干熱河谷燥紅土坡面水分時空分布特征及其對覆被類型的響應

楊淏舟， 何光熊， 王艷丹， 李直權， 余建琳， 冉 林， 史亮濤?

(1.云南省農業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農業(yè)研究所，651300，云南元謀；2.元謀干熱河谷植物園，651300，云南元謀；3.云南元謀金雷水土保持科技示范園，651300，云南元謀；4.云南省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，650106，昆明；5.云南省元謀縣水土保持委員會辦公室，651300，云南元謀)

土壤水分是限制干熱河谷植被恢復與重建的關鍵因子，明確其時空分布及動態(tài)特征對提高植被恢復成效，緩解地力退化及保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要的意義。降雨是干熱河谷地區(qū)土壤水分的主要來源[1]，植被覆蓋能夠調節(jié)降雨入滲，其對干熱河谷地區(qū)儲水、保水至關重要。在旱季，植被覆蓋能夠一定程度上隔絕熱傳遞，有效減少土壤與空氣的直接接觸，從而減少地表蒸發(fā)量[2]；雨季則能夠對降雨進行垂向、立體分配[3]。近年來，極端干旱事件頻發(fā)，植被覆蓋下的土壤水環(huán)境受到許多學者的關注，韓新生等[4]通過對寧夏六盤山氣象條件、林木蒸騰作用、土壤水分動態(tài)變化的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)林木蒸騰和林地蒸散與主根系所在土壤層的土壤水分顯著相關，森林土壤濕度同時受降水輸入和蒸散輸出影響。胡實等[5]對植被覆蓋下降雨入滲、土壤蒸發(fā)和土壤水分調控進行了研究，結果表明自然覆被相較于裸地更有利于雨水的儲存和向深層入滲，并且能夠有效抑制土壤水分蒸發(fā)。干熱河谷降雨稀少、蒸發(fā)量大的氣候特點決定了土壤水分含量的可變性較大，又因其地形復雜，山地延綿起伏，區(qū)域微地形對降雨產生二次分配后，使土壤水分的變異程度增加[6]，研究干熱河谷土壤水分的空間變異性和時間動態(tài)變化特征，有利于維持土壤水分含量穩(wěn)定性，對此區(qū)域內植被的恢復有重要作用。

目前對土壤水分的研究多集中在降雨對土壤水分的影響[7]、初始土壤狀態(tài)對入滲的影響[8]、土地利用方式對土壤水分的影響[9]、特定地區(qū)和植被覆蓋類型對土壤水分動態(tài)變化的影響[10]等方面，而對干熱河谷土壤水分時空分布特征的研究還較少，尚缺乏對不同植物覆被類型生境土壤水環(huán)境的理解。本研究以元謀干熱河谷3種典型的植被覆蓋模式為研究對象，設置裸地對照，通過測定1年內不同土層深度、不同坡位土壤含水量，分析土壤含水量的變化特征，探討土壤水分分布對降雨、植被覆蓋、坡面因子變化的響應，以期為元謀干熱河谷地區(qū)的水土保持和生態(tài)修復提供定量參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設在云南省元謀金雷水土保持示范園內(E 101°35′～102°06′、N 25°23′～26°06′)。該園區(qū)地處云南省西北部金沙江流域龍川江水系的土林風景區(qū)附近，屬于《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》長江重點生態(tài)區(qū)(含川滇生態(tài)屏障)三峽庫區(qū)水土保持國家重點生態(tài)功能區(qū)，是我國金沙江干熱河谷的典型代表區(qū)，園區(qū)以北為典型的河谷薩瓦納(valley-savanna)植被[11]。元謀縣屬南亞熱帶干熱季風氣候，氣候干旱炎熱，年平均氣溫21.9 ℃，最高氣溫42.0 ℃，最低氣溫-0.1 ℃，≥10 ℃年積溫7 996.0 ℃；平均海拔1 210 m，年平均日照時間為7.3 h/d，壩區(qū)基本全年無霜，年均降雨量613.8 mm，年均潛在蒸發(fā)量為3 847.8 mm，達降雨量的6～10倍，雨季短而旱季長，旱季降雨量僅占全年降雨量的2%～8%。燥紅土發(fā)育于第四紀元謀組紅色風化殼母質，是元謀干熱河谷1 350 m以下地區(qū)的基帶土壤，占干熱河谷總面積的52.7%。土壤酸性強，pH 6.2～7.0，密度1.43～1.63 g/cm3，屬黏土，與變性土相比質地偏砂，砂粒質量分數(shù)<35%，干季板結、堅硬，有機質、磷等養(yǎng)分質量分數(shù)較低，土壤全氮0.29～0.60 g/kg，全磷0.08～0.30 g/kg，全鉀11.8～26.0 g/kg，為中度或嚴重貧瘠土壤，地力退化嚴重。

2 研究方法

2.1 樣地布設

于云南省元謀金雷水土保持示范園區(qū)內選取3種元謀干熱河谷地區(qū)具有代表性的植被恢復模式為研究對象，設置4個投影面積為5 m×20 m，坡度為15°的徑流小區(qū)，小區(qū)基本情況如表1所示。小區(qū)相鄰，坡向、坡度均一致，四周采用水泥梗分隔(水泥梗深入地下1 m，超出地表0.3 m)，小區(qū)底部設置集流槽和集流桶，桶內設置水標尺觀測徑流量。降雨采用氣象站監(jiān)測，于每次降雨后測量水深，并采用烘干法測定泥沙含量。其中小區(qū)1為裸地對照，保證其植被蓋度<5%;小區(qū)2為農地，設置為元謀干熱河谷區(qū)坡地典型耕作模式，玉米(Zeamays)花生(Arachishypogaea)輪作(2018年11月—2019年2月種植玉米，2019年6—10月種植花生)，農地采用人工灌溉，灌溉頻率為4 d/次，灌溉量為3.67 m3/次，因定時澆水，導致農地含水量較其他小區(qū)稍高;小區(qū)3、4為干熱河谷稀樹灌草叢植被原位小區(qū)，小區(qū)群落模式為元謀干熱河谷地區(qū)典型的“灌-草”“喬-灌-草”覆蓋模式，分別呈現(xiàn)了干熱河谷植被群落演替過程中的2個典型階段，小區(qū)水分來源為自然降水，不另作灌溉。

表1 實驗小區(qū)基本情況表Tab.1 Basic information of experimental plot

2.2 采樣方法

分別在每個徑流小區(qū)坡面距坡頂0、10和20 m處布設采樣點1#、2#和3#，以便觀測坡頂、坡中和坡底的土壤水分變化情況。土壤含水量采用TDR水分測定儀進行監(jiān)測，每個采樣點采用長度為1 m的PVC管垂直插入坡面，蓋上防水蓋。于每月1日和15日利用探頭深入布設好的PVC管內采集10、20、40、60、80和100 cm處的土壤含水量數(shù)據，每個采樣點測3次，避免因設備或人為因素造成的誤差，同時觀測植被覆蓋率并采集氣象站降雨數(shù)據，經檢驗實驗數(shù)據服從正態(tài)分布，標準誤差<0.1。元謀近5年蒸發(fā)量和降雨量變化平穩(wěn)，蒸發(fā)量遠大于降雨量。為保證實驗精度實驗小區(qū)于2017年6月開始埋管并監(jiān)測土壤水分，埋管后經過1年預實驗，結果表明各層水分變化達到平穩(wěn)階段。

2.3 數(shù)據處理

近年來，學者對于土壤水分垂直分布特征定量化分析的研究[12]，一般采用標準差和變異系數(shù)將土壤水分活躍程度劃分為以下4層：相對穩(wěn)定層(變異系數(shù)≤0.1和標準差≤2)、次活躍層(變異系數(shù)>0.1～≤0.2和標準差>2～≤3)、活躍層(變異系數(shù)>0.2～≤0.3和標準差>3～≤4)、速變層(變異系數(shù)>0.3和標準差>4)，在劃分過程中，若變異系數(shù)和標準差不處在同一標準時，則以變異系數(shù)為準。

所有數(shù)據通過Excel 2016進行整理并繪圖，采用SPSS 19進行單因素方差分析、Sufer16軟件按照克里金(Kriging)插值法進行最優(yōu)線性無偏估計，并繪制土壤水分等值線圖。

3 結果與分析

3.1 降雨量及土壤水分年度變化

圖1為元謀干熱河谷地區(qū)2018年10月—2019年9月的月降雨量分布特征，在干熱河谷地區(qū)有明顯的旱季、雨季之分，實驗年份降雨量為496.4 mm，雨季降雨量為475.8 mm，占全年總降雨量的95.85%，旱季降水較少，為20.6 mm，僅占全年總降雨量的4.15%，全年降雨量偏低，月降雨量之間差異較大，降雨較為集中。由于光熱資源充足，因此水分因子是干熱河谷地區(qū)植被恢復的關鍵。4種植被覆蓋類型含水量均與降雨量變化趨勢一致。其中裸地含水量在每個月份均為最低，農地除7和8月外，其余月份含水量均為最高，這是由于定時灌溉造成，進入雨季后，灌草地與喬灌草地含水量迅速攀升，甚至在8月高于農地。這是由于干熱河谷旱季氣溫較高，蒸騰作用較強，植物需水量較大，因此灌草地、喬灌草復合樣地土壤含水量較低；而在雨季，植物根系更有利于攔蓄降水，增加土壤含水量[13]。

圖1 降雨量與土壤水分年度變化特征Fig.1 Annual variation characteristics of rainfall and soil moisture

3.2 土壤水分時空分布特征

3.2.1 不同植被覆蓋模式下土壤水分垂直分布特征 降雨和植被覆蓋對干熱河谷坡面水分分布特征有顯著影響。由圖2可知，同一土層深度不同植被覆蓋類型下土壤含水量差異顯著(P>0.05)，同一植被覆蓋類型下0～100 cm土層土壤含水量差異顯著。如圖2a所示，在旱季，農地除在80～100 cm層土壤深度含水量較喬灌草地低外，其余各土層深度下含水量均為最高；裸地在所有土層深度含水量均為最低；在淺土層(0～20 cm)灌草地土壤含水量高于喬灌草地，而在較深土層(20～100 cm)則呈現(xiàn)相反的特征，這是由于植物根系分布特征引起的土壤水分分布特征的差異，在植物根系吸水和土壤蒸發(fā)作用的雙重水分消耗下, 使淺土層(0～20 cm)灌草地維持相對較高的含水量。

由圖2b可知，雨季隨著土層深度的增加，土壤水分逐漸升高并趨于穩(wěn)定。在0～40 cm深度范圍內的淺層土壤中，除農地外均呈現(xiàn)顯著差異，這種差異在60～100 cm土層中逐漸減小。說明在雨季，淺層土壤水分運動較為活躍，深層土壤水分較為穩(wěn)定，水分向土壤深處轉移。不同植被覆蓋模式隨著土層深度的增加土壤水分變化規(guī)律為：裸地和農地為先升高(0～80 cm)后降低(80～100 cm)；灌草地和喬灌草地為先升高(0～60 cm)后降低(60～80 cm)最后回升(80～100 cm)的趨勢。

不同小寫字母表示同一土層土壤含水量差異顯著；不同大寫字母表示同一植被覆蓋類型土壤含水量差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences in moisture content in the same soil layer, and different capital letters indicate significant differences in soil moisture content for the same vegetation cover type (P<0.05).圖2 不同土層深度土壤含水量Fig.2 Soil moisture content at different depths

3.2.2 不同土層土壤水分變異性 由表2可知，4種不同植被覆蓋模式下土壤水分的標準差和變異系數(shù)隨土層深度的增加呈遞減的趨勢；同一植被覆蓋模式、土層深度條件下，除農地旱季0～10 cm土層外，其余各層均表現(xiàn)為雨季土壤活躍程度高于旱季的特點。在旱季，4種植被覆蓋模式各層土壤水分活躍程度差異不大，速變層、活躍層多集中在0～40 cm范圍內；在雨季則呈現(xiàn)出較大差異，與裸地和農地相比，灌草地和喬灌草樣地雨季土壤水分活躍度較強，具體表現(xiàn)為活躍層數(shù)量增加，3種植被類型下，灌草地和喬灌草復合模式土壤水分活躍度較高，其中灌草地在雨季速變層的深度為0～60 cm，喬灌草復合模式速變層深度為0～40 cm，說明植被覆蓋對20～40 cm土壤水分活躍度影響較大，這與植物根系的吸水作用及地表蒸發(fā)量大有關。

表2 不同植被覆蓋模式下土壤水分標準差和變異系數(shù)Tab.2 Standard deviation and coefficient of variation of soil moisture under different vegetation cover modes

3.2.3 土壤水分時空分布特征 由圖3可知，在所有研究區(qū)內，土壤含水量高值區(qū)均表現(xiàn)為由旱季到雨季，逐漸向深層土壤轉移的現(xiàn)象。從不同植被覆蓋類型上看，裸地土壤含水量在各層分布相較其他植被覆蓋類型稍均勻，其余3種植被覆蓋類型均表現(xiàn)出不同程度的高值區(qū)集中，且呈U型或O型的特點；裸地土壤含水量表現(xiàn)為坡底>坡中>坡頂，其余植被覆蓋類型下，除旱季農地和旱季灌草地外，均表現(xiàn)為坡頂>坡中>坡底；在0～50 cm土層中，同一土層深度旱季土壤含水量均高于雨季，而在50～100 cm土層中，同一土層深度雨季土壤含水量均高于旱季。

圖3 不同植被覆蓋下土壤含水量等值線Fig.3 Isolines of soil moisture content under different vegetation cover

在旱季0～40 cm土層中，土壤含水量表現(xiàn)逐漸升高的趨勢，在40～80 cm土層中則相反，而在雨季表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢。在0～40 cm，裸地旱季土壤水分等值線較為密集，說明在此范圍內，土壤水分變化較大，這是由于干熱河谷地區(qū)旱季蒸發(fā)量較大，土壤水分向地表遷移；而在雨季的裸地中，土壤水分等值線不僅在淺層土壤中產生密集，同時也在40～60 cm范圍內表現(xiàn)出密集現(xiàn)象，這說明裸地雨季土壤含水量不僅在表層變化明顯，在深層也有明顯的水分轉移現(xiàn)象，裸地地下無根系作用，地上無植被覆蓋，不易保存土壤水分，因此裸地小區(qū)土壤水分等值線分布均勻，土壤含水量由淺層向深層遞增，由坡頂向坡底遞增。而對于其余3種植被覆蓋類型，雖然土壤含水量變化趨勢相似，但等值線密集范圍有所差異。在旱季農地，含水量等值線在0～20 cm范圍內較為密集，20 cm以上等值線呈現(xiàn)U字型，高值區(qū)集中在小區(qū)坡底0～40 cm土層中，但在雨季，土壤含水量高值區(qū)則向土壤深層轉移，集中在小區(qū)坡頂及坡中70～100 cm土層中，且水分等值線呈閉合的O字型，這與農作物的季節(jié)性種植及其根系分布深度有關。在旱季灌草地和喬灌草地，含水量等值線則在0～60 cm范圍內較密集，且呈現(xiàn)小區(qū)域內含水量較高的現(xiàn)象。旱季灌草地水分等值線呈U字型，高值區(qū)集中在10～50 cm，即為灌木和草被根系對土壤水分的易利用范圍；旱季喬灌草地水分高值區(qū)等值線則呈O字型，集中在坡中的30～60 cm土層中，這與小區(qū)喬木、灌木的種植區(qū)位及根系分布深度契合，說明在旱季水分虧缺狀態(tài)下，植物通過根系吸水過程補給根系層的土壤水分，使根系層土壤水分明顯提高。在坡位尺度上，灌草地與喬灌草地略有不同，但同一實驗小區(qū)表現(xiàn)一致，灌草地土壤含水量表現(xiàn)為坡頂>坡中>坡底，而喬灌草地則表現(xiàn)為坡中>坡底>坡頂，通過植被調查發(fā)現(xiàn)灌草地小區(qū)頂部植被生長情況較好，以車桑子為主，而坡底則以稀疏的擬金茅為主，喬灌草小區(qū)則羊蹄甲和車桑子集中在小區(qū)中部，頂部與底部以扭黃茅為主，這與小區(qū)喬木、灌木的種植區(qū)位及根系分布一致，說明根系對土壤水分有一定程度的聚集作用，且這種效應與植物需水量呈正相關，這體現(xiàn)出在干熱河谷地區(qū)特殊氣候條件下植被對土壤水分條件的調控及反饋機制，下一步將對此機制開展進一步研究。

4 討論

土壤水分是制約元謀干熱河谷地區(qū)植被恢復質量的關鍵因子，利用鄉(xiāng)土樹種、草種構建植物群落，增加植被覆蓋，影響土壤水分分布，保護土壤結構和肥力，減少水土流失，對干熱河谷地區(qū)的植被恢復重建有重要的作用[14]。本研究中元謀干熱河谷土壤水分含量受到降雨量和植被覆蓋類型影響，農地土壤含水量處在較高的水平，裸地在旱季與其他3種植被覆蓋類型小區(qū)相比水分含量較少，而這種差異先隨著土層深度的增加(0～40 cm)而減小，而后又隨土層深度的增加(40～100 cm)而增大，這從側面說明植物覆蓋有利于對干熱河地區(qū)旱季土壤深層水分的固持，而在雨季，裸地與其余3種植被覆蓋類型含水量差異更加明顯，這可能是由于元謀干熱河谷地區(qū)雨季多發(fā)生短歷時強降雨，易使地表板結，裸地降雨在地表形成徑流不易向深層土壤下滲，而有植被覆蓋的小區(qū)則在地表利用植物葉片攔截降水，消減雨強，保護了土壤結構，更有利于水分垂直下滲，增加深層土壤含水量；另一方面，在土壤內部，植物根系能夠改善土壤結構，并起到疏導表層、淺層土壤水分的作用，使降水能夠向更深的土層傳遞，這與許多研究者認為植被覆蓋能夠增加土壤深層含水量的結論一致[15-16]。

地形也是影響土壤水分分布的重要因素，因干熱河谷降水較少蒸發(fā)量大，與沙丘地形中的氣候特征相符，有研究表明[17]，在無植被覆蓋的沙丘地形中，含水量分布特征為同一土層深度條件下沙丘下部>沙丘中部>沙脊，這與本研究中裸地坡面土壤水分分布特征一致，而本研究中有植被覆蓋的坡面小區(qū)則表現(xiàn)為坡頂>坡中>坡底的特點，表明植被覆蓋能夠有效攔截坡面土壤水分，坡面頂部和中部進行植被恢復后，植物利用根系吸水的特性將土壤水分固持在坡頂及坡中，減少土壤水分向坡底流失的情況。這從側面反映出元謀干熱河谷的水分流失現(xiàn)狀，密集的山丘河谷，植被覆蓋率低且多為稀樹灌草地，深根系樹種分布稀疏，無法將水垂向運輸至深層土壤，導致土壤水分裹挾養(yǎng)分不斷向坡底流失，造成土地貧瘠的惡性循環(huán)，而元謀干熱河谷地區(qū)坡面養(yǎng)分流失特征還需進一步深入研究。

5 結論

1)元謀干熱河谷地區(qū)全年干旱少雨，有明顯旱、雨季之分。在旱季，淺土層(0～20 cm)灌草地土壤含水量高于喬灌草地，而在較深土層(20～100 cm)則相反。在雨季，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸升高并趨于穩(wěn)定。

2)不同植被覆蓋模式下土壤水分的標準差和變異系數(shù)均呈現(xiàn)隨土層深度的增加呈遞減的趨勢；同一植被覆蓋模式、土層深度條件下，除農地旱季0～10 cm土層外，其余各層均表現(xiàn)為雨季土壤活躍程度高于旱季的特點，植被覆蓋對20～40 cm土壤水分活躍度影響較大。

3)同一植被覆蓋類型土壤含水量高值區(qū)均表現(xiàn)為由旱季到雨季，逐漸向深層土壤轉移的現(xiàn)象；裸地土壤含水量在各層分布相較其他植被覆蓋類型稍均勻，其余3種植被覆蓋類型均表現(xiàn)出不同程度的高值區(qū)集中，且呈U型或O型的特點；裸地土壤含水量表現(xiàn)為坡底>坡中>坡頂，其余3個有植被覆蓋小區(qū)，除旱季農地和旱季灌草地外，均表現(xiàn)為坡頂>坡中>坡底的特點。