典型巖溶洼地土壤水分的空間分布及影響因素

張繼光，蘇以榮，陳洪松,*，孔祥麗,張 偉，張久權(quán)，申國(guó)明

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)沙 410125；3.中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，環(huán)江 547100)

典型巖溶洼地土壤水分的空間分布及影響因素

張繼光1,2，蘇以榮2,3，陳洪松2,3,*，孔祥麗2,3,張 偉2,3，張久權(quán)1,2，申國(guó)明1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)沙 410125；3.中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，環(huán)江 547100)

在桂西北典型巖溶洼地的旱季和雨季，用地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合GIS方法研究了洼地表層(0—16cm)土壤水分的空間分布特征及其影響因素。結(jié)果表明：土壤含水量受前期降雨量的影響，且旱季土壤水分對(duì)降雨量的反應(yīng)較雨季敏感。土壤水分均呈中等變異且變異系數(shù)隨著平均含水量的增加而減少。土壤水分的半方差參數(shù)顯示土壤水分空間變異及其主導(dǎo)因素隨旱、雨季而不同。此外，不同取樣區(qū)域及取樣時(shí)段內(nèi)土壤含水量高低差別明顯，分布格局及空間變異程度各異，這主要與當(dāng)?shù)丨h(huán)境和人為因素的綜合影響有關(guān)。旱、雨季土壤水分均與前期降雨導(dǎo)致的土壤平均含水量變化呈相反趨勢(shì)，且不同土地利用方式下的土壤含水量不同。土壤含水量還與土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，此外，地勢(shì)及裸巖率也是造成洼地土壤水分變異及其分布差異的重要因素。下一步應(yīng)根據(jù)旱季和雨季土壤水分分布及影響因素的差異，在巖溶洼地采取有針對(duì)性地土壤水資源利用及其水分管理策略。

巖溶洼地；土壤水分；空間分布；影響因素；旱雨季

隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)在土壤學(xué)上的廣泛應(yīng)用以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論與方法的不斷發(fā)展，兩者的結(jié)合已經(jīng)成為研究土壤特性空間變異及其空間分布的最重要工具。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用該方法在土壤水分空間變異方面進(jìn)行了大量研究，Jacques等[1]研究了田塊尺度上由降雨、土層深度、植被和地形等相互作用產(chǎn)生的土壤含水量的時(shí)空變異特性，Brocca等[2]研究了小流域不同時(shí)空尺度上土壤水分的空間變異及其時(shí)間穩(wěn)定性特征，王軍等[3]在黃土高原大南溝小流域研究了土壤水分空間結(jié)構(gòu)及其季節(jié)變化特征，揭示了該尺度下土壤水分的時(shí)空變異規(guī)律。馬風(fēng)云等[4]研究了沙坡頭人工固沙植被土壤水分的空間異質(zhì)性。李元壽等[5]研究了青藏高原高寒草甸覆蓋區(qū)域淺層剖面土壤水分的空間異質(zhì)性特征。在土壤水分空間異質(zhì)性的影響因素方面，Yoo等[6]評(píng)價(jià)了不同影響因素(地形、土壤、植被等)對(duì)田間土壤水分時(shí)空變異的相對(duì)重要性。Güntner等[7]認(rèn)為地形、土壤、植被和土地利用等景觀特征的空間變異解釋了土壤水分等水文狀態(tài)變量的空間分布格局。姚雪玲等[8]探討了黃土高原坡面尺度地形、植被和雨季對(duì)土壤水分空間分布的影響，認(rèn)為地形對(duì)土壤水分的影響易被植被類型的影響所掩蓋?？梢姡寥浪值臅r(shí)空變異并非受單一因素影響，而是多重尺度上地形、土壤、土地利用(植被)、氣象等多因子綜合作用的結(jié)果[9]。后續(xù)研究還要在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)不同環(huán)境和尺度下土壤水分的空間變異特征、生態(tài)過程及其影響因素的綜合理解。

巖溶地區(qū)通常被視為一種同沙漠邊緣一樣的脆弱環(huán)境，中國(guó)西南地區(qū)巖溶面積超過50萬km2，人口超過1億，是全球三大巖溶集中分布連片面積最大、巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈的典型生態(tài)脆弱區(qū)，該地區(qū)以農(nóng)業(yè)為主，人地矛盾突出，水土流失和石漠化極為嚴(yán)重[10]。特別是峰叢洼地地區(qū)以二元空間結(jié)構(gòu)為基本構(gòu)造特征，土壤成土速度慢，土層淺薄且很不連續(xù)，土壤總量少、儲(chǔ)水能力低及巖石滲漏性強(qiáng)等原因易造成巖溶干旱嚴(yán)重，土壤水分虧缺成為該地區(qū)植被恢復(fù)重建和水土資源利用的主要制約因子[11]。土壤水分對(duì)于巖溶峰叢洼地生態(tài)系統(tǒng)中植被生長(zhǎng)、植被恢復(fù)、水熱平衡及系統(tǒng)穩(wěn)定性起著決定作用，在巖溶生態(tài)系統(tǒng)的演化與重建過程中具有重要意義[12]。但由于地形地貌復(fù)雜、小生境類型多樣、環(huán)境異質(zhì)性大等一系列原因，在巖溶地區(qū)有關(guān)水分變異的量化研究相對(duì)較少且多集中在田塊尺度上[11- 14]，特別缺乏關(guān)于該地區(qū)洼地景觀尺度上，土壤水分時(shí)空分布及其影響因素方面的系統(tǒng)研究和探討。

本文針對(duì)巖溶地區(qū)特殊的地形地貌和土壤特征，在巖溶典型景觀單元-峰叢洼地中，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析典型旱季和雨季洼地土壤水分的時(shí)空變異特征及其分布格局，并探討影響土壤水分變異的環(huán)境因素和過程，這不僅有助于闡明巖溶退化生態(tài)系統(tǒng)的水文生態(tài)效應(yīng)及其調(diào)控機(jī)理，而且可以為當(dāng)?shù)厮Y源的合理利用及植被恢復(fù)的優(yōu)化配置提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西環(huán)江毛南族自治縣的下南鄉(xiāng)古周村(107°55′ E，24°50′ N)，屬典型的巖溶峰叢洼地，亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū)。研究區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)海拔為376 m，與最高點(diǎn)海拔相差440 m。年平均氣溫19.9 ℃，太陽總輻射量3 344—4 134 MJ/m2，年平均降雨量1 389.1 mm，降水豐富但季節(jié)分配不均，雨季平均開始于4月下旬，結(jié)束于8月底或9月初，平均持續(xù)時(shí)間130—140 d；9月底至次年3月為旱季，各月份的平均降水量在90 mm以下，常受到干旱威脅。

研究區(qū)土地總面積186.7 hm2，其中耕地17.3 hm2，主要分布在洼地中，土層淺薄且土被很不連續(xù)。其余以山地為主，其中25°以上坡地占坡地面積的80%以上，山地植被退化嚴(yán)重，森林覆蓋率僅有13%，研究區(qū)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叢群落和次生灌木群落為主，多為喜鈣、耐旱、耐瘠的先鋒樹種和草類。草叢主要有白茅(Imperatacylindrica)、類蘆(Neyraudiareynaudiana)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)等；灌叢以灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)、鹽膚木(Rhuschinensis)、聚果羊蹄甲(BauhiniabrachycarpaWall.exBenth.var.cavaleriei)等為主。

研究區(qū)以雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)為主，有較長(zhǎng)耕作歷史，1996年以前洼地土地利用方式單一，為玉米-大豆輪作。之后該區(qū)域作為生態(tài)移民示范區(qū)，實(shí)施生態(tài)移民和“退耕還林還草”示范工程，土地利用改變?yōu)橛衩住⒛敛?、板?木豆人工林、大豆、果園等多種利用方式，其中玉米、牧草及大豆地主要分布在洼地中部，果園、人工林及撂荒地主要分布在洼地邊緣及坡腳。表1為研究區(qū)洼地中表層土壤的基本理化性狀。

表1 洼地表層土壤的基本理化性狀

1.2 樣點(diǎn)設(shè)置及水分測(cè)定

在洼地樣區(qū)內(nèi)(200m×600m)以20m×20m的間隔，通過測(cè)繩結(jié)合GPS定位確定每個(gè)采樣點(diǎn)并獲得地理坐標(biāo)，定位樣點(diǎn)經(jīng)Arcinfo投影轉(zhuǎn)換生成以米(m)為單位的平面坐標(biāo)(投影類型為Transverse Mercator，central meridian: 111°00′00″)。最后生成相應(yīng)的樣點(diǎn)分布圖(圖1)，洼地樣區(qū)中共設(shè)樣點(diǎn)341個(gè)，在每個(gè)樣點(diǎn)利用TDR(TRIME-EZ，德國(guó))測(cè)定0—16cm的土壤體積含水量，并詳細(xì)記錄樣點(diǎn)的土地利用方式、植被類型、海拔高度及裸巖率等環(huán)境信息。其中地勢(shì)采用相對(duì)高程來表示，即采樣點(diǎn)與洼地最低點(diǎn)的海拔高度差。裸巖率采用取樣點(diǎn)周圍2 m范圍內(nèi)的巖石出露面積比率表示。共分4次在研究區(qū)的典型旱季(2005- 01- 24，2005- 03- 11)和雨季(2005- 07- 29，2005- 08- 30)時(shí)期測(cè)定洼地樣區(qū)內(nèi)的土壤水分含量，每次測(cè)定均在1d內(nèi)完成。

圖1 巖溶洼地土壤水分取樣分布圖Fig.1 Map of sampling spots on the karst depression

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的分析主要采用域法(均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差)處理特異值，土壤水分的空間變異研究主要采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[3,15]。統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算、相關(guān)分析及多重比較等均在SPSS15.0中實(shí)現(xiàn)，利用Arcgis9.0中的Spatial Analysis 進(jìn)行數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)分析并繪制空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征

表2為4個(gè)取樣時(shí)段洼地土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征值，2005- 01- 24和2005- 03- 11對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)睾导緯r(shí)期，2005- 07- 29和2005- 08- 30對(duì)應(yīng)雨季時(shí)期，前期降雨量數(shù)據(jù)為測(cè)定之前10d內(nèi)的累計(jì)降雨量。從表中可以看出，旱季時(shí)期測(cè)定的兩次土壤水分均值分別為27.44%和21.78%，而雨季時(shí)期兩次測(cè)定的土壤水分均值分別是21.67%和28.79%，不同季節(jié)土壤水分含量明顯受前期降雨量的影響，且旱季土壤水分對(duì)降雨量的響應(yīng)較雨季敏感。從4次測(cè)定數(shù)據(jù)的變異系數(shù)來看，旱季和雨季時(shí)期土壤水分均呈中等變異特征(10%

表2 洼地土壤水分的描述統(tǒng)計(jì)特征

2.2 土壤水分的空間結(jié)構(gòu)

表3和圖2顯示了4次取樣土壤水分的半方差特征參數(shù)及半方差圖，旱季和雨季土壤水分變異函數(shù)的最優(yōu)擬合模型均為指數(shù)模型。其中旱季時(shí)期，2005- 03- 11土壤水分的塊金值較2005- 01- 24的明顯增加，塊金值增加主要受人為因素(土地翻耕)的影響，造成了土壤水分在小于采樣尺度20 m時(shí)的內(nèi)部變異增加。土壤水分的基臺(tái)值在雨季整體較旱季明顯變小，主要原因是雨季一般降雨頻繁且降雨強(qiáng)度較大，降雨之后表層土壤水分的異質(zhì)性差異得到一定平滑，土壤水分的空間異質(zhì)性變小。Fitzjohn等[16]的研究也認(rèn)為降雨之后，土壤平均含水量迅速升高后，空間變異會(huì)隨之降低。

表3 洼地土壤水分空間變異半方差特征參數(shù)

變程反映洼地土壤水分空間變異的主要生態(tài)過程和作用的變化。旱季和雨季土壤水分的變程明顯不同，在旱季，平均含水量較低時(shí)(2005- 03- 11)變程較大，這表示在旱季較干旱情況下，土壤含水量整體較低且不同樣點(diǎn)的含水量差異減弱，使得區(qū)域內(nèi)土壤水分的均勻性增強(qiáng)，變程增加；而雨季，在平均含水量較高時(shí)變程明顯增大(2005- 08- 30)，這意味著受降雨的影響，洼地不同土地利用下土壤含水量差異減小且水分分布的均一性增強(qiáng)，整體分布趨于簡(jiǎn)單化。這與Western等[15]人認(rèn)為降雨過后由于土壤飽和區(qū)域的擴(kuò)張等會(huì)造成土壤水分的變程增加相一致。從塊金與基臺(tái)值的比值可以看出，雨季的2005- 08- 30土壤水分呈中等的空間相關(guān)性(25%<塊金/基臺(tái)<75%)，反映出由隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性起重要作用，而且主要表現(xiàn)在20 m以內(nèi)的取樣尺度上。其余3次取樣土壤水分均具強(qiáng)烈的空間相關(guān)性(塊金/基臺(tái)<25%)，說明隨機(jī)因素對(duì)土壤水分的影響較小，其空間變異主要是由地形地貌、土地利用、植被等自然因素的空間自相關(guān)部分引起。

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

2.3 土壤水分的空間分布格局

在洼地土壤水分空間結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，考慮土壤水分的趨勢(shì)效應(yīng)和各向異性后，選擇普通克立格法，進(jìn)行研究區(qū)土壤水分的空間分布制圖。

從圖3看出，洼地土壤水分均呈不規(guī)則的斑塊或條帶狀分布，含水量高低差別明顯，季節(jié)變化及空間變異程度各異。其中在旱季，兩次測(cè)定的土壤水分具有較一致的空間分布格局，斑塊的破碎度均較大，表明其空間連續(xù)性較差，研究區(qū)內(nèi)含水量東西向差異較大，南北向差異相對(duì)較小，是土壤水分各向異性在空間分布圖上的直觀表現(xiàn)。含水量低值區(qū)主要分布在研究區(qū)西南角和東北角，西南角主要是一側(cè)峰叢的延伸地帶，地勢(shì)較高且坡度較大，主要為耕地和人工林地，人為活動(dòng)強(qiáng)烈且植被蓋度較低，地勢(shì)和土地利用兩者的交互效應(yīng)造成了該區(qū)域含水量最低。在洼地東北角，是玉米及牧草地，水分蒸散量較大，該區(qū)域的含水量也較低。在雨季時(shí)期，洼地樣區(qū)內(nèi)土壤水分的斑塊數(shù)減少，土壤水分分布的復(fù)雜程度變小，表明其空間異質(zhì)性有所降低。土壤水分同樣呈西南端低東北端高的趨勢(shì)，顯然地勢(shì)的差異對(duì)土壤水分變化具有重要影響。在雨季降水較少條件下(2005- 07- 29)，土壤含水量的空間分布呈條帶狀；在降水較多時(shí)(2005- 08- 30)，地勢(shì)較高的西南端易產(chǎn)生地表徑流，不利于土壤水分的蓄積和入滲，使得該區(qū)域土壤含水量較低；而洼地東北端，處在兩側(cè)山坡的溝谷中且石叢分布較多，是地表徑流的匯集區(qū)，土壤含水量則相對(duì)較高。

2.4 土壤水分變異的影響因素

2.4.1 前期降雨量的影響

表層土壤水分的空間變異及其分布格局受氣候因素驅(qū)動(dòng)，特別是前期降雨量在影響土壤水分變異的自然因素中占據(jù)十分重要的作用。但降雨對(duì)土壤水分變異存在滯后效應(yīng)，其隨著降雨量增加而降低，隨著作物根系吸收及地下水位高度而降低[17]。在洼地單元上，旱季和雨季土壤平均含水量主要受前期降雨量的影響，兩者存在一致的變化趨勢(shì)(表1)，而土壤平均含水量與變異系數(shù)的大小呈相反變化趨勢(shì)。在旱季，前期降雨量少的2005- 03- 11，土壤平均含水量較低(21.78%)，變異程度較大；而在降雨量較多的2005- 03- 11，土壤平均含水量相對(duì)較高(27.44%)，變異程度較小。在雨季也具有相一致的變化趨勢(shì)。由于前期降雨量導(dǎo)致的土壤水分變異，顯示出較強(qiáng)降雨引起的土壤側(cè)向流及其水分再分配在土壤水分空間變異中的重要性[18]。因此，前期降雨量對(duì)研究區(qū)土壤水分變異具有重要影響，兩者在一定程度上可能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與國(guó)內(nèi)外許多研究結(jié)果相一致[3,14,19]。

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

2.4.2 土地利用方式的影響

土地利用方式與土地覆被類型，都可以通過改變土壤的性質(zhì)和植被對(duì)地表的覆蓋從而影響土壤水分含量及其變異[20- 21]。土地利用通過影響水分入滲、地面徑流和蒸散等過程，從而在土壤水分空間分布中產(chǎn)生重要影響，特別是在植被生長(zhǎng)季節(jié)，這種影響更為顯著[22]。不同植被的蒸騰耗水、林冠的保護(hù)和根系深度使得不同土壤層次的蒸發(fā)及水分吸收不同，也會(huì)造成了水分含量的差異性[3]。此外，植被蓋度變化能對(duì)降雨前的水分分布產(chǎn)生均一效應(yīng)，減少了降雨對(duì)土壤水分地形再分配的可能性[23]，從而影響土壤水分變異。

通過對(duì)洼地不同利用方式下土壤水分含量的比較發(fā)現(xiàn)(表4)，在旱季，玉米地的含水量最低，大豆地次之，但兩者無顯著差異。農(nóng)作地土壤含水量低主要是由于耕作頻繁、植被蓋度小和蒸發(fā)強(qiáng)烈等因素造成；含水量較高的是果園地和撂荒地，且兩者差異也不顯著。撂荒地由于受擾動(dòng)較少，植被覆蓋度大等造成土壤水分較高，而果園地主要由于種植區(qū)土層相對(duì)深厚，裸巖較少，并且受到良好的經(jīng)營(yíng)管理所致。而雨季，在較干旱情況下(2005- 07- 29)，所有土地利用方式下的土壤含水量均較低，且彼此間差異不顯著；在較濕潤(rùn)條件下(2005- 08- 30)，以果園地和撂荒地的含水量較高，其次是牧草地，這主要是由于幾種土地利用方式下的土壤特征及較大的植被蓋度使得表層蓄水增加，蒸發(fā)能力減弱，造成土壤含水量較高。而分布在坡腳的人工林地，由于葉冠蓋度小，土層淺薄且?guī)r石裸露率高，使得地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤含水量較低。可見，洼地不同土地利用方式下的土壤水分具有明顯差異，主要與植被蓋度及其蒸發(fā)蒸騰能力不同有關(guān)。

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/%

每行均值中小寫字母不同表示土地利用類型間差異顯著(P<0.05)

2.4.3 微地貌及有機(jī)質(zhì)的影響

從表5可以看出，地勢(shì)和裸巖率均對(duì)洼地土壤水分具有一定影響，地勢(shì)與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，其中在旱季土壤平均含水量較高時(shí)相關(guān)性不顯著，在平均含水量較低時(shí)兩者呈顯著負(fù)相關(guān)；而在雨季含水量較高時(shí)，土壤水分與地勢(shì)呈顯著負(fù)相關(guān)，在含水量較低時(shí)則相關(guān)性不顯著。其原因可能是，降雨量的多少直接導(dǎo)致了地勢(shì)在土壤水分分布及含量異質(zhì)性上的貢獻(xiàn)率不同。旱季干旱條件及雨季較濕潤(rùn)條件下，地勢(shì)對(duì)土壤水分的影響凸現(xiàn)，地勢(shì)較高區(qū)域由于土壤水分的保蓄能力較弱，容易產(chǎn)生地表徑流及地面蒸發(fā)能力較強(qiáng)等導(dǎo)致土壤含水量較低。土壤水分與裸巖率呈正相關(guān)，但僅在旱季較干旱時(shí)(2005- 03- 11)土壤水分與裸巖率的相關(guān)性顯著，而在旱季濕潤(rùn)條件及雨季時(shí)兩者的相關(guān)不顯著。在碳酸鹽巖的差異溶蝕和土壤喪失的作用下，巖溶生態(tài)系統(tǒng)的土壤逐漸向裂隙和低洼部位退縮，從而使得裸巖裂隙部位土層相對(duì)較厚，而且裸巖率越高，土壤就越深陷裂隙中，這增加了土壤水分的匯聚并減少了蒸發(fā)，使得附近樣點(diǎn)的含水量較他處高，這在一定程度上解釋了裸巖率與土壤水分的正相關(guān)關(guān)系。但由于巖石對(duì)土壤水分的作用比較復(fù)雜，可以通過影響近地面的蒸發(fā)、降雨分布、土壤水分入滲及再分布等過程而影響土壤水分，這些過程受裸巖大小、降雨多少、日照強(qiáng)度及與石塊距離遠(yuǎn)近等一系列因素控制[24]，其最終對(duì)土壤水分的影響過程和強(qiáng)度還需要進(jìn)一步研究。

土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤水分具有重要影響, 特別是在低肥力土壤中，增施有機(jī)肥后土壤水肥效應(yīng)增加最為顯著[25]。水稻土的田間持水量和有效水含量與土壤有機(jī)質(zhì)、結(jié)構(gòu)系數(shù)、團(tuán)聚度呈極顯著的線性正相關(guān)[26]。并且在植被的不同演替階段，土壤表層的物理性質(zhì)有改善趨勢(shì)，伴隨正向演替進(jìn)行，土壤有機(jī)質(zhì)及土壤含水量則不斷增加[27]。在巖溶地區(qū)不同土地利用下土壤水分的特性差異研究表明，山地土壤的持水性能主要與有機(jī)質(zhì)含量和大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體有關(guān)，二者的效應(yīng)大于粘粒對(duì)水分的效應(yīng)[28]。本研究中，旱季及雨季土壤水分與土壤有機(jī)碳含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，特別是在旱季較干旱條件下時(shí)，兩者呈極顯著正相關(guān)，顯示土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤水分具有較強(qiáng)的保蓄能力。這從另一方面說明了采取增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的各項(xiàng)農(nóng)藝及工程措施，對(duì)于提高巖溶區(qū)土壤的持水和蓄水能力，緩解當(dāng)?shù)睾导径喟l(fā)的旱災(zāi)具有重要指導(dǎo)意義。

總之，土壤水分空間變異受多種因素的共同影響，這種變異在不同尺度上和環(huán)境屬性的關(guān)系是不斷變化的，在一些情況下相關(guān)性很顯著，另外的情況則不然，這可能是由于研究區(qū)的氣候、地形、土壤、植被以及取樣的情況不同而造成的[22]。因此在土壤水分變異研究中，特別是在地貌復(fù)雜的巖溶區(qū)域，土壤的水分退化是土壤退化的一個(gè)關(guān)鍵過程和因素[29- 30]。應(yīng)進(jìn)一步研究土壤水分的時(shí)空分布以及由此導(dǎo)致的土壤侵蝕等生態(tài)過程變異及調(diào)控機(jī)制，針對(duì)當(dāng)?shù)靥囟ǖ臍夂?、土壤、植被和地形地貌等條件，綜合考慮影響土壤水分變異的各種因素，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)巖溶區(qū)水土資源有效利用及植被的優(yōu)化配置進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和指導(dǎo)。

表5 旱雨季洼地土壤水分與微地貌及有機(jī)質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)

3 結(jié)論

(1) 在典型巖溶洼地單元，通過在典型旱季和雨季時(shí)期的4次密集采樣，用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS方法分析了表層土壤水分的空間分布特征及其影響因素。研究結(jié)果顯示，在旱季和雨季時(shí)期的4次取樣中，土壤水分均呈中等變異特征。

(2) 旱季和雨季土壤水分的半方差函數(shù)模型均為指數(shù)模型，旱季和雨季的土壤水分分布特征不同，旱季時(shí)呈明顯的斑塊狀分布，雨季時(shí)則呈條帶狀，半方差參數(shù)及空間分布的差異顯示出旱季及雨季土壤水分空間變異及其主導(dǎo)因素的不同。

(3) 土壤水分變異主要受環(huán)境和人為因素的綜合影響，旱季及雨季土壤水分均與前期降雨量導(dǎo)致的土壤平均含水量變化呈相反趨勢(shì)，且不同土地利用方式下的土壤水分含量不同。此外，土壤含水量與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，地勢(shì)及裸巖率也是造成巖溶洼地土壤水分變異及其分布差異的重要因素。

(4) 鑒于巖溶區(qū)土壤水分變異的復(fù)雜性，開展典型旱季和雨季洼地土壤水分空間分布及其影響因素的差異研究，不僅有助于加強(qiáng)對(duì)巖溶區(qū)土壤水分變異特征、相關(guān)水文過程及其影響因素的綜合理解，而且為該地區(qū)土壤水資源合理利用及植被恢復(fù)管理提供理論及實(shí)踐指導(dǎo)。

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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

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃(KZCX2-XB3- 10);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171187, 41201291);國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2010BAE00739- 02)

2013- 10- 28;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201310282597

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hbchs@isa.ac.cn

張繼光，蘇以榮，陳洪松，孔祥麗,張偉，張久權(quán)，申國(guó)明.典型巖溶洼地土壤水分的空間分布及影響因素.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(12):3405- 3413.

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