橡膠單作與間作種植模式土壤水分的空間變異性研究①

吳炳孫 馮家東 王晶晶 王桂花

（1中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所農(nóng)業(yè)部橡膠樹(shù)生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地-海南省熱帶作物栽培生理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部儋州熱帶作物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站 海南儋州 571737；2海南大學(xué)林學(xué)院 海南海口 570228；3中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所 海南?？?571101）

海南省天然橡膠的種植面積超過(guò)53萬(wàn)hm2［1］，其林下有巨大的發(fā)展空間。在膠價(jià)低迷常態(tài)化下，發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)是一種有效提高膠園綜合效益的途徑，其中膠園林下間作能同時(shí)充分利用膠園的水肥光熱資源，還能提高膠園經(jīng)濟(jì)效益，已成為提高橡膠生產(chǎn)效益的一項(xiàng)重要措施［2］。

土壤水分是土壤各種生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的重要影響因子［3］，也是橡膠林吸收養(yǎng)分的必需載體，對(duì)橡膠林生長(zhǎng)有重要影響。土壤水分受到氣候、植被、地形等自然因素及施肥、耕作、灌溉等人為因素共同影響［4］，在不同空間位置上具有明顯的差異，具有空間變異性。橡膠間作復(fù)合種植對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響［5-8］，尤其對(duì)土壤水分利用方面，研究表明膠園間作能顯著提高土壤含水量，還能提高橡膠樹(shù)水分利用效率［9］，但膠園間作對(duì)土壤水分空間變異的影響未見(jiàn)報(bào)道，為此以膠園間作益智為研究對(duì)象，橡膠單作為對(duì)照，采用地統(tǒng)計(jì)方法分析空間異同性，探明空間分布特性及合理采樣數(shù)量，為膠園間作土壤水分評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)，而且也為科學(xué)開(kāi)展橡膠林的土壤水分和培育管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣區(qū)位于海南省西部中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)三隊(duì)（19°32′47″N，109°28′30″E），海拔高度為114 m，地形平坦，土壤為花崗巖磚紅壤，土層厚度約100 cm，多為沙質(zhì)黏壤土。屬典型熱帶海島季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.5～24.1℃，年日照時(shí)間2 450.0 h，無(wú)霜期365d，受熱帶季風(fēng)影響旱雨季分化明顯，一年當(dāng)中5～10月份是雨季，11月至翌年4月為旱季，年均降水量約1 500～1 900 mm，雨季降雨量占全年降雨量80%以上，干季降雨量少。選取益智-橡膠復(fù)合種植（以下簡(jiǎn)稱益-膠）與橡膠單作為研究樣地，研究樣地的橡膠林品系均為熱研7-33-97，2005年種植，2012年開(kāi)割，橡膠樹(shù)種植規(guī)格均3.0 m×7.0 m，地勢(shì)平坦、海拔高度一致，樣地相距500 m內(nèi)，其中益智-橡膠復(fù)合種植樣地的益智（Alpinia oxyphylla Miq.）間作距離橡膠樹(shù)約2 m左右，種植規(guī)格為1.5 m×1.5 m，冠高1.2 m左右；橡膠單作樣地林下為草本層，草本層冠高約為0.2 m左右。

1.2 土壤水分采樣方法

在益智-橡膠復(fù)合種植樣地和橡膠單作樣地分別設(shè)置30 m×70 m面積為取樣區(qū)，即橡膠樹(shù)11行×11株的范圍區(qū)域。取樣位置位于橡膠樹(shù)行間，在每行間的南北方向以離橡膠樹(shù)0.5 m為起始線，沿著南北方向間隔2 m，東西方向間隔3 m劃分網(wǎng)格（圖1），每行間共劃分30個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)樣地共布設(shè)300個(gè)取樣網(wǎng)格。于連續(xù)幾天晴天、無(wú)降雨的2020年8月30日在每個(gè)網(wǎng)格的中心用TDR300土壤水分測(cè)定儀隨機(jī)測(cè)3個(gè)點(diǎn)0～10 cm深度土壤含水量，將3個(gè)點(diǎn)的平均數(shù)據(jù)代表該網(wǎng)格樣點(diǎn)的樣本值。

1.3 空間變異分析

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用最廣泛的空間格局描述的基本工具［10-12］，其計(jì)算公式如下：

式（1）中，γ(h)為半方差函數(shù)值；N(h)是間距為向量h的點(diǎn)對(duì)總數(shù)；Z(xi)為區(qū)域化變量Z在xi處的實(shí)測(cè)值；Z(xi+h)是與xi距離為向量h處樣點(diǎn)的值。

圖1 三行橡膠樹(shù)間的土壤含水量測(cè)定樣點(diǎn)示意圖

基臺(tái)值（sill，C0+C）、塊金值（nugget，C0）和變程（range）是半方差函數(shù)中重要的參數(shù)，其中基臺(tái)值表示變量在空間上的總變異性大小，塊金值則反映隨機(jī)因素引起的空間變異，變程表示空間變異的范圍。而塊金值與基臺(tái)值的比值［C0/（C0+C）］的大小，又稱塊金效應(yīng)，可確定結(jié)構(gòu)性因素（如成土母質(zhì)、氣候、地形等自然因素）與隨機(jī)性因素（如耕作措施、施肥及種植制度等人為因素）在空間變異的主導(dǎo)性。一般認(rèn)為，該比值＜0.25時(shí)，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，即要素空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；比值為0.25～0.75時(shí)，具有中等程度的空間自相關(guān)，即要素的空間變異受到結(jié)構(gòu)性因素與結(jié)構(gòu)性因素共同影響；比值＞0.75時(shí)，空間自相關(guān)性很弱，即要素的空間變異主要受隨機(jī)性因素影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理與制圖

土壤水分含量的描述性統(tǒng)采用SPSS（17.0）計(jì)算，半方差函數(shù)擬合與分析在GS+9.0完成，空間制圖由ArcGIS10.6實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠園單/間作模式土壤水分統(tǒng)計(jì)特征

各膠園樣地土壤含水量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。橡膠間作模式的土壤含水量顯著高于橡膠單作（p＜0.05），其中，益-膠復(fù)合樣地土壤含水量均值為21.92%，而橡膠單作樣地為19.96%。益-膠復(fù)合樣地和橡膠單作樣地土壤含水量的變異系數(shù)分別為12.28%、9.55%，均小于25%，屬于弱變異性。經(jīng)樣本Kolmogorov-Smirnov（K-S）正態(tài)檢驗(yàn)和對(duì)數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果表明，各樣地土壤含水量呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

表1 橡膠單作與間作模式的土壤水分的描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 橡膠園單/間作模式土壤水分含量的空間異質(zhì)性分析

運(yùn)用GS+9.0對(duì)各樣地土壤水分含量的半方差函數(shù)進(jìn)行反復(fù)模擬，獲取最優(yōu)半方差擬合函數(shù)參數(shù)（見(jiàn)表2）和擬合曲線（見(jiàn)圖2），其中橡膠單作樣地的土壤水分空間變異用指數(shù)模型擬合較優(yōu)，而益-膠復(fù)合樣地則為球形模型擬合較優(yōu)。益-膠復(fù)合樣地的塊金值大于橡膠單作樣地，較大的塊金值可能與間作益智人為干擾有關(guān)，反映出在小于2 m研究尺度上存在作物的株間差異和土壤擾動(dòng)等影響。另外，塊金值與基臺(tái)值之比（塊金效應(yīng)）表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例。益-膠復(fù)合樣地的塊金值與基臺(tái)值之比為28.39%，表明土壤水分具有中等程度的空間相關(guān)性，說(shuō)明結(jié)構(gòu)性（如地形、降水、氣溫等自然因素）和隨機(jī)性因素（如施肥、耕作模式等人為因素）共同引起的空間變異，而橡膠單作樣地的塊金值與基臺(tái)值之比為12.63%，說(shuō)明土壤水分具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，這主要是由自然因素引起空間變異，并且顯著小于益-膠復(fù)合樣地，表明橡膠園間作作物會(huì)削弱自然因素引起的土壤水分空間變異性。

表2 橡膠單作與間作模式的土壤水分半方差擬合函數(shù)參數(shù)

圖2 不同膠園土壤水分半變異函數(shù)圖

2.3 橡膠園單/間作模式土壤水分空間分布特性

根據(jù)各膠園半方差模型擬合的參數(shù)繪制出橡膠單作與間作模式的土壤水分含量空間分布圖（圖3～4），從圖3、圖4中可以看出各膠園土壤含水量表現(xiàn)出一定的空間異質(zhì)性，益-膠復(fù)合膠園土壤水分空間異質(zhì)性較橡膠單作膠園土壤水分強(qiáng)度高，且益-膠復(fù)合膠園土壤含水量也比橡膠單作膠園高。橡膠單作膠園土壤水分空間分布呈大圖斑分布，碎片化圖斑較少，空間聚群少，行間與非行間土壤含水量差異不顯著（F=0.011，p＞0.05），整體空間變異小，這可能與橡膠單作地表覆蓋為草本層，草本層密集且單層覆蓋，影響單一使土壤含水量空間變化不大。而益-膠復(fù)合膠園土壤水分空間分布呈多環(huán)圖斑分布，一般由內(nèi)環(huán)土壤含水量低逐漸向外環(huán)土壤含水量高擴(kuò)散，且存在以內(nèi)環(huán)為中心多環(huán)擴(kuò)散形式的多個(gè)空間聚群區(qū)域，呈明顯的階梯狀且連續(xù)性較好，這可能與間作益智使橡膠園呈多層立體冠層相關(guān)，相比橡膠單作橡膠園，增加了益智冠層，影響橡膠園內(nèi)降水分配與地表蒸發(fā)，造成空間上存相關(guān)性，導(dǎo)致斑塊變化相似，連續(xù)性好，這也是使變程較大的原因。

2.4 橡膠園單/間作模式土壤水分合理采樣數(shù)量

土壤存在空間變異性，通過(guò)增加土壤采樣數(shù)量可以提高估算土壤含水量精度，但需消耗大量的勞力與財(cái)力，而樣本數(shù)太小，則又會(huì)造成估算不精確。因此科學(xué)地確定采樣數(shù)量對(duì)實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。根據(jù)區(qū)域隨機(jī)抽樣理論，一般采用Cochran提出針對(duì)隨機(jī)采樣而構(gòu)建的采樣數(shù)量計(jì)算公式［13］。

式（2）中：n為合理采樣數(shù)量；CV為土壤含水量的變異系數(shù)；tα/2表示顯著性水平為α、自由度為n-1條件下的t分布分位數(shù)；E表示估計(jì)均值的允許誤差。

根據(jù)計(jì)算公式，設(shè)定95%和90%2種置信水平，以及相對(duì)各膠園土壤含水量均值的1%、5%和10%等3種允許誤差等級(jí)，分別計(jì)算了益-膠復(fù)合膠園和橡膠單作膠園所需的合理采樣點(diǎn)數(shù)量（表3）。由表3可知，在相同置信水平與允許誤差下，益-膠復(fù)合膠園的所需采樣數(shù)量均大于橡膠單作膠園，且隨允許誤差等級(jí)的增加其差值而迅速減少，如在95%置信水平時(shí)，益-膠復(fù)合膠園所需采樣數(shù)量在1%、5%和10%允許誤差等級(jí)分別比橡膠單作膠園大231、9和2。在兩置信水平上，各膠園所需采樣點(diǎn)數(shù)量均隨允許誤差的增加而迅速減少，其中誤差由1%增加為5%時(shí)，采樣點(diǎn)減少幅度最大，如在95%置信水平，益-膠復(fù)合膠園和橡膠單作膠園所需的合理采樣點(diǎn)數(shù)量分別減少563、341個(gè)。

圖3 橡膠單作膠園土壤水分含水量空間分布圖

圖4 益智-橡膠復(fù)合種植膠園土壤水分含量空間分布圖

3 討論與結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)益智-橡膠復(fù)合種植膠園與橡膠單作膠園土壤水分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析及空間異質(zhì)性分析發(fā)現(xiàn)，橡膠間作對(duì)膠園土壤水分含量及空間分布有重要影響。相比橡膠單作，橡膠間作益智能顯著提高土壤含水量，0～10 cm土層土壤提高9.82%，這與前人研究結(jié)果一致［6］。橡膠間作膠園土壤含水量顯著高橡膠單作膠園，這可能因?yàn)橄鹉z間作復(fù)合種植膠園存在多層植被，本研究中益智冠層高1.2 m，且?guī)缀跬耆采w膠園行間，多層植被覆蓋可以很大程度上減弱表層土壤水的蒸發(fā)［8］，從而增強(qiáng)土壤的保水能力。橡膠單作膠園土壤水分的塊金值/基臺(tái)值比為12.63%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，主要由自然因素引起空間變異；而益智-橡膠復(fù)合種植膠園土壤水分的塊金值/基臺(tái)值比為28.39%，具有中等程度的空間相關(guān)性，受到自然因素與人為因素共同影響，可見(jiàn)橡膠間作益智的塊金值/基臺(tái)值比顯著大于橡膠單作，說(shuō)明橡膠園間作作物會(huì)削弱自然因素引起的土壤水分空間變異性。這可能因?yàn)橥寥捞匦跃哂袝r(shí)間和空間的變化特征，其變化特征取決于自然因素（如土壤母質(zhì)、地形、氣候等）和人為因素（如土壤施肥、耕作、灌溉等）的綜合作用［14-15］，本研究中間作益智時(shí)常要進(jìn)行施肥、摘果等農(nóng)事活動(dòng)，人為頻繁干擾土壤，同時(shí)益智根系主要分布在0～20 cm土層，根系生長(zhǎng)活動(dòng)也深刻影響土壤，提高了人為因素引起的土壤水分空間變異性，導(dǎo)致膠園土壤水分空間變異增大。益智-橡膠復(fù)合種植膠園的土壤水分空間分布上呈明顯的階梯狀且連續(xù)性較好，且存在以內(nèi)環(huán)為中心多環(huán)擴(kuò)散形式的多個(gè)空間聚群區(qū)域，空間變異大，而橡膠單作膠園呈大圖斑分布，碎片化圖斑較少，空間聚群少，空間變異小。說(shuō)明間作益智顯著影響土壤水分空間分布，使土壤水分在空間上以某優(yōu)勢(shì)植被或某區(qū)域?yàn)橹行南蛲鈹U(kuò)散變化，這可能與間作益智增加了益智冠層，使橡膠園呈多層立體冠層，影響橡膠園內(nèi)降水分配與地表蒸發(fā)，同時(shí)益智生長(zhǎng)發(fā)生蒸騰吸水，造成土壤水分空間上存相關(guān)性，導(dǎo)致斑塊變化相似，連續(xù)性好。

表3 估算各膠園土壤水分均值所需要的樣本數(shù)量

合理采樣點(diǎn)數(shù)量的確定是優(yōu)化土壤采樣調(diào)查方案的基礎(chǔ)。本研究在益智-橡膠復(fù)合種植膠園和橡膠單作膠園等樣地小尺度上，通過(guò)設(shè)定95%和90%2個(gè)置信水平上估算了1%、5%和10%3種估算誤差等級(jí)所需的土壤水分合理采樣點(diǎn)數(shù)量，發(fā)現(xiàn)益智-橡膠復(fù)合種植膠園的所有合理采樣點(diǎn)數(shù)量均比橡膠單作膠園大，這是因?yàn)橐嬷?橡膠復(fù)合種植膠園的土壤水分變異系數(shù)大，要達(dá)到一定的精度需通過(guò)增加采樣數(shù)量減少誤差。一般取95%置信水平且采樣精度為均值5%條件下為合理采樣數(shù)量，益智-橡膠復(fù)合種植膠園和橡膠單作膠園土壤水分的合理采樣數(shù)量分別為23個(gè)和14個(gè)，但是制定土壤采樣方案時(shí)，要結(jié)合土壤水分空間變異性大小，根據(jù)所需的置信水平和允許誤差來(lái)共同確定區(qū)域合理采樣點(diǎn)數(shù)量。