典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素

张继光，苏以荣，陈洪松,*，孔祥丽,张 伟，张久权，申国明

(1.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，长沙 410125；3.中国科学院环江喀斯特农业生态试验站，环江 547100)

典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素

张继光1,2，苏以荣2,3，陈洪松2,3,*，孔祥丽2,3,张 伟2,3，张久权1,2，申国明1

(1.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，长沙 410125；3.中国科学院环江喀斯特农业生态试验站，环江 547100)

在桂西北典型岩溶洼地的旱季和雨季，用地统计学结合GIS方法研究了洼地表层(0—16cm)土壤水分的空间分布特征及其影响因素。结果表明：土壤含水量受前期降雨量的影响，且旱季土壤水分对降雨量的反应较雨季敏感。土壤水分均呈中等变异且变异系数随着平均含水量的增加而减少。土壤水分的半方差参数显示土壤水分空间变异及其主导因素随旱、雨季而不同。此外，不同取样区域及取样时段内土壤含水量高低差别明显，分布格局及空间变异程度各异，这主要与当地环境和人为因素的综合影响有关。旱、雨季土壤水分均与前期降雨导致的土壤平均含水量变化呈相反趋势，且不同土地利用方式下的土壤含水量不同。土壤含水量还与土壤有机碳含量呈显著正相关，此外，地势及裸岩率也是造成洼地土壤水分变异及其分布差异的重要因素。下一步应根据旱季和雨季土壤水分分布及影响因素的差异，在岩溶洼地采取有针对性地土壤水资源利用及其水分管理策略。

岩溶洼地；土壤水分；空间分布；影响因素；旱雨季

随着地理信息系统(GIS)在土壤学上的广泛应用以及地统计学理论与方法的不断发展，两者的结合已经成为研究土壤特性空间变异及其空间分布的最重要工具。当前，国内外许多学者利用该方法在土壤水分空间变异方面进行了大量研究，Jacques等[1]研究了田块尺度上由降雨、土层深度、植被和地形等相互作用产生的土壤含水量的时空变异特性，Brocca等[2]研究了小流域不同时空尺度上土壤水分的空间变异及其时间稳定性特征，王军等[3]在黄土高原大南沟小流域研究了土壤水分空间结构及其季节变化特征，揭示了该尺度下土壤水分的时空变异规律。马风云等[4]研究了沙坡头人工固沙植被土壤水分的空间异质性。李元寿等[5]研究了青藏高原高寒草甸覆盖区域浅层剖面土壤水分的空间异质性特征。在土壤水分空间异质性的影响因素方面，Yoo等[6]评价了不同影响因素(地形、土壤、植被等)对田间土壤水分时空变异的相对重要性。Güntner等[7]认为地形、土壤、植被和土地利用等景观特征的空间变异解释了土壤水分等水文状态变量的空间分布格局。姚雪玲等[8]探讨了黄土高原坡面尺度地形、植被和雨季对土壤水分空间分布的影响，认为地形对土壤水分的影响易被植被类型的影响所掩盖。可见，土壤水分的时空变异并非受单一因素影响，而是多重尺度上地形、土壤、土地利用(植被)、气象等多因子综合作用的结果[9]。后续研究还要在此基础上，进一步加强对不同环境和尺度下土壤水分的空间变异特征、生态过程及其影响因素的综合理解。

岩溶地区通常被视为一种同沙漠边缘一样的脆弱环境，中国西南地区岩溶面积超过50万km2，人口超过1亿，是全球三大岩溶集中分布连片面积最大、岩溶发育最强烈的典型生态脆弱区，该地区以农业为主，人地矛盾突出，水土流失和石漠化极为严重[10]。特别是峰丛洼地地区以二元空间结构为基本构造特征，土壤成土速度慢，土层浅薄且很不连续，土壤总量少、储水能力低及岩石渗漏性强等原因易造成岩溶干旱严重，土壤水分亏缺成为该地区植被恢复重建和水土资源利用的主要制约因子[11]。土壤水分对于岩溶峰丛洼地生态系统中植被生长、植被恢复、水热平衡及系统稳定性起着决定作用，在岩溶生态系统的演化与重建过程中具有重要意义[12]。但由于地形地貌复杂、小生境类型多样、环境异质性大等一系列原因，在岩溶地区有关水分变异的量化研究相对较少且多集中在田块尺度上[11- 14]，特别缺乏关于该地区洼地景观尺度上，土壤水分时空分布及其影响因素方面的系统研究和探讨。

本文针对岩溶地区特殊的地形地貌和土壤特征，在岩溶典型景观单元-峰丛洼地中，利用实测数据分析典型旱季和雨季洼地土壤水分的时空变异特征及其分布格局，并探讨影响土壤水分变异的环境因素和过程，这不仅有助于阐明岩溶退化生态系统的水文生态效应及其调控机理，而且可以为当地水资源的合理利用及植被恢复的优化配置提供理论和实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西环江毛南族自治县的下南乡古周村(107°55′ E，24°50′ N)，属典型的岩溶峰丛洼地，亚热带湿润性季风气候区。研究区内最低点海拔为376 m，与最高点海拔相差440 m。年平均气温19.9 ℃，太阳总辐射量3 344—4 134 MJ/m2，年平均降雨量1 389.1 mm，降水丰富但季节分配不均，雨季平均开始于4月下旬，结束于8月底或9月初，平均持续时间130—140 d；9月底至次年3月为旱季，各月份的平均降水量在90 mm以下，常受到干旱威胁。

研究区土地总面积186.7 hm2，其中耕地17.3 hm2，主要分布在洼地中，土层浅薄且土被很不连续。其余以山地为主，其中25°以上坡地占坡地面积的80%以上，山地植被退化严重，森林覆盖率仅有13%，研究区主要的土地利用方式有耕地、撂荒地、人工林、自然坡地和少量坡耕地，自然植被主要以撂荒草丛群落和次生灌木群落为主，多为喜钙、耐旱、耐瘠的先锋树种和草类。草丛主要有白茅(Imperatacylindrica)、类芦(Neyraudiareynaudiana)、五节芒(Miscanthusfloridulus)等；灌丛以灰毛浆果楝(Cipadessacinerascens)、盐肤木(Rhuschinensis)、聚果羊蹄甲(BauhiniabrachycarpaWall.exBenth.var.cavaleriei)等为主。

研究区以雨养旱作农业为主，有较长耕作历史，1996年以前洼地土地利用方式单一，为玉米-大豆轮作。之后该区域作为生态移民示范区，实施生态移民和“退耕还林还草”示范工程，土地利用改变为玉米、牧草、板栗-木豆人工林、大豆、果园等多种利用方式，其中玉米、牧草及大豆地主要分布在洼地中部，果园、人工林及撂荒地主要分布在洼地边缘及坡脚。表1为研究区洼地中表层土壤的基本理化性状。

表1 洼地表层土壤的基本理化性状

1.2 样点设置及水分测定

在洼地样区内(200m×600m)以20m×20m的间隔，通过测绳结合GPS定位确定每个采样点并获得地理坐标，定位样点经Arcinfo投影转换生成以米(m)为单位的平面坐标(投影类型为Transverse Mercator，central meridian: 111°00′00″)。最后生成相应的样点分布图(图1)，洼地样区中共设样点341个，在每个样点利用TDR(TRIME-EZ，德国)测定0—16cm的土壤体积含水量，并详细记录样点的土地利用方式、植被类型、海拔高度及裸岩率等环境信息。其中地势采用相对高程来表示，即采样点与洼地最低点的海拔高度差。裸岩率采用取样点周围2 m范围内的岩石出露面积比率表示。共分4次在研究区的典型旱季(2005- 01- 24，2005- 03- 11)和雨季(2005- 07- 29，2005- 08- 30)时期测定洼地样区内的土壤水分含量，每次测定均在1d内完成。

图1 岩溶洼地土壤水分取样分布图Fig.1 Map of sampling spots on the karst depression

1.3 数据处理

数据的分析主要采用域法(均值±3倍标准差)处理特异值，土壤水分的空间变异研究主要采用地统计学方法[3,15]。统计特征计算、相关分析及多重比较等均在SPSS15.0中实现，利用Arcgis9.0中的Spatial Analysis 进行数据的空间结构分析并绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分的统计特征

表2为4个取样时段洼地土壤水分的统计特征值，2005- 01- 24和2005- 03- 11对应当地旱季时期，2005- 07- 29和2005- 08- 30对应雨季时期，前期降雨量数据为测定之前10d内的累计降雨量。从表中可以看出，旱季时期测定的两次土壤水分均值分别为27.44%和21.78%，而雨季时期两次测定的土壤水分均值分别是21.67%和28.79%，不同季节土壤水分含量明显受前期降雨量的影响，且旱季土壤水分对降雨量的响应较雨季敏感。从4次测定数据的变异系数来看，旱季和雨季时期土壤水分均呈中等变异特征(10%

表2 洼地土壤水分的描述统计特征

2.2 土壤水分的空间结构

表3和图2显示了4次取样土壤水分的半方差特征参数及半方差图，旱季和雨季土壤水分变异函数的最优拟合模型均为指数模型。其中旱季时期，2005- 03- 11土壤水分的块金值较2005- 01- 24的明显增加，块金值增加主要受人为因素(土地翻耕)的影响，造成了土壤水分在小于采样尺度20 m时的内部变异增加。土壤水分的基台值在雨季整体较旱季明显变小，主要原因是雨季一般降雨频繁且降雨强度较大，降雨之后表层土壤水分的异质性差异得到一定平滑，土壤水分的空间异质性变小。Fitzjohn等[16]的研究也认为降雨之后，土壤平均含水量迅速升高后，空间变异会随之降低。

表3 洼地土壤水分空间变异半方差特征参数

变程反映洼地土壤水分空间变异的主要生态过程和作用的变化。旱季和雨季土壤水分的变程明显不同，在旱季，平均含水量较低时(2005- 03- 11)变程较大，这表示在旱季较干旱情况下，土壤含水量整体较低且不同样点的含水量差异减弱，使得区域内土壤水分的均匀性增强，变程增加；而雨季，在平均含水量较高时变程明显增大(2005- 08- 30)，这意味着受降雨的影响，洼地不同土地利用下土壤含水量差异减小且水分分布的均一性增强，整体分布趋于简单化。这与Western等[15]人认为降雨过后由于土壤饱和区域的扩张等会造成土壤水分的变程增加相一致。从块金与基台值的比值可以看出，雨季的2005- 08- 30土壤水分呈中等的空间相关性(25%<块金/基台<75%)，反映出由随机部分引起的空间异质性起重要作用，而且主要表现在20 m以内的取样尺度上。其余3次取样土壤水分均具强烈的空间相关性(块金/基台<25%)，说明随机因素对土壤水分的影响较小，其空间变异主要是由地形地貌、土地利用、植被等自然因素的空间自相关部分引起。

图2 洼地典型旱、雨季土壤水分的半方差图Fig.2 Semi-variograms of the soil moisture during dry and rainy seasons in the depression area

2.3 土壤水分的空间分布格局

在洼地土壤水分空间结构分析基础上，考虑土壤水分的趋势效应和各向异性后，选择普通克立格法，进行研究区土壤水分的空间分布制图。

从图3看出，洼地土壤水分均呈不规则的斑块或条带状分布，含水量高低差别明显，季节变化及空间变异程度各异。其中在旱季，两次测定的土壤水分具有较一致的空间分布格局，斑块的破碎度均较大，表明其空间连续性较差，研究区内含水量东西向差异较大，南北向差异相对较小，是土壤水分各向异性在空间分布图上的直观表现。含水量低值区主要分布在研究区西南角和东北角，西南角主要是一侧峰丛的延伸地带，地势较高且坡度较大，主要为耕地和人工林地，人为活动强烈且植被盖度较低，地势和土地利用两者的交互效应造成了该区域含水量最低。在洼地东北角，是玉米及牧草地，水分蒸散量较大，该区域的含水量也较低。在雨季时期，洼地样区内土壤水分的斑块数减少，土壤水分分布的复杂程度变小，表明其空间异质性有所降低。土壤水分同样呈西南端低东北端高的趋势，显然地势的差异对土壤水分变化具有重要影响。在雨季降水较少条件下(2005- 07- 29)，土壤含水量的空间分布呈条带状；在降水较多时(2005- 08- 30)，地势较高的西南端易产生地表径流，不利于土壤水分的蓄积和入渗，使得该区域土壤含水量较低；而洼地东北端，处在两侧山坡的沟谷中且石丛分布较多，是地表径流的汇集区，土壤含水量则相对较高。

2.4 土壤水分变异的影响因素

2.4.1 前期降雨量的影响

表层土壤水分的空间变异及其分布格局受气候因素驱动，特别是前期降雨量在影响土壤水分变异的自然因素中占据十分重要的作用。但降雨对土壤水分变异存在滞后效应，其随着降雨量增加而降低，随着作物根系吸收及地下水位高度而降低[17]。在洼地单元上，旱季和雨季土壤平均含水量主要受前期降雨量的影响，两者存在一致的变化趋势(表1)，而土壤平均含水量与变异系数的大小呈相反变化趋势。在旱季，前期降雨量少的2005- 03- 11，土壤平均含水量较低(21.78%)，变异程度较大；而在降雨量较多的2005- 03- 11，土壤平均含水量相对较高(27.44%)，变异程度较小。在雨季也具有相一致的变化趋势。由于前期降雨量导致的土壤水分变异，显示出较强降雨引起的土壤侧向流及其水分再分配在土壤水分空间变异中的重要性[18]。因此，前期降雨量对研究区土壤水分变异具有重要影响，两者在一定程度上可能呈负相关关系，这与国内外许多研究结果相一致[3,14,19]。

图3 洼地土壤水分在旱季和雨季的空间分布图Fig.3 Spatial distribution maps of the soil moisture during dry and rainy seasons in the depression area

2.4.2 土地利用方式的影响

土地利用方式与土地覆被类型，都可以通过改变土壤的性质和植被对地表的覆盖从而影响土壤水分含量及其变异[20- 21]。土地利用通过影响水分入渗、地面径流和蒸散等过程，从而在土壤水分空间分布中产生重要影响，特别是在植被生长季节，这种影响更为显著[22]。不同植被的蒸腾耗水、林冠的保护和根系深度使得不同土壤层次的蒸发及水分吸收不同，也会造成了水分含量的差异性[3]。此外，植被盖度变化能对降雨前的水分分布产生均一效应，减少了降雨对土壤水分地形再分配的可能性[23]，从而影响土壤水分变异。

通过对洼地不同利用方式下土壤水分含量的比较发现(表4)，在旱季，玉米地的含水量最低，大豆地次之，但两者无显著差异。农作地土壤含水量低主要是由于耕作频繁、植被盖度小和蒸发强烈等因素造成；含水量较高的是果园地和撂荒地，且两者差异也不显著。撂荒地由于受扰动较少，植被覆盖度大等造成土壤水分较高，而果园地主要由于种植区土层相对深厚，裸岩较少，并且受到良好的经营管理所致。而雨季，在较干旱情况下(2005- 07- 29)，所有土地利用方式下的土壤含水量均较低，且彼此间差异不显著；在较湿润条件下(2005- 08- 30)，以果园地和撂荒地的含水量较高，其次是牧草地，这主要是由于几种土地利用方式下的土壤特征及较大的植被盖度使得表层蓄水增加，蒸发能力减弱，造成土壤含水量较高。而分布在坡脚的人工林地，由于叶冠盖度小，土层浅薄且岩石裸露率高，使得地表蒸发强烈，导致土壤含水量较低。可见，洼地不同土地利用方式下的土壤水分具有明显差异，主要与植被盖度及其蒸发蒸腾能力不同有关。

表4 洼地典型旱季和雨季中不同土地利用方式下的土壤水分含量/%

每行均值中小写字母不同表示土地利用类型间差异显著(P<0.05)

2.4.3 微地貌及有机质的影响

从表5可以看出，地势和裸岩率均对洼地土壤水分具有一定影响，地势与土壤水分呈负相关，其中在旱季土壤平均含水量较高时相关性不显著，在平均含水量较低时两者呈显著负相关；而在雨季含水量较高时，土壤水分与地势呈显著负相关，在含水量较低时则相关性不显著。其原因可能是，降雨量的多少直接导致了地势在土壤水分分布及含量异质性上的贡献率不同。旱季干旱条件及雨季较湿润条件下，地势对土壤水分的影响凸现，地势较高区域由于土壤水分的保蓄能力较弱，容易产生地表径流及地面蒸发能力较强等导致土壤含水量较低。土壤水分与裸岩率呈正相关，但仅在旱季较干旱时(2005- 03- 11)土壤水分与裸岩率的相关性显著，而在旱季湿润条件及雨季时两者的相关不显著。在碳酸盐岩的差异溶蚀和土壤丧失的作用下，岩溶生态系统的土壤逐渐向裂隙和低洼部位退缩，从而使得裸岩裂隙部位土层相对较厚，而且裸岩率越高，土壤就越深陷裂隙中，这增加了土壤水分的汇聚并减少了蒸发，使得附近样点的含水量较他处高，这在一定程度上解释了裸岩率与土壤水分的正相关关系。但由于岩石对土壤水分的作用比较复杂，可以通过影响近地面的蒸发、降雨分布、土壤水分入渗及再分布等过程而影响土壤水分，这些过程受裸岩大小、降雨多少、日照强度及与石块距离远近等一系列因素控制[24]，其最终对土壤水分的影响过程和强度还需要进一步研究。

土壤有机质含量对土壤水分具有重要影响, 特别是在低肥力土壤中，增施有机肥后土壤水肥效应增加最为显著[25]。水稻土的田间持水量和有效水含量与土壤有机质、结构系数、团聚度呈极显著的线性正相关[26]。并且在植被的不同演替阶段，土壤表层的物理性质有改善趋势，伴随正向演替进行，土壤有机质及土壤含水量则不断增加[27]。在岩溶地区不同土地利用下土壤水分的特性差异研究表明，山地土壤的持水性能主要与有机质含量和大于0.25 mm的水稳性团聚体有关，二者的效应大于粘粒对水分的效应[28]。本研究中，旱季及雨季土壤水分与土壤有机碳含量存在显著的正相关关系，特别是在旱季较干旱条件下时，两者呈极显著正相关，显示土壤有机质对土壤水分具有较强的保蓄能力。这从另一方面说明了采取增加土壤有机质含量的各项农艺及工程措施，对于提高岩溶区土壤的持水和蓄水能力，缓解当地旱季多发的旱灾具有重要指导意义。

总之，土壤水分空间变异受多种因素的共同影响，这种变异在不同尺度上和环境属性的关系是不断变化的，在一些情况下相关性很显著，另外的情况则不然，这可能是由于研究区的气候、地形、土壤、植被以及取样的情况不同而造成的[22]。因此在土壤水分变异研究中，特别是在地貌复杂的岩溶区域，土壤的水分退化是土壤退化的一个关键过程和因素[29- 30]。应进一步研究土壤水分的时空分布以及由此导致的土壤侵蚀等生态过程变异及调控机制，针对当地特定的气候、土壤、植被和地形地貌等条件，综合考虑影响土壤水分变异的各种因素，并在此基础上，对岩溶区水土资源有效利用及植被的优化配置进行科学规划和指导。

表5 旱雨季洼地土壤水分与微地貌及有机质的相关关系

*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关

3 结论

(1) 在典型岩溶洼地单元，通过在典型旱季和雨季时期的4次密集采样，用地统计学和GIS方法分析了表层土壤水分的空间分布特征及其影响因素。研究结果显示，在旱季和雨季时期的4次取样中，土壤水分均呈中等变异特征。

(2) 旱季和雨季土壤水分的半方差函数模型均为指数模型，旱季和雨季的土壤水分分布特征不同，旱季时呈明显的斑块状分布，雨季时则呈条带状，半方差参数及空间分布的差异显示出旱季及雨季土壤水分空间变异及其主导因素的不同。

(3) 土壤水分变异主要受环境和人为因素的综合影响，旱季及雨季土壤水分均与前期降雨量导致的土壤平均含水量变化呈相反趋势，且不同土地利用方式下的土壤水分含量不同。此外，土壤含水量与有机质含量呈显著正相关，地势及裸岩率也是造成岩溶洼地土壤水分变异及其分布差异的重要因素。

(4) 鉴于岩溶区土壤水分变异的复杂性，开展典型旱季和雨季洼地土壤水分空间分布及其影响因素的差异研究，不仅有助于加强对岩溶区土壤水分变异特征、相关水文过程及其影响因素的综合理解，而且为该地区土壤水资源合理利用及植被恢复管理提供理论及实践指导。

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Researchonspatialdistributionandinfluencingfactorofsoilmoistureintypicaldepressionareaofkarstregion

ZHANG Jiguang1, 2, SU Yirong2, 3, CHEN Hongsong2,3,*, KONG Xiangli2, 3, ZHANG Wei2, 3, ZHANG Jiuquan1, 2, SHEN Guoming1

1TobaccoResearchInstituteofChineseAcademyofAgricultureSciences,Qingdao266101,China2InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China3HuanjiangExperimentalStationofKarstEcosystem,ChineseAcademyofSciences,Huanjiang547100,China

The characterization of the spatial variability, distribution and influencing factor of soil moisture is of paramount importance in many ecological processes and operational applications, especially in the karst area of China.In this study, soil moisture was measured with a portable T DR for a layer depth of 0—16 cm in a karst depression area of southwest China during the dry and rainy seasons of 2005, and the spatial variability, distribution and influencing factors of soil moisture content were investigated by using the geo-statistics and GIS method.The results indicated that the surface soil moisture content was influenced by the antecedent rainfall (the rainfall accumulation 10 days before the sampling time) and it was more sensitive to the antecedent rainfall in dry season than that in rainy season.The mean soil moisture content varied from 21.67% to 28.79% during the dry and rainy seasons.The soil moisture content showed middle variability, and the CV values decreased with the increasing mean soil moisture content either in dry or rainy season.The parameters of semi-variogram theoretical models of soil moisture content indicated that the spatial variability and its dominant influencing factor of soil moisture content both changed with the dry and rainy season.Similar results were also obtained from the pattern of soil moisture content, which generated by the ordinary kriging interpolation.The soil moisture content, its distribution and variability were always different at different sampling time and region.But, a similar pattern of the soil moisture content was observed on the whole in the two seasons, with drier zones always becoming drier and vice versa.Also, the distribution of soil moisture content showed mosaic pattern in dry season, compared with the strip or band pattern in rainy season, which were caused by the combined influence of environmental factors and human activities.What′s more, the variability of soil moisture content by CV values decreased with the increasing mean soil moisture content due to the antecedent rainfall either in dry or rainy season.And the soil moisture content was different in different land use types.The abandoned field and orchard field always had relatively higher soil moisture content either in dry or rainy season, followed by the rehabilitated field and gazing field, and the cultivated field had relative lower soil moisture content.Furthermore, a significant positive correlation was found between the soil moisture content and the soil organic carbon.Altitude and bare-rock ratio were also important factors influencing the soil moisture content in the depression area.Therefore, rational strategies of soil water resource usage and management should be made according to the different spatial distributions and influencing factors of soil moisture content in dry and rainy season in the depression area of karst region.

karst depression area; soil moisture content; spatial distribution; influencing factor; dry and rainy season

中国科学院西部行动计划(KZCX2-XB3- 10);国家自然科学基金项目(41171187, 41201291);国家科技支撑计划课题(2010BAE00739- 02)

2013- 10- 28;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201310282597

*通讯作者Corresponding author.E-mail: hbchs@isa.ac.cn

张继光，苏以荣，陈洪松，孔祥丽,张伟，张久权，申国明.典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素.生态学报,2014,34(12):3405- 3413.

Zhang J G, Su Y R, Chen H S, Kong X L, Zhang W, Zhang J Q, Shen G M.Research on spatial distribution and influencing factor of soil moisture in typical depression area of karst region.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3405- 3413.