西南特大干旱條件下貴州西部山地土壤含水量變化研究

陳 莉，蔡雄飛，王 濟，王志瑞

(1.古藺縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，四川 古藺 613000；2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001)

土壤水是土壤的重要組成部分，是作物吸水的主要來源，也是自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)， 通常用土壤含水量來表征土壤水分狀況[1]。土壤水分狀況及其時空變化是直接影響地表生物多樣性和生物量的重要因素之一，長期以來受到眾多學(xué)者的關(guān)注[2-9]。在我國，自20世紀70年代以來，對土壤水分及其空間變異的定量研究逐漸成為廣受關(guān)注的一個熱點，分形和分維等理論也陸續(xù)被引入土壤水分的研究中[3]。近10年來，對不同地表覆被類型、植被恢復(fù)模式，以及耕作模式條件下土壤含水量的變化及應(yīng)對措施等方面的研究也取得了一些成果[4-6,9]。

地處我國西南喀斯特地貌分布區(qū)，地表、地下水系發(fā)育，水循環(huán)形成一種特殊的格局：大氣降水很難在地表存留，經(jīng)陡坡、巖石裂隙和落水洞轉(zhuǎn)入地下暗河，或者流動在深切的峽谷之中，形成“土在上水在下”的分離格局，難以被植被利用[10]。這種水文格局極易使地面干旱缺水成災(zāi)，所以貴州素有“10天不下雨即干旱”的說法。尤其是2009年10月—2010年4月，我國西南地區(qū)的廣西、重慶、四川、貴州、云南五省(自治區(qū)、直轄市)遭受了秋冬春三季連旱的西南特大干旱災(zāi)害。截至2010年4月9日，耕地受旱面積636.87萬hm2，作物受旱501.07萬hm2，有2 019.9萬人、1 348萬頭大牲畜因旱飲水困難，云南大部、貴州西部、廣西西北部均達到特大干旱等級[11]。然而針對這種極端干旱條件下土壤含水量的研究報道甚少。我們選取本次受災(zāi)最為嚴重的區(qū)域——貴州西部盤縣為研究區(qū)域，系統(tǒng)研究了本次特大干旱災(zāi)害條件下區(qū)域內(nèi)不同地表覆被、地貌部位、土壤深度的土壤含水量及其變化規(guī)律，旨在為該區(qū)域干旱災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)及相關(guān)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州省盤縣(東經(jīng)104°17′46″—104°57′46″、北緯25°19′36″—26°17′36″)地處珠江上游南北盤江發(fā)源地、云南高原向黔中高原過渡的斜坡部位、廣西丘陵與黔西北高原之間的過渡地帶。地勢的間隙抬升和南北盤江上游支流的強烈切割，形成坡陡谷深、地面破碎的高原地貌。全縣總面積4 056 km2，其中山地占82.4%、丘陵占9.22%、壩地占2.43%；30°以上坡地占全縣總面積的55%，巖溶面積2 635．98 km2，是貴州喀斯特面積、石漠化面積較大，石漠化程度最嚴重的幾個縣份之一[12-13]。

采樣區(qū)選擇在盤縣平關(guān)鎮(zhèn)南部冷水溝村，具體點位見表1。平關(guān)鎮(zhèn)位于盤縣西部，距盤縣縣城(紅果鎮(zhèn))約15 km，總面積114 km2，耕地面積9.92 km2，水田1.18 km2。平關(guān)鎮(zhèn)東接火鋪鎮(zhèn)，西南、北、西分別與云南省富源縣大河鎮(zhèn)、中安鎮(zhèn)、后所鎮(zhèn)毗鄰，素有“盤縣西大門”之稱，交通便利，G60滬昆高速公路、320國道和2208鐵路線貫穿全境。屬巖溶化高中山，海拔1 836—2 663.7 m，相對高差300～500 m，坡度多在30°以上。境內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，年均氣溫13.3 ℃，年均降水量1 172 mm，無霜期236 d。水資源豐富，南盤江二級支流雨南河發(fā)源于平關(guān)鎮(zhèn)石腦的仙人墳，呈南北向貫穿平關(guān)鎮(zhèn)[12]。

表1 采樣點概況

1.2 研究方法

研究區(qū)域內(nèi)的土地利用類型主要是耕地和林地，依據(jù)研究區(qū)域內(nèi)地表覆被特點(旱地和林地)，選取了具有代表性的喬木林地、灌木林地和耕地(主要是旱地)3種土地覆被類型的自然坡面作為研究對象，對上述3種自然坡面不同坡位、不同土層深度的土壤進行采樣并分析含水量。采樣時間為2010年2月14日，每種地表覆被類型按地貌部位分下坡、中坡和上坡，共計9個采樣點。在每個樣點開挖深度≥60 cm的土壤剖面，按照土層深度0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm分6層采樣(表1)。因為氣溫較高，為減小由水分蒸發(fā)而引起的誤差，采樣時攜帶電子天平(精度0.01 g)，對分層采取的土樣及時稱量并記錄，再將土樣帶回室內(nèi)分析測試。本研究所有含水量均為質(zhì)量含水量，所有土樣在貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院自然地理實驗室完成分析，土壤含水量采用烘干法(溫度105 ℃，時間8～10 h)測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面含水量變化特征與分析

圖1是喬木林地自然坡面(陰坡)不同坡位、不同土層深度土壤含水量變化圖?？傮w而言，從表層向下，土壤含水量呈增大趨勢。表層土壤含水量最小，不同坡位變化范圍也較小，在20%～24%之間，平均22.3%。隨著土層深度增加，中坡和上坡的土壤含水量變化趨勢和變化量差異較小，而下坡與中上坡之間的變化量相差較大。即除0—10 cm的表層外，以下10—60 cm各層土壤的含水量均表現(xiàn)為下坡大于中上坡，最大相差27.43百分點。出現(xiàn)這種變化差異的主要原因有兩個：首先是土壤厚度，同是棕色石灰土，現(xiàn)場考察及取樣表明下坡土壤厚度最大，A層和B層的平均厚度大于80 cm，而中坡和上坡的土壤厚度則逐漸變薄，其保持土壤水分的能力也逐漸降低；其次是植被覆蓋類型及蓋度存在一定差異，下坡為針闊混交林，植被蓋度較高，土壤表層有明顯的枯落物層，中坡到上坡植被蓋度有所減小，上坡以針葉林為主，沒有明顯的枯落物層。地上植被，尤其是灌木和喬木具有涵養(yǎng)水源的功能，加之地表枯落物保持水分、減小土壤水分蒸發(fā)等作用，使得海拔較低的、植被蓋度大(枯落物層較厚)的土壤不同深度的含水量均較高。

圖1 喬木林地不同坡位土壤剖面含水量變化

圖2是灌木林地自然坡面(陽坡)不同坡位、不同土層深度土壤含水量變化圖。灌木林地不同土層深度土壤含水量的變化與林地相似，即表層土壤含水量最低，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸增大。不同坡位土壤含水量變化趨勢一致，且土壤表層到40 cm之間相同土層深度土壤含水量不同坡位之間差異不大。如灌木林的下坡、中坡和上坡位，表層0—10 cm土壤含水量在16.43%～21.17%之間，10—20 cm土壤含水量在21.46%～23.95%之間，20—30 cm土壤含水量在25.30%～28.09%之間，30—40 cm土壤含水量在29.77%～34.52%之間，變化量均小于5百分點。當土層深度增大到40—60 cm時，不同坡位的相同土層深度的土壤含水量差異逐漸增大。綜合分析認為，這是因為取樣區(qū)的土層厚度除中坡位稍厚外，下坡和上坡土層厚度相當，在這樣的條件下持續(xù)的高溫天氣使得在一定的土層深度以內(nèi)土壤含水量已經(jīng)減小到了極限，所以不同坡位相同土層深度的土壤含水量差異較小。

圖2 灌木林地不同坡位土壤剖面含水量變化

圖3是耕地坡面(陽坡)不同坡位、不同土層深度土壤含水量變化圖。與喬木林地和灌木林地類似，耕地不同坡位的土壤含水量也隨著土層深度的增加呈增大的變化趨勢，但不同坡位相同土層深度的土壤含水量差異較大，下坡位最小，中上坡除10—20 cm之外差異不大。下坡樣點位于居民點附近，因持續(xù)的高溫干旱，田面的龜裂非常明顯，表層土壤呈塊狀結(jié)構(gòu)，比較板結(jié)，而中、上坡樣地土壤結(jié)構(gòu)性要優(yōu)于下坡。

圖3 耕地不同坡位土壤剖面含水量變化

以上分析表明，特大干旱條件下喬木林地、灌木林地和耕地不同坡位的土壤含水量均隨土層深度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。土壤含水量與土層深度的相關(guān)性分析表明：灌木林地和耕地土壤含水量與土層深度均呈線性相關(guān)，相關(guān)性較好(圖4—6)，相關(guān)系數(shù)分別達到0.83和0.69，喬木林地相關(guān)性稍差。而多數(shù)研究表明，在常規(guī)天氣條件下，隨著土層深度的增加，土壤含水量呈現(xiàn)逐漸減小(豐水季)或者基本不變的趨勢[3-4,6,14-15]。這說明持續(xù)高溫干旱的極端天氣影響了該區(qū)域土壤水分條件及其分布狀況。其他區(qū)域的研究(在極端干旱干擾下)也呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律[16]。2010年的西南特大干旱，從2009年10月—2010年4月近半年持續(xù)高溫干旱，使得土壤尤其是表層土壤的含水量下降到了極限，在土壤厚度、覆蓋情況相近時，其含水量也非常接近，微地形對土壤含水量的影響程度也相應(yīng)下降。

圖4 喬木林地土壤含水量與深度的相關(guān)性

圖5 灌木林地土壤含水量與深度的相關(guān)性

圖6 耕地土壤含水量與深度的相關(guān)性

2.2 不同地表覆被類型的土壤含水量差異

對于同一種地表覆被類型而言，喬木林地的下坡與中上坡相同土層深度的土壤含水量差異較大，灌木林地和耕地(地表作物為蠶豆和小麥)不同坡位相同土層深度的土壤含水量差異不大。為了對比分析不同地表覆被類型的土壤含水量差異，分別將喬木林地、灌木林地和耕地不同坡位的0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm土壤含水量計算平均值，則喬木林地分別為22.31%、28.95%、31.90%、36.19%、38.72%、45.10%，灌木林地分別為18.76%、22.66%、26.62%、32.02%、35.45%、40.79%，耕地分別為11.12%、17.42%、19.31%、22.36%、23.97%、24.01%。從地表向下，喬木林地與灌木林地各層土壤含水量之間的差值依次為3.55、6.30、5.28、4.17、3.28、4.31百分點；喬木林地與耕地各層土壤含水量之間的差值依次為11.19、11.53、12.58、13.82、14.75、21.08百分點；灌木林地與耕地各層土壤含水量之間的差值依次為7.64、5.24、7.30、9.65、11.47、16.77百分點。這表明喬木林地和灌木林地各層土壤含水量的差異略小，具有較高的保持土壤水分和抵抗極端干旱的能力，其中以喬木林地最強；耕地各層土壤含水量與喬木林地和灌木林地相差較大，土壤保持水分和抵抗極端干旱的能力最差。在這種極端干旱條件下，不同地表覆被類型的土壤含水量表現(xiàn)為：喬木林地>灌木林地>耕地。喬木林地地表有喬木層、灌木層和地表枯枝落葉層的覆蓋，可以降低地表和土壤不同深度的氣溫，減小土壤水分的蒸發(fā)，具有較強的抵抗短期或長期的高溫干旱氣候干擾的能力；與喬木林地相比，灌木林地地上植被覆蓋度或量均較少，所以其不同土層深度土壤含水量均小于喬木林地；耕地因為地表植被主要是農(nóng)作物，覆蓋度較低，且沒有枯枝落葉層，所以在相同的極端氣候條件下其土壤含水量最小，尤其是表層0—10 cm土壤含水量還不足喬木林地的50%。

3 結(jié) 論

通過對研究區(qū)域內(nèi)喬木林地、灌木林地和耕地自然坡面的不同坡位土壤剖面土壤含水量進行分層采樣分析，得出以下結(jié)論：

(1)從土壤表層向下到60 cm深度，不同地表覆被、不同坡位的土壤含水量均呈逐漸增大的變化趨勢，土壤含水量與土層深度呈線性相關(guān)關(guān)系。

(2)不同地表覆被類型的土壤含水量大小表現(xiàn)為：喬木林地>灌木林地>耕地。喬木林地與灌木林地相應(yīng)各層土壤含水量差值在3.55～6.30百分點之間；灌木林地與耕地相應(yīng)各層土壤含水量差值在5.24～16.77百分點；喬木林地與耕地相應(yīng)各層土壤含水量差值在11.19～21.08百分點。

(3)喬木林地的下坡與中上坡相應(yīng)土層深度的土壤含水量差異較大，灌木林地和耕地不同坡位相同土層深度的土壤含水量差異不大。土層厚度對不同坡位土壤含水量的影響較大。

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