橡胶单作与间作种植模式土壤水分的空间变异性研究①

吴炳孙 冯家东 王晶晶 王桂花

（1中国热带农业科学院橡胶研究所农业部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室/省部共建国家重点实验室培育基地-海南省热带作物栽培生理学重点实验室/农业部儋州热带作物科学观测实验站 海南儋州 571737；2海南大学林学院 海南海口 570228；3中国热带农业科学院橡胶研究所 海南海口 571101）

海南省天然橡胶的种植面积超过53万hm2［1］，其林下有巨大的发展空间。在胶价低迷常态化下，发展林下经济是一种有效提高胶园综合效益的途径，其中胶园林下间作能同时充分利用胶园的水肥光热资源，还能提高胶园经济效益，已成为提高橡胶生产效益的一项重要措施［2］。

土壤水分是土壤各种生物化学反应过程的重要影响因子［3］，也是橡胶林吸收养分的必需载体，对橡胶林生长有重要影响。土壤水分受到气候、植被、地形等自然因素及施肥、耕作、灌溉等人为因素共同影响［4］，在不同空间位置上具有明显的差异，具有空间变异性。橡胶间作复合种植对土壤理化性质产生一定的影响［5-8］，尤其对土壤水分利用方面，研究表明胶园间作能显著提高土壤含水量，还能提高橡胶树水分利用效率［9］，但胶园间作对土壤水分空间变异的影响未见报道，为此以胶园间作益智为研究对象，橡胶单作为对照，采用地统计方法分析空间异同性，探明空间分布特性及合理采样数量，为胶园间作土壤水分评价奠定基础，而且也为科学开展橡胶林的土壤水分和培育管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究样区位于海南省西部中国热带农业科学院试验农场三队（19°32′47″N，109°28′30″E），海拔高度为114 m，地形平坦，土壤为花岗岩砖红壤，土层厚度约100 cm，多为沙质黏壤土。属典型热带海岛季风气候，年平均气温23.5～24.1℃，年日照时间2 450.0 h，无霜期365d，受热带季风影响旱雨季分化明显，一年当中5～10月份是雨季，11月至翌年4月为旱季，年均降水量约1 500～1 900 mm，雨季降雨量占全年降雨量80%以上，干季降雨量少。选取益智-橡胶复合种植（以下简称益-胶）与橡胶单作为研究样地，研究样地的橡胶林品系均为热研7-33-97，2005年种植，2012年开割，橡胶树种植规格均3.0 m×7.0 m，地势平坦、海拔高度一致，样地相距500 m内，其中益智-橡胶复合种植样地的益智（Alpinia oxyphylla Miq.）间作距离橡胶树约2 m左右，种植规格为1.5 m×1.5 m，冠高1.2 m左右；橡胶单作样地林下为草本层，草本层冠高约为0.2 m左右。

1.2 土壤水分采样方法

在益智-橡胶复合种植样地和橡胶单作样地分别设置30 m×70 m面积为取样区，即橡胶树11行×11株的范围区域。取样位置位于橡胶树行间，在每行间的南北方向以离橡胶树0.5 m为起始线，沿着南北方向间隔2 m，东西方向间隔3 m划分网格（图1），每行间共划分30个网格，每个样地共布设300个取样网格。于连续几天晴天、无降雨的2020年8月30日在每个网格的中心用TDR300土壤水分测定仪随机测3个点0～10 cm深度土壤含水量，将3个点的平均数据代表该网格样点的样本值。

1.3 空间变异分析

半方差函数是地统计学应用最广泛的空间格局描述的基本工具［10-12］，其计算公式如下：

式（1）中，γ(h)为半方差函数值；N(h)是间距为向量h的点对总数；Z(xi)为区域化变量Z在xi处的实测值；Z(xi+h)是与xi距离为向量h处样点的值。

图1 三行橡胶树间的土壤含水量测定样点示意图

基台值（sill，C0+C）、块金值（nugget，C0）和变程（range）是半方差函数中重要的参数，其中基台值表示变量在空间上的总变异性大小，块金值则反映随机因素引起的空间变异，变程表示空间变异的范围。而块金值与基台值的比值［C0/（C0+C）］的大小，又称块金效应，可确定结构性因素（如成土母质、气候、地形等自然因素）与随机性因素（如耕作措施、施肥及种植制度等人为因素）在空间变异的主导性。一般认为，该比值＜0.25时，具有强烈的空间相关性，即要素空间变异主要受结构性因素影响；比值为0.25～0.75时，具有中等程度的空间自相关，即要素的空间变异受到结构性因素与结构性因素共同影响；比值＞0.75时，空间自相关性很弱，即要素的空间变异主要受随机性因素影响。

1.4 数据处理与制图

土壤水分含量的描述性统采用SPSS（17.0）计算，半方差函数拟合与分析在GS+9.0完成，空间制图由ArcGIS10.6实现。

2 结果与分析

2.1 橡胶园单/间作模式土壤水分统计特征

各胶园样地土壤含水量的描述性统计结果如表1所示。橡胶间作模式的土壤含水量显著高于橡胶单作（p＜0.05），其中，益-胶复合样地土壤含水量均值为21.92%，而橡胶单作样地为19.96%。益-胶复合样地和橡胶单作样地土壤含水量的变异系数分别为12.28%、9.55%，均小于25%，属于弱变异性。经样本Kolmogorov-Smirnov（K-S）正态检验和对数正态检验结果表明，各样地土壤含水量呈对数正态分布。

表1 橡胶单作与间作模式的土壤水分的描述性统计

2.2 橡胶园单/间作模式土壤水分含量的空间异质性分析

运用GS+9.0对各样地土壤水分含量的半方差函数进行反复模拟，获取最优半方差拟合函数参数（见表2）和拟合曲线（见图2），其中橡胶单作样地的土壤水分空间变异用指数模型拟合较优，而益-胶复合样地则为球形模型拟合较优。益-胶复合样地的块金值大于橡胶单作样地，较大的块金值可能与间作益智人为干扰有关，反映出在小于2 m研究尺度上存在作物的株间差异和土壤扰动等影响。另外，块金值与基台值之比（块金效应）表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例。益-胶复合样地的块金值与基台值之比为28.39%，表明土壤水分具有中等程度的空间相关性，说明结构性（如地形、降水、气温等自然因素）和随机性因素（如施肥、耕作模式等人为因素）共同引起的空间变异，而橡胶单作样地的块金值与基台值之比为12.63%，说明土壤水分具有强烈的空间相关性，这主要是由自然因素引起空间变异，并且显著小于益-胶复合样地，表明橡胶园间作作物会削弱自然因素引起的土壤水分空间变异性。

表2 橡胶单作与间作模式的土壤水分半方差拟合函数参数

图2 不同胶园土壤水分半变异函数图

2.3 橡胶园单/间作模式土壤水分空间分布特性

根据各胶园半方差模型拟合的参数绘制出橡胶单作与间作模式的土壤水分含量空间分布图（图3～4），从图3、图4中可以看出各胶园土壤含水量表现出一定的空间异质性，益-胶复合胶园土壤水分空间异质性较橡胶单作胶园土壤水分强度高，且益-胶复合胶园土壤含水量也比橡胶单作胶园高。橡胶单作胶园土壤水分空间分布呈大图斑分布，碎片化图斑较少，空间聚群少，行间与非行间土壤含水量差异不显著（F=0.011，p＞0.05），整体空间变异小，这可能与橡胶单作地表覆盖为草本层，草本层密集且单层覆盖，影响单一使土壤含水量空间变化不大。而益-胶复合胶园土壤水分空间分布呈多环图斑分布，一般由内环土壤含水量低逐渐向外环土壤含水量高扩散，且存在以内环为中心多环扩散形式的多个空间聚群区域，呈明显的阶梯状且连续性较好，这可能与间作益智使橡胶园呈多层立体冠层相关，相比橡胶单作橡胶园，增加了益智冠层，影响橡胶园内降水分配与地表蒸发，造成空间上存相关性，导致斑块变化相似，连续性好，这也是使变程较大的原因。

2.4 橡胶园单/间作模式土壤水分合理采样数量

土壤存在空间变异性，通过增加土壤采样数量可以提高估算土壤含水量精度，但需消耗大量的劳力与财力，而样本数太小，则又会造成估算不精确。因此科学地确定采样数量对实际应用中具有重要的意义。根据区域随机抽样理论，一般采用Cochran提出针对随机采样而构建的采样数量计算公式［13］。

式（2）中：n为合理采样数量；CV为土壤含水量的变异系数；tα/2表示显著性水平为α、自由度为n-1条件下的t分布分位数；E表示估计均值的允许误差。

根据计算公式，设定95%和90%2种置信水平，以及相对各胶园土壤含水量均值的1%、5%和10%等3种允许误差等级，分别计算了益-胶复合胶园和橡胶单作胶园所需的合理采样点数量（表3）。由表3可知，在相同置信水平与允许误差下，益-胶复合胶园的所需采样数量均大于橡胶单作胶园，且随允许误差等级的增加其差值而迅速减少，如在95%置信水平时，益-胶复合胶园所需采样数量在1%、5%和10%允许误差等级分别比橡胶单作胶园大231、9和2。在两置信水平上，各胶园所需采样点数量均随允许误差的增加而迅速减少，其中误差由1%增加为5%时，采样点减少幅度最大，如在95%置信水平，益-胶复合胶园和橡胶单作胶园所需的合理采样点数量分别减少563、341个。

图3 橡胶单作胶园土壤水分含水量空间分布图

图4 益智-橡胶复合种植胶园土壤水分含量空间分布图

3 讨论与结论

本研究通过对益智-橡胶复合种植胶园与橡胶单作胶园土壤水分进行统计学分析及空间异质性分析发现，橡胶间作对胶园土壤水分含量及空间分布有重要影响。相比橡胶单作，橡胶间作益智能显著提高土壤含水量，0～10 cm土层土壤提高9.82%，这与前人研究结果一致［6］。橡胶间作胶园土壤含水量显著高橡胶单作胶园，这可能因为橡胶间作复合种植胶园存在多层植被，本研究中益智冠层高1.2 m，且几乎完全覆盖胶园行间，多层植被覆盖可以很大程度上减弱表层土壤水的蒸发［8］，从而增强土壤的保水能力。橡胶单作胶园土壤水分的块金值/基台值比为12.63%，具有强烈的空间相关性，主要由自然因素引起空间变异；而益智-橡胶复合种植胶园土壤水分的块金值/基台值比为28.39%，具有中等程度的空间相关性，受到自然因素与人为因素共同影响，可见橡胶间作益智的块金值/基台值比显著大于橡胶单作，说明橡胶园间作作物会削弱自然因素引起的土壤水分空间变异性。这可能因为土壤特性具有时间和空间的变化特征，其变化特征取决于自然因素（如土壤母质、地形、气候等）和人为因素（如土壤施肥、耕作、灌溉等）的综合作用［14-15］，本研究中间作益智时常要进行施肥、摘果等农事活动，人为频繁干扰土壤，同时益智根系主要分布在0～20 cm土层，根系生长活动也深刻影响土壤，提高了人为因素引起的土壤水分空间变异性，导致胶园土壤水分空间变异增大。益智-橡胶复合种植胶园的土壤水分空间分布上呈明显的阶梯状且连续性较好，且存在以内环为中心多环扩散形式的多个空间聚群区域，空间变异大，而橡胶单作胶园呈大图斑分布，碎片化图斑较少，空间聚群少，空间变异小。说明间作益智显著影响土壤水分空间分布，使土壤水分在空间上以某优势植被或某区域为中心向外扩散变化，这可能与间作益智增加了益智冠层，使橡胶园呈多层立体冠层，影响橡胶园内降水分配与地表蒸发，同时益智生长发生蒸腾吸水，造成土壤水分空间上存相关性，导致斑块变化相似，连续性好。

表3 估算各胶园土壤水分均值所需要的样本数量

合理采样点数量的确定是优化土壤采样调查方案的基础。本研究在益智-橡胶复合种植胶园和橡胶单作胶园等样地小尺度上，通过设定95%和90%2个置信水平上估算了1%、5%和10%3种估算误差等级所需的土壤水分合理采样点数量，发现益智-橡胶复合种植胶园的所有合理采样点数量均比橡胶单作胶园大，这是因为益智-橡胶复合种植胶园的土壤水分变异系数大，要达到一定的精度需通过增加采样数量减少误差。一般取95%置信水平且采样精度为均值5%条件下为合理采样数量，益智-橡胶复合种植胶园和橡胶单作胶园土壤水分的合理采样数量分别为23个和14个，但是制定土壤采样方案时，要结合土壤水分空间变异性大小，根据所需的置信水平和允许误差来共同确定区域合理采样点数量。