西南巖溶地區(qū)土壤水分研究進(jìn)展

趙志猛　沈有信　朱習(xí)愛(ài)

摘要：巖溶地區(qū)土壤水分對(duì)植被生長(zhǎng)、恢復(fù)和土壤侵蝕過(guò)程有重要的調(diào)控作用，與退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、重建和演替息息相關(guān)。在介紹西南喀斯特生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行總結(jié)，系統(tǒng)闡述巖溶土壤水分監(jiān)測(cè)的常用技術(shù)手段、時(shí)空變異性、土壤水分特征，分析其主要影響因子及土壤水文過(guò)程，發(fā)現(xiàn)研究中的不足，提出下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)以巖石-土壤-植被系統(tǒng)為對(duì)象，深入研究三者之間的耦合關(guān)系，為喀斯特石漠化的恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖溶；土壤水分；時(shí)空變異；生態(tài)恢復(fù)；中國(guó)西南

中圖分類號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）19-3603-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.002

Abstract： Karst area is the typical ecological environment fragile area. Soil moisture has become a significant regulatory factor of regional soil erosion， vegetation growth and recovery process. It affects the ecological restoration， reconstruction and succession of degraded ecosystems， which have received people's great attention. Based on introducing the eco-geological environment background in karst areas of Southwest China， this paper outlined the measuring methods， time and space variety， soil water characteristics and its influence factors， and soil hydrological process. The main researches in the future are on the studies of coupling relationships between rock， soil， and vegetation. This provides theoretical basis for the rocky desertification control and rehabilitation.

Key words： karst area； soil moisture； spatial-temporal variation； ecological restoration； southwest China

喀斯特是世界上廣泛分布的一種地質(zhì)景觀類型，集中連片分布在北美東部、歐洲中南部和中國(guó)西南地區(qū)，占全球陸地面積的12%～15%[1-3]。按碳酸鹽巖出露面積計(jì)，中國(guó)的巖溶面積為90.7×104 km2，其中西南部約占總面積的50%（約為50.0×104 km2），是世界上喀斯特面積分布最廣、最集中、發(fā)育最強(qiáng)烈的地區(qū)[1，4]，由于其成土速率低、土層淺薄、石—土間斷分布、水分養(yǎng)分易流失，成為典型的生態(tài)脆弱區(qū)[5]。自20世紀(jì)以來(lái)，西南喀斯特地區(qū)人口快速增長(zhǎng)，人地矛盾不斷激化，導(dǎo)致大面積森林被破壞，土壤侵蝕退化嚴(yán)重、水土流失加劇，形成基巖裸露的石漠化景觀[6，7]。脆弱的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景加上不合理的土地利用方式，造成的喀斯特石漠化已經(jīng)成為當(dāng)今備受關(guān)注的話題，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，成為制約區(qū)域生態(tài)建設(shè)中急需解決的問(wèn)題[8，9]。

水循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)研究中的重要內(nèi)容[10]，水以溶液的形式向植物輸送著養(yǎng)分，幾乎是所有生命存在的基礎(chǔ)[3，11]?？λ固赝寥浪植粌H是巖溶植被的生命線，還是巖溶作用的驅(qū)動(dòng)力和土壤流失的重要影響因子，更是表層水體的重要儲(chǔ)存庫(kù)，對(duì)調(diào)控土壤養(yǎng)分及水流量有重要作用，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)展意義重大。水分運(yùn)移是喀斯特石漠化的驅(qū)動(dòng)力[12]，巖溶石漠化的發(fā)展受到土壤對(duì)水分的保持和傳導(dǎo)能力的影響，有效的土壤保水、導(dǎo)水能力是恢復(fù)與重建石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)[13]。因此，掌握喀斯特土壤水分變化規(guī)律既是認(rèn)識(shí)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是中國(guó)南方生態(tài)建設(shè)乃至巖溶科學(xué)發(fā)展的必然要求。

西南喀斯特地區(qū)降雨相對(duì)充沛，但由于植被覆蓋率下降，土壤儲(chǔ)水能力有限以及巖石滲漏性強(qiáng)等因素，植物仍然遭受著長(zhǎng)時(shí)間的干旱脅迫，干季尤為嚴(yán)重。植被恢復(fù)與重建的最大難題還是土壤水分的虧缺。目前，針對(duì)中國(guó)西南喀斯特地區(qū)土壤水分的監(jiān)測(cè)方法、運(yùn)移規(guī)律、變化動(dòng)態(tài)、空間異質(zhì)性、不同生境中含水量及其主要影響因素等研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了有益的探索和嘗試，取得了大量成果[14-19]。然而，由于傾向于局部的研究，缺乏整體和系統(tǒng)的探討而進(jìn)展緩慢，尚有諸多領(lǐng)域需要進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究[20]。因此，本研究從宏觀和系統(tǒng)的角度，在介紹西南喀斯特生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行總結(jié)，闡述土壤水分監(jiān)測(cè)的常用技術(shù)手段，找出中國(guó)南方喀斯特地區(qū)土壤水分含量的一般規(guī)律，分析土壤水分的主要影響因子及喀斯特土壤水文過(guò)程，發(fā)現(xiàn)研究中的不足和下一步的研究方向，為該地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)、環(huán)境保護(hù)及增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)安全保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 喀斯特生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景

地質(zhì)、地形、氣候、水文和植被條件不同，以及綜合這些條件而產(chǎn)生的直接影響巖溶作用方式（溶蝕和沉積）和強(qiáng)度的地球化學(xué)背景條件的差別，造成各地巖溶發(fā)育程度及巖溶形態(tài)組合特征顯著不同[1，21]。喀斯特地區(qū)分布最廣的石灰?guī)r和白云巖在巖石風(fēng)化作用方式、巖溶形態(tài)、土層厚度、裂隙發(fā)育程度及風(fēng)化殼持水性等方面都有較大差異[22]，這些差異造就了峰叢洼地、石林巖丘、谷地、嶺脊和盆地等類型多樣的喀斯特地貌類型[23]。喀斯特環(huán)境系統(tǒng)具有一系列特點(diǎn)：可溶巖形成多空隙（裂隙、洞穴）介質(zhì)，有利于物質(zhì)、能量的遷移和變換；自然土層“瘦、粘、薄”、生物生產(chǎn)量低；石—土間斷分布；雨水、地表水、地下水相互轉(zhuǎn)化明顯，地下水文網(wǎng)發(fā)達(dá)；植被具有旱生性、巖生性和喜鈣性；低環(huán)境容量及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)變化的高度靈敏性等[24-27]，加上長(zhǎng)期不合理的過(guò)度墾殖和開(kāi)發(fā)利用，形成了無(wú)土覆蓋、巖石裸露的石漠化景觀[28，29]。endprint

西南巖溶地區(qū)處于濕潤(rùn)溫暖的氣候區(qū)，受特殊地質(zhì)、氣候等環(huán)境因素的綜合影響，碳酸鹽巖溶蝕作用強(qiáng)烈，形成典型的地上和地下雙層結(jié)構(gòu)，地表水容易沿巖溶裂隙和管道向下滲漏，表層土因含水量減少而土質(zhì)疏松，遇降雨極易流失；另外，上覆土壤填充溶蝕形成的孔隙和空間通道，造成土壤下陷堆積，使地表土壤被巖石分割，基巖逐漸裸露[30-33]，環(huán)境因子的利弊兼容性、水分虧缺的派生性和異質(zhì)性、環(huán)境的嚴(yán)酷性、脆弱性與多樣性和改造的艱難性是明顯的石漠化跡地特征[34]。不僅土壤養(yǎng)分、溶質(zhì)的溶解與轉(zhuǎn)移、微生物的活動(dòng)受土壤水分含量制約，土壤含水量還是土壤肥力評(píng)價(jià)的重要環(huán)境因素[35，36]。復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境背景對(duì)于土壤水分運(yùn)動(dòng)、時(shí)空異質(zhì)性及石漠化的演替具有重要影響。了解該地區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境，對(duì)進(jìn)一步利用和改善土壤水分狀況，探索石漠化形成背景、發(fā)生機(jī)理，指導(dǎo)生態(tài)恢復(fù)和重建有重要作用。

2 喀斯特土壤水分監(jiān)測(cè)

隨著水分監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷改進(jìn)，目前喀斯特土壤水分測(cè)定的方法大致分兩種[37]：一類是經(jīng)常變動(dòng)采樣點(diǎn)，如烘干法、微波法和遙感法等。烘干法最常用，簡(jiǎn)單易行，具有足夠的精度，但取樣時(shí)會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，不易深層取樣，不利于連續(xù)土壤水分測(cè)定；快速測(cè)定法（酒精燃燒法、紅外線法、爐烤法）是烘干法的一種，只是采用一些手段縮短土樣烘至恒重的時(shí)間[13，38]。微波法是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新的快速測(cè)定含水量的方法，其測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差較小，迅速、及時(shí)[39]。遙感法（Remote Sensing）是一種非接觸式、大面積、多時(shí)相的土壤水分監(jiān)測(cè)方法，適合區(qū)域尺度下土壤表層水分狀況的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)查，不適合田間尺度下深層土壤水分的監(jiān)測(cè)[40]。

另一類是固定點(diǎn)測(cè)定含水量，即將傳感器埋入土中的不同深度固定不變，或在土中打一測(cè)孔，用儀器在這一測(cè)孔中定期測(cè)定含水量，如中子法、TDR法、γ射線法、熱傳導(dǎo)法、負(fù)壓計(jì)法、儀器稱重法等[37]。中子水分測(cè)定儀測(cè)定土壤水分，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，并可定點(diǎn)快速連續(xù)監(jiān)測(cè)。但土壤物理性質(zhì)會(huì)影響結(jié)果的精確度，且?guī)r溶地區(qū)中子儀的標(biāo)定必須采用挖掘式取樣的野外標(biāo)定法，測(cè)定過(guò)程特殊[41]。時(shí)域反射儀法（TDR）垂直分辨率高，使用方便、測(cè)定快捷且精度高、有助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但TDR測(cè)定時(shí)測(cè)點(diǎn)要埋多個(gè)探頭，過(guò)程較繁瑣[40]。

喀斯特地區(qū)異質(zhì)性高，表現(xiàn)為小生境類型及其組合的多樣性和時(shí)空變化的無(wú)序性[42，43]。在對(duì)西南喀斯特土壤水分含量測(cè)定時(shí)，應(yīng)結(jié)合各種土壤水分測(cè)定方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，選擇適合的喀斯特土壤水分測(cè)定方法。例如，在一些土層相對(duì)較厚且連續(xù)性較好的洼地，可以采用中子儀、TDR等方法；在一些土層淺?。?0～30 cm）的峰叢坡地，土壤連續(xù)性較差，其水分測(cè)定一般用烘干法。陳洪松等[44]報(bào)道了以石灰?guī)r分布為主的喀斯特地區(qū)，土層連續(xù)且碎石含量少的土壤可采用針式TDR或烘干法測(cè)定；在以白云巖分布為主的喀斯特地區(qū)，淺薄土層常含碎石，土壤水分測(cè)定用挖坑取土的方法。

3 喀斯特土壤含水量及其影響因素

3.1 土壤含水量

喀斯特地表水源漏失，地下水難以開(kāi)采，灌溉用水嚴(yán)重缺乏[22]，一旦原有植被被破壞，自然和人工恢復(fù)不能在短期內(nèi)有效地增加生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性[45]。植被消失后，降雨對(duì)土壤的侵蝕加重，土壤的保水持水功能減退?？λ固赝寥婪植技捌浜康母邥r(shí)空異質(zhì)性，導(dǎo)致植物的分布和擴(kuò)散受到很大限制，大多數(shù)植物分布在水分、養(yǎng)分相對(duì)充足的石間斑塊土壤，或殘存于各種石坑、石溝、石縫等微生境中的腐殖土上[46，47]。盡管在多雨的石灰山季節(jié)性濕潤(rùn)林地區(qū)，植物在高溫少雨的旱季也頻繁地遭受著干旱脅迫[48]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)喀斯特地區(qū)水資源的研究主要集中在大尺度的水文地質(zhì)領(lǐng)域及表層巖溶帶，偏重對(duì)地下水的研究，對(duì)地表水、地下水轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié)——土壤水的研究較少，且大多是從土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其影響因素等層面展開(kāi)[13]?？傮w來(lái)看，西南喀斯特土壤水分含量偏低，礦質(zhì)土壤含水量為25%～60%。王家文等[49]對(duì)西南喀斯特區(qū)海拔80～2 400 m、年均降水1 000～1 500 mm、年均溫20 ℃左右，不同土地利用、不同時(shí)段和不同土壤表層含水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，土壤含水量在7.78%～81.96%的范圍內(nèi)，平均為28.21%，其中大多數(shù)（80.8%）土壤含水量在20%～40%之間，且隨月份、季節(jié)、深度和地點(diǎn)等的變化波動(dòng)較大。

3.1.1 時(shí)間動(dòng)態(tài)變化 從時(shí)序變化上看，喀斯特土壤含水量具有低-升-高-降的季節(jié)變化過(guò)程[49，50]，不同植被類型變化趨勢(shì)不同，闊葉林土壤含水量季節(jié)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[50]。土壤水分含量的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化可大致分為：春季及夏季儲(chǔ)水期、夏季及秋初耗水期、秋季及冬初回升期、冬季平穩(wěn)低墑期4個(gè)時(shí)段（總體為冬季低，春季、夏初高，夏季、秋初下降，秋季、冬初回升）[51]，且隨石漠化程度加深逐漸減少[52]。

就月份和干濕季的變化而言，土壤含水量在3～4月較大且上升，5～8月出現(xiàn)年內(nèi)最大與最小值，9～11月下降，12 月至下年2月最低，與月降雨量密切相關(guān)[53]。旱季和雨季之間土壤含水量差異顯著[41]，且旱季土壤含水量的波動(dòng)較雨季更大[54]。雨季濕潤(rùn)條件下洼地土壤含水量平均為23.13%，旱季時(shí)僅8.14%[16]。含水量日變化差異也較明顯，清晨到午后含水量逐漸降低，下午14：00最低，之后則逐漸回升，但與其他時(shí)段有差異，在10：00～14：00區(qū)間，30 cm土層含水量反而低于20 cm土層[55]。

3.1.2 空間變異性 喀斯特土壤含水量呈明顯的水平、垂直和坡面分異[56]。空間分布呈斑塊狀，含水量中等時(shí)變程較大，降雨后或特別干旱時(shí)較小，隨含水量增大，空間異質(zhì)性減小，上層和下層土壤含水量的變異比中間層大；雨季降雨充沛時(shí)，土壤含水量相關(guān)性中等，旱季時(shí)較強(qiáng)烈。另外含水量的空間結(jié)構(gòu)隨觀測(cè)尺度的變化而變化，半變異函數(shù)和變程隨采樣間隔增大而增大[16-19，57-59]。垂直層面上，土壤表層水量較低且變化劇烈[54]，隨土層深度的增加，土壤水分增加幅度逐漸減少，且波動(dòng)較小[60]，這與一般的耕地和牧草地土壤含水量變化不同。但在一些植物根系集中分布的土層，土壤含水量較低，離根系分布層越遠(yuǎn)，土壤含水量相對(duì)較高[50]。不同坡度之間，土壤水分的變化差異極為顯著，一般隨坡度的增大而減小，但分布規(guī)律不明顯，有坡腳低于坡頂?shù)漠惓Ｇ闆r，且坡度對(duì)土壤水分的影響集中于表層和次表層[14]。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、退耕坡地和耕地），表層土壤水分具有顯著的空間分布特征和變異規(guī)律，沿坡向下有不斷增加的趨勢(shì)，橫向變異程度比縱向強(qiáng)烈[61，62]。endprint

3.2 影響因素

土壤含水量通常用于表征土壤水分狀況[63]，喀斯特土壤貧瘠、輻射強(qiáng)烈、水文過(guò)程變化快，植被生長(zhǎng)過(guò)度依賴于生境條件，影響含水量的主要因素包括降雨、太陽(yáng)輻射、植被蒸散、地面蒸發(fā)等氣候因子，坡度、坡向等地形地貌因子，以及平均含水量、土壤厚度、植被類型、植被蓋度、土壤容重和孔隙度、有機(jī)質(zhì)等[41，44，50]。

3.2.1 降水 降水增加土壤水分，不同類型、層次的土壤對(duì)降雨的響應(yīng)幅度和時(shí)間不同，降雨后土壤含水量從表層到深層呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。降水對(duì)喀斯特耕地、牧草地的土壤含水量影響較小，而對(duì)坡地影響較大[64]。降雨后，0～15 cm土層土壤含水量隨深度增加而降低，雨后數(shù)日表層土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，含水量又減少，低于深層土壤水分。彭熙等[65]發(fā)現(xiàn)花江峽谷花椒林地0～20 cm土層水分年度動(dòng)態(tài)變化主要受溫度、降水和蒸發(fā)的影響；20～50 cm土層主要受作物蒸騰及深度的影響；深層土壤（>50 cm）水分較穩(wěn)定，波動(dòng)較小。土壤水分的季節(jié)動(dòng)態(tài)主要受溫度和降水雙重因素的影響，雨季降雨多，土壤水分主要受降水量的影響，旱季時(shí)則主要受溫度控制[66]。王思硯等[63]研究表明針對(duì)喀斯特洼地，其土壤含水量受降雨、蒸散及植被蒸騰等的綜合影響，土壤水分補(bǔ)給主要靠降雨量較大、歷時(shí)較長(zhǎng)和強(qiáng)度適中的降雨，暴雨和微雨對(duì)土壤水分影響較小[67]。

3.2.2 溫度 氣溫越高，植被和地表的蒸發(fā)就越強(qiáng)烈，土壤水分散失就越快。因此，溫度間接影響土壤水分的變化[63]。王玉娟等[66]對(duì)貴州典型喀斯特灌叢草坡土壤體積含水率與氣溫的相關(guān)分析表明，土壤水分隨氣溫的增加而降低，反之則升高，在非雨季，土壤水主要受氣溫和太陽(yáng)輻射影響。桂西北典型峰叢洼地土壤水分在氣溫較高、空氣濕度較低、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈的條件下，其耕作層和坡地土壤水分一般很低，而在持續(xù)低溫、空氣濕度高和輻射較弱時(shí)，土壤含水量變化較小[68]。

3.2.3 地形地貌 地形地貌通過(guò)影響其他因子間接對(duì)土壤含水量調(diào)控。坡度越大，坡頂水分由于受重力作用下移，導(dǎo)致坡腳土壤水分較高，有利于植物生長(zhǎng)[69]。然而不同坡度、坡向上面，植被類型各異，使山坡接受的太陽(yáng)輻射及潛在蒸發(fā)不同，同時(shí)坡上接受的降雨強(qiáng)度及土壤水分保留時(shí)間也不一樣，因此喀斯特土壤水分是多因素綜合作用的結(jié)果[49]。范新瑞[70]報(bào)道了喀斯特石漠化自然灌叢和退耕地的陽(yáng)坡輻射強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)，植物蒸騰與土壤蒸發(fā)大，陰坡土壤含水量明顯高于陽(yáng)坡。另外，降水在坡面上的再分配形成同一坡面不同位置的土壤水分差異。蘇玥等[71]對(duì)喀斯特石漠化區(qū)不同植被恢復(fù)模式下的土壤水分特征研究表明，由于中坡土壤被侵蝕到母質(zhì)，土壤顆粒大，緊實(shí)度高，不適合植被生長(zhǎng)，導(dǎo)致植被覆蓋率低于上坡和下坡，裸露土層較大，蓄水保水能力弱，導(dǎo)致中坡土壤含水量最低。但在植被類型相對(duì)一致的條件下，坡位的影響較小，同一坡面不同坡位的水分差異不顯著[51]。

3.2.4 植被類型和土地利用方式 喀斯特植被具有調(diào)蓄水分的作用，植被類型、蓋度、生長(zhǎng)狀況的差異會(huì)影響土壤含水量[69]。植物通過(guò)發(fā)達(dá)的根系保土持水、冠層降低太陽(yáng)輻射及凋落物抑制土壤蒸發(fā)等調(diào)控土壤水分[72，73]，喀斯特裸露區(qū)的土壤含水率明顯低于植被覆蓋區(qū)，且木豆林地、退耕地、自然灌叢地對(duì)土壤的保水持水能力依次增大[63]。云南石林喀斯特地區(qū)的石漠化、人工林和次生林生態(tài)系統(tǒng)的石冠腐殖土水分含量有顯著差異[47]。貴州典型喀斯特灌叢草坡地降雨后土壤含水量變化為草地<灌叢<玉米地[60]?？λ固赝莸赝寥浪趾看笮楣麍@地、撂荒地>牧草地>農(nóng)用地[54]。孫永麗等[69]研究發(fā)現(xiàn)貴陽(yáng)市白云區(qū)4種土地利用方式下植被蓋度對(duì)土壤水分影響顯著，表現(xiàn)為灌草地>林地>退耕還林地>耕地。

3.2.5 土壤理化性質(zhì) 土壤物理性質(zhì)反映土壤持水和保水能力[74]，土壤水分存在于土壤孔隙中，容重小、孔隙度大則表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)良好，能夠容納更多的水分，土壤含水量隨容重增大、孔隙度減少、有機(jī)質(zhì)減少而減小[52]，喀斯特石灰土保水能力整體較差[75]。厚土層較薄土層含水量高，黃泥土比石灰土高[54]。張繼光等[18]研究發(fā)現(xiàn)，西南喀斯特不同石漠化過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤飽和水含量、田間持水量及有效含水量成顯著線性相關(guān)，有機(jī)質(zhì)是土壤中的親水成分，不僅可以吸水保水，還能改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的持水能力，有機(jī)質(zhì)含量越高的土壤，其含水量也越高。在不同石漠化階段，喀斯特土壤中有機(jī)質(zhì)含量與土壤水分特征有密切關(guān)系[52]。

3.2.6 喀斯特小生境 喀斯特露石上形成了石溝、石縫和石坑等小生境，其光、熱、水條件不同[43]，導(dǎo)致各種微生境下的土壤分布及其理化性質(zhì)存在差異[76]，主要表現(xiàn)在含水量動(dòng)態(tài)、水分運(yùn)移和水分性能3個(gè)方面[49]。土面、石槽和石溝一年中的高低墑期、水分脅迫程度和持續(xù)時(shí)間不同[64]；土壤的穩(wěn)滲率和近似飽和導(dǎo)水率受土壤碎石含量的影響[77]，靠近巖塊下部的土壤含水量高于上部，且與巖石接觸區(qū)的土壤含水量較高[78]。Wang等[79]研究發(fā)現(xiàn)在喀斯特露石的存在，石間斑塊土壤獲得的再分配降水將等于或超過(guò)降雨量，從而增加土壤含水量。傅偉等[80]研究發(fā)現(xiàn)改變微生境可以改變土壤水分性能，覆石越多，土壤持水性能越強(qiáng)，土壤的水分消耗與覆蓋物及覆蓋程度密切相關(guān)。

4 喀斯特土壤水文運(yùn)動(dòng)

喀斯特水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和小生境類型的多樣性，導(dǎo)致其復(fù)雜的土壤水文過(guò)程，林地土壤和植被之間通過(guò)土壤孔隙、根系和枯枝落葉腐質(zhì)層之間的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)水分循環(huán)，且?guī)r溶石漠化恢復(fù)過(guò)程中土壤水文結(jié)構(gòu)功能是否得到改善是退化巖溶生態(tài)系統(tǒng)治理成功與否的關(guān)鍵問(wèn)題[81]。陳洪松等[20]通過(guò)對(duì)比得出大部分石灰土有效水含量相對(duì)偏低，土壤水分較難被植物吸收利用，植物更容易受干旱脅迫，給喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。理論上要建立符合喀斯特流域水文地質(zhì)特征的水文模型難度較大，張喜等[82]研究發(fā)現(xiàn)黔中山地喀斯特森林水文學(xué)過(guò)程與其他森林類型相比有共性、也有特異性。endprint

在具有地表地下雙層空間結(jié)構(gòu)的喀斯特山區(qū)，巖石滲漏性強(qiáng)，降雨入滲率高，流域的下墊面因素（土壤結(jié)構(gòu)、地形差異、地表覆被等）及人類活動(dòng)對(duì)降雨的分配、地面產(chǎn)流、入滲等有著重要的影響。地表之上，大面積的喀斯特露石表面對(duì)雨水匯集而使巖石與土壤表面溶蝕接觸區(qū)水分相對(duì)較高[79]；土壤淺薄且連續(xù)性差，碎石通過(guò)影響土壤孔隙度、水分運(yùn)移通道的彎曲程度和過(guò)水?dāng)嗝娣e來(lái)影響土壤水分入滲，有可能增加或減少入滲[83]，這與碎石含量、粒級(jí)、土石體積比等有關(guān)。土壤表面覆蓋碎石，一般能防止土壤孔隙堵塞而增加入滲，當(dāng)碎石埋在土中時(shí)，則會(huì)促進(jìn)結(jié)皮的形成，導(dǎo)致入滲減少而徑流增加[83]。土壤飽和導(dǎo)水率隨土壤深度的增加而減小，且與土壤碎石含量和坡度呈正相關(guān)關(guān)系[84]，坡位是影響土壤飽和導(dǎo)水率最重要的環(huán)境因素。李孝良等[85]則發(fā)現(xiàn)巖溶土壤質(zhì)地和土壤孔性是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素。黨宏宇[86]對(duì)桂西北喀斯特山區(qū)碎石對(duì)土壤水分入滲過(guò)程研究后發(fā)現(xiàn)，Kostiakov入滲模型與Philip方程都可以較好地描述含碎石土入滲量變化過(guò)程，但對(duì)于含土石隔層土壤，Kostiakov入滲模型模擬效果更好。

前人在巖溶喀斯特地區(qū)建立水文模型對(duì)巖溶地區(qū)土壤水文過(guò)程進(jìn)行研究，比較成功的有分布式水文—土壤—植被模型（DHSVM），基于計(jì)算單元內(nèi)土壤與裂隙雙重介質(zhì)體滲流原理，在達(dá)西流運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上引入立方定律描述裂隙水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以較好地模擬喀斯特土壤水文過(guò)程[87，88]。張志才等[89]對(duì)DHSVM模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了達(dá)西流、裂隙流與槽蓄流演算相結(jié)合的混合流演算模式，不僅能較好地模擬喀斯特流域陡漲、陡落的流量過(guò)程，還可以模擬土壤含水率、實(shí)際蒸散發(fā)與降雨、下墊面巖溶裂隙、植被覆蓋的響應(yīng)關(guān)系。張勇等[81]選用土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤根系密度、植被植株密度、林地樹(shù)干基部面積、土壤滲透率和土壤容重6個(gè)指標(biāo)構(gòu)建的土壤水文結(jié)構(gòu)功能模型基本適用于巖溶區(qū)不同恢復(fù)林地的土壤水文結(jié)構(gòu)功能的恢復(fù)評(píng)價(jià)。迄今為止，大部分的分布式流域水文模型主要是針對(duì)非巖溶區(qū)，還難以處理巖溶區(qū)土壤水文過(guò)程，而巖溶區(qū)現(xiàn)有的水文模型主要是集總式模型，大都不具備從機(jī)理上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均勻以及土地利用變化對(duì)降雨徑流形成影響的功能[90]，喀斯特土壤水文過(guò)程模型研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

5 結(jié)論與展望

中國(guó)西南巖溶地區(qū)降雨相對(duì)充沛，但由于土壤量少、蓄水能力弱，植物遭受長(zhǎng)期的干旱脅迫，石漠化的生態(tài)恢復(fù)與重建進(jìn)展緩慢。已有的喀斯特土壤水分研究多側(cè)重于時(shí)空變異性，對(duì)土壤理化性質(zhì)的研究不夠深入。因此，今后要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土壤水分儲(chǔ)量及動(dòng)態(tài)變化，加強(qiáng)土壤理化性質(zhì)（比如入滲規(guī)律、最大、最小持水量等）和土壤改良的研究，充分利用水熱同期的自然條件，種植一些耐旱固氮樹(shù)種以增強(qiáng)土壤蓄水保水能力和肥力，積極深入開(kāi)展林草間作模式下土壤抗蝕性研究，抑制水土流失，為喀斯特植被恢復(fù)和生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

西南喀斯特地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地域廣闊，但目前有關(guān)滇東高原喀斯特土壤水分含量的研究較缺乏，今后應(yīng)系統(tǒng)研究不同地理位置條件下喀斯特土壤水分特征，結(jié)合巖石、土壤和植物三者的關(guān)系，在喀斯特土壤水分、養(yǎng)分狀況與植被的生境適應(yīng)和生產(chǎn)力方面深入研究，利用同位素標(biāo)記及示蹤技術(shù)，分析植物乃至整個(gè)生物系統(tǒng)不同生長(zhǎng)階段、季節(jié)的適度需水量及水分利用來(lái)源和水分利用效率，探討干季土壤保水補(bǔ)水機(jī)制，闡述喀斯特生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過(guò)程。

全球氣候變化能夠改變生態(tài)系統(tǒng)固有的自然演變過(guò)程，引發(fā)大幅度、大范圍的環(huán)境變化。石漠化是土地退化的一種極端形式，本質(zhì)是土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失的過(guò)程，對(duì)全球環(huán)境變化較敏感。一旦原有的喀斯特系統(tǒng)遭到破壞，很難在短期內(nèi)自然恢復(fù)和人工恢復(fù)。土壤水作為植被恢復(fù)過(guò)程中的關(guān)鍵因子，需要加強(qiáng)喀斯特土壤水分對(duì)全球氣候變化響應(yīng)的研究，為構(gòu)建環(huán)境友好型的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。

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