喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)研究進(jìn)展

熊康寧，郭 杰，盛茂銀

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴州 貴陽(yáng) 550001； 2. 國(guó)家喀斯特石漠化工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引言

中國(guó)南方喀斯特主要分布在以貴州為中心的滇黔桂湘鄂川渝地區(qū)，面積達(dá)55 萬km2[1].喀斯特地區(qū)雖然降水充沛，但由于巖石的裸露率高，滲透性強(qiáng)，土體零星、淺薄等原因，以致土壤貯水量低，臨時(shí)性干旱時(shí)有發(fā)生，干旱程度不亞于有些長(zhǎng)期干旱地區(qū)[2].該地區(qū)生態(tài)條件的特殊性和長(zhǎng)期的人類活動(dòng)，尤其是最近一個(gè)世紀(jì)以來的人類活動(dòng)干擾，造成人地矛盾突出、植被破壞、水土流失、巖石裸露、土地生產(chǎn)力衰退喪失，形成石漠化[3，4].石漠化對(duì)土壤中水分含量影響較大，隨著石漠化程度的加深，其含量呈減少趨勢(shì)[5].因此，水分虧缺是該區(qū)植被恢復(fù)重建的主要障礙因子[6].抗旱保墑技術(shù)能夠通過減少土壤的大氣蒸發(fā)或改良土壤結(jié)構(gòu)，達(dá)到增強(qiáng)土壤自身持水能力的目的[7].因此，研究喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)的應(yīng)用狀況對(duì)喀斯特脆弱環(huán)境下植物健康生長(zhǎng)以及石漠化的綜合治理至關(guān)重要.

目前，喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)的研究主要集中于幾種保墑技術(shù)在農(nóng)業(yè)或林業(yè)的應(yīng)用效果對(duì)比[8-10]，而對(duì)于喀斯特地區(qū)保墑技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、存在問題的相關(guān)論述還很缺乏，本文對(duì)喀斯特地區(qū)保墑技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)搜集整理，總結(jié)了喀斯特地區(qū)保墑技術(shù)的成果和存在的問題進(jìn)行了闡述.

1 方法

以中國(guó)知網(wǎng)CNKI(China National Knowledge Infrastructure)信息資源總庫(kù)、維普期刊數(shù)據(jù)庫(kù)為主要檢索來源，通過主題或關(guān)鍵詞檢索項(xiàng)，以喀斯特、巖溶、石漠化等為檢索詞分別進(jìn)行第一次搜索，在此結(jié)果中再以抗旱、保墑、覆蓋、保水劑等為檢索詞進(jìn)行第二次檢索.檢索截止時(shí)間為2014年12月30日下午14：20.檢索1914—2014年喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)資料.對(duì)檢索出的文獻(xiàn)進(jìn)行年度狀態(tài)、內(nèi)容和學(xué)科領(lǐng)域分布狀態(tài)、研究機(jī)構(gòu)及研究區(qū)分布狀態(tài)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果

經(jīng)過檢索，得到中文核心期刊31篇，中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文5篇，中國(guó)重要會(huì)議論文1篇，中國(guó)重要報(bào)紙1篇，相關(guān)專利2項(xiàng).

2.1 文獻(xiàn)年度狀態(tài)分析

圖1為研究文獻(xiàn)時(shí)間分布，喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)起步較晚，從1986年開始才有相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表，并且數(shù)量較少，部分年限無相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表；2001—2008年、2008—2014年(2012年除外)文獻(xiàn)數(shù)量整體呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，且在2011年文獻(xiàn)數(shù)量達(dá)到最多.從文獻(xiàn)年度分布上可以看出，喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)80年代后期，到現(xiàn)在不到30年，結(jié)合這段時(shí)間喀斯特地區(qū)的氣候特點(diǎn)，可以把喀斯特地區(qū)抗旱保墑研究劃分為三個(gè)階段:1986年到2001年是緩慢增長(zhǎng)期，2001年到2011年是快速發(fā)展期，2011年至今為相對(duì)減少期.

圖1 喀斯特地區(qū)抗旱保墑研究文獻(xiàn)時(shí)間分布Fig. 1 The distribution of soil moisture and drought-relief research time in Karst area

階段劃分主要特征發(fā)展背景緩慢增長(zhǎng)期(1986—2001年)相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量較少,主要是農(nóng)作物的地膜覆蓋喀斯特地區(qū)由于復(fù)雜的地形,季節(jié)性干旱嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)、水利科研機(jī)構(gòu)開始對(duì)一些保水措施進(jìn)行試驗(yàn)示范快速發(fā)展階段(2001—2011年)相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量增多,多種保墑方式綜合運(yùn)用,農(nóng)業(yè)和林業(yè)均有應(yīng)用2009年全國(guó)大旱,波及12個(gè)省份,2010年西南大旱,2011年南方七省降水量近60年最少.干旱的加劇使人們開始逐漸重視保墑技術(shù)相對(duì)減少期(2011年至今)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量逐年下降氣候環(huán)境基本平穩(wěn),抗旱保墑的研究進(jìn)入瓶頸期

2.2 文獻(xiàn)內(nèi)容和學(xué)科領(lǐng)域分布狀態(tài)分析

按照研究?jī)?nèi)容，喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)可分文基礎(chǔ)理論、技術(shù)應(yīng)用、抗旱對(duì)策和其他.相關(guān)文獻(xiàn)中技術(shù)應(yīng)用所占比例居多，有26篇，見圖2.技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容居多主要是因?yàn)榭λ固氐貐^(qū)季節(jié)性干旱較為頻繁，因此可以借鑒干旱、半干旱地區(qū)的研究成果，進(jìn)行試驗(yàn)示范，應(yīng)用推廣.

圖2 喀斯特地區(qū)抗旱保墑研究?jī)?nèi)容分布Fig. 2 Study on the content of soil moisture and drought-relief in Karst District

研究的學(xué)科領(lǐng)域包括林業(yè)、農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其中林業(yè)最多，有13篇，其次是農(nóng)作物，有9篇，見圖3.可見，抗旱保墑技術(shù)在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上應(yīng)用較多.

圖3 喀斯特地區(qū)抗旱保墑研究學(xué)科分布Fig. 3 The distribution of soil moisture and drought-relief research subjects in Karst area

2.3 文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)及研究區(qū)分布狀態(tài)

通過對(duì)喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，主要研究機(jī)構(gòu)是貴州大學(xué)(5篇)、貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院(4篇)、南京林業(yè)大學(xué)(4篇)，其次就是四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等與農(nóng)林相關(guān)的機(jī)構(gòu).主要研究區(qū)域也以貴州為主，其次是云南、廣西(圖4).

圖4 喀斯特地區(qū)抗旱保墑研究區(qū)分布Fig. 4 The distribution of soil moisture and drought-relief area in Karst area

2.4 基礎(chǔ)理論

2.4.1 喀斯特地區(qū)土壤水分特征

墑是適宜植物生長(zhǎng)的土壤水分.喀斯特地區(qū)土壤水分具有水平分異、垂直分異、坡面分異，主要表現(xiàn)為土壤水分含量空間分布呈斑塊狀，含水量隨土壤深度增加而增加，隨季節(jié)演替呈低-升-高-降變化，干濕季差異很大，日變化表現(xiàn)為從早到晚先降后升[11].

喀斯特地區(qū)土壤水分虧缺有明顯的時(shí)空異質(zhì)性：時(shí)間異質(zhì)性表現(xiàn)在土壤水分虧缺發(fā)生的時(shí)段、次數(shù)、持續(xù)時(shí)間、虧缺程度具有較大的不確定性，這與各年蒸發(fā)降水相關(guān)；空間異質(zhì)性表現(xiàn)為不同地區(qū)水熱條件配合不同，同一地區(qū)不同生境，植被類型不同，都導(dǎo)致土壤水分虧缺的程度和發(fā)生頻率不同[12].

2.4.2 喀斯特地區(qū)土壤水分蒸發(fā)和入滲

土壤水分在土壤中的損耗主要是蒸發(fā)散和滲流[13].喀斯特地區(qū)土壤水分蒸發(fā)的研究主要是不同覆蓋下土壤水分的蒸發(fā)研究[14]以及不同灌木根系對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響研究[15].喀斯特地區(qū)土壤水分的入滲受到土壤孔隙度、土壤粒徑、土中碎石等因素的影響，石漠化地區(qū)的喀斯特地貌，表土碎石體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)40%左右[16，17].隨著碎石粒徑大小、位置的不同，土壤水分入滲呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)[18].

2.5 保墑技術(shù)措施

2.5.1 覆蓋保墑技術(shù)作用機(jī)理

喀斯特地區(qū)覆蓋保墑技術(shù)主要包括有機(jī)物覆蓋、地膜覆蓋、石子覆蓋.

(1)有機(jī)物覆蓋.常見的有機(jī)物覆蓋主要包括秸稈、松針、枯枝落葉等單一覆蓋，通過抑制蒸發(fā)，攔截雨水達(dá)到減少土壤水分散失的目的.西南農(nóng)區(qū)還田作物秸稈主要是麥秸、稻草、玉米和油菜秸，在旱坡地上多采用覆蓋還田，水田多采用翻壓還田[19].

(2)地膜覆蓋.地膜覆蓋通過構(gòu)建一個(gè)密閉的環(huán)境來阻止土壤水分的垂直蒸發(fā)，凝結(jié)水汽，達(dá)到保蓄土壤水分的目的.

(3)石子覆蓋.石子覆蓋作用機(jī)理與有機(jī)物覆蓋相同，在山區(qū)，碎石子較多的地帶，可以收集碎石子進(jìn)行覆蓋保墑.

2.5.2 保水劑蓄水技術(shù)作用機(jī)理

保水劑是利用強(qiáng)吸水性樹脂制成的一種超高吸水保水能力的高分子聚合物.它吸水迅速而強(qiáng)烈，并且能夠反復(fù)吸水.在土壤中，保水劑通過吸水膨脹，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，從而改善土壤結(jié)構(gòu).此外，保水劑還能降低土壤水分蒸發(fā)量和土壤水分滲透速度[20].

2.6 試驗(yàn)示范

2.6.1 覆蓋保墑試驗(yàn)示范

胡剛等[9]在石質(zhì)山地應(yīng)用地膜覆蓋技術(shù)發(fā)現(xiàn)蓋地膜雖然保溫、保濕效果好，但由于地膜的封閉性，水分補(bǔ)給主要通過雨水測(cè)滲，而喀斯特石質(zhì)山地巖石裸露率高，土體不連續(xù)的特點(diǎn)使這種側(cè)滲的數(shù)量有限.李林英等[21]在太行山石質(zhì)山地造林中應(yīng)用塑料薄膜覆蓋進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)覆蓋地膜能夠提高造林的成活率.李安定等[10]通過室內(nèi)盆栽與田間試驗(yàn)相結(jié)合研究了不同覆蓋處理下不同小生境土壤的保墑能力，得出在實(shí)地花椒人工造林試驗(yàn)中，薄膜覆蓋存活率較差，因此對(duì)于薄膜覆蓋在實(shí)際造林的使用還需要進(jìn)一步的研究論證.

石子覆蓋在石質(zhì)山地也有應(yīng)用.李廣德等[22]在華北片麻巖石質(zhì)山地山杏幼林應(yīng)用石子覆蓋、秸稈覆蓋等保墑措施，并定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)保墑效果的分析，結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素考慮，石子覆蓋效果最優(yōu).

2.6.2 保水劑的試驗(yàn)示范

保水劑在喀斯特地區(qū)應(yīng)用相對(duì)較少.葉燕萍等[23]通過在金銀花扦插苗時(shí)應(yīng)用保水劑來應(yīng)對(duì)石山土壤干旱，從而提高金銀花幼苗成活率，保持金銀花良好生長(zhǎng).黃偉等[24]在貴州喀斯特山區(qū)桃樹栽培上應(yīng)用了保水劑促進(jìn)桃樹生長(zhǎng)發(fā)育.

2.7 監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

土壤墑情評(píng)價(jià)的具體方法和標(biāo)準(zhǔn)主要參考農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(NY/T 1782-2009)和《土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)》(SL568-2012).

2.7.1 土壤墑情監(jiān)測(cè)

土壤墑情是重要的土壤信息，監(jiān)測(cè)土壤墑情有利于進(jìn)一步了解作物生長(zhǎng)期內(nèi)的土壤水分狀況，從而判斷是否要采取一系列保墑措施.目前，傳統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測(cè)的方法有烘干法、中子儀法、γ 射線法、時(shí)域反射儀法(TDR)、遙感技術(shù)[25].在喀斯特地區(qū)實(shí)際測(cè)量土壤水分時(shí)以烘干法居多.

2.7.2 土壤墑情評(píng)價(jià)

農(nóng)田土壤墑情評(píng)價(jià)因子主要是土壤質(zhì)地、土層深度、田間持水量、毛管斷裂含水量.根據(jù)作物的生長(zhǎng)期不同，一般選取10 cm、20 cm和40 cm深度的土壤層進(jìn)行墑情評(píng)價(jià)，以土壤墑情評(píng)價(jià)深度的土壤層的相對(duì)濕度作為評(píng)價(jià)依據(jù)，以我國(guó)主要農(nóng)作物各生長(zhǎng)期作為評(píng)價(jià)階段[28].

3 擬解決的關(guān)鍵科技問題與展望

(1)喀斯特地區(qū)生境高度異質(zhì)性、地表地下二元結(jié)構(gòu)復(fù)雜、土壤中碎石含量不等、雨熱的匹配不均都導(dǎo)致以單一區(qū)域研究水分蒸發(fā)和入滲的變化難以代表整個(gè)喀斯特地區(qū)，并且土壤水分研究在方法和技術(shù)手段上還存在著許多不足，還難以揭示不同地貌類型區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同退化程度小流域土壤水分的運(yùn)移規(guī)律及調(diào)控控機(jī)理[6].

(2)喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)仍有一系列的問題需要解決.首先，地膜覆蓋會(huì)產(chǎn)生白色污染，而可降解地膜成本太高，難以廣泛推廣應(yīng)用.保水劑在喀斯特地區(qū)應(yīng)用的文獻(xiàn)較少，因此，關(guān)于保水劑在喀斯特地區(qū)的示范應(yīng)用還需要進(jìn)一步的進(jìn)行探究.其次，覆蓋保墑和保水劑的保墑效果都有一定的限度，當(dāng)面臨極端干旱時(shí)，單一的保墑措施可能難以持久.最后，喀斯特地區(qū)工程性水利措施缺乏，保墑技術(shù)手段較為單一，需要開發(fā)和引進(jìn)更多適合喀斯特地區(qū)的抗旱保墑技術(shù).

(3)目前，喀斯特地區(qū)抗旱保墑技術(shù)的應(yīng)用以農(nóng)業(yè)居多，林業(yè)上雖然也有應(yīng)用，但應(yīng)用的林木種類較少.對(duì)已經(jīng)應(yīng)用過保墑技術(shù)且有相關(guān)文獻(xiàn)記載的植物，我們能夠迅速確定應(yīng)用哪種保墑模式.但對(duì)于以前沒有應(yīng)用過保墑技術(shù)現(xiàn)在需要應(yīng)用保墑技術(shù)的植物無法確定哪種保墑方式對(duì)它最適合.

(4)土壤墑情評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是以我國(guó)主要農(nóng)作物各個(gè)生長(zhǎng)階段水分狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于林木種類繁多，目前尚沒有專門針對(duì)林木保墑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，只能應(yīng)用農(nóng)業(yè)保墑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，喀斯特地區(qū)土層淺薄，有些區(qū)域沒有40 cm深度的土壤，無法完全按照土壤保墑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，急需建立新的喀斯特地區(qū)植物保墑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).隨著科技的進(jìn)步.