中國(guó)西南喀斯特土壤水分特征研究進(jìn)展

王家文，周 躍，肖本秀，李江蘇

(1.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650093;2.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南昆明650092;3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101)

中國(guó)西南喀斯特區(qū)是全球面積最大［1］的喀斯特區(qū)的核心區(qū)，也是喀斯特發(fā)育十分獨(dú)特、生態(tài)環(huán)境十分脆弱［2－3］、環(huán)境退化問(wèn)題最為突出［4］的地區(qū)?？λ固赝寥浪旨仁菐r溶作用的驅(qū)動(dòng)力和巖溶植被的生命之泉，又是土壤流失的作用因子，更是喀斯特系統(tǒng)中表層水體的重要儲(chǔ)存庫(kù)，對(duì)巖溶區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。因此，掌握喀斯特土壤水分規(guī)律既是認(rèn)識(shí)巖溶系統(tǒng)的必然要求，也是我國(guó)南方生態(tài)環(huán)境建設(shè)乃至巖溶科學(xué)發(fā)展的必然要求。

20世紀(jì)末以來(lái)，不同學(xué)者對(duì)我國(guó)南方喀斯特土壤水分做了很多研究工作，取得了大量成果。然而，由于傾向于局部的研究，缺乏宏觀和系統(tǒng)的探討而進(jìn)展緩慢。從宏觀和系統(tǒng)的角度，結(jié)合自然地理環(huán)境特點(diǎn)，在現(xiàn)有研究成果中總結(jié)中國(guó)南方喀斯特土壤水分的一般規(guī)律，找出研究中的不足和進(jìn)一步研究的方向，既是科學(xué)認(rèn)識(shí)喀斯特土壤水分規(guī)律的必要環(huán)節(jié)，又是現(xiàn)有研究成果深入挖掘的需要，對(duì)推動(dòng)喀斯特土壤水分研究具有不可替代的意義。

本文在綜合介紹現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了中國(guó)西南喀斯特土壤水分的基本規(guī)律，并結(jié)合中國(guó)西南喀斯特區(qū)的自然環(huán)境分析了土壤水分的主要影響因素及影響機(jī)制。最后，結(jié)合中國(guó)西南生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)的需要、學(xué)科發(fā)展及現(xiàn)有研究中的不足，提出了今后研究的重點(diǎn)。

1 喀斯特土壤水分含量

對(duì)中國(guó)西南喀斯特區(qū)海拔80～2400 m、年均降水1000～1500 mm、年均溫20℃左右，土地利用、土壤、時(shí)段不同的土壤表層含水量數(shù)據(jù)(據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn))統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果顯示:土壤含水量均值28.21%，中值27.69%，最小眾數(shù)23.00%，含水量在20%～40%的數(shù)據(jù)307個(gè)，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的80.8%;大致呈正態(tài)分布(見(jiàn)圖1)，偏度 1.43，峰度 7.85;差異大，極小值7.78%［5］，極大值 81.96%［6］，全距 74.18%，標(biāo)準(zhǔn)差8.27%，變異系數(shù)29.3%。從以上結(jié)果看，中國(guó)西南喀斯特土壤水分含量偏低(礦質(zhì)土壤為25%～60%［7］)。

圖1 中國(guó)西南喀斯特土壤表層水分含量頻數(shù)分布

由表1可以看出，不同土地利用類(lèi)型喀斯特土壤表層含水量差異明顯，植被狀況越好土壤水分含量就越高，具體有3個(gè)特點(diǎn):①土壤含水量森林＞灌叢＞草地(貴州長(zhǎng)順、廣西弄拉)，林地、灌叢、草地依次減?。?］。②天然林大于人工林(云南富源、廣西環(huán)江、重慶北碚)，牧草地較耕地高8.5%［9］等。③闊葉林大于針闊混交林(貴州開(kāi)陽(yáng))。

表1 不同土地利用類(lèi)型喀斯特土壤水分含量比較

2 喀斯特土壤水分的空間分異

2.1 水平分異

喀斯特土壤表層水分水平分布特征有［17－22］:①空間變異性。呈斑塊狀分布，含量中等時(shí)變程較大，極干旱或降雨后較小?？臻g異質(zhì)性隨水分含量增大而減小，上、下層較中間層變異大，變異系數(shù)隨土層深度增加而減小。②空間相關(guān)性。濕潤(rùn)時(shí)相關(guān)性中等，干旱時(shí)強(qiáng)烈;0—5 cm土層中等，其余各層強(qiáng)烈。③尺度效應(yīng)?？臻g結(jié)構(gòu)隨觀測(cè)尺度變化而變化，半變異函數(shù)、變程隨采樣間隔增大而增大。

2.2 垂直分異

喀斯特土壤含水量隨土層深度的增加而增加［6，8，16，22－26］，表土層水分含量低而波動(dòng)強(qiáng)烈［9，23］。但隨土層深度增加，土壤含水量增加幅度逐漸減?。?，24］。隨著靠近植物根系集中分布層，土壤含水量逐漸降低至一個(gè)較低點(diǎn)，然后再隨土壤深度增加而繼續(xù)增加［16］。土壤含水量在10 cm深處變動(dòng)強(qiáng)烈，在100和450 cm深處變動(dòng)不甚明顯［27］。耕地和牧草地土壤含水量隨土層加深先減小后增大［25］。

2.3 坡面分異

喀斯特土壤含水量的坡面分布規(guī)律不明顯，有坡頂高于坡腳的異常情況。在喀斯特坡面特定土地利用結(jié)構(gòu)下(上坡到下坡分布有自然坡地、退耕地和耕地)，表層土壤水分具有明顯的空間分布特征和變異規(guī)律，沿上坡向下有不斷減小的趨勢(shì)［8，28］，橫向變異程度較縱向強(qiáng)烈［28］。

3 喀斯特土壤水分的時(shí)序變化

3.1 季節(jié)變化

喀斯特土壤含水量具有低—升—高—降的季節(jié)變化過(guò)程。不同植被類(lèi)型變化趨勢(shì)不同，闊葉林土壤含水量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化為:秋季＞夏季＞春季＞冬季，針闊混交林為:夏季＞秋季＞春季＞冬季［16］。土壤含水量3—4月較大且上升，5—8月出現(xiàn)年內(nèi)最大與最小值，9—l1月下降，12—2月最低［27］。按土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，可劃分為冬季平穩(wěn)低墑期、春季及夏初蓄水期、夏季及秋初消耗期、秋季及冬初回升期4個(gè)階段(冬季低，春季、夏初高，夏季、秋初下降，秋季、冬初回升)［26］。

3.2 干濕季差異

受降雨差異大、土層淺薄儲(chǔ)水量低、地下水影響微弱、巖石助滲等的綜合作用，喀斯特土壤含水量干濕季差異顯著［14］。洼地濕潤(rùn)條件下均值23.13%，干旱時(shí)僅 8.14%［19］，旱季相當(dāng)于雨季的 54.68%［16］。旱季儲(chǔ)水量波動(dòng)較顯著［9］。

3.3 日變化

喀斯特土壤含水量每天不同時(shí)段差異明顯。從清晨到午后土壤含水量逐漸降低，14:00最低，以后逐漸回升，但與其他時(shí)段不同，在10:00—14:00，30 cm土層含水量反而低于20 cm土層［6］。

4 喀斯特土壤水分的影響因素

4.1 降 水

降水增加土壤水分，不同類(lèi)型、層次的土壤響應(yīng)時(shí)間和幅度不同。降雨后，0—15 cm土層土壤含水量從地表向下遞減，雨后數(shù)日遞增［5］。耕地采樣前3天、牧草地采樣前6天的降水對(duì)儲(chǔ)水量仍有影響［9］。坡地土壤含水量受降水影響明顯［14］。表層含水量在雨后1天顯著增加，底層在6～8天最高，撂荒地0—30 cm土層雨后3天最大［23］。降水對(duì)下層影響持續(xù)4天以上［24］。柑橘園土壤含水量與月降雨量呈正相關(guān)［29］。

4.2 土 壤

土壤水分特性決定其調(diào)蓄能力進(jìn)而影響土壤含水量。土層較厚時(shí)含水率高、淺薄時(shí)偏低，黃泥土比石灰土高［8］，土壤物理性質(zhì)反映土壤持水和保水能力［11］，不同密度、孔隙度土壤的持水量及穩(wěn)滲速率差異大［16］，石灰土保水能力差［30］，不同厚度石灰土同一層次土壤水庫(kù)容量差異較大［31］等結(jié)論，說(shuō)明土壤性質(zhì)是喀斯特土壤含水量的重要決定因素。

4.3 植 被

植被有調(diào)蓄水分的作用，不同植被土壤含水量不同(表1)。林下草被對(duì)土壤水分起重要作用［32］。①不同植被耗水狀況不同。常綠樹(shù)種耗水量春季＞夏季＞秋季＞冬季，落葉樹(shù)種耗水量夏季＞春季＞秋季＞冬季［33］。②不同植被土壤持水性能不同。林地土壤田間持水量是草地的2倍［9］，灌叢土壤有明顯的層間蓄補(bǔ)水能力［13］，有效水含量灌草坡 ＞撂荒地 ＞坡耕地［14］。次生林、灌草叢、耕地土壤的田間持水量、毛管含水量有較大差異［34］。③不同植被土壤水分變化不同。灌叢和草地保水能力強(qiáng)、變化幅度小［25］。降雨過(guò)后水分遞減率，玉米地＞灌叢地＞草地［23］。另外，土地利用的改變會(huì)改變土壤理化性質(zhì)［35－36］從而影響土壤水分性能。

4.4 喀斯特小生境

喀斯特小生境對(duì)土壤水分的影響表現(xiàn)在3個(gè)方面:①不同小生境土壤水分含量及其變化不同。石溝、土面、石槽一年中高低墑期、水分脅迫程度、持續(xù)時(shí)間不同［5］。②巖石影響土壤水分運(yùn)移。土壤碎石對(duì)穩(wěn)定入滲率和近似飽和導(dǎo)水率有較大影響［37］。巖石下部土壤含水率較上部低(巖石上部土層淺薄時(shí)偏低)，土壤與巖塊接觸區(qū)土壤含水量較高［38］。③改變小生境可以改變土壤水分性能。覆石可提高土壤持水性能［39］。土壤水分消耗與覆蓋物及覆蓋程度有關(guān)［40］。

4.5 地 貌

一般而言，坡度越陡水分越容易流失，土壤含水量就越低。由于重力的作用，山頂水分含量低于山腳。然而在西南喀斯特區(qū)，受其他因素的影響，現(xiàn)有研究中存在看似矛盾的結(jié)論。土壤含水量隨坡度增加而減小［7］，植被類(lèi)型相對(duì)一致的條件下，坡位的影響較小［12］，同一坡面不同坡位水分差異不顯著［26］。以上結(jié)論表明喀斯特土壤水分是多因素綜合影響的結(jié)果。

總的說(shuō)來(lái)，喀斯特土壤水分是降水、土壤、小生境(巖－土格局、巖石裂隙等)等自然因素及人類(lèi)活動(dòng)互相影響(圖2虛線)，通過(guò)補(bǔ)給、消耗、調(diào)蓄3種方式綜合作用的結(jié)果(圖2實(shí)線)，任一因素的變化都會(huì)引起相關(guān)因素的相應(yīng)變化而最終引起土壤水分含量和時(shí)空格局的變化。

其中，巖－土格局、巖石裂隙等反映的小生境是喀斯特土壤水分區(qū)別于其他生境類(lèi)型土壤水分的重要影響因素。如坡面分布的無(wú)規(guī)律性，其主要的影響因素就是土壤底部巖石裂隙的差異。裂隙大，則水分滲入巖體，地下流失大，土壤水分含量就低;沒(méi)有裂隙，則水分的地下?lián)p失就小，水分含量就高。土壤地下裂隙的差異就導(dǎo)致了坡頂水分高于坡腳的異常現(xiàn)象。出露或土壤中的巖石阻擋了相鄰區(qū)域土壤水分的運(yùn)移，則是造成喀斯特土壤水分水平差異較大的原因。

圖2 喀斯特土壤水分主要影響因素作用機(jī)理

5 存在問(wèn)題和今后的研究重點(diǎn)

從已發(fā)表的文獻(xiàn)看，中國(guó)西南喀斯特土壤水分研究存在的問(wèn)題有:①研究?jī)?nèi)容不夠全面。側(cè)重研究喀斯特土壤水分的含量和時(shí)空格局，缺乏土壤水分理化性質(zhì)等方面的研究。②土壤類(lèi)型和測(cè)試方法單一。土壤類(lèi)型以石灰土為主，占78.26%，測(cè)試方法以烘干法為主，占91.3%。③研究地域過(guò)于集中。主要集中在廣西(60%)和貴州(32%)，其中對(duì)古周村的研究占廣西的86.7%，而對(duì)土地利用持續(xù)能力較低［41］的滇東高原喀斯特區(qū)的研究?jī)H占4%。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外土壤水分研究進(jìn)展［42］、中國(guó)西南喀斯特生態(tài)系統(tǒng)治理與恢復(fù)的需求及現(xiàn)有研究的不足，我們認(rèn)為今后的研究重點(diǎn)是:①喀斯特土壤水分的理化性質(zhì)。土壤的最大持水量、最小持水量、田間持水量、入滲率等水分性能直接關(guān)系到水分的保持、運(yùn)移及利用，是喀斯特生態(tài)恢復(fù)工程的重要依據(jù)。土壤水分的化學(xué)性質(zhì)則直接關(guān)系到生態(tài)安全、水資源質(zhì)量等，也是喀斯特土壤水分研究中不可或缺的重要部分。②喀斯特土壤儲(chǔ)水庫(kù)的動(dòng)態(tài)特征、適度水分和保排水工程技術(shù)。土壤是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中重要而具有直接效用的儲(chǔ)水庫(kù)，研究其水分儲(chǔ)量、動(dòng)態(tài)變化特征、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等是保護(hù)與恢復(fù)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。不同植物需水量不同，不同水分含量土壤抗蝕能力、溶蝕率［43］不同。該區(qū)土壤允許流失量?。?4］，濕季降雨成災(zāi)、干季嚴(yán)重缺水［45］。研究植物乃至生物系統(tǒng)不同階段、季節(jié)的適度需水量及其與喀斯特土壤水分格局的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而研究干季保水補(bǔ)水技術(shù)和濕季土壤無(wú)(微)流失排水技術(shù)，是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的急需技術(shù)。③對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)。全球氣候變化改變生態(tài)系統(tǒng)固有的自然過(guò)程［46］，引發(fā)的環(huán)境變化幅度大、范圍廣［47］，因此研究喀斯特土壤水分對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)是維護(hù)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)安全的需要。④加強(qiáng)滇東高原喀斯特區(qū)土壤水分的研究。滇東高原喀斯特區(qū)海拔高、氣候干暖、土層厚，土壤水分的補(bǔ)給、消耗和調(diào)蓄等有其自身特點(diǎn)，是喀斯特土壤水分研究的必要區(qū)域，而該區(qū)域的研究明顯較少，這就影響了對(duì)中國(guó)西南喀斯特土壤水分規(guī)律認(rèn)識(shí)的科學(xué)性。另外，在研究方法上，要充分應(yīng)用現(xiàn)代化測(cè)試手段，以快速、準(zhǔn)確地獲取大量所需信息，滿足研究需求。

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