桂林地区不同土地利用方式下土壤热导率空间变化

陶涣壮 甘磊 马蕊 张中彬 程芳丽

摘要：以广西桂林市农业科学院大豆种植地、甘蔗种植地、梨树种植地为例，对3种土地利用方式下干旱、中等、湿润土壤水分情况中土壤热导率的空间变化进行研究。结果表明：在干旱和湿润水分条件下，土壤热导率表现为梨树地>甘蔗地>大豆地，而中等水分条件下梨树地>大豆地>甘蔗地；土壤热导率的大小变化趋势与含水量相一致，说明土壤热导率的大小主要受土壤含水量的影响；土壤热导率的地统计分析表明，在3种土壤水分条件下，大豆地的土壤热导率空间结构比在50%～65%范围内，属于中等相关性，而甘蔗地和梨树地的空间结构比大于75%，空间相关性很强；大豆地的土壤热导率的高阈值空间分布比甘蔗地的稳定性好，主要是因为甘蔗地受垄沟灌溉的影响；而梨树地是免耕地，其空间分布稳定性较弱。研究结果说明，在研究区域土壤对其热导率空间相对稳定性具有一定维持能力，但土壤热导率的稳定性受耕作和灌溉等人为因素的影响。

关键词：土地利用方式；土壤热导率；土壤水分；地统计分析；空间变化

中图分类号： S152.8文献标志码： A

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

“温室效应”引起的全球变暖现象，导致气温、降水量、蒸散发速率发生变化，从而对土壤性质产生直接影响[1]。土壤热特性主要包括热导率、热容量等特性[2]。其中，热导率反映土壤热量传输能力的大小，一直是研究热点[3]。土壤热导率不仅引起土壤温度发生变化，也对各种物质迁移转化的程度、数量以及植物生长及其对水肥吸收产生直接影响，同时也影响土壤水、气在土壤中的分布及其传输特征，进而影响土壤中各种物理化学过程发生及其程度[4]。通常影响土壤热导率的因素有土壤含水量、质地、容重、有机质、孔隙度[5]。降水与土壤含水量、热导率也存在一定的相关性，降水会增加土壤含水量，而土壤含水量的迅速增加使得土壤热导率明显升高[6]。各种土地利用方式下的土壤理化性质存在着不同程度的差异[7]，土壤容重大则孔隙度小，土壤越紧实，土壤热导率越大。土壤质地越粗，热导率随含水量改变而变化的速度越快。当土壤质地相同时，含水量增大，热导率也迅速升高[8-9]。结合地理信息系统（GIS）技术与地统计学方法可以较好地模拟土壤热导率的空间结构和变异特征，同时土地利用方式对土壤热导率空间分布有着较强的关联性[10-11]。因此，对土壤热导率的研究能够提高土壤水分、养分高效利用率及土壤质量等。本研究以种植大豆、甘蔗、梨树3种土地利用方式为对象，分析干旱、中等、湿润土壤水分条件中土壤热导率的变化以及空间分布，以期为广西喀斯特地区农业干旱应对、农田合理灌溉制度的制定以及水土流失治理等问题提供理论基础。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验区域位于广西桂林市雁山区的桂林市农业科学院（25°4′N、109°44′E），属于亚热带季风气候。试验区地势较为平坦，平均海拔约为160 m。该区多年平均降水量约为 1 894 mm，降水量全年分布不均，雨季为4—9月，降水量占全年的60%左右。其中年平均蒸发量1 490～1 905 mm，多年平均气温为18～19 ℃。利用手持全球定位系统（GPS）分别在大豆、甘蔗、梨树种植地选取面积为14 175 m2（135 m×105 m）的试验区，每个测量点间相隔15 m，共设置80个测量点。同时在每个试验区内随机设置20个次级测量点，整个试验区共设置100个测量点。

1.2采样与分析

试验开始前，分别用环刀采集3个试验区表层土样（0～6 cm），带回实验室测定土壤质地、容重、总孔隙度、有机质含量。土壤含水量利用手持土壤水分测定仪（HH2 Moisture Meter，英国）测定，测量前设备已标定。每次测定均是在1 d内完成，当遇到降水发生时，再测1次。测量时段为2014年8月至2015年3月。根据不同土地利用方式的土壤含水量大小进行分析，分别选取干旱、中等、湿润3种土壤水分状态对土壤热导率进行分析。

按照Campbell[12]经验公式计算土壤热导率λ（θ）：

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

其中，A、B、C、D、E是与土壤性质有关的系数，具体关系如下：

[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为土壤容重；mc为黏粒含量分数。ρb、mc是方程中的2个常量。

土壤热导率的地统计分析中，利用半变异函数方法进行数据空间变化的分析，计算公式如下[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）是空间间隔为h的半变异函數；N（h）为被间隔h分割的数据点对数；Z（xi）为随机变量Z在点xi处的值；Z（xi+h） 为Z在相距点xi为 h远处的值。

Zhao等研究表明，半变异函数的指数模型能很好地进行插值[14]，因此本研究选取指数模型进行地统计分析。块金值（C0）、基台值（C+C0）、偏基台值（C）以及最大相关距离是在指数模型拟合中得到的4个重要参数。块金值（C0）表示区域化变量在小于试验研究尺度时非连续变异，受区域化变量属性以及测量误差共同制约；基台值（C+C0）表示当采样点间的距离h增大时，半变异函数r（h）从初始的块金值达到一个相对稳定的常数；偏基台值（C）是基台值与块金值的差值；最大相关距离表示变异函数由初始块金值达到基台值时的测量点之间的间隔距离。空间结构比直接反映了空间相关性的强弱，即偏基台值（C）与基台值（C+C0）的比值，该值越大，空间相关性越强。根据Cambardella等的研究[15]，当C/（C+C0）>75%时，变量之间空间相关性十分强烈；当C/（C+C0）为25%～75%时，变量之间空间相关性是中等程度；当C/（C+C0）<25%时，变量的空间相关性变得很微弱。

所有测量数据运用SPSS 13.0软件进行分析，土壤热导率的地统计分析和空间分布制图运用ArcGIS 10.0软件。

2结果与分析

2.1土壤属性基本情况

2.2土壤含水量和土壤热导率的统计描述

由表2可见，在干旱和湿润的水分条件下，土壤含水量都是梨树地>甘蔗地>大豆地，但在中等水分条件下，土壤含水量表现为梨树地>大豆地>甘蔗地。干旱条件下大豆地土壤含水量最小，为0.037 cm3/cm3，湿润条件下梨树地土壤含水量最大，为0.282 cm3/cm3。在土壤热导率方面，同样是在干旱和湿润的水分条件下梨树地>甘蔗地>大豆地，中等水分条件下梨树地>大豆地>甘蔗地。最小土壤热导率值出现在干旱条件下的大豆地，为0.277 W/（m·K）；最大值出现在湿润条件下的梨树地，为0.986 W/（m·K）。

2.3土壤热导率的地统计分析

由表3可见，在3种水分条件下，土壤热导率的最大相关距离为27.50～207.20 m，大于试验区观测点之间的距离，证明这些观测值之间存在空间相关性。从块金值和偏基台值来看，3个试验区在干旱、中等水分、湿润条件下，块金值都比偏基台值小。从空间结构比可知，在3种水分条件下，甘蔗地和梨树地的空间结构比都大于75%，说明空间相关性很强。而大豆地的空间结构比都大于50%，在25%～75%范围内，属于中等的空间相关性。

从ArcGIS软件对土壤热导率进行地统计分析的成图中，可以知道土壤热导率在试验区的空间分布情况。每幅图中颜色深浅代表土壤热导率的高低，颜色越深，土壤热导率就越高，每幅图中颜色深浅的变化都有各自的变化阈值。图1代表大豆地分别在干旱、中等水分、湿润的土壤水分条件下的土壤热导率空间分布。如图1-a所示，在干旱水分条件下，土壤热导率以中等阈值为主，土壤热导率的高阈值分布于图中的东北角，低阈值分布在西南角。如图1-b所示，在中等水分条件下，土壤热导率的低阈值从中部逐渐向东北角和东南角递增，高阈值位于图中东北角。如图1-c所示，在湿润条件下，土壤热导率的高阈值位于东北角，低阈值分布于西北角。在3种土壤水分条件下，大豆地土壤热导率的高阈值都位于试验区的东北部，说明土壤热导率的空间分布具有很好的稳定性。图2表示甘蔗地在干旱、中等水分、湿润的水分条件下土壤热导率的空间分布图。如图2-a所示，在干旱条件下，土壤热导率在图中中部以2个高阈值为圆心向四周递减，低阈值出现于图中西北角。如图2-b所示，在中等水分条件下，土壤热导率的高阈值位于南部，但比较分散，低阈值分布于[CM（25]北部。分布比较明显，高阈值分布于东南角，低阈值位于西北角。在3种土壤水分条件下，甘蔗地土壤热导率的高阈值在南部都有出现，同样具有一定稳定性。图3表示梨树地在干旱、中等水分、湿润的水分条件下土壤热导率的空间分布。如图3-a所示，在干旱条件下，土壤热导率的高阈值分布于图中东北角和南部，以圆圈的形式向四周辐射减少，低阈值位于西北角。如图3-b所示，在中等水分条件下，土壤热导率的高阈值位于西北角，低阈值位于东南角，从整体上看，北部的土壤热导率比南部高。如图3-c所示，在湿润条件下，土壤热导率高阈值零散分布于西北角、西南角、东南角，低阈值位于东南角，以圆形为中心向四周递增。从干旱到湿润中，梨树地土壤热导率的高阈值空间分布较为零散，稳定性相较于其他2个试验区较弱。

3结论与讨论

3.1结论

本研究分析了桂林地区3种土地利用方式在干旱、中等、湿[CM（25]润的土壤水分条件下，土壤热导率的大小和空间结构变化[CM）][FL）]

情况。在干旱、湿润水分状态下，土壤热导率的大小都表现为梨树地>甘蔗地>大豆地，而在中等水分条件下，土壤热导率的大小表现为梨树地>大豆地>甘蔗地，其变化与土壤含水量的变化趋势相一致，说明土壤含水量是引起土壤热导率变化的主要因子。从土壤热导率的地统计分析结果可以看出，在3种土壤水分状态下，所有块金值都比偏基台值小，说明土壤热导率的空间变化主要受土壤属性和降水等非人为因素的影响，其中土壤含水量是引起土壤热导率空间变化的主要因子。大豆地的土壤热导率空间结构比范围是50%～65%，属于中等相关性，而甘蔗地、梨树地的空间结构比大于75%，空间相关性很强。大豆地的土壤热导率的高阈值分布较稳定，而甘蔗地受垄沟灌溉的影响，其稳定性比大豆地略差。由于梨树地是免耕地，其土壤热导率的高阈值分布零散，稳定性较弱。研究结果说明土壤对其热导率空间相对稳定性具有一定维持能力，但土壤热导率的稳定性受耕作和灌溉等人为因素的影响。

3.2讨论

土壤热导率的大小受到土壤颗粒组成、含水量、容重、孔隙率的影响[16]。在干旱和湿润水分條件下，土壤热导率表现为梨树地>甘蔗地>大豆地，而中等水分条件下梨树地>大豆地>甘蔗地。同时土壤热导率的大小变化趋势与含水量相一致，说明土壤热导率的大小主要受土壤含水量的影响，并且随着含水量的增加而呈幂函数增加趋势[2]。土壤含水量的变化主要受蒸散发和降水等因子制约，其中降水是调节土壤含水量变化的主要方式[17]。在3种水分条件下，梨树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盖物较少，对土壤水分的蒸发作用较强以及对降水反应较为敏感，使土壤含水量相较于梨树地低；而梨树地有机质含量高以及枝叶覆盖面积较大，调蓄水分的能力较强，从而保证土壤含水量较高，相对应的土壤热导率就会升高[18]。同时梨树地属于长期免耕地，而大豆地、甘蔗地遭受长期翻耕。这与赵君等关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。这也间接说明耕作也影响土壤热性质。相比传统耕作系统，长期免耕的土壤扰动少，在有机质、土壤粒径分布、土壤储水能力上都将发生改变，而这些改变都会影响土壤热导率[20]。在干旱土壤水分状态下，3个试验区的土壤含水量、热导率数值上相差不大；但在中等水分条件时，3个试验区土壤含水量差别不大，而热导率有差异。这主要是由3个试验区的容重、砂粒含量有差别而共同影响造成的。大豆地的土壤容重显著大于其他2个试验区（P<0.05）。有研究表明，砂粒含量越高，粉粒含量越低，土壤热导率越大，土壤导热能力越强[21]。Abuhamdeh等认为，在2种类型土壤中热导率随容重的增大而增加[22]。土壤热导率的计算公式是一个幂函数，因此自变量中土壤含水量、容重、质地的微小改变也会引起土壤热导率较大的变化。这种计算方法早已经在其他研究中应用，被证明是合适的[23]，这与本研究结果相一致。

在3種水分条件下，3个试验区的块金值都小于偏基台值，其中甘蔗地、梨树地的块金值比偏基台值小了76%～98%，这表明土壤热导率空间变异主要是由土壤母质、地形、气候等非人为因素和空间自相关部分引起的[24]。而降水对土壤含水量的变化起非常强烈的反应[25]，导致土壤热导率的空间变化受到土壤含水量的影响，进而说明了降水等非人为因素影响了土壤热导率空间变化。大豆地的空间结构比小于其他2个试验区，主要原因是大豆地经常遭受耕作、锄草、灌溉等人为因素的影响，从而块金值增大，导致土壤热导率变小和空间相关性降低。从图1可以看出，从干旱到湿润过程，大豆地土壤热导率高阈值的分布很稳定，都位于在东北角，主要原因是大豆地的土壤含水量波动区间很小，数值间隔不大。从图2可看出，甘蔗地在干旱条件下土壤热导率高阈值在东北角；而在其他2个水分条件下，土壤热导率高阈值都分布在西南角。主要原因是甘蔗在种植时采用垄沟灌溉方式，储存水量多[26]，热导率随着含水量增加而增加，所以土壤热导率在中等水分和湿润条件下空间分布较稳定。梨树地从干旱到湿润过程中，土壤热导率高阈值的空间分布零散且不稳定。主要原因是梨树地是免耕地，造成地表凋落物的覆盖增多和有机质含量丰富等情况[27]，导致热导率空间变化不稳定。

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