石漠化地區土壤含水率的動態變化特征及其影響因素

王忠云，宋燕平，喻陽華*，郭 松

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范大學 喀斯特研究院/貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】喀斯特石漠化是制約我國西南地區可持續發展較為嚴重的生態環境問題[1]。雖然該區降水豐沛，但長期強烈的巖溶作用產生了獨特的地表地下二元三維結構，使水資源漏失、深埋，加之降水時空分布不均，土層淺薄、土被不連續、土壤持水性能低，使得土壤水分虧缺成為該區植物生長發育的主要障礙因子[2]。土壤水是土壤的重要組成部分，是作物吸水的最主要來源，通常用土壤含水率來表征土壤水分狀況[3]。土壤水分不僅是氣候、植被、地形及土壤結構等的綜合反映[4]，還是土壤侵蝕過程、植被生長與恢復的主要影響因子，對生態系統的水熱平衡及穩定起著決定作用[5]。因此，對石漠化地區土壤含水率動態變化的影響因素進行研究，對該地區生態系統恢復與重建具有顯著意義。【前人研究進展】有研究表明，石叢廣泛分布區域的土壤水分含量較低[6-7]，喀斯特洼地剖面含水率總體較高，土壤含水率受土壤質地影響[8]。不同土地利用類型土壤水分存在明顯差異，土壤含水狀況受土地利用方式的影響[9-10]，耕作方式、灌溉等人為因素在一定程度上會削弱土壤含水率的空間穩定性[11]。土壤理化性質是影響土壤含水率的直接因素[12]，土壤容重、孔隙度、粘粒含量與有機質含量是影響土壤含水率的主要因素[13]。土壤濕度的變化與氣象要素密切相關，其中，降水量、大氣溫度、大氣濕度是土壤含水率的主要控制因子[14-15]；西南喀斯特山區土壤水分具有明顯的時空異質性，該特性與該區復雜多變的地形地貌、植被類型和多樣的小生境等密切相關[16-17]。【本研究切入點】已有研究表明，土壤含水率受諸多因素的影響，但針對石漠化地區不同土地利用類型對土壤水分的調控效應及其影響機理的研究較少，限制了對該區生態系統恢復的調控。【擬解決的關鍵問題】通過研究喀斯特地區土壤水分動態變化對土地管理措施的響應規律，探討引起土壤水分變化的因子及其影響機理，旨在為制定石漠化生態修復區的農業工程措施和選擇生態重建模式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于關嶺縣沙營鎮養牛村(25°57′59.11″N，105°23′28.14″E)，海拔1190～1350 m，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫12.3 ℃，年均降水量1597 mm，雨水季節分配不均，冬春旱及伏旱嚴重，全年無霜期≥269 d，河谷低地處終年無霜。研究區內地表破碎、石漠化嚴重，屬典型的喀斯特山區，土壤以石灰土為主。由于生態環境退化，使土地利用類型受限，主要人工植被有玉米、花椒與核桃等。

1.2 材料

研究區地表裸露、草被覆蓋和施用有機肥3種類型的土壤，均以石灰土為主，土壤厚度均為25 cm。樣地基本情況詳見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of sample plots

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 根據土壤類型試驗設3個處理，分別為草被覆蓋、施用有機肥和地表裸露(對照)，每個類型各設3塊樣地。2018年8月中下旬于每天8:00、10:00、12:00、14:00、16:00和18:00對3種類型土壤進行監測。每塊樣地在測定前澆足水分，測定初始含水率。

1.3.2 指標測定 測定指標包括土壤含水率、土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度及光照強度等。土壤含水率和土壤溫度用TR-6土壤溫濕度儀測定，光照強度用SW-582型便攜式數字式照度計測定，大氣溫度和大氣濕度用SW-572型便攜式高精度溫濕度計測定。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0對數據進行預處理及統計分析。其中，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對不同處理的土壤含水率、土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度、光照強度進行差異性檢驗；最小顯著性差數法(Least-Significant Difference，LSD)進行多重比較；Pearson法分析所有指標之間的相關性(P<0.05記為差異達顯著水平，P<0.01記為差異達極顯著水平)；一般線性模型分析連續觀測時間內不同處理對土壤含水率動態變化的影響；通徑分析方法分析土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度、光照強度對土壤含水率的影響，通徑系數表示各指標對土壤含水率的直接作用，間接通徑系數表示間接作用；利用Origin 8.6制圖。

線性回歸方程模型：w=at+b;

間接通徑系數：IPxixj=Rxixj×Pxi;

共同決定系數：Dxixj=2×Rxixj×Pxi×Pxj。

式中，w為土壤含水率，t為時間，Rxixj為2個指標xi和xj之間的Pearson相關系數，Pxi為指標xi對土壤含水率的通徑系數，Pxj為指標xj對土壤含水率的通徑系數，IPxixj為xi通過xj對土壤含水率的間接通徑系數，Dxi為指標xi對土壤含水率的決定系數，Dxixj為某2個指標xi和xj對土壤含水率的共同決定系數。

2 結果與分析

2.1 不同管理方式土壤含水率的動態變化特征

由表2看出，3種類型土壤的土壤含水率動態變化特征與時間變化之間的線性回歸方程依次為w地表裸露=-0.005t+43.765(P=0.792)、w施用有機肥=-0.085t+34.859(P=0.001)和w草被覆蓋=-0.048t+43.639(P=0.007)，其中，地表裸露土壤含水率對時間變化的響應無明顯規律(P>0.05)，施用有機肥與草被覆蓋處理土壤含水率動態變化特征與時間變化之間呈顯著線性關系(P<0.01)。將直線方程的斜率定義為土壤含水率對時間的變化幅度，則以施用有機肥變化幅度較大，回歸系數為-0.085；施用有機肥與草被覆蓋2種處理土壤含水率隨時間變化的解釋率分別為42.2 %和31.3 %，說明，理論模型能較好地反映土壤水分的動態變化特征。

表2 不同管理方式土壤含水率隨時間變化的線性回歸分析Table 2 Linear regression analysis of soil moisture content changing with time under different management pattern

2.2 各影響因子對土壤含水率動態變化的影響

2.2.1 土壤含水率、土壤溫度、光照強度、大氣溫度及大氣濕度間的相關性 由表3可知，土壤含水率與各指標之間的相關性為大氣濕度(0.169)>光照強度(0.095)>土壤溫度(-0.039)>大氣溫度(-0.110)，土壤含水率與大氣濕度呈顯著正相關關系，與其他氣象因子間的相關性不顯著。土壤溫度、光照強度、大氣溫度及大氣濕度間呈極顯著相關，其中，光照強度與大氣溫度、大氣溫度與大氣濕度、土壤溫度與光照強度、土壤溫度與大氣濕度間呈反向作用效應，土壤溫度與大氣溫度、光照強度與大氣濕度間呈增強效應，且土壤溫度與大氣溫度的增強效應最大。土壤溫度與大氣溫度、大氣濕度，大氣濕度與大氣溫度間的關系較密切。

表3 不同管理方式土壤含水率與土壤溫度、光照強度、大氣溫度、大氣濕度的相關性Table 3 The correlation among soil moisture content,soil temperature,light intensity,air temperature and air humidity

2.2.2 土壤含水率各影響因子的通徑分析 由表4可知，各影響因子對土壤含水率的直接作用依次為大氣濕度(1.041)>土壤溫度(0.524)>大氣溫度(0.460)>光照強度(0.146)，以大氣濕度對土壤含水率的直接作用最大，土壤溫度和大氣溫度次之，光照強度的效應最小。間接通徑系數表明，各指標通過彼此影響對土壤含水率產生的間接作用各不相同，大氣濕度通過土壤溫度、大氣溫度對土壤含水率的間接負作用最大(-0.922和-0.990)，土壤溫度通過大氣溫度對土壤含水率的間接正作用最大(0.456)。結合指標之間的相關性得出：與大氣濕度相關性越高的指標，大氣濕度通過該指標對土壤含水率起作用的間接通徑系數越大；與土壤溫度相關性越高的指標，土壤溫度通過該指標對土壤含水率起作用的間接通徑系數也越大。

2.2.3 土壤含水率各影響因子的決定系數 從表5看出，各指標對土壤含水率的單獨決定系數為大氣濕度(1.084)>土壤溫度(0.275)>大氣溫度(0.212)>光照強度(0.021)，差異顯著，大氣濕度的決定作用較大，土壤溫度和大氣溫度其次，光照強度的決定作用最小；大氣濕度與土壤溫度、大氣濕度與大氣溫度對土壤含水率的共同決定作用相對較大，決定系數(絕對值)分別為0.967和0.911；大氣溫度與土壤溫度共同對土壤含水率的決定作用其次，決定系數為0.419。各指標對土壤含水率的總決定系數為0.118，表明各指標僅解釋了土壤含水率11.8 %的變化。

表5 土壤溫度、光照強度、大氣溫度、大氣濕度對土壤含水率的決定系數Table 5 Determinant coefficient of soil temperature,light intensity,air temperature and air humidity to soil moisture content

3 討 論

3.1 石漠化地區不同管理方式土壤水分動態變化特征

不同土地利用類型因其在攔蓄降水、水分蒸散及土壤改良功能等方面存在差異，導致土壤水分呈現時空異質性[18]。該研究在連續監測時間內，地表裸露土壤水分隨時間的變化規律不明顯，可能與地表裸露缺乏植物參與水分生態調控有關[19]。施用有機肥與草被覆蓋處理，土壤水分變化動態具有可預測性，且有機肥的變幅更大。原因可能是有機肥礦質化與腐殖化過程在改善土壤肥力和土壤團粒結構、提高養分利用效率的同時，也提高了土壤持水性能，增強了對土壤水分的蓄存效應[20-21]；草被覆蓋可以通過冠層截持降雨作用、降溫保濕作用及植被蒸騰作用等影響降雨的分配格局，增加其下滲量，減緩土壤水分蒸發速率，從而達到對土壤水分的保蓄、調節作用[22]。而施用有機肥土壤含水率變幅較大的原因可能是施用有機肥后，在植物蒸騰、土壤蒸發和氣候變化等諸多因子的共同作用下，有機肥的多孔性結構導致其與土壤之間存在不確定的水勢梯度差異，對土壤水分的吸附、釋放作用較為明顯，引起土壤水分在較大幅度內波動。

3.2 石漠化地區土壤含水率變化影響因素分析

氣象因素對土壤含水率的變化常起著決定性作用[23-24]；在土壤水分上升、氣溫持續下降情況下，降雨、大氣溫度、土壤溫度、大氣濕度、太陽輻射是影響土壤水分變化的主要因子[25]。研究結果表明，大氣濕度與土壤含水率呈顯著正相關關系，且對土壤含水率的直接與間接作用最大。原因可能是該研究觀測時間內，受降雨影響，溫度下降幅度較大、大氣濕度提高[26]，充足的氣態水為土壤水分的蓄存提供充分條件，從而對土壤含水率產生顯著的直接影響。同時，大氣濕度對土壤含水率產生間接作用的原因為大氣濕度通過降低土壤溫度減緩土壤水分蒸發、降低植物蒸騰速率，對土壤水分的蓄積產生增強效應，從而提高了土壤含水率。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[27]，是影響土壤水分運移的關鍵因素之一。研究結果顯示，土壤溫度與土壤含水率相關性不強，與前人研究結果[28-29]不完全一致，但其對土壤含水率的直接作用、決定系數較大，可能與觀測數據期間土壤含水率受降雨影響，土壤溫度對其含水率的影響效應被削弱有關。在降雨天氣光照時長較短，太陽輻射通量較低，導致光照強度對該區域小氣候形成的貢獻度不高，進而導致其對土壤含水率的影響不顯著。總體上，土壤含水率受各指標共同影響較小，原因可能是喀斯特地區異質性高，引起土壤水分變化的因素包括土壤類型、地形因子、土地利用方式等[30-31]，小生境的異質性可能是限制土壤水分動態變化的關鍵因子。因此，下一步研究中，應結合土壤類型、氣象要素、地形地貌等因素，綜合評價不同環境條件對土壤含水率的影響機理及貢獻率。

3.3 石漠化生態修復區土地資源高效利用策略

土壤水是喀斯特地區植被恢復重建的主要限制因素[32]，對石漠化地區生態系統恢復及其穩定性起決定作用[33]。若土壤水分處于長期虧缺狀態，將影響植被生態需水的調節和生態系統的恢復。因此，采取措施提高土壤對水分的調蓄能力，對實現石漠化生態修復區土地資源高效利用意義重大。該研究結果表明，與地表裸露相比，施用有機肥以及草被覆蓋兩種處理可以有效調控土壤水分的變化，提高土壤持水性。有研究表明，石漠化地區喬灌草群落相比藤刺灌草群落而言，對小氣候的改善具有明顯作用[34]；種植生態經濟型植物有助于改善土壤的結構性能，從而提高土壤的持水性能，進而發揮蓄水保土的生態效益，加速域的植被恢復過程[35]；在石漠化地區水土保持治理模式中農林混合模式下土壤的理化性質狀況、小氣候效應等各項指標均較好，有利于喀斯特石漠化的治理[36]。同時，土壤水分與養分的有效供給密切相關[37]，土壤的理化屬性影響其對水分的儲蓄能力。因此，將不同植被恢復重建模式和水肥綜合管理結合起來進行喀斯特石漠化地區治理，可以提高水肥利用效率，改善生態環境條件。

4 結 論

施用有機肥與草被覆蓋可以有效調控土壤水分變化幅度，對石漠化生態修復區土壤水分的利用具有重要作用。土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度、光照強度對土壤含水率的影響為大氣濕度>土壤溫度>大氣溫度>光照強度，差異顯著，總決定系數為0.118；大氣濕度與土壤溫度對土壤含水率的共同影響最大，決定系數為0.967(絕對值)。鑒于石漠化地區生態環境的復雜性與異質性，應綜合考慮地形地貌、氣象要素及土壤類型等因素對土壤水分動態變化的影響，并結合不同植被覆蓋、水肥優化組合，探討適應石漠化生態修復區的農業工程措施和生態重建模式。