不同整地措施坡面土壤水分時空分布特征*

程 諒，焦 雄，邸涵悅，熊翱宇，郭忠錄?

不同整地措施坡面土壤水分時空分布特征*

程 諒1，2，焦 雄1，邸涵悅1，熊翱宇1，郭忠錄1?

（1. 華中農業大學水土保持研究中心，武漢 430070；2. 中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071）

了解不同整地措施的梯田果園土壤水分的時空異質性及影響機制對提升林果產業發展具有重要意義。以贛南小洋小流域臍橙果園開發示范區內的3種典型的土地利用結構坡面（優化整地坡面、粗放整地坡面、未整地荒草地坡面）和4種土地利用類型（優化整地果園、粗放整地果園、荒草地、農地）為研究對象，研究其在0～100 cm土壤剖面上的水分時空分布特征及主控地形因子。結果表明：不同土地利用類型土壤含水量在雨季表現為農地>粗放整地果園>優化整地果園>荒草地，果園之間無顯著差異，其他土地利用之間差異均顯著（<0.05）；在旱季為農地>優化整地果園>粗放整地果園>荒草地，荒草地和粗放整地果園土壤含水量大幅降低，要顯著低于優化整地果園（<0.05）。在不同坡位，雨季與旱季土壤含水量從坡頂到坡腳均表現為逐漸升高趨勢，且坡上、中、下部位的差異均很小。通過冗余分析也發現雨季和旱季土壤水分異質性的主控因子分別為坡位和土地利用類型（<0.01），均通過表層（0～20 cm）土壤來影響水分分布。整地措施對坡面土壤水分的空間異質性提升明顯，且顯著提升了坡面在雨季對降雨的入滲能力，同時優化整地措施顯著提升了梯田表層土壤在旱季的蓄水保水能力。研究結論可為區域內整地措施空間布局優化以及水土流失的綜合治理提供理論依據。

整地措施；坡面；土地利用結構；土壤含水量；時空分布；冗余分析

土壤水分是影響地表水、溶質和能量的重要變量[1]，它是水文循環的主要組成部分，控制著不同規模的徑流，入滲和蒸散過程，并且土壤水分對土壤養分狀況也有很大的影響，是影響南方地區農業發展的關鍵水資源[2-3]。季節性干旱是南方紅壤區農業發展最為突出的問題之一，其表現為頻率高，而且強度大，對于農業和林果業的產量與質量有較大影響，因此研究并掌握土壤水分的變化規律至關重要[4]。土壤水分在多重尺度上均會表現出高度的時空變異性，其時空變異性是受景觀類型、氣象、地形、土壤、人為活動等多因素綜合作用的結果，這些因素的影響是復雜的，因為這些因素本身可能還存在著相互作用[5-6]。在已有認知中，地形在土壤水分的空間再分配中有著重要作用[7]，是影響土壤水分的關鍵因素，已有研究[8-9]表明，坡面上較平緩的坡腳較較陡的坡頂具有更高的土壤含水量，此外地形對表層和深層土壤水分變化的影響具有較大差異。土地利用類型對土壤水分也有重要的影響[10]，多針對農地、林地、草地等不同土地利用類型下控制土壤水分的因素展開研究[11-12]，Liu和Shao[13]的研究表明植被類型是引起土壤水分時間分布和剖面分布變化的主要因素，但是在不同的區域尺度上有所差異。

南方紅壤區土壤水分還與季節（雨季、旱季）密切相關，在不同季節內的土壤水分空間異質性也一直是研究的重點。一般認為，土壤水分空間異質性的驅動因子在兩種時期具有較大差異：在雨季主要受到地形因素的控制，旱季則主要受到土壤性質和植被差異的影響[14-15]，但實際上不同季節土壤水分的主控因子還存在著較大差異，如Zhao等[15]針對半干旱草原地區的研究指出土壤（土壤質地、有機質和容重）和植被性質均會顯著影響旱季土壤水分空間格局的時間穩定性，而張偉等[16]對喀斯特地區旱季表層土壤水分空間變異性的研究發現旱季洼地表層土壤水分主要受石叢和地形兩個不同尺度的環境因素影響，這種差異說明土壤水分分布的控制因素在空間和時間上是可變的。

這些研究對象大多為不同土地利用坡面，還有較少學者針對于梯田展開研究，如梯田內不同的耕作方式、旱作措施、耕作年限以及梯田類型下的土壤水分環境效益，這類研究可為梯田、植被和作物的類型選擇和布設提供重要參考，幫助提升地區農業的節水效率和生態恢復效率[17-20]。如Wei等[19]對多種梯田及植被類型下的土壤水分狀況進行研究，指出梯田可使自然坡面土壤水分增加0.87%～37.71%，有利于生態恢復，但各種梯田措施對土壤水分的影響是不同的，Widomski[20]的研究指出梯田可使土壤體積含水量最大增加約20.00%，這是由于梯田通過增加地表水滲透到更深的土壤中來改善土壤中的水分平衡。本文針對南方紅壤低山丘陵區經濟林果產業開發園區內新修梯田整地粗放、水土流失加劇、生態效益低下等問題，研究了新修梯田坡面在不同季節內的土壤水分分布特征以及主控因子，為區域內荒草地坡面開發后梯田果園的蓄水保水工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于江西省贛州市寧都縣固厚鄉小洋小流域，屬南方紅壤區，區域于2017年開發為“南方紅壤低山丘陵區水土流失綜合治理”核心示范區，開發項目屬于“十三五”國家重點研發計劃——“典型脆弱生態恢復修復與保護研究”專項。位置介于116°02′29″～116°06′56″E和26°14′51″～26°19′56″N之間，流域總面積46.85 km2。土壤以花崗巖母巖發育的紅壤為主，地貌類型以低山丘陵區為主，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，水土流失面積為25.17 km2，占土地總面積的53.42%。區域屬亞熱帶季風溫和氣候，年平均氣溫18℃，年平均降雨量1 800 mm左右，但分配不均，伏旱、秋旱頻繁。區域內自然坡面修整前屬紅砂巖侵蝕劣地，水土流失嚴重，項目將坡地修整為水平梯田，田面種植臍橙，園區內主要包括2種整地模式的梯田果園：

（1）優化整地：前埂后溝，使用梯壁植草防護技術對新修梯田布設水土保持措施，針對植被破壞比較嚴重的林果地，為盡快修復梯壁植被，穩固梯壁防止水土流失，在地埂和梯壁上人工種植鄉土草本寬葉雀稗（），構建植被帶。

（2）粗放整地：有溝，無地埂及其他水土保持措施，植被覆蓋度低，地表裸露嚴重。

1.2 點位選擇

于2019年5月，在研究區內選擇3個典型坡面進行研究，按照一個坡面的坡頂、坡上、坡中、坡下、坡腳選擇5個樣點，共15個點位。3個坡面分別為：優化整地坡面，從上至下的土地利用結構為荒草地-優化整地果園-優化整地果園-優化整地果園-農地（TA1至TA5）；粗放整地坡面，土地利用結構為荒草地-粗放整地果園-粗放整地果園-粗放整地果園-農地（TB1至TB5）；同時設荒草地坡面為對照，其土地利用結構為荒草地-荒草地-荒草地-荒草地-荒草地（CK1至CK5）（圖1）。

對15個點位的地形以及植被覆蓋狀況進行調查，包括土地利用類型、與坡頂距離、坡向、坡度、經緯度、海拔、優勢植被物種以及植被覆蓋度等。優化整地和粗放整地坡面中的果園內的作物均為臍橙，且在整地之前均為荒草地，植被覆蓋狀況和荒草地相同。3個坡面均為陽坡，坡向相近，總坡長差異較小。荒草地的植被優勢種均為鐵芒萁（）和馬尾松（），鐵芒萁占絕大部分，整體覆蓋度較低（表1）。

1.3 土壤含水量監測

于2019年5月21日—12月21日（共持續211 d）使用TDR連續監測15個點位的土壤體積含水量時空變化特征，每個點位分5個土層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）進行測量。監測方法分為以下兩種：（1）優化整地坡面：在優化整地坡面的5個點位中分土層埋設H21-USB土壤濕度測量系統探頭，每隔5 d測量一次土壤含水量并自動記錄數據；（2）粗放整地坡面和荒草地坡面：在10個點位上使用螺旋土鉆鉆孔后，使用MP-406土壤水分測定儀分5個土層測定土壤水分，重復3次，每隔5 d測量一次土壤含水量。土壤含水量一般在上午8:00～10:00左右進行測量，同時使用雨量計記錄流域內的降雨量和氣溫數據。

為檢驗TDR的準確性，使用野外校正方法對監測的含水量數據進行校正[21]，在使用TDR記錄土壤含水量的同時，使用環刀（體積100 cm3）在各樣點探頭埋設點取原狀土樣，每次重復3次，并記錄采樣時間，帶回室內使用烘干法測定土壤體積含水量，以此得到兩種方法測得的土壤體積含水量，每兩個月校正一次，得到校正回歸方程。

H21-USB土壤濕度測量系統校正回歸方程如下：

式中，為使用TDR測得的土壤體積含水量（m3·m–3）；為校正后的土壤體積含水量（m3·m–3）。

MP-406土壤水分測定儀校正回歸方程如下：

式中，為使用TDR測得的土壤體積含水量（m3·m–3）；為校正后的土壤體積含水量（m3·m–3）。

1.4 數據處理與分析

使用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對數據進行常規統計分析，使用Origin 2017軟件繪制圖表，使用Canoco 5軟件進行冗余分析（Redundancy analysis，RDA），并繪制RDA排序圖。

2 結 果

2.1 研究區降雨量監測情況

在整個監測期間，共有55 d發生過降雨，總降雨量為793.50 mm，最大日降雨量為107.80 mm（圖2）。由于在8月5日之后，近1個月的時期無降雨，且土壤含水量有明顯降低，因此將整個監測期劃分為兩個時期進行分析。雨季：5月21日—8月5日，共77 d，總降雨量為735.60 mm，占觀測期總降雨量的絕大部分，為92.70%，日均氣溫為26.19℃；旱季：8月6日—12月17日，共134 d，總降雨量為57.90 mm，占觀測期總降雨量的7.30%，日均氣溫為23.47℃。

2.2 不同坡面和坡位在雨季和旱季的土壤含水量差異

在雨季，優化整地坡面土壤含水量介于0.167 7～0.455 9 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.269 9、0.291 3、0.299 2、0.332 8、0.396 7 m3·m–3，總體均值為0.318 0 m3·m–3。粗放整地坡面介于0.131 0～0.464 7 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.230 1、0.318 1、0.316 4、0.333 6、0.420 9 m3·m–3，總體均值為0.323 8 m3·m–3，兩個坡面從坡頂至坡腳均逐漸升高，且坡腳含水量均顯著（<0.05）高于其他部位，從兩個坡面對比來看，除坡頂和坡上部位，其他坡位差異均不顯著（>0.05）。荒草地坡面介于0.147 3～0.368 3 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.243 6、0.286 2、0.306 1、0.293 9、0.287 6 m3·m–3，總體均值為0.283 5 m3·m–3，不同坡位之間的土壤含水量均值與變異系數差異較小，僅坡頂顯著（<0.05）低于其他坡位。其中TA5與TB5的變異系數最小，分別為6.42%和5.54%。

在旱季，優化整地坡面土壤含水量介于0.068 5～0.407 7 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.194 4、0.192 8、0.203 6、0.197 5、0.354 0 m3·m–3，均值為0.228 5 m3·m–3。粗放整地坡面介于0.055 7～0.420 3 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.097 4、0.151 3、0.144 9、0.146 5、0.350 8 m3·m–3，均值為0.178 2 m3·m–3，除坡腳外，其他坡位均顯著（<0.05）低于優化整地坡面，且兩個坡面的坡腳均要顯著（<0.05）高于其他坡位，在坡上、中、下土壤含水量差異很小。荒草地坡面介于0.055 3～0.299 3 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.122 7、0.136 4、0.130 1、0.134 4、0.150 8 m3·m–3，均值為0.134 9 m3·m–3，坡位間無顯著差異，但坡腳和坡頂均與其他兩個坡面具有顯著差異（<0.05）。

3個坡面在旱季土壤含水量均要明顯低于雨季，且荒草地坡面下降最為明顯，降低了52.81%，其次為粗放整地坡面，為45.06%，優化整地坡面最低，為28.93%。并且在旱季各點位變異系數有明顯提升，均要高于雨季（表2）。

表2 土壤含水量在雨季和旱季的統計特征值

注：表中不同大寫字母表示同一坡面內不同坡位間差異顯著（<0.05），不同小寫字母表示同一坡位的不同坡面間差異顯著（<0.05），雨季=80，旱季=135。Note：Different capital letters in the table indicate significant differences between different slope positions on the same slope at the level of 0.05；different lowercase letters in the table indicate significant differences between different slopes in the same slope position at the level of 0.05；rainy season=80；and dry season=135.

2.3 不同土層在雨季和旱季的土壤含水量差異

在雨季時，優化整地坡面0～100 cm的5個土層從上至下土壤含水量均值依次為0.269 7、0.325 3、0.333 3、0.330 3、0.331 3 m3·m–3，0～20 cm土層土壤含水量要明顯小于20～100 cm；粗放整地坡面依次為0.318 5、0.331 9、0.333 6、0.319 8、0.315 3 m3·m–3，從上至下呈先升高再降低的趨勢；荒草地坡面依次為0.278 9、0.281 4、0.284 1、0.286 0、0.286 9 m3·m–3，從上至下總體呈逐漸升高趨勢，但土層之間差異較小。

在旱季，優化整地坡面5個土層從上至下土壤含水量均值依次為0.144 1、0.213 7、0.249 4、0.258 0、0.277 2 m3·m–3；粗放整地坡面依次為0.145 4、0.160 8、0.177 8、0.197 8、0.209 0 m3·m–3，從上至下呈先升高再降低的趨勢；荒草地坡面依次為0.105 1、0.116 4、0.136 7、0.149 6、0.166 4 m3·m–3。不同土層的土壤含水量在從雨季到旱季時均發生了較大變化，旱季土壤含水量從上至下均呈逐漸升高趨勢，且不同土層之間差異要明顯大于雨季，其中變化較大的點位為TA2、TA3、TA4、TB2、TB3和TB4，均為果園（圖3）。

2.4 不同土地利用類型的土壤含水量差異

從不同土地利用類型來看，優化整地果園、粗放整地果園、荒草地和農地在雨季的土壤含水量范圍依次為：0.286 8～0.315 7、0.280 3～0.375 6、0.218 5～0.301 2、0.382 4～0.421 3 m3·m–3，均值依次為0.307 8、0.322 7、0.273 9、0.408 8 m3·m–3，表現為農地要顯著大于其他土地利用，粗放整地果園與優化整地果園差異不明顯，但均要顯著大于荒草地，優化整地果園和農地土壤含水量在整個雨季觀測期內對降雨的響應幅度要小于粗放整地果園和荒草地。在旱季，優化整地果園、粗放整地果園、荒草地和農地在旱季內的土壤含水量范圍依次為：0.161 0～0.272 8、0.113 6～0.271 3、0.113 2～0.217 4、0.329 1～0.388 3 m3·m–3，均值依次為0.198 0、0.147 5、0.138 0、0.352 4m3·m–3，農地和優化整地果園均要顯著高于粗放整地果園和荒草地（圖4）。

根據圖3的等值線圖計算發現，粗放整地果園和荒草地的土壤含水量等值線均較優化整地果園更陡，這說明粗放整地果園的土壤耗水深度增長更快。在旱季除農地外各點位的土壤含水量均不同程度地降至0.200 0 m3·m–3左右（旱季整個坡面的土壤含水量為0.200 0 m3·m–3左右），但是在不同點位的0.200 0 m3·m–3含水量等值線下降速度具有明顯差異，優化整地果園等值線在剖面上的下降速度約為1.2 cm·d–1，粗放整地果園約為3.2 cm·d–1，遠高于優化整地果園，荒草地約為2.5 cm·d–1。

2.5 不同季節土壤含水量與地形因子的關系

對雨季、旱季的土壤含水量及地形因子進行RDA分析，RDA分析包括兩個矩陣，其中土壤含水量矩陣為P×N維，其中P為土層數，共5個土層，N為監測點位數目，共15個點位。地形因子矩陣為Q×N維，其中Q為地形因子數量，本研究包含的地形因子包括土地利用類型、坡度、坡位和海拔。其中土地利用類型分4類：1表示優化整地果園、2表示粗放整地果園、3表示荒草地、4表示農地，坡位分5類，1表示坡腳、2表示坡下、3表示坡中、4表示坡上、5表示坡頂。使用RDA來對監測點位的土壤含水量數據和地形因子數據進行排序分析。

在雨季，RDA雙序圖第1排序軸揭示了68.3%的土壤水分變化以及土壤水分與地形因子之間的關系，第2排序軸揭示了4.39%，在旱季第1排序軸和第2排序軸分別揭示了81.1%和2.01%（圖5）。第1、2排序軸解釋了絕大部分信息，因此選用前兩軸來分析地形因子與土壤水分的相互關系。在排序圖中，空心箭頭連線代表環境因子，箭頭連線的長度代表環境因子與土壤含水量的相關性大小，連線越長，相關性越大，反之越小，箭頭連線投影在排序軸上的長度代表該環境因子與排序軸的相關性大小，投影于正坐標為正相關，負坐標為負相關；實心箭頭連線代表各土層土壤含水量指標，兩條箭頭連線的夾角余弦表示其相關性，銳角為正相關，鈍角為負相關。

在雨季，坡位（=0.002）的解釋度較高，對雨季土壤含水量的分布具有極顯著影響，其次土地利用類型（=0.048）的影響顯著，坡度（=0.052）和海拔（=0.098）的影響較小。在旱季，土地利用類型（=0.008）對旱季土壤含水量的分布具有極顯著影響，其次為坡位（=0.024）和海拔（=0.024）均具有顯著影響，坡度（=0.062）的影響較小（表3）。

表3 RDA分析中地形因子的前向選擇

在雨季，RDA排序圖的第一軸和第二軸分別主要反映了土壤含水量隨坡位和海拔的梯度變化。從土層箭頭與地形因子箭頭的夾角來看，土地利用類型與0～20 cm土層夾角最小，說明土地利用類型對表層的影響最大，且隨土層向下影響也逐漸減弱。海拔與各土層基本呈直角，說明海拔對深層土壤水分異質性基本無影響。此外，坡度和坡位與各土層夾角基本為180°左右，說明其與土壤水分異質性為負相關。旱季第一軸和第二軸分別主要反映了土壤含水量隨坡位和土地利用類型的梯度變化，土地利用類型和海拔對各土層均為正相關，但相關性不顯著，坡位與表層呈顯著負相關，與其他土層相關性均顯著，坡度與深層顯著負相關，與表層相關性則較小（圖5）。

3 討 論

3.1 不同土地利用結構與坡位的土壤含水量差異

影響到土壤含水量的因素眾多且復雜，一般包括土壤因素、地形因素、植被因素、土地利用因素、氣候因素等[14,22]，在單一土地利用結構下（如本研究中的荒草地坡面），坡面土壤含水量變異性較低，而不同的土地利用結構（如優化整地和粗放整地坡面）會使土壤含水量變異性變高[23]，本研究具有類似表現。在雨季，優化整地和粗放整地坡面從坡頂至坡腳均呈逐漸升高趨勢，且坡上、中、下部位差異較小，坡頂與坡腳則具有顯著（<0.05）差異，而在荒草地坡面中，除坡頂土壤含水量較低外，其他坡位之間差異不顯著，在旱季也具有類似表現，根據RDA分析結果發現，坡位對雨季土壤含水量的分布具有極顯著（<0.01）影響，在旱季也有顯著（<0.05）影響。這是由于本研究中優化整地和粗放整地坡面坡頂均為荒草地，坡上、中、下均為梯田果園，坡腳為農田，在坡頂由于具有一定坡度和植被覆蓋，降雨后容易產生徑流，因此對降雨的入滲較少。而梯田果園由于特殊的臺階地形，促進了土壤水分入滲量，從而具有較高的土壤含水量[24]，同時梯田果園則較少受到降雨徑流的影響，因此梯田果園之間的含水量差異較小。當地的土地利用結構設計會在坡腳旁開挖池塘，坡腳具有較大的匯水面積以及水分補充，因此土壤含水量最高。研究結果與已有研究結論一致[8-9,25]，Mei等[25]研究了3個山坡土壤含水量在生長和非生長季節的變化，發現坡腳的土壤儲水量要較山坡的其他部位高，指出這可能是由于坡腳一般具有較大面積的集水區。黃艷麗等[26]分析了小流域不同部位土壤水分的空間異質性，結果表明坡位、土層是影響流域內土壤水分分布的重要空間因素，如坡腳含水量顯著高于坡腰和坡肩，坡肩最低，而坡向和區段的影響并不顯著。值得一提的是，郭欣欣等[27]針對東北黑土區不同土地利用結構坡面的研究發現土壤含水量在不同坡位

并無明顯變化規律，且在不同土地利用結構下，坡頂至坡腳的變化趨勢具有較大差異，這與本研究具有較大差異，這主要是由于其土地利用結構較為復雜，且可能受研究區域的影響，說明不同坡位的土壤含水量之間的差異主要還需考慮土地利用類型的影響。

3.2 不同土地利用類型的土壤含水量差異

修建梯田是通過改造地形來限制地表徑流的產生和徑流速度，從而增加斜坡地形中土壤水分和入滲量[24]，而降雨入滲的增加主要是由于梯田的幾要素：水平、近水平或反坡梯田臺階、地埂、排水溝或其他排水措施等。Lü等[28]研究了梯田作為黃土高原部分流域水土保持措施的有效性，在梯田效應最重要的指標中，土壤水分增加了20.70%，土壤流失量和土壤養分流失量分別減少了57.90%～89.90%和89.30%～95.90%。Fu等[29]在黃土高原大南溝集水區進行的研究涵蓋了包括梯田在內的5種土地利用結構和7種土地利用類型，發現梯田耕地平均土壤含水量要高于坡地果園、休耕地、草地和坡耕地，分別高11.15%、11.09%、10.82%和11.10%。本研究與之結論相似，在雨季不同土地利用類型的土壤含水量表現為農地>粗放整地果園>優化整地果園>荒草地，優化整地果園和粗放整地果園的土壤含水量差異并不大，但是優化整地果園對降雨的響應幅度要低于其他土地利用。在旱季土壤含水量均具有較大幅度的降低，農地最慢，其余依次為優化整地果園、荒草地、粗放整地果園，在整個旱季內，土壤含水量表現為農地>優化整地果園>粗放整地果園>荒草地，同時RDA分析發現，在雨季和旱季的土地利用類型均對土壤含水量的分布具有顯著（<0.05）影響。說明坡地開發成梯田后，地形的改造增強了降雨在坡面的入滲，優化整地果園中布設的水土保持措施對于入滲的增強效果并不明顯，但在旱季則發揮了較強的保水效益，相較于粗放整地果園，其增加了果園內的植被覆蓋度，降低了旱季的淺層土壤水分蒸發，并且地埂植草還具有截留降雨的作用，一定程度上減少了旱季降雨的流失。坡腳的農田主要受坡位影響，在各時期均具有較高的土壤含水量，以上結果說明優化整地坡面類型的土地利用結構能充分合理的利用水資源，提升蓄水保墑能力，具有良好的應用前景。

3.3 剖面尺度上土壤含水量的時空變化特征

優化整地和粗放整地坡面不同土層的土壤含水量在雨季時無明顯變化規律，而到了旱季，所有點位在不同土層的土壤含水量從上至下均呈逐漸升高趨勢，且不同土層之間差異要明顯大于雨季。其中變化較大的點位均為果園，這主要是由于果園田面植被覆蓋較少，在旱季時臍橙的需水量也較大，同時太陽輻射大導致淺層土壤水分物理蒸發量大導致的。這與已有研究結果一致，張川等[30]研究指出土壤含水量從表層到深層具有明顯的分層，根據不同季節的異質性可分為為活性層、亞活性層和相對穩定層。史君怡等[31]研究也指出在草原區不同土層土壤含水量從上至下呈逐漸降低趨勢，是由于表層腐殖質加強了土壤蓄水能力，而森林土壤含水量則具有相反表現，并推測這可能是由于土壤與氣候差異引起的。結合RDA分析發現，本研究在雨季和旱季，土地利用類型與坡位均是影響表層土壤含水量分布的關鍵，這與郭欣欣等[27]研究結論相似，其通過RDA分析發現不同土地利用結構下坡位對表層土壤水分的影響最大，且土地利用類型和海拔高度對所有土層均呈顯著負相關。而Mei等[25]研究也發現地形和植被類型是控制不同土層土壤蓄水量的主要因素，淺層土壤蓄水量主要受地形影響，深層土壤蓄水量主要受植被影響。

值得注意的是，研究區在此次觀測期的旱季內為嚴重干旱，在4個多月的時間內降雨量僅57.90 mm，要遠低于往年同期降雨量。有研究[25]指出，在不同時期，土壤水分分布的主控環境因素各不相同，相對濕潤年份的土壤水分主控環境因素較干旱年份更為復雜，且最大的影響因素也不盡相同。這可能是由于在氣候正常的年份，降雨會影響地形因子、植被類型和土壤性質在控制土壤水分變化中的作用，而在嚴重干旱年份的降雨量相對較低，因此幾乎不會影響土壤水分的控制因素。本研究在正常氣候年份的的土壤水分主控因子還需今后繼續監測進行論證。

4 結 論

本研究結合RDA分析結果發現，土壤含水量受地形影響較大，雨季和旱季土壤水分分布分別受坡位和土地利用類型的極顯著（<0.01）影響，且主要影響到0～20 cm的表層土壤含水量。同一坡面內，坡頂至坡腳在雨季和旱季均表現為逐漸升高趨勢，荒草地坡面的坡位間差異要小于優化整地和粗放整地坡面，優化整地、粗放整地坡面的坡腳土壤含水量均要顯著（<0.05）高于其他坡位，而變異系數均要明顯低于其他坡位，坡上、中、下部位間差異較小且不顯著。在不同土地利用類型下，雨季土壤含水量表現為農地>粗放整地果園>優化整地果園>荒草地，除兩種果園外均具有顯著差異（<0.05），且優化整地果園和農地土壤含水量對降雨的響應幅度要小于粗放整地果園和荒草地。在旱季，粗放整地果園和荒草地的土壤含水量下降速度遠高于優化整地果園和農地，因此在旱季農地和優化整地果園土壤含水量要顯著（<0.05）高于粗放整地果園和荒草地。區域內荒草地坡面修整為梯田果園后，一方面，土壤入滲性能得到較大提升，在雨季具有更高土壤含水量，同時坡面土壤水分的空間異質性也有較大提升。另一方面，優化整地果園內的水土保持措施在旱季發揮了非常顯著的保水效益，說明優化整地坡面的土地利用結構設計以及地埂梯壁植草等優化整地技術的應用在減少坡面徑流、提升蓄水保水能力方面具有較廣闊的應用前景。

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Spatio-Temporal Distribution of Soil Moisture on Slopes Relative to Land Preparation Measure

CHENG Liang1, 2, JIAO Xiong1, DI Hanyue1, XIONG Aoyu1, GUO Zhonglu1?

(1. Research Center of Water and Soil Conservation, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Central Southern China Electric Power Design Institute, China Power Engineering Consulting (Group) Corporation, Wuhan 430071, China)

【Objective】 How to arrange rationally land preparation measures on terraced slopes affects runoff generation, rainfall infiltration, and water conservation capacity, thereon. It’s of great significance to understand the spatio-temporal heterogeneity of soil moisture in terraced orchards different in land preparation measure and its mechanism, for promoting development of the forest and fruit industry.【Method】For this paper, the navel orange orchard development demonstration area in the small watershed of Xiaoyang in a low hilly red soil region in South China is selected as the research area. Three slopes, typical of the area, but different in land use structure (optimally prepared terraced slope, extensively prepared terraced slope, and unprepared waste grassland slope) and four types of land use (orchard on optimally prepared terraced slope, orchard on extensively prepared terraced slope, waste grassland, and cropland) were selected as the research objects for the study on spatio-temporal distribution of soil water relative to land preparation and land use. Soil water content in five soil layers (0～20, 20～40, 40～60, 60～80 and 80～100 cm) at five slope positions (top slope, upper slope, middle slope, lower slope, and toe slope) on all the four slopes was monitored in both seasons (rainy and dry season). And redundant analysis was performed to determine the main terrain factors (including slope position, slope, land use type and altitude) that affect spatio-temporal distribution of soil water content in different seasons and soil layers. 【Result】Results show: 1) soil water content during the rainy season varied with land use of a slope, exhibiting an order of slope of cropland (0.4088 m3·m–3) > orchard on extensively prepared terraced slope (0.3227 m3·m–3) > orchard on optimally prepared terraced slope (0.3078 m3·m–3) > slope of waste grassland (0.2739 m3·m–3). Apparently, the two orchards did not differ much, but did significantly from the other two. During the dry season, soil water content decreased much faster in the slope of waste grassland and the orchard on extensively prepared terraced slope than in the two. On the slope of farmland, the impact of slope position on soil water content was the least. In terms of soil water content during the dry season, the four slopes followed a decreasing order of slope of cropland (0.3524 m3·m–3) > orchard on optimally prepared terraced slope (0.1980 m3·m–3) > orchard extensively prepared terraced slope (0.1475 m3·m–3) > slope of waste grassland (0.1380 m3·m–3). Obviously the last two were much lower than the first two. 2) Soil water content gradually increased along the slope from the top to the toe, during both the rainy and dry seasons, but differed slightly between the upper, middle and lower parts of the three slopes, however, spatial heterogeneity intensified significantly after land preparation of the slopes. 3) The main topographic factors affecting the distribution of soil water content during the rainy season were slope position (=0.002) and land use (=0.048), and during the dry season were land use (=0.008), slope position (=0.024) and altitude (=0.024), however, slope gradient was an insignificant one. 【Conclusion】In general, land preparation of the slopes significantly increased rain water infiltration capacity and hence soil water content of the surface (0～20 cm) soil layer during the rainy season, especially in the orchard on the optimally prepared terraced slope, where the water storage and retention capacity was significantly improved during the dry season. All the findings in this study may serve as a scientific basis for rational arrangement of land resources in the region, optimization of the spatial layout of soil and water conservation measures, and comprehensive soil erosion control.

Land preparation measures; Slope; Land use structure; Soil water content; Spatio-temporal distribution; Redundancy analysis

S157.1

A

10.11766/trxb202002270076

程諒，焦雄，邸涵悅，熊翱宇，郭忠錄. 不同整地措施坡面土壤水分時空分布特征[J]. 土壤學報，2021，58（6）：1423–1435.

CHENG Liang，JIAO Xiong，DI Hanyue，XIONG Aoyu，GUO Zhonglu. Spatio-Temporal Distribution of Soil Moisture on Slopes Relative to Land Preparation Measure[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1423–1435.

*國家重點研發計劃課題（2017YFC0505405）資助 Supported by the National Key R&D Program of China（No. 2017YFC0505405）

Corresponding author，E-mail：zlguohzau@163.com

程 諒（1995—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事水土保持與生態恢復研究。E-mail：1601558599@qq.com

2020–02–27；

2020–06–01；

2020–12–08

（責任編輯：檀滿枝）