贵州喀斯特人工草地土壤水分空间异质性对放牧强度的响应

1、贵州喀斯特人工草地土壤水分空间异质性对放牧强度的响应王普昶，王志伟，丁磊磊，莫本田，舒健虹，李世歌（贵州省草业研究所，贵州 贵阳550006）摘 要：放牧利用是影响草地土壤水分空间异质性形成的主要因素，而基于小尺度土壤水分空间异质性的研究对分析人工草地群落稳定性维持机制具有重要意义。背景知识请不要出现在中英文摘要中。采用地统计学方法研究了贵州南部人工草地不同放牧强度（零牧、中牧和重牧）下浅层土壤剖面(0-10、10-20和20-30 cm)水分的空间异质性及其影响因素。结果表明：喀斯特人工草地土壤水分的平均值与变异系数均呈现出明显的放牧强度变化与剖面变化规律；在不同放牧强度下，0-10和10-

2、20 cm土壤剖面含水量均表现为NGHGMG，20-30 cm土层土壤含水量为NG MG HG，变异系数均呈中等变异(10%CV HG MG, soil moisture content of 20-30 cm were for MG NG HG, coefficient of variation were moderate variation (10% CV HGMG，而20-30 cm土层土壤含水量为NG MG HG，变异系数均呈现中等变异(10%CV0.05），但从趋势也可看出，草地土壤平均含水量处于中等水平时，土壤水分变异性较高。表1 土壤水分描述统计特征放牧强度土层深度/cm平均值/

3、%最小值/%最大值/%标准差/%变异系数/%偏度Skewness峰度KurtosisNG0-1016.02298.42323.5012.174413.570-0.075.7810-2016.2865.70425.9423.15819.3940.3904.4720-3018.92410.97026.8802.39812.6720.394.50MG0-1015.30510.09917.6841.78311.651-0.9600.8210-2015.3399.33819.4862.36215.4000.70.2320-3017.02112.61820.7781.77710.437-0.4200.37

4、HG0-1015.34210.2619.572.24914.656-0.250.7710-2015.75810.37820.4522.70117.142-0.570.8020-3015.42511.71523.6444.62129.9570.947.20 图2土壤含水量与变异系数相关关系(因图2信息较单一,请删去图2,改用文字表述。另外,本刊为中文期刊,删去正文其他各处英文翻译,除英文摘要外)2.2土壤水分的Morans I空间自相关分析图32土壤水分的空间自相关(请把横坐标轴线移至原点0所在水平线处)依据Morans I系数分析土壤水分空间变异的自相关程度（图32）。结果表明，不同放牧强度不

5、同土层Morans I系数有较大的差别。零牧区，随着滞后距的增大，0-10 cm土层自相关系数呈负-正-负的“钟形”变化，10-20 cm土层围绕0值线上下波动，20-30 cm土层自相关系数变化与0-10 cm土层相反；中牧区土壤含水量(（0-10，10-20和20-30 cm)）的空间自相关具有相似的变化趋势，滞后距较小的点对呈正空间自相关，随着滞后距的增大，自相关系数逐渐向负方向增长后又回升；重牧区土壤含水量(（0-10和10-20 cm)）的空间自相关具有相似的变化趋势，滞后距较小的点对呈正空间自相关，随着滞后距的增大，自相关系数逐渐向负方向增长；20-30 cm土层自相关系数，滞后距

6、较小的点对呈负空间自相关，随着滞后距的增大，自相关系数逐渐回升后又向负方向增长。这说明不同放牧强度，土壤含水量(（0-10，10-20和20-30 cm)）均具有较强的空间自相关性；随放牧强度的变化，土壤水分的空间自相关性受土壤剖面深度的影响不大，而主要受放牧强度的影响。2.3土壤水分的半方差分析(图4每个分图的曲线也较单一,建议将图4每个分图的信息合并,用一个表格体现) 图4 土壤水分空间变异半方差特征参数从土壤水分半方差结果看，不同放牧强度不同土层土壤水分均存着空间变异性（图表4 2）。不同放牧强度下0-10 cm层土壤水分的块金值(（C0)）是MG NG HG，表明零牧和中牧草地土壤水分

7、在小于采样尺度范围内某些生态学过程的控制作用较重牧作用明显；不同放牧强度下10-20 cm和20-30 cm层土壤水分的块金值均是HG NG MG，表明重牧草地土壤水分在小于采样尺度范围内某些生态学过程的控制作用较零牧与中牧草地明显。基台值(（C0+C)）通常表示系统内总的变异，不同放牧强度下0-10 cm和20-30 cm层土壤水分的基台值是HG NG MG，10-20 cm层土壤水分的基台值均是NG HG MG，与上述变异系数的分析结果相似。结构方差比可用来衡量空间自相关程度，空间变异比分析表明，不同放牧强度结构方差比变化介于0.500-0.817，空间自相关引起的空间异质性均超过50%，

8、空间自相关程度达到中等或很强；重牧使0-10 cm和20-30 cm层土壤水分空间分布受随机因素影响大，中牧使10-20 cm层土壤水分空间分布受随机因素影响大。因此，空间自相关因素是不同放牧强度草地水分空间异质性的主要因素。空间异质性是尺度的函数，变异函数中的变程(（A0) ）是描述空间异质性尺度的有效参数，变程分析表明，零牧土壤水分变程在2.53-12.82 m 范围内变化，中牧土壤水分变程在2.77-15.61m 范围内变化，重牧土壤水分变程在14.03-18.79 m 范围内变化，说明影响土壤水分的生态过程随放牧强度变化在不同尺度上起作用。表 2 土壤水分空间变异半方差特征参数放牧强度

9、土层深度/cm模型块金值基台值相关尺度空间变异比决定系数NG0-10指数模型3.328.3912.820.6040.65610-20球状模型3.6616.8316.090.7830.90520-30球状模型1.295.6012.530.7700.676MG0-10指数模型2.265.43815.610.5840.66410-20球状模型3.176.3417.340.5000.88120-30球状模型0.5753.1352.770.8170.562HG0-10球状模型2.6008.62418.790.6990.75510-20指数模型5.1612.8814.030.5990.66420-30指数

10、模型14.5944.4917.290.6720.4242.4土壤水分的克里格分析运用克里格( Kriging ) 插值法对土壤水分空间分布进行插值，并绘制土壤水分分布图(（图 53)）。由Kriging maps可以看出，不同放牧强度土壤水分的空间格局和变化过程较显著。零牧区不同土层含水量分布表现为随土层深度的增加，高水分面积减少，中水分面积先减后增变化，低水分区10-20 cm层最大；中牧区与零牧区变化相似；重牧区则高水分和中水分面积在0-10和10-20 cm 层占较大比例，20-30 cm层主要是地水分分布；随放牧强度的增加，0-10 cm和10-20 cm土层土壤水分表现为中高水分增加

11、，而20-30 cm层零牧和中牧差异不大，重牧区中高水分面积明显减少；这说明重度放牧对草地土壤水分分布有重要影响。 高 中 低 (a)NG 0-10cm (b) NG 0-10cm (c) NG 0-10cm (d)MG 0-10cm (e) MG 0-10cm (f) MG 0-10cm (g)HG 0-10cm (h) HG 0-10cm (i) HG 0-10cm图53不同放牧强度土壤水分等值线和空间分布图请按本刊网站首页“在线下载（论文模版）”中的要求发来在word文档中能打开并修改的文中所有的图文件。3.讨论与结论土壤水分是植被格局形成和演变的主要因素，土壤水分的空间异质性对于认识草

12、地植物对环境的响应机制具有重要意义，而在较小尺度上，放牧利用和微地形是土壤水分空间异质性的主要驱动因子28。放牧通过改变草地植被和土壤结构，来影响土壤水分的空间异质性29。本研究表明，相同放牧强度下，随土层深度增加，零牧和中牧土壤含水量均表现为增加的趋势，重牧则为10-20 cm土层含水量高于0-10和20-30 cm。这可能是高强度的家畜践踏，致使表层土壤紧实，降低下渗的结果，说明零牧和中牧对土壤结构影响较小，重牧较大。不同放牧强度下0-10和10-20 cm土层土壤含水量均表现为NGHGMG，而20-30 cm土层土壤含水量为NG MG HG。这些变化主要与不同放牧强度利用下的植被结构和表

13、层土壤结构有很大关系8, 24。植被和土壤结构作为土壤水分变异的重要影响因子，放牧强度影响了植被和土壤结构差异，进而导致含水率的显著不同25。零牧区植被高度、盖度和密度较大，透光性差，表层土壤疏松等会造成土壤含水率相对较高；重牧区植被低矮疏松，地面裸露多，加上家畜践踏，表层土壤紧实，大量的蒸发会造成土壤含水率变小。土壤平均含水量与水分空间变异关系的研究也是分析土壤水分空间变异的重要因素之一29。许多研究发现土壤平均含水量与水分空间变异有显著相关关系，但也有研究者认为土壤水分变异与平均含水量之间根本不存在系统联系30。本研究表明，贵州喀斯特人工草地土壤水分变异特性在平均含水量处于中等水平时达到最

14、高，这与Owe等研究一致8, 29, 30。土壤水分的空间异质性与与土壤本身的结构和质地密切相关，同时与降水、地表径流和家畜采食践踏程度的影响有关31。本研究中，零牧下空间自相关在不同土层差异较大，但均呈较强空间自相关，这可能是无干扰下，草地植被分布格局已由均质化向异质化发展，尽管植被较好，但杂草化导致植被异质性增强，是导致不同土层空间自相关差异大的原因。中牧区土壤水分在不同土层的空间自相关具有相似的变化趋势，重牧区土壤水分0-10和10-20 cm的空间自相关具有相似的变化趋势。这说明中牧下，家畜对牧草的采食降低了草地植被的异致性，因而不同土层的空间自相关相似；重牧下，家畜采食践踏对植被和表

15、层土壤结构都发生了变化，所以0-10和10-20 cm的空间自相关相似。综合考虑发现，土壤水分的空间自相关性受土壤剖面深度的影响不大，而主要受放牧强度的影响。不同放牧强度下不同土壤剖面土壤水分变异函数为指数模型、球状模型或高斯模型，说明土壤水分的空间结构特征均是聚集分布。表层(（0-10 cm)）土壤水分的块金值表明零牧和中牧草地土壤水分在小于采样尺度范围内某些生态学过程的控制作用较重牧作用明显，较深层（10-20 cm和20-30 cm）重牧草地土壤水分在小于采样尺度范围内某些生态学过程的控制作用较零牧与中牧草地作用明显。土壤水分空间自相关程度达到中等或很强，重牧使0-10 cm和20-30

16、 cm层土壤水分空间分布受随机因素影响大，中牧使10-20 cm层土壤水分空间分布受随机因素影响大。因此，空间自相关因素是不同放牧强度草地水分空间异质性的主要因素。零牧土壤水分变程在2.53-12.82 m 范围内变化，中牧土壤水分变程在2.77-15.61 m 范围内变化，重牧土壤水分变程在14.03-18.79 m 范围内变化，说明影响土壤水分的生态过程随放牧强度变化在不同尺度上起作用。由Kriging maps进一步分析发现，不同放牧强度不同土层空间异质性格局显著，重度放牧对草地土壤水分分布有重要影响。以往关于喀斯特地区土壤水分空间异质性的报道多是土壤水分空间异质性与降雨和地形有关26,

17、 27, 29，本研究中放牧型人工草地地势平坦（坡度5），植被结构较植被为人工草地，结构相对与林地和灌丛简单天然林地和灌丛简单，放牧是主要影响因素，因此结论有所相同。空间异质性受取样尺度和取样密度的影响26。已有研究表明，不同的取样大小、间隔距离、取样位置、取样数目得到的半方差函数图的形态及基台值、变程等参数非常不同27。本研究仅分析了不同放牧强度30 m30 m尺度人工草地土壤水分空间异质性，并初步得出放牧强度是表层土壤水分空间变异的主要影响因素的结论，是否是别的原因还有待进一步研究。因此，今后应考虑不同取样尺度、取样密度及坡度对空间异质性分析结果的影响请对全文的语句、错别字、标点符号和内容

18、进行认真修改、补充和完善。参考文献(删去或替换2000年以前的文献,文献选本刊规定著录各信息)1张殿发, 欧阳自远, 王世杰. 中国西南喀斯特地区人口、资源、环境与可持续发展J. 中国人口资源与环境, 2001, 11(1):77-81.2苏维词. 中国西南岩溶山区石漠化的现状成因及治理的优化模式J. 水土保持学报, 2002, 16(2):29-32.3李昊, 蔡运龙, 陈睿山, 等. 基于植被遥感的西南喀斯特退耕还林工程效果评价-以贵州省毕节地区为例J. 生态学报, 2011, 31(12):3255-3264.4龚勤林,陈说. 西南喀斯特地区资源环境保护与生态文明建设研究J. 西部发展评

19、论, 2014(1):45-53.5高渐飞, 苏孝良, 熊康宁,等. 贵州岩溶地区的草地生态环境与草地畜牧业发展J. 草业学报, 2011, 11(6):93-101.6高雪峰, 武春燕, 韩国栋. 放牧对典型草原土壤中几种生态因子影响的研究J. 干旱区资源与环境, 2010, 24(4):130-134.7甘磊, 马蕊, 彭扬建, 等. 不同放牧强度下羊草和大针茅草原土壤含水量的空间变化J. 生态环境学报, 2015, 24(8):1274-1279.8肖洪浪, 李锦秀, 赵良菊, 等. 土壤水异质性研究进展与热点J. 地球科学进展, 2007, 22(9):954-960.9Western

20、 A W, Grayson R B, Blschl G, et al. Observed spatial organisation of soil moisture and its relation to terrain indicesJ. Water Resources Research, 1999, 35(3):797-810.Chen X, Zhang Z, Chen X, et al. The impact of land use and land cover changes on soil moisture and hydraulic conductivity along the k

21、arst hillslopes of southwest ChinaJ. Environmental Earth Sciences, 2009, 59:811-820.10Herbst M,Diekkrger B. Modelling the spatial variability of soil moisture in a micro-scale catchment and comparison with field data using geostatisticsJ. Physics and Chemistry of the Earth, 2003, 28:239-245.11Crave

22、A,Gascuel-Odoux C. The influence of topography on time and space distribution of soil surface water contentJ. Hydrological Processes, 1997, 11:203-210.Jia X, Shao M, Wei X, et al. State-space simulation of soil surface water content in grassland of northern Loess PlateauJ. Chinese Society of Agricul

23、tural Engineering, 2010, 26:38-44.12Bdossy A,Lehmann W. Spatial distribution of soil moisture in a small catchment. Part 1： geostatistical analysisJ. Journal of Hydrology, 1998, 206:1-15.王红敏, 谢应忠, 王堃. 不同类型人工草地小尺度土壤水分空间异质性特征研究J. 草地学报, 2013, 21(6):1052-1058.13Famiglietti J S, Rudnicki J W, Rodell M. V

24、ariability in surface moisture content along a hillslope transect：Rattlesnake Hill, TexasJ. Journal of Hydrology, 1998, 210:259-281.郭忠升, 邵明安. 半干旱区人工林草地土壤旱化与土壤水分植被承载力J. 生态学报, 2003, 23(8):1640-1647.14Qiu Y, Fu B, Wang J, et al. Soil moisture variation in relation to topography and land use in a hillsl

25、ope catchment of the Loess Plateau, ChinaJ. Journal of Hydrology, 2001, 240:243-263.15Western A W, Zhou S-L, Grayson R B, et al. Spatial correlation of soil moisture in small catchments and its relationship to dominant spatial hydrological processesJ. Journal of Hydrology, 2004, 286(14):113-134.16Gr

26、ayson R B, Western A W, Chiew F H S. Preferred states in spatial soil moisture patterns: Local and nonlocal controlsJ. Water Resources Research, 1997, 33:2897-2908.贺秋芳, 杨平恒, 袁文昊, 等. 微生物与化学示踪岩溶地下水补给源和途径J. 水文地质工程地质, 2009, 36(3):33-38. 17Gmez-Plaza A, Martnez-Mena M, Albaladejo J, et al. Factors regula

27、ting spatial distribution of soil water content in small semiarid catchmentsJ. Journal of Hydrology, 2001, 253(14):211-226.18Li G S, Harazono Y, Oikawa T, et al. Grassland desertification by grazing and the resulting micrometeorological changes in Inner MongoliaJ. Agricultural and Forest Meteorology

28、, 2000, 102(23):125-137.19Gao Q, Ci L, Yu M. Modeling wind and water erosion in northern China under climate and land use changesJ. Journal of Soil Water Conservation, 2002, 57:46-55.20Williams A G, Ternan J L, Fitzjohn C, et al. Soil moisture variability and land use in a seasonally arid environmentJ. Hydrological Processes, 2003, 17:225-235.21Hbrard O, Voltz M, Andrieux P, et al. Spatio-temporal distribution of soil surface moisture in a heterogeneously farmed Me