喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤水分對降水特征的響應

張芳, 曾馥平,*, 杜虎 , 彭晚霞

喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤水分對降水特征的響應

張芳1,2, 曾馥平1,2,*, 杜虎1,2, 彭晚霞1,2

1. 中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室, 長沙 410125 2. 中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站, 廣西環(huán)江 547100

為了明確喀斯特峰叢洼地不同土地利用類型土壤水分對降水的響應, 采用定位觀測法, 選擇順坡種植桂牧1號、順坡種植玉米、封育、刈割除根、火燒、刈割6種喀斯特峰叢洼地最典型的土地利用方式, 分析了這6種土地利用方式下土壤水分動態(tài)變化。結果表明: 研究區(qū)2011—2013年的降水量可分為枯水年(2011年)、豐水年(2012年)和平水年(2013年)三種降水年型。枯水年土壤水分年均含量表現為種植桂牧1號>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 平水年和豐水年均表現為封育>刈割>種植桂牧1號>火燒>刈割除根>種植玉米。封育和桂牧1號土地利用方式在各降水年型下均具有較高的水分含量, 而種植玉米土壤含水量則最低, 其次為刈割除根。降水年型對土壤水分變異系數的影響表現為枯水年>豐水年>平水年的趨勢。不同土地利用方式在枯水年、豐水年和平水年三種降水年型中, 土壤水分變化趨勢各有特點, 主要受近期降水和土壤蒸發(fā)的影響。封育和桂牧1號土壤水分含量高, 兩種土地利用方式能顯著改善土壤水分狀況, 積蓄一定的水分。

水分動態(tài); 降水年型; 土地利用方式; 喀斯特峰叢洼地

0 前言

峰叢洼地是典型的喀斯特地貌景觀單元, 集中分布在我國西南喀斯特南部斜坡地帶, 一直以來是喀斯特地區(qū)生態(tài)治理與重建的難點, 坡面在該地區(qū)面積上占相當大的比例, 所以是該地區(qū)植被恢復和退耕還林還草的重點和難點地區(qū)。喀斯特地區(qū)是我國生境脆弱帶之一, 獨特的地質環(huán)境背景與不合理的土地開發(fā)使該區(qū)域生態(tài)環(huán)境不斷惡化[1]。喀斯特地區(qū)雨熱資源豐富, 降水量大, 但時空分布不均, 蒸發(fā)量明顯大于降水量, 水氣總體上處于虧缺狀態(tài), 易形成季風氣候條件下獨特的巖溶干旱現象[2], 喀斯特長時間的巖溶作用形成了有別于其他地區(qū)的地上地下二元水文結構, 水文過程與其他類型區(qū)也有明顯差異[3]。土壤水分是流域水循環(huán)中非常活躍的部分, 影響著植物生長及生態(tài)環(huán)境的發(fā)展, 土壤水分由于受氣候、土壤、土地利用方式等因素的影響, 經常處于動態(tài)變化之中。

土地利用是人類利用土地各種活動的綜合反映, 合理的土地利用方式可以改善土壤結構[4], 土地利用方式雖然在短時間內會改變土壤結構, 但影響最大的是表層土壤水分含量, 充分認識各種土地利用方式下土壤的水分狀況及其變化是有效利用土地資源的前提。劉春利[5]研究表明不同土地利用方式下土壤水分季節(jié)動態(tài)規(guī)律趨于一致性, 呈先降低后增加再降低的變化趨勢。朱樂天[6]研究表明不同土地利用類型土壤含水量隨著時間的推移出現先增后減的趨勢, 與降雨分布基本保持一致, 但有關喀斯特區(qū)域不同土地利用方式土壤水分動態(tài)及影響因素的研究相對缺乏。本研究基于喀斯特峰叢洼地火燒、刈割、刈割除根、封育、種植玉米、種植桂牧1號6種常見土地利用方式樣地的建設、土壤水分長期監(jiān)測和土壤屬性的調查, 對喀斯特峰叢洼地土壤水分變化規(guī)律進行研究, 并分析不同土地利用類型土壤水分對降水的響應, 為提高土壤有效含水量、實現水土資源協(xié)調利用、有效指導該區(qū)農業(yè)生產和植被快速恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西環(huán)江縣的中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站。該區(qū)域是典型的喀斯特峰叢洼地地貌類型, 流域總面積146.1 hm2, 海拔在272.0到647.2 m之間。屬于中亞熱帶季風氣候, 年均氣溫15.7 ℃, 7月平均氣溫28 ℃, 1月平均氣溫10.1 ℃, 歷年最高氣溫38.7 ℃, 最低氣溫–5.2 ℃。年均降雨量1389.1 mm, 季節(jié)分配不均, 有明顯的旱、雨季之分, 雨季平均持續(xù)130—140 d, 主要集中在4—9月, 雨季降雨量占全年降雨量的70%以上, 其中6、7月降雨量最多, 可達到400 mm, 10月至次年3月則為旱季, 各月平均降水量在90mm以下。年均蒸發(fā)量1571.1mm, 相對濕度平均為70%。年均日照時數1451h, 日照時數以2月最低, 7月最高, 日照率以3月最低, 9月最高, 太陽年平均輻射總量414.1 kJ·cm-2, ≥10 ℃積溫為5500—6530 ℃。土壤為白云巖發(fā)育的石灰土, 石礫含量高, 基巖裸露率在15%—30%之間, 土層淺薄。

1.2 試驗設計

2006年底在中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站一面相對均一的東南向山坡中(>25°)下部鄰接建立了火燒、刈割、刈割除根、封育、順坡墾殖種植玉米、順坡墾殖種植桂牧1號6種喀斯特峰叢洼地常見的土地利用方式動態(tài)監(jiān)測樣地, 投影面積為1400 m2(20 m×70 m), 具體設計及處理見表1。桂牧1號雜交象草以其生物量高、適應性強、耐刈割、多年生等特點成為桂西北地區(qū)最重要的人工牧草。動態(tài)監(jiān)測樣地修建, 坡面土壤和植被較為均一, 沿坡向下, 土層平均厚度由10—30 cm增加到50—80 cm。動態(tài)監(jiān)測樣地四周由磚石漿砌圍隔(地表、地下各約20 cm), 防治小區(qū)內外地表徑流和泥沙出入。

表1 樣地基本情況

1.2.1 土壤水分測定

坡面樣線取樣: 本研究土壤水分樣品采集時間為2011年1月至2014年12月, 在20 m×70 m的動態(tài)監(jiān)測樣地內沿中線以5 m為間隔, 從坡底向上至坡頂連續(xù)采樣。在每個采樣點上用鋁盒采集表層0—10 cm土壤樣品, 及時稱量土壤鮮重, 在實驗室內烘干測定土壤水分質量含水量。本研究采樣頻度為降雨后每3天調查一次。

1.3 數據處理方法

應用經典統(tǒng)計學分析處理數據, 使用的軟件包括SPSS, Origin。

2 結果與分析

2.1 試驗期間降水年型劃分

研究采用國內較常用的降水量距平百分率的大小進行降水年型的劃分, 其中: 小于-10%為枯水年, 大于10%為豐水年, 在±10%之間為平水年。根據試驗期間(2011—2013年)降水觀測結果, 可將其劃分為3種類型: 豐水年、平水年(正常年)和枯水年(干旱年)。研究期間降雨觀測結果如表2所示, 2011年總降雨量為1901.3 mm, 較歷年平均減少22.5%, 因此確定2011年為枯水年；2012年總降雨量為1786.6 mm, 較歷年平均增加了26.8%, 因此確定2012年為豐水年；2013年降水量為1316 mm, 介于2011和2012年之間, 較歷年平均增加了-6.6%, 因此確定其為平水年。2011年-2013年降雨量表明(表 2), 5月到八月降雨多, 年降水量約有78.6%集中在雨季, 而旱季降雨量僅占全年降雨總量的 21.4%。豐水年最大降雨量出現在 5月, 平水年枯水年最大降雨量在6月。

2.2 降雨對不同土地利用方式土壤水分的影響

火燒、刈割、封育和刈割除根4種方式的水分變化較為一致(圖1), 土壤含水量主要受降雨影響, 與降雨量變化較為一致, 但豐水年4—6月降水量增加, 而土壤含水量的變化趨勢為先降低后上升, 可能是氣溫在增加, 同時植物生長旺盛, 土壤水分消耗增大, 因此, 總的趨勢表現為表層土壤水分呈現快速下降趨勢, 之后隨著降雨量增加而增加。平水年3月降雨量增加, 但是1—3月含水量逐漸降低, 可能是火燒和刈割, 刈割除根均是在1月開始, 植被覆蓋率低, 且坡面徑流大導致的流失快, 導致含水量逐漸降低；平水年降雨量7月到9月先升高后減少, 但是土壤含水量先減少后增加, 8月降雨量較高, 但該月氣溫高、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰作用均較強, 削弱了降雨對土壤水分的補償作用。枯水年降雨量先增加后減少, 但4—8月水分含量逐漸降低, 雖然喀斯特地區(qū)降雨量增大, 但枯水年降雨量小, 且此時季節(jié)上也處于該區(qū)域最熱的時候, 氣溫高導致地面蒸發(fā)快, 植物生長代謝比較旺盛, 因此土壤含水量降低。

2.3 降雨對不同土地利用方式土壤水分的影響

不同降水年份各土地利用方式土壤水分年均含量、變異系數如表3所示。各土地利用方式土壤水分含量均表現為豐水年>平水年>枯水年, 變異系數除種植桂牧1號枯水年小于豐水年外, 其他均表現為枯水年>豐水年>平水年。平水年、枯水年土壤水分年均含量均表現為種植桂牧1號>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 豐水年表現為封育>刈割>種植桂牧1號>火燒>刈割除根>種植玉米。土壤水分變異系數在枯水年表現為刈割除根>封育>種植玉米>火燒>刈割>種植桂牧1號, 在豐水年表現為刈割除根>種植桂牧1號>種植玉米>火燒>刈割>封育, 平水年表現為封育>火燒>種植桂牧1號>種植玉米>刈割除根>刈割。

表2 試驗區(qū)研究期間降雨量

圖1 不同土地利用方式土壤水分變化

Figure 1 Dynamics of soil moisture in different land-use types

表3 不同降水年份各土地利用方式土壤水分狀況

注: A: 火燒；B: 刈割；C: 刈割除根；D: 封育；E: 順坡種植玉米；F: 順坡種植桂牧1號。

3 討論

土壤水是陸地生態(tài)系統(tǒng)中水體的一項重要組成部分, 它對作物生長和農業(yè)發(fā)展具有重要的意義。不同土地利用方式在枯水年、豐水年和平水年三種降水年型中, 土壤水分變化主要受近期降水的影響, 不同土地利用方式的土壤含水量趨勢表現出一定的相似性。前人研究在黃土丘陵區(qū)上層土壤含水量動態(tài)變化與當地降雨的季節(jié)性保持一致[7], 本研究中, 試驗區(qū)降水分配規(guī)律與土壤水分變化具有較強的一致性, 只是水分存在一定的滯后現象。可能是試驗區(qū)石灰土土壤在高濕度階段導水率較高, 且大氣蒸發(fā)強度大, 空氣中水分含量少, 因此土壤表層水分容易蒸發(fā)損失。試驗區(qū)坡地土層淺薄、儲水能力低, 加上巖石滲漏性強, 大量的降雨漏失；因此并沒有使得土壤水分得到大幅的上升, 只是土壤水分得到小幅度的補給。

豐水年最低值出現在10月份, 可能是8月份氣溫高, 土壤蒸發(fā)和植被蒸騰作用均較強, 削弱了降雨對土壤水分的補償作用, 且秋季降雨減少, 出現伏旱現象, 土壤水分補給減少, 表層土壤水分繼續(xù)下降, 10月后氣溫降低, 降水對土壤水分的補償作用才得以體現[8], 因此十月份后突然含水量土壤增加。

研究土壤水分動態(tài)變化對揭示植被需水耗水規(guī)律、地區(qū)土壤含水量估算以及區(qū)域水循環(huán)過程有重要的意義[9]。降雨是研究區(qū)土壤水分的主要補給來源, 各土地利用方式土壤動態(tài)變化受降雨影響較大。不同土地利用方式下土壤含水量差異主要來源于地表植被覆蓋和蒸發(fā)耗水作用的差別, 地表植被對水流具有的截留與緩沖作用會導致不同土地利用類型土壤含水量的顯著不同, 并且植被蒸發(fā)耗水作用不同也會導致土壤含水量的差異[10]。在枯水年土壤水分年均含量表現為種植桂牧1號>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 平水年和豐水年表現為封育>刈割>種植桂牧1號>火燒>刈割除根>種植玉米。總體上不同降水年型下桂牧1號和封育土壤含水量最大, 桂牧1號為多年生牧草, 和封育一樣有著較高植被覆蓋率, 能有效減少太陽輻射, 降低地表溫度, 減弱土壤的蒸發(fā)作用。火燒和刈割均是在1月開始的, 但生長緩慢, 根系耗水少, 加上夏季有自然降水的補給, 土壤表層水分有所上升, 水分含量較高。順坡種植玉米和刈割除根的表層水分最低, 土種植玉米對土地擾動最強烈, 對土壤結構和原有植被破壞最嚴重, 刈割除根對土壤結構和植被更新影響較大, 導致地面蒸發(fā)量最大、土壤保水性能最差。

前人研究表明降水年型對土壤水分變異系數的影響表現為枯水年>平水年>豐水年[11], 本研究中土壤水分變異系數除種植桂牧1號為豐水年>枯水年>平水年, 其他均表現為枯水年>豐水年>平水年。平水年水分變化平緩, 表層土壤水分穩(wěn)定, 因此變異系數最小。枯水年雨量少, 植物需消耗大量土壤水來維持生長, 變異系數大。豐水年土壤水分在能夠滿足植被的生長的情況下, 還能儲蓄一部分水在表層土壤, 降雨會增加含水量, 變異系數較大, 但稍小于枯水年, 因為充沛的降雨減小了土壤水分的空間變異[12]。

不同的土地利用方式對土壤的含水量的影響較大, 封育和桂牧1號有著較高植被覆蓋率, 土壤保水持水能力強, 表層土尤為明顯, 因此在喀斯特地區(qū)栽植封育和桂牧1號能顯著改善土壤水分狀況, 積蓄一定的水分, 為作物的良好生長提供了保障, 而順坡種植玉米和刈割除根對土地擾動最強烈, 土壤表面裸露期長, 枯水年土壤含水量降低明顯, 地面蒸發(fā)作用消耗了土壤中大量的水分, 可通過人工加蓋枯枝落葉層, 減少地表蒸發(fā), 增強坡地土壤的保水持水能力, 提高土壤抵御干旱的能力, 提高土壤有效含水量, 為植被恢復提供較好的水分條件。喀斯特地區(qū)應通過建立合理的土地利用類型, 改變地表覆被狀況進而改善土壤水分條件, 改善生態(tài)環(huán)境。本研究主要進行表層土壤水分變化特征研究, 發(fā)現喀斯特地區(qū)存在著地上地下二元水文結構特征, 地表徑流小, 水分垂直漏失大, 由于喀斯特地區(qū)地下結構的復雜性, 深層次土壤水分運移規(guī)律研究還處于探索階段, 土體內部水分遷移變化規(guī)律有待于更進一步探討。

4 結論

研究區(qū)2011—2013年降水量可分為枯水年(2011年)、豐水年(2012年)和平水年(2013年)三種降水年型。土壤水分變化趨勢各有特點, 主要受近期降水和土壤蒸發(fā)的影響, 試驗區(qū)降水分配規(guī)律與土壤水分變化具有較強的一致性, 水分存在一定的滯后現象。

枯水年土壤水分年均含量表現為種植桂牧1號>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 平水年和豐水年表現為封育>刈割>種植桂牧1號>火燒>刈割除根>種植玉米。

土壤水分變異系數除種植桂牧1號為豐水年>枯水年>平水年, 其他均表現為枯水年>豐水年>平水年。

[1] 張笑楠, 王克林, 張偉, 等. 桂西北喀斯特峰叢洼地坡面土地利用對土壤水分的影響[J]. 土壤通報, 2009, (6): 1250–1254.

[2] Bonacci O, Pipan T, Culver D C. A framework for karst ecohydrology[J]. Environmental Geology, 2009, 56(5): 891–900.

[3] 宋同清, 彭晚霞, 杜虎, 等.中國西南喀斯特石漠化時空演變特征、發(fā)生機制與調控對策[J]. 生態(tài)學報, 2014, 34(18): 5328–5341.

[4] 程立平, 劉文兆, 李志. 黃土塬區(qū)不同土地利用方式下深層土壤水分變化特征[J]. 生態(tài)學報, 2014, 34(8): 1975– 1983.

[5] 劉春利, 邵明安.黃土高原六道溝流域不同土地利用方式下土壤水分特性及其對土壤水分的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 2008, 11(19): 2400–2407.

[6] 朱樂天, 焦峰, 劉源鑫,等. 黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤水分時空變異特征[J]. 水土保持研究, 2011, 18(6): 115–118.

[7] 繆凌, 董建國, 汪有科, 等黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型下的深層土壤水分變化特征[J]. 水土保持研究, 2016, 23(2): 13–18.

[8] 張北贏, 徐學選, 劉文兆, 等. 黃土丘陵溝壑區(qū)不同降水年型下土壤水分動態(tài)[J]. 應用生態(tài)學報, 2008, 19(6): 1234–1240.

[9] 趙景波, 侯雨樂, 曹軍驥, 等. 青海湖西吉爾孟附近土壤水分研究[J]. 地理科學, 2011, 31(4): 394–400.

[10] 顏蒙蒙, 周洲, 王濟, 等. 喀斯特地區(qū)土壤水分隨降雨的動態(tài)變化研究——以貴陽市花溪區(qū)為例[J]. 中國巖溶, 2016, 35(4): 446–452.

[11] 楊淑香. 農牧林交錯帶不同降水年型下土壤水分動態(tài)研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2015, 29(7): 107–110.

[12] Chen H, Shao M, Li Y. The characteristics of soil water cycle and water balance on steep grassland under natural and simulated rainfall conditions in the Loess Plateau of China[J]. Journal of Hydrology, 2008, 360(1/4): 242–251.

Response of soil moisture to precipitation characteristics in different land use patterns in Karst peak-cluster depression area

ZHANG Fang1,2, ZENG Fuping1,2,*, DU Hu1,2, PENG Wanxia1,2

1. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academic of Sciences, Changsha 410125, China 2. Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academic of Sciences, Huanjiang 547100, China

The purpose of this study was to clarify the response of soil moisture to precipitation in different land-use types. Based on the controlled experiment and long-term monitoring of six most common land-use types, i.e., burning, cutting, cutting plus with root removal, enclosure, maize plantation, and pasture of Guimu No. 1 plantation, the study was conducted to analyze the dynamic characteristics of soil moisture under these land-use types. The results showed that the annual precipitation of 2011-2013 in the study area could be divided into three types, i.e., dry year (2011), rainy year (2012) the normal year (2013). The variation of surface soil water content under different land-use types presented in the order of rainy year > normal year > dry year. The variation of surface soil water content was in the order of pasture of Guimu No. 1 plantation > enclosure > cutting > burning > cutting plus with root removal > maize plantation, while normal year and rainy year in the order of enclosure > cutting > pasture of Guimu No. 1 plantation > burning > cutting plus with root removal > maize plantation. Both enclosure and the pasture of Guimu No. 1 plantation under the three precipitation years had higher surface soil water content, while maize plantation had the lowest soil water content, and cutting plus with root removal followed. The effect of different yearly rainfall patterns on variance coefficient of soil moisture decreased in the order of dry year> rainy year > normal year. The monthly variation of surface soil water under different land-use types in three precipitation years (i.e., dry year, rainy year, and normal year) had their characteristics, which were affected by recent precipitation and soil evaporation.The soil moisture content was high in the enclosure and Guimu No. 1 plantation, which could improve the soil moisture status and accumulate water in the Karst area.

soil moisture; yearly precipitation pattern; depression between karst hills; land-use types

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.006

S157.2

A

1008-8873(2019)05-038-06

2018-10-04;

2018-12-12

國家支撐計劃課題(2015BAD06B04-06)

張芳(1994—), 女, 湖南鳳凰人, 碩士, 主要從事生態(tài)學研究。Email: 940489368@qq.com

曾馥平(1964—), 男, 研究員, 主要從事喀斯特生態(tài)系統(tǒng)研究。Email: fpzeng@163.com

張芳, 曾馥平, 杜虎, 等. 喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤水分對降水特征的響應[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(5): 38-43.

ZHANG Fang, ZENG Fuping, DU Hu, et al. Response of soil moisture to precipitation characteristics in different land use patterns in Karst peak-cluster depression area[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 38-43.