尹 輝, 李 暉, 蔣忠誠(chéng)

(1.惠州學(xué)院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,

廣西 桂林 541004; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

環(huán)境因子對(duì)廣西典型巖溶區(qū)土壤溫度空間結(jié)構(gòu)的影響

尹 輝1, 李 暉2,3, 蔣忠誠(chéng)3

(1.惠州學(xué)院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,

廣西 桂林 541004; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

摘要：[目的] 探索空間異質(zhì)性較大的巖溶區(qū)的土壤溫度空間自相關(guān)尺度及其空間結(jié)構(gòu)，分析影響典型巖溶區(qū)土壤溫度空間結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。 [方法] 應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與“3S”技術(shù)。[結(jié)果] 不同深度土壤溫度的空間分布均存在高度的正向全局空間自相關(guān)和明顯的空間聚集區(qū)，各深度土壤溫度的空間孤立區(qū)分布較少；影響不同深度土壤溫度空間分異的環(huán)境因子排序?yàn)椋和寥篮穸?坡度>植被覆蓋度>高程。[結(jié)論]土壤厚度對(duì)土壤溫度的影響，實(shí)質(zhì)上是巖溶環(huán)境的綜合反映。坡度、高程等地形因子是造成土壤逆溫結(jié)構(gòu)的主要影響因素。此外，土壤溫度的空間分異還會(huì)受到植被覆蓋“遮蔽作用”或“保溫效應(yīng)”的影響。

關(guān)鍵詞：土壤; 溫度; 空間結(jié)構(gòu); 環(huán)境因子; 果化巖溶區(qū)

土壤溫度是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)的重要土壤物理性質(zhì)之一，其區(qū)域特征和空間分異直接影響著土壤水分的運(yùn)移[1]、淺層地表的熱狀況[2]、生態(tài)環(huán)境[3]、生物的空間分布和生長(zhǎng)發(fā)育[4]。土壤溫度的空間異質(zhì)及其影響因素的相關(guān)研究，近年來(lái)已得到諸多學(xué)者的高度重視[5-10]?？v觀土壤溫度空間結(jié)構(gòu)及其影響因素的相關(guān)研究成果，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與3S技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于土壤溫度空間變異、空間分布及相關(guān)格局方面的研究已有了突破性的進(jìn)展，但針對(duì)典型巖溶區(qū)的土壤溫度空間變異及分布研究卻較少。相關(guān)研究[11-12]表明，相對(duì)于樣方和區(qū)域尺度而言，土壤理化屬性在微尺度下存在更大程度的變異。對(duì)于土壤理化性質(zhì)空間變異程度較大的典型巖溶區(qū)[13-15]，若直接進(jìn)行大尺度區(qū)域高密度取樣，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生極大的人力、物力和財(cái)力消耗；而低密度取樣，又難免因監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)量的不足而影響其研究精度[16-17]?？梢?，探討土壤溫度樣點(diǎn)布設(shè)的空間自相關(guān)尺度是亟待系統(tǒng)研究的科學(xué)問題。據(jù)此，本研究以典型巖溶區(qū)廣西平果縣果化示范區(qū)土壤溫度為研究對(duì)象，將微尺度、高密度的室內(nèi)布點(diǎn)和小區(qū)域?qū)嵉乇O(jiān)測(cè)相結(jié)合，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與3S技術(shù)，探索空間異質(zhì)性較大的巖溶區(qū)的土壤溫度空間自相關(guān)尺度及其空間結(jié)構(gòu)，探尋影響典型巖溶區(qū)土壤溫度空間結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子，為探討典型巖溶區(qū)土壤溫度的樣點(diǎn)尺度研究、指導(dǎo)典型巖溶區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保障區(qū)域土壤資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

果化示范區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)百色市平果縣果化鎮(zhèn)，主要為距果化鎮(zhèn)5 km處的龍何屯、布堯屯和隴堯屯及其各自的耕作區(qū)，地理坐標(biāo)為23°22′28.7″—23°23′40.7″N，107°22′40.8″—107°23′56.9″E之間，總監(jiān)測(cè)面積約為2.71 km2。

示范區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫約為21℃，區(qū)內(nèi)總體降水量豐富，年均降水量多達(dá)1 322.3 mm，但時(shí)間分配不均，降水年內(nèi)變化較大。地形地貌屬典型峰叢洼地，海拔為176.4 m～535.0 m之間，土壤以巖溶石灰土為主，主要發(fā)育棕色石灰土和黃棕色石灰土。土地利用類型以種植玉米、黃豆的旱作坡耕地為主，植被類型主要為稀疏林地、灌叢和低矮灌草。

1.2　圖件來(lái)源與處理

果化示范區(qū)的主要圖件包括：果化自然屯區(qū)劃圖、1∶1萬(wàn)5 m等高距地形圖、2009年9月的alos高分辨率遙感影像(全色2.5 m分辨率，多光譜10 m分辨率)。以ArcGIS 9.3為操作平臺(tái)，完成果化自然屯區(qū)劃圖和1∶1萬(wàn)地形圖的空間配準(zhǔn)和矢量化，生成數(shù)字化高程圖(DEM)、坡度圖等圖件；運(yùn)用Envi 4.8遙感軟件，對(duì)alos影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、影像融合、影像裁剪等處理，并完成歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計(jì)算，為果化示范區(qū)土壤溫度的空間布點(diǎn)作準(zhǔn)備。

1.3　樣點(diǎn)選取與實(shí)地監(jiān)測(cè)

以果化示范區(qū)2009年9月高分辨率遙感影像為依托，完成土壤溫度的室內(nèi)網(wǎng)格布點(diǎn)?？紤]到耕作區(qū)農(nóng)作物類型、生長(zhǎng)狀況和植被覆蓋等因素會(huì)隨季節(jié)的變化而變化，將野外實(shí)地監(jiān)測(cè)時(shí)間定于與示范區(qū)高分辨率影像同一季節(jié)的2011年9月。

野外實(shí)地監(jiān)測(cè)以室內(nèi)網(wǎng)格布點(diǎn)為依據(jù)，當(dāng)遇到裸巖或土層淺薄的樣點(diǎn)，則在附近5～50 m內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；若不能調(diào)整，則剔除該監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)，最終得到實(shí)際監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)191個(gè)(圖1)，各樣點(diǎn)的平均間距約為120 m，樣點(diǎn)密度約為70 個(gè)/km2。每個(gè)土壤樣點(diǎn)均挖取土壤剖面(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm和20—30 cm)，用校正后的土壤三參數(shù)儀監(jiān)測(cè)各土層的土壤溫度(各土層均測(cè)量3次)，以土壤溫度均值作為空間結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

圖1　果化示范區(qū)土壤樣點(diǎn)布設(shè)圖

1.4　數(shù)據(jù)處理

1.4.1空間自相關(guān)分析空間自相關(guān)分析包括空間變量的位置及其屬性，常用Moran’sI統(tǒng)計(jì)量中的全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)來(lái)表示。其中，全局Moran’sI系數(shù)可定量描述研究變量在空間上的自相關(guān)程度，判斷區(qū)域化變量在研究區(qū)內(nèi)是否存在空間聚集區(qū)和空間孤立區(qū)，其計(jì)算公式為：

(1)

局部Moran’sI系數(shù)Ii的計(jì)算公式為：

(2)

1.4.2基于區(qū)間統(tǒng)計(jì)的方差分析首先，將不同深度土壤樣點(diǎn)圖層與示范區(qū)高程圖層、坡度圖層、土壤厚度圖層和植被覆蓋度圖層導(dǎo)入ArcGIS9.3，基于上述圖層的空間屬性疊加功能，提取不同深度土壤樣點(diǎn)的高程值、坡度值、土壤厚度值和植被覆蓋度等環(huán)境信息，完成各環(huán)境背景下不同深度土壤溫度的分區(qū)統(tǒng)計(jì)；然后，運(yùn)用SPSS18.0單因素方差分析模塊，比較不同環(huán)境背景下各深度土壤溫度均值的差異并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，以此來(lái)判別各環(huán)境因子對(duì)影響土壤溫度空間分異的貢獻(xiàn)率排序，從而找出影響各深度土壤溫度的主要環(huán)境因子。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤溫度的空間結(jié)構(gòu)

果化巖溶示范區(qū)不同深度土壤溫度的全局空間自相關(guān)主要表現(xiàn)為Moran指數(shù)為正向的空間關(guān)聯(lián)(圖2)。

圖2　不同深度土壤溫度的Moran散點(diǎn)圖

表明不同深度土壤溫度的空間分布均表現(xiàn)出空間相似值之間的空間聚集，且隨土壤深度的變化而呈現(xiàn)出明顯的垂直分異。其中，不同深度土壤溫度樣點(diǎn)多數(shù)位于“高—高”集聚和“低—低”集聚類型的第1象限和第3象限內(nèi)；少數(shù)土壤溫度樣點(diǎn)位于第2象限和第4象限內(nèi)，屬于“低—高”集聚和“高—低”集聚類型。不同深度土壤溫度的空間孤立分布相對(duì)較少，“高—低”空間孤立區(qū)主要分布在“低一低”空間聚集區(qū)附近，而“低─高”空間孤立區(qū)則伴隨“高一高”空間聚集區(qū)出現(xiàn)。

由Moran’sI指數(shù)為正值時(shí)的最大間隔距離，即為土壤溫度指標(biāo)的空間自相關(guān)尺度，得到5，10，20和30 cm深度的土壤溫度空間自相關(guān)尺度分別為1 800，1 400，600和2 000 m(圖3)。

圖3　不同深度土壤溫度間隔距離與Moran’s I指數(shù)

2.2　土壤溫度空間變異的影響因素

2.2.1不同環(huán)境背景對(duì)土壤溫度的影響從表1—4可以看出，不同深度土壤溫度在總體上隨土壤厚度的增加而減小，卻隨高程的增加而增加；不同深度土壤溫度隨土壤坡度的影響較為明顯，但未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律；不同深度土壤溫度隨植被覆蓋度的影響較為復(fù)雜，相對(duì)于植被覆蓋度偏低或偏高的區(qū)域而言，40%～60%植被覆蓋條件下的土壤溫度偏低。

表1　不同高程下的土壤溫度

表2　不同坡度下的土壤溫度

表3　不同土壤厚度下的土壤溫度

表4　不同植被覆蓋下的土壤溫度

2.2.2影響土壤溫度的主要環(huán)境因子從表5可見，影響不同深度土壤溫度空間分異的環(huán)境因子排序?yàn)椋和寥篮穸?坡度>植被覆蓋度>高程，土壤厚度能在一定程度上反映其區(qū)域微地形和植被覆蓋狀況。一般而言，坡度較緩、地勢(shì)較為低洼、有一定植被覆蓋的區(qū)域，土壤厚度相對(duì)較大。受典型巖溶峰叢洼地逆溫結(jié)構(gòu)的影響，山頂和高坡部位，最先得到太陽(yáng)的照射，而坡度較緩、地勢(shì)較低的坡底或洼地，受制于山體對(duì)日照遮擋的影響，得到的日照時(shí)數(shù)和熱量會(huì)相對(duì)較低；植被覆蓋度對(duì)土壤溫度的影響較為復(fù)雜，植被覆蓋度較低時(shí)，土層主要分布在土壤淺薄或基巖裸露的山體高坡部位，受逆溫結(jié)構(gòu)和植被遮擋作用較小的因素，該土層的土壤增溫作用會(huì)得到一定程度的增強(qiáng)。然而，對(duì)于土壤淺薄、基巖裸露的地段，受前者土層薄、保溫效應(yīng)差，后者基巖比熱較小，升溫快但降溫也快的因素，其土壤溫度也難以保持在一個(gè)較高的數(shù)值；隨著植被覆蓋度的增加，土壤溫度主要受植被遮擋，形成了“遮蔽效應(yīng)”，導(dǎo)致植被覆蓋度適中的區(qū)域，土壤溫度的遞增受到了抑制；據(jù)實(shí)地調(diào)查，植被覆蓋度大于80%的區(qū)域主要分布在坡位較低的坡麓部位，土壤溫度雖仍然受到明顯的“遮蔽效應(yīng)”影響，但當(dāng)植被覆蓋度大于80%時(shí)，空氣不流通，難以散熱，加上動(dòng)物和微生物活動(dòng)較為頻繁，生物產(chǎn)熱量較大，導(dǎo)致該區(qū)域的空氣和土體在相對(duì)密閉的環(huán)境下，形成了一定的“保溫效應(yīng)”，從而增加了該區(qū)域不同深度土壤溫度的積溫。

表5　不同影響因素下的各深度土壤溫度方差統(tǒng)計(jì)

2.3　基于土壤溫度空間分異的農(nóng)作物布局

果化示范區(qū)主要種植春秋兩季的玉米和黃豆兩種旱地作物，耕作方式以傳統(tǒng)的緩坡地、坡耕地、坡改梯地等旱地耕作為主。實(shí)地調(diào)查表明，示范區(qū)農(nóng)作物的種植帶有顯著的“廣種薄收”特征，這與當(dāng)?shù)馗鞣绞饺狈茖W(xué)性論證，農(nóng)業(yè)管理不善等人為因素有關(guān)。在農(nóng)作物種植方面，沒有考慮農(nóng)作物對(duì)光照條件的需求，整個(gè)峰叢洼地農(nóng)耕區(qū)每年都定點(diǎn)耕種高密度的玉米和黃豆，不僅坡地大面積種植，連常年陰坡或受高大喬木遮檔的石窩和石穴都種有黃豆；農(nóng)業(yè)管理方面，當(dāng)?shù)厝罕娙狈ΜF(xiàn)代化的農(nóng)機(jī)和管理手段，僅對(duì)距離住所較近的田間管理較為重視，而對(duì)于距離較遠(yuǎn)的旱地，呈現(xiàn)出“只種不管”，“靠天吃飯”的現(xiàn)象。由于示范區(qū)群眾對(duì)不同類型農(nóng)作物的環(huán)境需求考慮不夠，僅靠大面積的“見縫插針”種植方式，不僅難以提高單位面積的當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)量，還會(huì)造成生態(tài)環(huán)境的失衡、石漠化更趨嚴(yán)重。果化示范區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)緊密結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜照諒?qiáng)度、日積溫、月積溫等氣象條件，考慮到不同土壤厚度、不同地形條件、不同植被覆蓋度等造成的土壤溫度空間分異，對(duì)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的耕作，要根據(jù)不同作物對(duì)長(zhǎng)/短日照，喜陰/喜陽(yáng)，適宜積溫等的不同需求，因地制宜、因時(shí)制宜地配置適宜的農(nóng)作物和種植布局。

3結(jié) 論

(1) 不同深度土壤溫度的空間分布存在高度的正向全局空間自相關(guān)；各深度土壤溫度的空間分布均存在明顯的空間聚集區(qū)，其空間孤立區(qū)的分布卻相對(duì)較少。5，10，20和30 cm深度的土壤溫度空間自相關(guān)尺度分別為1 800，1 400，600和2 000 m。

(2) 影響不同深度土壤溫度空間分異的環(huán)境因子排序?yàn)椋和寥篮穸?坡度>植被覆蓋度>高程。巖溶區(qū)成土速率慢、土壤淺薄且不連續(xù)，在坡度較陡、植被覆蓋較低的山峰部位，巖溶土壤流失嚴(yán)重；而在坡度較低平、植被覆蓋較高的洼地部位，巖溶土壤較易于堆積。土壤厚度對(duì)土壤溫度的影響，實(shí)質(zhì)上是巖溶環(huán)境的綜合反映。坡度、高程等地形因子是造成土壤逆溫結(jié)構(gòu)的主要影響因素。此外，土壤溫度的空間分異還會(huì)受到植被覆蓋“遮蔽作用”或“保溫效應(yīng)”的影響。(3) 果化示范區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)緊密結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜照諒?qiáng)度、日積溫、月積溫等氣象條件，考慮到不同土壤厚度、不同地形條件、不同植被覆蓋度等造成的土壤溫度空間分異，對(duì)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的耕作，應(yīng)根據(jù)不同作物對(duì)長(zhǎng)/短日照，喜陰/喜陽(yáng)，適宜積溫等不同需求，因地制宜、因時(shí)制宜地配置適宜的農(nóng)作物和種植布局。

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Effects of Environmental Factors on Spatial Structures of Soil Temperature in Typical Karst Zone of Guangxi Area

YIN Hui1, LI Hui2,3, JIANG Zhongcheng3

(1.TourismDepartment,HuizhouUniversity,Huizhou,Guangdong516007，China; 2.CollegeofEnvironment&Resources,GuangxiNormalUniversity,Guilin,Guangxi541004,China; 3.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China)

Abstract：[Objective] This paper aims to demonstrate the spatial autocorrelation and the pattern of soil temperature, and to find the main environmental factors . [Methods] Classical statistics and 3S technology were used. [Results] The spatial distribution of soil temperature in different soil depth showed a general highly positive spatial autocorrelation and had obvious spatial clusters, nearly no spatial isolated distribution was found. The impacting factors of spatial distribution of soil temperature in different soil depth ranked as: soil thickness, slope, vegetation coverage and altitude. [Conclusion] The influence of soil thickness on soil temperature, essentially, is the comprehensive reflection of karst environment. Terrain factors, like slope, elevation and so on, are the main factors influencing soil inversed temperatual structure. In addition, the spatial heterogeneity of soil temperature also been affected by “covering” or “heat preservation effect” of plants.

Keywords:soil; temperature; spatial structure; environmental factors; Guohua karst zone

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0116-05

中圖分類號(hào)：S152.7

通信作者：李暉(1981—),男(漢族),河南省南陽(yáng)市人,博士,副教授,主要從事巖溶生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、3S技術(shù)等方面的研究。E-mail:lh1029@126.com。

收稿日期：2014-01-07修回日期：2014-03-24
資助項(xiàng)目：廣東省青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目“基于3S技術(shù)的粵北石漠化地區(qū)雨水資源化潛力研究”(2014KQNCX212)； 廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFBA019222); 巖溶地質(zhì)研究所所控項(xiàng)目(121237128100212); 惠州學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目 (C513.0206)
第一作者：尹輝(1983—),男(漢族),廣西省桂林市人,博士,講師,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)恢復(fù)、水文和水土保持。E-mail:yinhui741852963@163.com。