紅壤坡耕地烤煙生長季土壤水分動態(tài)變化特征

王麗媛，王克勤，李太興，崔富剛

(1.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南昆明 650224;2.玉溪市水利局，云南玉溪 653100;3.澄江縣水利局，云南澄江 653102)

土壤水分是維持陸地植被生態(tài)的關鍵，是流域水量平衡乃至地區(qū)水文循環(huán)的重要因子，也是水資源規(guī)劃與管理的基礎。土壤水分直接或間接地控制著氣象過程、植被動態(tài)、土壤生物化學過程、地下水動態(tài)以及土壤-植被-大氣之間的營養(yǎng)元素和污染物質交換［1-3］，其運移也直接關系到深層土壤水分能否得到補充及水分對植被的有效性。為此，土壤水分運動的研究是農(nóng)學、土壤學、環(huán)境科學等科學家關注的熱點問題［4］。目前，雖然對坡面土壤水分空間變異性及其影響因素做了大量的研究［5-10］，但在區(qū)域尺度上進行的土壤水分與土地利用關系的研究中，大多數(shù)只是注重土壤水分的年際變化和年內(nèi)變化過程，而對坡面土壤水分在某個特定時期的變化規(guī)律的詳細研究較少［11］。因此，本研究選取珠江南北盤江上游巖溶區(qū)域的玉溪市澄江縣撫仙湖流域尖山河小流域典型坡耕地坡面為研究對象，對雨季烤煙坡耕地土壤水分沿坡面方向的變異進行研究，旨在為該地區(qū)合理利用天然降雨資源和土地資源提供科學依據(jù)。

1 研究材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市澄江縣撫仙湖流域尖山河小流域，隸屬于澄江縣養(yǎng)白牛村，其北接龍街鎮(zhèn)廣龍村，南接祿充風景區(qū)，東臨撫仙湖，西接晉寧縣。該小流域地理位置為東經(jīng) 102°47'21″—102°52'02″、北緯24°32'00″—24°37'38″，總面積 35.42 km2，地貌類型為中山高原地帶，多年平均降水量1 050 mm，干濕季分明，雨季為5月下旬至10月下旬，暴雨基本出現(xiàn)在雨季，年平均徑流深30 mm，年均蒸發(fā)量為900 mm。流域土壤主要是紅紫泥土和紅壤，主要地類有云南松天然次生林、云南松-藍桉人工林、荒山荒坡、坡地和梯田等，種植的農(nóng)作物以烤煙為主。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計

根據(jù)小流域的特點，選擇有代表性的烤煙坡耕地作為試驗基地。當?shù)睾０螢? 773 m，坡度為18.58°，坡向為南北向，歷年種植作物主要為烤煙。試驗前對烤煙坡耕地土壤進行了基底調(diào)查，采用蛇形采樣法共采集土樣12個測定其基本物理性質，取樣深度60 cm，供試土壤為砂質紅壤。

為了比較坡面尺度不同坡位處的土壤水分在垂直剖面上的遷移差異，在試驗地坡中部和坡下部垂直埋設長度為2 m的PVC管，分別埋設3個重復，重復之間水平距離為2 m，采用L520型土壤水分中子儀在降雨后對地下2 m深范圍內(nèi)的土壤質量含水量進行測定。從地表開始向下，每20 cm深度分為一層，每層重復測定3次，取平均值作為該層次的土壤含水量，測定深度為160 cm。監(jiān)測過程從2010年6月初開始到8月底，于降雨后進行測定。

1.2.2 相關計算及數(shù)據(jù)分析

本研究采用SPSS11.5實用統(tǒng)計軟件和Excel數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

2 研究結果分析

2.1 土壤特性及降雨特征

試驗區(qū)土壤主要為砂質紅壤，降水是試驗區(qū)土壤水分的唯一來源，土壤的持水能力是土壤水分動態(tài)變化的基礎。土壤的持水能力直接取決于土壤的結構，適宜的土壤容重對于土壤保水是很重要的：容重小的土壤，其上層水分容易蒸發(fā)，下層水分容易滲漏;容重太大的土壤則不利于降水滲入，易造成徑流損失。此外，土壤的質地在很大程度上影響著土壤持水能力和水分滲透速度。Singh等對美國西部科羅拉多州半干旱草原的研究表明，黏質壤土的有效水(實際含水量-凋萎系數(shù))含量最高，砂質壤土有效水含量最低［12-13］。試驗區(qū)土壤物理性質及降水特征分別見表1、2。

表1 試驗區(qū)土壤物理特性

表2 試驗區(qū)2010年降雨特征

2.2 土壤水分隨時間的水平動態(tài)變化

采用野外原位連續(xù)采樣監(jiān)測的方法，于2010年6月初至8月底對烤煙坡耕地不同坡位不同深度處的土壤水分含量進行了監(jiān)測，坡面尺度不同坡位(坡中部和坡下部)不同深度處土壤水分隨降雨時間的水平動態(tài)分布見圖1。從圖1可看出，坡中部和坡下部不同層次的土壤水分隨時間的變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為隨烤煙的生長進程而減少的趨勢，但坡下部各層次的土壤水分隨時間的變化趨勢較坡中部明顯。降雨初期6月15日，降雨量為42 mm，不同土層土壤水分含量差異比較大，原因可能在于前期降雨少，土壤含水量較少，此次降雨量較大，且烤煙處于生長季前期，水分吸收少，故土壤水分下滲較多。7月21日雖然降雨最大，為58.5 mm，但土壤各層含水量均小于6月15日，且不同土層土壤水分含量差異較小，原因可能在于烤煙處于生長最旺盛時期，而且氣溫最高，日照最強烈，雖然降雨較大，但水分消耗量遠大于補給量。在7月1日、7月16日、8月3日的3次降雨中，降雨量相近，分別為5、8、10.4 mm，但7月1日不同坡位處土壤各層含水量均比7月16日及8月3日大，可能是由于7月1日烤煙處于生長初期，水分吸收及蒸騰較少。

圖1 土壤水分水平動態(tài)變化及其與降雨量的關系

2.3 烤煙生長季不同坡位處土壤水分的垂直動態(tài)分布

烤煙生長季(6月初—8月底)坡面尺度不同坡位處土壤水分隨深度的垂直分布見圖2，不同坡位不同深度處土壤水分統(tǒng)計特征值與變異系數(shù)的垂直變化見表3。

土壤水分是大氣降水、植物根系吸水及土壤表面蒸發(fā)共同作用的結果。降水滲入土壤，土壤中的水分除極少部分滲漏外，主要通過土壤蒸發(fā)和林木蒸騰的形式進入大氣。生長季節(jié)，降雨滲入土壤，使土層逐漸變濕，由于根系分布的深淺和土壤中各點水勢的不同，土壤剖面上各點含水量的減少并不一樣，降雨后各點含水量的增加也各不相同，因此在不同深度上土壤含水量的變化程度各不相同，從而形成了土壤水分的垂直變化特征。

由圖2可以看出，在0—160 cm土層中，不同坡位土壤含水量的垂直分布規(guī)律基本相同，均為0—20 cm土層含水量較低，隨后逐漸增加，基本到60—80 cm土層達到一個峰值，然后隨著土層深度的增加土壤含水量逐漸減少，其基本趨勢是隨著土層深度的增加先增加后減少;不同坡位相比，坡下部土壤水分含量明顯大于坡中部，是坡中部的1.80～2.01倍。0—20 cm土層土壤水分含量較低，主要是由于6月初至8月底研究區(qū)氣溫高，地表接受了較多的太陽輻射，蒸發(fā)強烈，且烤煙根系主要分布在0—20 cm土層，其根系也吸收了大量水分。坡中部由于地表徑流大量流失，土壤水分入滲小，蒸發(fā)損失大，因此土壤水分含量較低;但坡下部的地表徑流小，水分可下滲到深層，故其0—160 cm土層的土壤水分明顯高于坡中部。

圖2 試驗區(qū)土壤水分的垂直動態(tài)變化

表3 2010年土壤水分剖面統(tǒng)計特征及變異系數(shù)

雖然不同坡位處土壤水分的變化趨勢基本相同，但是由于受降雨、入滲、產(chǎn)流、蒸散等因素的影響，土壤水分經(jīng)常處于動態(tài)變化過程中，使不同土層土壤水分變化幅度呈現(xiàn)一定的差異。從表3可以看出，坡面不同坡位處的土壤含水量變化程度不同，同一坡位處不同土層深度的土壤含水量變化幅度也存在差異，其中不同坡位處土壤含水量變異系數(shù)均隨土層深度的增加逐漸減小，且坡中部土壤水分含量的平均值、標準差和變異系數(shù)也均小于坡下部，說明坡下部0—160 cm土層的土壤水分含量及其變化幅度均大于坡中部。從表3還可以看出，0—20 cm表層(根系的主要分布區(qū))含水量的變化最為劇烈，而20—80 cm土層及100—160 cm土層中含水量的變異系數(shù)變化較小，但20—80 cm土層含水量的變異系數(shù)明顯大于80—160 cm土層。由此說明，不同坡位處0—20 cm土層受降雨、蒸發(fā)、烤煙根系吸收的影響最大，該層為土壤水分速變層;坡下部20—80 cm土層含水量變異系數(shù)維持在0.32～0.33之間，坡中部維持在0.26～0.29之間，為次活躍層，該范圍內(nèi)土層土壤水分處在雙向補償層中，土壤水分既來自降水后上層土壤水分的下行入滲補給，又來自水分上行運移對蒸發(fā)面水分蒸發(fā)的補給，經(jīng)常處于增濕和失水的不穩(wěn)定狀態(tài);坡下部80—160 cm土層含水量變異系數(shù)維持在0.17～0.20之間，坡中部維持在0.15～0.17之間，為穩(wěn)定層，該土層的土質較上層緊實，土壤水分運移的阻力也較大，氣溫引起的土壤蒸發(fā)對該層影響較小，降雨的補償也相對較緩慢，在水勢梯度的影響下，水分主要由上層入滲補給，而且?guī)缀醪皇芸緹煾涤绊?，所以該層土壤水分變化相對穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的均勻性。

2.4 烤煙生長季不同坡位處各層次土壤水分含量與降雨量的相關性分析

對烤煙生長季不同坡位不同深度處土壤水分含量與降雨量進行單相關分析，結果列于表4。從表4看出，不同層次的土壤水分含量與降雨量的關聯(lián)度較低，但坡下部0—100 cm土層含水量與降雨量之間存在顯著的相關性，100 cm土層以下為不相關;坡中部0—40 cm土層含水量與降雨量呈顯著相關，40 cm土層以下不相關。這說明降雨對坡中部0—40 cm土層和坡下部0—100 cm土層的土壤水分影響較大。

表4 烤煙生長季不同坡位不同深度處土壤水分含量與降雨量單相關分析

3 討論

研究結果顯示，烤煙生長季不同坡位處土壤水分含量都呈現(xiàn)從表層到深層(0—160 cm)先增加后減少的趨勢。楊新民［14］研究黃土丘陵區(qū)0—200 cm土壤水分動態(tài)變化結果顯示，隨著土層深度的增加，土壤含水量呈減少趨勢，最大值出現(xiàn)在20—40 cm土層內(nèi)，與本研究結果相似。究其原因，可能是降雨時水分向深層入滲存在滯后性，而且6月初至8月底是植物生長最旺盛的時期，烤煙根系對上層土壤水分的強烈吸收也會形成土壤含水量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

烤煙生長季坡中部不同深度土壤水分平均含量均小于坡下部。坡位與土壤水分的關系和相對高度與土壤水分的關系基本一致，二者有著很相似的變化規(guī)律［15］。邱揚等研究了黃土高原中部不同相對高度上及不同坡位土壤水分的變化，結果表明，相對高度與土壤含水量呈負相關，即隨著相對高度的增加土壤含水量呈降低趨勢，同一坡面自坡底到坡頂土壤水分也有類似的變化趨勢［16］。

4 結論

(1)烤煙生長季不同坡位不同層次的土壤水分含量隨時間變化的趨勢基本一致，均表現(xiàn)為隨烤煙的生長進程而減少的趨勢。

(2)烤煙生長季不同坡位的土壤水分含量都呈現(xiàn)從表層到深層(0—160 cm)先增加后減少的趨勢，基本在60—80 cm土層含水量達到最大值。

(3)烤煙生長季不同坡位同一層次土壤水分平均含量及其變異系數(shù)坡中部均小于坡下部，且不同坡位土壤含水量變異系數(shù)均為從表層到深層逐漸減小。0—20 cm為土壤水分速變層(活躍層)，20—80 cm為次活躍層，80—160 cm為穩(wěn)定層。

(4)烤煙生長季不同坡面尺度不同層次的土壤水分含量與降雨量的關聯(lián)度較低，但坡下部0—100 cm土層含水量與降雨量之間存在顯著的相關性，100 cm土層以下為不相關;坡中部0—40 cm土層含水量與降雨量呈顯著相關，40 cm土層以下不相關。

［1］邵曉梅，嚴昌榮，徐振劍.土壤水分監(jiān)測與模擬研究進展［J］.地理科學進展，2004，23(3)：58-66.

［2］楊進懷，孫艷紅，張洪江.縉云山不同類型植被坡面土壤水分特征［J］.水土保持研究，2007，14(6)：126-129.

［3］宋閏柳，于靜潔，薛明.華北山區(qū)東臺溝小流域溝道土壤水分動態(tài)特征［J］.南水北調(diào)與水利科技，2010，8(5)：42-45.

［4］李艷梅，王克勤，陳奇伯，等.金沙江干熱河谷微地形改造對土壤水分運動參數(shù)的影響研究［J］.水土保持研究，2008，15(4)：19-23.

［5］潘成忠，上官周平.黃土半干旱丘陵區(qū)陡坡地土壤水分空間變異性研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19(6)：5-9.

［6］李玉山，史竹葉，張孝中，等.長武王東溝小流域土壤墑情影響因素與分布特征［J］.水土保持通報，1990，10(6)：1-6.

［7］傅伯杰，陳頂利，馬克明.黃土丘陵小流域土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響——以延安市羊圈溝流域為例［J］.地理學報，1999，54(3)：51-56.

［8］劉梅，蔣定生，黃國俊，等.不同坡面位置土壤水分差異規(guī)律分析［J］.水土保持通報，1990，10(2)：16-20.

［9］王軍，傅伯杰，邱揚，等.黃土丘陵小流域土壤水分的時空變異特征——半變異函數(shù)［J］.地理學報，2000，55(4)：428-438.

［10］Ovalles F A，Collins M E.Soil-landscape relationships and soil variability in north central Florida［J］.Soil Science Society of America，1986，50(2)：401-408.

［11］劉春利，邵明安.六道溝流域典型坡面不同土地利用方式下土壤水分動態(tài)變化研究［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2006，14(4)：54-56.

［12］Singh J S，Milchunas D G，Lauenroth W K.Soil water dynamics and vegetation patterns in a semiarid grassland［J］.Plant Ecology，1998，134(1)：77-89.

［13］王紅梅，謝應忠，陳來祥.黃土高原坡地土壤水分動態(tài)特征及影響因素［J］.寧夏農(nóng)學院學報，2004，25(4)：62-66.

［14］楊新民.黃土高原灌木林地水分環(huán)境特性研究［J］.干旱區(qū)研究，2001，18(1)：8-13.

［15］Qiu Yang，F(xiàn)u Bojie，Wang Jun，et al.Soil moisture variation in relation to topography and land use in a hillslope catchment of the Loess Plateau，China［J］.Journal of Hydrology，2001，240(3-4)：243-263.

［16］Qiu Yang，F(xiàn)u Bojie，Wang Jun，et al.Spatial variability of soil moisture con ten t and its relation to environmental indices in a semi-arid gully catchment of the Loess Plateau，China［J］.Journal of Arid Environments，2001，49(4)：723-750.