西藏農牧交錯帶農田與相鄰草地土壤含水量空間分布特征

連玉珍，曹麗花，劉合滿，楊 紅，郭豐磊，韓曉浩

(1. 西藏農牧學院 高原生態研究所，西藏 林芝 860000；2. 西藏高原森林生態教育部重點實驗室，西藏 林芝 860000；3. 西藏林芝高山森林生態系統國家野外科學觀測研究站，西藏 林芝 860000；4. 西藏農牧學院 資源與環境學院，西藏 林芝 860000)

【研究意義】土壤含水量是表征土壤干濕狀況的重要物理參量，是影響植物生長發育和土壤物質循環過程的重要屬性指標。在空間分布上，土壤含水量廣泛受氣候條件[1]、樣點位置[2-3]、土地利用方式[4-5]和土地管理等因素的綜合影響。其中，區域尺度上，土地利用方式[6]是影響土壤含水量的最重要因素之一，由于其深刻地影響著地表植被蓋度、土壤結構等，并進而對土壤水分入滲、蒸發等水循環過程產生影響，從而影響了土壤含水量的空間分布。土壤含水量在時間和空間上具有高度的異質性，從而使土壤含水量分布特征，尤其是空間分布特征及模擬廣受關注[7-8]。地統計學可以較好的模擬土壤性質在空間上的分布特征，并可通過空間分布模型對土壤性質在不同尺度上的分布進行模擬和預測，這為從點尺度向面尺度的轉換和預測提供了有效的工具?！厩叭搜芯窟M展】目前，已有研究者采用地統計學工具對不同空間尺度上土壤含水量分布特征進行分析和模擬，Rosenbaum等[9]在小流域尺度上對土壤含水量季節性變化進行了空間模擬分析，發現不同深度土壤含水量空間分布符合指數函數模型；Brocca等[10]采用地統計學工具在流域尺度上對土壤含水量時空變化特征進行了分析，均得到良好的模擬效果?！颈狙芯壳腥朦c】農牧交錯帶是農耕區與草原牧區相連接的半干旱生態過渡帶，或是農業和草原并存的生態區，具有重要的生態和經濟地位，同時又是典型的生態脆弱區。土壤含水量受到土地利用方式的深刻影響，而廣受關注，如不同學者對北方農牧交錯帶不同土地利用方式下土壤含水量特征[11]及空間分布特征[12]等進行了研究。西藏大部分區域屬于典型的農牧交錯區，農田和自然草地是主要的土地利用方式，這兩種土地利用方式顯著影響著土壤水循環。然而，由于西藏高原高寒、缺氧的氣候和不便的交通條件，關于土壤含水量的研究僅停留在點尺度上，尤其是缺乏基于不同土地利用方式背景下表層土壤含水量空間分布模型的研究，這不利于由點尺度向面尺度的擴展?！緮M解決的關鍵問題】本研究以拉薩市林州縣農田及相鄰草地為研究對象，綜合利用經典統計學和地統計學的理論知識和方法，對研究區農田和草地表層土壤含水量進行空間分析，以期為青藏高原高寒農牧交錯帶區土壤水分空間分布與不同土地利用方式下的土壤含水量的預測研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于拉薩市林周縣。該縣地處雅魯藏布江中游河谷地帶，屬于高原季風氣候區，太陽輻射強，晝夜溫差大，年均氣溫5 ℃，年均降水量491 mm，夏季雨水豐沛，無霜期120 d。農牧業發展較好，主要農作物有青稞、小麥、大麥、油菜等，是拉薩市的主要產糧基地。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的設置與數據采集 采樣點位置為N 29°52′57″，E 91°21′18″，海拔為3755 m，在該區域，選取一塊連片面積大于2 hm2的農田和相鄰自然草地為研究樣地，農田采樣區設置為10 m×50 m，草地采樣區設置為40 m×50 m，按照5 m×5 m網格法設置采樣點，共110個采樣點，其中農田為30個樣點，草地為80個。研究區域及樣點分布如圖1所示。研究區農田種植青稞，草地植被主要為禾本科植物，土壤為沙質壤土，整個研究區地形無明顯坡度變化。土壤含水量數據于2017年8月采用土壤水分測定儀(Wet-2型，英國Delta-T設備公司)獲得。

圖1 研究區位置與采樣方法Fig.1 The location of the study site and sampling method

1.2.2 數據分析與處理 使用統計學軟件SPSS 22.0對土壤含水量數據進行描述性統計分析和正態分布檢驗。土壤含水量半方差函數模型及空間插值采用地統計學軟件GS+9.0進行。

采用經典統計學中最大值、最小值、平均值、極差、標準差、變異系數來衡量數據的分布。其中，變異系數是由同一組數據的標準差及其平均值的比值決定的，其計算方法如式(1)：

(1)

采用半方差函數模型分析土壤含水量的空間依賴性。常見的半方差函數模型有球狀模型、指數模型和高斯模型等。模型中包含3個主要參數，即塊金值(Nugget)、基臺值(Sill)和變程(Range)。其中，塊金值(C0)是半方差函數與y軸相交時的y值，它反映了變量小于實際取樣尺度引起的空間變異和隨機誤差；基臺值(C0+C)是半方差函數隨采樣點間隔距離增大而從初始的塊金值達到穩定時的常數，它反映了區域變量的空間異質性程度；變程(A0)是半方差函數值達到基臺值時的采樣點間隔距離，表示采樣數據間存在相關性的距離上限。模型中，常用塊金值與基臺值的比值(C0/(C0+C))表示區域變量由隨機因素引起的的空間變異性占系統總變異性的比例，該值<25 %，表示較強的空間依賴性，25 %～75 %之間，表示中等程度的空間依賴性，該值>75 %，則表示空間依賴性較弱，區域變量的空間異質性主要受隨機因素影響。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量的描述性統計分析

土壤含水量分布特征如表1所示，研究區草地土壤含水量顯著高于農田(P<0.01)，含水量分別為(18.68 %±4.7 %)和(9.73 %±2.5 %)，草地土壤含水量平均較農田高91.98 %，即草地利用方式下，更有利于對表層水分的保蓄，從而提高其土壤含水量。這可能是由于草地植被根系密集，蓄水能力較強，再加上地面植被覆蓋度高，減少了土壤水分蒸發，形成良好的蓄水保墑能力。有文獻報道，草地退化[14-15]或被開墾成農田，將增加土壤水分的散失，說明草地比農田具有更好的蓄水保墑能力，這與本研究結果一致。在空間分布上，本研究區草地、農田和農田-草地土壤含水量均屬于中等變異，變異系數分別為26 %、25 %和36 %。

2.2 土壤含水量的正態分布檢驗

在對數據進行地統計分析前，需要對樣點數據進行正態分布檢驗，以達到最佳估計。本研究中，農田土壤含水量樣本容量為30，草地樣本容量為80，為避免不同檢驗方法造成誤差，這里統一采用K-S檢驗法[16]分別對農田、草地和農田-草地土壤含水量進行正態性檢驗，結果表明，三者的漸近顯著性依次為0.708，0.658，0.582，均大于0.05顯著水平，假設成立，故三者均符合正態分布。

表1 研究區土壤含水量描述性統計特征值

表2 研究區土壤含水量的半方差函數模型及參數值

圖2 研究區土壤含水量半方差函數Fig.2 The semivariogram of soil water content in the study area

2.3 農田土壤含水量的空間分布模型與插值

表2給出了研究區土壤含水量的半方差函數模型及各參數值，農田土壤含水量的空間變異符合球狀模型(Spherical model)，模型擬合度達到顯著水平(R=0.6395,P<0.05)，半方差函數如圖2b所示，模型塊金值C0=0.24，基臺值C+C0=6.52，塊金系數C0/(C0+C)為3.68 %，小于25 %，表明該區域農田土壤含水量的空間依賴性較強，以農作措施為主的自相關因素對土壤含水量空間分布的影響較大。

空間插值可以直觀地反映區域變量的空間分布特征，圖3a是農田土壤含水量的克里格(kriging)插值圖，含水量以中部含量最高，邊界部分明顯少于中部。研究區周邊通風效果較中部好，因此水分蒸發量大于中部，導致土壤含水量呈現由中部向四周遞減的趨勢，邊行效應也由此產生。

2.4 草地土壤含水量的空間分布模型與插值

該區域草地土壤含水量的空間分布符合指數模型(Exponential model)，半方差函數如圖2c所示。由模型塊金值/基臺值為6.58 %，小于25 %可知，與農田土壤含水量一致，草地土壤含水量的空間異質性同樣是由空間自相關部分控制為主，這與影響草地土壤含水量的植被蓋度、根系分布、土壤特性及人類活動(放牧)等因素密切相關。這一結論與李元壽[17]等研究高寒草甸土壤水分的空間異質性的結果一致。

草地土壤含水量的空間插值圖(圖3b)表明，在草地采樣區，土壤含水量以中部較高，形成2個高值區，靠近公路及與農田交界的邊界部分含水量明顯較少，仍表現出明顯的邊行效應。

2.5 農田-草地土壤含水量的空間分布模型與插值

總體來看，農田-草地土壤含水量的空間變異性符合球狀模型，與王紅梅等[8]在北方農牧交錯帶農田-草地界面0～10 cm土壤含水量分布模型一致。模型決定系數R2=0.998，土壤含水量具有中等程度的空間依賴性，塊金值/基臺值為34.57 %，遠高于農田及草地。即在不考慮土地利用方式差異下的采樣，土壤含水量空間依賴性要弱于單一土地利用方式。同時由各半方差函數變程值可知(表2)，農田-草地>草地>農田，且農田-草地半方差函數值顯著高于農田、草地，農田和草地之間值非常接近，這表明將農田-草地當作一個混合采樣區進行研究時，可以適當加大采樣距離。從農田、草地和草地-農田混合區土壤含水量分形維數來看，農田>草地>農田-草地區，土壤含水量分形維數D分別為1.96，1.93和1.79，這也表明，單獨考察農田、草地土壤含水量空間分布時，隨機性因素所引起的影響強，分布較復雜，而將農田和草地作為一個整體進行分析時，表層土壤含水量空間分布則主要受空間結構因素的影響。

圖3c表明，整個研究區以中部土壤含水量為最高，這與草地和農田土壤含水量的空間分布保持一致，并且邊行效應在總體分布中表現更為明顯。

3 討論與結論

本研究對西藏農田及相鄰草地的土壤含水量進行了描述性統計分析和地統計分析，初步了解了當地農牧交錯生態區土壤含水量的空間分布特征，結論如下。

(1)研究區域土壤質地、地形和氣候條件相同，不同土地利用方式下表層土壤水分的空間分布受植被類型及蓋度、根系分布和人類活動(放牧、灌溉等)等影響較大，表現為草地土壤平均含水量顯著高于農田，CV值分別為25 %和26 %，空間上都具有中等程度的變異。

(2)地統計分析結果表明，在該取樣范圍內，農田和草地土壤含水量分別符合球狀模型和指數模型，塊金系數分別為3.68 %和6.58 %，其空間異質性主要取決于空間自相關部分。農田-草地土壤含水量符合球狀模型，具有中等程度的空間依賴性，與農田和草地土壤含水量一致，土壤含水量的空間分布均表現為中間高四周低的變化趨勢，可以說明邊行效應比較明顯。

(3)從土壤含水量空間分布分形維數可知，對單一土地利用方式下土壤含水量進行研究時，空間隨機因素的影響更強，而將農田-草地兩種土地利用方式作為一個整體考慮時，則主要受空間結構因素的影響。同時在研究單一土地利用方式下土壤含水量空間分布時，應縮小采樣距離，反之，可適當加大采樣距離。

地統計分析土壤含水量受空間尺度的影響較大，研究選取的尺度不同，結果也可能不同，有研究表明隨采樣面積增大，土壤含水量的平均含量和變異程度均會發生變化[18]。本研究選取55 m×50 m的采樣面積，分析了小尺度下不同土地利用方式下土壤含水量的空間變異特征，在今后的研究中，對同一采樣區進行多個尺度的研究能夠更加全面地認識高寒地區土壤含水量的空間分布特征。