喀斯特地区土壤水分异质性研究进展

喀斯特地区土壤水分异质性研究进展西南大学生命科学学院摘要：西南喀斯特地区是一种受地质背景制约的脆弱生态环境，具有地表水缺乏、土层浅薄且不连续、植被覆盖率低等基本特征。

本文综述了对喀斯特地区土壤水分异质性的研究概况，并对退化原因和对喀斯特地区水分异质性的研究方法进行总结。

关键词：喀斯特地区；土壤水分异质性；研究方法引言土壤水指由地面向下至地下水面（潜水面）以上土壤层中的水分[1]。

土壤水是土壤最重要的组成成分之一。

俄国土壤学家道库恰耶夫就把土壤看作是历史自然体，赋予了土壤水及其存在的各种现象的特殊意义，并把土壤水变动的许多现象同整个土壤形成和发展规律联系起来[2]。

土壤水是土壤非常重要的性质之一，是土壤——植物——大气连续体的一个关键因子，是土壤系统养分循环和流动的载体。

土壤水分不仅会影响土壤的特性和植物的生长，而且会简介影响植物的分布和在一定程度上的小气候的变化[3]。

喀斯特地区是世界上主要的生态脆弱带之一。

我国是世界上卡斯特面积最大、分布最广的国家，其总面积达344.3万km2，主要集中分布在西南部，面积约55万km2。

该地区造壤能力较低，长期的喀斯特作用产生的水土资源不协调的双层空间结构。

在降雨充沛的西南喀斯特地区，由于缺乏植被系统的调节，再加上土层浅薄、土壤总量较少，储水能力低等原因，土壤水分亏缺是植被恢复重建的主要障碍[4]。

西南喀斯特山区土壤水分具有明显的时空变异性和派生性，其空间变异性与该地区复杂多变的地形地貌和类型多样性的小生境密切相关。

目前，对喀斯特地区土壤水分异质性的研究仍旧是一个热点问题，通过对不同喀斯特山地的水分异质性的探索，在分析喀斯特地区土壤水分特征及规律的基础上，概述西南喀斯特地区土壤水分研究现状，以促进该地区植被恢复重建和生态环境建设进程。

1.我国喀斯特地区土壤水分异质性研究概况水分是影响喀斯特地区植被生长的主要限制因素。

随着喀斯特地区以石漠化为主要特征的生态环境恶化的日益严峻，国内外都对该地区的水分特性及影响因素进行了研究[4]。

在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）和“十一五”规划纲要中，也明确将“岩溶生态脆弱区域生态系统功能的恢复重建”列为优先主题之一。

在此期间，土壤水分研究也逐渐得到部分专家的关注和重视。

国内喀斯特区土壤空间变异研究多集中在贵州省。

王膑、钱晓刚等对华江峡谷中不同植被覆盖下土壤水分的垂直分布、季节动态分布特征等，发现花江峡谷地区土壤水分分布受降水、蒸发、植被类型和植被长势的影响，表现出一定的时空变异性[5]。

杜雪莲、王世杰通过对清镇王家寨峰丛洼地内不同植被的土壤水分年变化，探讨了不同植被类型峰从坡面土壤水分的时空变化规律, 结果发现：各种植被类型的土壤水分年变化趋势大致相同, 主要受降雨和蒸散过程的影响, 但变化幅度存在差异[6]。

范新瑞、苏维词等用回归模型分析了贵州普定县不同利用类型0 - 50 cm土壤水分的动态变化规律，探讨了土壤水分空间变化的影响因子，发现坡面和洼地土壤水分呈现弱变异特征[7]。

以及蒋忠诚的《贵州六盘水岩溶山区石漠化与表层岩溶水循环相关性研究》；杨胜天的《喀斯特地区土壤退化过程中土壤水动力机制研究》；还有宋同清，彭晚霞等在《喀斯特峰丛洼地不同植被类型土壤水分的空间异质性分析》中研究了喀斯特峰丛洼地4个典型植被类型表层土壤（0-10cm）水分的空间异质特征，探讨了其生态学过程和机制，突出了不同的空间异质性导致了不同的分布格局，随着干扰强度的降低，植被产生了由农作物—人工林—次生林—原生林的变化，土壤水分显著提高，空间变异特征明显不同。

由于地形地貌和水文地质结构的复杂多变以及裸露岩石与浅薄土层的相互镶嵌，喀斯特生境具有高度异质性，土壤水分研究在方法和技术手段上还存在许多不足，还难以揭示不同地貌类型区、不同地质背景、不同退化程度小流域土壤水分运移规律及调控机理[4]。

2.喀斯特地区土壤水分异质性的特征及影响因子2.1喀斯特土壤水分的生态环境特征和空间分异特征西南喀斯特山区土壤水分生态环境受地质背景的制约，它与复杂的地形地貌和类型多样的小生境紧密相关。

喀斯特地区分布最广的两类岩石是石灰岩和白云岩。

白云岩的风化程度大大的超过石灰岩，溶蚀残余物质能相对均匀地分布于地表，但二元水文结构不发育，而石灰岩的渗透性较强，土层厚度较浅且分布不均匀，空间异质性较大。

喀斯特山区土壤与母岩之间界面明显，缺乏过渡层，结合力差，非常容易水土流失。

由于碳酸盐岩风化成土作用缓慢，致使这些地区土层瘠薄，一旦流失就很难恢复。

喀斯特土壤水分的空间分异分为三种，即水平分异，垂直分异和坡面分异。

喀斯特土壤表层水分水平分布特征有：①空间变异性。

呈斑块状分布，含量中等时变程较大。

空间异质性随水分含量增大而减小，上下层较中间层变异大，变异系数随土层深度增加而减小。

②空间相关性。

湿润时相关性中等，干旱时强烈；0-5cm土层中等，其余各层强烈。

③尺度效应。

空间结构随观测尺度变化而变化，半变异函数变程随采样间隔增大而增大。

垂直分异特征是土壤含水量岁土层深度的增加而增加，但是增加幅度逐渐减小。

坡面分异的特征为土壤含水量的坡面分布规律不明显，有坡顶高于坡脚的异常情况。

2.2影响喀斯特地区土壤水分的因子2.2.1干扰干扰在自然界是普遍存在的。

喀斯特地区由于其特殊的地质地貌条件，生态系统的稳定性和抗干扰性能较差，它与黄土、沙漠、寒漠并列为中国四大生态环境脆弱区，在人为的干扰下极其容易退化。

此外，该地区的植被大都生长在石灰岩石块、缝隙和悬崖峭壁等地，一旦出现退化，将难以恢复。

而由此导致的水分亏缺，对喀斯特地区生态系统的植被生长、植被恢复、水热平衡及稳定性都起着决定性的作用。

所以，西南峰丛洼地喀斯特区人地矛盾突出，水土流失严重，部分地带已经完全石漠化，一直以来都是喀斯特地区生态治理与重建的难点。

2.2.2土壤较薄，土壤库容较低李孝良等通过对西南喀斯特地区不同石墨化过程中典型土壤水利特征进行分析，结果表明：喀斯特地区土壤较薄，土壤总库容和有效库容较低，是石灰岩地区土壤易发生侵蚀性退化和干旱的重要原因。

通透库容占总库容的比例为: 未石漠化的荔波原始森林黑色石灰土>潜在石漠化的普定灌丛黑色石灰土、玉米地棕色石灰土>轻度石漠化的荔波玉米地黄红壤，石漠化的发展减弱了土壤抗侵蚀能力。

土壤层的厚度、土壤中的有机质含量、土壤颗粒组成以及0. 3~ 0 . 0 3 mm 孔隙度是影响土壤水分库容的主要因素。

喀斯特地区不同石漠化阶段的土壤由于受到干扰程度不同，其水分库容存在明显不同[8]。

在生态系统中，由于自然土壤和农业土壤的利用方式不同，位置分布也会有较大的差异，在土壤厚度上，农业用土要远高于自然用土，土壤水分库容是其持水特性与土层厚度综合计算的结果, 自然土壤虽有较好的水分特性, 但其土层较薄, 其持水能力受到影响。

2.2.3植被植被有调蓄水分的作用，不同植被土壤含水量不同。

林下草被对土壤水分起重要作用。

不同植被耗水情况不同，常绿树种耗水量春季＞夏季＞秋季＞冬季，落叶树种耗水量夏季＞春季＞秋季＞冬季；不同植被土壤的持水性能不同，林地土壤田间持水量是草地的2倍，灌丛土壤有明显的层间蓄补水能力；不同植被土壤水分变化不同，灌丛和草地保水能力强、变化幅度也小。

2.2.4地形地貌受地质背景的制约，喀斯特地区成土过程缓慢，土层较薄。

前人通过对研究区调查的地形要素进行相关性分析表明，土层厚度与裸岩率均呈极显著负相关，相关系数为-0.354(P<0.01)；而裸岩率与相对高程则呈极显著正相关，这可能是由于研究区内土被不连续，且在较大岩石裂隙中保留了风化残余土，即所谓的“石碗土”。

另外，喀斯特地区陡坡较多，一般而言，坡度越陡水分越容易流失，土壤含水量就越低由于重力的作用，山顶水分含量低于山脚。

然而在西南喀斯特区，受其他因素的影响，现有研究中存在看似矛盾的结论土壤含水量随坡度增加而减小，植被类型相对一致的条件下，坡位的影响较小，同一坡面不同坡位水分差异不显著。

以上结论表明喀斯特土壤水分异质性是多因素综合影响的结果。

3.喀斯特地区土壤水异质性研究方法3.1地统计学方法地统计学是以具有空间分布特点的区域化变量理论为基础，研究自然现象的空间变异与空间结构的一门学科。

它是分析土壤空间变异的强有力手段。

许多研究者从不同尺度上分析了不同土壤类型、不同地形、不同植被以及不同土地利用方式下土壤水分的空间变异性。

地统计学是在传统统计学基础上发展起来的空间分析方法，它不仅能有效地揭示属性变量在空间上的分布、变异和相关特征，而且可有效地解释空间格局对生态过程与功能的影响。

运用地统计学进行空间分析主要包括4个步骤。

①数据的预处理。

包括正态分布检验和异常值的剔除。

正态分布检验主要通过频率分布图、非参数检验等方法，这个过程最容易发现的问题是数据的集聚以及异常点的出现。

通常，可利用适当的变换(如对数变换)来解决。

②空间自相关分析。

通过空间自相关分析可以初步确定土壤空间依赖性的程度。

如果空间自相关分析显示，土壤性质在各滞后距上空间不相关，则说明需要调整采样间距与尺度。

③计算数据的实验半变异函数并建立理论模型，对模型进行结构分析及专业解释。

④采用kriging 方法对未知点进行无偏最优插值，进行不确定性预测，制作kriging 方差分布图[9]。

3.2遥感利用遥感技术来认识土壤水空间异质性。

遥感技术是获取非均匀下垫面、非均匀介质参数最有效、最经济的方法，是监测大尺度区域土壤水分的有效技术，微波遥感已经在土壤水分时空变化的制图中得以应用；然而，遥感技术只能确定近地表( 0 ~ 15 cm ) 层的土壤水，而且空间分辨率至今仍然不能满足科研需求，为此遥感反演、尺度转换等技术得以快速发展。

现有的遥感技术还必需配合地面调查和观测，结合GIS、驱动数据库、遥感反演和模拟等技术集成，才能有效地认识区域土壤水资源。

Williams等曾使用单一参数模型讨论过不同质地土壤水分特征曲线的尺度转换；近些年从土壤孔隙到流域的土壤水尺度转换理念、方法和技术逐渐发展[10]。

4.喀斯特地区土壤水分异质性的研究热点4.1 时空异质性随着遥感技术的发展，利用遥感手段来认识土壤水分异质性已经成为了全球应用的一个热点。

但是，由于遥感分辨率的制约，难以辨别土壤质地、结构和土体构型等要素，地面调查仍然是非常必要的手段。

认识不同时间尺度的土壤水分动态特征通常依靠生态系统定位观测, 通过土壤水分的直接或间接测定土壤——植被——大气系统模型的估算获取各时间尺度的测点土壤水分数据。

4.2驱动因子异质性根据土壤水分异质性驱动因子的尺度、过程和机理可将驱动因子概括为土壤本身的性质、土壤环境和生物因子3个方面。