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西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 摘要 我国是世界上石漠化危害最严重的国家之一，涉及8 省( 区、市) 的4 5 1 个 县，石漠化土地面积1 2 9 6 万平方公里；石漠化导致水土流失严重，植被退化， 生物多样性降低，耕地减少等生态环境问题，已对我国西南地区的生态环境安全 构成严重威胁。岩溶石漠化地区植被生长的主要限制因子是土壤，与土壤质量相 比，土壤数量对植被生长的影响更为关键，因此，土壤厚度的空间变异特征及其 分布情况是以生物措施为主的石漠化综合治理工程合理布局的重要依据。 本文以贵州省金沙县鸟箐河小流域为研究区，通过实地土壤厚度调查，植被 调查，结合地统计学和经典统计学方法研究了岩溶高原石漠化小流域中土壤厚度 的空间变异规律及其分布格局；探讨了影响土壤厚度空间分布特征的主要影响因 素及其相互作用机制；并进行了小流域土壤厚度空间分布预测性制图，分析了土 壤厚度空间分布现状。结果表明： 研究区土壤厚度总体呈中等强度空间变异，个别样地属强度变异，具有良好 的半方差结构，其变异趋势大致为随着坡位的降低而逐渐减小。坡耕地土壤厚度 空间相关性相对较好，存在一定的连续性；荒山和人工意杨林的空间变异程度均 较大，呈明显的斑块状分布。除了个别样地可以用高斯模型和球状模型拟合外， 其余样地均可用指数模型拟合，且拟合效果较好( r 2 o 8 ) 。 坡度、植被盖度以及岩石裸露率与研究区土壤厚度存在明显相关性，土壤厚 度随着坡度的增大，植被盖度的降低，岩石裸露率的增加而逐渐变薄；半方差模 型结合相关性分析可以看出，影响研究区土壤厚度空间分布的主要因素是坡度、 岩石裸露率、植被类型、盖度及人为干扰等。 研究区土壤厚度分布在3 c m 一4 5 c m 之间，土壤厚度较薄的区域主要分布在流 域的中间以及偏西位置，流域东部以及北部土壤厚度相对较厚；多元线性回归分 析结合地统计学克里格( k r i g i n g ) 插值可以较好的描述研究区土壤厚度空间分布 情况。 关键词：喀斯特石漠化；岩溶高原；土壤厚度；空间异质性；半变异函数；预测 性制图 l i 专业硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ai so n eo ft h em o s ts e r i o u sk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o ni nt h ew o r l d ，i n c l u d e 4 51c o u n t i e so f8p r o v i n c e k a r s tr o c k yd e s e r t i f i e a t i o na r e ao f12 9 6m i l l i o ns q u a r e k i l o m e t e r s ，a n dn o wi ti ss t i l ld e v e l o p i n gf a s t e ra n df a s t e r t h i sn o to n l yc a u s e dt h e l o s so fw a t e ra n ds o i l ，b i o d i v e r s i t ys p e c i e sd e c r e a s ea n dt h er e d u c eo fc u l t i v a t e dl a n d ， b u ta l s or e s t r i c tt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a n dh a sf o r m e dt h e v i c i o u sc i r c l eo f p o v e r t ya n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h eg r o w t ho fv e g e t a t i o ni sm o s t l ya f f e c t e db y s o i l ，e s p e c i a l l yi nk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o na r e a ，t h ea m o u n to fs o i ld i r e c t l yd e c i d e t h ed i s t r i b u t i o no fv e g e t a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fs o i lt h i c k n e s sp r o v i d et h et h e o r v b a s i sf o re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni nk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o na r e a ac a s es t u d yw a sc o n d u c t e di nw u q i n g h es m a l lw a t e r s h e di ng u i z h o u p r o v i n c e ， c h i n a t h ea i mo ft h i ss t u d yw a st oc h a r a c t e r i z et h e s p a t i a lv a r i a b i l i t yc o n s t r u c t i o n a n dd i s t r i b u t i n g p a t t e r no fs o i l t h i c k n e s so ft h ek a r s th i g h l a n da r e a s t h es o i l t h i c k n e s sw a sm e a s u r e di no c t o b e r , 2 0 10a n di tw a sa n a l y z e db yu s i n gt r a d i t i o n a l s t a t i s t i c sa n dg e o s t a t i s t i c sm e t h o d t h i ss t u d ya l s o a n a l y s i st h em a i nf a c t o r so f s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs o i lt h i c k n e s s ，a n dt h es o i lt h i c k n e s sw a sp r e d i c t e db yk r i g i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h eo v e r a l ld e g r e eo fs p a t i a lv a r i a b i l i t yi sm o d e r a t e w h i l ea f e wh a ds t r o n gv a r i a b i l i t y a l lt h r e el a n d u s et y p e sh a dg o o ds e m i v a r i a n c es t r u c t u r e a n dt h es p a t i a lv a r i a b i l i t yd e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo fs l o p e p o s i t i o n t h es p a t i a i c o r r e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts l o p i n gf a r m l a n di s r e l a t i v e l ys i g n i f i c a n t ，a n ds p a t i a l c o n t i n u i t yi sa l s oo b s e r v e d i nc o n t r a r y ，s o i lt h i c k n e s sv a r i e ds h a r p l yi nt h eb a r r e n h i l l y a n dp o p l a r p l a n t a t i o n ，a n di t ss p a t i a lp a t t e r nc a m eo u ta s f r a g m e n t i z e d d i s t r i b u t i o n s a l ls a m p l i n gl a n d sc o u l db ew e l le x p r e s s e d b ye x p o n e n t i a lm o d e l ( r 2 0 8 ) e x c e p ti n d i v i d u a ll a n dw h i c hf i tw i t hs p h e r i c a lm o d e la n dg a u s s i a nm o d e l s o i lt h i c k n e s sh a ss i g n i f i c a n tr e l a t i o n s h i p sw i t hs l o p e ，c o v e r a g eo fv e g e t a t i o n a n dt h ed e g r e eo fb a r er a c k ，s o i lt h i c k n e s sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs l o p e a n d t h e d e g r e eo fb a r er o c k ，i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc o v e r a g eo fv e g e t a t i o n a n a l y s i so fs e m i v a r i a n c ea n dc o r r e l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs o i l t h i c k n e s si n t h i s r e g i o ni sm o s t l yi n f l u e n c e db ys l o p e ，t h ed e g r e eo fb a r er a c k c o v e r a g eo fv e g e t a t i o na n dh u m a n c a u s e dd i s t u r b a n c ef a c t o r s t h et h i c k n e s so fs o i li ns t u d ya r e am a i n l yr a n gf r o m3 c mt o4 5 c m ，t h et h i n n e r a r e am a i n l yd i s t r i b u t e di nt h em i d d l eo ft h es t u d yw a t e r s h e d ，a n da l s ot h e w e s t i i i p o s i t i o n t h es o i lt h i c k n e s si sr e l a t i v e l yt h i c ki nt h e n o r t ha n de a s to ft h es t u d ya r e a t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs o i lt h i c k n e s se a nb ew e l ld e s c r i b e db y u s i n g l i n e a r r e g r e s s i o na n a l y s i sa n dg e o - s t a t i s t i c s ( k r i g i n g ) m e t h o d k e yw o r d s ：k a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ；k a r s th i g h l a n da r e a s ；s o i lt h i c k n e s s ；s p a t i a l v a r i a b i l i t y ；s e m i v a r i a n c e ；p r e d i c t i v em a p p i n g l v 专业硕士学位论文 插图索引 图1 1 技术路线图6 图1 2 论文组织结构7 图2 1 研究区位置图一8 图2 2 小样地采样点分布图1 0 图2 3 样地信息图1 1 图3 1 土壤厚度等级百分比与累计百分比1 4 图3 2 各样地土壤厚度分布图1 4 图3 3 坡耕地土壤厚度半方差理论模型1 7 图3 4 荒山土壤厚度半方差理论模型1 8 图3 5 意杨林土壤厚度半方差理论模型1 8 图3 6 坡耕地土壤厚度分布图2 0 图3 7 荒山土壤厚度分布图2 0 图3 8 意杨林地土壤厚度分布图2 1 图4 1 植被盖度与土壤厚度的关系图2 3 图4 2 岩石裸露率与土壤厚度的关系图2 5 图4 3 土壤的地下漏失2 5 图4 4 坡度与土壤厚度的关系图2 7 图4 5 坡耕地土壤厚度沿坡面变化图2 8 图4 6 荒山土壤厚度沿坡面变化图2 8 图4 7 意杨林土壤厚度沿坡面变化图2 9 图5 1 土壤厚度分布直方图3 4 图5 2 土壤厚度分布正态q q 图3 4 图5 3 土壤厚度分布趋势图3 5 图5 4 小流域土壤厚度预测图3 7 v l l 西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 附表索引 表2 1 样地信息调查表1 0 表3 1 土壤厚度描述性统计表1 5 表3 2 土壤厚度半方差分析参数表1 6 表4 1 土地利用信息表2 6 表5 1 v a r i a b l e se n t e r e d r e m o v e d ( 进入剔除变量表) 3 2 表5 2 样地信息调查表m o d e ls u m m a r y ( 模型统计量表) 3 2 表5 3 a n o v a ( 方差分析表) 3 2 表5 4 r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t s ( 回归方程系数表) 3 2 表5 5 模型误差分析表3 5 表5 6 插值结果误差分析表3 8 v i l l 专业硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 喀斯特石漠化( k a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ) 是土地荒漠化的主要类型之一， 与北方的荒漠、黄土和冻土并称为中国的四大生态环境脆弱带【】。喀斯特石漠化 即石质荒漠化，是指在热带、亚热带湿润、半湿润气候条件和岩溶极其发育的自 然背景下，受人为活动干扰，地表植被遭受破坏，造成土壤侵蚀程度严重，基岩 大面积裸露，土地退化的表现形式u j 。 我国是世界上石漠化危害最严重的国家之一，涉及8 省( 区、市) 的4 5 1 个 县，石漠化土地面积1 2 9 6 万平方公里，分布集中在黔、滇、桂三省区，占全国 总数的6 6 1 3 ；现在仍以每年2 4 的速度扩展，发展速度惊人，危害程度相 当严重，同时还存在潜在石漠化土地面积1 2 3 4 万平方公里，受石漠化危害影响 人群高达2 2 亿；石漠化不仅导致水土流失严重，植被退化，生物多样性降低， 耕地减少等生态环境问题，而且使社会经济的发展受到严重制约，人和自然的矛 盾日益突出，造成生态环境的脆弱与经济贫困的恶性循环，已对我国珠江流域， 长江流域的生态安全造成严重威胁，引起全社会的广泛关注p j 。 土壤是植被生长的主要限定因子，特别是在喀斯特石漠化地区，土壤养分含 量并不低，土壤数量的多少成为影响植被生长的关键因素。因此，土壤厚度空间 分布成为以生物措施为主的石漠化综合治理工程合理布局的重要依据。2 0 0 8 年国 务院正式批复了岩溶地区石漠化综合治理工程规划大纲，明确了石漠化治理的 目标，任务和政策措施。国家林业局也启动了岩溶地区石漠化综合治理林业专 项计划，提出以林草植被保护与石漠化综合治理为突破口，通过植被管护，封山 育林育草，人工造林，发展生态旅游业，科技支撑体系建设等措施治理，到2 0 1 5 年完成石漠化治理面积7 万平方公里的战略目标。全国范围内8 省区制定了石漠 化综合治理规划，已有1 0 0 个县启动了石漠化治理工程。目前，项目实施近4 年， 据笔者实际调查发现，实施的治理项目中，以人工营造经果林为主，但栽植的苗 木生长良莠不齐，有些区域并没有得到很好的石漠化综合治理效果。 现有的石漠化治理工程没有得到很好的成效，其主要原因在于石漠化地区土 壤侵蚀规律等重大基础理论问题并没有取得突破性发展，现有的治理措施缺少理 论指导和数据支持。在石漠化地区，严重的土壤侵蚀导致本来已经十分瘠薄的土 层变得更薄甚至完全流失，基岩裸露，土地生产力不断下降。土壤厚度变薄是土 壤侵蚀的结果，研究土壤厚度分布规律及其与地形，地貌等自然因子和人类活动 因子的相互作用机制，对于揭示石漠化地区的土壤侵蚀机理具有重要的作用。 西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 综上所述，针对我国石漠化现状，开展土壤厚度空间变异特征及分布规律的 相关研究，不仅能丰富我国石漠化相关研究的理论内涵，具有重大科学意义，而 且为石漠化综合治理工程的合理布局提供理论依据，是我国石漠化治理工作的迫 切需求。 1 2 研究现状综述 1 2 1 国内外岩溶石漠化相关研究进展 石漠化是世界上最为严重的生态问题，号称“地球癌症，岩溶地区石漠化是 当今国际地学，生态学研究的热点。我国西南岩溶地区是全球三大岩溶集中分布 区( 欧洲地中海沿岸，美国东部，中国西南部) 中基岩裸露面积最大的区域，也 是我国脆弱生态环境治理，国土整治的重点区域。 国外岩溶地区人口和贫困的压力相对较小，其生态环境问题和造成的危害相 对较轻，欧洲在早期研究中占主导地位，主要侧重于对岩溶地区形成的地质原因， 地形地貌特征，水文规律，发育过程等方面。1 9 7 9 年h e l e g r a d 首次提出了岩溶 地区的生态环境问题，1 9 8 3 年美国科学促进会年会正式把岩溶地区与沙漠边缘地 区共同列为生态环境脆弱区域，同年我国学者也举行了讨论岩溶生态系统脆弱性 的学术会议，至此，围绕石漠化地区的生态治理的相关研究随之大量展开，并成 为该领域的重要趋势；进入9 0 年代岩溶方面的研究得到了很大的发展，一些重要 的国际组织如联合国教科文组织( u n e s c o ) 和国际地质学联合会( i u g s ) 等把岩 溶地区生态环境研究纳入重要计划，使岩溶方面的研究从地球科学的系统论角度 扩展到对岩溶环境基础性理论的研究和对岩溶生态系统脆弱性和岩溶地区的环境 退化、生态重建研究等方面的研究，岩溶研究重点和热点转向了系统性和应用性 1 4 1 。先后开展了“地质，气候，水文与岩溶形成 ，“岩溶作用与碳循环”，“全球 岩溶生态系统对比 ，“岩溶含水层与水资源全球研究 等项目研究【5 4 l 。与国外相 比较，我国西南石漠化地区面临着环境退化与经济贫困的双重压力，受影响人群 较多，且属于少数民族地区，问题要复杂，尖锐。我国研究者结合社会，经济发 展需要，对喀斯特石漠化水文地质，工程地质，地球物理勘探，喀斯特洞穴，喀 斯特发育理论等做了大量研究【1 0 1 3 】。研究成果在喀斯特石漠化形成背景，演化与 治理1 8 , 9 1 ，石漠化驱动因子【1 4 16 1 ，石漠化地区土壤侵蚀特性17 1 ，岩性与石漠化土 地空间相关性【18 1 ，石漠化危险度评价【1 9 1 ，石漠化的防治与恢复重建技术f 2 0 1 等方 面取得较大进展。 3 s 技术的发展，为喀斯特地区的研究带来了空前的活力，在喀斯特岩溶石漠 化的调查与动态监测等领域发挥很大作用，目前应用r s 和g i s 建立土壤侵蚀模 型来估算喀斯特地区土壤侵蚀量【2 l 】方面的研究也取得很大的进展，为喀斯特石漠 化水土流失机理研究奠定了坚实的基础，研究成果为我国南方岩溶石漠化研究提 2 专业硕士学位论文 ! ! ! ! ! = = 目= = ! ! ! l e = = 目= = g = e ! j = = = = ! ! ! ! j = e i e = _ i 目e e 目e 目e 目_ e # ! j | 目e = = = ! ! = = = = = = = ! ! ! ! e = = = = = = ! = = = = = ! ! _ 供了思路和方法，为石漠化治理累积了经验。我国各级政府对石漠化治理也非常 重视，“十五”科技攻关计划“中国西部重点脆弱生态区综合治理技术与示范 把 喀斯特( 岩溶) 石漠化地区综合治理纳入重点内容，在岩溶峰丛洼地和岩溶高原 进行了生态重建与治理技术方面取得重大研究进展；“十一五”科技支撑计划“典 型脆弱生态系统重建技术与示范”重点研究了“喀斯特高原退化生态系统综合整 治技术与模式”，“喀斯特峰丛山地脆弱生态系统综合整治技术与模式”，“重庆地 区喀斯特山地退化生态系统综合整治技术与模式”，形成了一些技术规程与模式， 并且对治理结果进行评价1 2 引。 纵观当前国外岩溶相关研究偏重于岩溶地区形成的地质原因、地形地貌特征、 水文规律、发育过程等方面，由于国外岩溶地区人口压力小，所以关于石漠化治 理方面的研究并不多见。当前国内岩溶石漠化相关研究，成果主要偏重于定性描 述石漠化地区所面临的困难和问题，生态环境治理技术与模式，缺乏从石漠化发 生机制出发的基础研究及与治理工程配套的科学的管理理论研究。目前实施的一 些治理工程以及技术模式对石漠化的治理有一定的帮助，但也存在很多问题，如 退耕还林还草是遏制陡坡耕地土壤侵蚀的有效途径，但后期的林地管理跟不上， 追切需要合理的规划与管护来实现退耕土地资源应有的价值；封山育林育草是限 制过度樵采、放牧的必要手段，但提高林地生产力，进行低效林改造，平衡生态 效益与经济效益才能实现石漠化地区的可持续发展；此外，目前石漠化地区人工 林特别是营造经果林是区域经济发展的需要，但很多措施规划笼统，不同石漠化 程度、不同土层厚度的土地实施相同的治理措施，没有做到适地适树，更没有辅 以有效的水保措施，另外，当前治理工程单位面积治理资金投入大，推广困难， 不能调到农民的自觉造林的积极性，致使造林树种成活率很高，但保存率较低， 农民的管护意识弱，治理工程项目难以实现生态，经济，社会效益的协调发展， 因此继续开展石漠化地区水土流失机理研究，为我国岩溶石漠化地区治理提供科 技支撑，为石漠化综合治理工程管理提供先进手段和技术保障。 1 2 2 国内外土壤厚度空间异质性研究进展 土壤是一个时空连续的变异体，具有高度的空间异质性，无论在大面积区域 还是在小范围尺度，土壤都具有一定的空间异质性【2 引，即便是在同一时刻，相同 土壤质地的区域内，不同空间位置上的土壤特性值( 物理，化学，生物性质等) 在也存在明显差异【2 4 1 。开展土壤空间异质性研究，不仅能改进土壤分类系统，提 高土壤调查，制图及田问小区试验的精度，并为确定田问合理取样尺度和取样数 目，为土壤过程的预测，模拟提供有效途径，是精准农业，水土保持规划的开展 和实施不可或缺的基础资料和理论依据，同时对推动土壤科学定量化研究具有重 要意义 2 3 , 2 4 】。 国外科学家早在上个世纪7 0 年代就认识到了土壤的空间异质性，进行了大 西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 量的定量研究，取得了丰富的成果，美国，加拿大等国家在t 土壤空间异质性研 究基础上发展的精准农业研究已见成效。 早期土壤学家们得研究表明，土壤有机质含量，a 层厚度【2 5 1 ，b 层厚度及发 育程度f 2 6 1 ，土壤斑纹【2 7 1 ，p h 值及碳酸盐趁沉积深度 2 8 】，持水量和水分运动2 9 1 等土壤性质与景观特性有关，有土壤学家和地貌学家发展一些坡面模型来模拟和 解释土壤侵蚀沉积和土壤性质空间异质性及两者之间的相互关系【3 0 】。 以g i s 技术为基础的数学等高模型的出现，大大促进了坡面定量模型的发展 p ，利用地形属性建立的土壤景观和生态性质预测模型，结合田间取样及统计学 方法，可以判断土壤景观和部分生态性质与不同的地形属性之间的相关关系 3 2 3 3 o 我国的土壤空间异质性研究起步较晚，开始主要集中在土壤物理性质空间异 质性研究，近年来土壤化学性质的空间变异研究逐渐增多。土壤物理性质的空间 异质性研究主要集中于土壤水分，包含饱和导水率，渗透率等，容重以及机械组 成等【3 4 0 7 】。土壤化学性质空间变异性研究主要主要集中在土壤养分方面，包括土 壤氮、磷、钾空间变异性研究【3 8 , 3 9 】、土壤有机质空间变异性研究以及土壤矿质元 素含量的空间变异性研究【4 0 , 4 1 】。 在喀斯特地区，研究主要侧重于对土壤水分【4 2 4 5 】，土壤养分【4 6 , 4 7 】，矿质元素 m 8 】的空间异质性进行探索和研究，取得以一定的结果。但是，根据笔者的前期研 究以及实际调查发现，土壤厚度是岩溶石漠化地区农林业发展的主要限制因子， 土壤厚度表征土壤的空间大小，养分储量及水分储量差异，其中空间是一个表征 资源容纳能力的指标，研究表明空间也是种物理资源，对植物生长影响明显。 同时，土壤厚度是水土流失的结果的体现，而对于该区土壤厚度空间分布规律及 水土流失机理的相关研究较少。 1 2 3 该领域研究存在的问题 ( 1 ) 当前，有关喀斯特石漠化的研究虽然积累了不少研究成果，但该地区土 壤侵规律等重大基础理论研究并没有取得突破性进展。现有的石漠化综合治理工 程缺乏理论指导和数据支持。 ( 2 ) 当前，有关土壤厚度空间变异方面的研究主要集中在平原地区或北方石质 山区，在生态环境脆弱，水文地质结构复杂的岩溶高原地区，虽然土壤厚度及其 空间分布严重影响地表生态过程，但在该地区有关土壤厚度空间变异的量化研究 还相对较少，缺乏土壤厚度空间变异及其分布等方面的系统研究。 本研究针对以上问题，以贵州省金沙县乌箐河小流域为研究区，通过实地土 壤厚度调查，植被调查，结合地统计学和经典统计学方法研究了岩溶高原石漠化 小流域中土壤厚度的空间变异特征；探讨了影响土壤厚度空间分布特征的主要影 响因素及其相互作用机制；并进行了小流域土壤厚度空间分布预测性制图，分析 4 专业硕士学位论文 了土壤厚度空间分布现状。这将有助于进一步理解岩溶高原地区土壤厚度变异的 自然过程和控制因素，为岩溶高原区土地生产力评价及退化生态系统的植被恢复 提供理论依据。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 土壤厚度空间异质性研究 通过野外实地调查获得岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度的具体数据，了 解该地区土壤的发育情况及特点，获得土壤厚度的总体分布情况。利用地统计学 中半变异函数的计算和模型的最优拟合，研究不同土地利用方式下土壤厚度的空 间变异性及其分布规律。 ( 2 ) 土壤厚度的分布的影响因素研究 研究地形、地貌等自然因素以及人类活动与土壤厚度分布的关系及其相互作 用机理，分析不同坡度、岩石裸露率、植被类型及盖度下坡面土壤厚度的分布规 律，建立环境因子数据库。 ( 3 ) 小流域土壤厚度分布制图研究 在环境因子数据库及石漠化地区土壤厚度空间异质性的研究基础上，构建土 壤厚度判别指标体系，建立土壤厚度推断模型，进行小流域土壤厚度分布预测性 制图，为小流域综合治理提供理论指导。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 室内准备 根据研究区相关图件( 主要是地形图、石漠化图和土地利用图) 和相关资料 综合考虑代表性以及时间、人力、物力等问题，选择研究区域并确定合理的取样 布点方法。 ( 2 ) 野外采样 以西南岩溶石漠化典型小流域为研究基地，结合小尺度土壤采样研究方法， 确定土壤厚度、岩石裸露率调查的合理样地布设方法，用钢钎法进行土壤厚度测 量。建立固定标准样地，对土壤厚度、植被群落进行调查，并采集土壤样品进行 土壤理化性质分析及土壤厚度分布规律研究，土壤取样及分析方法按照常规土壤 实验方法进行，取样数量根据研究目标而定。 ( 3 ) 结果分析 根据搜集的资料和采样数据，利用g i s 技术和地统计学方法分析研究区土壤 厚度分布现状及空间变异规律。建立土壤厚度推断模型，进行小流域土壤厚度分 布制图。 西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 技术路线图如下： 图1 1 技术路线图 1 4 论文组织结构 本论文分为六章： 第一章绪论，主要讲述了研究目的与意义、国内外研究现状、指出现有的研 究中存在的问题与不足，以及本研究的主要内容和技术路线。 第二章研究区域概况与研究方法，对研究区域的自然地理、社会经济情况以 及土地利用现状进行了一个简要的阐述。详细描述了本文所采用的主要研究方法 和技术手段，包括数据采集和处理方法以及主要的分析方法。 第三章土壤厚度空间异质性，从土壤厚度描述性统计分析、土壤度的空间变 异性很和土壤厚度的空间分布特3 个方面对岩溶石漠化地区土壤厚度的空间变异 特征及分异规律进行了详细阐述。 第四章土壤厚度空间分布的主要影响因素，首先对岩溶高原石漠化地区小流 域的土壤厚度分布情况进行了描述，然后采用相关分析等方法研究了影响土壤厚 度分布的主要影响因素，为土壤厚度制图中数据库建立做准备。 第五章土壤厚度预测性制图，在第三章和第四章研究基础上建立影响土壤厚 度空间分布的环境因子数据库，通过克里格插值对研究区乌箐河小流域进行土壤 6 专业硕士学位论文 厚度预测性制图。 第六章结论与展望，对全文进行总结，概括得出本研究的主要结论。提出了 在今后研究中值得进一步探讨的问题。 文章的组织结构见图1 2 。 第一章绪论 讲述研究目的与意义，国内外研 究现状，存在的问题与不足，以 及本研究的主要内容和技术路 线。 厂、 第二章研究区域概况与研究方 法 介绍研究区域概况与本研究用到 的主要研究方法。 上 厂第三章土壤厚度空间异质性、 利用地统计学从描述性统计分 析、土壤度的空间变异性很和土 壤厚度的空间分布特3 个角度分 析了土壤后空间分布规律及变异 特征。 第四章土壤厚度的主要影响因 素 简述小流域土壤厚度整体分布情 况，重点分析影响土壤厚度的主 要影响因素。 上 r 、 第五章土壤厚度预测性制图 通过多元回归分析和地统计学克 里格插值进行土壤厚度预测性制 图。 第六章结果与讨论 对全文进行总结，概括得出本研 究的主要结论。提出了在今后研 究中值得进一步探讨的问题。 图1 2 论文组织结构 7 西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 第二章研究区域概况与研究方法 2 1 研究区域概况 2 1 1 自然地理概况 研究区位于贵州省金沙县乌箐河小流域，属于典型的岩溶高原石漠化区。乌 箐河小流域属于乌江水系，包括城关镇联盟村、双兴村、丰景村和淹坝村，面积 2 18 8 6 6 h m 2 ，地势东高西低。地貌以山地为主，坡度较陡；热量资源丰富，雨热 同期；年均温1 5 1 ，年均降水量1 0 3 2 6 m m ，但时空分布不均，夏季多暴雨，5 月n i o 月降水量占全年总降水量的8 0 。土壤以黄棕壤为主，插花分布部分石灰 土。受到人类活动的强烈干扰，流域内植被覆盖率很低，大部分地区由于长期而 强烈的水上流失，基岩裸露，石漠化较为严重。小流域全部为岩溶区，石漠化面 积1 0 7 7 9 9h m 2 ，石漠化面积中以轻度为主，轻度、中度、强度石漠化面积分别占 石漠化面积的7 6 2 6 、2 1 3 9 、和2 3 5 。 图2 1 研究区位置图 2 1 2 社会经济概况 研究区人口6 5 2 2 人，其中农业人口6 5 2 2 人，农业劳动力2 9 0 6 个，人口密度 8 专业硕士学位论文 2 9 8 人k m 2 。小流域内产业结构以农业种植业为主，同时附带经营养猪、养鸡等 养殖业，种植结构以玉米+ 油菜、玉米+ 小麦、水稻+ 油菜为主。小流域内现已建 立一个养殖协会，有农民会员4 2 户，主要以养猪为主，会员户均养猪1 0 头以上。 2 0 0 7 年农业总产值1 3 5 0 万元，其中农业产值5 0 5 9 9 万元、林业产值2 8 7 6 万元、 畜牧业产值8 1 5 2 5 万元，粮食总产量2 9 3 0 0 万k g ，人均粮食产量4 4 9 2 k g ，农民 人均纯收入1 6 3 2 元。 2 1 3 土地资源开发利用情况 研究区各种类型的土地资源错综分布，土地利用类型多样，山地多，坡度大， 由于陡坡垦殖，水土流失严重，土地资源的开发利用受到了自然环境的严重制约。 耕地面积共1 1 6 1 8 4 h m 2 ，占流域总面积的5 3 0 8 ，其中水田4 9 0 4 h m ：、旱地 l1 12 8 h m 2 ，人均耕地占有量0 18 h m 2 。耕地中中低产田土比例大，多为坡耕地、 石旮旯地等，陡坡耕地土层浅薄，保水性、耐旱性差。由于高强度的土地垦殖率 和粗放经营，长期滥垦滥伐，重用轻养，土地生产力不断下降，土壤营养元素流 失，农业产量较低；人均粮食占有量为3 8 8 k g 。 乌箐河小流域森林覆盖率为2 4 8 8 ，林业用地面积共9 4 4 7 8 h m 2 ，主要以有 林地为主、占流域总面积的2 4 8 8 ，灌木林地次之、占l7 8 8 ，其它林地的比 重较小、仅占0 4 0 。在岩溶地区，林木生长速度往往低于其他地区，单位时间( 年) 产出率极低，植被一旦被破坏，很难恢复。 在未利用地中，裸岩石砾地占流域总面积的2 18 ，且主要分布在受人类活 动影响较大的地区。 2 2 研究方法 2 2 1 土壤厚度的测定 本研究采用抽样调查法，根据乌箐河小流域石漠化分布图及土地利用图在室 内进行预布点，选择具有土地利用和不同石漠化程度的典型性和代表性的样地。 选取小流域内坡耕地、人工意杨林和荒山3 种典型土地利用方式( 占土地总面积 约7 5 ) 下的9 块样地作为采样单元。其中坡耕地种植作物为玉米，年均产量为 2 8 0 k g 亩左右，采样时已经收割完毕。意杨林为退耕还林工程中营造的人工林， 行间距4 m 5 m ，树高4 m 到1 l m 不等，平均胸径约4 3 c m 。荒山岩石裸露率较高， 土壤多分布在石沟石坑中，植被为亚热带落叶阔叶林，林下灌木层发育良好。考 虑到数据的代表性和随机性，在各样地内分别选择微地貌相对一致的区域，设置 大小均为2 0 m 2 0 m 的样地，结合样地实地情况并保证对调查样地土壤厚度的充 分表达，本研究以4 l m 的网格进行布点( 图2 ) ，在每个样点以倒三角方式平行 测3 个值，根据3 个点的厚度变异情况，判定取平均值作为该样点的土壤厚度值 9 西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 比较合理，从而使调查土壤厚度更具代表性。2 0 1 0 年1 0 月采用钢钎法进行土壤 厚度实地测量。共采集土壤厚度数据2 1 6 0 个，并记录各样地的地貌特征、植被盖 度、g p s 坐标等基本信息。为保证穿透性，本研究特制长1 2 0 c m 、直径0 8 c m 尖 端经过打磨的钢钎。测量时保证垂直插入土壤，记录没入壤中钢钎的长度，即 土壤厚度。由于石漠化地区土层较薄，钢钎法测量土壤厚度既能满足实验精度要 求，又能保证实验的快捷顺利进行。 数据处理采用域法识别特异值，即样本均值加减3 倍标准差，在此区间外的 数据分别用正常的最大值和最小值代替，后续计算均采用处理后的原始数据【8 j 。 土壤厚度的空间变异性采用地统计学方法进行分析，其中半变异函数的计算和空 间插值作图分别采用g s + v 9 地统计软件和s u r f e r 6 0 软件进行，数据的统计分析采 用s p s s l l 5 分析软件。 图2 2 小样地采样点分布图 表2 1 样地信息调查表 1 0 号业坝i 学位论义 0 4 荒 0 5 0 6 0 7意杨林 0 8 意杨林 0 9 意杨林 麻栎，毛杨，火 棘，脉紫菀，苔 草 火棘，毛n 杨，荩 草，马：t ，一年蓬 薄n 1 i 鼠李，火棘， 野花椒，一年蓬， 香薷 意杨，金佛山荧莲， 粉枝梅 意杨，粉枝梅，门 毛，苔萆 意杨，火棘， 蓬，狗尾荦 9 0 允 8 0 轻度 2 0 2 4 6 0 轻度中【l j 2 2 7 0 黎划1低山 2 1 7 5 整地 6 5 2 5 整地，坡 低山 l8 改梯 尔南 坡 尔南 坡 北 坡 坡 中 坡 中 坡 l 注1 ：j i 米( z e am a y sl ) 、 年蓬( e r i g e r o na n n u u sp e r s ) 、核桃( j u g l a n sr e g i al i n n ) 、麻 栎( q u e r c u sa c u t i s s i m ac a r r ) 、毛白杨( p o p u l u st o m e n t o s ac a r r ) 、火棘( p y r a c a n t h af o r t u n e a n a l i ) 、i 脉紫苏( p e r i l l af r u t e s c e n sb r i t t ) 、p i - 2 j 草( c a r e xc a l l i t r i c h o sv k r e c z ) 、荩挚( ar t h r a x o n h i s p i d u sm a k i n o ) 、码羔( d i s c h i d a n t h u su r c e o l a t u st s i a n g ) 、薄l li 鼠李( r h a r n n u sl e p t o p h y l l a s c h n e i d ) 、野花椒( z a n t h o x y l u ms i m u l a n sh a n c e ) 、香薷( e l s h o l t z i ac i l i a t ah y l a n d ) 、意杨 ( p o p u l u se u r a m e v i c a n a ) 、金佛【j j 荚莲( v i b u r n u mc h i n s h a n e n s eg r a e b n ) 、粉枝梅( r u b u s b i f t o r u sb u c h h a m e xs m i t h ) 、白茅( i m p e r a t ac y l i n d r i c ab e a u v ) 、狗尾草( s e t a r i av ir i d i s b e a u v ) 汁2 ：【 11 l i ：海拔为l0 0 0 3 5 0 0 m 的山地；低1j 1 ：海拔小t ：10 0 0 m 的l l i 地。 图2 - 3 样地信息图 坡卜坡巾坡卜 西南岩溶高原石漠化地区小流域土壤厚度空间分异规律研究 2 2 2 地统计学分析原理 研究区域内，各样地不同空间位置上的土壤厚度与采样点的空间分布有关， 它既具有随机性又具有结构性，是空间距离的函数。因此，所有空间距离上的土 壤厚度的空间变异特征可以通过半变异函数来描述【4 9 引l ： “功2 赢丢【z “) - z ( 矿功】2 “) 式中：( 而) 一间隔距离等于h 时的样点对数；z ( 墨) 一样点z 在位置薯的实测值： z ( 薯+ 办) 一与薯距离为h 处样点的值。 根据测量值计算三种土地利用类型下各样地土壤厚度的半变异函数，并进行 半变异函数理论模型的最优拟合。本研究中土壤厚度半变异函数的最优理论模型 是指数模型，其表达式如下： ，( 办) ：罩。一皇 办= 。 ( 2 ) lc 0 + c 【l p4 】h 0 式中c o 一块金值；c o + c 一基台值；办一滞后距离；f 一变程。一般来说指数 模型很难表现出有限变程，在应用的过程中一般采用3a 表示 4 9 , 5 1 , 5 2 】。 本研究对土壤厚度的估计采用克里格( k r i g i n g ) 插值法，在区域内，变量在 处的估计值为z ( x o ) ，其周围相关距离内的测定值为z ( t ) ( i = 1 ，