桂林喀斯特地區干濕循環過程中土壤水含量的空間變異

甘磊　鄭思文　黃太慶　陳曉冰　包涵　程芳麗　陳廷速

摘要：[目的]研究桂林喀斯特地區干濕循環過程中土壤水含量的空間分布變化，為解決該地區農田水土流失及農作物防旱抗旱提供理論依據。[方法]選取種植有大豆、梨樹和甘蔗3種不同農作物的耕作地為試驗地，分析3種試驗地在干濕交替條件下土壤表層0-6 cm土壤水含量的空間變異，并利用地統計方法研究不同土地利用方式下的土壤空間分布變異。[結果]大豆、梨樹和甘蔗3種試驗地的土壤質地差異不顯著（P>0.05），土壤容重表現為梨樹地最小，但土壤有機質含量和總孔隙度均以梨樹地最高。3種試驗地濕潤階段的土壤水含量是干旱階段土壤水含量的2-3倍。在整個干旱一濕潤循環過程中，3種試驗地的土壤水含量均表現為梨樹地>甘蔗地>大豆地，土壤水含量空間分布比為37.18%-95.99%，呈中等偏上的空間相關性，說明試驗地的空間分布在一定范圍內表現穩定，但因不同的土地利用方式存在一定變異性，變異強度也因其耕作方式或管理方式的不同而異。[結論]桂林喀斯特地區土壤自身具有維持其土壤水含量空間分布穩定的能力，但耕作方式、灌溉等人為因素在一定程度上會削弱土壤水含量的空間穩定性。

關鍵詞：干濕循環；土壤水含量；地統計分析；空間穩定性；桂林喀斯特地區

0引言

[研究意義]桂林作為我國西南典型的喀斯特地區，長期強烈的巖溶作用導致該地區形成了地表水易流失、地下水深埋的水資源不協調雙層空間結構。近年來，人為開發和利用的不合理，再加上土層淺薄、土壤持水性差，致使該區域生態脆弱、水土流失嚴重（張川等，2013）。因此，研究桂林地區表層土壤水含量的空間分布對增加土壤有效水含量、實現水資源合理利具有重要意義，同時可為解決桂林地區農田水土流失、農作物防旱抗旱提供理論依據。[前人研究進展]目前，有關喀斯特地區土壤水含量的研究主要集中在土壤理化性質對土壤水含量影響（黃媛等，2013；張川等，2013）、土壤水含量分布格局（李猛等，2012）及不同土地利用方式下土壤水含量變化（徐慧芳等，2014；任筆墨等，2015；彭揚建等，2016）等方面。Zhao等（2007）對內蒙古羊草草地土壤水含量的空間分布進行研究，發現土壤水含量的空間分布與土壤質地、容重和有機質問存在一定相關性。李猛等（2012）采用網格法布點對生長季內林隙各樣點土壤水含量進行連續觀測，發現林隙土壤水含量存在明顯的空間異質性，且空間異質性的強度、尺度和空間結構組成隨時間而改變。張川等（2013）通過運用半變異函數的方法，研究發現土壤水含量表現出強烈的空間自相關性，但土壤水含量與土壤容重、飽和導水率均呈現顯著負相關。甘磊等（2015）研究發現，放牧對內蒙古草原土壤水含量的空間穩定性有破壞作用，但土壤自身具有一定的修復作用。彭揚建等（2016）利用地統計學方法全面分析和探討了喀斯特地區不同植被覆蓋條件下土壤水含量的空間變異性，發現不同的植被覆蓋情況、耕作方式在一定程度上影響土壤水含量。王玲等（2017）研究了降雨對黃土丘陵區人工林草植被土壤水分的影響，結果表明，自然條件下降雨的最大人滲深度為140 cm，降雨可提高最大人滲深度以內土層的土壤水分有效性。[本研究切入點]干濕循環過程對不同土地利用方式下的土壤理化性質有一定影響（馬蕊等，2016），進而影響土壤水含量。目前，針對桂林喀斯特地區干濕交替演變循環過程中不同土地利用方式下土壤水含量的空間變異及其穩定性的研究鮮見報道。[擬解決的關鍵問題]在干旱一濕潤一干旱一濕潤的干濕循環演變水分條件下，利用半方差分析方法分析桂林喀斯特地區不同土地利用方式下土壤水含量的空間分布，研究干濕循環過程中土壤水含量的空間變異，為解決該地區農田水土流失及農作物的防旱抗旱提供理論依據。

3討論

本研究選取種植有大豆、梨樹和甘蔗3種不同農作物的耕作地為試驗地，對其干旱-濕潤-干旱-濕潤交替過程中的土壤水含量進行分析，結果表明，濕潤階段試驗地的土壤水含量是干旱階段土壤水含量的2-3倍，說明土壤水含量與降雨關系密切，降雨量直接決定土壤水含量的基數。在整個干旱-濕潤循環過程中，梨樹地土壤水含量相對于甘蔗地和大豆地較高，其主要原因是大豆地和甘蔗地長期遭受耕作，土壤容重變大，總空隙度減小，入滲的水分減少，同時梨樹地的有機質含量最高，導致其土壤水含量為三者中最高。這與潘云和呂殿青（2009）發現土壤有機質含量越高，土壤持水能力越強，土壤有機質含量與有效水最大儲量呈正相關的結果相同。有機質含量不僅可改善土壤結構，使土壤孔隙度增加，還可改善土壤膠體情況，增加土壤對水的吸附作用（單秀枝等，1998）。甘蔗地土壤水含量高于大豆地可能是由于甘蔗地采用壟溝耕作，干旱階段壟溝耕作可增加活性土層的厚度，提高土壤的蓄水能力，利于作物生長，而濕潤階段壟溝耕作可去水通風，雨水能及時排走，防澇。易克傳和周如太（1998）也發現起壟溝耕作技術可通過增加活性土層的厚度提高土壤蓄水能力。大豆試驗地土層裸露較多，經太陽照射土壤水分極易蒸發，導致土壤持水性能差，不易存儲水分。因此，在整個干濕循環過程中，3種試驗地的土壤水含量均表現為梨樹地>甘蔗地>大豆地。

國內外眾多學者已通過地統計學方法對土壤水含量空間變異進行了大量研究（Amador et al.，2000；Zhao et al.，2007；李猛等，2012；甘磊等，2015）。本研究通過半方差函數與Kriging插值的方法研究干濕循環過程中土壤水含量的空間變異，結果表明，在兩次干旱和濕潤階段中，梨樹地土壤水含量均主要集中在試驗地中部，其土壤水含量在兩次干濕循環過程具有一致性，但土壤水含量最高和最低閾值跨度較大。其主要原因可能是梨樹地采取的免耕措施導致的，免耕措施使地表覆蓋較多且分布不均，從而能較好地減少水分蒸發，覆蓋物分布不均也會導致水分人滲和存儲存在差異，這些因素最終導致梨樹地土壤水含量空間分布閾值跨度較大。這與甘磊等（2016）在該地區的研究結果基本一致。甘蔗地在第一次干濕循環過程中，土壤水含量空間比分別為76.10%和74.79%，而在第二次干濕循環過程中，其土壤水含量空間比僅為47.06%和37.1 8%，兩次干濕循環過程中其土壤水含量空間比相差明顯，可能是因為在第一次干旱條件后人為加大了田間管理（施肥、除草、壟溝、灌溉），導致試驗地土壤水含量空間分布發生變化；但在兩次干旱階段，甘蔗地的土壤水含量主要分布在試驗地中部偏東區域，在兩次濕潤階段下，其土壤水含量依舊集中在中部偏東區域，說明其土壤水含量空間分布還具有一定的空間穩定性。Zhao等（2007）認為人為活動或外界因素的參與將干擾土壤水含量的空間分布，導致其空間分布發生變異，但土壤有維持其穩定的趨勢，與本研究結果基本一致。對于大豆地而言，在兩次干濕交替的演變過程中，土壤水含量最高閾值均出現在東南角，但在兩次濕潤階段，其土壤水含量最高閾值則分布在試驗地四周，且東南角也表現出較高的水含量。這主要是因為大豆地處于耕作條件下，其人為干預活動最多，因此其土壤水含量的空間分布最不穩定。

土壤結構系統的各種性質相互制約，當外界環境向這個系統中輸入物質和能量時，土壤系統就可通過自身的反饋作用進行合理的調節、控制以便保持自身的穩定狀態（孫波和解憲麗，2005）。在干旱一濕潤循環過程中，由于外界向土壤輸入水分，破壞了土壤在干旱時達到的平衡，甘蔗地和大豆地因不同耕作方式等人為地破壞了土壤原本所具備的調節系統，而梨樹地因為免耕、地表覆蓋多影響了土壤水分輸入，削弱了整體調節功能，因此總體而言每次從干旱到濕潤的過程中，3種試驗地的土壤水含量空間分布均表現出一定的穩定性，只是程度上有所差別，變異程度由其土壤的耕作方式或管理方式決定。本研究僅分析了喀斯特地區表層土壤水含量的空間變化，后續研究還應加強對其不同深度土層土壤水含量空間變化的研究，進一步為桂林地區水土保持問題提供科學理論依據。

4結論

在干旱-濕潤循環過程中，桂林喀斯特地區土壤自身具有維持其土壤水含量空間分布穩定的能力，但耕作方式、灌溉等人為因素在一定程度上會削弱土壤水含量的空間穩定性。不同土地利用方式下的土壤水含量均表現為梨樹地>甘蔗地>大豆地。