龍脊梯田典型坡面表層土壤水分的空間變異特征

田 卓，何建華，張帥普*，方榮杰，李梓旋，鄒傳林

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

【研究意義】廣西龍脊梯田作為全球重要的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)之一，具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化價(jià)值，然而由于灌溉水源日益匱乏和渠系水利用率低等原因，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與旅游發(fā)展受到了嚴(yán)重制約[1-2]。土壤水分是水資源的重要組成部分，也是各種田間生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的媒介，其空間變異特征直接影響農(nóng)田管理措施的科學(xué)制定[3-4]。因此，充分掌握廣西龍脊梯田土壤水分的空間分布特征，對(duì)防控其水土流失和提高水資源利用效率具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】修筑梯田是將天然斜坡轉(zhuǎn)變?yōu)槠教闺A地的關(guān)鍵措施，能通過(guò)改變地表形態(tài)減少坡面徑流發(fā)生而提高梯田對(duì)水分的蓄集效果[5-9]。已有研究表明，海拔高度、田面寬度、土壤質(zhì)地和土地類型等均對(duì)梯田土壤水分空間變異性產(chǎn)生重要影響，是提升土壤蓄水能力的關(guān)鍵因素[9-14]。Wei等[9]開(kāi)展黃土丘陵區(qū)5種典型類型梯田土壤蓄水特性研究，結(jié)果表明，田面寬度對(duì)梯田土壤水分的蓄集效果具有顯著影響，相較于窄梯田，寬梯田更有利于水分蓄集。Xu等[13]對(duì)黃土高原梯田的土壤水分進(jìn)行空間變異特征研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海拔越低其土壤水分含量越高。李源等[14]研究指出，哈尼梯田的土壤質(zhì)地對(duì)其持水性能具有顯著影響，且與海拔高度密切相關(guān)，土壤細(xì)顆粒會(huì)隨著水流從高海拔區(qū)域移動(dòng)到低海拔區(qū)域，海拔落差越大土壤細(xì)顆粒移動(dòng)越明顯。程諒等[15]研究顯示，土地利用類型顯著影響南方紅壤低山丘陵區(qū)不同整地措施梯田的土壤水分空間變異特征。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論是空間分析的有效工具，已廣泛應(yīng)用于梯田土壤水分空間變異性研究。李春茂等[16]應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究巖溶峰叢洼地區(qū)3種不同土地利用類型梯田的土壤水分空間變異特征，結(jié)果表明，雨季時(shí)梯田的土壤水分均具有中等程度空間變異性及強(qiáng)或中等空間自相關(guān)性，旱季時(shí)梯田的土壤水分均具有中等程度空間變異性及弱或中等空間自相關(guān)性，且田坎周圍土壤含水量的空間變異性相對(duì)較弱。徐英等[17]應(yīng)用相關(guān)方法進(jìn)行南方丘陵山區(qū)緩坡梯田的土壤水分變異性研究，發(fā)現(xiàn)各級(jí)梯田田面內(nèi)部的土壤水分均具有弱空間變異性，且變異系數(shù)隨著尺度的增大而增大?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】廣西龍脊梯田是典型的水作梯田，其土壤經(jīng)飽水和失水過(guò)程循環(huán)交替，土壤結(jié)構(gòu)變化明顯，土壤水分空間分布復(fù)雜多變，對(duì)梯田水土流失及梯田穩(wěn)定性具有重要影響，但目前對(duì)水作梯田土壤水分空間變異性的認(rèn)識(shí)仍存在許多不足，有待進(jìn)一步探究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析廣西龍脊梯田典型坡面表層土壤含水量的空間變異特征及影響因素，為提高廣西龍脊梯田的水資源利用效率與農(nóng)業(yè)管理水平提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西龍脊梯田位于廣西桂林市龍勝各族自治縣，地處東經(jīng)109°43′28″～110°21′14″，北緯23°29′21″～26°12′10″，海拔380～1180 m，面積7160 hm2[18-19]。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，1月平均氣溫最低(7.1 ℃)，7月平均氣溫最高(25.4 ℃)，年均氣溫14.4～16.9 ℃，雨熱同期，年降水量約1544 mm，全年氣候較濕潤(rùn)，平均無(wú)霜期約290 d[19-20]。研究區(qū)梯田坡度約31°，海拔在990～1020 m。

1.2 數(shù)據(jù)采集

利用網(wǎng)格狀布點(diǎn)方式采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)(圖1)。土壤含水量采樣點(diǎn)布設(shè)于每節(jié)梯田田面水平寬度與田坎垂直高度的三等分處，相鄰兩列采樣點(diǎn)水平間隔5 m，每節(jié)梯田的田面和田坎各布設(shè)30個(gè)點(diǎn)位，但由于梯田形狀不規(guī)則，邊界處部分樣點(diǎn)數(shù)據(jù)未能監(jiān)測(cè)，最終布設(shè)土壤水分監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)共617個(gè)。測(cè)定土壤含水量時(shí)先采用土壤墑情速測(cè)儀(TZS-1K)的頻域信號(hào)測(cè)量土壤介電常數(shù)，再將其轉(zhuǎn)換為土壤含水量，測(cè)定深度為土壤表面以下0～10 cm，測(cè)定時(shí)間在水稻收割完成且土壤水分穩(wěn)定之后(2020年12月)。土壤樣品采集點(diǎn)處于每節(jié)梯田田面寬度的二等分處，相鄰兩列采樣點(diǎn)水平間隔25 m，每節(jié)梯田設(shè)3個(gè)重復(fù)，共采集土壤樣品30個(gè)，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干研磨后測(cè)定土壤理化性質(zhì)。土壤pH利用酸度計(jì)(Sartorius PB-10)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定溶液的土水比為1∶5[21-22]。土壤顆粒粒徑和比表面積采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000)進(jìn)行測(cè)定。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，所有樣品均重復(fù)3次，測(cè)定完成后根據(jù)國(guó)際制標(biāo)準(zhǔn)將土壤顆粒組成分為黏粒(0～0.002 mm)、粉粒(0.002～0.020 mm)和砂粒(0.020～2.000 mm)[23]。田面寬度利用卷尺測(cè)量，海拔高度利用GPS定位坐標(biāo)信息并結(jié)合卷尺測(cè)定。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 The geographical location of study area and the distribution of sampling points

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用半方差函數(shù)[24-25]和全局莫蘭指數(shù)[26-27]分析土壤水分的空間結(jié)構(gòu)。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本工具，計(jì)算公式為：

式中，h為步長(zhǎng)，γ(h)為半方差函數(shù)值，N(h)為間隔h的采樣點(diǎn)對(duì)數(shù)，i為采樣點(diǎn)編號(hào)，Z(xi)和Z(xi+h)為區(qū)域化變量Z在空間采樣點(diǎn)xi和xi+h處的實(shí)測(cè)值。本研究選取指數(shù)模型對(duì)半方差函數(shù)進(jìn)行擬合，計(jì)算公式為：

式中，C0為塊金值，C為偏基臺(tái)值，e為自然對(duì)數(shù)的底，ɑ為變程，C0+C為基臺(tái)值，C0/(C0+C)為塊金系數(shù)。變程越大表示空間分布平穩(wěn)性越好，變程內(nèi)的空間變量具有空間自相關(guān)性，變程外不存在空間自相關(guān)性；塊金值和基臺(tái)值越大表示隨機(jī)變異和總變異越強(qiáng)，偏基臺(tái)值越大表示在采樣尺度上變異源引起的變異越強(qiáng)；塊金系數(shù)反映空間自相關(guān)強(qiáng)度，一般認(rèn)為塊金系數(shù)小于0.25表示空間自相關(guān)性強(qiáng)，位于0.25～0.75間表示空間自相關(guān)性中等，大于0.75表示空間自相關(guān)性弱。模型擬合精度采用決定系數(shù)R2和殘差平方和RSS判斷[28]。

全局莫蘭指數(shù)用以描述研究區(qū)域內(nèi)對(duì)象間的空間關(guān)聯(lián)與聚集程度，其計(jì)算公式為：

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+7.0對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析，并基于最優(yōu)擬合模型進(jìn)行Kriging插值[29-32]；利用ArcGIS 10.4進(jìn)行全局莫蘭指數(shù)計(jì)算；以SPSS 22.0對(duì)土壤含水量、土壤顆粒含量、pH及田面寬度等因子間進(jìn)行Pearson相關(guān)分析[33]。

2 結(jié)果與分析

2.1 龍脊梯田土壤含水量的基本統(tǒng)計(jì)特征

由表1可知，龍脊梯田田面的土壤含水量在16.7%～58.0%之間，田坎的土壤含水量介于10.7%～41.6%，田面整體的土壤平均含水量(37.61%)極顯著高于田坎(P<0.01，下同)72.52%；田面外側(cè)的平均土壤含水量(39.78%)極顯著高于內(nèi)側(cè)12.25%，田坎上側(cè)的平均土壤含水量(23.54%)顯著高于下側(cè)17.17%；田面內(nèi)側(cè)、外側(cè)和整體的土壤含水量變異系數(shù)(CV)分別為20.34%、17.46%和19.68%，田坎上側(cè)、下側(cè)和整體的土壤含水量CV分別為22.40%、20.96%和23.26%，均屬于中等變異(10.00%≤CV≤100.00%)，其中，田面內(nèi)側(cè)土壤含水量的變異性高于外側(cè)，田坎上側(cè)土壤含水量的變異性高于下側(cè)，田坎的土壤含水量整體變異性高于田面。說(shuō)明對(duì)于龍脊梯田的田面而言，土壤含水量越高其土壤水分空間變異性越弱，而田坎與之相反。田面和田坎的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均趨近于0，且平均值接近中位數(shù)，說(shuō)明龍脊梯田田面與田坎的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)均近似正態(tài)分布。

表1 龍脊梯田土壤含水量的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

2.2 龍脊梯田土壤含水量的空間分布特征

圖2顯示，龍脊田面與田坎土壤含水量的半方差函數(shù)最優(yōu)擬合模型均為指數(shù)模型；田面的塊金系數(shù)(0.50)高于田坎(0.32)，且二者均高于0.25，說(shuō)明田面和田坎的土壤含水量均具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性(0.25≤C0/(C0+C)≤0.75)，且田面土壤含水量的空間自相關(guān)性弱于田坎，說(shuō)明龍脊梯田田面的土壤水分較田坎的土壤水分具有更強(qiáng)的隨機(jī)變異性。

圖3～4展示了龍脊梯田田面和田坎表層土壤含水量的空間分布格局。從圖3可看出，田面的土壤含水量高值主要集中在研究區(qū)中部，低值分布于研究區(qū)兩側(cè)。從圖4可看出，研究區(qū)上部的田坎土壤含水量整體偏高，下部的土壤含水量整體偏低，但最高值和最低值均出現(xiàn)在上部。

由表2可知，龍脊梯田田面和田坎的全局莫蘭指數(shù)均為正值，表明二者的土壤含水量在空間上均具有正自相關(guān)關(guān)系，其相應(yīng)的Z值(2.739和1.965)分別高于臨界值2.580和1.960，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01和P<0.05)，表明田面和田坎的土壤含水量具有極顯著或顯著的空間聚集性，而非隨機(jī)分布；田面的全局莫蘭指數(shù)高于田坎，說(shuō)明田面土壤含水量的空間聚集性強(qiáng)于田坎。

圖2 研究區(qū)土壤含水量的半方差圖Fig.2 Semi-variance diagram of soil water content in the study area

圖3 龍脊梯田田面土壤含水量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil water content in Longji terrace fields

圖4 龍脊梯田田坎土壤含水量的空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil water content in Longji terrace embankments

2.3 環(huán)境因子與土壤含水量的相關(guān)分析

由表3可知，土壤含水量與土壤顆粒比表面積、黏粒含量和粉粒含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(其中與土壤黏粒含量的相關(guān)性最密切)，與田面寬度、海拔高度和土壤pH無(wú)顯著相關(guān)性。田面寬度與海拔高度存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明隨著高度的上升梯田田面逐漸變窄，但在研究區(qū)內(nèi)這種海拔高差與田面變化未對(duì)土壤含水量產(chǎn)生顯著影響?？梢?jiàn)，土壤質(zhì)地是影響梯田坡面上表層土壤含水量空間變異的主要因子。

3 討 論

梯田土壤含水量與土壤質(zhì)地、地形和農(nóng)作物類型等自然因素關(guān)系密切，同時(shí)受灌溉水平與耕作管理方式影響，空間變異特征明顯[13-14，34-35]。本研究中，田坎上側(cè)的土壤含水量顯著高于下側(cè)，可能與田坎上側(cè)更容易接受來(lái)自田面土壤水分的補(bǔ)給有關(guān)；田面的土壤含水量極顯著高于田坎，主要是由于田面呈近似水平狀態(tài)，而田坎呈近似垂直狀態(tài)，在接受降雨補(bǔ)給時(shí)，大部分雨水會(huì)沿田坎下流進(jìn)入田面，且田面具有良好的蓄水效果；田面內(nèi)側(cè)的土壤含水量低于田面外側(cè)，與徐英等[17]、李仕華和王超凡[35]的研究結(jié)果不一致，徐英等[17]、李仕華和王超凡[35]研究認(rèn)為，田面內(nèi)側(cè)可接受來(lái)自上一級(jí)梯田田坎的雨水徑流，且田坎側(cè)面的蒸發(fā)作用會(huì)使田面外側(cè)的土壤水分向側(cè)面補(bǔ)充，導(dǎo)致田面外側(cè)土壤含水量偏低。本研究野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期水流沖刷與土壤沉積作用下，部分梯田的田面處于不同程度向外傾斜狀態(tài)，田面內(nèi)側(cè)略高于外側(cè)，從而致使田面內(nèi)側(cè)的土壤水分有向外側(cè)運(yùn)移的趨勢(shì)；而且田面外側(cè)的田坎上有較高的田埂，并伴有雜草覆蓋，在一定程度上發(fā)揮了蓄水和減緩蒸發(fā)的作用。

表2 龍脊梯田田面與田坎土壤含水量的空間自相關(guān)指數(shù)比較

表3 環(huán)境因子與土壤含水量的相關(guān)分析結(jié)果

李春茂等[16]研究指出，梯田田坎對(duì)土壤水分的空間分布影響顯著，土壤含水量與距田坎的距離呈極顯著負(fù)相關(guān)，且隨著尺度的增加逐漸接近梯田的平均水平。本研究結(jié)果與其相似，龍脊梯田田面與田坎土壤水分的分布規(guī)律存在明顯差異，田面土壤含水量的隨機(jī)性變異與結(jié)構(gòu)性變異比重相同，而田坎土壤含水量的結(jié)構(gòu)性變異較隨機(jī)性變異強(qiáng)，說(shuō)明田坎近乎垂直的結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水分的分布具有重要影響。本研究Pearson相關(guān)分析結(jié)果還顯示，土壤含水量與土壤顆粒比表面積、黏粒含量、粉粒含量和砂粒含量呈極顯著相關(guān)，土壤黏粒和粉粒含量越高，砂粒含量越低，土壤含水量越大，與李源等[14]的研究結(jié)果一致；土壤含水量與土壤pH相關(guān)性不顯著，與靳振江等[12]的研究結(jié)果相似。Shimbahri等[11]、靳振江等[12]研究表明，梯田的土壤含水量與梯田海拔呈顯著負(fù)相關(guān)，即較高梯田的土壤含水量比較低梯田高，而在本研究中，采樣區(qū)域高差較小，海拔高度對(duì)其土壤含水量未產(chǎn)生顯著影響。

對(duì)于水作梯田，其表層土壤中部分粉粒和黏粒會(huì)隨水流移動(dòng)，影響土壤質(zhì)地的空間分布，且田面不平整及田坎過(guò)于垂直會(huì)加劇水流形成[14]，對(duì)梯田土壤水分的空間變異具有重要影響。此外，較強(qiáng)的土壤水分空間變異及其干濕循環(huán)會(huì)在不同程度上影響土壤結(jié)構(gòu)變化，繼而加劇土壤裂隙發(fā)育，將對(duì)梯田水土的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面作用[36-37]。因此，在對(duì)梯田進(jìn)行耕作時(shí)，不應(yīng)為了增加梯田耕作面積而使田坎過(guò)于垂直；在水稻收割后的水田休閑期，可結(jié)合土壤質(zhì)地的空間分布特征，通過(guò)田面平整、秸稈還田等措施對(duì)土壤水分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控，以保障土壤水分均衡分布。本研究?jī)H分析了龍脊梯田表層土壤水分的空間變異特征及其影響因素，后續(xù)還需針對(duì)深層土壤水分運(yùn)動(dòng)對(duì)梯田邊坡穩(wěn)定性的影響等內(nèi)容展開(kāi)研究。

4 結(jié) 論

廣西龍脊梯田田面的土壤含水量極顯著高于田坎，田面外側(cè)的土壤含水量顯著高于內(nèi)側(cè)，田坎上側(cè)的土壤含水量顯著高于下側(cè)。田面與田坎的土壤含水量均具有中等程度的空間變異性和中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，且具有極顯著或顯著的空間聚集特征。土壤質(zhì)地是龍脊梯田典型坡面表層土壤水分空間變異的決定性因素，在耕作管理上應(yīng)盡量減少土壤細(xì)顆粒流失，以維持土壤質(zhì)地與土壤水分的空間均衡，保障梯田水土的穩(wěn)定性。