桂林地區不同土地利用方式下土壤熱導率空間變化

陶渙壯 甘磊 馬蕊 張中彬 程芳麗

摘要：以廣西桂林市農業科學院大豆種植地、甘蔗種植地、梨樹種植地為例，對3種土地利用方式下干旱、中等、濕潤土壤水分情況中土壤熱導率的空間變化進行研究。結果表明：在干旱和濕潤水分條件下，土壤熱導率表現為梨樹地>甘蔗地>大豆地，而中等水分條件下梨樹地>大豆地>甘蔗地；土壤熱導率的大小變化趨勢與含水量相一致，說明土壤熱導率的大小主要受土壤含水量的影響；土壤熱導率的地統計分析表明，在3種土壤水分條件下，大豆地的土壤熱導率空間結構比在50%～65%范圍內，屬于中等相關性，而甘蔗地和梨樹地的空間結構比大于75%，空間相關性很強；大豆地的土壤熱導率的高閾值空間分布比甘蔗地的穩定性好，主要是因為甘蔗地受壟溝灌溉的影響；而梨樹地是免耕地，其空間分布穩定性較弱。研究結果說明，在研究區域土壤對其熱導率空間相對穩定性具有一定維持能力，但土壤熱導率的穩定性受耕作和灌溉等人為因素的影響。

關鍵詞：土地利用方式；土壤熱導率；土壤水分；地統計分析；空間變化

中圖分類號： S152.8文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0226-04[HS）][HT9.SS]

“溫室效應”引起的全球變暖現象，導致氣溫、降水量、蒸散發速率發生變化，從而對土壤性質產生直接影響[1]。土壤熱特性主要包括熱導率、熱容量等特性[2]。其中，熱導率反映土壤熱量傳輸能力的大小，一直是研究熱點[3]。土壤熱導率不僅引起土壤溫度發生變化，也對各種物質遷移轉化的程度、數量以及植物生長及其對水肥吸收產生直接影響，同時也影響土壤水、氣在土壤中的分布及其傳輸特征，進而影響土壤中各種物理化學過程發生及其程度[4]。通常影響土壤熱導率的因素有土壤含水量、質地、容重、有機質、孔隙度[5]。降水與土壤含水量、熱導率也存在一定的相關性，降水會增加土壤含水量，而土壤含水量的迅速增加使得土壤熱導率明顯升高[6]。各種土地利用方式下的土壤理化性質存在著不同程度的差異[7]，土壤容重大則孔隙度小，土壤越緊實，土壤熱導率越大。土壤質地越粗，熱導率隨含水量改變而變化的速度越快。當土壤質地相同時，含水量增大，熱導率也迅速升高[8-9]。結合地理信息系統（GIS）技術與地統計學方法可以較好地模擬土壤熱導率的空間結構和變異特征，同時土地利用方式對土壤熱導率空間分布有著較強的關聯性[10-11]。因此，對土壤熱導率的研究能夠提高土壤水分、養分高效利用率及土壤質量等。本研究以種植大豆、甘蔗、梨樹3種土地利用方式為對象，分析干旱、中等、濕潤土壤水分條件中土壤熱導率的變化以及空間分布，以期為廣西喀斯特地區農業干旱應對、農田合理灌溉制度的制定以及水土流失治理等問題提供理論基礎。

1材料與方法

1.1試驗區概況

試驗區域位于廣西桂林市雁山區的桂林市農業科學院（25°4′N、109°44′E），屬于亞熱帶季風氣候。試驗區地勢較為平坦，平均海拔約為160 m。該區多年平均降水量約為 1 894 mm，降水量全年分布不均，雨季為4—9月，降水量占全年的60%左右。其中年平均蒸發量1 490～1 905 mm，多年平均氣溫為18～19 ℃。利用手持全球定位系統（GPS）分別在大豆、甘蔗、梨樹種植地選取面積為14 175 m2（135 m×105 m）的試驗區，每個測量點間相隔15 m，共設置80個測量點。同時在每個試驗區內隨機設置20個次級測量點，整個試驗區共設置100個測量點。

1.2采樣與分析

試驗開始前，分別用環刀采集3個試驗區表層土樣（0～6 cm），帶回實驗室測定土壤質地、容重、總孔隙度、有機質含量。土壤含水量利用手持土壤水分測定儀（HH2 Moisture Meter，英國）測定，測量前設備已標定。每次測定均是在1 d內完成，當遇到降水發生時，再測1次。測量時段為2014年8月至2015年3月。根據不同土地利用方式的土壤含水量大小進行分析，分別選取干旱、中等、濕潤3種土壤水分狀態對土壤熱導率進行分析。

按照Campbell[12]經驗公式計算土壤熱導率λ（θ）：

[JZ（]λ（θ）=1+Bθ-（A-D）exp[-（Cθ）E]。[JZ）][JY]（1）

其中，A、B、C、D、E是與土壤性質有關的系數，具體關系如下：

[JZ（]A=0.65-0.78ρb+0.60ρ2b；[JZ）][JY]（2）

[JZ（]B=1.06ρb；[JZ）][JY]（3）

[HS2][JZ（]C=1+[SX（]2.6m0.5c[SX）]；[JZ）][JY]（4）

[JZ（]D=0.03+0.10ρ2b；[JZ）][JY]（5）

[JZ（]E=4。[JZ）][JY]（6）

式中：ρb為土壤容重；mc為黏粒含量分數。ρb、mc是方程中的2個常量。

土壤熱導率的地統計分析中，利用半變異函數方法進行數據空間變化的分析，計算公式如下[13]：

[HS2][JZ（]r（h）=[SX（]12N（h）[SX）]∑[DD（]N（h）i=1[DD）][Z（xi）-Z（xi+h）]2。[JZ）][JY]（7）

式中：r（h）是空間間隔為h的半變異函數；N（h）為被間隔h分割的數據點對數；Z（xi）為隨機變量Z在點xi處的值；Z（xi+h） 為Z在相距點xi為 h遠處的值。

Zhao等研究表明，半變異函數的指數模型能很好地進行插值[14]，因此本研究選取指數模型進行地統計分析。塊金值（C0）、基臺值（C+C0）、偏基臺值（C）以及最大相關距離是在指數模型擬合中得到的4個重要參數。塊金值（C0）表示區域化變量在小于試驗研究尺度時非連續變異，受區域化變量屬性以及測量誤差共同制約；基臺值（C+C0）表示當采樣點間的距離h增大時，半變異函數r（h）從初始的塊金值達到一個相對穩定的常數；偏基臺值（C）是基臺值與塊金值的差值；最大相關距離表示變異函數由初始塊金值達到基臺值時的測量點之間的間隔距離。空間結構比直接反映了空間相關性的強弱，即偏基臺值（C）與基臺值（C+C0）的比值，該值越大，空間相關性越強。根據Cambardella等的研究[15]，當C/（C+C0）>75%時，變量之間空間相關性十分強烈；當C/（C+C0）為25%～75%時，變量之間空間相關性是中等程度；當C/（C+C0）<25%時，變量的空間相關性變得很微弱。

所有測量數據運用SPSS 13.0軟件進行分析，土壤熱導率的地統計分析和空間分布制圖運用ArcGIS 10.0軟件。

2結果與分析

2.1土壤屬性基本情況

2.2土壤含水量和土壤熱導率的統計描述

由表2可見，在干旱和濕潤的水分條件下，土壤含水量都是梨樹地>甘蔗地>大豆地，但在中等水分條件下，土壤含水量表現為梨樹地>大豆地>甘蔗地。干旱條件下大豆地土壤含水量最小，為0.037 cm3/cm3，濕潤條件下梨樹地土壤含水量最大，為0.282 cm3/cm3。在土壤熱導率方面，同樣是在干旱和濕潤的水分條件下梨樹地>甘蔗地>大豆地，中等水分條件下梨樹地>大豆地>甘蔗地。最小土壤熱導率值出現在干旱條件下的大豆地，為0.277 W/（m·K）；最大值出現在濕潤條件下的梨樹地，為0.986 W/（m·K）。

2.3土壤熱導率的地統計分析

由表3可見，在3種水分條件下，土壤熱導率的最大相關距離為27.50～207.20 m，大于試驗區觀測點之間的距離，證明這些觀測值之間存在空間相關性。從塊金值和偏基臺值來看，3個試驗區在干旱、中等水分、濕潤條件下，塊金值都比偏基臺值小。從空間結構比可知，在3種水分條件下，甘蔗地和梨樹地的空間結構比都大于75%，說明空間相關性很強。而大豆地的空間結構比都大于50%，在25%～75%范圍內，屬于中等的空間相關性。

從ArcGIS軟件對土壤熱導率進行地統計分析的成圖中，可以知道土壤熱導率在試驗區的空間分布情況。每幅圖中顏色深淺代表土壤熱導率的高低，顏色越深，土壤熱導率就越高，每幅圖中顏色深淺的變化都有各自的變化閾值。圖1代表大豆地分別在干旱、中等水分、濕潤的土壤水分條件下的土壤熱導率空間分布。如圖1-a所示，在干旱水分條件下，土壤熱導率以中等閾值為主，土壤熱導率的高閾值分布于圖中的東北角，低閾值分布在西南角。如圖1-b所示，在中等水分條件下，土壤熱導率的低閾值從中部逐漸向東北角和東南角遞增，高閾值位于圖中東北角。如圖1-c所示，在濕潤條件下，土壤熱導率的高閾值位于東北角，低閾值分布于西北角。在3種土壤水分條件下，大豆地土壤熱導率的高閾值都位于試驗區的東北部，說明土壤熱導率的空間分布具有很好的穩定性。圖2表示甘蔗地在干旱、中等水分、濕潤的水分條件下土壤熱導率的空間分布圖。如圖2-a所示，在干旱條件下，土壤熱導率在圖中中部以2個高閾值為圓心向四周遞減，低閾值出現于圖中西北角。如圖2-b所示，在中等水分條件下，土壤熱導率的高閾值位于南部，但比較分散，低閾值分布于[CM（25]北部。分布比較明顯，高閾值分布于東南角，低閾值位于西北角。在3種土壤水分條件下，甘蔗地土壤熱導率的高閾值在南部都有出現，同樣具有一定穩定性。圖3表示梨樹地在干旱、中等水分、濕潤的水分條件下土壤熱導率的空間分布。如圖3-a所示，在干旱條件下，土壤熱導率的高閾值分布于圖中東北角和南部，以圓圈的形式向四周輻射減少，低閾值位于西北角。如圖3-b所示，在中等水分條件下，土壤熱導率的高閾值位于西北角，低閾值位于東南角，從整體上看，北部的土壤熱導率比南部高。如圖3-c所示，在濕潤條件下，土壤熱導率高閾值零散分布于西北角、西南角、東南角，低閾值位于東南角，以圓形為中心向四周遞增。從干旱到濕潤中，梨樹地土壤熱導率的高閾值空間分布較為零散，穩定性相較于其他2個試驗區較弱。

3結論與討論

3.1結論

本研究分析了桂林地區3種土地利用方式在干旱、中等、濕[CM（25]潤的土壤水分條件下，土壤熱導率的大小和空間結構變化[CM）][FL）]

情況。在干旱、濕潤水分狀態下，土壤熱導率的大小都表現為梨樹地>甘蔗地>大豆地，而在中等水分條件下，土壤熱導率的大小表現為梨樹地>大豆地>甘蔗地，其變化與土壤含水量的變化趨勢相一致，說明土壤含水量是引起土壤熱導率變化的主要因子。從土壤熱導率的地統計分析結果可以看出，在3種土壤水分狀態下，所有塊金值都比偏基臺值小，說明土壤熱導率的空間變化主要受土壤屬性和降水等非人為因素的影響，其中土壤含水量是引起土壤熱導率空間變化的主要因子。大豆地的土壤熱導率空間結構比范圍是50%～65%，屬于中等相關性，而甘蔗地、梨樹地的空間結構比大于75%，空間相關性很強。大豆地的土壤熱導率的高閾值分布較穩定，而甘蔗地受壟溝灌溉的影響，其穩定性比大豆地略差。由于梨樹地是免耕地，其土壤熱導率的高閾值分布零散，穩定性較弱。研究結果說明土壤對其熱導率空間相對穩定性具有一定維持能力，但土壤熱導率的穩定性受耕作和灌溉等人為因素的影響。

3.2討論

土壤熱導率的大小受到土壤顆粒組成、含水量、容重、孔隙率的影響[16]。在干旱和濕潤水分條件下，土壤熱導率表現為梨樹地>甘蔗地>大豆地，而中等水分條件下梨樹地>大豆地>甘蔗地。同時土壤熱導率的大小變化趨勢與含水量相一致，說明土壤熱導率的大小主要受土壤含水量的影響，并且隨著含水量的增加而呈冪函數增加趨勢[2]。土壤含水量的變化主要受蒸散發和降水等因子制約，其中降水是調節土壤含水量變化的主要方式[17]。在3種水分條件下，梨樹地的土壤含水量之所以大于大豆地、甘蔗地，主要原因是甘蔗地和大豆地的地表覆蓋物較少，對土壤水分的蒸發作用較強以及對降水反應較為敏感，使土壤含水量相較于梨樹地低；而梨樹地有機質含量高以及枝葉覆蓋面積較大，調蓄水分的能力較強，從而保證土壤含水量較高，相對應的土壤熱導率就會升高[18]。同時梨樹地屬于長期免耕地，而大豆地、甘蔗地遭受長期翻耕。這與趙君等關于免耕和留茬的耕作方式可以提高土壤含水量的研究成果[19]相符合。這也間接說明耕作也影響土壤熱性質。相比傳統耕作系統，長期免耕的土壤擾動少，在有機質、土壤粒徑分布、土壤儲水能力上都將發生改變，而這些改變都會影響土壤熱導率[20]。在干旱土壤水分狀態下，3個試驗區的土壤含水量、熱導率數值上相差不大；但在中等水分條件時，3個試驗區土壤含水量差別不大，而熱導率有差異。這主要是由3個試驗區的容重、砂粒含量有差別而共同影響造成的。大豆地的土壤容重顯著大于其他2個試驗區（P<0.05）。有研究表明，砂粒含量越高，粉粒含量越低，土壤熱導率越大，土壤導熱能力越強[21]。Abuhamdeh等認為，在2種類型土壤中熱導率隨容重的增大而增加[22]。土壤熱導率的計算公式是一個冪函數，因此自變量中土壤含水量、容重、質地的微小改變也會引起土壤熱導率較大的變化。這種計算方法早已經在其他研究中應用，被證明是合適的[23]，這與本研究結果相一致。

在3種水分條件下，3個試驗區的塊金值都小于偏基臺值，其中甘蔗地、梨樹地的塊金值比偏基臺值小了76%～98%，這表明土壤熱導率空間變異主要是由土壤母質、地形、氣候等非人為因素和空間自相關部分引起的[24]。而降水對土壤含水量的變化起非常強烈的反應[25]，導致土壤熱導率的空間變化受到土壤含水量的影響，進而說明了降水等非人為因素影響了土壤熱導率空間變化。大豆地的空間結構比小于其他2個試驗區，主要原因是大豆地經常遭受耕作、鋤草、灌溉等人為因素的影響，從而塊金值增大，導致土壤熱導率變小和空間相關性降低。從圖1可以看出，從干旱到濕潤過程，大豆地土壤熱導率高閾值的分布很穩定，都位于在東北角，主要原因是大豆地的土壤含水量波動區間很小，數值間隔不大。從圖2可看出，甘蔗地在干旱條件下土壤熱導率高閾值在東北角；而在其他2個水分條件下，土壤熱導率高閾值都分布在西南角。主要原因是甘蔗在種植時采用壟溝灌溉方式，儲存水量多[26]，熱導率隨著含水量增加而增加，所以土壤熱導率在中等水分和濕潤條件下空間分布較穩定。梨樹地從干旱到濕潤過程中，土壤熱導率高閾值的空間分布零散且不穩定。主要原因是梨樹地是免耕地，造成地表凋落物的覆蓋增多和有機質含量豐富等情況[27]，導致熱導率空間變化不穩定。

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