全 文 ：第 ３４ 卷第 １８ 期
２０１４年 ９月
生 态 学 报
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１８
Ｎｏｖ．，２０１４
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
基金项目：中国科学院西部行动计划项目（ＫＺＣＸ２ＸＢ３１０）；国家自然科学基金项目（３１３７０６２３， Ｕ１０３３００４）
收稿日期：２０１４⁃０５⁃０９； 　 　 修订日期：２０１４⁃０８⁃１１
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈｇｑｊｘｎｃ＠ ｓｉｎａ．ｃｏｍ
ＤＯＩ： １０．５８４６ ／ ｓｔｘｂ２０１４０５１００９３９
徐慧芳，宋同清，黄国勤，彭晚霞，曾馥平，杜虎，李莎莎．喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征．生态学报，２０１４，
３４（１８）：５３１１⁃５３１９．
Ｘｕ Ｈ Ｆ， Ｓｏｎｇ Ｔ Ｑ， Ｈｕａｎｇ Ｇ Ｑ， Ｐｅｎｇ Ｗ Ｘ， Ｚｅｎｇ Ｆ Ｐ， Ｄｕ Ｈ， Ｌｉ Ｓ Ｓ．Ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ ｉｎ ａ ｔｙｐｉｃａｌ
ｋａｒｓｔ ｈｉｌｌ ｒｅｇｉｏｎ．Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１４，３４（１８）：５３１１⁃５３１９．
喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下
土壤水分的时空变异特征
徐慧芳１，２，３，宋同清２，３，黄国勤１，∗，彭晚霞２，３，曾馥平２，３，杜　 虎２，３，李莎莎２，３
（１．江西农业大学生态科学研究中心，南昌　 ３３００４５； ２． 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，长沙　 ４１０１２５；
３． 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，环江　 ５４７１００）
摘要：基于典型喀斯特峰丛洼地坡面土地利用方式试验火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧 １号、种植玉米（面积分别为 ２０ｍ×
７０ｍ）控制性试验建设，通过网格法（５ ｍ×５ ｍ）采样，用经典统计学和地统计学方法，分析了 ６ 种土地利用方式下（火烧、刈割、
刈割除根、封育、种植桂牧 １号、种植玉米）表层土壤水分在不同季节的空间变异特征。 结果表明：喀斯特峰丛洼地土壤含水量
均很高，雨季显著大于旱季，雨季为火烧＞封育、刈割除根＞玉米、桂牧 １号＞刈割，旱季为刈割、火烧、刈割除根＞桂牧 １号、封育＞
玉米，均呈中等至强度变异，且含水量越低变异越大；不同土地利用方式土壤水分的自相关函数均呈由正向负方向发展的相同
趋势，但拐点不同，且旱季大于雨季，不同土地利用方式旱季、雨季土壤水分的最佳拟合模型不同，但均呈中等或强烈的空间相
关性，变程为 ６．８—２１３ ｍ，且旱季大于雨季；同一土地利用方式旱季、雨季表层土壤水空间格局相似，不同土地利用方式空间格
局则不同，因此在该区域进行植被恢复和生态重建时应采取不同的水资源利用策略。
关键词：表层土壤水分；空间异质性；土地利用方式；坡面；喀斯特峰丛洼地
Ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ ｉｎ ａ
ｔｙｐｉｃａｌ ｋａｒｓｔ ｈｉｌｌ ｒｅｇｉｏｎ
ＸＵ Ｈｕｉｆａｎｇ１，２，３， ＳＯＮＧ Ｔｏｎｇｑｉｎｇ２，３， ＨＵＡＮＧ Ｇｕｏｑｉｎ１，∗， ＰＥＮＧ Ｗａｎｘｉａ２，３， ＺＥＮＧ Ｆｕｐｉｎｇ２，３， ＤＵ Ｈｕ２，３，
ＬＩ Ｓｈａｓｈａ２，３
１ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｏｎ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｊｉａｎｇｘｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４５，Ｃｈｉｎａ
２ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｇｒｏ⁃ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ Ｒｅｇｉｏｎ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｓｈａ
４１０１２５， Ｃｈｉｎａ
３ Ｈｕａｎｊｉａｎｇ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｋａｒｓｔ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ， Ｈｕａｎｊｉａｎｇ ５４７１００， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｏｎ ｓｉｘ ｍａｎｉｐｕｌａｔｅｄ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ， ｉ．ｅ．，
ｂｕｒｎｉｎｇ， ｃｕｔｔｉｎｇ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｌｕｓ ｒｏｏｔ ｒｅｍｏｖａｌ， ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ， ｍａｉｚｅ ｆｉｅｌｄ， ａｎｄ ｓｗａｒｄ ｏｆ Ｇｕｉｍｕ Ｎｏ． １．Ｅａｃｈ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅ ｃｏｖｅｒｅｄ
ａｎ ａｒｅａ ｏｆ ２０ ｍ×７０ ｍ ｏｎ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｌｏｐｅ ｉｎ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｋａｒｓｔ ｈｉｌｌｓ． Ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ５ ｍ × ５ ｍ
ｓａｍｐｌｉｎｇ ｇｒｉｄ ａｎｄ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｇｅｏｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｗａｓ ｈｉｇｈ ｉｎ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ
ｂｅｔｗｅｅｎ ｋａｒｓｔ ｈｉｌｌｓ， ａｎｄ ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｒａｉｎｙ ｓｅａｓｏｎ ｔｈａｎ ｉｎ ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ． Ｉｎ ｒａｉｎｙ ｓｅａｓｏｎ， ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅｄ
ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｂｕｒｎｉｎｇ ＞ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｌｕｓ ｒｏｏｔ ｒｅｍｏｖａｌ ＞ ｍａｉｚｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｗａｒｄ ｏｆ Ｇｕｉｍｕ Ｎｏ． １ ＞ ｃｕｔｔｉｎｇ， ｗｈｉｌｅ ｉｎ
ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ， ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ， ｂｕｒｎｉｎｇ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｌｕｓ ｒｏｏｔ ｒｅｍｏｖａｌ ＞ ｓｗａｒｄ ｏｆ Ｇｕｉｍｕ Ｎｏ．
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
１ａｎｄｅｘｃｌｏｓｕｒｅ＞ ｍａｉｚｅ ｆｉｅｌｄ． Ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｖａｒｉｅｄ ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ ｏｒ ｓｔｒｏｎｇｌｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ
ｗａｓ ｌｏｗｅｒ． Ａｌｌ ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ ｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｆｒｏｍ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｏ
ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｂｕｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｗｅｒｅ ｌａｒｇｅｒ ｉｎ ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ ｔｈａｎ ｉｎ ｒａｉｎｙ ｓｅａｓｏｎ． Ｔｈｅ ｂｅｓｔ
ｆｉｔｔｅｄ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ， ｂｕｔ ａｌｌ ｓｈｏｗｅｄ ｍｏｄｅｒａｔｅ ｏｒ ｓｔｒｏｎｇ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ．
Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅｄｆｒｏｍ ６．８ ｔｏ ２１３ ｍ ａｎｄ ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ ｉｎ ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ ｔｈａｎ ｉｎ ｒａｉｎｙ ｓｅａｓｏｎ． Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ
ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅ ｉｎ ｒａｉｎｙ ｓｅａｓｏｎ ｗａｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈａｔ ｉｎ ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ， ｗｈｉｌｅ ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ
ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｖａｒｉｅｄ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｄｉｖｅｒｓｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｋａｒｓｔ ｈｉｌｌｓ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ； ｓｐａｔｉａｌ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ； ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅ； ｓｌｏｐｅ； ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｋａｒｓｔ ｈｉｌｌｓ
　 　 土壤水分是地表水资源的重要组成部分，具有
较强的时空变异性，是土壤的一个重要状态参
数［１⁃２］，是衔接四水转换与循环的核心，其高度的空
间异质性受不同尺度的地质地貌、降水、植被覆盖、
径流、蒸发蒸腾、干扰等自然、人为作用和过程控
制［３］，区域尺度上由大气控制的降雨和蒸发格局起
主导作用［４⁃５］，小流域尺度则以土壤、地形和土地利
用（植被） 的作用为主，但这些因子的作用因季节而
异［６］。 国内外学者大量研究表明影响土壤水分时空
格局的驱动因子不同，且研究的差异较大［７⁃８］，但一
般认为，在湿润季节主要受汇水面积等非局地因子
影响，在干旱季节，土壤水分格局受土壤性质、植被
和微地形等局地因子控制。
喀斯特峰丛洼地地处世界三大岩溶区之一即以
贵州为中心连带成片的我国西南喀斯特南部斜坡地
带，属中亚热带季风气候，雨热资源丰富，年均降雨
量在 １３００—１５００ ｍｍ 之间，但时空分布不均且蒸发
量大，年蒸发量多在 １５００—１９００ ｍｍ，明显大于降水
量，导致水汽总体上处于亏损状态，易形成干旱气
候［９］。 长期强烈的岩溶作用形成了有别于其他地区
的地表、地下双层二元水文结构，众多的溶洞、溶沟、
溶隙、漏斗、地下河和落水洞及喀斯特浅薄的土层、
大量的岩石裸露致使大气降水迅速渗漏和蒸发，形
成了温润气候条件下特殊的岩溶干旱现象［１０⁃１１］，又
加之该地区土壤浅薄、土壤总量少、储水能力低、尖
锐的人地矛盾产生了许多掠夺型的土地开发利用方
式，大部分干扰区的森林覆盖率≤１３％，形成了严重
的干旱和石漠化状态［１２］，且漏水、农田耗水量和蒸
发量过大的问题难以解决，因此，土壤水分对喀斯特
退化生态系统的水热平衡及系统稳定性起着决定作
用。 目前，有关喀斯特地质背景［１３］、生态环境［１４］、植
被特性［１５⁃１７］、土壤水分空间异质性及其主要影响因
素［１８］有了初步认识，但涉及不同土地利用方式土壤
水分的空间异质性很少。 本文选择典型喀斯特峰丛
洼地坡面，基于火烧、刈割、刈割除根、封育、种植玉
米、种植桂牧 １ 号 ６ 种主要土地利用方式的控制性
试验设置，用经典统计学和地统计学方法分析旱季、
雨季表层土壤水分的空间异质性及其生态学过程，
旨在为提高土壤有效含水量、实现水土资源协调利
用、有效指导该区农业生产和植被快速恢复提供科
学依据。
１　 研究方法
１．１　 区域概况
研究区位于广西壮族自治区环江毛南族自治县
中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站综合试
验 示 范 区， 地 理 位 置 为 Ｎ２° ４３′—２４° ４４′，
Ｅ １０８ °１８′—１０８°１９′，地势四周高，中间低，海拔为
２８８􀆰 ５—３３７．８ ｍ，地形破碎，坡度较陡，≥２０°的坡面
占 ５７％，坡地基岩裸露面积＜３０％。 土壤为白云岩母
质发育而成的深色或棕色石灰土，土层较薄，一般为
１０—５０ ｃｍ；土壤质地为黏壤土和黏土，粉粒、黏粒质
量分数分别为 ２５％—５０％和 ３０％—６０％；土壤呈碱
性，ｐＨ值高达 ７．８３—７．９８，有机质、全氮、全磷、全钾
分布为 ７６．７８—１１６．０５ ｇ ／ ｋｇ，４．２９—６．９５ ｇ ／ ｋｇ，１．１５—
１．１７ ｇ ／ ｋｇ，３．５９—６．０５ ｇ ／ ｋｇ。 研究区属中亚热带季风
气候区，全年无霜期 ３００—３３０ ｄ，年均气温 １９．９ ℃，
极端高温 ３８．７ ℃，极端低温－５．２ ℃，太阳年平均辐
射总量 ４１４．１ ｋＪ ／ ｃｍ２，≥１０ Ｃ 积温为 ５５００—６５３０ Ｃ。
年均降雨量 １３８９．１ ｍｍ，降水丰富但季节分配不均，
雨季降雨量占全年降雨量的 ７０％以上。
２１３５ 　 生　 态　 学　 报　 　 　 ３４卷　
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１．２　 试验设置与采样
２００６年底在试验区一面东南向山坡中下部建立
了 ６个 ２０ ｍ×７０ ｍ 的动态监测样地，经过试验处理
形成了火烧地、刈割第地、刈割除根地、封育地、玉米
地和桂牧 １号地 ６种土地利用方式。 具体设计及处
理见表 １。 用插值法将每个动态监测样地划分为 ５
ｍ×５ ｍ的网格，共获得 ８０ 个样点，分别于 ２００９ 年 ７
月 ８日即雨季（采样前最后一次降雨时间为 ７ 月 ６
日（３０ ｍｍ））和 １１月 ２８日即旱季（采样前最后一次
降雨时间为 １１月 ５ 号（４．５ ｍｍ）），用土钻进行表层
土壤（０—１０ ｃｍ）网格法取样，采样过程中，若采样点
有石块分布，则在石块周围取 ３ 个土样混合均匀后，
取 １ ／ ３代替该点样本，用烘干法测定土壤水分含量。
采样同时进行立地因子、植被状况、人为干扰等
调查。
１．３　 数据处理
用经典统计学和地统计学方法对样本数据进行
分析处理，经典统计学分析采用 ＳＰＳＳ１６．０ 软件，空
间自相关分析、半变异函数分析和模型优化模拟均
在专业地统计软件 ＧＳ＋中完成，Ｋｒｉｇｉｎｇ 等值线图绘
制采用 ＡｒｃＧＩＳ９．２ 软件。 地统计学有关方法及原理
见文献［１９⁃２０］。
表 １　 不同土地利用方式坡面样地基本情况
Ｔａｂｌｅ １　 Ｂａｓｉｃ ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｓａｍｐｌｅ ｐｌｏｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ
利用方式
Ｌａｎｄ ｕｓｅ ｐａｔｔｅｒｎ
坡形
Ｓｌｏｐｅ ｓｈａｐｅ
平均坡度 ／ （ °）
Ｍｅａｎ ｓｌｏｐｅ
ａｎｇｌｅ
处理方式
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
土壤扰动情况
Ｓｏｉｌ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ
火烧 Ｂｕｒｎｉｎｇ 直形坡 ３３．７ 每年 １月火烧 １次 小
刈割 Ｃｕｔｔｉｎｇ 直形坡 ３４．５ 每年 １月砍伐、搬移，不去除植物根系 小
刈割除根
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｌｕｓ ｗｉｔｈ ｒｏｏｔ ｒｅｍｏｖａｌ 直形坡 ３３．５
每年 １月砍伐、搬移，去除植物根系，３—５ ａ
后自然恢复 大
封育 Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ 直形坡 ３３．０ 保留原始植被，作为对照 无
玉米 Ｍａｉｚｅ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ 微凹形坡 ２６．４ 坡中下部去除原始植被，挖根，顺坡种植玉米 大
桂牧 １号
Ｐａｓｔｕｒｅ ｏｆ Ｇｕｉｍｕ Ｎｏ． １ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ 微凹形坡 ２４．４ 去除原始植被，挖根，种植牧草（桂牧 １ 号） 大
２　 结果与分析
２．１　 经典统计描述
本文采用样本均值加减 ３ 倍标准差来识别特异
值，在此区间外的数据均定为特异值，分别用最大和
最小值代替［２１］，后续计算均采用处理后的原始数
据。 由表 ２可以看出，喀斯特峰丛洼地土壤含水量
均很高，旱季明显低于雨季（Ｐ＜０．０１），但含水量仍在
１５．２６％—１８．９３％之间，总体趋势上含水量越低变异
系数越大，旱季变异系数（２４．２０％—４６．３３％）明显高
于雨季（１４．１１％—２１．８６％），这与前人研究的结果基
本一致［２２］。 不同土地利用方式不同季节土壤含水
量和变异系数不同，雨季为火烧＞封育、刈割除根＞玉
米、桂牧 １号＞刈割，各组间差异极显著，火烧之后新
草生长茂密，其蓄水性能最好，封育次之，刈割蓄水
性能最差，各利用方式的变异系数均呈中等变异
（１０％＜ＣＶ＜３０％）。 旱季为刈割、火烧、刈割除根＞桂
牧 １号、封育＞玉米，各组间差异显著，刈割在旱季耗
水量最小、玉米的耗水量最大，其中刈割、玉米和封
育呈强度变异（ＣＶ＞３０％），其他呈中等变异。 经典
统计在描述不同土地利用方式土壤水分的总体变化
特征方面比较好，概括了土壤水分变化的全貌，但是
却无法反映其局部的变化特征，不能定量描述随距
离而产生的空间变异及分布，因此需要使用地统计
学方法分析进一步研究。 采用单样本 Ｋ⁃Ｓ 分布检
验，在 ５％的水平下均服从正态分布，可以直接进行
地统计学分析。
２．２　 土壤水分的空间自相关分析
如图 １所示 ６种土地利用方式的土壤水分具有
相似的空间结构，大致趋势为：滞后距离较小的点对
呈显著的正空间自相关，随着滞后距离的增大，自相
关系数逐渐向负方向发展，达到显著的负空间自相
关。 正空间自相关的距离大致反映了性质相似斑块
的平均半径，负空间自相关则反映了性质相反的斑
块间的平均距离。 不同的土地利用方法正负变化的
拐点和变化趋势不同，总趋势为旱季的拐点向坡上
３１３５　 １８期 　 　 　 徐慧芳　 等：喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征 　
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表 ２　 土壤水分描述统计特征
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ
指标
Ｉｎｄｅｘ
火烧
Ｂｕｒｎｉｎｇ
刈割
Ｃｕｔｔｉｎｇ
刈割除根
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｌｕｓ
ｗｉｔｈ ｒｏｏｔ
封育
Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ
玉米
Ｍａｉｚｅ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
桂牧 １号
Ｐａｓｔｕｒｅ ｏｆ Ｇｕｉｍｕ
Ｎｏ． １ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
雨季 最小值 Ｍｉｎ． ／ ％ ２４．５４ １５．３３ １３．５５ １６．１８ １４．３３ １０．１１
Ｒａｉｎｙ ｓｅａｓｏｎ 最大值 Ｍａｘ． ／ ％ ５０．４８ ３４．６８ ４３．４８ ４８．８６ ３８．３ ３９．１２
均值 Ｍｅａｎ ／ ％ ３８．４７Ａａ ２５．３８Ｄｄ ３０．５２Ｂｃｂｃ ３２．４２Ｂｂ ２８．６３Ｃｃ ２９．０６Ｃｃ
变异系数 ＣＶ ／ ％ １４．１１ １７．３３ １８．５４ ２１．６７ １９．９３ ２１．８６
偏度 Ｓｋｅｗｎｅｓｓ －０．２１ －０．０９ －０．３４ ０．２ －０．５ －０．７１
峰度 Ｋｕｒｔｏｓｉｓ ０．０７ －０．３８ ０．０８ －０．２５ －０．２ ０．５３
Ｋ⁃Ｓ值 Ｋ⁃Ｓ ｖａｌｕｅ １ ０．９７ ０．９３ ０．９３ ０．７１ ０．７５
旱季 最小值 Ｍｉｎ． ／ ％ ７．８６ ７．７８ ７．６１ ７．６８ ３．４８ ４．８６
Ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ 最大值 Ｍａｘ． ／ ％ ２５．８３ ３１．４７ ２６．３７ ２７．８６ ２４．７１ ６１．１４
均值 Ｍｅａｎ ／ ％ １７．５９ＡＢａｂ １８．９３Ａａ １７．００ＡＢａｂｃ １６．５７ＡＢｂｃ １５．２６Ｂｃ １６．７５ＡＢｂｃ
变异系数 ＣＶ ／ ％ ２４．２ ３０．２３ ２８．７３ ２６．１１ ３９．７６ ４６．３３
偏度 Ｓｋｅｗｎｅｓｓ －０．０６ ０．１４ －０．１９ －０．１５ －０．１８ ２．５２
峰度 Ｋｕｒｔｏｓｉｓ －０．３９ －０．６６ －０．９８ －０．２８ －１．３５ １４．５２
Ｋ⁃Ｓ值 Ｋ⁃Ｓ ｖａｌｕｅ ０．５３ ０．９３ ０．５８ ０．７５ ０．１２ ０．１４
移动且变化平缓，这可以从动态监测样地的具体情
况得到解释，在坡的下部地形较为平坦，石砾含量较
少，土壤含水量相对较高但土层较厚，为一种性质的
斑块，在坡中上部正好相反，土壤持水性差。 种植桂
牧 １ 号的动态监测样地，因受人为干扰和坡面呈凹
型的原因，在 １４２０ ｍ范围内自相关系数在 ０ 附近上
下波动。
２．３　 土壤水分的空间结构
半变异函数分析表明（图 ２），不同土地利用方
式不同季节的试验半变异函数拟合模型不同，主要
有高斯模型（Ｇａｕｓｓｉａｎ）、指数模型（Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ）和球
状模型（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ），理论模型的决定系数为 ０􀆰 ４９０—
０．９９１，均比较高，残差为 ２．５２—５３．３０，均比较低，说
明理论模型能很好的反映土壤水分的空间结构
特征。
半变异函数模型各结构参数如表 ３ 所示，除火
烧外其他土地利用方式的土壤水分块金效应明显，
较大的块金值（Ｃ０）可能是因为石砾含量高，而石砾
周围土层浅薄且蒸发强烈，从而有别于周围区域土
壤性质，造成较大的块金值，基台值（Ｃ０ ＋Ｃ）是半变
异函数达到的极限值，不同土地利用方式的基台值
均很高，在 １６．８２—７５．７０之间，这说明土壤水分的空
间分布主要受地形和微地貌等固定因素控制，且土
壤水分变异大致与平均含水量变化相反。 块金值与
基台值之比反映了随机变异占总变异的大小，火烧
和刈割雨季 Ｃ０ ／ （Ｃ０＋Ｃ）小于 ２５％，呈强烈的空间相
关性，其余的在 ０．２６—０．５０ 之间，呈中等空间相关
性。 ６种土地利用模式的变程在 ６．８—２１３ ｍ 之间，
表明在喀斯特地区较高的石砾含量尽管会改变局部
地段土壤水分的空间分布，但表层土壤水分仍具有
一定的空间连续性，其中火烧、刈割、刈割除根和封
育在旱季随土壤水分含量降低变程增大，连续性变
好，种植玉米和桂牧 １号在旱季进行了收割，人为干
扰严重而导致变程变小，破碎性增大。
２．４　 土壤水分的空间格局
用 Ｋｒｉｇｉｎｇ方法制作的等值线图可以全面和直
观地揭示喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式下表层
土壤水分雨季、旱季的空间分布格局（图 ３）。 同一
土地利用方式旱季、雨季表层土壤水分的空间分布
格局相似，不同土地利用方式的空间分布格局不同。
火烧和刈割人为干扰导致植被格局分布不均，表层
土壤水分分布的斑块破碎化程度高，规律不明显，这
也是火烧和刈割土壤水分变程小的原因；封育呈凹
型分布，表层土壤水分含量中间低两头高，刈割除
根、种植玉米和桂牧 １ 号 ３ 种土地利用方式表层土
壤水分的空间分布均呈单峰分布，随海拔的升高而
降低，且空间连续性好，变程大。
４１３５ 　 生　 态　 学　 报　 　 　 ３４卷　
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表 ３　 土壤水分半变异函数模型及参数
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｅｍｉｖａｒｉｏｇｒａｍ ｆｏｒ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ
指标
Ｉｎｄｅｘ
火烧
Ｂｕｒｎｉｎｇ
刈割
Ｃｕｔｔｉｎｇ
刈割除根
Ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｌｕｓ
ｗｉｔｈ ｒｏｏｔ
封育
Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ
玉米
Ｍａｉｚｅ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
桂牧 １号
Ｐａｓｔｕｒｅ ｏｆ Ｇｕｉｍｕ
Ｎｏ． １ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
雨季 模式 Ｍｏｄｅｌ Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ
Ｒａｉｎｙ ｓｅａｓｏｎ 块金值 Ｃｏ ０．０１ ３．６２ ２０．８３ ２２ ２１．４ １４．８
基台值 Ｃｏ＋Ｃ ２７．０１ ２２．１１ ４７．１８ ７５．７ ５７．４９ ５５．６６
Ｃｏ ／ （Ｃｏ＋Ｃ） ０ ０．１６ ０．４４ ０．２９ ０．３７ ０．２７
变程 Ａ ／ ｍ ６．８ １７．２ ４２．７ ４５．５ ２１３ ７１
决定系数 Ｒ２ ０．０６４ ０．９１８ ０．９９１ ０．９７４ ０．７０８ ０．８４４
残差 ＲＳＳ ３７．２ ２．８５ ２．５２ ２８．５ ２９．７ ５３．３
旱季 模式 Ｍｏｄｅｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｇａｕｓｓｉａｎ
Ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ 块金值 Ｃｏ ０．０１ １８．３７ １６．５９ １０．８３ ２０．９ ３４．８
基台值 Ｃｏ＋Ｃ １６．８２ ３６．７５ ３７．４１ ４２．０７ ７２．８ ６９．６１
Ｃｏ ／ （Ｃｏ＋Ｃ） ０ ０．５ ０．４４ ０．２６ ０．２９ ０．５
变程 Ａ ／ ｍ １６．８ ２３．８ １７２ ２１３ ７３．８ ４３
决定系数 Ｒ２ ０．４９ ０．９３５ ０．６９４ ０．８７９ ０．９５３ ０．９５４
残差 ＲＳＳ ３．０１ １１．５ １４．８ ７．１７ １５．２ ２２．５
３　 讨论与结论
近年来由于人类不合理的开发利用，喀斯特植
被逐年退化，水土流失、石漠化等生态灾害日趋严
重。 而且喀斯特区域降水时空分布不均，土层浅薄、
土壤持水性能低、缺乏植被系统的调节，加上长期强
烈的岩溶作用，形成了有别于其他地区特殊的二元
水文结构，使得水源深埋、漏失，出现了湿润季节下
特殊的干旱———岩溶干旱，目前，每年人畜饮水短缺
达 ３—４个月。 喀斯特峰丛洼地属亚热带季风气候，
降雨量丰富又加上土壤有机质含量高，众多石块和
较多的石砾上的水分源源不断的流入周围土壤之
中，虽然喀斯特脆弱生态系统整体处于干旱状态，但
土壤仍然存在着局部水分优势的环境，土壤含水量
较高，即使是干旱季节，仍保持着 １５．２６％—１８．９３％
的水平，呈中等强度变异。 ６种土地利用方式可以分
成两类：一类是水源涵养型，包括火烧、封育和刈割
除根，二类为水源消耗型，包括种植玉米、桂牧 １ 号
及刈割。
国内外许多学者应用地统计学探讨了水分的时
空变异与环境因素、土壤侵蚀过程的关系［２２］，我国
的研究主要集中在黄土高原和沙漠化地区，而南方
石漠化与北方沙漠化是制约我国西部地区可持续发
展的两大生态环境问题，水资源的合理利用非常重
要。 喀斯特峰丛洼地虽然土层浅薄、土被不连续，但
土壤水分仍具有明显的空间结构和空间连续性，空
间自相关系数在 ０．１５９—０．４６５ 之间，不同的土地利
用方式具有相似的空间自相关，自相关函数随着滞
后距离的增大由正向负转换，正负空间自相关的距
离大致反映了性质相似斑块的平均半径，坡下部土
壤含水量高，为正相关，坡中上部土壤含水量低，为
负相关，在干旱季节随着土壤含水量降低，由正向负
转化的拐点呈向坡上部移动的趋势。 不同的土地利
用方式的空间结构不同，但分别能够用高斯模型、指
数模型、球状模型进行很好的拟合，所有模型均具有
较大的块金效应，说明存在着不同程度的随机变异
和实验取样误差，较高的基台值说明土壤水分空间
结构由一些自然的固定因素控制，除火烧和刈割雨
季处于强烈的空间自相关外，其他不同土地利用方
式在不同季节均呈中等空间相关性，６种土地利用模
式的变程在 ６．８—２１３ ｍ 之间，旱季的变程有增大的
趋势。 不同的空间结构导致了不同土地利用方式下
土壤水分空间分布格局不同，但同一土地利用方式
在雨季和旱季的空间分布格局相似，火烧和刈割破
碎化程度高，斑块小，封育的土壤水分呈凹型分布，
中间低两头高，其他 ３种土地利用方法呈单峰分布，
土壤水分随海拔和坡位的增高而降低。
５１３５　 １８期 　 　 　 徐慧芳　 等：喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征 　
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６１３５ 　 生　 态　 学　 报　 　 　 ３４卷　
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７１３５　 １８期 　 　 　 徐慧芳　 等：喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征 　
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图 ３　 土壤水分 Ｋｒｉｇｉｎｇ等值线分布图
Ｆｉｇ．３　 Ｋｒｉｇｉｎｇ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ
８１３５ 　 生　 态　 学　 报　 　 　 ３４卷　
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［１４］ 　 Ｗａｎｇ Ｓ Ｊ， Ｌｉ Ｒ Ｌ， Ｓｕｎ Ｃ Ｘ， Ｚｈａｎｇ Ｄ Ｆ， Ｌｉ Ｆ Ｑ， Ｚｈｏｕ Ｄ Ｑ，
Ｘｉｏｎｇ Ｋ Ｎ， Ｚｈｏｕ Ｚ Ｆ． Ｈｏｗ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｒｏｃｋ ａｓｓｅｍｂｌａｇｅｓ
ｃｏｎｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｋａｒｓｔ ｒｏｃｋｙ ｄｅｓｅｒｔｉｆｉｅｄ ｌａｎｄ ｉｎ Ｇｕｉｚｈｏｕ
Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｐ Ｒ Ｃｈｉｎａ： Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ． Ｌａｎｄ
Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ２００４， １５（２）： １２３⁃１３１．
［１５］ 　 Ｄｕ Ｈ， Ｐｅｎｇ Ｗ Ｘ， Ｓｏｎｇ Ｔ Ｑ， Ｗａｎｇ Ｋ Ｌ， Ｚｅｎｇ Ｆ Ｐ， Ｌｕ Ｓ Ｙ， Ｓｈｉ
Ｗ Ｗ， Ｔａｎｇ Ｃ， Ｔａｎ Ｑ Ｊ． Ｐｌａｎｔ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｉｔｓ
ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｗｉｔｈ ｓｏｉｌ ｉｎ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｋａｒｓｔ ｈｉｌｌｓ，
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［１６］ 　 Ｓｏｎｇ Ｔ Ｑ， Ｐｅｎｇ Ｗ Ｘ， Ｚｅｎｇ Ｆ Ｐ， Ｗａｎｇ Ｋ Ｌ， Ｑｉｎ Ｗ Ｇ， Ｔａｎ Ｗ
Ｎ， Ｌｉｕ Ｌ， Ｄｕ Ｈ， Ｌｕ Ｓ Ｙ． Ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｆｏｒｅｓｔ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ
ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｕｌｕｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒｅ
Ｒｅｓｅｒｖｅ， Ｋａｒｓｔ ｃｌｕｓｔｅｒ⁃ｐｅａｋ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
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［１７］ 　 Ｓｏｎｇ Ｔ Ｑ， Ｐｅｎｇ Ｗ Ｘ， Ｚｅｎｇ Ｆ Ｐ， Ｗａｎｇ Ｋ Ｌ， Ｃａｏ Ｈ Ｌ， Ｌｉ Ｘ Ｋ，
Ｑｉｎ Ｗ Ｇ， Ｔａｎ Ｗ Ｎ， Ｌｉｕ Ｌ． Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ
ｂｉｏｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｏｒｅｓｔｓ ｉｎ Ｋａｒｓｔ ｃｌｕｓｔｅｒ⁃ｐｅａｋ⁃
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ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｄｒｙ ｓｅａｓｏｎ ｉｎ
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