- 06- 12

基金項目:國家自然科學基金(41271109, 41301234); 中國科學院南京地理與湖泊研究所“一三五”重點項目(NIGLAS2012135005)

徐飛, 賴曉明, 朱青, 廖凱華.太湖流域丘陵區兩種土地利用類型土壤水分分布控制因素.生態學報,2016,36(3):592- 599.

Xu F, Lai X M, Zhu Q, Liao K H.The controlling factors of soil moisture distribution under two typical land-use hillslopes in a hilly region of Taihu Lake basin.Acta Ecologica Sinica,2016,36(3):592- 599.