巖溶高原地區(qū)小流域土壤厚度的空間變異特征

尹亮，崔明，周金星，李忠武，黃斌，方健梅

(1.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，100091，北京;2.湖南大學環(huán)境科學與工程學院，410082，長沙)

喀斯特石漠化是制約我國西南巖溶地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要障礙因子之一，由于特殊的氣候條件和長期的巖溶作用，使得該地區(qū)成土速度緩慢，土層極薄，土地存在嚴重的不連續(xù)性和非均質(zhì)性［1］。土壤厚度指土壤表面到土壤母質(zhì)層的垂直深度［2］，可以表征土壤空間的大小、養(yǎng)分儲量及水分差異，直接影響植被的生長［3］，是度量水土流失的典型指標之一，特別是對于土層淺薄的喀斯特地區(qū)，在很大程度上反映了土壤侵蝕的現(xiàn)狀和結(jié)果［4］。土壤厚度作為研究土壤退化程度以及進行土地生產(chǎn)力水平評價過程中的一個重要指標，近年來已經(jīng)受到不少學者的關(guān)注。王紹強等［5］在地理信息系統(tǒng)的支持下通過地統(tǒng)計學手段，進行了全國范圍內(nèi)土壤厚度大尺度空間變異規(guī)律的研究。劉憲春等［6］使用統(tǒng)計學和地理信息技術(shù)，通過野外調(diào)查采樣，從多個角度探討了黑土區(qū)的土體厚度、土層厚度等土壤物理指標的變化特征。曾憲勤等［7］采用抽樣調(diào)查等手段，對我國北方石質(zhì)山地土壤厚度的分布特點進行了描述，并對其影響因素作了較為細致的分析。周運超等［8］通過野外調(diào)查等手段，研究了樵采和開墾2種石漠化過程中土壤的分布情況。嚴冬春等［9］通過引入破碎度、離散度等指標給出了一種巖溶地區(qū)坡地土壤分布的調(diào)查與表述方法，從地表石質(zhì)面積分布比例等方面進行了表述。李豪等［10］通過原子示蹤法對巖溶坡地土壤分布特點進行了研究，發(fā)現(xiàn)巖溶地區(qū)土壤流失量的測定無法通過現(xiàn)行的137Cs示蹤方法實現(xiàn)。這些工作為土壤厚度空間變異研究打下了一定的基礎(chǔ)，加強了人們對土壤厚度空間變異產(chǎn)生的自然過程的綜合理解;但有關(guān)土壤厚度空間變異特征及其影響因素方面的研究仍然不夠深入，有必要選擇典型的研究區(qū)域進行更深入的研究。

當前，有關(guān)土壤厚度空間變異方面的研究主要集中在平原地區(qū)或北方石質(zhì)山區(qū)。在生態(tài)環(huán)境脆弱、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復雜的巖溶高原地區(qū)，雖然土壤厚度及其空間分布嚴重影響地表生態(tài)過程，但在該地區(qū)有關(guān)土壤厚度空間變異的量化研究仍較少［8-10］，缺乏土壤厚度空間變異及其分布等方面的系統(tǒng)研究。筆者以貴州省巖溶高原石漠化區(qū)典型小流域為研究對象，采用地統(tǒng)計學研究方法，探討了巖溶高原石漠化地區(qū)土壤厚度的空間異質(zhì)性及其分布規(guī)律，將有助于進一步理解巖溶高原地區(qū)土壤厚度變異的自然過程和影響因素，為巖溶高原區(qū)土地生產(chǎn)力評價和退化生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)置在貴州省金沙縣的烏箐河小流域(圖1)，屬于典型的巖溶高原區(qū)。烏箐河小流域?qū)儆跒踅?，面積2 188.66 hm2，地勢東高西低。地貌以山地為主，坡度較陡;年均溫15.1℃，年均降水量1 032.6 mm，但時空分布不均，5—10月降水量占全年總降水量的80%。土壤以黃棕壤為主，插花分布部分石灰土，土壤結(jié)構(gòu)不良，質(zhì)地黏重，缺乏團粒結(jié)構(gòu)，呈微酸性。森林覆蓋率為24.88%，耕地面積1 161.84 hm2。小流域全部為巖溶面積，石漠化面積1 077.99 hm2，石漠化面積中以輕度為主，輕度、中度、強度石漠化面積分別占石漠化面積的76.26%、21.39%和2.35%。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig．1 Location map of the study areas

2 研究方法

2.1 樣點布設(shè)與采樣方法

本研究采用抽樣調(diào)查法。首先根據(jù)烏箐河小流域石漠化分布圖獲取小流域內(nèi)石漠化分布情況，然后結(jié)合流域土地利用圖，在室內(nèi)進行預布點。選擇具有典型土地利用方式和不同石漠化程度的代表性樣地共22塊，作為本研究的采樣單元。將22塊樣地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行匯總、對比和分析，根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)，按照坡耕地、人工林和荒山3種典型土地利用方式(占土地總面積約82%)，抽選出9塊樣地作為本研究的數(shù)據(jù)來源(表1)。其中坡耕地種植作物為玉米(Zea mays L)，年均產(chǎn)量為4.2 t/hm2左右，采樣時已經(jīng)收割完畢。意大利楊(Populus euramevicana)樹林為退耕還林工程中營造的人工林，行間距4 m×5 m，樹高4～11 m不等，平均胸徑約4.3 cm?；纳綆r石裸露率較高，土壤多分布在石溝石坑中，植被為亞熱帶落葉闊葉林，林下灌木層發(fā)育良好?？紤]到數(shù)據(jù)的代表性和隨機性，在各樣地內(nèi)，分別選擇微地貌相對一致的區(qū)域，設(shè)置大小均為20 m×20 m的樣地，結(jié)合樣地實地情況，并保證對調(diào)查樣地土壤厚度的充分表達，本研究以4 m×1 m的網(wǎng)格進行布點(圖2)。在每個樣點以倒三角方式平行測3個值，根據(jù)3個點的厚度變異情況，判定取平均值作為該樣點的土壤厚度值比較合理，從而使調(diào)查土壤厚度更具代表性。2010年10月采用鋼釬法進行土壤厚度實地測量。共采集土壤厚度數(shù)據(jù)2 160個，并記錄各樣地的地貌特征、植被蓋度、GPS坐標等基本信息。為保證穿透性，本研究特制長120 cm、直徑0.8 cm尖端經(jīng)過打磨的鋼釬。測量時保證垂直插入土壤，記錄沒入土壤中鋼釬的長度，即土壤厚度。由于石漠化地區(qū)土層較薄，鋼釬法測量土壤厚度既能滿足實驗精度要求，又能保證實驗的快捷順利進行。

表1 樣地信息調(diào)查表Tab．1 Information of sample plots

數(shù)據(jù)處理采用域法識別特異值，即樣本均值加減3倍標準差，在此區(qū)間外的數(shù)據(jù)分別用正常的最大值和最小值代替，后續(xù)計算均采用處理后的原始數(shù)據(jù)［8］。土壤厚度的空間變異性采用地統(tǒng)計學方法進行分析，其中半變異函數(shù)的計算和空間插值作圖分別采用GS+v9地統(tǒng)計軟件和Surfer 6.0軟件進行，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS11.5分析軟件。

2.2 土壤厚度的地統(tǒng)計學分析

圖2 小樣地采樣點分布圖Fig．2 Distribution of soil thickness sampling sites

研究區(qū)域內(nèi)各樣地不同空間位置上的土壤厚度與采樣點的空間分布有關(guān)。它既具有隨機性又具有結(jié)構(gòu)性，是空間距離的函數(shù);因此，所有空間距離上土壤厚度的空間變異特征可以用半變異函數(shù)進行描述［11-13］。

式中:r(h)為半方差;N(h)為間隔距離等于h時的樣點對數(shù);Z(xi)為樣點Z在位置xi的實測值;Z(xi+h)為與xi距離為h處樣點的值。

根據(jù)測量值計算3種土地利用類型下各樣地土壤厚度的半變異函數(shù)，并進行半變異函數(shù)理論模型的最優(yōu)擬合。本研究中土壤厚度半變異函數(shù)的最優(yōu)理論模型是指數(shù)模型，其數(shù)學表達式為

式中:C0為塊金值;C0+C為基臺值;h為滯后距離;a為變程，一般來說，指數(shù)模型很難表現(xiàn)出有限變程，在應用的過程中一般采用 3a 表示［11，13-14］。

本研究對土壤厚度的無偏最優(yōu)估計采用點狀克里格插值法。在區(qū)域內(nèi)，變量在位置x0處的估計值為Z(x0)，其周圍相關(guān)距離內(nèi)的測定值為Z(xi)(i=1，2，…，n)，則變量在位置 x0處的估計值可用 Z(xi)的線性組合表示，即

式中λi為已測量點上的權(quán)系數(shù)。

為了得到較合理的理論半變異函數(shù)的最優(yōu)擬合模型和實現(xiàn)變量在位置x0處的最優(yōu)估計，通過對推算結(jié)果的無偏性和一致性來檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤厚度的統(tǒng)計特征

根據(jù)以往的研究［13］及野外實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤主要分布在石溝、土面、石坑中，土層很薄，空間分布極為不均。對9塊樣地2 160個土壤厚度數(shù)據(jù)的計算與統(tǒng)計可以看出，土壤平均厚度僅為29.20 cm。從圖3中可以看出，土壤厚度主要集中在10～35 cm，占總數(shù)的41.1%，厚度小于10 cm的樣點占總數(shù)的29.4%，30 cm以下的占61.8%。從樣地土壤厚度分布圖(圖4)可以看出，坡耕地的土壤厚度最大，荒山次之，林地最薄。

圖3 土壤厚度累計比例Fig．3 Accumulative perception of soil thickness

圖4 各樣地土壤厚度分布圖Fig．4 Distribution of soil thickness in all plots

從土壤厚度的描述統(tǒng)計學特征看(表2)，各樣地土壤厚度均值分布在8.96～45.33 cm之間，標準差偏大，反映出數(shù)據(jù)的均一程度不高，體現(xiàn)了喀斯特地區(qū)土壤厚度波動較大的特點。3種土地利用類型的樣地中土壤厚度的變異系數(shù)除個別樣地大于1外，其余均介于0.1～1之間，即該地區(qū)土壤厚度總體呈現(xiàn)中等強度變異，個別樣地呈強度變異［15］。其中坡耕地的變異程度相對較小，且平均厚度遠大于荒山和林地，這主要是受地形因子的影響，在石漠化地區(qū)為了耕種和運輸方便，人們開墾的坡耕地多分布在山腳下或中坡位一些地勢相對平緩的地帶。土壤發(fā)生學理論指出，土壤的發(fā)育與形成受氣候、生物、地形、母質(zhì)，成土時間以及人類活動的影響，在大尺度范圍內(nèi)氣候因素是影響土壤形成的主導因素，而對于小尺度，在土壤的發(fā)育、形成與分布過程中起重要作用的則是地形因素(坡度、坡向、坡位)［16］。在土壤形成和發(fā)育的過程中由于重力作用，土壤顆粒自然會向下坡位移動，特別是對于石漠化地區(qū)，土壤通常缺乏過渡層或者過渡層很薄，使巖土之間的黏著力和親和力大大減?。?7］，從而加速了土壤向下坡位的運移過程。另外，人類在耕作的過程中通常會采取一些簡單的工程措施，也能夠暫時性地減少土壤侵蝕［13］。因此，坡耕地的土壤厚度遠大于其他2種樣地，空間連續(xù)性也相對較好。通過比較林地和荒山土壤厚度的發(fā)現(xiàn)，林地土壤的平均厚度不及荒山，變異程度也相對較大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是這2種土地的人為干擾程度不同。林地都為新造人工林，多數(shù)分布在自然植被蓋度較低、基巖裸露率較高的地區(qū)，在造林之初都經(jīng)歷了整地等措施，而荒山的人為干擾程度相對較輕。

3.2 土壤厚度的空間變異性

本研究通過K-S法對各樣地土壤厚度的統(tǒng)計分布進行了非參數(shù)檢驗［18］，結(jié)果表明，在0.05檢驗水平下，除林地中的2塊樣地呈近似正態(tài)分布外，其余各樣地均呈正態(tài)分布，無須進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

在地統(tǒng)計學空間分析中，由于實驗誤差和小于理論取樣尺度所引起的變異通常稱為塊金值。塊金值較大表明小尺度上的某種過程不可以忽略［19］。將土壤厚度數(shù)據(jù)進行空間結(jié)構(gòu)分析(表3)，發(fā)現(xiàn):該地區(qū)土壤厚度存在塊金效應且塊金值較大，各個樣地之間塊金效應的大小存在一定差異，但無明顯的規(guī)律可循;所有樣地基臺值均較高。這可能與該地區(qū)土壤厚度的空間分布格局是由地形和微地貌等因素控制有關(guān)。

表2 土壤厚度描述性統(tǒng)計表Tab．2 Descriptive statistic of soil thickness

表3 土壤厚度半方差分析參數(shù)表Tab．3 Semivariogram parameters of soil thickenss

塊金值與基臺值之比表示隨機部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例，系統(tǒng)變量的空間變異程度通常由它來表示:比值＜0.25，表明變量具有強度空間變異;比值介于0.25～0.75之間，變量具有中等程度的空間變異;比值＞0.75，表明變量的空間相關(guān)性很弱［19-20］。從圖5可以看出，本研究中編號01、02、03的3塊坡耕地土壤厚度的塊金值與基臺值之比分別是0.505、0.500、0.832，平均值是0.61，土壤厚度具有中等程度的空間相關(guān)性 ，表明結(jié)構(gòu)性因素是造成該類土地土壤厚度的空間變異的主導因子，如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等自然因素［19］。其中樣地03比值偏大，實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該樣地剛剛有過工程措施，人為擾動程度大是造成這種情況的主要原因。而對于林地(圖6)和荒山(圖7)，其比值分別為 0.788和0.807，均大于0.75，土壤厚度的空間相關(guān)性較差，表明該2類土地土壤厚度的空間異質(zhì)性主要是隨機性因素引起的［19］。對于研究區(qū)的人工林地而言，基本都是剛剛采取過工程措施的新生意楊林，一般分布在石漠化程度相對嚴重的區(qū)域，經(jīng)過整地、坡改梯等措施，由于闊葉林的枯落物較多，覆蓋地表，造成了從表面上看，巖石裸露率不高，而實際情況卻與之相反，人工林地的土壤厚度存在嚴重的空間變異性?；纳绞鞘貐^(qū)典型的土地類型之一，其地表巖石叢生，溝壑縱橫，土壤主要集中在石溝、石縫中，呈斑塊狀分布，土壤厚度連續(xù)性相對較差，空間變異程度明顯，呈高度破碎形態(tài)，這主要與該地區(qū)特殊的地質(zhì)發(fā)育和地形地貌特征有關(guān)。另外，在取樣中發(fā)現(xiàn)，荒山上雖然土層很薄，巖石裸露率較高;但有些潛在石漠化荒山卻有高大喬木生長，植被蓋度也達到了70%左右，所以在研究中應當充分注意石坑、石縫中土壤的作用［9］。這一現(xiàn)象充分說明研究該地區(qū)土壤的空間分布及變異規(guī)律的意義重大。

圖5 耕地土壤厚度半方差理論模型Fig．5 Semivariograms of soil thickness in sloping farmland

圖6 荒山土壤厚度半方差理論模型Fig．6 Semivariograms of soil thickness in barren hilly

圖7 意楊林土壤厚度半方差理論模型Fig．7 Semivariograms of soil thickness in Populus euramevicana

變程是研究空間異質(zhì)性的重要指標之一。變程的大小表明土壤厚度空間連續(xù)性的好壞［20］。它不但與實際采樣尺度有關(guān)，而且也受到在該尺度下影響土壤厚度各種過程的共同作用［21］。本研究中，坡耕地的變程遠大于荒山和新造人工林地，而荒山和林地之間相差無幾，說明坡耕地土壤厚度的連續(xù)性要好于荒山和新造人工林地，荒山的連續(xù)性略好于林地，但差距不明顯。坡耕地的變程較大也反映出喀斯特石漠化地區(qū)的坡耕地雖然微地形復雜，影響因素多樣，但土壤厚度仍然具有一定的空間連續(xù)性。3塊坡耕地中第1塊樣地的變程明顯小于另外2塊樣地，說明此樣地土壤厚度的空間連續(xù)性不及另外2塊樣地，該塊樣地采取過簡單的工程措施，耕種時間也長于其他2塊樣地，人為干擾因素較大，是造成該塊坡耕地土壤厚度空間連續(xù)性差的直接原因。一般的研究認為在塊金效應不大時，可以將變異函數(shù)變程的1/2作為取樣間隔的上限［22］;因此，本研究中所采用的4 m×1 m的采樣間隔可以滿足喀斯特石漠化高原區(qū)土壤厚度空間變異性分析的要求。地統(tǒng)計學研究土壤厚度空間變異的基礎(chǔ)是半變異函數(shù)及其最優(yōu)模型擬合［23］，在本研究中除了第07塊樣地可用球狀模型擬合以及第01和第09塊樣地可用高斯模型擬合外，其余樣地均能用指數(shù)模型擬合。通常將決定系數(shù)作為判斷模型擬合程度的一個重要指標，其取值在0.8左右時說明模型擬合效果較好［23］，本研究中指數(shù)模型擬合的決定系數(shù)除第06和08樣地決定系數(shù)偏低外，其余樣地均集中在0.8左右，說明指數(shù)模型擬合效果較好。

3.3 土壤厚度的分布格局

在土壤厚度空間變異理論及結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，利用克里格插值法在研究區(qū)域內(nèi)進行空間插值分析，得到土壤厚度空間分布等值線圖(圖8、圖9和圖10)。從圖中可以看出，土壤厚度明顯的呈帶狀或斑塊狀分布，高低差異明顯，總體上來看隨著坡位的降低土壤厚度逐漸變大，其中以第05塊樣地最為突出。在3種樣地內(nèi)部土壤厚度分布特征有非常明顯的差異。坡耕地土壤厚度分布近似帶狀，具有一定的連續(xù)性，變異程度相對較低，而與之對應的荒山和新造人工林土壤厚度的空間分布格局則支離破碎，變異程度較大?；纳?圖9)和意楊林(圖10)對比發(fā)現(xiàn)，雖然二者的大體分布特征相似，但是還存在一定的差異，意楊林在坡中和坡頂仍然有土壤厚度較厚的點出現(xiàn)，野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)這些點的位置一般分布在石坑和石縫中。造成這種現(xiàn)象的原因，可以用土壤侵蝕原理加以解釋:在坡面上出露的基巖風化速率相對較快，風化殘余物質(zhì)在重力和降雨的作用下滑向石坑和石縫中。另外，從荒山類樣地04可以看出，坡底出現(xiàn)一塊明顯的區(qū)域，該區(qū)土層很薄，平均厚度僅有2 cm，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域巖石裸露率很高，地表植被相對較少是典型石叢分布比較集中的區(qū)域。從圖10可以看出意楊林土壤厚度明顯薄于坡耕地，其土壤厚度與荒山所差無幾，其土壤分布的連續(xù)程度要好于荒山，巖石裸露率不高，這主要與造林前的整地和坡改梯等工程措施等有關(guān)。

圖8 坡耕地土壤厚度分布圖Fig．8 Spatial distribution of soil thickness in sloping farmland

圖9 荒山土壤厚度分布圖Fig．9 Spatial distribution of soil thickness in barren hilly

圖10 意楊林地土壤厚度分布圖Fig．10 Spatial distribution of soil thickness in Populus euramevicana

綜上所述，該地區(qū)土壤厚度空間分布特征一方面與坡位和坡度有關(guān)，另一方面也與植被類型及蓋度和水土流失機制等有關(guān)，這2方面都會影響到土壤顆粒的運移和再分布過程，進而影響土壤厚度。結(jié)合植被調(diào)查和半方差分析，可以看出影響研究區(qū)土壤厚度空間變異程度及其分布格局的重要因素，除了巖溶地區(qū)特殊的地貌演替階段、巖溶雙層結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素外，強烈的土壤侵蝕也是塑造現(xiàn)有土壤厚度分布格局的重要因素。

4 結(jié)論

研究區(qū)土壤平均厚度僅為29.2 cm，平均變異系數(shù)0.706，介于0.1～1之間，屬中等強度變異;反映了西南巖溶高原地區(qū)土壤厚度較薄、空間分布不均的特點。

研究區(qū)土壤厚度空間分布呈破碎形態(tài)，空間相關(guān)性坡耕地＞荒山＞林地，坡耕地土壤厚度的變程最大，反映出喀斯特石漠化地區(qū)的坡耕地雖然微地形復雜，影響因素多樣，但土壤厚度仍然具有一定的空間連續(xù)性。研究區(qū)土壤厚度具有良好的空間變異結(jié)構(gòu)，除個別樣地可以用球狀模型擬合外，其他樣地均能用指數(shù)模型較好地擬合。

研究區(qū)不同土地利用方式下，土壤厚度分布格局存在很大差異，坡耕地土壤厚度近似帶狀分布，且存在一定的連續(xù)性，其變異趨勢大致是隨著坡位的降低而逐漸增大，而對于荒山和新造人工林土壤厚度的空間分布格局則支離破碎，變異程度較大具有明顯的斑塊狀分布格局。

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