石漠化區雨季不同植被類型土壤水分溫度動態變化及兩者關系

趙 爽，余軍林，羅 婭，石春茂，劉 洋

（1.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴陽 550025；2.貴州省水利科學研究院，貴陽 550025）

0 引 言

土壤水分和土壤溫度作為重要的水熱資源，是反映陸地表面水熱收支狀況和陸—氣間能量遷移轉換的重要指標[1-3]。土壤溫度的變化影響土壤水分的入滲、再分布和蒸發等過程，土壤水分的變化通過改變土壤的熱力性質影響土壤溫度[4]，兩者之間相互作用、相互影響[5,6]。此外，受區域地質地貌、氣候、植被、土壤理化性質和人類干擾等影響[7-9]，土壤溫度和土壤水分具有較強的時空異質性[10-13]，影響著植被生長和分布狀況[14-16]。

石漠化區斑塊破碎，人為干擾程度高，土壤不連續且薄，植被覆蓋率低，是我國典型的生態脆弱區。植被恢復為石漠化治理最有效的生態修復途徑[17]。然而，石漠化區地表和地下雙層水文結構，水文過程迅速，地表水保蓄能力差，地表干旱經常發生，導致土壤水分成為植被生長的重要限制性因素[18-20]，受到學者們的高度關注。如吳克華等[21]運用固定樣地監測法，研究喀斯特峽谷區土壤溫度與石漠化強度的關系，結果表明喀斯特峽谷區土壤溫度與石漠化等級程度相關性不大。王思硯[22]等采用土樣烘干法、自動監測等方法，研究不同石漠化等級的土壤水分差異及地質、地形、土壤等因素對土壤水分的影響。徐慧芳等[23]在峰叢洼地坡面進行控制性試驗，分析土地利用方式下土壤水分的季節差異。彭熙等[24]采用烘干法、蒸發儀法和快速稱重法等方法研究喀斯特峽谷區經濟林地土壤水分，并劃分出土壤水分垂直變動帶。王臏等[25]探討喀斯特峽谷區不同植被類型的土壤水分時空差異，表明花椒林地水分含量高，具有較高保持水土效益。這些研究成果為認識石漠化區土壤水分和土壤溫度的時空異質性提供了重要參考，但并未深入探討石漠化區典型植被類型各層土壤水分之間、各層土壤溫度之間，以及土壤水分與土壤溫度之間相互關系，一定程度上局限了研究成果在石漠化植被修復中的樹種選擇、種植方法及其管理的應用。

綜上，以花江石漠化區為研究區，運用原位監測方法，研究石漠化區不同植被類型土壤水分與土壤溫度的動態變化，揭示各層土壤水分之間、土壤溫度之間，以及土壤水分與土壤溫度之間3種相互關系，為該地區植被恢復的林種選育和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

花江石漠化區位于貴州省關嶺縣南部和貞豐縣北部交界處、北盤江中游的花江河段南北兩岸，地理坐標為105°36′30″E～105°46′30″E、25°39′13″N～25°41′00″N，總面積約47.63 km2。地勢西高東低，河谷深切，最高海拔1 359 m，最低海拔446 m。地貌多為峰叢洼地、峰叢峽谷。喀斯特面積高達94%，石漠化面積占喀斯特面積的61.2%。屬于中亞熱帶干熱河谷氣候，年降水量約1 100 mm，但時空分布不均，多集中于5-10月；氣候溫和，年均溫度16.4 ℃，冬暖春旱，熱量豐富，無霜期長。土壤主要有紅色石灰土、紅小泥土、紅大泥土、黃色石灰土、黑色石灰土等類型，表現出薄、瘦、干、粘、堿等特性。植被以人工植被為主，有香椿、復羽葉欒樹、核桃、構樹、甘蔗、金銀花、芭蕉、砂仁和竹類等。區內基巖出露，土層薄而不連續，土壤貧瘠，地下水埋藏深，地表干旱，農業生產力較低。全區轄9村52村民組，人口密度167人/km2，是貴州省生態極為脆弱的地區。

1.2 樣地設置

在花江石漠化區南岸(地理坐標為105°38′51.73″E～105°38′53.34″E、25°39′39.58″N～25°39′41.37″N)，選擇空間近鄰的頂壇花椒、復羽葉欒樹和構樹地塊(分別代表人工經濟林、原生喬木和原生灌木)作為實驗樣地，每個樣地選取5 株樣樹。由于3 種植被分布于石漠化地塊中，受土地不連續分布影響，植株密度不甚均勻。因此，為滿足“每個樣地至少選取5棵樣樹”的抽樣需求，在海拔、坡度、坡向等自然特征相似的地塊設置頂壇花椒、復羽葉欒樹和構樹3個樣地(規格見圖1和表1)，樣樹特征如表2所示。

表1 樣地特征Tab.1 Main characteristics of treatment plot

表2 樣樹特征Tab.2 Main characteristics of sample trees

圖1 實驗樣地平面示意圖Fig.1 The plane schematic diagram of experimental plots

1.3 數據測定

時域反射儀(TDR，Time Domain Reflectometer)廣泛用于高精確度土壤水分含量測定。本研究采用德國生產的TDR 土壤水分儀(型號：TRIME-PICO64，IMKO，精度：±0.2 ℃、±0.2%)和TRIME-HD2 讀數表測試土壤水分和土壤溫度。將傳感器探頭分別置于頂壇花椒、復羽葉欒樹和構樹(共15株)林下深度為0～5、5～10、10～20 和20～40 cm 的4 個土壤層中部(即2.5、7.5、15 和30 cm 處)測定數據，進行逐日監測，監測時期為2016年7月28日至8月19日，每日時間為早上9:00-11:00，每層土壤水分和土壤溫度值以重復3 次測試的算術平均值記錄。

1.4 數據分析方法

采用變異系數對土壤水分和土壤溫度的穩定性進行評估，計算公式如下：

式中：C.V為變異系數；S為標準偏差；X為均值。

C.V值越小，離散程度越小，狀態越穩定；反之，離散程度越大，狀態越不穩定。根據雷志棟[26]對土壤水分變異系數(C.V值)的等級評估標準，將變異程度等級劃分為：C.V≤0.1 為弱變異性、0.1

采用皮爾遜相關系數對土壤水分和土壤溫度的相互關系進行評估。皮爾遜相關系數的計算方法如下：

2 結果與分析

2.1 不同植被類型土壤水分和溫度平均狀況與穩定性

計算3 種植被土壤水分和土壤溫度的平均值和變異系數(表3和表4)。結果表明：

表3 土壤水分穩定性Tab.3 Soil moisture stability

表4 土壤溫度穩定性Tab.4 Soil temperature stability

（1）從表3 可知，土壤水分平均值呈現頂壇花椒(34.7%)>復羽葉欒樹(33.8%)和構樹(33.4%)的趨勢，其變異系數呈現頂壇花椒(0.13)=構樹(0.13)<復羽葉欒樹(0.15)的趨勢。可見頂壇花椒的土壤水分含量較高且狀態較穩定。

（2）從表4可知，土壤溫度平均值呈現構樹(29.3 ℃)>復羽葉欒樹(27.9 ℃)>頂壇花椒(27.3 ℃)的趨勢，其變異系數呈現頂壇花椒(0.04)=復羽葉欒樹(0.04)<構樹(0.07)，可見頂壇花椒的土壤溫度較低且狀態較穩定。

（3）從表3可知，3種植被各層土壤水分垂直變化表現為：0～10 cm 迅速增加，10～40 cm 緩慢增加，總體呈現從上到下遞增的趨勢。各層平均土壤水分含量具體表現如下，0～5 cm：復羽葉欒樹(24.9)>頂壇花椒(24.6)>構樹(23.7)；5～10 cm：頂壇花椒(37.0)>復羽葉欒樹(34.8)>構樹(33.6)；10～20 cm：頂壇花椒(37.5)>構樹(37.3)>復羽葉欒樹(36.6)；20～40 cm：頂壇花椒(39.7)>構樹(39.0)>復羽葉欒樹(38.8)；顯示頂壇花椒各層土壤水分含量相對較高。

（4）從表4可知，土壤溫度垂直變化總體表現從上至下降低的趨勢，各層的平均土壤溫度呈：0～5 cm：構樹(29.3)>復羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.5)；5～10 cm：構樹(29.4)>復羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.4)；10～20 cm：構樹(29.2)>復羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.3)；20～40 cm：構樹(29.1)>復羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.1)；顯示構樹各層土壤溫度最高。

2.2 不同植被類型土壤水分和土壤溫度動態變化

圖2 顯示了3 種植被2016年7月28日至2016年8月18日的土壤水分和土壤溫度動態變化。3種植被各土層土壤水分大致呈現：在7月28日至7月30日為增長期，7月30日至8月5日為穩定期，8月5日至8月16日為一個減小和增長相間的波動期，8月16日至18日為消退期。從各土層看，0～10 cm 水分波動較大，10～40 cm 水分較為穩定，其中，頂壇花椒和復羽葉欒樹5～10 cm 土壤水分在8月14-17日出現了較大波動，在8月16日達到最高值；構樹的土壤水分最高值出現在8月16日10～20 cm土層。

圖2 土壤水分和土壤溫度時間動態變化Fig.2 The dynamic change of soil moisture and soil temperature

3 種植被土壤溫度在7月28-30日呈下降趨勢，7月30日至8月5日為穩定期，8月5-18日為一個減小和增大相間的波動期，最高值出現在8月9日和8月10日。

2.3 土壤水分與土壤溫度的相互關系

2.3.1 各垂直分層間土壤水分相關性

圖3 顯示了3 種植被各垂直分層土壤水分之間的皮爾遜相關系數R。其中，頂壇花椒5～10 cm 與0～5 cm，10～20 cm與5～10 cm，20～40 cm 與10～20 cm 的相關系數分別為0.383、0.311、0.232；復羽葉欒樹5～10 cm 與0～5 cm，10～20 cm 與5～10 cm，20～40 cm 與10～20 cm 的相關系數分別為0.504、0.751、0.665；構樹5～10 cm 與0～5 cm，10～20 cm與5～10 cm，20～40 cm 與10～20 cm 的相關系數分別為0.603、0.491、0.396。綜上，3 種植被上、下層之間土壤水分含量總體呈現正相關關系；上、下層間土壤水分的相關性頂壇花椒最低，構樹次之，復羽葉欒樹最高。

圖3 各垂直分層之間的土壤水分相關系數Fig.3 The correlation coefficient between soil moisture in each vertical layer

2.3.2 各垂直分層間土壤溫度相關性

圖4 顯示的是3 種植被各垂直分層土壤溫度之間的皮爾遜相關系數R。其中，頂壇花椒5～10 cm與0～5 cm、10～20 cm與5～10 cm、20～40 cm 與10～20 cm 的相關系數分別為0.958、0.969、0.946；復羽葉欒樹5～10 cm 與0～5 cm、10～20 cm 與5～10 cm、20～40 cm 與10～20 cm 的相關系數分別為0.976、0.860、0.875；構樹5～10 cm 與0～5 cm、10～20 cm與5～10 cm、20～40 cm 與10～20 cm 的相關系數分別為0.937、0.953、0.887。綜上，3 種植被各層之間的土壤溫度具有極顯著的正相關關系(P<0.01)。

圖4 各垂直分層之間的土壤溫度相關系數Fig.4 The correlation coefficient between soil temperatures in each vertical layer

2.3.3 各垂直分層土壤水分與土壤溫度相關性

圖5 顯示3 種植被各垂直分層間的土壤水分與土壤溫度的皮爾遜相關系數R。頂壇花椒0～5 cm 和5～10 cm 的土壤水分與土壤溫度的相關系數分別是-0.275和-0.307，存在顯著的負相關(P<0.01)；10～20 cm 和20～40 cm 的土壤水分與土壤溫度的關系數分別是-0.165、-0.181，負相關不顯著。復羽葉欒樹0～5、5～10、10～20 和20～40 cm 的土壤水分與土壤溫度的相關系數分別為-0.468、-0.474、-0.450、-0.405，存在較顯著負相關關系(P<0.01)。構樹4 個土層從上至下依次為-0.441、-0.462、-0.398、-0.520，表現出較顯著的負相關關系(P<0.01)。

圖5 土壤水分與土壤溫度相關系數Fig.5 The Correlation coefficient between soil moisture and soil temperature

結果表明3 種植被各層土壤水分與土壤溫度呈負相關關系。其中，0～20 cm 土壤水分與溫度相關程度表現為：復羽葉欒樹>構樹>頂壇花椒，20～40 cm 土壤水分與溫度相關程度表現為：構樹>復羽葉欒樹>頂壇花椒。綜述，可見頂壇花椒各層土壤水分受土壤溫度影響程度最小。

3 討 論

3.1 植被根系特征對土壤水分和土壤溫度的影響

植被根系是影響土壤含水量的主要因素[27-29]，“淺根型”植物具有對表層土壤水分吸收強、水分利用率高、耗水小的特性[30]。在本研究土壤水分含量均值呈現頂壇花椒>復羽葉欒樹>構樹，土壤溫度均值呈現構樹>復羽葉欒樹>頂壇花椒的特點?？芍攭ń窐拥赝寥浪趾孔罡叨寥罍囟茸畹?。原因在于，頂壇花椒作為淺根性植物，為適應石漠化區土層淺薄的生境，其側向根系發達，吸收根集中在0～10 cm，能夠有效吸收利用地表水分或少量降雨[31]。此外，對于葉量和葉面積小而吸收根發達的植被而言，植被根系對地表土壤水分吸收效率高，且蒸騰作用小，因而對土壤水分消耗較小[32]，由此也會使得該類植被的土壤水分含量較高。這也比較符合頂壇花椒的根系、葉片以及土壤水分含量特征。

由前述可知，由于頂壇花椒吸收根發達且分布淺，對表層土壤水分吸收能力強，加之葉量較少、葉面小，使得蒸騰量小，因此有頂壇花椒分布的地表土壤水分含量高，土壤溫度也因土壤濕潤而比較低。而復羽葉欒樹是多年生高大喬木，根系發達，但其冠幅、葉面積和葉量相對頂壇花椒較大，蒸騰作用對地表水分吸收量大，因而地表土壤水分含量會降低，但也因其寬大的冠幅和較高的郁閉度，有效減少地面接受太陽輻射而使得土壤溫度較低。構樹是低矮灌木，具有顯著的巖生性，主要分布在土量少的石窩或者巖縫中。此外，構樹根部靠近巖石，其周圍巖石在陽光照射下相比土壤升溫快，使得構樹根部土壤溫度較高。加之構樹冠幅小、葉量少而葉面大，其葉面蒸騰和土面蒸發量大，所以構樹表層土壤水分含量最小且土壤溫度最高。

3.2 頂壇花椒不同土層土壤水分與土壤溫度相關性不一致的可能原因

研究發現：頂壇花椒0～5 cm和5～10 cm層的土壤水分與土壤溫度呈顯著負相關(P<0.01)，而10～20 cm和20～40 cm的土壤水分與土壤溫度負相關不顯著?？芍?，頂壇花椒各土層的土壤水分和土壤溫度都存在負相關，但10 cm 以上土壤水分和土壤溫度的負相關更顯著。這種特點的產生可能與頂壇花椒的淺根特征和蒸散發等因素有關[33,34]，頂壇花椒吸收根集中分布于0～10 cm，根系吸收對該層土壤水分消耗大，加上夏季日照時間長，表層土壤溫度較高，土壤表面蒸發和林冠蒸騰量大，因而與下層土壤水分形成水勢差[32]，使土壤水分發生垂直運動，下層水分補充上層損失的水分。

4 結 論

土壤水分和土壤溫度深受植被類型的影響。對花江石漠化區的土壤水分和土壤溫度開展研究，結果表明：

（1）對比頂壇花椒、復羽葉欒樹和構樹，頂壇花椒的土壤水分含量較高、土壤溫度較低，時空變異性小，狀態穩定。

（2）在土壤水分溫度的垂直變化上，3種植被的土壤隨深度增加水分含量增加、土壤溫度降低，頂壇花椒各層土壤水分含量最高，土壤溫度最低。

（3）3種植被各層的土壤水分與土壤溫度，除頂壇花椒10～20 cm 和20～40 cm 負相關不顯著，其他都具有顯著負相關(P<0.01)，相關程度上：0～20 cm 呈復羽葉欒樹>構樹>頂壇花椒、20～40 cm 呈構樹>復羽葉欒樹>頂壇花椒；各層土壤水分與鄰近上層土壤水分具有顯著的正相關；各層之間的土壤溫度具有極顯著的正相關關系(P<0.01)。

綜上，頂壇花椒雨季平均土壤含水量較高，其時空變異小，表明作為石漠化治理區主要人工經濟林的頂壇花椒具有較好持水效益，在今后的生態治理和產業培育工作中對頂壇花椒應進一步選育改良和加強管理。