喀斯特白云巖坡地旱季不同植被類型土壤水分空間變異性

武澤宇，薛亮，張顯松，李金垚，李生＊，王佳＊

(1.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400；2.南京林業大學，江蘇 南京 210037；3.貴州普定石漠生態系統國家定位觀測研究站，貴州 普定 562100；4.貴州省普定縣林業局，貴州 普定 562100)

喀斯特脆弱生態系統的退化是以強烈的人類干擾為驅動力、以植被減少為誘因、以土地生產力退化為本質、以出現類似荒漠化景觀為標志的復合過程[1]。我國西南喀斯特在全球三大集中連片分布區域中面積最大、發育類型最全[2]，截止2016年底，喀斯特地區石漠化總面積為1007 萬hm2[3]。該區廣泛分布著石灰巖和白云巖，石灰巖區土粒容易聚集在巖體裂隙和地下孔隙中，基巖裸露率高；白云巖中溶蝕殘余物質能相對均勻地分布于地表，基巖裸露率低[4]。白云巖的風化過程以物理風化為主，而物理崩解的巖石更有利于化學風化的進行，加上晶間孔隙均勻，推動了溶蝕作用的整體進行，導致白云巖土層厚度往往大于石灰巖區，成土速率較快，土體分布連續[5]。二者在發育形態、巖石裂隙發育程度、持水性和風化產物在地表的堆積和丟失方式都存在差異，這些因素影響著區域水土資源的空間配置，從而影響植被變化，相較于石灰巖地區，白云巖區更有利于草叢和草灌的自然恢復[6]。植被恢復是石漠化地區生態修復的根本手段，必須以蓄水、保土及造林為核心進行綜合治理[7]；而喀斯特生態系統植被具有喜鈣、石生、旱生的特點，一旦破壞很難恢復[8]。土壤水分及其空間變化與植被密切相關，充足的土壤水分是植物正常生長的必要條件，影響著植物的存活和生長特性[9-10]。此外，土壤水分對土壤形成也有重要意義，通過制約溶質的溶解和轉移、土壤養分與微生物活動來影響土壤的物理性質，也是評價土壤肥力的重要環境因素[11]。雖然我國西南喀斯特地區降雨充沛，但因該地區特殊的地上地下二元結構，降雨大量入滲，加之土壤總量少、土層淺薄且分布不連續，儲水能力低，導致土壤水分成為喀斯特石漠化地區植被恢復的主要限制因子。因此，展開喀斯特地區土壤水分的相關研究十分必要[12]。

地統計學已被證明是分析土壤水分空間特征及其變異規律的有效方法之一，不僅能有效地揭示屬性變量在空間上分布和變異的相關特性，還可有效地解釋空間格局對于生態過程和功能的影響[13]，而傳統統計學方法只能描述土壤的全局性變化特征，不能描述土壤局部的變化特征，同時也忽略了每一個觀測值的空間位置，不能準確的描述空間變異特性[14]。大量學者應用地統計學方法對土壤水分動態變化進行了研究，發現土壤水分均存在不同程度的空間自相關，如李春茂等[15]對峰叢洼地不同土地利用方式坡面土壤水分的研究發現，雨季土壤水分空間相關性較旱季更好，坡上未擾動的自然植被區明顯高于坡下人為改造區；徐慧芳等[16]研究發現，喀斯特峰叢洼地土壤含水量均較高，呈現中等或強烈的空間自相關性。Castrignanò等[17]結合地統計學方法提出了一種評估意大利南部森林地區表土水分耗竭水平的概率方法，允許在土壤評估中剔除明顯的無關因素，可有效指導林區土壤水分敏感區的劃分；Landrum等[18]采用多因子協同克里金法（Kriging）確定了土壤性質和地形屬性影響土壤水分格局的空間尺度，利用遙感與多元地統計學結合可以更好地制定土壤水分管理策略，但研究對象較為單一，多為喀斯特石灰巖質地區，且缺少喬灌草系統性研究。因此，本研究以喀斯特白云巖區草地、灌叢、人工林和天然次生林4種典型植被類型為研究對象，采用標準網格法，利用經典統計學和地統計學相結合的方法研究不同植被類型坡地土壤水分的空間變化及分布規律，結果有助于深入了解喀斯特白云巖石漠化地區坡地土壤水分變化過程，為退化喀斯特生態系統植被恢復和生態重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省安順市普定縣，其地理坐標為105o7′49″～105o58′51″ E，26o9′36″～26o31′42″ N，東西寬51.4 km，南北長40.0 km，總面積1091.6 km2。全縣地勢南北高、中部低，海拔高度為1044.0～1846.0 m，屬北亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫和，年平均氣溫15.1℃，年平均降水量1396.9 mm，且降雨多集中在5—9月，占全年降水量的75%以上，年平均日照時數1202 h，無霜期289 d，相對濕度79%，土壤主要以石灰土為主。

1.2 野外試驗設計

在普定縣喀斯特白云巖區選擇4種典型植被類型——草地（Ⅰ）、灌叢（Ⅱ）、人工林（Ⅲ）和天然次生林（IV）作為研究對象（表1），選取坡位和坡向相近的區域設立標準樣地，草地和灌叢樣地面積為200 m2，人工林和天然次生林樣地面積為1200 m2。草地植物主要以白茅（Imperata cylindrical(L.) Beauv.）、藎草（Arthraxon hispidus(Trin.) Makino）、委陵菜（Potentilla chinensisSer.）為主，樣地中部有基巖出露（基巖裸露率約為12%），偶有火棘（Pyracantha fortuneana(Maxim.)Li）分布；灌叢樣地內主要植被有山雞椒（Pyracantha fortuneana(Lour.) Pers.）、滇鼠刺（Itea yunnanensisFranch）、算盤子（Glochidion puberum(L.)Hutch.）、紅泡刺藤（Rubus niveusThunb.）等，沿坡面中部向下有基巖出露（裸露率約為30%），間生草本和藤蔓植物；人工林樣地植被主要為30 a 林齡滇柏（Cuprrssus duclouxianaHichel），其平均胸徑為14.47 cm，平均樹高為15.42 m；天然次生林樣地中喬木主要有光葉海桐（Pittosporum glabratumLindl.）、潤楠（Machilus nanmu(Oliver) Hemsley）、青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca(Thunberg) Oersted）和鹽膚木（Rhus chinensisMill.）等，草本植物稀疏。

表1 不同植被類型樣地基本信息Table 1 Basic information of different plots

于2019年11月利用網格法將土壤分為0～10 cm（淺層）和10～20 cm（深層）進行取樣。草地和灌叢采用2 m×2 m 網格，人工林和天然次生林采用5 m×5 m 網格，在每個網格中心點附近用梅花型布點法布置3個點進行混合采樣，每個樣點采集土樣約500 g，用四分法取舍后分為兩部分裝袋帶回實驗室，一部分用來測定土壤水分含量，另一部分在陰涼處風干用來測定土壤養分。同時利用便攜式GPS 記錄取樣點中心坐標，由于取樣點附近地表有巖石出露而無法取樣，共計采樣188個點（草地、灌叢各47個，人工林48個，天然次生林46個）。為保持土壤水分處于相對穩定水平，保證每次取樣前3 天均無降雨，每個樣地內同樣隨機選擇四點利用環刀取土來測定土壤密度及孔隙度。

1.3 測定方法

用烘干法測定土壤質量含水量（%），環刀法測定土壤密度和孔隙度，設環刀體積為V，在取樣前先記錄每個環刀的質量M0，取樣后土壤和環刀的質量為M1，然后將其去掉頂蓋、保留底網放在平底容器內，向容器內加水至環刀上沿（水不漫過），待環刀內土壤充分吸水至飽和后從容器中拿出，迅速擦干環刀外面的水分后加頂蓋稱質量為M2，稱量完畢后將環刀放置在支架上靜置12 h 后稱質量為M3，最后打開頂蓋，將環刀放入105℃烘箱中烘干12 h 至恒質量，干燥后待溫度降到室溫加頂蓋后稱質量為M4，分別按照下列公式計算土壤密度、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

土壤有機質用重鉻酸鉀容量法測定，土壤pH 值用pH計（土水比為1:2.5）測定，全氮（TN）采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法測定，全磷（TP）采用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法測定，全鉀（TK）采用NaOH 熔融-火焰光度法測定，水溶性有機碳用TOC 分析儀測定（表2）。

表2 不同植被類型土壤基本理化性質Table 2 The physical and chemical soil properties of different vegetation types

1.4 數據處理

實驗數據均采用域法[5]進行處理，即利用樣本均值加減3 倍標準差來識別特異值，在此區間外的數據均看成是特異值，分別用正常的最大和最小值代替，后續的計算均采用處理后的數據。利用Excel 2016 進行數據的錄入和初步整理，利用DPS 18.0 進行單因素方差分析、相關性分析和半方差函數最優模型的擬合[19]，利用Sigma Plot 14.0 繪制直方圖，運用ArcGIS 10.6 的地統計模塊進行克里金插值的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型土壤水分的描述性統計分析

不同植被類型土壤水分含量均值分布在18.59%～40.22% 之間（表3），灌叢淺層土壤水分含量最低，天然次生林深層土壤水分含量最高，是灌叢淺層土壤水分的2.16 倍；變異系數范圍為5.34%～29.42%，其中，人工林和天然次生林呈現弱變異特征（變異系數 <10.00%），草地和灌叢呈現中等程度變異（10.00% <變異系數 <100.00%）[20]，表現出較強的異質性。整體來看，同種植被類型深層土壤水分含量高于淺層，但僅有天然次生林呈極顯著差異（p<0.01)；在0～10 cm和10～20 cm 土層，除草地和人工林外，不同植被類型下土壤水分含量呈極顯著差異（p<0.01)，其含量由高到低依次為：天然次生林 >草地 >人工林 >灌叢。通過對偏度和峰度的觀察，結合Kolmogorov-Smirnov 法進行正態分布檢驗，結果表明：除灌叢淺層土壤水分不服從正態分布以外，其余均服從正態分布，將灌叢0～10 cm 和10～20 cm 土層土壤水分進行對數轉化后服從正態分布，可進行地統計分析。

表3 不同植被類型土壤水分的描述性統計和正態性檢驗Table 3 Descriptive statistics and normal test of soil moisture in different vegetation types

2.2 不同植被類型土壤水分的地統計學分析

采用普通克里金法對各土壤水分進行半變異函數擬合，按照一定標準[13]分別對指數、高斯和球面模型進行驗證選出最優半變異函數模型，得到各水分空間變異特征（表4）。灌叢和草地淺層土壤水分為高斯模型，人工林和天然次生林土壤水分為指數模型，且各模型決定系數均較高（0.559～0.977），這說明模型有較好的擬合精度，可以很好地反映土壤水分的空間結構特征。草地到天然次生林淺層土壤塊金值依次為0.84、0.29、0.82 和1.27，深層土壤分別為0.10、0.35、0.28 和0.98，4種植被類型的塊金值均較小，這表明隨機變異在系統中所占的比例小。灌叢土壤淺層基臺值最大（14.42），人工林土壤深層基臺值最小（2.05），這表明土壤水分在研究范圍內灌叢變異大而人工林變異小。塊金系數（塊基比）是塊金值和基臺值的比值，能夠確定空間自相關性，表示隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例，一般用>25%、25%～75%、<75% 這3個區間來表示系統具有強烈、中等和較弱的空間相關性[13]。4種植被類型塊金系數變化范圍為1.14%～16.73%，最大值出現在人工林土壤淺層，是最小值草地淺層土壤的14.68 倍，表明樣地內土壤水分呈現強烈的空間自相關關系，隨機變異占總變異較小。變程表示具有相似性質斑塊的空間連續性的范圍，在變程以內的取樣點具有空間自相關性，其余則不存在相關性[15]。從變程來看，變程隨著植被的正向演替呈現先增加后減小的趨勢，草地最小（4.24 m），人工林最大（16.48 m），人工林土壤水分變程明顯大于其它3種類型，表明人工林內部空間自相關尺度較大，土壤水分空間連續性較好。

表4 土壤水分半變異函數理論模型的相關參數Table 4 Related parameters of semi-variogram theoretical model of soil moisture

2.3 不同植被類型土壤水分的空間分布格局

為更直觀、全面地了解不同植被類型坡面土壤水分含量的分布特征，利用普通克里金法插值得出的預測圖可以直接反映土壤含水量的空間分布格局，由圖1 可知：不同植被類型土壤水分空間分布不同，但均呈不規則的斑塊或條帶狀分布，同一植被類型淺層、深層土壤水分具有較一致的空間分布格局。樣地內淺層土壤水分空間結構復雜，土壤水分大都呈斑塊分布，且草地和灌叢樣地破碎化程度較高，微地貌結構復雜，導致空間連續性較差，也形成了較小的變程；樣地內深層土壤水分呈條帶狀分布，表明深層土壤水分結構變異小，空間連續性較好。此外，草地土壤水分含量自左向右呈現先減少后增加的趨勢，可能是因為樣地中部基巖出露造成，同時零星分布的灌木也對土壤水分有一定的影響；灌叢土壤水分由上向下則呈遞減趨勢，樣地上半部分土壤水分含量明顯高于下半部分，這是因為樣地內下半部相對于上半部有較多的裸巖分布，土壤水分蒸發較快所致；人工林土壤水分含量自上向下呈現先減少后增加的趨勢，天然次生林坡面土壤水分含量呈現兩邊低中間高的特征，二者均隨著樣地內地勢高低和植被分布情況發生波動。綜上分析，草地、灌叢和天然次生林土壤水分含量大體沿著坡面自上向下呈遞減趨勢，人工林土壤水分含量自上而下沿坡面呈先減小后上升趨勢，4種植被類型土壤水分最大值均出現在樣地上半部，草地、灌叢和天然次生林土壤水分最小值出現在樣地下半部，而人工林則出現在樣地中部，這可能與樣地坡度、植被和裸巖分布相關。

圖1 土壤水分空間插值預測分布Fig.1 Spatial interpolation prediction distribution map of soil moisture

2.4 不同植被類型土壤物理性質差異

土壤密度和孔隙度反映了土壤密實程度，密度低、孔隙度越大表明土壤越疏松，土壤持水能力越強[21]。不同植被類型土壤物理性質差異明顯(圖2)，土壤密度變化范圍為0.78～1.30 g·cm?3，由大到小依次為：灌叢 >人工林 >草地 >天然次生林，且灌叢明顯高于其它類型土壤，與草地和天然次生林土壤密度差異顯著（p<0.05），同時淺層土壤密度小于深層，但差異不顯著。土壤總孔隙度與土壤密度呈相反的規律，淺層大于深層，整體來看，土壤非毛管孔隙度隨著植被正向演替呈現下降趨勢，草地深層土壤最高（2.41%），灌叢深層土壤最小（0.99%），且灌叢土壤深層、淺層非毛管孔隙度差異顯著（p<0.05），深層土壤非毛管孔隙度僅為淺層土壤的59.2%，其余植被類型土壤淺層均小于深層。土壤總孔隙度和毛管孔隙度呈現相同的變化趨勢，均隨著植被正向演替方向而增加，即草地 <灌叢 <人工林 <天然次生林，人工林和天然次生林顯著高于另外2種植被類型（p<0.05），同時其土壤總孔隙度和毛管孔隙度淺層均大于深層，且差異顯著（p<0.05）。由土壤水分與土壤孔隙度的相關性分析（圖3）可知：土壤水分含量和土壤總孔隙度總體呈正比例趨勢變化，土壤總孔隙度越大，土壤水分含量越高，其中，土壤淺層相關系數為0.731，深層相關系數為0.737，均表現出極顯著的正相關關系（p<0.01）。土壤水分含量和土壤密度的相關性分析（圖4）表明：二者呈負相關關系，淺層土壤水分與密度的相關系數為 ?0.820，深層土壤水分與密度的相關系數為?0.725，且均為極顯著負相關（p<0.01）。

圖2 不同植被類型土壤密度和孔隙度差異Fig.2 Differences of soil bulk density and porosity among different vegetation types

圖3 土壤總孔隙度與土壤水分的相關關系Fig.3 Correlation between soil porosity and soil moisture

圖4 土壤密度與土壤水分的相關關系Fig.4 Correlation between soil bulk density and soil moisture

3 討論

3.1 不同植被類型土壤水分空間變化

本研究發現，喀斯特白云巖不同植被類型土壤水分之間差異顯著，天然次生林土壤水分含量顯著高于其它類型（p<0.01），而Zhou等[22]對裸地、草地、灌木和林地土壤水分的研究發現，草地土壤平均水分含量最高，且時間變異較小，可能是由于地表枯枝落葉層的存在可以留存水分且有效防止水分蒸發，天然次生林冠幅較大可以減少太陽輻射從而降低土壤水分散失速率所致[15]。相較于草地和灌叢，人工林和天然次生林土壤水分含量均表現為較弱的變異程度，這可能是因為不同樣地之間地表破碎程度不同，林下土壤覆蓋較為連續，草地和灌叢有基巖出露，植被呈斑塊狀分布，加之微地貌形態比較復雜導致。趙文舉等[23]研究發現，土壤水分的變異性主要發生在含水量較低的區域，土壤含水量越低，其空間變異性就越大，這與本研究結果一致。整體來看，灌叢土壤水分變異系數最大，且除灌叢外淺層土壤水分變異系數均大于深層，分析其原因可能是由于灌叢的不規則分布影響了土壤水分的再分配，同時增大土壤顆粒分布的隨機性從而加大水分的不確定性[24]。

4種植被類型土壤水分均存在明顯的空間相關性，半變異函數隨滯后距的增加而增大，經過一定距離后趨于穩定。塊金值表示隨機變異程度的大小，本研究中，樣地內土壤水分的塊金值均較小，反映了4種植被類型土壤水分空間的平均變異尺度小。基臺值通常表示系統內的總變異（包括結構性變異和隨機性變異），本研究中，人工林的基臺值明顯小于其它植被類型，這反映出人工林土壤水分含量的總變異程度較低，人工林樣地內植物種類相比于其它植被類型樣地較單一，土壤水分含量空間變異性與植被類型有關。變程表示取樣點之間的最大相關距離，反映了土壤水分在空間上的連續程度，本研究中，人工林的變程最大，草地的變程最小，表明人工林的空間連續性尺度范圍較廣，而草地空間連續性較差，同時土壤平均密度越大，表示該類型土壤水分垂直方向上的變程越小，空間相關性也越強，這與Zhang等[25]的研究結果類似。塊金系數可以表示空間自相關的強烈程度，塊金系數小于25% 時表示有強烈的空間自相關，本研究4種植被類型土壤水分塊金系數均小于25%，這說明隨機因素對于土壤水分的影響很小，其空間變異可能由地形、土壤母質等自然因素造成。不同植被類型樣地土壤水分的變程與塊金系數的變化趨勢大致相同，這與Zhang等[25]在喀斯特洼地表層土壤水分變程與塊基比的變化趨勢一致的結論相同，灌叢與人工林之間差別較大，可能是人工林土壤分布連續、植被覆蓋較好導致。

3.2 不同植被類型土壤水分影響因子及時間變化

土壤水分不僅是影響坡面水文過程、水土流失過程和植被生長的重要因子，也是土壤系統循環的基礎，對區域小氣候有重要影響[26]。在具有雙重結構、巖石裸露率高、土壤生態條件惡劣的喀斯特山區，水分的時空異質性與其它地區有顯著差異。影響土壤水分含量的環境因素主要包括降水、土地利用、植被覆蓋、地形地貌、土壤理化性質和土壤厚度等[27]。Mei等[28]研究表明，在嚴重干旱條件下坡向和坡度相較于植被類型對于土壤水分的影響更加重要，而在正常干旱水平下，植被類型對于土壤水分的影響起到了至關重要的作用。據國家氣候中心氣候系統監測數據顯示，本研究采樣期間屬于正常干旱條件，故本研究中植被覆蓋度是土壤水分空間變異的主要驅動因子之一。植物葉冠可攔截降水，減少土壤水分的蒸發消耗，增強蒸騰耗損；其枯枝落葉覆蓋地表后，可增加下滲，植物根系也能提高水分的垂直運動，從而對土壤水分產生影響[29]。本研究還發現，土壤淺層孔隙度大于深層，隨著土壤孔隙度的增加，土壤水分總體呈上升趨勢；而淺層土壤密度小于深層，土壤水分含量整體上和土壤密度呈相反的變化趨勢，即土壤密度越大，水分含量越低，這與張川等[30]針對喀斯特白云質灰巖與純灰巖洼地剖面土壤含水率的動態變化規律研究結果類似。此外，張繼光等[31]研究表明，土壤儲水量旱季比雨季波動更顯著，且采樣前2 d 內的降水對0～20 cm 土壤儲水量的影響最大；顏蒙蒙等[32]研究發現，土壤水分具有明顯的季節性變化，春季和冬季為土壤水分的補給期，夏季和秋季為土壤水分的消耗期，這說明采樣時間、干濕條件以及季節變化也會對土壤水分產生一定的影響，而本研究僅考慮了旱季不同植被類型土壤水分的空間變異情況，在后續的研究中應增加不同季節土壤水分空間變異情況的監測。

4 結論

喀斯特白云巖區坡地土壤水分具有空間異質性，土壤水分空間依賴性隨植被類型不同而發生變化，本研究利用GIS 及相關統計學原理對白云巖地區草地、灌木林、人工林和天然次生林4種典型植被類型土壤水分空間分布格局進行分析，揭示該區內不同植被類型土壤水分分布規律：

（1）研究區典型植被類型土壤水分含量變化范圍為18.59%～40.22%，變異系數為5.34%～29.42%，人工林和天然次生林表現出較弱的變異，草地和灌叢表現出中等程度的變異，土壤水分含量由高到低依次為：天然次生林 >草地 >人工林 >灌叢，除草地和人工林之間差異不顯著，其余植被類型之間均呈極顯著差異（p<0.01）；不同植被類型土壤水分含量最高值均發生在樣地上半部，整體沿坡面呈現自上而下遞減趨勢（人工林除外），人工林土壤水分連續性最好，草地土壤水分連續性最差。0～20 cm 土層不同植被類型土壤含水量呈現相同的分布規律，土壤水分含量與土壤深度成正比，最大值出現在天然次生林深層土壤（40.22%），是最小值灌叢淺層土壤（18.59%）的2.16 倍。

（2）土壤水分具有明顯的空間結構和強烈的空間自相關性。草地和灌叢淺層土壤水分半變異函數最優模型為高斯模型，深層為指數模型，人工林和天然次生林淺層、深層均為指數模型。土壤水分的塊金系數為1.14%～16.73%，變程與變異系數的變化趨勢相反，而與塊金系數的變化趨勢則相同。土壤水分含量與土壤總孔隙度成正相關，與土壤密度成負相關，植被類型也影響土壤水分含量，但并非隨著植被的正向演替進程而增加，在相似氣象條件下，植被類型、土壤密度、孔隙度、土層深度和地表微地貌是影響土壤水分含量的重要因素。