印度尼西亚东部半干旱构造流域土壤水分保持代理指标的水文土壤学评估：景观–土壤剖面控制

《Soil Systems》：Hydropedological Assessment of Soil-Water Retention Proxies in Semi-Arid Tectonic Watersheds of Eastern Indonesia: Landscape–Soil Profile Controls

　　

摘要：维持包气带（vadose zone）的土壤水分状况对于保障半干旱环境中的水资源可用性至关重要。然而，关于华莱士（Wallacea）构造景观中与土壤水分状况相关的生物物理因素的认识仍然有限。本研究基于代理指标的水文土壤学评估结果，将诺埃尔米纳（Noelmina）、贝南（Benain）和瓦拉纳埃（Walanae）三个流域的景观属性与土壤剖面特征进行关联。研究人员通过半详细土壤调查，在125个观测点收集了涵盖高程、坡度、有效深度、土壤质地和发生层序列的数据。采用空间表征、斯皮尔曼秩相关（Spearman rank correlation）和随机森林（Random Forest）建模对数据进行分析，通过剖面物理性质作为操作代理指标，而非通过实验室直接测量水力参数。结果表明，景观与土壤剖面之间的关系在不同流域间存在差异。相比之下，有效土壤深度对质地类别变异始终显示出最高的相对预测贡献（诺埃尔米纳为0.386，贝南为0.463，瓦拉纳埃为0.501）。本研究证明了受景观条件制约的土壤剖面功能，该功能将地貌背景与对水分储存和再分配具有重要意义的剖面物理性质联系起来。这些结果为基于代理指标的水文土壤学控制提供了经验证据，并为评估半干旱构造流域中特定地点的土地-水资源奠定了基础。

一、研究背景与科学问题

全球气候变化正加剧干旱频率，使水资源可用性成为半干旱地区的主要限制因子。在此背景下，土壤在包气带（vadose zone）中储存水分的潜力，即土壤水分保持（soil-water retention）能力，对于抑制重力排水造成的水分损失至关重要。这种储水潜力源于土壤形态特征、成土作用与景观属性之间的系统性相互作用。因此，理解水分保持代理指标的生物物理控制机制，可为流域管理、土壤保护和气候变化适应提供基础依据。

华莱士（Wallacea）地区位于印度尼西亚东部，是一个生物地理过渡带，构造活动活跃，被华莱士活动断层和帝汶断层穿过，属半干旱气候，年降雨量800–1300毫米，旱季持续7–8个月，干燥指数小于0.65。该区域的异质性景观由构造抬升、剥蚀和干燥气候共同作用形成。本研究选取的三个流域——诺埃尔米纳（Noelmina）、贝南（Benain）和瓦拉纳埃（Walanae）——代表了地貌发育对比鲜明的半干旱构造景观，从陡峭侵蚀区到稳定沉积区。这些地形梯度为评估生物物理因素对土壤剖面属性的控制提供了理想自然条件。

尽管景观与土壤的关系已被广泛研究，但关于华莱士地区半干旱构造流域中形成水分储存功能代理指标的生物物理机制的经验证据仍然有限。以往研究多将生物物理因素单独评估，而未将土壤剖面结构整合到统一的景观框架中。因此，需要一项综合分析，将地形梯度与垂直土壤剖面分化联系起来，以解释包气带水分储存潜力的变化。

二、研究目标与方法

本研究旨在通过以下三个方面评估华莱士三个构造流域中与水分保持代理指标相关的生物物理因素：（1）表征景观空间变异性和土壤剖面；（2）评估斯皮尔曼双变量相关性；（3）利用随机森林（Random Forest, RF）评估生物物理属性对土壤质地类别变异的相对预测贡献。研究未在实验室直接测量水分保持曲线，而是专门检验了两个假设：（H1）地形控制垂直剖面分化（深度、质地、发生层）；（H2）土壤剖面深度有效地充当流域尺度水分保持潜力的首要物理代理指标。

研究区域包括东努沙登加拉省中南帝汶县的诺埃尔米纳和贝南流域，以及南苏拉威西省博内县的瓦拉纳埃流域。研究人员通过半详细土壤调查，在125个剖面点采集了高程、坡度、有效深度、土壤质地和发生层序列等数据。数据分析采用空间表征、斯皮尔曼秩相关（Spearman rank correlation）和随机森林建模。随机森林模型基于scikit-learn库，采用5折分层交叉验证，配置1000棵决策树、基尼不纯度准则、sqrt最大特征数、最小叶样本数为3、类别权重平衡，每折进行10次置换迭代，计算平均置换重要性（Permutation Importance, PI）。

三、研究结果

3.1 三个流域景观与土壤剖面属性的空间变异性

三个流域的生物物理特征呈现显著的空间异质性。诺埃尔米纳流域海拔范围最广（95–1861米），极陡坡占主导（56.46%），中等质地占优（74.4%），AC发生层为主（79.0%）。贝南流域以缓陡或起伏级（34.09%）和丘陵级（30.38%）为主，极浅层土壤比例较高（26.13%），质地分布较分散。瓦拉纳埃流域海拔较低（63–867米），坡度较缓，深层土壤占优（77.29%），细质地比例较高（39.0%），ABC发生层发育成熟（76.1%）。

3.2 景观属性与土壤形态特性之间的关系

斯皮尔曼相关性分析显示，显著关系集中在坡度变量上。在诺埃尔米纳流域，坡度与土壤质地呈强负相关（ρ_s = -0.47, p_adj = 0.012），与发生层序列呈强负相关（ρ_s = -0.52, p_adj = 0.003）。在瓦拉纳埃流域，海拔与发生层呈正相关（ρ_s = +0.28, p_adj = 0.048），坡度与深度呈负相关（ρ_s = -0.29, p_adj = 0.048），坡度与质地呈负相关（ρ_s = -0.27, p_adj = 0.048）。而在贝南流域，经FDR校正后无任何变量对达到统计显著。这表明双变量关系具有地点特异性。

3.3 土壤质地的随机森林预测建模

在合并数据集上，随机森林建模显示土壤深度具有最高的平均置换重要性值（0.210 ± 0.041），且在五折验证中均表现为正向贡献（5/5）。发生层序列位居第二（0.144 ± 0.035, 5/5），海拔次之（0.094 ± 0.103, 5/5），坡度贡献最低且不稳定（0.024 ± 0.073, 3/5）。模型分类性能方面，准确率为0.424 ± 0.073，平衡准确率为0.462 ± 0.055，宏F1为0.378 ± 0.079，虽为中等水平，但已是随机基线（0.20）的两倍以上。

按流域分层的随机森林评估确认，土壤深度变量在各流域中一致占据主导地位：诺埃尔米纳为0.386，贝南为0.463，瓦拉纳埃为0.501。而海拔（0.234–0.279）、坡度（0.106–0.229）和发生层序列（0.106–0.148）的预测贡献则随流域而变化。

四、讨论与结论

研究人员指出，不同流域间的景观差异是控制包气带土壤剖面形成的主要地貌背景。有效土壤深度作为几何维度决定储水空间的总容量，其主导预测地位表明深度比地表属性更可靠地反映了长期风化和侵蚀影响的累积效应。发生层序列分化提供了调节土壤内部水分再分配的垂直架构。土壤质地组作为孔隙空间的物理环境代理指标，其与坡度的显著负相关证实了选择性侵蚀机制。

研究强调，水分保持是一种互补性功能，不能简化为单一变量：地形位置构成地貌背景，土壤深度确定储水空间几何容量，发生层序列调控垂直再分配，质地类提供孔隙度矩阵。这种同时发生的相互作用证明了受景观条件制约的土壤剖面功能的存在。

研究结论：结果表明，三个半干旱构造流域的水文土壤学特征各不相同，反映了塑造包气带水分储存生物物理背景的景观属性和土壤剖面物理性质。水分保持功能的评估是通过操作代理指标方法进行的，而非直接实验室测量水力参数。在所测试的属性中，土壤深度对质地类别变异始终显示出最高的相对预测贡献（诺埃尔米纳为0.386，贝南为0.463，瓦拉纳埃为0.501），而属性间的关系表现出地点特异性模式。这些发现证明了受景观条件制约的土壤剖面功能的存在，该功能将地貌位置与用于水分储存和再分配的剖面物理组织联系起来。本研究结果加强了基于代理指标的水文土壤学控制的经验证据，并为半干旱构造流域中特定地点水资源的评估和管理提供了基础。