全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员圆期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
中国景观生态学发展历程与未来研究重点 陈利顶袁李秀珍袁傅伯杰袁等 渊猿员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市景观格局演变的水环境效应研究综述 黄摇 硕袁郭青海 渊猿员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
多功能景观研究进展 汤摇 茜袁丁圣彦 渊猿员缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
空间形态受限型城市紧凑发展研究要要要以厦门岛为例 黄摇 硕袁郭青海袁等 渊猿员缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
紫金山森林公园降温效应影响因素 闫伟姣袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿员远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市公园景观空间结构对其热环境效应的影响 冯悦怡袁胡潭高袁张力小 渊猿员苑怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 韵宰粤的低丘缓坡建设开发适宜性评价要要要以云南大理白族自治州为例
刘焱序袁彭摇 建袁韩忆楠袁等 渊猿员愿愿冤
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生态安全条件下土地利用格局优化要要要以皇甫川流域为例 喻摇 锋袁李晓兵袁王摇 宏 渊猿员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎
新疆玛纳斯河流域 圆园园园要圆园员园年土地利用 辕覆盖变化及影响因素 刘金巍袁靳甜甜袁刘国华袁等 渊猿圆员员冤噎噎噎
基于 郧陨杂和 砸杂的赣江上游流域土地利用动态趋势分析 鲁燕飞袁彭摇 芳袁万摇 韵袁等 渊猿圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎
员怨缘源要圆园员园年三江平原土地利用景观格局动态变化及驱动力 刘吉平袁赵丹丹袁田学智袁等 渊猿圆猿源冤噎噎噎噎
基于斑块评价的三峡库区腹地坡耕地优化调控方法与案例研究 王永艳袁李阳兵袁邵景安袁等 渊猿圆源缘冤噎噎噎噎
贵州省山地鄄坝地系统土地利用与景观格局时空演变 李阳兵袁姚原温袁谢摇 静袁等 渊猿圆缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
中国西南地区土地覆盖情景的时空模拟 李摇 婧袁范泽孟袁岳天祥 渊猿圆远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的岷江干旱河谷景观格局梯度分析 张玲玲袁赵永华袁殷摇 莎袁等 渊猿圆苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究 赵海迪袁刘世梁袁董世魁袁等 渊猿圆愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物量 悦尧晕尧孕 空间变异特征 范夫静袁黄国勤袁宋同清袁等 渊猿圆怨猿冤噎噎噎噎噎
峡谷型喀斯特不同生态系统的土壤微生物数量及生物量特征 谭秋锦袁宋同清袁彭晚霞袁等 渊猿猿园圆冤噎噎噎噎噎
长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响 刘桂林袁张落成袁张摇 倩 渊猿猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎
基于视觉廊道的青藏铁路沿线旅游动态景观评价 张瑞英袁席建超袁姚予龙袁等 渊猿猿圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸杂与 郧陨杂的农村居民点空间变化特征与景观格局影响研究 任摇 平袁洪步庭袁刘摇 寅袁等 渊猿猿猿员冤噎噎噎
生态系统保护现状及保护等级评估要要要以江西省为例 樊乃卿袁张育新袁吕一河袁等 渊猿猿源员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
崇明东滩盐沼植被变化对滩涂湿地促淤消浪功能的影响 任璘婧袁李秀珍袁杨世伦袁等 渊猿猿缘园冤噎噎噎噎噎噎噎
基于气候尧地貌尧生态系统的景观分类体系要要要以新疆地区为例 师庆东袁王摇 智袁贺龙梅袁等 渊猿猿缘怨冤噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区景观格局演变特征要要要以陕西省延安市为例 钟莉娜袁赵文武袁吕一河袁等 渊猿猿远愿冤噎噎噎噎噎
不同干扰背景下农业景观异质性要要要以巩义市为例 张晓阳袁梁国付袁丁圣彦 渊猿猿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山西高原草地景观的数量分类与排序 张先平袁李志琴袁王孟本袁等 渊猿猿愿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山区夏季地表温度的影响因素要要要以泰山为例 孙常峰袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿猿怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素 张继光袁苏以荣袁陈洪松袁等 渊猿源园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的豫西山地丘陵地区景观异质性分析 李栋科袁丁圣彦袁梁国付袁等 渊猿源员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
桂西北喀斯特区域植被变化趋势及其对气候和地形的响应 童晓伟袁王克林袁岳跃民袁等 渊猿源圆缘冤噎噎噎噎噎噎
喀斯特与非喀斯特区域植被覆盖变化景观分析要要要以广西壮族自治区河池市为例
汪明冲袁王兮之袁梁钊雄袁等 渊猿源猿缘冤
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不同干扰背景下景观指数与物种多样性的多尺度效应要要要以巩义市为例
董翠芳袁梁国付袁丁圣彦袁等 渊猿源源源冤
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石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和全氮空间变异特征 杨摇 丹袁项文化袁方摇 晰袁等 渊猿源缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎
湘中丘陵区南酸枣阔叶林群落特征及群落更新 易摇 好袁邓湘雯袁项文化袁等 渊猿源远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸月云晕的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 张明阳袁王克林袁邓振华袁等 渊猿源苑圆冤噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿缘圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员源鄄园远
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 空间发展受限城市的厦门要要要在我国城市化进程中袁中小城市在城镇体系建设中处于中间环节袁起到了联系大城市
和小城镇的作用遥 但是袁每个城市由于发展历史尧社会经济结构尧自然地理形态等因素的不同袁都有其发展的特性袁
这些问题都必须要因地制宜地去把握遥 例如袁厦门岛相对隔离袁没有多余的发展空间袁该城市以居住功能为主袁城市
功能较为单一袁公共服务功能和商业服务功能比例较小遥 研究这样紧凑型的城市发展必须要考虑该城市结构转换
的承受力袁周边社会经济环境以及居民的生活习惯等遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 12 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.12
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国科学院西部行动计划(KZCX2鄄XB3鄄10);国家自然科学基金项目(41171187, 41201291);国家科技支撑计划课题(2010BAE00739鄄
02)
收稿日期:2013鄄10鄄28; 摇 摇 修订日期:2014鄄04鄄01
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: hbchs@ isa.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201310282597
张继光,苏以荣,陈洪松,孔祥丽,张伟,张久权,申国明.典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素.生态学报,2014,34(12):3405鄄3413.
Zhang J G, Su Y R, Chen H S, Kong X L, Zhang W, Zhang J Q, Shen G M.Research on spatial distribution and influencing factor of soil moisture in
typical depression area of karst region.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3405鄄3413.
典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素
张继光1,2,苏以荣2,3,陈洪松2,3,*,孔祥丽2,3,张摇 伟2,3,张久权1,2,申国明1
(1. 中国农业科学院烟草研究所,青岛摇 266101;2. 中国科学院亚热带农业生态研究所,长沙摇 410125;
3. 中国科学院环江喀斯特农业生态试验站,环江摇 547100)
摘要:在桂西北典型岩溶洼地的旱季和雨季,用地统计学结合 GIS方法研究了洼地表层(0—16cm)土壤水分的空间分布特征及
其影响因素。 结果表明:土壤含水量受前期降雨量的影响,且旱季土壤水分对降雨量的反应较雨季敏感。 土壤水分均呈中等变
异且变异系数随着平均含水量的增加而减少。 土壤水分的半方差参数显示土壤水分空间变异及其主导因素随旱、雨季而不同。
此外,不同取样区域及取样时段内土壤含水量高低差别明显,分布格局及空间变异程度各异,这主要与当地环境和人为因素的
综合影响有关。 旱、雨季土壤水分均与前期降雨导致的土壤平均含水量变化呈相反趋势,且不同土地利用方式下的土壤含水量
不同。 土壤含水量还与土壤有机碳含量呈显著正相关,此外,地势及裸岩率也是造成洼地土壤水分变异及其分布差异的重要因
素。 下一步应根据旱季和雨季土壤水分分布及影响因素的差异,在岩溶洼地采取有针对性地土壤水资源利用及其水分管理
策略。
关键词:岩溶洼地;土壤水分;空间分布;影响因素;旱雨季
Research on spatial distribution and influencing factor of soil moisture in typical
depression area of karst region
ZHANG Jiguang1, 2, SU Yirong2, 3, CHEN Hongsong2,3,*, KONG Xiangli2, 3, ZHANG Wei2, 3, ZHANG Jiuquan1, 2,
SHEN Guoming1
1 Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agriculture Sciences, Qingdao 266101, China
2 Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China
3 Huanjiang Experimental Station of Karst Ecosystem, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang 547100, China
Abstract: 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鄄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鄄
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
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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忆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鄄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.
Key Words: karst depression area; soil moisture content; spatial distribution; influencing factor; dry and rainy season
摇 摇 随着地理信息系统(GIS)在土壤学上的广泛应
用以及地统计学理论与方法的不断发展,两者的结
合已经成为研究土壤特性空间变异及其空间分布的
最重要工具。 当前,国内外许多学者利用该方法在
土壤水分空间变异方面进行了大量研究, Jacques
等[1]研究了田块尺度上由降雨、土层深度、植被和地
形等相互作用产生的土壤含水量的时空变异特性,
Brocca等[2]研究了小流域不同时空尺度上土壤水分
的空间变异及其时间稳定性特征,王军等[3]在黄土
高原大南沟小流域研究了土壤水分空间结构及其季
节变化特征,揭示了该尺度下土壤水分的时空变异
规律。 马风云等[4]研究了沙坡头人工固沙植被土壤
水分的空间异质性。 李元寿等[5]研究了青藏高原高
寒草甸覆盖区域浅层剖面土壤水分的空间异质性特
征。 在土壤水分空间异质性的影响因素方面,Yoo
等[6]评价了不同影响因素(地形、土壤、植被等)对田
间土壤水分时空变异的相对重要性。 G俟ntner 等[7]
认为地形、土壤、植被和土地利用等景观特征的空间
变异解释了土壤水分等水文状态变量的空间分布格
局。 姚雪玲等[8]探讨了黄土高原坡面尺度地形、植
被和雨季对土壤水分空间分布的影响,认为地形对
土壤水分的影响易被植被类型的影响所掩盖。 可
见,土壤水分的时空变异并非受单一因素影响,而是
多重尺度上地形、土壤、土地利用(植被)、气象等多
因子综合作用的结果[9]。 后续研究还要在此基础
上,进一步加强对不同环境和尺度下土壤水分的空
间变异特征、生态过程及其影响因素的综合理解。
岩溶地区通常被视为一种同沙漠边缘一样的脆
弱环境,中国西南地区岩溶面积超过 50万 km2,人口
超过 1亿,是全球三大岩溶集中分布连片面积最大、
岩溶发育最强烈的典型生态脆弱区,该地区以农业
为主,人地矛盾突出,水土流失和石漠化极为严
重[10]。 特别是峰丛洼地地区以二元空间结构为基
本构造特征,土壤成土速度慢,土层浅薄且很不连
续,土壤总量少、储水能力低及岩石渗漏性强等原因
易造成岩溶干旱严重,土壤水分亏缺成为该地区植
被恢复重建和水土资源利用的主要制约因子[11]。
土壤水分对于岩溶峰丛洼地生态系统中植被生长、
植被恢复、水热平衡及系统稳定性起着决定作用,在
岩溶生态系统的演化与重建过程中具有重要意
义[12]。 但由于地形地貌复杂、小生境类型多样、环
境异质性大等一系列原因,在岩溶地区有关水分变
异的量化研究相对较少且多集中在田块尺度
上[11鄄14],特别缺乏关于该地区洼地景观尺度上,土壤
水分时空分布及其影响因素方面的系统研究和
探讨。
本文针对岩溶地区特殊的地形地貌和土壤特
征,在岩溶典型景观单元鄄峰丛洼地中,利用实测数
据分析典型旱季和雨季洼地土壤水分的时空变异特
征及其分布格局,并探讨影响土壤水分变异的环境
因素和过程,这不仅有助于阐明岩溶退化生态系统
的水文生态效应及其调控机理,而且可以为当地水
资源的合理利用及植被恢复的优化配置提供理论和
实践指导。
6043 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
研究区位于广西环江毛南族自治县的下南乡古
周村(107毅55忆 E,24毅50忆 N),属典型的岩溶峰丛洼
地,亚热带湿润性季风气候区。 研究区内最低点海
拔为 376 m,与最高点海拔相差 440 m。 年平均气温
19.9 益,太阳总辐射量 3 344—4 134 MJ / m2,年平均
降雨量 1 389.1 mm,降水丰富但季节分配不均,雨季
平均开始于 4月下旬,结束于 8 月底或 9 月初,平均
持续时间 130—140 d;9 月底至次年 3 月为旱季,各
月份的平均降水量在 90 mm以下,常受到干旱威胁。
研究区土地总面积 186. 7 hm2,其中耕地 17. 3
hm2,主要分布在洼地中,土层浅薄且土被很不连续。
其余以山地为主,其中 25毅以上坡地占坡地面积的
80%以上,山地植被退化严重,森林覆盖率仅有
13%,研究区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
荒草丛群落和次生灌木群落为主,多为喜钙、耐旱、
耐瘠的先锋树种和草类。 草丛主要有白茅( Imperata
cylindrica)、类芦 ( Neyraudia reynaudiana)、五节芒
(Miscanthus floridulus ) 等; 灌 丛 以 灰 毛 浆 果 楝
(Cipadessa cinerascens)、盐肤木(Rhus chinensis)、聚
果羊蹄甲(Bauhinia brachycarpa Wall. ex Benth. var.
cavaleriei)等为主。
研究区以雨养旱作农业为主,有较长耕作历史,
1996年以前洼地土地利用方式单一,为玉米鄄大豆轮
作。 之后该区域作为生态移民示范区,实施生态移
民和“退耕还林还草冶示范工程,土地利用改变为玉
米、牧草、板栗鄄木豆人工林、大豆、果园等多种利用
方式,其中玉米、牧草及大豆地主要分布在洼地中
部,果园、人工林及撂荒地主要分布在洼地边缘及坡
脚。 表 1 为研究区洼地中表层土壤的基本理化
性状。
表 1摇 洼地表层土壤的基本理化性状
Table 1摇 The physical and chemical properties of surface soil in depression areas
有机碳
SOC /
(g / kg)
pH
容重
Soil bulk
density /
(g / cm3)
全氮
Total
nitrogen /
(g / kg)
全磷
Total
phosphorus /
(g / kg)
全钾
Total
potassium /
(g / kg)
机械组成 Mechanical composition / %
>0.05mm 0.05—0.005mm <0.005mm
14.35依4.68 6.76依0.28 1.26依0.07 1.84依0.56 0.98依0.26 8.90依2.55 29.07依10.1 38.06依9.12 32.87依6.10
1.2摇 样点设置及水分测定
在洼地样区内(200m伊600m)以 20m伊20m 的间
隔,通过测绳结合 GPS 定位确定每个采样点并获得
地理坐标,定位样点经 Arcinfo 投影转换生成以米
(m)为单位的平面坐标 (投影类型为 Transverse
Mercator,central meridian: 111毅 00忆00义)。 最后生成
相应的样点分布图(图 1),洼地样区中共设样点 341
个,在每个样点利用 TDR( TRIME鄄EZ,德国)测定
0—16cm的土壤体积含水量,并详细记录样点的土
地利用方式、植被类型、海拔高度及裸岩率等环境信
息。 其中地势采用相对高程来表示,即采样点与洼
地最低点的海拔高度差。 裸岩率采用取样点周围
2 m范围内的岩石出露面积比率表示。 共分 4 次在
研究区的典型旱季(2005鄄01鄄24,2005鄄03鄄11)和雨季
(2005鄄07鄄29,2005鄄08鄄30)时期测定洼地样区内的土
壤水分含量,每次测定均在 1d内完成。 图 1摇 岩溶洼地土壤水分取样分布图
Fig.1摇 Map of sampling spots on the karst depression
7043摇 12期 摇 摇 摇 张继光摇 等:典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素 摇
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1.3摇 数据处理
数据的分析主要采用域法(均值依3 倍标准差)
处理特异值,土壤水分的空间变异研究主要采用地
统计学方法[3,15]。 统计特征计算、相关分析及多重
比较等均在 SPSS15.0 中实现,利用 Arcgis9. 0 中的
Spatial Analysis 进行数据的空间结构分析并绘制空
间分布图。
2摇 结果与分析
2.1摇 土壤水分的统计特征
表 2为 4个取样时段洼地土壤水分的统计特征
值,2005鄄 01鄄 24 和 2005鄄 03鄄 11 对应当地旱季时期,
2005鄄07鄄29和 2005鄄08鄄 30 对应雨季时期,前期降雨
量数据为测定之前 10d内的累计降雨量。 从表中可
以看出,旱季时期测定的两次土壤水分均值分别为
27郾 44%和 21.78%,而雨季时期两次测定的土壤水分
均值分别是 21.67%和 28.79%,不同季节土壤水分含
量明显受前期降雨量的影响,且旱季土壤水分对降
雨量的响应较雨季敏感。 从 4 次测定数据的变异系
数来看,旱季和雨季时期土壤水分均呈中等变异特
征 ( 10% < CV% < 100%), 采用偏度、 峰度结合
Kolmogorov鄄Smirnov(K鄄S)正态分布检验概率进行检
验,表明在 95%的显著水平上 4 次测定的土壤含水
量均服从正态分布,不必进行数据转换,可直接进行
地统计学分析。
表 2摇 洼地土壤水分的描述统计特征
Table 2摇 Statistical parameters of soil moisture in depression area
采样时间
Sampling time
前期降雨量
Antecedent
rainfall / mm
均值
Mean / %
最小值
Minimun / %
最大值
Maximun / %
标准差
SD / %
变异系数
CV / %
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
K鄄S概率
Value of
K鄄S test
2005鄄01鄄24 29.1 27.44 38.0 15.8 4.28 15.60 -0.094 -0.568 0.426
2005鄄03鄄11 8.2 21.78 35.2 11.7 4.22 19.37 0.361 -0.122 0.254
2005鄄07鄄29 29.2 21.67 30.3 10.5 3.38 15.60 -0.233 0.121 0.744
2005鄄08鄄30 90.9 28.79 38.8 17.4 3.77 13.11 -0.362 0.299 0.094
2.2摇 土壤水分的空间结构
表 3和图 2显示了 4次取样土壤水分的半方差
特征参数及半方差图,旱季和雨季土壤水分变异函
数的最优拟合模型均为指数模型。 其中旱季时期,
2005鄄03鄄11土壤水分的块金值较 2005鄄01鄄24的明显
增加,块金值增加主要受人为因素(土地翻耕)的影
响,造成了土壤水分在小于采样尺度 20 m时的内部
变异增加。 土壤水分的基台值在雨季整体较旱季明
显变小,主要原因是雨季一般降雨频繁且降雨强度
较大,降雨之后表层土壤水分的异质性差异得到一
定平滑,土壤水分的空间异质性变小。 Fitzjohn 等[16]
的研究也认为降雨之后,土壤平均含水量迅速升高
后,空间变异会随之降低。
表 3摇 洼地土壤水分空间变异半方差特征参数
Table 3摇 Parameters of semi鄄variogram theoritical models for soil moisture in depression area
日期
Sampling time
平均含水量
Mean / %
块金值
Nugget
C0
基台值
Sill
C0+ C
块金值 /
基台值
C0 / C0+ C
/ %
变 程
Range
/ m
模型
Model R
2 RSS
旱季 2005鄄01鄄24 27.44 0.79 17.54 4.50 41.4 Exponential 0.809 1.62
Dry season 2005鄄03鄄11 21.78 1.19 17.50 6.80 48.3 Exponential 0.688 4.79
雨季 2005鄄07鄄29 21.67 0.47 11.28 4.17 23.1 Exponential 0.136 1.37
Rainy season 2005鄄08鄄30 28.79 4.52 11.45 39.48 97.5 Exponential 0.839 1.63
摇 摇 变程反映洼地土壤水分空间变异的主要生态过
程和作用的变化。 旱季和雨季土壤水分的变程明显
不同,在旱季,平均含水量较低时(2005鄄 03鄄 11)变程
较大,这表示在旱季较干旱情况下,土壤含水量整体
8043 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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较低且不同样点的含水量差异减弱,使得区域内土
壤水分的均匀性增强,变程增加;而雨季,在平均含
水量较高时变程明显增大(2005鄄 08鄄 30),这意味着
受降雨的影响,洼地不同土地利用下土壤含水量差
异减小且水分分布的均一性增强,整体分布趋于简
单化。 这与 Western等[15]人认为降雨过后由于土壤
饱和区域的扩张等会造成土壤水分的变程增加相一
致。 从块金与基台值的比值可以看出,雨季的 2005鄄
08鄄30土壤水分呈中等的空间相关性(25%<块金 /基
台<75%),反映出由随机部分引起的空间异质性起
重要作用,而且主要表现在 20 m 以内的取样尺度
上。 其余 3次取样土壤水分均具强烈的空间相关性
(块金 /基台<25%),说明随机因素对土壤水分的影
响较小,其空间变异主要是由地形地貌、土地利用、
植被等自然因素的空间自相关部分引起。
图 2摇 洼地典型旱、雨季土壤水分的半方差图
Fig.2摇 Semi鄄variograms of the soil moisture during dry and rainy seasons in the depression area
2.3摇 土壤水分的空间分布格局
在洼地土壤水分空间结构分析基础上,考虑土
壤水分的趋势效应和各向异性后,选择普通克立格
法,进行研究区土壤水分的空间分布制图。
从图 3看出,洼地土壤水分均呈不规则的斑块
或条带状分布,含水量高低差别明显,季节变化及空
间变异程度各异。 其中在旱季,两次测定的土壤水
分具有较一致的空间分布格局,斑块的破碎度均较
大,表明其空间连续性较差,研究区内含水量东西向
差异较大,南北向差异相对较小,是土壤水分各向异
性在空间分布图上的直观表现。 含水量低值区主要
分布在研究区西南角和东北角,西南角主要是一侧
峰丛的延伸地带,地势较高且坡度较大,主要为耕地
和人工林地,人为活动强烈且植被盖度较低,地势和
土地利用两者的交互效应造成了该区域含水量最
低。 在洼地东北角,是玉米及牧草地,水分蒸散量较
大,该区域的含水量也较低。 在雨季时期,洼地样区
内土壤水分的斑块数减少,土壤水分分布的复杂程
度变小,表明其空间异质性有所降低。 土壤水分同
样呈西南端低东北端高的趋势,显然地势的差异对
土壤水分变化具有重要影响。 在雨季降水较少条件
下(2005鄄07鄄29),土壤含水量的空间分布呈条带状;
在降水较多时(2005鄄 08鄄 30),地势较高的西南端易
产生地表径流,不利于土壤水分的蓄积和入渗,使得
该区域土壤含水量较低;而洼地东北端,处在两侧山
坡的沟谷中且石丛分布较多,是地表径流的汇集区,
土壤含水量则相对较高。
2.4摇 土壤水分变异的影响因素
2.4.1摇 前期降雨量的影响
表层土壤水分的空间变异及其分布格局受气候
因素驱动,特别是前期降雨量在影响土壤水分变异
的自然因素中占据十分重要的作用。 但降雨对土壤
水分变异存在滞后效应,其随着降雨量增加而降低,
随着作物根系吸收及地下水位高度而降低[17]。 在
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洼地单元上,旱季和雨季土壤平均含水量主要受前
期降雨量的影响,两者存在一致的变化趋势(表 1),
而土壤平均含水量与变异系数的大小呈相反变化趋
势。 在旱季,前期降雨量少的 2005鄄 03鄄 11,土壤平均
含水量较低(21.78%),变异程度较大;而在降雨量
较多的 2005鄄 03鄄 11,土壤平均含水量相对较高
(27郾 44%),变异程度较小。 在雨季也具有相一致的
变化趋势。 由于前期降雨量导致的土壤水分变异,
显示出较强降雨引起的土壤侧向流及其水分再分配
在土壤水分空间变异中的重要性[18]。 因此,前期降
雨量对研究区土壤水分变异具有重要影响,两者在
一定程度上可能呈负相关关系,这与国内外许多研
究结果相一致[3,14,19]。
图 3摇 洼地土壤水分在旱季和雨季的空间分布图
Fig.3摇 Spatial distribution maps of the soil moisture during dry and rainy seasons in the depression area
2.4.2摇 土地利用方式的影响
土地利用方式与土地覆被类型,都可以通过改
变土壤的性质和植被对地表的覆盖从而影响土壤水
分含量及其变异[20鄄21]。 土地利用通过影响水分入
渗、地面径流和蒸散等过程,从而在土壤水分空间分
布中产生重要影响,特别是在植被生长季节,这种影
响更为显著[22]。 不同植被的蒸腾耗水、林冠的保护
和根系深度使得不同土壤层次的蒸发及水分吸收不
同,也会造成了水分含量的差异性[3]。 此外,植被盖
度变化能对降雨前的水分分布产生均一效应,减少
了降雨对土壤水分地形再分配的可能性[23],从而影
响土壤水分变异。
通过对洼地不同利用方式下土壤水分含量的比
较发现(表 4),在旱季,玉米地的含水量最低,大豆
地次之,但两者无显著差异。 农作地土壤含水量低
主要是由于耕作频繁、植被盖度小和蒸发强烈等因
素造成;含水量较高的是果园地和撂荒地,且两者差
异也不显著。 撂荒地由于受扰动较少,植被覆盖度
0143 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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大等造成土壤水分较高,而果园地主要由于种植区
土层相对深厚,裸岩较少,并且受到良好的经营管理
所致。 而雨季,在较干旱情况下(2005鄄 07鄄 29),所有
土地利用方式下的土壤含水量均较低,且彼此间差
异不显著;在较湿润条件下(2005鄄 08鄄 30),以果园地
和撂荒地的含水量较高,其次是牧草地,这主要是由
于几种土地利用方式下的土壤特征及较大的植被盖
度使得表层蓄水增加,蒸发能力减弱,造成土壤含水
量较高。 而分布在坡脚的人工林地,由于叶冠盖度
小,土层浅薄且岩石裸露率高,使得地表蒸发强烈,
导致土壤含水量较低。 可见,洼地不同土地利用方
式下的土壤水分具有明显差异,主要与植被盖度及
其蒸发蒸腾能力不同有关。
表 4摇 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 / %
Table 4摇 The soil moisture in different land use type during dry and rainy seasons in depression areas
取样日期
Sampling time
土地利用方式 Land use type
玉米地
Corn field
牧草地
Grazing
field
人工林地
Rehabilitated
field
大豆地
Soybean
field
果园地
Orchard
field
撂荒地
Abandoned
field
F
旱季 Dry season 2005鄄01鄄24 25.46c 30.31ab 28.74b 27.81bc 32.36a 29.30ab 23.85
2005鄄03鄄11 20.56b 23.54ab 23.52ab 21.04b 25.86a 26.72a 11.44
雨季 Rainy season 2005鄄07鄄29 21.52a 22.23a 21.04a 21.00a 23.77a 21.53a 5.19
2005鄄08鄄30 28.39c 29.98bc 28.61c 26.88c 32.56ab 33.22a 8.71
摇 摇 每行均值中小写字母不同表示土地利用类型间差异显著(P<0.05)
2.4.3摇 微地貌及有机质的影响
从表 5可以看出,地势和裸岩率均对洼地土壤
水分具有一定影响,地势与土壤水分呈负相关,其中
在旱季土壤平均含水量较高时相关性不显著,在平
均含水量较低时两者呈显著负相关;而在雨季含水
量较高时,土壤水分与地势呈显著负相关,在含水量
较低时则相关性不显著。 其原因可能是,降雨量的
多少直接导致了地势在土壤水分分布及含量异质性
上的贡献率不同。 旱季干旱条件及雨季较湿润条件
下,地势对土壤水分的影响凸现,地势较高区域由于
土壤水分的保蓄能力较弱,容易产生地表径流及地
面蒸发能力较强等导致土壤含水量较低。 土壤水分
与裸岩率呈正相关,但仅在旱季较干旱时(2005鄄 03鄄
11)土壤水分与裸岩率的相关性显著,而在旱季湿润
条件及雨季时两者的相关不显著。 在碳酸盐岩的差
异溶蚀和土壤丧失的作用下,岩溶生态系统的土壤
逐渐向裂隙和低洼部位退缩,从而使得裸岩裂隙部
位土层相对较厚,而且裸岩率越高,土壤就越深陷裂
隙中,这增加了土壤水分的汇聚并减少了蒸发,使得
附近样点的含水量较他处高,这在一定程度上解释
了裸岩率与土壤水分的正相关关系。 但由于岩石对
土壤水分的作用比较复杂,可以通过影响近地面的
蒸发、降雨分布、土壤水分入渗及再分布等过程而影
响土壤水分,这些过程受裸岩大小、降雨多少、日照
强度及与石块距离远近等一系列因素控制[24],其最
终对土壤水分的影响过程和强度还需要进一步
研究。
土壤有机质含量对土壤水分具有重要影响, 特
别是在低肥力土壤中,增施有机肥后土壤水肥效应
增加最为显著[25]。 水稻土的田间持水量和有效水
含量与土壤有机质、结构系数、团聚度呈极显著的线
性正相关[26]。 并且在植被的不同演替阶段,土壤表
层的物理性质有改善趋势,伴随正向演替进行,土壤
有机质及土壤含水量则不断增加[27]。 在岩溶地区
不同土地利用下土壤水分的特性差异研究表明,山
地土壤的持水性能主要与有机质含量和大于 0.25
mm的水稳性团聚体有关,二者的效应大于粘粒对水
分的效应[28]。 本研究中,旱季及雨季土壤水分与土
壤有机碳含量存在显著的正相关关系,特别是在旱
季较干旱条件下时,两者呈极显著正相关,显示土壤
有机质对土壤水分具有较强的保蓄能力。 这从另一
方面说明了采取增加土壤有机质含量的各项农艺及
工程措施,对于提高岩溶区土壤的持水和蓄水能力,
缓解当地旱季多发的旱灾具有重要指导意义。
总之,土壤水分空间变异受多种因素的共同影
响,这种变异在不同尺度上和环境属性的关系是不
断变化的,在一些情况下相关性很显著,另外的情况
则不然,这可能是由于研究区的气候、地形、土壤、植
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被以及取样的情况不同而造成的[22]。 因此在土壤
水分变异研究中,特别是在地貌复杂的岩溶区域,土
壤的水分退化是土壤退化的一个关键过程和因
素[29鄄30]。 应进一步研究土壤水分的时空分布以及由
此导致的土壤侵蚀等生态过程变异及调控机制,针
对当地特定的气候、土壤、植被和地形地貌等条件,
综合考虑影响土壤水分变异的各种因素,并在此基
础上,对岩溶区水土资源有效利用及植被的优化配
置进行科学规划和指导。
表 5摇 旱雨季洼地土壤水分与微地貌及有机质的相关关系
Table 5摇 Correlations between soil moisture and micro鄄physiognomy, SOC during dry and rainy seasons in depression areas
地势
Hypsography
裸岩率
Bare鄄rock ratio
有机碳含量
SOC
旱季 Dry season 2005鄄01鄄24 -0.064 0.088 0.108*
2005鄄03鄄11 -0.117* 0.108* 0.301**
雨季 Rainy season 2005鄄07鄄29 -0.056 0.078 0.116*
2005鄄08鄄30 -0.135* 0.044 0.129*
摇 摇 *表示在 0.05水平上显著相关;**表示在 0.01水平上显著相关
3摇 结论
(1) 在典型岩溶洼地单元,通过在典型旱季和
雨季时期的 4 次密集采样,用地统计学和 GIS 方法
分析了表层土壤水分的空间分布特征及其影响因
素。 研究结果显示,在旱季和雨季时期的 4 次取样
中,土壤水分均呈中等变异特征。
(2) 旱季和雨季土壤水分的半方差函数模型均
为指数模型,旱季和雨季的土壤水分分布特征不同,
旱季时呈明显的斑块状分布,雨季时则呈条带状,半
方差参数及空间分布的差异显示出旱季及雨季土壤
水分空间变异及其主导因素的不同。
(3) 土壤水分变异主要受环境和人为因素的综
合影响,旱季及雨季土壤水分均与前期降雨量导致
的土壤平均含水量变化呈相反趋势,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
与有机质含量呈显著正相关,地势及裸岩率也是造
成岩溶洼地土壤水分变异及其分布差异的重要
因素。
(4) 鉴于岩溶区土壤水分变异的复杂性,开展
典型旱季和雨季洼地土壤水分空间分布及其影响因
素的差异研究,不仅有助于加强对岩溶区土壤水分
变异特征、相关水文过程及其影响因素的综合理解,
而且为该地区土壤水资源合理利用及植被恢复管理
提供理论及实践指导。
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3143摇 12期 摇 摇 摇 张继光摇 等:典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素 摇
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月燥则燥怎早澡 蚤灶 再怎灶灶葬灶袁 悦澡蚤灶葬 蕴陨哉 再葬灶曾怎袁 孕耘晕郧 允蚤葬灶袁 匀粤晕 再蚤灶葬灶袁 藻贼 葬造 渊猿员愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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再哉 云藻灶早袁 蕴陨 载蚤葬燥遭蚤灶早袁 宰粤晕郧 匀燥灶早 渊猿员怨愿冤
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蕴陨哉 允蚤灶憎藻蚤袁 允陨晕 栽蚤葬灶贼蚤葬灶袁 蕴陨哉 郧怎燥澡怎葬袁 藻贼 葬造 渊猿圆员员冤
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蕴陨哉 允蚤责蚤灶早袁 在匀粤韵 阅葬灶凿葬灶袁 栽陨粤晕 载怎藻扎澡蚤袁 藻贼 葬造 渊猿圆猿源冤
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藻增藻则早则藻藻灶 遭则燥葬凿造藻葬增藻凿 枣燥则藻泽贼 再粤晕郧 阅葬灶袁 载陨粤晕郧 宰藻灶澡怎葬袁 云粤晕郧 载蚤袁 藻贼 葬造 渊猿源缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
栽澡藻 糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽 葬灶凿 则藻早藻灶藻则葬贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 悦澡燥藻则燥泽责燥灶凿蚤葬泽 葬曾蚤造造葬则蚤藻泽 遭则燥葬凿鄄造藻葬增藻凿 糟燥皂皂怎灶蚤贼赠 蚤灶 贼澡藻 澡蚤造造赠 则藻早蚤燥灶 燥枣 糟藻灶贼则葬造 匀怎灶葬灶
孕则燥增蚤灶糟藻袁 悦澡蚤灶葬 再陨 匀葬燥袁 阅耘晕郧 载蚤葬灶早憎藻灶袁 载陨粤晕郧 宰藻灶澡怎葬袁 藻贼 葬造 渊猿源远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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遭葬泽藻凿 燥灶 则葬凿蚤葬造 遭葬泽蚤泽 枣怎灶糟贼蚤燥灶 灶藻贼憎燥则噪 皂燥凿藻造 在匀粤晕郧 酝蚤灶早赠葬灶早袁 宰粤晕郧 运藻造蚤灶袁阅耘晕郧 在澡藻灶澡怎葬袁 藻贼 葬造 渊猿源苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎
园愿源猿 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
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迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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第 猿源卷摇 第 员圆期摇 渊圆园员源年 远月冤
粤悦栽粤 耘悦韵蕴韵郧陨悦粤 杂陨晕陨悦粤摇渊杂藻皂蚤皂燥灶贼澡造赠袁杂贼葬则贼藻凿 蚤灶 员怨愿员冤摇灾燥造郾 猿源摇 晕燥郾 员圆 渊允怎灶藻袁 圆园员源冤
编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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