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(qū)干濕循環(huán)過(guò)程中土壤水含量的空間分布變化，為解決該地區(qū)農(nóng)田水土流失及農(nóng)作物防旱抗旱提供理論依據(jù)。[方法]選取種植有大豆、梨樹(shù)和甘蔗3種不同農(nóng)作物的耕作地為試驗(yàn)地，分析3種試驗(yàn)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(tǒng)計(jì)方法研究不同土地利用方式下的土壤空間分布變異。[結(jié)果]大豆、梨樹(shù)和甘蔗3種試驗(yàn)地的土壤質(zhì)地差異不顯著（P>0.05），土壤容重表現(xiàn)為梨樹(shù)地最小，但土壤有機(jī)質(zhì)含量和總孔隙度均以梨樹(shù)地最高。3種試驗(yàn)地濕潤(rùn)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(gè)干旱一濕潤(rùn)循環(huán)過(guò)程中，3種試驗(yàn)地的土壤水含量均表現(xiàn)為梨樹(shù)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(guān)性，說(shuō)明試驗(yàn)地的空間分布在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)穩(wěn)定，但因不同的土地利用方式存在一定變異性，變異強(qiáng)度也因其耕作方式或管理方式的不同而異。[結(jié)論]桂林喀斯特地區(qū)土壤自身具有維持其土壤水含量空間分布穩(wěn)定的能力，但耕作方式、灌溉等人為因素在一定程度上會(huì)削弱土壤水含量的空間穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：干濕循環(huán)；土壤水含量；地統(tǒng)計(jì)分析；空間穩(wěn)定性；桂林喀斯特地區(qū)

0引言

[研究意義]桂林作為我國(guó)西南典型的喀斯特地區(qū)，長(zhǎng)期強(qiáng)烈的巖溶作用導(dǎo)致該地區(qū)形成了地表水易流失、地下水深埋的水資源不協(xié)調(diào)雙層空間結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，人為開(kāi)發(fā)和利用的不合理，再加上土層淺薄、土壤持水性差，致使該區(qū)域生態(tài)脆弱、水土流失嚴(yán)重（張川等，2013）。因此，研究桂林地區(qū)表層土壤水含量的空間分布對(duì)增加土壤有效水含量、實(shí)現(xiàn)水資源合理利具有重要意義，同時(shí)可為解決桂林地區(qū)農(nóng)田水土流失、農(nóng)作物防旱抗旱提供理論依據(jù)。[前人研究進(jìn)展]目前，有關(guān)喀斯特地區(qū)土壤水含量的研究主要集中在土壤理化性質(zhì)對(duì)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?yè)P(yáng)建等，2016）等方面。Zhao等（2007）對(duì)內(nèi)蒙古羊草草地土壤水含量的空間分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤水含量的空間分布與土壤質(zhì)地、容重和有機(jī)質(zhì)問(wèn)存在一定相關(guān)性。李猛等（2012）采用網(wǎng)格法布點(diǎn)對(duì)生長(zhǎng)季內(nèi)林隙各樣點(diǎn)土壤水含量進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)林隙土壤水含量存在明顯的空間異質(zhì)性，且空間異質(zhì)性的強(qiáng)度、尺度和空間結(jié)構(gòu)組成隨時(shí)間而改變。張川等（2013）通過(guò)運(yùn)用半變異函數(shù)的方法，研究發(fā)現(xiàn)土壤水含量表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，但土壤水含量與土壤容重、飽和導(dǎo)水率均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。甘磊等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，放牧對(duì)內(nèi)蒙古草原土壤水含量的空間穩(wěn)定性有破壞作用，但土壤自身具有一定的修復(fù)作用。彭?yè)P(yáng)建等（2016）利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法全面分析和探討了喀斯特地區(qū)不同植被覆蓋條件下土壤水含量的空間變異性，發(fā)現(xiàn)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(duì)黃土丘陵區(qū)人工林草植被土壤水分的影響，結(jié)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(nèi)土層的土壤水分有效性。[本研究切入點(diǎn)]干濕循環(huán)過(guò)程對(duì)不同土地利用方式下的土壤理化性質(zhì)有一定影響（馬蕊等，2016），進(jìn)而影響土壤水含量。目前，針對(duì)桂林喀斯特地區(qū)干濕交替演變循環(huán)過(guò)程中不同土地利用方式下土壤水含量的空間變異及其穩(wěn)定性的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。[擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題]在干旱一濕潤(rùn)一干旱一濕潤(rùn)的干濕循環(huán)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(qū)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(huán)過(guò)程中土壤水含量的空間變異，為解決該地區(qū)農(nóng)田水土流失及農(nóng)作物的防旱抗旱提供理論依據(jù)。

3討論

本研究選取種植有大豆、梨樹(shù)和甘蔗3種不同農(nóng)作物的耕作地為試驗(yàn)地，對(duì)其干旱-濕潤(rùn)-干旱-濕潤(rùn)交替過(guò)程中的土壤水含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，濕潤(rùn)階段試驗(yàn)地的土壤水含量是干旱階段土壤水含量的2-3倍，說(shuō)明土壤水含量與降雨關(guān)系密切，降雨量直接決定土壤水含量的基數(shù)。在整個(gè)干旱-濕潤(rùn)循環(huán)過(guò)程中，梨樹(shù)地土壤水含量相對(duì)于甘蔗地和大豆地較高，其主要原因是大豆地和甘蔗地長(zhǎng)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(shí)梨樹(shù)地的有機(jī)質(zhì)含量最高，導(dǎo)致其土壤水含量為三者中最高。這與潘云和呂殿青（2009）發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤持水能力越強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與有效水最大儲(chǔ)量呈正相關(guān)的結(jié)果相同。有機(jī)質(zhì)含量不僅可改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤孔隙度增加，還可改善土壤膠體情況，增加土壤對(duì)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(zhǎng)，而濕潤(rùn)階段壟溝耕作可去水通風(fēng)，雨水能及時(shí)排走，防澇。易克傳和周如太（1998）也發(fā)現(xiàn)起壟溝耕作技術(shù)可通過(guò)增加活性土層的厚度提高土壤蓄水能力。大豆試驗(yàn)地土層裸露較多，經(jīng)太陽(yáng)照射土壤水分極易蒸發(fā)，導(dǎo)致土壤持水性能差，不易存儲(chǔ)水分。因此，在整個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程中，3種試驗(yàn)地的土壤水含量均表現(xiàn)為梨樹(shù)地>甘蔗地>大豆地。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤水含量空間變異進(jìn)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(guò)半方差函數(shù)與Kriging插值的方法研究干濕循環(huán)過(guò)程中土壤水含量的空間變異，結(jié)果表明，在兩次干旱和濕潤(rùn)階段中，梨樹(shù)地土壤水含量均主要集中在試驗(yàn)地中部，其土壤水含量在兩次干濕循環(huán)過(guò)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(shù)地采取的免耕措施導(dǎo)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(fā)，覆蓋物分布不均也會(huì)導(dǎo)致水分人滲和存儲(chǔ)存在差異，這些因素最終導(dǎo)致梨樹(shù)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(qū)的研究結(jié)果基本一致。甘蔗地在第一次干濕循環(huán)過(guò)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(huán)過(guò)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(huán)過(guò)程中其土壤水含量空間比相差明顯，可能是因?yàn)樵诘谝淮胃珊禇l件后人為加大了田間管理（施肥、除草、壟溝、灌溉），導(dǎo)致試驗(yàn)地土壤水含量空間分布發(fā)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(yàn)地中部偏東區(qū)域，在兩次濕潤(rùn)階段下，其土壤水含量依舊集中在中部偏東區(qū)域，說(shuō)明其土壤水含量空間分布還具有一定的空間穩(wěn)定性。Zhao等（2007）認(rèn)為人為活動(dòng)或外界因素的參與將干擾土壤水含量的空間分布，導(dǎo)致其空間分布發(fā)生變異，但土壤有維持其穩(wěn)定的趨勢(shì)，與本研究結(jié)果基本一致。對(duì)于大豆地而言，在兩次干濕交替的演變過(guò)程中，土壤水含量最高閾值均出現(xiàn)在東南角，但在兩次濕潤(rùn)階段，其土壤水含量最高閾值則分布在試驗(yàn)地四周，且東南角也表現(xiàn)出較高的水含量。這主要是因?yàn)榇蠖沟靥幱诟鳁l件下，其人為干預(yù)活動(dòng)最多，因此其土壤水含量的空間分布最不穩(wěn)定。

土壤結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各種性質(zhì)相互制約，當(dāng)外界環(huán)境向這個(gè)系統(tǒng)中輸入物質(zhì)和能量時(shí)，土壤系統(tǒng)就可通過(guò)自身的反饋?zhàn)饔眠M(jìn)行合理的調(diào)節(jié)、控制以便保持自身的穩(wěn)定狀態(tài)（孫波和解憲麗，2005）。在干旱一濕潤(rùn)循環(huán)過(guò)程中，由于外界向土壤輸入水分，破壞了土壤在干旱時(shí)達(dá)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(diào)節(jié)系統(tǒng)，而梨樹(shù)地因?yàn)槊飧⒌乇砀采w多影響了土壤水分輸入，削弱了整體調(diào)節(jié)功能，因此總體而言每次從干旱到濕潤(rùn)的過(guò)程中，3種試驗(yàn)地的土壤水含量空間分布均表現(xiàn)出一定的穩(wěn)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?jīng)Q定。本研究?jī)H分析了喀斯特地區(qū)表層土壤水含量的空間變化，后續(xù)研究還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其不同深度土層土壤水含量空間變化的研究，進(jìn)一步為桂林地區(qū)水土保持問(wèn)題提供科學(xué)理論依據(jù)。

4結(jié)論

在干旱-濕潤(rùn)循環(huán)過(guò)程中，桂林喀斯特地區(qū)土壤自身具有維持其土壤水含量空間分布穩(wěn)定的能力，但耕作方式、灌溉等人為因素在一定程度上會(huì)削弱土壤水含量的空間穩(wěn)定性。不同土地利用方式下的土壤水含量均表現(xiàn)為梨樹(shù)地>甘蔗地>大豆地。