陶渙壯 甘磊 馬蕊 張中彬 程芳麗

摘要：以廣西桂林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆種植地、甘蔗種植地、梨樹(shù)種植地為例，對(duì)3種土地利用方式下干旱、中等、濕潤(rùn)土壤水分情況中土壤熱導(dǎo)率的空間變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在干旱和濕潤(rùn)水分條件下，土壤熱導(dǎo)率表現(xiàn)為梨樹(shù)地>甘蔗地>大豆地，而中等水分條件下梨樹(shù)地>大豆地>甘蔗地；土壤熱導(dǎo)率的大小變化趨勢(shì)與含水量相一致，說(shuō)明土壤熱導(dǎo)率的大小主要受土壤含水量的影響；土壤熱導(dǎo)率的地統(tǒng)計(jì)分析表明，在3種土壤水分條件下，大豆地的土壤熱導(dǎo)率空間結(jié)構(gòu)比在50%～65%范圍內(nèi)，屬于中等相關(guān)性，而甘蔗地和梨樹(shù)地的空間結(jié)構(gòu)比大于75%，空間相關(guān)性很強(qiáng)；大豆地的土壤熱導(dǎo)率的高閾值空間分布比甘蔗地的穩(wěn)定性好，主要是因?yàn)楦收岬厥軌艤瞎喔鹊挠绊?；而梨?shù)地是免耕地，其空間分布穩(wěn)定性較弱。研究結(jié)果說(shuō)明，在研究區(qū)域土壤對(duì)其熱導(dǎo)率空間相對(duì)穩(wěn)定性具有一定維持能力，但土壤熱導(dǎo)率的穩(wěn)定性受耕作和灌溉等人為因素的影響。

關(guān)鍵詞：土地利用方式；土壤熱導(dǎo)率；土壤水分；地統(tǒng)計(jì)分析；空間變化

中圖分類號(hào)： S152.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）11-0226-04[HS）][HT9.SS]

“溫室效應(yīng)”引起的全球變暖現(xiàn)象，導(dǎo)致氣溫、降水量、蒸散發(fā)速率發(fā)生變化，從而對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生直接影響[1]。土壤熱特性主要包括熱導(dǎo)率、熱容量等特性[2]。其中，熱導(dǎo)率反映土壤熱量傳輸能力的大小，一直是研究熱點(diǎn)[3]。土壤熱導(dǎo)率不僅引起土壤溫度發(fā)生變化，也對(duì)各種物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的程度、數(shù)量以及植物生長(zhǎng)及其對(duì)水肥吸收產(chǎn)生直接影響，同時(shí)也影響土壤水、氣在土壤中的分布及其傳輸特征，進(jìn)而影響土壤中各種物理化學(xué)過(guò)程發(fā)生及其程度[4]。通常影響土壤熱導(dǎo)率的因素有土壤含水量、質(zhì)地、容重、有機(jī)質(zhì)、孔隙度[5]。降水與土壤含水量、熱導(dǎo)率也存在一定的相關(guān)性，降水會(huì)增加土壤含水量，而土壤含水量的迅速增加使得土壤熱導(dǎo)率明顯升高[6]。各種土地利用方式下的土壤理化性質(zhì)存在著不同程度的差異[7]，土壤容重大則孔隙度小，土壤越緊實(shí)，土壤熱導(dǎo)率越大。土壤質(zhì)地越粗，熱導(dǎo)率隨含水量改變而變化的速度越快。當(dāng)土壤質(zhì)地相同時(shí)，含水量增大，熱導(dǎo)率也迅速升高[8-9]。結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可以較好地模擬土壤熱導(dǎo)率的空間結(jié)構(gòu)和變異特征，同時(shí)土地利用方式對(duì)土壤熱導(dǎo)率空間分布有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[10-11]。因此，對(duì)土壤熱導(dǎo)率的研究能夠提高土壤水分、養(yǎng)分高效利用率及土壤質(zhì)量等。本研究以種植大豆、甘蔗、梨樹(shù)3種土地利用方式為對(duì)象，分析干旱、中等、濕潤(rùn)土壤水分條件中土壤熱導(dǎo)率的變化以及空間分布，以期為廣西喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱應(yīng)對(duì)、農(nóng)田合理灌溉制度的制定以及水土流失治理等問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)域位于廣西桂林市雁山區(qū)的桂林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院（25°4′N、109°44′E），屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)較為平坦，平均海拔約為160 m。該區(qū)多年平均降水量約為 1 894 mm，降水量全年分布不均，雨季為4—9月，降水量占全年的60%左右。其中年平均蒸發(fā)量1 490～1 905 mm，多年平均氣溫為18～19 ℃。利用手持全球定位系統(tǒng)（GPS）分別在大豆、甘蔗、梨樹(shù)種植地選取面積為14 175 m2（135 m×105 m）的試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)間相隔15 m，共設(shè)置80個(gè)測(cè)量點(diǎn)。同時(shí)在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置20個(gè)次級(jí)測(cè)量點(diǎn)，整個(gè)試驗(yàn)區(qū)共設(shè)置100個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

1.2采樣與分析

試驗(yàn)開(kāi)始前，分別用環(huán)刀采集3個(gè)試驗(yàn)區(qū)表層土樣（0～6 cm），帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤質(zhì)地、容重、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量。土壤含水量利用手持土壤水分測(cè)定儀（HH2 Moisture Meter，英國(guó)）測(cè)定，測(cè)量前設(shè)備已標(biāo)定。每次測(cè)定均是在1 d內(nèi)完成，當(dāng)遇到降水發(fā)生時(shí)，再測(cè)1次。測(cè)量時(shí)段為2014年8月至2015年3月。根據(jù)不同土地利用方式的土壤含水量大小進(jìn)行分析，分別選取干旱、中等、濕潤(rùn)3種土壤水分狀態(tài)對(duì)土壤熱導(dǎo)率進(jìn)行分析。

按照Campbell[12]經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算土壤熱導(dǎo)率λ（θ）：

[JZ（]λ（θ）=1+Bθ-（A-D）exp[-（Cθ）E]。[JZ）][JY]（1）

其中，A、B、C、D、E是與土壤性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，具體關(guān)系如下：

[JZ（]A=0.65-0.78ρb+0.60ρ2b；[JZ）][JY]（2）

[JZ（]B=1.06ρb；[JZ）][JY]（3）

[HS2][JZ（]C=1+[SX（]2.6m0.5c[SX）]；[JZ）][JY]（4）

[JZ（]D=0.03+0.10ρ2b；[JZ）][JY]（5）

[JZ（]E=4。[JZ）][JY]（6）

式中：ρb為土壤容重；mc為黏粒含量分?jǐn)?shù)。ρb、mc是方程中的2個(gè)常量。

土壤熱導(dǎo)率的地統(tǒng)計(jì)分析中，利用半變異函數(shù)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)空間變化的分析，計(jì)算公式如下[13]：

[HS2][JZ（]r（h）=[SX（]12N（h）[SX）]∑[DD（]N（h）i=1[DD）][Z（xi）-Z（xi+h）]2。[JZ）][JY]（7）

式中：r（h）是空間間隔為h的半變異函數(shù)；N（h）為被間隔h分割的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)數(shù)；Z（xi）為隨機(jī)變量Z在點(diǎn)xi處的值；Z（xi+h） 為Z在相距點(diǎn)xi為 h遠(yuǎn)處的值。

Zhao等研究表明，半變異函數(shù)的指數(shù)模型能很好地進(jìn)行插值[14]，因此本研究選取指數(shù)模型進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析。塊金值（C0）、基臺(tái)值（C+C0）、偏基臺(tái)值（C）以及最大相關(guān)距離是在指數(shù)模型擬合中得到的4個(gè)重要參數(shù)。塊金值（C0）表示區(qū)域化變量在小于試驗(yàn)研究尺度時(shí)非連續(xù)變異，受區(qū)域化變量屬性以及測(cè)量誤差共同制約；基臺(tái)值（C+C0）表示當(dāng)采樣點(diǎn)間的距離h增大時(shí)，半變異函數(shù)r（h）從初始的塊金值達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù)；偏基臺(tái)值（C）是基臺(tái)值與塊金值的差值；最大相關(guān)距離表示變異函數(shù)由初始?jí)K金值達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的測(cè)量點(diǎn)之間的間隔距離。空間結(jié)構(gòu)比直接反映了空間相關(guān)性的強(qiáng)弱，即偏基臺(tái)值（C）與基臺(tái)值（C+C0）的比值，該值越大，空間相關(guān)性越強(qiáng)。根據(jù)Cambardella等的研究[15]，當(dāng)C/（C+C0）>75%時(shí)，變量之間空間相關(guān)性十分強(qiáng)烈；當(dāng)C/（C+C0）為25%～75%時(shí)，變量之間空間相關(guān)性是中等程度；當(dāng)C/（C+C0）<25%時(shí)，變量的空間相關(guān)性變得很微弱。

所有測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 13.0軟件進(jìn)行分析，土壤熱導(dǎo)率的地統(tǒng)計(jì)分析和空間分布制圖運(yùn)用ArcGIS 10.0軟件。

2結(jié)果與分析

2.1土壤屬性基本情況

2.2土壤含水量和土壤熱導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)描述

由表2可見(jiàn)，在干旱和濕潤(rùn)的水分條件下，土壤含水量都是梨樹(shù)地>甘蔗地>大豆地，但在中等水分條件下，土壤含水量表現(xiàn)為梨樹(shù)地>大豆地>甘蔗地。干旱條件下大豆地土壤含水量最小，為0.037 cm3/cm3，濕潤(rùn)條件下梨樹(shù)地土壤含水量最大，為0.282 cm3/cm3。在土壤熱導(dǎo)率方面，同樣是在干旱和濕潤(rùn)的水分條件下梨樹(shù)地>甘蔗地>大豆地，中等水分條件下梨樹(shù)地>大豆地>甘蔗地。最小土壤熱導(dǎo)率值出現(xiàn)在干旱條件下的大豆地，為0.277 W/（m·K）；最大值出現(xiàn)在濕潤(rùn)條件下的梨樹(shù)地，為0.986 W/（m·K）。

2.3土壤熱導(dǎo)率的地統(tǒng)計(jì)分析

由表3可見(jiàn)，在3種水分條件下，土壤熱導(dǎo)率的最大相關(guān)距離為27.50～207.20 m，大于試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)之間的距離，證明這些觀測(cè)值之間存在空間相關(guān)性。從塊金值和偏基臺(tái)值來(lái)看，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)在干旱、中等水分、濕潤(rùn)條件下，塊金值都比偏基臺(tái)值小。從空間結(jié)構(gòu)比可知，在3種水分條件下，甘蔗地和梨樹(shù)地的空間結(jié)構(gòu)比都大于75%，說(shuō)明空間相關(guān)性很強(qiáng)。而大豆地的空間結(jié)構(gòu)比都大于50%，在25%～75%范圍內(nèi)，屬于中等的空間相關(guān)性。

從ArcGIS軟件對(duì)土壤熱導(dǎo)率進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析的成圖中，可以知道土壤熱導(dǎo)率在試驗(yàn)區(qū)的空間分布情況。每幅圖中顏色深淺代表土壤熱導(dǎo)率的高低，顏色越深，土壤熱導(dǎo)率就越高，每幅圖中顏色深淺的變化都有各自的變化閾值。圖1代表大豆地分別在干旱、中等水分、濕潤(rùn)的土壤水分條件下的土壤熱導(dǎo)率空間分布。如圖1-a所示，在干旱水分條件下，土壤熱導(dǎo)率以中等閾值為主，土壤熱導(dǎo)率的高閾值分布于圖中的東北角，低閾值分布在西南角。如圖1-b所示，在中等水分條件下，土壤熱導(dǎo)率的低閾值從中部逐漸向東北角和東南角遞增，高閾值位于圖中東北角。如圖1-c所示，在濕潤(rùn)條件下，土壤熱導(dǎo)率的高閾值位于東北角，低閾值分布于西北角。在3種土壤水分條件下，大豆地土壤熱導(dǎo)率的高閾值都位于試驗(yàn)區(qū)的東北部，說(shuō)明土壤熱導(dǎo)率的空間分布具有很好的穩(wěn)定性。圖2表示甘蔗地在干旱、中等水分、濕潤(rùn)的水分條件下土壤熱導(dǎo)率的空間分布圖。如圖2-a所示，在干旱條件下，土壤熱導(dǎo)率在圖中中部以2個(gè)高閾值為圓心向四周遞減，低閾值出現(xiàn)于圖中西北角。如圖2-b所示，在中等水分條件下，土壤熱導(dǎo)率的高閾值位于南部，但比較分散，低閾值分布于[CM（25]北部。分布比較明顯，高閾值分布于東南角，低閾值位于西北角。在3種土壤水分條件下，甘蔗地土壤熱導(dǎo)率的高閾值在南部都有出現(xiàn)，同樣具有一定穩(wěn)定性。圖3表示梨樹(shù)地在干旱、中等水分、濕潤(rùn)的水分條件下土壤熱導(dǎo)率的空間分布。如圖3-a所示，在干旱條件下，土壤熱導(dǎo)率的高閾值分布于圖中東北角和南部，以圓圈的形式向四周輻射減少，低閾值位于西北角。如圖3-b所示，在中等水分條件下，土壤熱導(dǎo)率的高閾值位于西北角，低閾值位于東南角，從整體上看，北部的土壤熱導(dǎo)率比南部高。如圖3-c所示，在濕潤(rùn)條件下，土壤熱導(dǎo)率高閾值零散分布于西北角、西南角、東南角，低閾值位于東南角，以圓形為中心向四周遞增。從干旱到濕潤(rùn)中，梨樹(shù)地土壤熱導(dǎo)率的高閾值空間分布較為零散，穩(wěn)定性相較于其他2個(gè)試驗(yàn)區(qū)較弱。

3結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

本研究分析了桂林地區(qū)3種土地利用方式在干旱、中等、濕[CM（25]潤(rùn)的土壤水分條件下，土壤熱導(dǎo)率的大小和空間結(jié)構(gòu)變化[CM）][FL）]

情況。在干旱、濕潤(rùn)水分狀態(tài)下，土壤熱導(dǎo)率的大小都表現(xiàn)為梨樹(shù)地>甘蔗地>大豆地，而在中等水分條件下，土壤熱導(dǎo)率的大小表現(xiàn)為梨樹(shù)地>大豆地>甘蔗地，其變化與土壤含水量的變化趨勢(shì)相一致，說(shuō)明土壤含水量是引起土壤熱導(dǎo)率變化的主要因子。從土壤熱導(dǎo)率的地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以看出，在3種土壤水分狀態(tài)下，所有塊金值都比偏基臺(tái)值小，說(shuō)明土壤熱導(dǎo)率的空間變化主要受土壤屬性和降水等非人為因素的影響，其中土壤含水量是引起土壤熱導(dǎo)率空間變化的主要因子。大豆地的土壤熱導(dǎo)率空間結(jié)構(gòu)比范圍是50%～65%，屬于中等相關(guān)性，而甘蔗地、梨樹(shù)地的空間結(jié)構(gòu)比大于75%，空間相關(guān)性很強(qiáng)。大豆地的土壤熱導(dǎo)率的高閾值分布較穩(wěn)定，而甘蔗地受壟溝灌溉的影響，其穩(wěn)定性比大豆地略差。由于梨樹(shù)地是免耕地，其土壤熱導(dǎo)率的高閾值分布零散，穩(wěn)定性較弱。研究結(jié)果說(shuō)明土壤對(duì)其熱導(dǎo)率空間相對(duì)穩(wěn)定性具有一定維持能力，但土壤熱導(dǎo)率的穩(wěn)定性受耕作和灌溉等人為因素的影響。

3.2討論

土壤熱導(dǎo)率的大小受到土壤顆粒組成、含水量、容重、孔隙率的影響[16]。在干旱和濕潤(rùn)水分條件下，土壤熱導(dǎo)率表現(xiàn)為梨樹(shù)地>甘蔗地>大豆地，而中等水分條件下梨樹(shù)地>大豆地>甘蔗地。同時(shí)土壤熱導(dǎo)率的大小變化趨勢(shì)與含水量相一致，說(shuō)明土壤熱導(dǎo)率的大小主要受土壤含水量的影響，并且隨著含水量的增加而呈冪函數(shù)增加趨勢(shì)[2]。土壤含水量的變化主要受蒸散發(fā)和降水等因子制約，其中降水是調(diào)節(jié)土壤含水量變化的主要方式[17]。在3種水分條件下，梨樹(shù)地的土壤含水量之所以大于大豆地、甘蔗地，主要原因是甘蔗地和大豆地的地表覆蓋物較少，對(duì)土壤水分的蒸發(fā)作用較強(qiáng)以及對(duì)降水反應(yīng)較為敏感，使土壤含水量相較于梨樹(shù)地低；而梨樹(shù)地有機(jī)質(zhì)含量高以及枝葉覆蓋面積較大，調(diào)蓄水分的能力較強(qiáng)，從而保證土壤含水量較高，相對(duì)應(yīng)的土壤熱導(dǎo)率就會(huì)升高[18]。同時(shí)梨樹(shù)地屬于長(zhǎng)期免耕地，而大豆地、甘蔗地遭受長(zhǎng)期翻耕。這與趙君等關(guān)于免耕和留茬的耕作方式可以提高土壤含水量的研究成果[19]相符合。這也間接說(shuō)明耕作也影響土壤熱性質(zhì)。相比傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)，長(zhǎng)期免耕的土壤擾動(dòng)少，在有機(jī)質(zhì)、土壤粒徑分布、土壤儲(chǔ)水能力上都將發(fā)生改變，而這些改變都會(huì)影響土壤熱導(dǎo)率[20]。在干旱土壤水分狀態(tài)下，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤含水量、熱導(dǎo)率數(shù)值上相差不大；但在中等水分條件時(shí)，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)土壤含水量差別不大，而熱導(dǎo)率有差異。這主要是由3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的容重、砂粒含量有差別而共同影響造成的。大豆地的土壤容重顯著大于其他2個(gè)試驗(yàn)區(qū)（P<0.05）。有研究表明，砂粒含量越高，粉粒含量越低，土壤熱導(dǎo)率越大，土壤導(dǎo)熱能力越強(qiáng)[21]。Abuhamdeh等認(rèn)為，在2種類型土壤中熱導(dǎo)率隨容重的增大而增加[22]。土壤熱導(dǎo)率的計(jì)算公式是一個(gè)冪函數(shù)，因此自變量中土壤含水量、容重、質(zhì)地的微小改變也會(huì)引起土壤熱導(dǎo)率較大的變化。這種計(jì)算方法早已經(jīng)在其他研究中應(yīng)用，被證明是合適的[23]，這與本研究結(jié)果相一致。

在3種水分條件下，3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的塊金值都小于偏基臺(tái)值，其中甘蔗地、梨樹(shù)地的塊金值比偏基臺(tái)值小了76%～98%，這表明土壤熱導(dǎo)率空間變異主要是由土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素和空間自相關(guān)部分引起的[24]。而降水對(duì)土壤含水量的變化起非常強(qiáng)烈的反應(yīng)[25]，導(dǎo)致土壤熱導(dǎo)率的空間變化受到土壤含水量的影響，進(jìn)而說(shuō)明了降水等非人為因素影響了土壤熱導(dǎo)率空間變化。大豆地的空間結(jié)構(gòu)比小于其他2個(gè)試驗(yàn)區(qū)，主要原因是大豆地經(jīng)常遭受耕作、鋤草、灌溉等人為因素的影響，從而塊金值增大，導(dǎo)致土壤熱導(dǎo)率變小和空間相關(guān)性降低。從圖1可以看出，從干旱到濕潤(rùn)過(guò)程，大豆地土壤熱導(dǎo)率高閾值的分布很穩(wěn)定，都位于在東北角，主要原因是大豆地的土壤含水量波動(dòng)區(qū)間很小，數(shù)值間隔不大。從圖2可看出，甘蔗地在干旱條件下土壤熱導(dǎo)率高閾值在東北角；而在其他2個(gè)水分條件下，土壤熱導(dǎo)率高閾值都分布在西南角。主要原因是甘蔗在種植時(shí)采用壟溝灌溉方式，儲(chǔ)存水量多[26]，熱導(dǎo)率隨著含水量增加而增加，所以土壤熱導(dǎo)率在中等水分和濕潤(rùn)條件下空間分布較穩(wěn)定。梨樹(shù)地從干旱到濕潤(rùn)過(guò)程中，土壤熱導(dǎo)率高閾值的空間分布零散且不穩(wěn)定。主要原因是梨樹(shù)地是免耕地，造成地表凋落物的覆蓋增多和有機(jī)質(zhì)含量豐富等情況[27]，導(dǎo)致熱導(dǎo)率空間變化不穩(wěn)定。

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