石漠化治理區不同植被類型淺層土壤水分對降雨的響應

景建生，劉子琦，李 淵，王 進，羅 鼎，蔡路路

(貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴陽 550001)

0 引 言

【研究意義】中國西南喀斯特地區是世界上巖溶連片分布最廣的地區，面積約為55 萬km2，其中石漠化面積達9.2 萬km2[1-2]。在石漠化發育程度較高的地區，淺薄的土層和特殊的水文、地質結構使得水土流失嚴重、土壤貯水能力較低、土壤水分缺乏，水資源成為維持地區植物生命活動和生態系統服務的重要限制因子[3-4]。研究[5-6]表明，土壤水分影響著滲透、徑流、蒸散發等水文過程，也對能量交換、溶質轉移產生重要的影響。而作為植物生命活動重要水分來源的淺層土壤水分，受降雨以及蒸散發影響較大[7]。且植被覆蓋條件較好時，地表徑流減少，延緩洪水過程，土壤吸收水分能力提高，土壤水分也會相應增加[8]。因此，通過土壤水分這一關鍵環節認識石漠化治理區土壤水分對降雨的響應特征及植被對土壤水分的影響，能夠為該地區作物灌溉及生態恢復工作提供重要的理論與現實指導意義。【研究進展】關于土壤水分的研究主要集中于時空異質性[9-11]、入滲特征及影響因素[12-14]、時空變化特征[15-17]、土壤水分對降雨的響應[18-20]等方面。如胡家帥等[21]分析了不同滴灌方式與滴灌量對棗樹土壤水分的影響。王云強等[22]通過對比次降雨后不同時段土壤水分和土壤體積質量，分析了其空間變異特征及相關性。張繼光等[23]研究了表層土壤水分的空間結構以及季節變化特征。也有研究[24]總結說明地表結皮、土壤初始含水率、土壤體積質量、機械組成、結構、有機質量、溫度、鈉離子量、土壤剖面特征對土壤水分入滲過程影響機制。從研究區域分析，土壤水分研究主要集中于黃土丘陵區、干旱半干旱區以及紅壤丘陵區。如馬婧怡等[19]通過監測黃土丘陵區6 種土地利用方式0～300 cm 土層土壤含水量，分析其垂直剖面分布特征。高紅貝等[20]研究干旱區降雨前后不同土地利用方式下土壤水分的動態變化特征，表明：降雨強度、降雨歷時、土地利用方式以及土壤結構是影響土壤水分變化的重要因素。殷建華[25]利用小雨、中雨、大雨事件從降雨量、降雨強度方面分析南方紅壤丘陵區不同植被類型土壤水分隨土層深度的變化特征。在中國西南喀斯特地區，近些年對土壤水分研究也得到了發展。有研究[26]基于標準差與變異系數2 個指標對土壤水分垂直變化進行分層，說明土地利用類型以及土層深度對土壤水分變化的影響。郭小嬌等[27]通過研究典型巖溶石山山坡地區雨季、雨季轉旱季、旱季3 個時段內典型降雨事件，分析了土壤剖面水分對降雨的響應過程?！緞撔曼c】本文針對目前喀斯特石漠化治理區植被土壤水分變化特征及其對降雨的吸收利用效率研究相對缺乏等現狀，利用不同量級降雨事件及相關補給特征指標，充分考慮植被、降雨、土壤水分三者的相互作用關系，分析植被淺層土壤水分變化特征?！緮M解決的關鍵問題】選擇喀斯特石漠化治理區4 種植被樣地為研究對象，對淺層土壤剖面水分和降雨量進行連續監測，從土壤性質、降雨特征、植被形態入手分析，以闡明不同量級降雨事件對植被淺層土壤水分的補給特征，以期能夠對石漠化治理區土壤水分運移規律進行深入了解，并對該地區植被灌溉及生態恢復工作的開展提供科學指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

花江小流域位于貴州省西南部，關嶺縣與貞豐縣交接處的北盤江河段峽谷兩岸，東經105°36′30″―105°46′30″，北緯25°39′13″―25°41′00″，總面積為47.91 km2。該流域地屬亞熱帶地熱河谷氣候，其年均降雨量約為1 100 mm，年平均氣溫為18.4 ℃，降雨年內分配不均勻，其中5―10 月為豐水期，降雨量可占全年總降雨量的83%，11 月到翌年的4 月為枯水期，降雨量約為全年的17%。研究區內植被以次生林為主，人工經濟林主要為花椒（Zanthoxylum bungeanum）、火龍果（Hylocereus undulatus）、金銀花（Lonicera japonica），土壤屬于黑色石灰土或黃色石灰土。地區低植被覆蓋率導致石漠化嚴重，從整體上講屬于中強度石漠化，影響該地區植被生長、生態恢復和經濟發展。本文土壤水分監測地點選擇當地典型的花椒地、金銀花地、火龍果地與荒地（下文圖表中分別用HJ、JYH、HLG、HD 代表），植被覆蓋度分別為45%、70%、40%，荒地主要為多年生草本。4 個樣地土壤均屬于石灰土，樣地基本信息見表1。

1.2 試驗設計

于2018 年5 月中旬在花椒地、金銀花地、火龍果地、荒地分別安裝5TE 土壤水分傳感器（美國Decagon 公司）（精度：0.03 m3/m3），傳感器埋設于土壤剖面的10、25 cm 深度，保證上層傳感器探頭附近10 cm 范圍內、下層傳感器探頭附近25 cm 范圍內無較粗樹根分布，監測各樣地淺層（10、25 cm）土壤含水率。利用EM50 數據采集器（美國Decagon 公司）采集數據，以10 min 記錄1 次數據的頻率采集土壤含水率，本文所用土壤含水率數據為2018 年6—10 月。距樣地空曠處安裝ECRN-100 高精度降雨量傳感器（美國Decagon 公司）（精度：0.2 mm），可對研究區內降雨量等氣象要素進行長期監測，選用降雨數據為2018 年6—10 月。依據我國氣象部門劃分降雨量級：小雨為24 h 降雨量<10 mm，中雨為24 h降雨量10～25 mm，大雨為24 h 降雨量25～50 mm，暴雨為24 h 降雨量>50 mm。本文對所選取的4 次降雨事件進行統計，降雨特征見表2。

表1 樣地基本信息 Table 1 Basic information of the sample plots

表2 降雨特征 Table 2 Characteristics of rainfall

1.3 數據處理與分析

本研究在降雨量和土壤水分連續監測的基礎上，依據相關補給特征指標計算公式[28]，統計降雨過程中土壤儲水量、土壤水分補給量、滯后時間以及有效補給速率、效率，結合標準差、變異系數綜合分析4 種植被0～10、10～25 cm 土層土壤水分對降雨的響應過程和利用效率。數據處理與統計分析使用Excel 2010與Origin Pro 2018 完成。

1）土壤儲水量計算式為：

式中：SW 為0～25 cm 土層土壤儲水量（mm）；θi為土壤水分探頭測得對應土層土壤體積含水率（cm3/cm3）；di為對應土層深度（mm），本文中上、下土層深度各為100、150 mm。

2）土壤水分補給量計算式為：

式中：?SW 為降雨對0～25 cm 土層土壤水分的補給量（mm）；SWmax為降雨后0～25 cm 土層土壤儲水量最大值（mm）；SW0為降雨前0～25 cm 土層土壤儲水量初始值（mm）。

3）土壤水分有效補給滯后時間計算式為：

式中：?t1為降雨后25 cm 土層觀測到水分補給的滯后時間（h）；t1為25 cm 土層觀測到土壤水分開始增加的時間（h）；t0為降雨開始的時間（h）。

4）土壤水分有效補給速率計算式為：

式中：V 為土壤水分有效補給速率（mm/h）；tmax為0～25 cm 土層土壤儲水量達到最大值的時間（h）；t1為25 cm 土層觀測到土壤水分開始增加的時間（h）。

5）土壤水分有效補給效率計算式為：

式中：R 為降雨對土壤水分有效補給效率（%）；P 為降雨量（mm）。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率與降雨量動態變化特征

表3 為研究區4 種植被類型淺層土壤含水率變化特征。由表3 可知，4 種植被淺層土壤含水率差異較為明顯，火龍果地平均土壤含水率最高（32.76%，40.55%），花椒地平均土壤含水率最低（18.48%，25.29%）。火龍果地土壤含水率變異系數最?。?.20%，2.35%），荒地，花椒地土壤含水率則存在較大的波動，其中荒地上、下土層變異系數分別為17.97%、17.57%，花椒地上層變異系數為19.61%，下層為14.39%。火龍果地較高的淺層土壤含水率以及較小的變異系數表明其土壤水分在雨季變化不大，受降雨及蒸散發影響較小，淺層土壤具有較好的保水、儲水性能?；牡?、花椒地平均土壤含水率相對較低，變異系數較大，說明2 個樣地淺層土壤水分受降雨以及其他因素影響大，時間穩定性小。

表3 土壤含水率變化特征 Table 3 Variation characteristics of soil moisture content

圖1 為研究期內降雨量與4 種植被淺層土壤含水率變化趨勢圖。由圖1 可知，在2018 年6—10 月之間，降雨在時間分配上不均勻，期間共發生62 次不同強度的降雨事件，總降雨量為1 019.2 mm，但主要集中在6 月（376.2 mm）、8 月（350.2 mm）和9 月（146.8 mm），3 個月各占期間總降雨量的36.91%、34.36%和14.40%，整體上呈現出3 個峰值。降雨量的增加會引起土壤含水率的增加，因此隨著每次降雨事件的發生，不同植被類型淺層土壤含水率也隨之發生不同程度的上升，總體呈現與降雨變化趨勢相對應的3 個峰值。9 月下旬以后，受降水量減少、水分下滲和蒸發等因素的影響土壤水分開始回落。

2.2 不同植被類型淺層土壤含水率對小雨的響應

圖2、圖3 分別為4 種植被0～10、10～25 cm 土層土壤含水率與降雨的響應關系，結合表2、圖2（a）、圖3（a）可知，小雨降雨歷時2 h，總降雨量為8.60 mm，平均降雨強度為4.30 mm/h。雨前，不同植被類型0～10 cm 土層初始含水率由高到低依次為：火龍果地、荒地、金銀花地、花椒地；10～25 cm 土層依次為：火龍果地、金銀花地、荒地、花椒地?；瘕埞販\層土壤初始含水率最大，花椒地淺層土壤初始含水率最小。降雨開始0～1 h，降雨強度為7.00 mm/h，火龍果地的土壤含水率發生顯著的變化，而其他3 個樣地土壤含水率無顯著變化。1～2 h，降雨量與降雨強度均減小，降雨強度為1.60 mm/h，火龍果地淺層土壤含水率逐漸減小，花椒地、金銀花地以及荒地淺層土壤含水率變化仍不明顯。綜合來講，本次小雨事件中火龍果地上、下土層土壤含水率增長率分別為11.08%、12.85%，響應時間分別滯后10、20 min，符合隨土層深度增加，土壤含水率對降雨響應時間變慢的規律，而其余3 個樣地淺層土壤含水率均未對小雨作出響應。

圖1 土壤含水率與降雨量 Fig.1 Soil moisture content and rainfall

2.3 不同植被類型淺層土壤含水率對中雨的響應

圖2（b）、圖3（b）為中雨條件下4 種植被類型淺層土壤含水率的變化特征。由圖2（b）、圖3（b）可知，雨前0～10 cm 土層土壤初始含水率表現為：火龍果地>荒地>金銀花地>花椒地；10～25 cm 土層土壤初始含水率表現為：火龍果地>金銀花地>荒地>花椒地。第一次降雨歷時3 h，總降雨量為16.40 mm，平均降雨強度為5.47 mm/h，各植被類型0～10 cm 土層土壤含水率均對本次降雨有所響應，而10～25 cm 土層土壤含水率僅金銀花地、火龍果地出現變化。降雨開始0～1 h，降雨強度較小，4 個樣地0～10 cm 土層土壤含水率無明顯變化。1～2 h 降雨強度增加到9.60 mm/h，金銀花地、火龍果地0～10 cm 土層土壤含水率增加明顯，增長率為金銀花地（17.73%）>火龍果地（2.36%），花椒地與荒地仍無顯著變化。2～3 h 降雨強度為2.80 mm/h，金銀花地0～10 cm 土層土壤含水率有所下降，其他樣地0～10 cm 土層土壤含水率均增加，增長率為花椒地（18.54%）>荒地（6.51%）>火龍果地（0.75%）。第1 次降雨結束后到第2 次降雨開始之間，花椒地與荒地0～10 cm 土層土壤含水率在不斷增加且荒地土壤含水率持續上升，金銀花地與火龍果地則呈緩慢下降趨勢。第2 次降雨期間，荒地0～10 cm 土層土壤含水率迅速增加，其他3 種樣地土壤含水率變化不明顯?；ń返?0～25 cm 土層土壤含水率迅速增加，其余3 種樣地土壤含水率均呈緩慢下降趨勢。

從土壤含水率對降雨響應時間方面講，本次降雨事件中，火龍果地、金銀花地、荒地、花椒地0～10 cm 土層土壤含水率對降雨的響應時間分別滯后20 min、60 min、70 min、100 min?；牡?0～25 cm 土層土壤含水率未對降雨產生明顯響應，火龍果地、金銀花地、花椒地則分別滯后80 min、140 min、540 min。

2.4 不同植被類型淺層土壤含水率對大雨的響應

圖2（c）、圖3（c）表示大雨條件下植被淺層土壤含水率的變化趨勢。由圖2（c）、圖3（c）可看出，雨前0～10、10～25 cm 土層土壤初始含水率均為火龍果地>荒地>金銀花地>花椒地。降雨2～3 h，降雨強度增加到15.00 mm/h，花椒地、金銀花地0～10 cm 土層土壤含水率迅速上升并達到最大值，而火龍果地與荒地0～10 cm 土層土壤含水率分別在降雨開始后6～7 h增加到最大值，而后不斷降低。4 種植被類型10～25 cm 土層土壤含水率均在降雨發生后6～7 h 內達到最大值，其后隨著降雨強度的減小而逐漸降低。

4 種植被0～10 cm 土層土壤含水率增長率為荒地最大（23.47%），其次是花椒地（22.42%）、金銀花地（18.66%），最后為火龍果地（9.95%）。10～25 cm 土層土壤含水率增長率為荒地（57.45%）>金銀花地（26.64%）>花椒地（19.11%）>火龍果地（5.82%）。本次大雨量降雨事件中，金銀花地、花椒地淺層土壤含水率對降雨響應時間較快，且增長率較大，表明2個樣地土壤水分受大雨影響較為明顯。

2.5 不同植被類型淺層土壤含水率對暴雨的響應

圖2（d）、圖3（d）為暴雨條件下4 種植被類型淺層土壤含水率的變化特征。本次降雨總歷時15 h，平均降雨強度為8.33 mm/h。由圖2（d）、圖3（d）得知，降雨期間，降雨量整體呈現2 個峰值，淺層土壤含水率大體也呈現與降雨量相對應的2 個峰值。0～2 h 降雨強度增加到35.80 mm/h，4 種植被0～10 cm土層土壤含水率開始出現第1 個峰值，并在降雨開始7～8 h 降雨強度再次增加時出現第2 個峰值，其中火龍果地土壤含水率在降雨開始后1～2 h 達到最大值，花椒地、荒地土壤含水率在降雨開始2～3 h 后達到最大值，金銀花地則在降雨開始3～4 h 達到最大值。10～25 cm 土層金銀花地土壤含水率受降雨影響不明顯，花椒地、荒地土壤含水率在降雨發生時開始增加，而后在整個降雨過程中土壤含水率趨于穩定，可能由于前期降雨量大，上層水分下滲使得該層土壤水分達到飽和，出現“平臺期”[27]?；瘕埞厣?、下土層土壤含水率變化趨勢較為一致，下層變化幅度較上層小，說明下層土壤含水率受上層影響，但影響較小。金銀花地、花椒地、荒地0～10 cm 土層土壤含水率分別在降雨發生第5 h、第6 h、第7 h 迅速下降，而對應10～25 cm 土層土壤含水率則未發生相應變化，可能由于土壤水分存在側向入滲現象[29]，且喀斯特石漠化地區巖石裸露率高、地下孔（裂）隙發育，當下層土壤水分達到飽和時，上層土壤水分容易通過側向孔（裂）隙入滲。

本次降雨過程中0～10 cm 土層土壤含水率增長率為花椒地（179.66%）>金銀花地（84.12%）>荒地（74.93%）>火龍果地（25.90%）。10～25 cm 土層土壤含水率增長率為花椒地（74.24%）>荒地（44.79%）>火龍果地（9.97%）>金銀花地（6.06%）。綜合來看，在暴雨條件下，4 個樣地淺層土壤含水率對降雨的響應時間無顯著差異，但花椒地、荒地、金銀花地淺層土壤含水率增長率大于火龍果地，說明花椒地、荒地、金銀花地淺層土壤水分受暴雨影響較大。

圖2 0～10 cm 土層土壤含水率對降雨的響應 Fig.2 Response of the layer 0～10 cm of soil moisture content to rainfall

2.6 降雨對植被淺層土壤水分的補給特征

圖4 為降雨對不同植被淺層土壤水分的補給特征。從圖4 可以看出，4 種植被淺層土壤水分開始有效補給的平均滯后時間依次為荒地（0.3 h）、火龍果地（0.5 h）、花椒地（0.9 h）、金銀花地（3.0 h），金銀花地淺層土壤水分平均滯后時間最長且時間差異最大，表明其淺層土壤水分對降雨的響應時間受降雨量級影響較大，而荒地、火龍果地濕潤鋒到達25 cm 土層的時間差異較小，淺層土壤水分對降雨的響應時間受降雨量級影響較小。土壤水分有效補給速率在一定程度上能夠表示土壤水分在土壤剖面中運移的速度。本研究中平均土壤水分補給速率為火龍果地最大（11.56 mm/h），其次為花椒地（4.82 mm/h）、金銀花地（2.84 mm/h）、最后為荒地（2.27 mm/h），表明火龍果地土壤水分在垂直剖面中入滲最快，但也受降雨特征影響較大，而荒地入滲最慢，受降雨影響較小。此外，結合平均土壤水分補給效率（火龍果地、荒地、花椒地、金銀花地分別為64.87%、38.16%、31.94%、29.23%）可知，火龍果地淺層土壤能夠有效吸收利用大部分降雨，花椒地、金銀花地淺層土壤對降雨利用效率低。

圖3 10～25 cm 土層土壤含水率對降雨的響應 Fig.3 Response of the layer10～25 cm of soil moisture content to rainfall

圖4 降雨對不同植被類型淺層土壤水分的補給特征比較 Fig.4 Comparison of rainfall replenishment efficiency of shallow soil moisture for different vegetation types

3 討 論

土壤水分動態變化特征受土壤性質影響。土壤體積質量越小，單位體積土壤含水率越大，土壤水分調蓄能力也越強，變動幅度一般較大，同時，土壤孔隙的發育程度越高，土壤含水率的變異系數越小[30-32]?；瘕埞販\層土壤體積質量最大，孔隙發育程度低于其他3 種植被，而荒地則相反。因此，火龍果地淺層土壤含水率變異系數最小，在降雨過程中水分入滲緩慢，易產生水土流失。而荒地、花椒地土壤含水率波動較大，降雨發生時水分可以通過優先流的形式入滲，減少水土流失。

監測期4 次降雨事件的降雨特征變化與不同植被淺層土壤含水率變化具有較一致的趨勢，可見降雨特征是影響降雨對土壤水分補給的重要因素。隨降雨量級增大，降雨對土壤水分的貢獻率越大，土壤含水率增長率和持續時間均增加[27]。本研究所選取4 次降雨事件降雨量有明顯差異，淺層土壤含水率在大雨和暴雨事件中增長率較大，滯后時間縮短，而在小雨和中雨事件中變化趨勢微弱。4 次降雨事件平均降雨強度差別較小，但在相同降雨條件下，不同植被淺層土壤含水率變化趨勢不同，且同一種植被淺層土壤含水率在一次降雨過程也有所差別，表明降雨歷時和降雨強度都會影響土壤水分變化，這與相關研究[33]結果一致。

降雨對土壤水分的補給受地表植被類型的影響，不同植株形態使得淺層土壤水分表現出不同的補給特征[28]。比較4 次降雨事件對不同植被淺層土壤水分的補給特征得知：受植株形態的影響，荒地與火龍果地土壤水分容易得到有效補給，金銀花地與花椒地補給效率較低。較高的覆蓋度與較大的冠幅容易對降雨產生截留作用，降雨需要經過林冠、樹干等到達地面，導致土壤水分響應時間相對滯后，同時，覆蓋度和冠層的大小影響穿透雨量、樹干徑流量，在相同的降雨條件下，較大的覆蓋度和冠層對降雨的再分配能力更強，一部分雨水降落到葉片上被蒸發很難穿過冠層經樹干徑流到達地表[28]。研究期內金銀花地、花椒地、火龍果地植被覆蓋度分別為70%、45%、40%，而荒地為天然荒草，植株形態較矮小，降雨完全浸潤植株葉片后能迅速沿葉片降落到地表，對土壤水分進行補給。因此，本研究中4 種植被對降雨響應的滯后時間從大到小依次為：金銀花地、花椒地、火龍果地、荒地。土壤水分有效補給效率從高到低依次為：火龍果地、荒地、花椒地、金銀花地。

4 結 論

1）研究期植被淺層土壤含水率變化趨勢與降雨變化趨勢具有一定規律，6、8、9 月降雨量較多，同時也是淺層土壤水分受到降雨補給的峰值期；火龍果地平均土壤含水率最高，其次為荒地、金銀花地、花椒地；火龍果地土壤含水率變異系數最小，荒地最大。

2）不同量級降雨事件中，小雨量降雨事件對植被土壤水分貢獻最小，僅火龍果地增長11.97%。隨著降雨量級增大，4 種植被土壤水分對降雨響應效果均得到優化，其中火龍果地淺層土壤含水率增長率為（7.89%～17.94%），其次為金銀花地（0～45.09%）、荒地（0～59.86%）、花椒地（0～126.95%）。

3）降雨對植被淺層土壤水分的補給差異明顯。不同植被淺層土壤水分對降雨響應時間隨降雨量級有所差別，大雨量、暴雨量條件下響應快于小、中雨量，0～10 cm 土層優于10～25 cm 土層。同時受植被類型等影響，4 種植被淺層土壤水分平均滯后時間為荒地0.3 h、火龍果地0.5 h、花椒地0.9 h、金銀花地3.0 h；有效補給效率為火龍果地（64.87%）>荒地（38.16%）>花椒地（31.94%）>金銀花地（29.23%）。

4）火龍果地土壤具有較好的保水、儲水性能，對降雨利用效率高且土壤水分受降雨量級影響小，可在豐水期適當減少人為灌溉，增加地表覆蓋以減輕水土流失；金銀花地、花椒地雖隨降雨量級增大，土壤水分入滲量大，但對降雨利用效率低，可采取相應保墑措施提高土壤對降雨的利用效率且在雨量較小時增加灌溉，提高入滲量。