喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤水分對(duì)降水特征的響應(yīng)

張芳, 曾馥平,*, 杜虎 , 彭晚霞

喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤水分對(duì)降水特征的響應(yīng)

張芳1,2, 曾馥平1,2,*, 杜虎1,2, 彭晚霞1,2

1. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410125 2. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站, 廣西環(huán)江 547100

為了明確喀斯特峰叢洼地不同土地利用類型土壤水分對(duì)降水的響應(yīng), 采用定位觀測(cè)法, 選擇順坡種植桂牧1號(hào)、順坡種植玉米、封育、刈割除根、火燒、刈割6種喀斯特峰叢洼地最典型的土地利用方式, 分析了這6種土地利用方式下土壤水分動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明: 研究區(qū)2011—2013年的降水量可分為枯水年(2011年)、豐水年(2012年)和平水年(2013年)三種降水年型?？菟晖寥浪帜昃勘憩F(xiàn)為種植桂牧1號(hào)>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 平水年和豐水年均表現(xiàn)為封育>刈割>種植桂牧1號(hào)>火燒>刈割除根>種植玉米。封育和桂牧1號(hào)土地利用方式在各降水年型下均具有較高的水分含量, 而種植玉米土壤含水量則最低, 其次為刈割除根。降水年型對(duì)土壤水分變異系數(shù)的影響表現(xiàn)為枯水年>豐水年>平水年的趨勢(shì)。不同土地利用方式在枯水年、豐水年和平水年三種降水年型中, 土壤水分變化趨勢(shì)各有特點(diǎn), 主要受近期降水和土壤蒸發(fā)的影響。封育和桂牧1號(hào)土壤水分含量高, 兩種土地利用方式能顯著改善土壤水分狀況, 積蓄一定的水分。

水分動(dòng)態(tài); 降水年型; 土地利用方式; 喀斯特峰叢洼地

0 前言

峰叢洼地是典型的喀斯特地貌景觀單元, 集中分布在我國(guó)西南喀斯特南部斜坡地帶, 一直以來是喀斯特地區(qū)生態(tài)治理與重建的難點(diǎn), 坡面在該地區(qū)面積上占相當(dāng)大的比例, 所以是該地區(qū)植被恢復(fù)和退耕還林還草的重點(diǎn)和難點(diǎn)地區(qū)?？λ固氐貐^(qū)是我國(guó)生境脆弱帶之一, 獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境背景與不合理的土地開發(fā)使該區(qū)域生態(tài)環(huán)境不斷惡化[1]?？λ固氐貐^(qū)雨熱資源豐富, 降水量大, 但時(shí)空分布不均, 蒸發(fā)量明顯大于降水量, 水氣總體上處于虧缺狀態(tài), 易形成季風(fēng)氣候條件下獨(dú)特的巖溶干旱現(xiàn)象[2], 喀斯特長(zhǎng)時(shí)間的巖溶作用形成了有別于其他地區(qū)的地上地下二元水文結(jié)構(gòu), 水文過程與其他類型區(qū)也有明顯差異[3]。土壤水分是流域水循環(huán)中非常活躍的部分, 影響著植物生長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境的發(fā)展, 土壤水分由于受氣候、土壤、土地利用方式等因素的影響, 經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)變化之中。

土地利用是人類利用土地各種活動(dòng)的綜合反映, 合理的土地利用方式可以改善土壤結(jié)構(gòu)[4], 土地利用方式雖然在短時(shí)間內(nèi)會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu), 但影響最大的是表層土壤水分含量, 充分認(rèn)識(shí)各種土地利用方式下土壤的水分狀況及其變化是有效利用土地資源的前提。劉春利[5]研究表明不同土地利用方式下土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律趨于一致性, 呈先降低后增加再降低的變化趨勢(shì)。朱樂天[6]研究表明不同土地利用類型土壤含水量隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì), 與降雨分布基本保持一致, 但有關(guān)喀斯特區(qū)域不同土地利用方式土壤水分動(dòng)態(tài)及影響因素的研究相對(duì)缺乏。本研究基于喀斯特峰叢洼地火燒、刈割、刈割除根、封育、種植玉米、種植桂牧1號(hào)6種常見土地利用方式樣地的建設(shè)、土壤水分長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和土壤屬性的調(diào)查, 對(duì)喀斯特峰叢洼地土壤水分變化規(guī)律進(jìn)行研究, 并分析不同土地利用類型土壤水分對(duì)降水的響應(yīng), 為提高土壤有效含水量、實(shí)現(xiàn)水土資源協(xié)調(diào)利用、有效指導(dǎo)該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被快速恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西環(huán)江縣的中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站。該區(qū)域是典型的喀斯特峰叢洼地地貌類型, 流域總面積146.1 hm2, 海拔在272.0到647.2 m之間。屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候, 年均氣溫15.7 ℃, 7月平均氣溫28 ℃, 1月平均氣溫10.1 ℃, 歷年最高氣溫38.7 ℃, 最低氣溫–5.2 ℃。年均降雨量1389.1 mm, 季節(jié)分配不均, 有明顯的旱、雨季之分, 雨季平均持續(xù)130—140 d, 主要集中在4—9月, 雨季降雨量占全年降雨量的70%以上, 其中6、7月降雨量最多, 可達(dá)到400 mm, 10月至次年3月則為旱季, 各月平均降水量在90mm以下。年均蒸發(fā)量1571.1mm, 相對(duì)濕度平均為70%。年均日照時(shí)數(shù)1451h, 日照時(shí)數(shù)以2月最低, 7月最高, 日照率以3月最低, 9月最高, 太陽(yáng)年平均輻射總量414.1 kJ·cm-2, ≥10 ℃積溫為5500—6530 ℃。土壤為白云巖發(fā)育的石灰土, 石礫含量高, 基巖裸露率在15%—30%之間, 土層淺薄。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2006年底在中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站一面相對(duì)均一的東南向山坡中(>25°)下部鄰接建立了火燒、刈割、刈割除根、封育、順坡墾殖種植玉米、順坡墾殖種植桂牧1號(hào)6種喀斯特峰叢洼地常見的土地利用方式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地, 投影面積為1400 m2(20 m×70 m), 具體設(shè)計(jì)及處理見表1。桂牧1號(hào)雜交象草以其生物量高、適應(yīng)性強(qiáng)、耐刈割、多年生等特點(diǎn)成為桂西北地區(qū)最重要的人工牧草。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地修建, 坡面土壤和植被較為均一, 沿坡向下, 土層平均厚度由10—30 cm增加到50—80 cm。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地四周由磚石漿砌圍隔(地表、地下各約20 cm), 防治小區(qū)內(nèi)外地表徑流和泥沙出入。

表1 樣地基本情況

1.2.1 土壤水分測(cè)定

坡面樣線取樣: 本研究土壤水分樣品采集時(shí)間為2011年1月至2014年12月, 在20 m×70 m的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)沿中線以5 m為間隔, 從坡底向上至坡頂連續(xù)采樣。在每個(gè)采樣點(diǎn)上用鋁盒采集表層0—10 cm土壤樣品, 及時(shí)稱量土壤鮮重, 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)烘干測(cè)定土壤水分質(zhì)量含水量。本研究采樣頻度為降雨后每3天調(diào)查一次。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析處理數(shù)據(jù), 使用的軟件包括SPSS, Origin。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間降水年型劃分

研究采用國(guó)內(nèi)較常用的降水量距平百分率的大小進(jìn)行降水年型的劃分, 其中: 小于-10%為枯水年, 大于10%為豐水年, 在±10%之間為平水年。根據(jù)試驗(yàn)期間(2011—2013年)降水觀測(cè)結(jié)果, 可將其劃分為3種類型: 豐水年、平水年(正常年)和枯水年(干旱年)。研究期間降雨觀測(cè)結(jié)果如表2所示, 2011年總降雨量為1901.3 mm, 較歷年平均減少22.5%, 因此確定2011年為枯水年；2012年總降雨量為1786.6 mm, 較歷年平均增加了26.8%, 因此確定2012年為豐水年；2013年降水量為1316 mm, 介于2011和2012年之間, 較歷年平均增加了-6.6%, 因此確定其為平水年。2011年-2013年降雨量表明(表 2), 5月到八月降雨多, 年降水量約有78.6%集中在雨季, 而旱季降雨量?jī)H占全年降雨總量的 21.4%。豐水年最大降雨量出現(xiàn)在 5月, 平水年枯水年最大降雨量在6月。

2.2 降雨對(duì)不同土地利用方式土壤水分的影響

火燒、刈割、封育和刈割除根4種方式的水分變化較為一致(圖1), 土壤含水量主要受降雨影響, 與降雨量變化較為一致, 但豐水年4—6月降水量增加, 而土壤含水量的變化趨勢(shì)為先降低后上升, 可能是氣溫在增加, 同時(shí)植物生長(zhǎng)旺盛, 土壤水分消耗增大, 因此, 總的趨勢(shì)表現(xiàn)為表層土壤水分呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì), 之后隨著降雨量增加而增加。平水年3月降雨量增加, 但是1—3月含水量逐漸降低, 可能是火燒和刈割, 刈割除根均是在1月開始, 植被覆蓋率低, 且坡面徑流大導(dǎo)致的流失快, 導(dǎo)致含水量逐漸降低；平水年降雨量7月到9月先升高后減少, 但是土壤含水量先減少后增加, 8月降雨量較高, 但該月氣溫高、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰作用均較強(qiáng), 削弱了降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)償作用。枯水年降雨量先增加后減少, 但4—8月水分含量逐漸降低, 雖然喀斯特地區(qū)降雨量增大, 但枯水年降雨量小, 且此時(shí)季節(jié)上也處于該區(qū)域最熱的時(shí)候, 氣溫高導(dǎo)致地面蒸發(fā)快, 植物生長(zhǎng)代謝比較旺盛, 因此土壤含水量降低。

2.3 降雨對(duì)不同土地利用方式土壤水分的影響

不同降水年份各土地利用方式土壤水分年均含量、變異系數(shù)如表3所示。各土地利用方式土壤水分含量均表現(xiàn)為豐水年>平水年>枯水年, 變異系數(shù)除種植桂牧1號(hào)枯水年小于豐水年外, 其他均表現(xiàn)為枯水年>豐水年>平水年。平水年、枯水年土壤水分年均含量均表現(xiàn)為種植桂牧1號(hào)>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 豐水年表現(xiàn)為封育>刈割>種植桂牧1號(hào)>火燒>刈割除根>種植玉米。土壤水分變異系數(shù)在枯水年表現(xiàn)為刈割除根>封育>種植玉米>火燒>刈割>種植桂牧1號(hào), 在豐水年表現(xiàn)為刈割除根>種植桂牧1號(hào)>種植玉米>火燒>刈割>封育, 平水年表現(xiàn)為封育>火燒>種植桂牧1號(hào)>種植玉米>刈割除根>刈割。

表2 試驗(yàn)區(qū)研究期間降雨量

圖1 不同土地利用方式土壤水分變化

Figure 1 Dynamics of soil moisture in different land-use types

表3 不同降水年份各土地利用方式土壤水分狀況

注: A: 火燒；B: 刈割；C: 刈割除根；D: 封育；E: 順坡種植玉米；F: 順坡種植桂牧1號(hào)。

3 討論

土壤水是陸地生態(tài)系統(tǒng)中水體的一項(xiàng)重要組成部分, 它對(duì)作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。不同土地利用方式在枯水年、豐水年和平水年三種降水年型中, 土壤水分變化主要受近期降水的影響, 不同土地利用方式的土壤含水量趨勢(shì)表現(xiàn)出一定的相似性。前人研究在黃土丘陵區(qū)上層土壤含水量動(dòng)態(tài)變化與當(dāng)?shù)亟涤甑募竟?jié)性保持一致[7], 本研究中, 試驗(yàn)區(qū)降水分配規(guī)律與土壤水分變化具有較強(qiáng)的一致性, 只是水分存在一定的滯后現(xiàn)象。可能是試驗(yàn)區(qū)石灰土土壤在高濕度階段導(dǎo)水率較高, 且大氣蒸發(fā)強(qiáng)度大, 空氣中水分含量少, 因此土壤表層水分容易蒸發(fā)損失。試驗(yàn)區(qū)坡地土層淺薄、儲(chǔ)水能力低, 加上巖石滲漏性強(qiáng), 大量的降雨漏失；因此并沒有使得土壤水分得到大幅的上升, 只是土壤水分得到小幅度的補(bǔ)給。

豐水年最低值出現(xiàn)在10月份, 可能是8月份氣溫高, 土壤蒸發(fā)和植被蒸騰作用均較強(qiáng), 削弱了降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)償作用, 且秋季降雨減少, 出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象, 土壤水分補(bǔ)給減少, 表層土壤水分繼續(xù)下降, 10月后氣溫降低, 降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)償作用才得以體現(xiàn)[8], 因此十月份后突然含水量土壤增加。

研究土壤水分動(dòng)態(tài)變化對(duì)揭示植被需水耗水規(guī)律、地區(qū)土壤含水量估算以及區(qū)域水循環(huán)過程有重要的意義[9]。降雨是研究區(qū)土壤水分的主要補(bǔ)給來源, 各土地利用方式土壤動(dòng)態(tài)變化受降雨影響較大。不同土地利用方式下土壤含水量差異主要來源于地表植被覆蓋和蒸發(fā)耗水作用的差別, 地表植被對(duì)水流具有的截留與緩沖作用會(huì)導(dǎo)致不同土地利用類型土壤含水量的顯著不同, 并且植被蒸發(fā)耗水作用不同也會(huì)導(dǎo)致土壤含水量的差異[10]。在枯水年土壤水分年均含量表現(xiàn)為種植桂牧1號(hào)>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 平水年和豐水年表現(xiàn)為封育>刈割>種植桂牧1號(hào)>火燒>刈割除根>種植玉米?？傮w上不同降水年型下桂牧1號(hào)和封育土壤含水量最大, 桂牧1號(hào)為多年生牧草, 和封育一樣有著較高植被覆蓋率, 能有效減少太陽(yáng)輻射, 降低地表溫度, 減弱土壤的蒸發(fā)作用?；馃拓赘罹窃?月開始的, 但生長(zhǎng)緩慢, 根系耗水少, 加上夏季有自然降水的補(bǔ)給, 土壤表層水分有所上升, 水分含量較高。順坡種植玉米和刈割除根的表層水分最低, 土種植玉米對(duì)土地?cái)_動(dòng)最強(qiáng)烈, 對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和原有植被破壞最嚴(yán)重, 刈割除根對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和植被更新影響較大, 導(dǎo)致地面蒸發(fā)量最大、土壤保水性能最差。

前人研究表明降水年型對(duì)土壤水分變異系數(shù)的影響表現(xiàn)為枯水年>平水年>豐水年[11], 本研究中土壤水分變異系數(shù)除種植桂牧1號(hào)為豐水年>枯水年>平水年, 其他均表現(xiàn)為枯水年>豐水年>平水年。平水年水分變化平緩, 表層土壤水分穩(wěn)定, 因此變異系數(shù)最小。枯水年雨量少, 植物需消耗大量土壤水來維持生長(zhǎng), 變異系數(shù)大。豐水年土壤水分在能夠滿足植被的生長(zhǎng)的情況下, 還能儲(chǔ)蓄一部分水在表層土壤, 降雨會(huì)增加含水量, 變異系數(shù)較大, 但稍小于枯水年, 因?yàn)槌渑娴慕涤隃p小了土壤水分的空間變異[12]。

不同的土地利用方式對(duì)土壤的含水量的影響較大, 封育和桂牧1號(hào)有著較高植被覆蓋率, 土壤保水持水能力強(qiáng), 表層土尤為明顯, 因此在喀斯特地區(qū)栽植封育和桂牧1號(hào)能顯著改善土壤水分狀況, 積蓄一定的水分, 為作物的良好生長(zhǎng)提供了保障, 而順坡種植玉米和刈割除根對(duì)土地?cái)_動(dòng)最強(qiáng)烈, 土壤表面裸露期長(zhǎng), 枯水年土壤含水量降低明顯, 地面蒸發(fā)作用消耗了土壤中大量的水分, 可通過人工加蓋枯枝落葉層, 減少地表蒸發(fā), 增強(qiáng)坡地土壤的保水持水能力, 提高土壤抵御干旱的能力, 提高土壤有效含水量, 為植被恢復(fù)提供較好的水分條件。喀斯特地區(qū)應(yīng)通過建立合理的土地利用類型, 改變地表覆被狀況進(jìn)而改善土壤水分條件, 改善生態(tài)環(huán)境。本研究主要進(jìn)行表層土壤水分變化特征研究, 發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)存在著地上地下二元水文結(jié)構(gòu)特征, 地表徑流小, 水分垂直漏失大, 由于喀斯特地區(qū)地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 深層次土壤水分運(yùn)移規(guī)律研究還處于探索階段, 土體內(nèi)部水分遷移變化規(guī)律有待于更進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

研究區(qū)2011—2013年降水量可分為枯水年(2011年)、豐水年(2012年)和平水年(2013年)三種降水年型。土壤水分變化趨勢(shì)各有特點(diǎn), 主要受近期降水和土壤蒸發(fā)的影響, 試驗(yàn)區(qū)降水分配規(guī)律與土壤水分變化具有較強(qiáng)的一致性, 水分存在一定的滯后現(xiàn)象。

枯水年土壤水分年均含量表現(xiàn)為種植桂牧1號(hào)>封育>刈割>火燒>刈割除根>種植玉米, 平水年和豐水年表現(xiàn)為封育>刈割>種植桂牧1號(hào)>火燒>刈割除根>種植玉米。

土壤水分變異系數(shù)除種植桂牧1號(hào)為豐水年>枯水年>平水年, 其他均表現(xiàn)為枯水年>豐水年>平水年。

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Response of soil moisture to precipitation characteristics in different land use patterns in Karst peak-cluster depression area

ZHANG Fang1,2, ZENG Fuping1,2,*, DU Hu1,2, PENG Wanxia1,2

1. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academic of Sciences, Changsha 410125, China 2. Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academic of Sciences, Huanjiang 547100, China

The purpose of this study was to clarify the response of soil moisture to precipitation in different land-use types. Based on the controlled experiment and long-term monitoring of six most common land-use types, i.e., burning, cutting, cutting plus with root removal, enclosure, maize plantation, and pasture of Guimu No. 1 plantation, the study was conducted to analyze the dynamic characteristics of soil moisture under these land-use types. The results showed that the annual precipitation of 2011-2013 in the study area could be divided into three types, i.e., dry year (2011), rainy year (2012) the normal year (2013). The variation of surface soil water content under different land-use types presented in the order of rainy year > normal year > dry year. The variation of surface soil water content was in the order of pasture of Guimu No. 1 plantation > enclosure > cutting > burning > cutting plus with root removal > maize plantation, while normal year and rainy year in the order of enclosure > cutting > pasture of Guimu No. 1 plantation > burning > cutting plus with root removal > maize plantation. Both enclosure and the pasture of Guimu No. 1 plantation under the three precipitation years had higher surface soil water content, while maize plantation had the lowest soil water content, and cutting plus with root removal followed. The effect of different yearly rainfall patterns on variance coefficient of soil moisture decreased in the order of dry year> rainy year > normal year. The monthly variation of surface soil water under different land-use types in three precipitation years (i.e., dry year, rainy year, and normal year) had their characteristics, which were affected by recent precipitation and soil evaporation.The soil moisture content was high in the enclosure and Guimu No. 1 plantation, which could improve the soil moisture status and accumulate water in the Karst area.

soil moisture; yearly precipitation pattern; depression between karst hills; land-use types

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.006

S157.2

A

1008-8873(2019)05-038-06

2018-10-04;

2018-12-12

國(guó)家支撐計(jì)劃課題(2015BAD06B04-06)

張芳(1994—), 女, 湖南鳳凰人, 碩士, 主要從事生態(tài)學(xué)研究。Email: 940489368@qq.com

曾馥平(1964—), 男, 研究員, 主要從事喀斯特生態(tài)系統(tǒng)研究。Email: fpzeng@163.com

張芳, 曾馥平, 杜虎, 等. 喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式土壤水分對(duì)降水特征的響應(yīng)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(5): 38-43.

ZHANG Fang, ZENG Fuping, DU Hu, et al. Response of soil moisture to precipitation characteristics in different land use patterns in Karst peak-cluster depression area[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 38-43.