喀斯特峽谷區土壤水分特征及其影響因素研究

劉洋, 羅婭,*, 陸曉輝, 楊勝天, 2, 石春茂, 徐雪, 余軍林

喀斯特峽谷區土壤水分特征及其影響因素研究

劉洋1, 羅婭1,*, 陸曉輝1, 楊勝天1, 2, 石春茂1, 徐雪1, 余軍林3

1. 貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550003 2. 北京師范大學水科學研究院, 北京 100875 3. 貴州省水利科學研究院, 貴陽 550002

土壤水分是喀斯特峽谷區植被建設的限制性因子。分析喀斯特峽谷區土壤水分特征及其影響因素, 對該地區的植被建設有重要意義。以貴州花江喀斯特峽谷區為研究區, 運用原位監測和冗余分析法, 研究喀斯特峽谷區土壤水分特征并揭示其影響因素。結果表明: (1)監測期間, 喀斯特峽谷區土壤水分特征表現為南坡較北坡低, 表層較深層低, 喬木較灌木低。(2)喀斯特峽谷區土壤水分主要受海拔、坡向、坡度等地形因子影響, 其次為枯落物厚度、葉面積等植被因子。(3)0—5 cm、20—40 cm土層土壤水分的主控因素為氣溫, 5—10 cm土層土壤水分的主控因素為坡度, 10—20 cm土層土壤水分的主控因素為海拔。喀斯特峽谷區土壤水分主要受地形、氣溫、降雨影響。根據地形、土壤厚度、枯落物特征選擇不同的灌溉方式, 以及依據不同土層土壤水分的主控因素種植根系深度不同的植物, 制定對應的農業水資源管理策略, 是后續提升喀斯特峽谷區植被建設效果的重要途徑。

土壤水分; 影響因素; 峽谷區; 喀斯特

0 前言

土壤水分受多種因素影響, 其中, 降雨、地形、土壤、植被等因素的非線性時空分布使得土壤水分在時空尺度上具有異質性[1–2], 且時空尺度不同, 土壤水分控制因素不同[3]。

土壤水分是喀斯特峽谷區植被建設的限制性因子[4–5], 其受多種因素影響而具有時空異質性。分析喀斯特峽谷區土壤水分特征及其影響因素, 對該地區的植被建設有重要意義, 受到眾多學者的關注。王臏等[6]研究花江峽谷不同植被類型下的土壤水分時空分布特征, 發現花椒地土壤水分含量高于柚木地, 不同季節各植被類型的土壤水分變化均受降水量影響、彭熙[7]發現花江峽谷花椒地深層土壤水分較表層高; 0—20 cm土層土壤水分主要受降水、溫度、蒸發影響; 20—50 cm土層土壤水分主要受作物蒸騰和水分垂直運動影響、余軍林[8]在花江喀斯特峽谷的研究表明, 花江峽谷灌木的深層土壤水分含量高于喬木; 不同季節各植被類型的土壤水分變化均受降水量影響。景建生等[9]研究石漠化地區不同植被類型淺層土壤水分對降雨的響應發現植被土壤含水率對小雨量降雨事件的響應較小、盧永飛等[10]認為喀斯特高原峽谷區不同植被恢復階段的土壤水分取決于土壤質地、輻射、土層覆蓋物、植物的水分吸收、土壤蒸發、空氣溫度因素, 李安定[11]、田漣祎[12]發現土地利用、微地貌是花江喀斯特峽谷區土壤水分的影響因素。

已有研究對喀斯特峽谷區的土壤水分特征及其影響因素有較好分析為該地區土壤水資源管理提供一定參考。然而, 這些研究多集中于不同土地利用類型、不同小生境和不同植被的土壤水分特征及差異, 而關于喀斯特峽谷區不同土層土壤水分的主控因素則關注較少。

綜上, 本文以貴州花江喀斯特峽谷為研究區, 運用原位監測和冗余分析法, 分析喀斯特峽谷區土壤水分特征, 厘清土壤水分和各影響因素的關系, 揭示不同土層土壤水分的主控因素, 以期為喀斯特峽谷區植被建設與土壤水資源管理提供參考。

1 樣地設置與分析方法

1.1 研究區概況

選擇花江喀斯特峽谷區為研究區, 該區位于貴州西南部的關嶺自治縣以南、貞豐縣以北的花江峽谷兩岸, 地理范圍為105°35′00″—105°43′05″ E、 25°37′20″—25°42′36″ N(圖1)?？偯娣e51. 62 km2, 其中喀斯特石漠化面積占總面積的53.82%[13], 海拔為446—1359 m, 是典型的喀斯特峽谷區。氣候屬中亞熱帶低熱河谷氣候, 年均溫18.4 ℃, 年均降水量1100 mm, 5—10月降水量占全年總降水量的83%。該區降水較為豐富, 但受喀斯特地貌影響, 水分滲漏強烈, 且年均蒸發量為1100—1300 mm[14], 地表滲漏以及蒸發強烈導致區內干旱災害頻發[14–15]。土壤以砂壤質石灰土為主, 團粒結構缺乏, 持水能力差。土壤水分成為該區植被建設的限制性因子之一。植被主要有頂壇花椒(var.)、金銀花()、柚木(L.F.)、復羽葉欒樹()、大葉千斤拔()等植被。其中, 金銀花、頂壇花椒、柚木在區內廣泛種植。

1.2 樣地設置

于花江峽谷南、北岸各設置1個樣區, 在樣區內分別設置3個5 m×5 m的樣地(圖1), 北岸3個樣地記為南坡–H、南坡–G、南坡–Q, 南岸3個樣地記為北坡–H、北坡–G、北坡–Q, 各樣地之間的距離均大于30米。在各樣地內選擇3個監測點進行土壤水分監測, 用于求土壤水分均值。各監測樣點信息如表1所示, 表1中容重和總孔隙度為0—40 cm土層的平均容重和平均總孔隙度, 各土層土壤容重和總孔隙度見表2。

1.3 數據獲取

監測期為2019年1月7日至6月17日, 共計162天。使用FDR土壤水分監測系統(HOBOH21– USB, S–SMC–M005, 精度: ±3%)獲取土壤水分數據。將FDR探頭埋設在2.5 cm, 7.5 cm, 15 cm, 30 cm土深處, 對應監測0—5 cm, 5—10 cm, 10—20 cm, 20—40 cm土層的體積含水量, 埋設前使用順科達TR-8D土壤水分測定儀對FDR探頭進行標定, 用于標定的TR-8D符合GB/T 28418—2012[16]。各土層埋設FDR探頭一個, 土壤水分數據記錄間隔為5分鐘。在南、北岸樣區內各放置自記雨量計(HOBORG3–M, 精度0.2 mm)1臺, 監測降雨和氣溫信息, 雨量計數據記錄頻率為5分鐘，研究期間氣溫和降雨變化見圖2。坡度、坡向數據通過分辨率為30 m的 GDEM數據提取, 郁閉度運用投影法獲取, 采集主要樹種的最大葉片、最小葉片及大小居中葉片各1片用于求葉面積均值, 運用稱鮮重法[17]測定葉面積。使用環刀法測定各土層土壤容重、總孔隙度。

圖1 研究區位置

Figure 1 Location of the study area

表1 監測點基本信息

圖2 研究期間氣溫和降雨變化

Figure 2 Temperature and rainfall during the study period

1.4 研究方法

1.4.1 冗余分析

運用冗余分析法(即Redundancy analysis, 簡稱RDA)[18]在影響因子梯度上對各樣點各土層的土壤水分均值進行排序, 篩選影響土壤水分的因素。RDA排序圖中, 影響因素和土壤水分箭頭之間的夾角越小, 箭頭越長, 說明相關性越強[18]。

1.4.2 相關分析

運用相關分析法篩選土壤水分的主控因素。相關系數計算公式為:

1.4.3 變異系數

運用變異系數揭示各土層土壤水分的變異程度。變異系數的計算公式為:

1.4.3 坡向轉換

由30 m GDEM數據提取得來的坡向是旋轉變量, 無法直接用于分析計算, 因此, 需將表達坡向的角度值轉換為無單位的弧度值。將坡向的角度值轉換為弧度值后, 需計算相應弧度值的正弦、余弦值, 正弦記為Sin, 余弦記為Cos。Sin值表示坡向朝東的程度, Cos值表示坡向朝北的程度。Sin值越大, 坡向越朝東, 反之則越朝西, Cos值越大, 坡向越朝北, 反之則越朝南[19–20]。

表2 監測點各土層土壤容重和總孔隙度

2 結果與分析

2.1 土壤水分特征

喀斯特峽谷區北坡各樣地不同土層的土壤水分均值高于南坡, 深層土壤水分均值高于淺層土壤水分, 南坡土壤水分變異大于北坡, 表層土壤水分變異大于深層。從表3可看出, 花江喀斯特峽谷區土壤水分特征表現為北坡(陰坡)高于南坡(陽坡), 深層土壤大于淺層土壤。南坡各樣地土壤水分0—40 cm土層土壤水分均值表現為樣地Q(24.39%)<樣地G(26.40%)<樣地H(28.03%), 北坡則表現為樣地H(30.60%)<樣地Q(37.75%)<樣地G(39.50%), 南坡各樣地0—40 cm土壤水分變異系數特征表現為樣地G(15.96%)<樣地H(16.77%)<樣地Q(19.28%), 北坡: 樣地H(14.85%)<樣地Q(15.25%)<樣地G(18.71%)。頂壇花椒樣地土壤水分含量較高, 且較穩定。

統計分析監測期不同監測樣點的土壤水分和降雨的對應關系, 可揭示其土壤水分動態變化特征。研究期間降雨總量為457.2 mm, 1月降雨總量為40.8 mm, 2月至5月下旬降雨總量為46.4 mm, 5月下旬至6月降雨總量為370 mm。由圖3可看出, 5月下旬至6月, 由于降雨量增加, 土壤水分呈現顯著上升趨勢; 2月至5月中旬, 受降雨減少和植被生長吸水的影響, 土壤水分呈現緩慢下降趨勢。降雨是喀斯特峽谷區土壤水分的主要補給來源, 其豐枯變化是土壤水分動態變化的直接原因。T檢驗表明, 除南坡花椒樣地和柚木樣地的5—10 cm土層土壤水分差異較小外, 南坡和北坡各樣地其余土層土壤水分差異顯著(<0.001)。從不同樣地的土壤水分動態變化來看, 北坡金銀花樣地0—40 cm土層土壤水分動態變化幅度較大, 花椒樹最小。南坡柚木樣地土壤水分變化幅度較大, 而千斤拔樣地最小。

2.2 土壤水分影響因素

影響土壤水分的因素是多方面的, 除降水外, 地形、植被、土壤等因素也會對土壤水分產生影響。已有研究指出[1–3], 地形因子, 植被因子, 土壤性質和氣象因素均可對土壤水分產生影響。因此, 將海拔、坡向、坡度、葉面積、枯落物厚度、郁閉度、土層厚度、總孔隙度、容重、研究期間平均氣溫(南坡16.97 ℃, 北坡18.27℃)10個因素作為土壤水分的影響因素, 經冗余分析后篩選出土壤水分的重要影響因素(表4)。從表4可看出, 軸1至軸4解釋了土壤水分變化的100.00%, 其中軸1和軸2的累積解釋率為89.36%, 包含排序的大部分信息。據表4中環境因子與排序軸的相關系數可知, 郁閉度、容重、總孔隙度與軸1相關性較低, 其余環境因子與軸1的相關性較高, 其中地形因子與軸1相關性較強。容重和總孔隙度與軸2的相關性較其他因子高。平均氣溫、地形因子和植被因子以及土壤容重、總孔隙度對喀斯特峽谷區土壤水分變化解釋較好。氣溫、地形因子、植被因子、土壤性質是喀斯特峽谷區土壤水分的重要影響因素。

表3 土壤水分總體特征

圖3 不同樣地土壤水分動態

Figure 3 Soil moisture dynamics in different plot

表4 土壤水分影響因素的RDA結果

據圖 4, 所有影響因素中與土壤水分呈負相關的因素為平均氣溫、葉面積、枯落物厚度, 其中, 平均氣溫線條與各土層土壤水分線條夾角較小且平均氣溫線條較長, 表明研究期間研究區平均氣溫對土壤水分的影響較葉面積和枯落物大。與土壤水分呈正相關的因素主要為海拔、Sin、Cos、坡度、土層厚度、總孔隙度、郁閉度, 其中海拔、坡度、Sin、Cos對土壤水分影響較土層厚度、總孔隙度和容重大。

2.3 土壤水分主控因素

運用相關分析方法進一步確定各土層土壤水分的主控因素。計算各土層土壤水分與影響因素的相關系數, 相關系數絕對值越大, 該因素對某土層土壤水分的控制越強, 為主要控制因素。從表5可看出0—5 cm 土壤水分的主控因素為氣溫, 氣溫、海拔、坡度等地形因子和枯落物厚度與0—5 cm土層土壤水分顯著相關。5—10 cm土層土壤水分的主控因素為坡度, 氣溫、坡度和Sin與5—10 cm土層土壤水分顯著正相關。10—20 cm土層土壤水分的主控因素為海拔, 地形因子和枯落物厚度與10—20 cm土層土壤水分顯著相關。20—40 cm土層土壤水分的主控因素為氣溫, 與20—40 cm土層土壤水分顯著相關的因素為氣溫、地形因子、土層厚度。土層總孔隙度和容重對土壤水分的影響程度較其他因子低。

圖4 基于影響因素梯度的土壤水分RDA排序圖

Figure 4 RDA ranking map of soil moisture based on gradient of influencing factors

表5 各土層土壤水分與影響因素的相關分析

注: *表示在0.05水平下顯著, 2.5 cm為0—5 cm土層, 7.5 cm為5—10 cm土層, 15 cm為10—20 cm土層, 30 cm為20—40 cm土層。

3 討論

3.1 主控因素對土壤水分的影響

(1)海拔通過影響降雨量, 進而影響土壤水分含量, 其對土壤水分的影響可分兩種情形。一為海拔越高, 土壤水分含量越小[21]。二為海拔越高, 土壤水分含量越高[22]。賀衛[22]等發現花江喀斯特峽谷內的降雨由峽谷底部向頂部增加, 說明峽谷區內降雨對土壤水分的補給也隨海拔增加而增加, 導致土壤水分與海拔正相關。

(2)坡向通過影響太陽輻射量, 進而影響土壤水分含量。本研究結果顯示, 坡向越朝北, 土壤水分含量越大, 這與元謀干熱河谷[23]以及黑河上游[19]的研究結果相似, 坡向越朝北, 所接收的太陽輻射量越少, 土壤蒸發減弱, 從而土壤水分含量較高。坡向越朝東土壤水分含量越高, 這與黑河上游[19]的研究結果相似, 原因可能是北坡樣地東側的山體海拔較西側高, 可為樣地內土壤遮擋一部分太陽輻射, 進而減少部分土壤蒸發損失, 造成坡向越朝東土壤水分含量越高的現象。

(3)坡度通過影響入滲速率與地表徑流, 間接影響土壤水分含量。已有研究表明坡度與土壤水分含量負相關[19,24]。然而本研究的結果顯示, 喀斯特峽谷區坡度越大, 土壤水分含量越高, 各土層土壤水分均與坡度顯著正相關, 且坡度成為5—10 cm土層土壤水分的主控因素。原因可能是受巖土界面優勢流影響, 由于喀斯特峽谷區存在巖土界面優勢流[25], 且存在坡度越大, 土壤水分接受巖土界面優勢流的側向補給量越多的現象, 從而導致坡度成為喀斯特峽谷區各土層土壤水分的主要影響因素。

(4)氣溫通過影響土壤水分蒸發從而影響土壤水分含量[18]。本研究結果顯示, 喀斯特峽谷區土壤水分含量與平均氣溫呈顯著負相關, 該結果與已有研究相似, 喀斯特峽谷區氣溫越高, 土壤水分含量越低。從圖2可看出, 南坡氣溫高于北坡, 南坡氣溫較高, 蒸發量可能較北坡高, 從表3也可看出南坡土壤水分總體較北坡低, 說明氣溫是喀斯特峽谷區土壤水分的重要影響因素。

3.2 非主控因素對土壤水分的影響

(1)喀斯特峽谷區土壤水分總體特征與非喀斯特峽谷區差異較小[26]。本研究顯示花江喀斯特峽谷區南坡(陽坡)土壤水分高于北坡(陰坡), 淺層土壤的水分含量低于深層土壤。原因可能是南坡接收太陽輻射量較多, 蒸發較北坡(陰坡)強烈, 使得南坡土壤水分含量較北坡低; 而淺層土壤的水分含量低于深層土壤, 原因可能是淺層土壤與低層大氣交換強烈、蒸發較快[9]所致。

(2)枯落物厚度是土壤水分的重要影響因素, 通過截留降水影響降水入滲量影響土壤水分。一般認為, 枯落物厚度越厚, 其對土壤水分的保持能力越好。然而在本研究中, 各土層的土壤水分含量與枯落物厚度卻呈現負相關關系, 原因可能為較厚的枯落物有效攔蓄降水, 減緩水分下滲速率, 在一定程度上減少滲入土壤的水分[27]所致。

(3)葉面積和郁閉度可二次分配降雨來影響土壤水分含量。喀斯特峽谷區土壤水分含量與葉面積負相關, 該結果與韓新生[28]的研究結果一致。已有研究表明植物葉片通過截留降水和蒸騰作用影響土壤水分的補給量和消耗量, 從而間接影響土壤水分含量。葉面積與植被截留量和植被蒸騰量[29–30]正相關, 葉面積增加, 植被截留量和植被蒸騰呈現增加趨勢, 土壤水分的補給量以及消耗量增加, 土壤水分含量減少, 反之則增加。因此, 葉面積越大, 土壤水分含量越小。本研究的結果顯示郁閉度與土壤水分正相關, 然而, 卻有研究顯示土壤水分與郁閉度負相關[31]。原因可能是較大的郁閉度可抑制土壤蒸發, 如北坡樣地G主要樹種為金銀花, 為半常綠藤本灌木, 其較低的樹高, 較大的郁閉度, 使金銀花在一定程度上可以通過遮陰的方式抑制土壤蒸發, 起到保水的作用[32]。

(4)土壤容重, 總孔隙度是土壤水分的重要影響因素。本研究的結果顯示0—40 cm土層的土壤容重、總孔隙度多與各土層土壤水分呈正相關, 但相關性并不顯著, 說明本研究中, 土壤容重和總孔隙度對各土層土壤水分的影響較其他因子小。原因可能是土壤水分受到多種因素影響, 在多因素作用下, 土壤容重、孔隙度對土壤水分的影響可能會被其他因素覆蓋, 使得土壤容重和孔隙度對土壤水分的影響較小[32]。

3.3 后續研究方向

土壤水分作為表征土壤性質的指標之一, 受到土壤自身性質影響[33]。因此, 在后續研究中, 可測定不同土層土壤顆粒組成、有機質、毛管孔隙度等性質, 分析土壤性質對喀斯特峽谷區不同土層土壤水分的影響。氣象因素對土壤水分具有重要影響[18], 后續研究中可增加相對濕度、水汽壓、風速等氣象因素監測, 分析氣象因素對土壤水分的影響。土壤水分具有較強的時空異質性, 不同時空尺度土壤水分的主控因素不同[2]。因此, 后續可進行長時間、多點位觀測, 更全面的分析不同時空尺度的喀斯特峽谷區土壤水分特征及影響因素。

4 結論

喀斯特峽谷區土壤水分特征表現為南坡較北坡低, 表層土壤的水分含量較深層土壤低, 頂壇花椒土壤水分含量較高, 變異程度較小, 對花江峽谷生態治理具有重要意義。降水是喀斯特峽谷區土壤水分的主要補給來源, 降水量豐枯變化是土壤水分動態變化的直接原因。喀斯特峽谷區土壤水分主要受氣溫、海拔、坡向、坡度等因子影響, 其次為枯落物厚度、葉面積等植被因子, 土壤容重、土壤孔隙度對各土層土壤水分的影響較其他因子低?？λ固貚{谷區不同土層土壤水分的主控因素不同, 花江喀斯特峽谷0—5 cm和20—40 cm土層土壤水分的主控因素為氣溫, 5—10 cm土層土壤水分的主控因素為坡度, 10—20 cm土層土壤水分的主控因素為海拔。

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Soil moisture characteristics and their influencing factors in karst gorge

LIU Yang1, LUO Ya1,*, LU Xiaohui1, YANG Shengtian1, 2, SHI Chunmao1, XU Xue1, YU Junlin2

1. School of Geography & Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550003, China 2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 3. Guizhou Provincial Water Conservancy Research Institute, Guiyang 550002, China

Soil moisture is the limiting factor for vegetation construction in karst gorge. Analyzing the characteristics of soil moisture and its influencing factors in the karst gorge area is of great significance to the vegetation construction in this area. Taking Guizhou Huajiang Karst Gorge as the research area, using in-situ monitoring and redundant analysis methods, the characteristics of soil moisture in the karst gorge area and its influencing factors were studied. Results showed that: 1) During the monitoring period, the characteristics of soil moisture in the karst gorge area were that the southern slope was lower than the northern slope, the moisture content of the surface soil was lower than that of the deep soil, and the soil moisture of the arbor was lower than shrub. 2)Soil moisture in karst gorge was mainly influenced by topographic factors such as elevation, slope direction, and slope gradient, followed by vegetation factors such as dry matter thickness and leaf area. 3) The main controlling factor for soil moisture in 0-5 cm and 20-40 cm soil layers was temperature; for 5-10 cm soil layers was slope, and for 10-20 cm soil layers was elevation. Major topographic, temperature, and rainfall affected soil moisture in the Karst gorge during the monitoring period. Choosing different irrigation methods according to topographic and soil thickness, litter characteristics, and planting plants with different root depths according to the main controlling factors of soil moisture in different soil layers arehelpful to the effect of vegetation construction in karst gorge areas.

soil moisture; influencing factors; gorge; karst

劉洋, 羅婭, 陸曉輝, 等. 喀斯特峽谷區土壤水分特征及其影響因素研究[J]. 生態科學, 2021, 40(3): 8–16.

LIU Yang, LUO Ya, LU Xiaohui, et al. Soil moisture characteristics and their influencing factors in karst gorge[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 8–16.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.002

S152.7

A

1008-8873(2021)03-008-09

2020-09-26;

2020-10-10

貴州省普通高等學校科技拔尖人才支持計劃(黔教合KY字[2018]042); 貴州省2019年度哲學社會科學規劃重點課題(19GZZD07); 國家自然科學基金委員會-貴州省人民政府喀斯特科學研究中心項目(U1812401); 貴州省水利科技項目(2020ZC01)

劉洋(1995—), 男, 貴州玉屏人, 碩士研究生, 主要從事生態水文與水土資源保護研究, E-mail: 865149892@qq.com

羅婭, 女, 博士, 教授, 主要從事生態水文與水土資源保護研究, E-mail: luoya2002@163.com