葛藤覆被下干熱河谷沖溝溝岸土壤水熱變化特征

校 亮,熊東紅,張寶軍,張 素,吳 漢,楊 丹,李建查,史亮濤

1 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,成都 610041 2 中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,成都 610041 3 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049 4 云南省農業科學院熱區生態農業研究所,元謀 651300

金沙江干熱河谷是我國西南地區特殊的生態脆弱區[1],該區沖溝侵蝕強烈、氣候炎熱干燥、水熱矛盾突出[2-3]。在該區植被恢復實踐中,土壤水分、溫度扮演的角色比其他類型的干旱區更加敏感,是研究水熱綜合影響的最佳場所[4]。長期以來,干熱河谷區在自然和人為因素的共同作用下,形成了具有干旱炎熱、易于侵蝕、養分貧瘠等特點的特殊土壤生態環境[5- 6],已成為國內植被恢復困難區,尤其是在土體裸露、陡立、水分蒸發嚴重、晝夜溫差劇變的沖溝溝岸,更是植被恢復極端困難區,長期以來一直未能找到有效的植被恢復措施。

覆蓋處理是土壤水熱調控的主要措施之一[7],在干旱半干旱區作物栽培方面得到了廣泛應用。研究表明,覆蓋不僅可以有效攔截降雨、提高土壤入滲量[8-10],還可減少蒸發、增加土壤貯水量[11-12],又可調節地溫、降低溫差[13-14],是土壤水熱調控的有效方式。在干熱河谷區覆蓋措施的理論研究和實踐探索現階段主要集中于農業上的保墑控溫、作物生長等方面,多見于秸稈、地膜覆蓋的農田和坡耕地土壤[15-16],較少有學者關注到沖溝溝岸,劉潔等研究了3種植被恢復模式下土壤貯水及入滲特性,指出與裸地相比,植被的飽和貯水量普遍較高[17]；劉芝芹等通過對金沙江干熱河谷不同土地利用土壤入滲特征的研究,得到了果園和灌木地土壤入滲性能最好、其次為草地、旱地土壤入滲性能最差[18]；韓嬌嬌等指出,干熱河谷不同土地利用類型坡面土壤水分坡耕地最好、草地次之、林地最差[19]；但以往研究及以上措施均很難應用到陡立的沖溝溝岸。但是,該區沖溝面積廣闊,發育形成有較多溝岸,若長期暴露在干熱的氣候條件下,強蒸發作用將使得土壤水分生態環境進一步惡化,更不利于植被恢復。因此,亟需探尋適宜的技術措施來調控溝岸土壤水熱狀況,為溝岸生境改良與植被恢復奠定基礎。

野外調查干熱河谷區沖溝流域發現,自然狀況下藤本植物攀沿覆被溝岸現象較為普遍,調查進一步針對性地選取了葛藤(Kudzu)生長的溝岸。裸露溝岸寸草不生、部分地塊甚至發育形成跌穴、溝岸底部存在大量結構松散的崩積物；而葛藤生長的溝岸則布滿了翠綠的鮮藤,綠被物下裹覆有厚實的枯落物,整個溝岸分布有較多的扭黃茅(Heteropogoncontortus)。基于此現象,研究者思考扭黃茅著床生長溝岸可能與葛藤覆被溝岸后溝岸土壤水熱條件得以改善有關。那么,葛藤覆被溝岸后土壤水熱條件是否改善以及如何改善？這些問題目前尚不清楚。

本文以元謀干熱河谷沖溝發育的溝岸土體為研究對象,選取干熱河谷雨季初期首場較為充沛的降雨過程,這是因為該場降雨對于干熱河谷植被復蘇尤為重要,并以旱季5月土壤平均含水率作為背景條件(此時期溝岸土壤水分蒸發殆盡,土壤含水率相對穩定)。采用野外定位監測的方法,開展葛藤覆被對溝岸土壤水熱變化的影響研究,旨在為溝岸生境改良與植被恢復提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南元謀干熱河谷,介于101°35′—102°26′E,25°23′—26°06′N之間。該區屬南亞熱帶季風氣候,年均溫21℃、年降雨量613.8mm、年蒸發量3737.3mm,干燥度達4.4[4]。旱季(11—5月份)降水不足50mm,長達7個月以上的旱季降水量不足年降水量的10%,特別是在2—5月份春末初夏植物生長的關鍵季節,干熱加劇、蒸發強烈、土壤嚴重干旱、地面溫度最高達70℃,嚴重影響植物生長。區內地帶性土壤為燥紅土,自然植被為稀樹灌木草叢[20]。由于特殊的氣候和巖性條件,該區沖溝侵蝕發育,溝壑密度為3.0—5.0km/km2,最大達7.4km/km2[21],且因下切侵蝕和側壁崩塌,溝谷兩側常發育有陡立溝岸。溝岸由于特殊的微地形條件,在降雨過程中水分入滲困難,加之土體溫度晝夜劇變,使得該地塊成為沖溝系統中土壤水熱矛盾最為突出的部位,也成為沖溝植被恢復實踐中的困難部位。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取

圖1 干熱河谷沖溝陡立溝岸發育 Fig.1 Development of the gully bank in Yuanmou Dry-hot Valley Region

本研究中所指的沖溝溝岸,區分于溝頭以上及臨近范圍受集水區徑流沖刷直接影響的區域,特指在地形平坦開闊的溝床兩側的陡立地帶,即從溝床側壁底部向上延伸至溝緣的區域[22](圖1)。其特征在于地表裸露、坡度陡峭,水分、溫度變化劇烈,其上植被難以生長。

2016年3月于成都山地所溝蝕崩塌觀測研究站附近(101°83′E,25°85′N),選取了一個葛藤生長的原位溝岸。葛藤屬多年生藤本植物,2006年種植在溝岸底部,攀沿生長布滿溝岸,因生長條件差異,不同地塊葛藤覆被狀況各異。

溝岸基本特征如下：坡向30°、坡度67.5°、沿坡面長5.9m、岸寬47m,溝岸燥紅土(上層3.9m)、砂積層(下層2m)成層分布。

在溝岸頂部沿坡面長2m以下的燥紅土層選取原位小區,以避免溝緣以上臺面區域降雨入滲和水分蒸散對深層土壤水分的影響,盡可能地保證溝岸土壤水分蒸散只取決于側壁蒸發(圖2)。

研究時段處于旱雨季交替時期,葛藤經歷長時間干旱后開始復蘇生長,出現了大量枯藤和極少鮮藤共存的景象。在試驗小區,基于葛藤自然生長狀況,自東向西依次選取裸露、鮮藤覆被和枯藤覆被地塊,地塊規格為1.8m×1.8m。其中裸露地塊作對照CK、鮮藤覆被地塊設置1種處理T1、枯藤覆被地塊設置3種處理(T2、T3、T4),葛藤覆被狀況均以單位面積生物量計。

圖2 試驗區原位小區布設示意圖Fig.2 Sketch of experimental field plotsCK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu

1.2.2 葛藤覆被物生物量測定

采集各地塊葛藤覆被物,各處理取4個樣品,S形采樣。將自制方形環刀(20cm×20cm×20cm)垂直輕扣在覆被物上,緊貼環刀外壁刈割覆被物,并收集環刀內所有覆被物。烘干法測定其生物量[23],平均后求得葛藤單位面積生物量(表1),作為葛藤覆被狀況指標,各處理間Cv=0.91,處中等變異。

表1 試驗處理設置

CK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu.

1.2.3 土壤含水率、土壤溫度監測

在選定的5個試驗地塊中心,垂直溝岸埋設土壤水分探管,用與之配套的土壤剖面水分儀(英國Delta-T Device Ltd.公司生產,型號：PR2/6)進行土壤水分動態監測。

在土壤水分監測點附近埋設紐扣式溫度記錄儀(德國Fireball.公司生產,型號：TQ-03- 2),動態監測土壤溫度變化。具體監測深度和精度信息見表2。

表2 土壤含水率和土壤溫度監測點位置

圖3 監測期間降雨量Fig.3 Rainfall over the monitoring period

監測時段為2016年5月3日—5月5日、5月21日—5月31日,監測期間的降雨信息如圖3所示。土壤含水率監測頻度為每日7次(6:00、9:00、12:00、14:00、16:00、19:00、23:00),每一時間點土壤水分監測3次取平均值(每次將土壤剖面水分儀順時針旋轉120°,重新讀數)。土壤溫度設置整點監測,時間間隔為2h/次。

1.3 數據統計與分析

溝岸表層土壤水分動態變化特征可采用土壤含水率變化率Rv來表征：

(1)

式中：Rv為土壤含水率變化率,vt0+1為連續監測時段后一時刻土壤含水率,vto為連續監測時段前一時刻土壤含水率,t為監測時長。

不同覆被狀況下溝岸土壤水熱變化程度可采用極值比Ka和變異系數Cv來表示[24]：

(2)

式中：xmax為水分(溫度)最大值；xmin為水分(溫度)最小值。Ka反映了系列數據的變化幅度,Ka值越大,不同覆被狀況下土壤水熱變化幅度越大。

數理統計中用標準差與均值之比作為衡量系列數據相對離散程度的參數,稱為變異系數Cv,可反映土壤水熱的變異性：

(3)

試驗所得基礎數據采用Excel 2003軟件進行預處理,采用SPSS 17.0軟件進行數據統計分析,采用Origin Pro 8.0軟件進行圖件繪制。

2 結果與分析

2.1 溝岸土壤水分季節變化特征

在干熱河谷地區,漫長的旱季使得溝岸土壤水分在雨季來臨之前幾乎蒸發殆盡,土壤水分嚴重虧缺且相對穩定。此時雨季首場較為充沛的降雨將十分有利于土壤存蓄水分,為植被復蘇創造條件。表3反映了不同處理措施下旱季末期(5月3日至5月5日)及雨季首場降雨結束后土壤含水率相對穩定時期(5月30日)溝岸表層0—40cm土層平均土壤含水率。

表3 不同時段溝岸表層0—40cm土層平均土壤含水率

CK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu

由表3可知,①在旱季,裸露溝岸0—40cm土層平均土壤含水率較低,為13.15%；鮮藤覆被下溝岸土壤含水率進一步降低,僅為8.68%,較裸露溝岸下降了4.47%；統計分析表明,CK與T1處理間土壤含水率Cv=0.28,屬中等程度變異。枯藤覆被下溝岸土壤含水率相對增加,T2—T4平均土壤含水率分別為14.91%、16.75%、19.44%,分別較裸露溝岸增加了1.76%、3.6%、6.29%；統計分析表明,CK與T2—T4處理間土壤含水率Cv=0.18,屬中等程度變異。雨季也呈現出了類似的規律。表明鮮藤覆被溝岸后溝岸土壤含水率會進一步降低,只有在枯藤覆被溝岸下土壤含水率才得以提升。說明枯藤覆被可改善土壤水分狀況,增加土壤蓄水量。②各處理措施下CK、T1—T4溝岸平均土壤含水率較旱季分別增加了7.89%、10.31%、9.51%、10.57%、9.71%,統計分析表明,各處理間土壤含水率增加量Cv=0.11,屬中等程度變異。對比分析不同處理措施下溝岸0—40cm平均土壤含水率自旱季至初次降雨結束后相對穩定時期的增加量可知,較裸露溝岸而言,葛藤覆被可溝岸土壤水分蓄積能力,有利于降雨水分入滲。

2.2 溝岸剖面土壤水分變化特征

氣象條件、覆被狀況和土壤性質共同決定著水分入滲及蒸散,影響著土壤水分活躍層深度,對土壤水分蓄積至關重要[25-26]。圖4為單次降雨過程中各處理措施下溝岸剖面土壤水分逐日變化特征。

圖4 不同處理措施下溝岸剖面土壤水分逐日變化特征Fig.4 The changes characteristics of soil moisture content in gully bank under different treatmentsCK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu

由圖4可知,各處理措施下溝岸淺層土壤水分變化活躍,但活躍層深度不同；土層加深后,水分逐日變化微弱。①CK土壤水分變化趨勢線在0—40cm土層呈分散狀態,40—100cm土層逐漸匯合；T1土壤水分變化趨勢線在0—100cm土層均較為分散；T2—T4土壤水分變化趨勢線在0—30cm土層均呈現出分散狀態,30—100cm土層趨于匯合。表明土壤水分活躍層深度與葛藤覆被狀況有關,鮮藤覆被可增加土壤水分活躍層深度,枯藤覆被下土壤水分活躍層深度則相對減小。②隨土層加深,各處理措施下土壤水分變化趨勢線均呈現出由分散趨向匯合的規律。表明土層加深后,土壤水分活躍程度逐漸減弱。

本文引入極值比(Ka)和變異系數(Cv)對溝岸剖面土壤水分逐日變化特征進行了統計學分析,以進一步準確、科學地表達和描述土壤水分逐日變化特征(包括土壤水分變化幅度和變異程度及土壤水分活躍層深度)。表4為各處理措施下溝岸剖面土壤水分變化統計學分析結果。

由表4可知,在剖面方向：各處理措施下土壤水分變化幅度和變異程度大都呈現出隨土層加深而減小的規律。以裸露地塊為例,Ka(10,20,30,40,60cm)=3.145、1.691、1.230、1.047、1.020、1.065,Ka值依次減小；Cv(10,20,30,40,60cm)=0.375、0.123、0.106、0.102、0.029、0.100,Cv值依次減小；其余處理也呈現出類似規律。表明土層加深后,土壤水分變化幅度和變異程度逐漸減弱。在水平方向：鮮藤覆被下同層土壤水分變化幅度及變異程度相對增加,枯藤覆被下則明顯減弱。以土壤水分變化最為劇烈的溝岸表層10cm土壤為例,土壤水分變化幅度：Ka(CK)=3.145,Ka(T1)=3.147,Ka(T2,T3,T4)=2.749、1.774、1.798,Ka(T2,T3,T4)

陳軍鋒等依據Cv≥0.07劃分了晉中盆地凍融期秸稈覆蓋下土壤水分活躍層[22],劃分依據統計分析結果人為選取,合理性有待商榷。本文依據變異系數本身特點,將土壤水分變化劇烈,各層土壤含水率Cv值均大于0.1,處中等以上變異的連續土層定義為土壤水分活躍層。以裸露地塊CK為例,Cv(10,20,30,40,60,100cm)=0.375、0.123、0.106、0.102、0.029、0.100,10、20、30、40cm連續土層Cv值均大于0.1,則CK土壤水分活躍層為0—40cm。以同樣的方法劃分了其他處理土壤水分活躍層,鮮藤覆被地塊T1為0—100cm,枯藤覆被地塊(T2,T3,T4)均為0—30cm。

表4 溝岸剖面土壤水分變化統計學分析結果

CK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu;Ka: 極值比, extremes ratio;Cv: 變異系數, variation coefficient; —表示土壤含水率監測過程中最小值未檢測出,極值比不存在

2.3 溝岸表層土壤水分變化特征

溝岸表層土壤水分狀況與動態變化可用土壤含水率及其變化率表征。土壤含水率可直觀反映土壤水分狀況,土壤含水率變化率的正(負)則能反映土壤水分的蓄積(散失),切線斜率也較好地表達了土壤水分蓄積(散失)速率。不同處理措施下溝岸表層0—10cm土壤含水率及其變化率如圖5所示。

由圖5a可知,各處理措施下溝岸表層土壤含水率均呈現出“增加,減小,陡升,陡降,之后穩定衰減”的規律。依據土壤含水率變化規律將監測時段劃分為2個階段,5月21日—5月26日,土壤水分補給階段；5月27日—5月30日,土壤水分衰減階段。

分析表明,葛藤覆被可增加水分補給階段土壤含水率的增加量,且在枯藤覆被地塊,土壤含水率的增加量隨葛藤覆被量的增加而增加。5月21日雨前土壤平均含水量CK為12.8%,T1為14.6%,T2—T4依次為14.0%、16.0%,24.3%。土壤水分補給結束后,各處理措施下CK、T1—T4平均土壤含水率較前期土壤含水率分別增加了7.2%、11.2%、8%、9.8%、14.8%。上述變化特征表明了葛藤覆被可增加土壤水分補給過程中土壤含水率的增加量。

進一步分析表明,葛藤覆被可有效降低土壤含水率的散失量。在土壤水分衰減階段,5月27日,V(CK,T1,T2,T3,T4)=29.9%、35.2%、32.8%、28.9%、45.7%；5月30日,V(CK,T1,T2,T3,T4)=14.1%、21.1%、18.1%、21.9%、37.0%,各處理措施下平均土壤含水率分別降低了15.8%、14.1%、14.7%、6.9%、8.8%。上述變化特征表明了葛藤覆被可減小土壤水分衰減過程中土壤含水率的散失量。

圖5 不同處理措施下溝岸表層0—10cm土層土壤水分變化特征Fig.5 The changes characteristics of soil moisture content in gully bank surface layer under different treatmentsCK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu; 監測次數N以土壤含水率監測時間點順次排列, 1,2,3……,其下標注有監測日期

由圖5b可知,隨葛藤覆被量增加,溝岸表層土壤含水率變化率波動規律不明顯。但是,在枯藤覆被地塊,覆被量增加后,土壤含水率變化率的波動逐漸平緩,波峰依次減小,波長穩步增大。①T2波形最陡,T3次之,T4波形最緩。表明隨枯藤覆被量增加,土壤含水率變化率波形逐漸變緩。②土壤含水率變化率峰值T2為0.380,T3為0.138,T4為0.124。表明隨枯藤覆被量增加,土壤含水率變化率峰值依次減小。③在土壤含水率變化率波動出現峰值的波段準1/2波長處,T2對應時長7h,T3、T4對應時長均為17h。表明隨枯藤覆被量增加,土壤含水率變化率正波動的時長增加。①—③共同說明了增加枯藤覆被量可保證土壤含水率變化率較高的增長速率、較為平穩地、較長時間地增長。

2.4 溝岸表層土壤溫度變化特征

土壤溫度是太陽輻射平衡和土壤熱量平衡共同作用的結果。氣象條件、覆被狀況通過影響太陽輻射和土壤熱特性改變土壤溫度[27]。圖6描述了各處理措施下溝岸表層5、10cm土壤溫度變化特征。

由圖6可知,①葛藤覆被削弱了溝岸表層土壤溫度隨深度的變異性,覆被量越多,表層土壤溫度差異越小。溝岸表層5、10cm處土壤溫度波動的差異性隨葛藤覆被量增加而減弱,T4處理下5、10cm處土壤溫度變化曲線幾乎重疊。②以土壤水分補給、衰減轉折期5月26日為界,各處理措施下溝岸表層5、10cm處土壤溫度變化顯著不同。5月26日之前,10cm處土壤溫度普遍高于5cm處；5月26日之后則相反,且10cm處土壤溫度變化較5cm處表現出滯后性。表明溝岸表層不同深度土壤溫度變化與土壤水分補給衰減過程有關。

圖6 不同處理措施下溝岸表層土壤溫度變化特征Fig.6 The changes characteristics of soil temperature in gully bank surface layer under different treatmentsCK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu; 監測次數N以土壤溫度監測時間點順次排列, 1,2,3……,其下標注有監測日期

表5為溝岸表層土壤溫度變化統計學分析結果。由表5可知,隨葛藤覆被量增加,溝岸表層5cm、10cm處土壤溫度變化幅度和變異程度均逐漸減小。各處理措施下溝岸表層5cm處土壤溫度的極值比Ka(CK,T1,T2,T3,T4)=1.374、1.399、1.205、1.196、1.183,變異系數Cv(CK,T1,T2,T3,T4)=0.068、0.066、0.043、0.039、0.038,5cm處土壤溫度Ka值和Cv值均表現為CK>T1>T2>T3>T4；10cm處土壤溫度的極值比Ka(CK,T1,T2,T3,T4)=1.565、1.529、1.351、1.248、1.242,變異系數Cv(CK,T1,T2,T3,T4)=0.113、0.109、0.085、0.068、0.062,10cm處土壤溫度Ka值和Cv值亦表現為CK>T1>T2>T3>T4,上述變化規律說明了土壤溫度變化幅度和變異程度均隨葛藤覆被量的增加而減小。

圖7為各處理措施下溝岸表層5cm處土壤溫度變化特征。由圖7可知,①隨葛藤覆被量增加,溝岸表層5cm處土壤溫度波動逐漸減弱。裸露地塊CK土壤溫度波動最為劇烈,T1次之,T2、T3、T4依次降低。表明葛藤覆被可降低溝岸表層5cm處土壤溫度波動,減弱土壤溫度的劇變性。②以土壤水分補給、衰減轉折期5月26日為界, 各處理措施下溝岸表層5cm處土壤溫度變化特征顯著不同。5月26日之前,5cm處土壤溫度波動較小,土壤溫度隨葛藤覆被量增加而增加；5月26日之后土壤溫度波動較大,土壤溫度隨葛藤覆被量增加而降低。表明土壤溫度波動與土壤水分補給衰減過程有關。

表5 溝岸表層土壤溫度變化統計學分析

CK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu; ②Ka: 極值比, extremes ratio;Cv: 變異系數, variation coefficient; —表示土壤含水率監測過程中最小值未檢測出,極值比不存在

圖7 不同處理措施下表層5cm處土壤溫度變化 Fig.7 The changes characteristics of soil temperature in gully bank surface layer in 5cm under different treatmentsCK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu; ②監測次數N以土壤溫度監測時間點順次排列, 1,2,3……,其下標注有監測日期

3 討論

3.1 溝岸土壤水分季節變化特征

相比裸露溝岸而言,旱、雨季鮮藤覆被溝岸土壤含水率均出現不同程度的降低,旱、雨季枯藤覆被溝岸土壤含水率則顯著增加。較裸露溝岸,鮮、枯藤覆被溝岸0—40cm土層平均土壤含水率自旱季至初次降雨結束后相對穩定時期土壤含水率的增量明顯增加,即鮮、枯藤覆被均可提高溝岸土壤水分蓄積能力,利于降雨水分入滲。

3.2 溝岸剖面土壤水分變化特征

本研究中枯藤覆被減小了溝岸土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度。這與陳軍鋒等[24],李守蕾[28]的研究結果一致。可能是由于覆被改變了土氣間的水分交換條件,使得土壤水分補給—衰減過程發生了改變,進而影響到土壤水分動態變化。降雨期間,覆被可降低徑流,提高入滲；降雨結束后,覆被又可抑制蒸發[28]。溝岸表層土壤水分存量增加、蒸發卻減小,土壤水分波動影響范圍則相對減弱。

較裸露溝岸,鮮藤覆被下溝岸土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度顯著增加。原因可能是葛藤生長對極端環境產生了相應的調節適應機制,12:00—16:00太陽輻射強烈,葛藤葉片傾斜生長以降低蒸騰耗水。期間部分表土裸露,植物蒸騰和土面蒸發使得土壤水分加速散失引起。T1、T4處理下40—60cm土層土壤含水率低的原因在于區內有葛藤須根生根,強烈的蒸騰作用使的該層土壤水分急劇下降,水分虧缺嚴重。因此,葛藤種植應選擇在溝岸底部水分條件相對優越的區域,以防止植被過度耗水導致土壤干旱化。

3.3 溝岸表層土壤水分變化特征

有研究表明,表層土壤水分變化對氣象條件和覆被狀況的改變更為敏感[29],本文對比分析了不同處理措施下溝岸表層0—10cm土壤含水率及其變化率在單次降雨過程中的動態變化特征。研究發現,葛藤覆被可增加水分補給過程中土壤含水率的增加量,減小土壤水分衰減過程中土壤含水率的散失量。增加枯藤覆被量后,土壤含水率變化率的波形逐漸平緩、波峰依次減小、波長穩步增大。可能是由于覆被物既可充當降雨水分的緩存器,使水分入滲存在緩沖效應；又可充當水分入滲的緩釋器,使水分補給存在滯后效應[26],使得土壤水分入滲時間拉長,入滲速率減弱,表現在土壤含水率變化率的波動規律即為波形平緩,峰值減小,波長增加。

3.4 溝岸表層土壤溫度變化特征

本研究中葛藤覆被減弱了溝岸表層土壤溫度。這與蔡太義[30]的研究結果一致。可能是由于覆被改變了表層土壤熱量的自然遷移規律,阻礙了太陽輻射和地面凈輻射,降低了白天輻射熱能,削弱了夜間熱量散失,并弱化了土壤的熱傳導過程,使得土壤溫度波動降低。

研究還發現,土壤溫度波動與土壤水分補給衰減過程有關。原因可能是5月26日之前,覆層內存留有一定水分,表層土壤溫度主要以深層(10cm)土壤向淺層(5cm)土壤的熱傳導為主,地表溫度對表層土壤的影響較弱,因而深層土壤溫度相對較高。5月26日之后,覆層水分蒸發殆盡后,太陽輻射通過加熱淺層土壤并以熱傳導的方式傳遞給深層土壤,因而淺層土壤溫度較高；同時表層土壤溫土壤熱傳導過程需要一段時間,溫度變化的滯后性也就隨之出現。

4 結論

(1)相比裸露溝岸而言,旱、雨季鮮藤覆被溝岸土壤含水率均出現不同程度的降低,枯藤覆被溝岸土壤含水率則顯著增加,且鮮、枯藤覆被均有利于降雨水分入滲,提高土壤水分蓄積量。

(2)相比裸露溝岸而言,鮮藤覆被可明顯增加土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度,枯藤覆被下土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度則相對減弱。

(3)相比裸露溝岸而言,鮮、枯藤覆被可提高水分補給過程中溝岸表層土壤含水率的增加量,降低水分衰減過程中溝岸表層土壤含水率的散失量；增加枯藤覆被量可保證土壤含水率變化率以較高的增長速率、較穩平穩地、較長時間地增長。

(4)相比裸露溝岸而言,鮮、枯藤覆被可削弱溝岸表層土壤溫度的變化幅度和變異程度,減弱土壤溫度波動。

[1] Cui P, Wei F Q, Li Y. Sediment transported by debris flow to the lower Jinsha River. International Journal of Sediment Research, 1999, 14(4): 67- 71.

[2] 劉方炎, 李昆, 張春華, 廖聲熙. 金沙江干熱河谷植被恢復初期的群落特征. 南京林業大學學報: 自然科學版, 2007, 31(6): 129- 132.

[3] 陳安強, 張丹, 魏雅麗, 劉剛才. 元謀干熱河谷沖溝溝頭土壤結構對入滲性能的影響. 水土保持學報, 2011, 25(1): 47- 52.

[4] 何毓蓉, 沈南, 王艷強, 唐家良, 高庭艷, 楊艷鮮, 范月清. 金沙江干熱河谷元謀強侵蝕區土壤裂隙形成與侵蝕機制. 水土保持學報, 2008, 22(1): 33- 36, 42- 42.

[5] 段愛國, 張建國, 何彩云, 劉娟娟, 曾燕飛, 崔永忠, 李昆. 干熱河谷重要造林樹種氣體交換特性的坡位效應. 生態學報, 2013, 33(12): 3630- 3638.

[6] Zhu Y M, Lu X X, Zhou Y. Sediment flux sensitivity to climate change: a case study in the Longchuanjiang catchment of the upper Yangtze River, China. Global and Planetary Change, 2008, 60(3/4): 429- 442.

[7] 劉婷, 賈志寬, 張睿, 鄭甲成, 任世春, 楊寶平, 聶俊峰, 劉艷紅, 王海霞. 秸稈覆蓋對旱地土壤水分及冬小麥水分利用效率的影響. 西北農林科技大學學報: 自然科學版, 2010, 38(7): 68- 76.

[8] Li S X, Wang Z H, Li S Q, Gao Y J, Tian X H. Effect of plastic sheet mulch, wheat straw mulch, and maize growth on water loss by evaporation in dryland areas of China. Agricultural Water Management, 2013, 116: 39- 49.

[9] Ramakrishna A, Tam H M, Wani S P, Long T D. Effect of mulch on soil temperature, moisture, weed infestation and yield of groundnut in northern Vietnam. Field Crops Research, 2006, 95(2/3): l15- 125.

[10] Bunna S, Sinath P, Makara O, Mitchell J, Fukai S. Effects of straw mulch on mungbean yield in rice fields with strongly compacted soils. Field Crops Research, 2011, 124(3): 295- 301.

[11] Flerchinger G N, Sauer T J, Aiken R A. Effects of crop residue cover and architecture on heat and water transfer at the soil surface. Geoderma, 2003, 116(1/2): 217- 233.

[12] 員學鋒, 吳普特, 汪有科, 徐福利. 免耕條件下秸稈覆蓋保墑灌溉的土壤水、熱及作物效應研究. 農業工程學報, 2006, 22(7): 22- 26.

[13] 脫云飛, 費良軍, 楊路華, 張永玲. 秸稈覆蓋對夏玉米農田土壤水分與熱量影響的模擬研究. 農業工程學報, 2007, 23(6): 27- 32.

[14] Zheng X Q, Chen J F, Xing S Y. Infiltration capacity and parameters of freezing and thawing soil under different surface coverages. Transactions of the CSAE, 2009, 25(11): 23- 28. (in English with Chinese abstract)

[15] Guo F F, Nan L, Chen A Q, Liu G C. Influence of vegetation coverage on surface runoff and soil moisture in rainy season in dry-hot valley. Agricultural Science & Technology, 2010, 11(4): 138- 143.

[16] 胡兵輝, 王維, 張紅芳. 干熱河谷旱地覆蓋間作兩熟種植模式的水分效應. 水土保持學報, 2015, 29(1): 274- 278.

[17] 劉潔, 李賢偉, 紀中華, 張健, 張良輝, 周義貴. 元謀干熱河谷三種植被恢復模式土壤貯水及入滲特性. 生態學報, 2011, 31(8): 2331- 2340.

[18] 劉芝芹, 黃新會, 王克勤. 金沙江干熱河谷不同土地利用類型土壤入滲特征及其影響因素. 水土保持學報, 2011, 28(2): 57- 62.

[19] 韓嬌嬌, 段旭, 趙洋毅, 熊好琴. 干熱河谷不同土地利用類型坡面土壤水分時空變異. 水土保持學報, 2017, 31(2): 129- 136.

[20] 張寶軍, 熊東紅, 郭敏, 董一帆, 蘇正安, 楊丹, 史亮濤. 干熱河谷沖溝侵蝕劣地不同坡位草被生長和土壤水分關系研究. 草業科學, 2015, 32(5): 686- 693.

[21] 何毓蓉, 黃成敏, 楊忠, 張信寶. 云南省元謀干熱河谷的土壤退化及旱地農業研究. 土壤侵蝕與水土保持學報, 1997, 3(1): 56- 60.

[22] 張磊. 雙面蒸發條件下溝岸地土壤水分時空分布特征[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2015: 1- 2.

[23] 寇萌, 焦菊英, 尹秋龍, 杜華棟, 王東麗. 黃土丘陵溝壑區主要草種枯落物的持水能力與養分潛在歸還能力. 生態學報, 2015, 35(5): 1337- 1349.

[24] 陳軍鋒, 鄭秀清, 秦作棟, 劉萍, 臧紅飛, 孫明. 凍融期秸稈覆蓋量對土壤剖面水熱時空變化的影響. 農業工程學報, 2013, 29(20): 102- 110.

[25] 李強, 周道瑋, 陳笑瑩. 地上枯落物的累積、分解及其在陸地生態系統中的作用. 生態學報, 2014, 34(14): 3807- 3819.

[26] 米美霞, 樊軍, 邵明安. 利用熱脈沖技術研究石子覆蓋對土壤內部蒸發的影響. 土壤學報, 2013, 50(1): 75- 82.

[27] 米美霞, 樊軍, 邵明安, 高宇. 地表覆蓋對土壤熱參數變化的影響. 土壤學報, 2014, 51(1): 58- 66.

[28] 李守蕾. 旱地秸稈帶狀覆蓋不同覆蓋量對冬小麥土壤水熱變化的影響[D]. 蘭州: 甘肅農業大學, 2016: 2- 3.

[29] Cook H F, Valdes G S B, Lee H C. Mulch effects on rainfall interception, soil physical characteristics and temperature underZeamaysL. Soil and Tillage Research, 2006, 91(1/2): 227- 235.

[30] 蔡太義. 渭北旱原不同量秸稈覆蓋對農田環境及春玉米生理生態的影響[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2011: 1- 3.