西藏農(nóng)牧交錯(cuò)帶農(nóng)田與相鄰草地土壤含水量空間分布特征

連玉珍，曹麗花，劉合滿，楊 紅，郭豐磊，韓曉浩

(1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院 高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000；2. 西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 林芝 860000；3. 西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，西藏 林芝 860000；4. 西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000)

【研究意義】土壤含水量是表征土壤干濕狀況的重要物理參量，是影響植物生長發(fā)育和土壤物質(zhì)循環(huán)過程的重要屬性指標(biāo)。在空間分布上，土壤含水量廣泛受氣候條件[1]、樣點(diǎn)位置[2-3]、土地利用方式[4-5]和土地管理等因素的綜合影響。其中，區(qū)域尺度上，土地利用方式[6]是影響土壤含水量的最重要因素之一，由于其深刻地影響著地表植被蓋度、土壤結(jié)構(gòu)等，并進(jìn)而對土壤水分入滲、蒸發(fā)等水循環(huán)過程產(chǎn)生影響，從而影響了土壤含水量的空間分布。土壤含水量在時(shí)間和空間上具有高度的異質(zhì)性，從而使土壤含水量分布特征，尤其是空間分布特征及模擬廣受關(guān)注[7-8]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)可以較好的模擬土壤性質(zhì)在空間上的分布特征，并可通過空間分布模型對土壤性質(zhì)在不同尺度上的分布進(jìn)行模擬和預(yù)測，這為從點(diǎn)尺度向面尺度的轉(zhuǎn)換和預(yù)測提供了有效的工具。【前人研究進(jìn)展】目前，已有研究者采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)工具對不同空間尺度上土壤含水量分布特征進(jìn)行分析和模擬，Rosenbaum等[9]在小流域尺度上對土壤含水量季節(jié)性變化進(jìn)行了空間模擬分析，發(fā)現(xiàn)不同深度土壤含水量空間分布符合指數(shù)函數(shù)模型；Brocca等[10]采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)工具在流域尺度上對土壤含水量時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，均得到良好的模擬效果。【本研究切入點(diǎn)】農(nóng)牧交錯(cuò)帶是農(nóng)耕區(qū)與草原牧區(qū)相連接的半干旱生態(tài)過渡帶，或是農(nóng)業(yè)和草原并存的生態(tài)區(qū)，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)地位，同時(shí)又是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。土壤含水量受到土地利用方式的深刻影響，而廣受關(guān)注，如不同學(xué)者對北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同土地利用方式下土壤含水量特征[11]及空間分布特征[12]等進(jìn)行了研究。西藏大部分區(qū)域?qū)儆诘湫偷霓r(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，農(nóng)田和自然草地是主要的土地利用方式，這兩種土地利用方式顯著影響著土壤水循環(huán)。然而，由于西藏高原高寒、缺氧的氣候和不便的交通條件，關(guān)于土壤含水量的研究僅停留在點(diǎn)尺度上，尤其是缺乏基于不同土地利用方式背景下表層土壤含水量空間分布模型的研究，這不利于由點(diǎn)尺度向面尺度的擴(kuò)展。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以拉薩市林州縣農(nóng)田及相鄰草地為研究對象，綜合利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論知識和方法，對研究區(qū)農(nóng)田和草地表層土壤含水量進(jìn)行空間分析，以期為青藏高原高寒農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)土壤水分空間分布與不同土地利用方式下的土壤含水量的預(yù)測研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于拉薩市林周縣。該縣地處雅魯藏布江中游河谷地帶，屬于高原季風(fēng)氣候區(qū)，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，年均氣溫5 ℃，年均降水量491 mm，夏季雨水豐沛，無霜期120 d。農(nóng)牧業(yè)發(fā)展較好，主要農(nóng)作物有青稞、小麥、大麥、油菜等，是拉薩市的主要產(chǎn)糧基地。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的設(shè)置與數(shù)據(jù)采集 采樣點(diǎn)位置為N 29°52′57″，E 91°21′18″，海拔為3755 m，在該區(qū)域，選取一塊連片面積大于2 hm2的農(nóng)田和相鄰自然草地為研究樣地，農(nóng)田采樣區(qū)設(shè)置為10 m×50 m，草地采樣區(qū)設(shè)置為40 m×50 m，按照5 m×5 m網(wǎng)格法設(shè)置采樣點(diǎn)，共110個(gè)采樣點(diǎn)，其中農(nóng)田為30個(gè)樣點(diǎn)，草地為80個(gè)。研究區(qū)域及樣點(diǎn)分布如圖1所示。研究區(qū)農(nóng)田種植青稞，草地植被主要為禾本科植物，土壤為沙質(zhì)壤土，整個(gè)研究區(qū)地形無明顯坡度變化。土壤含水量數(shù)據(jù)于2017年8月采用土壤水分測定儀(Wet-2型，英國Delta-T設(shè)備公司)獲得。

圖1 研究區(qū)位置與采樣方法Fig.1 The location of the study site and sampling method

1.2.2 數(shù)據(jù)分析與處理 使用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 22.0對土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析和正態(tài)分布檢驗(yàn)。土壤含水量半方差函數(shù)模型及空間插值采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+9.0進(jìn)行。

采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)中最大值、最小值、平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)來衡量數(shù)據(jù)的分布。其中，變異系數(shù)是由同一組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差及其平均值的比值決定的，其計(jì)算方法如式(1)：

(1)

采用半方差函數(shù)模型分析土壤含水量的空間依賴性。常見的半方差函數(shù)模型有球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型等。模型中包含3個(gè)主要參數(shù)，即塊金值(Nugget)、基臺值(Sill)和變程(Range)。其中，塊金值(C0)是半方差函數(shù)與y軸相交時(shí)的y值，它反映了變量小于實(shí)際取樣尺度引起的空間變異和隨機(jī)誤差；基臺值(C0+C)是半方差函數(shù)隨采樣點(diǎn)間隔距離增大而從初始的塊金值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的常數(shù)，它反映了區(qū)域變量的空間異質(zhì)性程度；變程(A0)是半方差函數(shù)值達(dá)到基臺值時(shí)的采樣點(diǎn)間隔距離，表示采樣數(shù)據(jù)間存在相關(guān)性的距離上限。模型中，常用塊金值與基臺值的比值(C0/(C0+C))表示區(qū)域變量由隨機(jī)因素引起的的空間變異性占系統(tǒng)總變異性的比例，該值<25 %，表示較強(qiáng)的空間依賴性，25 %～75 %之間，表示中等程度的空間依賴性，該值>75 %，則表示空間依賴性較弱，區(qū)域變量的空間異質(zhì)性主要受隨機(jī)因素影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量的描述性統(tǒng)計(jì)分析

土壤含水量分布特征如表1所示，研究區(qū)草地土壤含水量顯著高于農(nóng)田(P<0.01)，含水量分別為(18.68 %±4.7 %)和(9.73 %±2.5 %)，草地土壤含水量平均較農(nóng)田高91.98 %，即草地利用方式下，更有利于對表層水分的保蓄，從而提高其土壤含水量。這可能是由于草地植被根系密集，蓄水能力較強(qiáng)，再加上地面植被覆蓋度高，減少了土壤水分蒸發(fā)，形成良好的蓄水保墑能力。有文獻(xiàn)報(bào)道，草地退化[14-15]或被開墾成農(nóng)田，將增加土壤水分的散失，說明草地比農(nóng)田具有更好的蓄水保墑能力，這與本研究結(jié)果一致。在空間分布上，本研究區(qū)草地、農(nóng)田和農(nóng)田-草地土壤含水量均屬于中等變異，變異系數(shù)分別為26 %、25 %和36 %。

2.2 土壤含水量的正態(tài)分布檢驗(yàn)

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析前，需要對樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，以達(dá)到最佳估計(jì)。本研究中，農(nóng)田土壤含水量樣本容量為30，草地樣本容量為80，為避免不同檢驗(yàn)方法造成誤差，這里統(tǒng)一采用K-S檢驗(yàn)法[16]分別對農(nóng)田、草地和農(nóng)田-草地土壤含水量進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，三者的漸近顯著性依次為0.708，0.658，0.582，均大于0.05顯著水平，假設(shè)成立，故三者均符合正態(tài)分布。

表1 研究區(qū)土壤含水量描述性統(tǒng)計(jì)特征值

表2 研究區(qū)土壤含水量的半方差函數(shù)模型及參數(shù)值

圖2 研究區(qū)土壤含水量半方差函數(shù)Fig.2 The semivariogram of soil water content in the study area

2.3 農(nóng)田土壤含水量的空間分布模型與插值

表2給出了研究區(qū)土壤含水量的半方差函數(shù)模型及各參數(shù)值，農(nóng)田土壤含水量的空間變異符合球狀模型(Spherical model)，模型擬合度達(dá)到顯著水平(R=0.6395,P<0.05)，半方差函數(shù)如圖2b所示，模型塊金值C0=0.24，基臺值C+C0=6.52，塊金系數(shù)C0/(C0+C)為3.68 %，小于25 %，表明該區(qū)域農(nóng)田土壤含水量的空間依賴性較強(qiáng)，以農(nóng)作措施為主的自相關(guān)因素對土壤含水量空間分布的影響較大。

空間插值可以直觀地反映區(qū)域變量的空間分布特征，圖3a是農(nóng)田土壤含水量的克里格(kriging)插值圖，含水量以中部含量最高，邊界部分明顯少于中部。研究區(qū)周邊通風(fēng)效果較中部好，因此水分蒸發(fā)量大于中部，導(dǎo)致土壤含水量呈現(xiàn)由中部向四周遞減的趨勢，邊行效應(yīng)也由此產(chǎn)生。

2.4 草地土壤含水量的空間分布模型與插值

該區(qū)域草地土壤含水量的空間分布符合指數(shù)模型(Exponential model)，半方差函數(shù)如圖2c所示。由模型塊金值/基臺值為6.58 %，小于25 %可知，與農(nóng)田土壤含水量一致，草地土壤含水量的空間異質(zhì)性同樣是由空間自相關(guān)部分控制為主，這與影響草地土壤含水量的植被蓋度、根系分布、土壤特性及人類活動(放牧)等因素密切相關(guān)。這一結(jié)論與李元壽[17]等研究高寒草甸土壤水分的空間異質(zhì)性的結(jié)果一致。

草地土壤含水量的空間插值圖(圖3b)表明，在草地采樣區(qū)，土壤含水量以中部較高，形成2個(gè)高值區(qū)，靠近公路及與農(nóng)田交界的邊界部分含水量明顯較少，仍表現(xiàn)出明顯的邊行效應(yīng)。

2.5 農(nóng)田-草地土壤含水量的空間分布模型與插值

總體來看，農(nóng)田-草地土壤含水量的空間變異性符合球狀模型，與王紅梅等[8]在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶農(nóng)田-草地界面0～10 cm土壤含水量分布模型一致。模型決定系數(shù)R2=0.998，土壤含水量具有中等程度的空間依賴性，塊金值/基臺值為34.57 %，遠(yuǎn)高于農(nóng)田及草地。即在不考慮土地利用方式差異下的采樣，土壤含水量空間依賴性要弱于單一土地利用方式。同時(shí)由各半方差函數(shù)變程值可知(表2)，農(nóng)田-草地>草地>農(nóng)田，且農(nóng)田-草地半方差函數(shù)值顯著高于農(nóng)田、草地，農(nóng)田和草地之間值非常接近，這表明將農(nóng)田-草地當(dāng)作一個(gè)混合采樣區(qū)進(jìn)行研究時(shí)，可以適當(dāng)加大采樣距離。從農(nóng)田、草地和草地-農(nóng)田混合區(qū)土壤含水量分形維數(shù)來看，農(nóng)田>草地>農(nóng)田-草地區(qū)，土壤含水量分形維數(shù)D分別為1.96，1.93和1.79，這也表明，單獨(dú)考察農(nóng)田、草地土壤含水量空間分布時(shí)，隨機(jī)性因素所引起的影響強(qiáng)，分布較復(fù)雜，而將農(nóng)田和草地作為一個(gè)整體進(jìn)行分析時(shí)，表層土壤含水量空間分布則主要受空間結(jié)構(gòu)因素的影響。

圖3c表明，整個(gè)研究區(qū)以中部土壤含水量為最高，這與草地和農(nóng)田土壤含水量的空間分布保持一致，并且邊行效應(yīng)在總體分布中表現(xiàn)更為明顯。

3 討論與結(jié)論

本研究對西藏農(nóng)田及相鄰草地的土壤含水量進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)分析，初步了解了當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧交錯(cuò)生態(tài)區(qū)土壤含水量的空間分布特征，結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)域土壤質(zhì)地、地形和氣候條件相同，不同土地利用方式下表層土壤水分的空間分布受植被類型及蓋度、根系分布和人類活動(放牧、灌溉等)等影響較大，表現(xiàn)為草地土壤平均含水量顯著高于農(nóng)田，CV值分別為25 %和26 %，空間上都具有中等程度的變異。

(2)地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，在該取樣范圍內(nèi)，農(nóng)田和草地土壤含水量分別符合球狀模型和指數(shù)模型，塊金系數(shù)分別為3.68 %和6.58 %，其空間異質(zhì)性主要取決于空間自相關(guān)部分。農(nóng)田-草地土壤含水量符合球狀模型，具有中等程度的空間依賴性，與農(nóng)田和草地土壤含水量一致，土壤含水量的空間分布均表現(xiàn)為中間高四周低的變化趨勢，可以說明邊行效應(yīng)比較明顯。

(3)從土壤含水量空間分布分形維數(shù)可知，對單一土地利用方式下土壤含水量進(jìn)行研究時(shí)，空間隨機(jī)因素的影響更強(qiáng)，而將農(nóng)田-草地兩種土地利用方式作為一個(gè)整體考慮時(shí)，則主要受空間結(jié)構(gòu)因素的影響。同時(shí)在研究單一土地利用方式下土壤含水量空間分布時(shí)，應(yīng)縮小采樣距離，反之，可適當(dāng)加大采樣距離。

地統(tǒng)計(jì)分析土壤含水量受空間尺度的影響較大，研究選取的尺度不同，結(jié)果也可能不同，有研究表明隨采樣面積增大，土壤含水量的平均含量和變異程度均會發(fā)生變化[18]。本研究選取55 m×50 m的采樣面積，分析了小尺度下不同土地利用方式下土壤含水量的空間變異特征，在今后的研究中，對同一采樣區(qū)進(jìn)行多個(gè)尺度的研究能夠更加全面地認(rèn)識高寒地區(qū)土壤含水量的空間分布特征。