降雨對巖溶峰叢洼地不同地貌部位土壤水分及溫度的影響研究

2023-07-25 02:43:08史敏莉羅為群吳澤燕林佳欣胡兆鑫

節水灌溉 2023年7期

史敏莉，羅為群，吳澤燕，林佳欣，胡兆鑫，涂純

（1.中國地質科學院巖溶地質研究所/自然資源部巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室，廣西桂林 541004；2.平果喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站，廣西平果 531400）

0 引言

土壤溫度和水分是表征土壤水熱狀況的兩個重要因子，也是近地表大氣圈與其他圈層物質循環和能量流動的場所[1-3]，同時，其時空動態變化規律也是水文、大氣和生態等過程相互作用的結果[4]。土壤溫度變化不僅是地表植被分布及生長的關鍵限制因子[5]，對地下微環境的質量起著決定作用[6]，其也是土壤水分運移、入滲和保水等的重要因素。土壤水分對植被的光合作用、根系生長和生態功能等起著至關重要的作用，是植被生長發育的必要環境因素[7]，同時也影響土壤和近地表大氣的熱平衡[8]，是控制生態和水文的關鍵因子[9]。

西南巖溶區以方解石為主要碳酸鈣礦物的石灰巖，其具有多重孔隙、風化成土速率緩慢和易受板塊構造運動影響等特點。正是因為這些特殊性的存在，使得巖溶區地表-地下的空間結構具有很大的差異性。楊明德[10]，郝俊[11]等人在研究中發現，在降水豐富的巖溶區，其巖溶發育強烈，生態環境脆弱，環境容量低，災害承載閾值彈性小，加之人類活動的干預，水土流失及石漠化等自然災害現象極易發生。如何減少土壤流失、提高土壤保水抗蝕能力及提高土地利用率等是當前研究的熱點話題[12-14]。廣西平果站自建立以來，一直致力于水土漏失與石漠化的驅動機制及生態修復措施等研究，植被覆蓋率、土壤侵蝕率及水資源利用率大大提升，形成了以喜陽耐旱類的火龍果為主的生態經濟產業，形成了可供其他地區復制的“果化模式”。本文基于此成果，對以火龍果為主要耕種作物的洼地和以退耕還林為主要土地類型的坡地作為監測點，進行土壤水分和溫度的長期監測，深入研究氣候因子影響下的土壤水熱動態變化規律，為該地區水土流失及石漠化生態措施實施及生態產業優化提供理論價值和經濟效益。

1 研究區概況

研究區位于廣西平果喀斯特生態系統國家野外科學觀測站[15]（簡稱“平果站”）內，地理坐標為107°22＇40″E，23°24＇00″N，總面積約為10 km2。地貌類型為典型的巖溶峰叢洼地，海拔在176.4～535 m 之間，氣候屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年內熱量充足，雨熱同期，年均氣溫為19～22 ℃，多年年均降雨量約為1 200 mm，年內降雨分布不均，干濕季節分明，濕季（雨季）主要集中在4-9 月，其降雨量占全年降雨量的60%～92%[16]。區內峰叢山體大多以較為規則的錐形分布，坡面陡峭且基巖出露地表，土壤層厚度自坡頂至坡底逐漸增加，溶穴、溶溝、溶槽等溶蝕現象豐富，洼地底部發育有落水洞、天窗和豎井等[17]。區內土壤類型主要為石灰質沙壤土，坡頂處土壤厚度最薄，不足10 cm，坡麓石芽處土壤厚度不足20 cm[13]，洼地底部土壤厚度最大，可達1 m以上。土壤整體偏堿性，土層淺薄，土壤孔隙大，保肥保水性差，抗侵蝕能力弱。土地利用類型主要以玉米地、火龍果園地為主，植被覆蓋度約為40%；坡面多為退耕還林地，植被類型有芒草、鹽膚木、任豆樹和銀合歡等，植被覆蓋度約為78%。

2 野外監測方法

本次監測依據峰叢洼地地貌及土地利用類型特點選擇以火龍果為主要耕種作物的洼地和退耕還林的灌木林地的坡面為監測點（圖1），在兩個監測點分別埋設土壤溫度和水分探頭，埋設深度依次為20、50、80 和110 cm（因所選坡面土壤深度約為80 cm，因此該監測點選取0～80 cm 深度埋設），地表安裝有連接下地探頭的Campbell Scientific 傳感器（型號：CR1000）及太陽能儲蓄電池，可用于記錄連續監測土壤溫度與水分含量數據。監測數據頻率為15 min，精度為0.1%和0.01 ℃。氣溫和降雨量數據則由國家站已裝有的HOBO小型自動氣象站獲取，其數據時間間隔為15 min，精度為0.01 ℃和±0.2 mm。監測于2019 年6 月5 日開始，每15 min 記錄一次數據，至2019年8月29日結束，共計8 050組數據。

圖1 研究區監測點分布剖面圖Fig.1 The profile map of monitoring points in research area

3 數據處理方法

本文所收集的8 050 組數據均用Excel 進行整理，分類，獲取各監測指標的統計值；使用IBM SPSS Statistics 23 軟件的雙變量相關分析，并采用Pearson 相關性確定土壤水分和溫度的相關關系；使用CorelDRW2018 繪制監測點剖面圖；使用Origin 2018軟件繪制圖表。

4 結果分析

4.1 垂直剖面上土壤水分和溫度變化

4.1.1 垂直剖面上土壤水分變化

研究區監測點土壤水分垂直分布特征如表1所示，可看出洼地監測點土壤水分（MD）和坡面監測點土壤水分（MS）剖面自上而下均呈現明顯的變化規律。MD均值隨土層深度增加表現出先增加后減小的趨勢，其最大值出現在50 cm 處（45.02%），最小值出現在110 cm 處（41.60%）；MS均值隨土層深度增加表現出逐漸減小的趨勢，其最大值出現在20 cm 處（35.36%）。總體上，土壤水分均值表現為洼地監測點高于坡面監測點。從變異系數（CV）來看，MD在各深層均表現為弱變異（CV＜0.1），MS在0～50 cm 深度表現為弱變異，50～80 cm深度表現為中等變異（0.1＜CV＜1）。總體上，土壤水分變異系數隨土層深度增加而逐漸增大，且坡面監測點高于洼地監測點。

表1 土壤水分均值及變異系數Tab.1 Mean value and coefficient of variation of soil moisture

4.1.2 垂直剖面上土壤溫度變化

土壤溫度均值及變幅（表2）表明：隨土壤深度增加，坡面監測點的土壤溫度（TS）表現出逐漸減小的趨勢；洼地監測點的土壤溫度（TD）表現出先減小后增加的趨勢，50 cm處出現均值最小值，80 cm 處出現變幅最小值。整體上，土壤溫度表現出坡面監測點高于洼地監測點，剖面上則表現相反。

表2 洼地和坡面監測點土壤溫度均值及變幅Tab.2 The mean value and amplitude of variation of soil temperature in depression and slope

4.2 土壤水分和溫度晝夜變化

由圖2可看出監測點土壤水分呈現持續穩定的狀態。由圖3可發現，20 cm 深土壤溫度呈現有規律的日變化和晝夜變化。氣溫最大值出現在16:30-17:00，為20.56 ℃，最小值出現在7:45-8:15，為27.41 ℃。在20 cm 深度，23:15-24:00TD達到最大值，為27.32 ℃，較氣溫滯后約7 h，12:30-13:15TD達到最小值，為26.26 ℃，較氣溫滯后5 h，整體呈現先減小后增加的趨勢，其晝夜變化趨勢與氣溫一致；23:30-24:00TS達到最大值，為27.76 ℃，較氣溫滯后約7 h，13:15-16:15TS達到最小值，為27.39 ℃，較氣溫滯后約8 h，整體呈現先增加，后減小再增加的趨勢，其晝夜變化趨勢與氣溫一致。在50 cm、80 cm 和110 cm 深度，00:00-01:00 和22:00-24:00TD和TS分別達到最小值及最大值，呈現逐漸增加的趨勢，無明顯的日變化和晝夜變化規律。

圖2 土壤水分日變化等值線剖面圖Fig.2 The contour map of diurnal variation of soil moisture

圖3 土壤溫度日變化等值線剖面圖Fig.3 The contour map of diurnal variation of soil temperature

4.3 土壤水分和溫度對降雨事件的響應

4.3.1 土壤水分對降雨事件的響應

降雨是巖溶峰叢洼地土壤水分補給的主要來源。研究區監測期間發生多次降雨事件，不同降雨條件下各深層土壤水分的響應特征存在一定差異，本次研究選取5場典型的不同降雨條件進行土壤水分動態變化研究。

由圖4 可以看出，降雨量為6.629 4 mm 的小降雨時，MD各層土壤水分均有較小幅度增長，其增幅分別為0.2%、0.5%、0.8%和0.5%，滯后時間分別為2.50 h、0.75 h、1.00 h和4.75 h；MS土壤水分未發生明顯的變化。可見小降雨的發生僅能使MD得到水分補給，且在80 cm 深度處土壤水分增長最明顯。

圖4 不同降雨條件下土壤水分變化圖Fig.4 The soil moisture variation under different rainfall conditions

當降雨量（14.02 mm）達到中雨時，MD和MS均發生了降雨響應現象。MD各層土壤水分的降雨響應現象明顯，各層水分增幅分別為0.3%、1%、1.2%和0.8%，滯后時間分別為1.25 h、0.25 h、1.00 h 和1.75 h；MS各層土壤水分僅發生了較小幅度增長，其增幅分別為0.3%、0.2%和0.3%，滯后時間分別為0.50 h、0.50 h 和0.75 h。MD水分增長率仍高于MS，且仍為80 cm深度處土壤水分增長最明顯。

在大雨事件（降雨量為47.98 mm）中，MD和MS均表現有明顯的降雨響應現象。MD各層土壤水分增幅分別為1.4%、3.4%、6%和6.4%，滯后時間分別為0.50 h、0 h、0.25 h 和0.25 h。MS各層土壤水分增幅分別為0.9%、15.3%和18.4%，滯后時間分別為0.25 h、0 h和0.50 h。在大雨事件中，MS深層土壤水分快速增長，且增幅遠高于MD。

降雨量越大時土壤水分的降雨響應現象越顯著。當降雨量（98.04 mm）達到暴雨級別時，MD各層土壤水分增幅分別為2.3%、3.2%、6%和6.8%，滯后時間分別為0.75 h、0.25 h、0.50 h 和0.75 h。MS各層土壤水分增幅分別為3.3%、15.8%和18.3%，滯后時間分別為0.50 h、0.50 h 和0.75 h。當降雨量達到中雨及以上時，MS深層土壤水分補給量顯著增加。

4.3.2 土壤溫度對降雨事件的響應

在不同降雨條件下，TD和TS土壤剖面溫度動態變化如圖5所示。在4種降雨事件中洼地和坡地監測點的土壤溫度均表現處相似的變化規律。

圖5 不同降雨條件土壤溫度變化圖Fig.5 The soil temperature variation under different rainfall conditions

由圖5可看出，小雨事件發生時，大氣溫度僅發生微小降低，隨后快速回升，TD和TS各深層土壤溫度均無明顯變化，但其最值的出現時間較無雨條件下最值出現時間有所提前，TD最大值出現時間提前2.25 h，最小值出現時間提前1.25 h。TS最大最小值出現時間均提前0.25 h。

中雨事件發生時，大氣溫度在降雨發生1.5 h 后發生急速下降趨勢，后隨降雨的停止，其變化逐漸恢復正常。TD最大值出現時間提前4.5 h，最小值出現時間提前5.0 h。TS最大值出現時間提前6.25 h，最小值出現時間滯后0.75 h。

由大雨-暴雨事件可看出，大降雨的發生使氣溫及土壤溫度均產生急劇下降。大雨情況下，在降雨初期TD和TS表層20 cm 土壤溫度發生小幅上升后快速下降，深層土壤溫度均呈現先快速上升，后緩慢下降恢復至正常趨勢。而暴雨情況下，降雨初期TD和TS表層20 cm 土壤溫度先小幅上升后快速下降的趨勢有所增強，而深層土壤溫度的快速上升趨勢有所減弱，而后的下降趨勢又有所增強。

5 討論

5.1 降雨變化對土壤溫度的影響機制

溫度日變化可直接地反映土壤一天的溫度變化趨勢。圖3表明，表層20 cm 深度土壤溫度受外界因素影響最明顯，深層土壤溫度隨土壤深度的增加其影響作用有所削弱[18,19]，因此深層土壤溫度因受外界因素影響逐漸減小而趨于相對穩定狀態，日變化和晝夜變化現象也逐漸不顯著。

由土壤溫度日變化曲線可發現，TD最值出現時間早于TS。這主要與監測點的植被覆蓋相關[20]，坡面監測點地表附近豐富的灌草植被形成“遮蔽效應”，使坡面土壤溫度的升高和降低受到抑制；而洼地監測點僅有少量低矮藤本覆蓋物，植被遮擋作用小，土壤溫度與大氣熱量交換迅速。而坡面土壤溫度均值高于洼地，則主要是由受坡度和接受太陽輻射差異所造成的逆溫結構[21,22]。

有關研究表明，降雨是導致土壤溫度變化的重要影響因素[23]。本研究中，由表層20 cm 深度土壤溫度在不同降雨條件下的變化可看出，隨降雨量的增大土壤溫度最值有所提前，但該條件僅存在中雨及以下降雨情況中。當降雨為小雨或中雨時，表層土壤溫度仍可見明顯的日變化和晝夜變化顯著，其最大值有所提前，TD最小值有所提前，而TS最小值滯后發生。產生這種現象的原因可能與兩個監測點的覆蓋物厚度不同有關。坡地監測點附近的林木和灌木及其枯枝落葉為該點土壤溫度提供了天然的保溫層，其阻止土壤熱量散失的能力遠高于耕地[14,24]。當降雨為大雨或暴雨時，表層土壤溫度無明顯的日變化和晝夜變化特征，整體呈現先上升后緩慢下降的趨勢。對比洼地和坡面監測點土壤溫度變化可知，洼地深層土壤溫度對降雨的響應相對坡面顯著，坡度及地表植被抑制了坡面土壤對氣溫與降雨的響應，而洼地平坦的地勢及裸露地表則增加了氣溫與降雨和土壤的物質能量交換速率。

5.2 降雨變化對土壤水分的影響機制

變異系數可直觀地反映土壤水分的變化程度，進而反映降雨、蒸散發、地形和土地利用等對土壤水分的影響程度[25-27]。變異系數值越高，說明土壤水分受降雨因素的影響大，其變化幅度大[28]。本研究表明，MS變異系數相對MD高，這表明坡面相比洼地更易受到外界因素的影響，因坡度影響坡面接受太陽輻射時長較洼地長，其地表的蒸散發作用更為強烈。在剖面上MS和MD均表現為隨土層深度增加，其變異系數逐漸增大，這可能是由于巖溶區土下巖石裂隙、孔隙及管道等十分發育，使土-巖界面的水分滲透性增強，這與范新瑞等[23]對黔中石漠化地區土壤水分分布研究結果一致。

洼地監測點土地利用為耕地，主要種植火龍果，需定時進行施肥及除草翻耕，因此在該監測點0～50 cm 土壤層中土壤孔隙多，土壤水分受外界影響因素大，50～110 cm 土壤層土壤結構逐漸緊實，孔隙減少，土壤滲透能力下降，使整個剖面水分呈現先增大后減小的趨勢。這與馬驥、馬婧怡等[16,26]的研究結果一致。坡面監測點土地利用為退耕還林地，主要生長有喬木、灌木和草本植物，根系豐富且分布范圍深，80 cm 處仍見有根系存在，但在80 cm 處土層與基巖接觸，處于土-巖界面，根系的存在及基巖面孔隙裂隙的增多，使得該剖面上水分整體呈現逐漸減少的趨勢，這與韓新生等[29]研究結果相似。史君怡等[30]在不同土地利用方式下退耕還林地土壤水分研究中發現，退耕還林地在不同植被恢復類型下，土壤水分均有不同程度的減少，且有隨著坡度減小，降雨與土壤水分轉換率增大的趨勢[31,32]，這與本研究中洼地監測點土壤水分均值相對坡面監測點土壤水分均值低的結論相一致。

降雨是巖溶區植被生存和發育的主要水分補給來源，降雨量的大小是影響深層土壤水分補給的決定性因素[33]。在不同降雨條件下，MD各層土壤水分均能夠得有有效補給量，且表層20 cm 深度土壤水分補給量較其他深層土壤水分補給量小。火龍果的根系主要分布在土壤淺層20 cm 范圍，是其主要的耗水區域，因此降雨后土壤有效補給量增長緩慢。當發生大降雨時，深層土壤會快速進行水分補給并達到蓄滿狀態，因此在大雨和暴雨條件下，深層土壤水分增長變緩甚至持續不變。小雨的發生未能使坡地土壤水分得到水分補給，在中雨及以上降雨事件中，MS土壤剖面水分補給量隨降雨量的增大而增大，表層20 cm 土壤水分補給量遠小于深層土壤水分補給量。造成這種現象的原因除根系分布情況外，坡度也是其重要的影響因素[34]。大降雨的發生會促使地表徑流的發生，使地表徑流大于地下滲流[35]，從而導致表層土壤水分補給量受限。

5.3 峰叢洼地區土壤溫度和水分耦合關系分析

溫度的改變決定水分的相變，水分的相變又反作用溫度的變化[36]。表3可以看出，不同降雨條件下土壤溫度和水分的相關關系存在顯著的差異性。小雨時，MD和TD在深層呈負相關關系。這是因為小降雨的發生僅能使少量水分補給量進入深層土壤，而深層土壤溫度遇到外界水分補給時會立即釋放熱量，從而進一步加快土壤中水分的入滲和蒸發，水分相變的同時又會釋放熱量，使得溫度的損失量遠低于水分的補給量，因此表現出兩者呈相反的趨勢[37]。隨著降雨量的增大，各層土壤水分和溫度呈現正相關關系。由此可說明降雨量的變化對土壤溫度和水分的相互作用關系存在一個閾值[38]，同時也說明較大降雨量可能起到土壤溫度釋放熱量的減弱。MS和TS在暴雨時僅在深層呈負相關關系，在小雨-中雨-大雨條件下呈正相關關系。造成洼地和坡地相關性不一致的原因可能是地表覆蓋物的不同。地表覆蓋物的增加可使土壤溫度有所提升[39]，降雨的增加雖在一定程度上會降低土壤溫度，但因覆蓋物的存在削弱了溫度的熱傳導及熱擴散作用，使得土壤溫度和水分間關系呈現一種正向趨勢。