濕潤喀斯特地區(qū)冬季灌叢土壤水分對降雨的響應(yīng)

王亞琳， 周秋文， 謝雪梅， 嚴(yán)衛(wèi)紅， 彭大為， 韋小茶， 唐 欣， 袁二雙

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 貴州 貴陽 550001)

1 研究背景

土壤水分是全球范圍內(nèi)陸地表面物理過程中的重要影響因子，是了解不同時空尺度下自然界水文過程的一個關(guān)鍵因素，是制約植被生存和發(fā)展的重要因子[1-3]。大氣降雨作為植被生長發(fā)育過程中土壤水分補(bǔ)給的重要來源，降雨入滲決定著土壤水分的分布特征，影響植被的生長情況和穩(wěn)定性[4]，從而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深刻影響。因此加強(qiáng)土壤水分對降雨響應(yīng)關(guān)系的研究是十分重要的。

關(guān)于土壤水分對降雨的響應(yīng)，已有學(xué)者做了大量的研究。在我國西北干旱地區(qū)，研究表明，降雨量對土壤水分入滲、補(bǔ)給有顯著影響，且表層初始含水量較高時，降雨入滲快、歷時時間短、補(bǔ)給作用大[1, 4-10]。在半濕潤的黃土高原地區(qū)，表層土壤水分的變化，與多年平均降雨量、潛在蒸散量、土壤質(zhì)地等的分布具有一致性[11-18]，且受雨季和雨季前一個月降雨量的影響[19-21]。雖然學(xué)者們對以上不同氣候區(qū)土壤水分對降雨的響應(yīng)已開展了細(xì)致的研究，但濕潤喀斯特地區(qū)因其特殊的地質(zhì)和氣候環(huán)境，易形成季風(fēng)氣候條件下獨特的巖溶干旱現(xiàn)象和地表地下二元水文結(jié)構(gòu), 水文過程與其它地區(qū)存在明顯的差異[22-24]，以上規(guī)律不一定與之相適用。

目前，關(guān)于濕潤喀斯特地區(qū)土壤水分對降雨響應(yīng)的研究已取得重大進(jìn)展。不同植被類型下，降雨量的大小對植被淺層土壤水分的補(bǔ)給差異明顯，植被覆蓋度、土壤前期貯水量等因素，影響降雨對土壤水分的補(bǔ)給量和剖面分配[25-28]；不同土地利用方式下，土壤水分的變化受降水量、植被覆蓋度、植被類型和土壤蒸發(fā)的影響而具有顯著差異[20,29-30]。盡管許多學(xué)者對濕潤喀斯特地區(qū)土壤水分對降雨的響應(yīng)開展了研究，但所進(jìn)行的研究多集中于雨季(夏季)，所得研究結(jié)果不能代表濕潤喀斯特地區(qū)冬季土壤水分對降雨響應(yīng)的情況。濕潤喀斯特地區(qū)冬季降雨雖然少，但仍對植被生長和地表水文過程有著重要影響。一方面，受冬、夏季風(fēng)的交替控制，季節(jié)性降雨不均，旱雨兩季明顯，冬季為旱季，降雨少，但平均氣溫在0 ℃以上，部分植被仍在生長，需要一定的水分支撐，所以冬季土壤水分狀況仍然影響植被生長、恢復(fù)和生態(tài)重建。另一方面，水循環(huán)作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，水以溶液的形式向植物輸送著養(yǎng)分，是植物生命活動的重要水分來源[31-32]。冬季降水雖然較少，但土壤水分變化仍然是地表水文過程的重要環(huán)節(jié)，在冬季枯水季節(jié)土壤調(diào)蓄水分，為植物輸送水分的能力顯得更為重要。因此，充分認(rèn)識和掌握濕潤喀斯特地區(qū)冬季土壤水分對降雨響應(yīng)的規(guī)律是一個急需回答的問題。

本文擬基于逐日記錄的灌叢土壤水分和日降雨量數(shù)據(jù)，分析濕潤喀斯特地區(qū)冬季土壤水分對降雨的響應(yīng)過程，揭示冬季灌叢土壤水分的動態(tài)變化規(guī)律，旨在為濕潤喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)和生態(tài)重建提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

實驗樣地位于貴州省安順市關(guān)嶺縣東南處，距縣城約40 km，地理位置為105°43′E，25°44′N。境內(nèi)西北高、東南低，地勢起伏大，地貌復(fù)雜多樣，石灰?guī)r廣布，巖溶發(fā)育成熟，植被覆蓋度低。該地區(qū)氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，熱量充足，雨熱同期，常年平均氣溫為16.2 ℃，平均日照時間為1 090.8～1 436.8 h，無霜期長。年降雨量為1 205.1～1 656.8 mm，但降雨季節(jié)分配不均，夏季降雨集中，約占全年降雨的52%～55%，冬季降雨約占3%～5%。土壤類型以石灰土為主。自然植被以常綠闊葉林、低矮灌木等林、灌、草為主。

在觀測期內(nèi)，共記錄降雨14次，總降雨量為68.41 mm，單次最大降雨量為27 mm，最小降雨量為0.07 mm。小于6 mm的降雨次數(shù)最多，觀測期內(nèi)共發(fā)生12次，占總降雨次數(shù)的 85.71%，累計降雨量為 20.66 mm，占總降雨量的 30.20%; 大于6 mm的降雨次數(shù)共2 次，占總降雨次數(shù)的14.29%，累計降雨量為47.75 mm，占總降雨量的69.80%。從降雨強(qiáng)度看，最大降雨強(qiáng)度為0.78 mm/h，最小降雨強(qiáng)度為0.11 mm/h，均處于小雨級別。冬季降雨整體表現(xiàn)出降雨量少，降雨強(qiáng)度小，差異大的特征。

2.2 實驗樣地設(shè)置

在研究區(qū)中隨機(jī)選取5個灌叢樣地(記為灌叢1～灌叢5)，每個樣地大小為5 m×5 m，樣地間距約20 m。樣地位于同一坡面，海拔約700 m，坡向為東北，坡度約為30°。在灌叢樣地采用HOBO H21_USB土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，自上而下依次安裝土壤水分傳感器，安放深度分別為5、10、15、20 cm，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min/次。監(jiān)測時間為2019年11月5日至2020年1月6日。因試驗區(qū)灌叢樣地土層淺薄，為獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，土壤剖面水分監(jiān)測最深設(shè)置為20 cm。降雨數(shù)據(jù)采用HOBO RG3_M自記式雨量計觀測，降雨觀測時間為2019年11月5日至2020年1月6日。灌叢樣地植被物種主要有古鉤藤(CryptolepisbuchananiiRoem. Et Schult.)、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens(Pellegr.) Hand.-Mazz.)、山合歡(Albiziakalkora(Roxb.) Prain)、腎蕨(Nephrolepisauriculata(Linn.) Trimen)、野桐(Mallotusjaponicasvar.floccosus(Muell. Arg.) S. M. Hwang)等，監(jiān)測期植被覆蓋度約為60%，植被平均高度3.4 m。土壤類型為石灰土，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土，土壤容重為1.11 g/cm，有機(jī)質(zhì)含量為68.15 g/kg。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用試驗區(qū)安裝的HOBO RG3-M自記式雨量計記錄的降雨數(shù)據(jù)，分析試驗區(qū)的降雨變化特征。采用HOBO H21-USB土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測記錄土壤水分變化。通過Excel和Origin對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬季灌叢土壤水分動態(tài)變化特征

圖1為實驗樣地不同深度土壤含水率隨時間變化特征。由圖1可以看出，在觀測期內(nèi)，研究區(qū)的灌叢土壤水分變化總體呈現(xiàn)出先下降再驟升，再緩慢下降再驟升的變化趨勢。從不同深度土壤水分變化程度看，5和10 cm土層的土壤水分變化波動最大，15和20 cm土層的土壤水分變化較平穩(wěn)。依據(jù)降雨量和土壤水分變化趨勢可以將土壤水分變化劃分為3個階段：①土壤水分消退期(11月10日-11月27日、12月5日-12月20日)，11月10日-11月27日隨著冬季風(fēng)的加強(qiáng)，降雨量逐漸減少，加之植被生長吸收，促使土壤水分減少，表層(0～10 cm)土壤水分下降變化最大，10～15 cm土層的變化次之，15～20 cm土層的變化最小。土壤含水率由最初的28.50%～31.58%減小到24.33%～28.85%。土壤水分在經(jīng)歷短暫的上升后，12月5日-12月20日期間緩慢減小，隨降雨的減少，呈現(xiàn)出一定的波動。0～10 cm表層的土壤水分減小明顯，10～20 cm土層的土壤水分波動微弱。②土壤水分上升期(11月27日-12月10日、次年1月3日-5日)，11月27日以后降雨場次、降雨量、降雨時間增加，在連續(xù)降雨的影響下，不同深度的土壤含水量都表現(xiàn)出驟升的變化特點，由于表層(0～10 cm)土壤水分下滲快，在短時間內(nèi)迅速升至 30%～34%，而后隨降雨量的減少和土壤蒸發(fā)、植物蒸騰，逐漸降至25%～30%；10～20 cm 土層的土壤水分下滲緩慢，波動起伏相對較小，較長時間維持在26%～30%左右。次年1月3日至5日由于長時間的持續(xù)性降雨，降雨量出現(xiàn)最大值，土壤水分也呈現(xiàn)脈沖式上升，并整體高于觀測前期時的土壤水分。③土壤水分平穩(wěn)期(12月10日-次年1月3日)，在這期間土壤水分的變化整體表現(xiàn)平穩(wěn)，且整體高于前期。因此可以分析得出濕潤喀斯特地區(qū)冬季灌叢土壤水分動態(tài)變化呈現(xiàn)冬初消退，冬中隨降雨量激增短暫急升，冬季平穩(wěn)低墑的特征。

圖1 灌叢樣地不同深度土壤含水率變化特征

圖2為所選取的5個灌叢樣地不同深度土壤含水率動態(tài)變化箱型圖。由圖2可以得出，每個灌叢樣地的土壤水分變化差異顯著，不同土壤深度也有較大變化。5個灌叢樣地中除灌叢3樣地表現(xiàn)為正態(tài)分布外，其余樣地不同深度的土壤水分表現(xiàn)出右偏態(tài)現(xiàn)象，多個深度出現(xiàn)異常值，這可能是由每個樣地所處的小生境、微地形和地表枯落物等造成的。

圖2 各灌叢樣地不同深度土壤含水率動態(tài)變化箱型圖

3.2 冬季不同降雨量下不同土層深度水分變化特征

依據(jù)降雨量大小和對土壤水分是否有響應(yīng)，從14次降雨中選取了3.21、5.80、20.75、27.00 mm共4場降雨對不同深度土壤水分變化特征進(jìn)行探究，圖3為不同降雨量前后各土層水分變化特征。由圖3可知，降雨量為3.21 mm時，對土壤水分的變化沒有產(chǎn)生影響，降雨前后除15 cm土層的土壤水分略有下降，其余各土層的土壤水分依舊未變；降雨量為5.80 mm時，土壤水分不升反而減小，0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4個土層的土壤水分分別減少了0.20%、0.34%、0.28%、0.17%，變化幅度微?。唤涤炅繛?0.75 mm時，4個土層的土壤水分都對降雨產(chǎn)生響應(yīng)，0～10 cm土層的土壤水分變化最為明顯，10～15 cm次之，15～20 cm最小，0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4個土層土壤含水率分別增加9%、5%、3%、1%。

圖3 不同降雨量前后各土層水分變化特征

降雨量為27 mm時，土壤水分對降雨的響應(yīng)也明顯變化，4個土層土壤水分變化顯著，0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4個土層的土壤水分由27%、26%、29%、30%增加到33%、31%、32%、32%，分別增大了6%、5%、 3%、2% ，相比降雨量為20.75 mm時，0～5 cm土層的土壤水分減少，5～10 cm土層的土壤水分變化微小，10～20 cm的土壤水分上升。

3.3 冬季不同土壤深度對不同降雨量的響應(yīng)時間

表1為不同土壤深度對不同降雨量的響應(yīng)時間。由表1可看出，不同土壤深度對不同降雨量的響應(yīng)時間存在顯著差異。降雨量為3.21和5.80 mm時，雖然產(chǎn)生降雨，但降雨量小，時間長，4個土壤深度的土壤水分并未對降雨產(chǎn)生響應(yīng)；降雨量為20.75 mm時，4個不同土壤深度對降雨量的響應(yīng)時間分別為1.6、9.3、14.3、27.8 h，響應(yīng)時間隨深度逐漸增加。降雨量的增加使土壤水分對降雨的響應(yīng)時間變短。當(dāng)降雨量為27.00 mm時，除5 cm土壤深度的降雨響應(yīng)時間為0.50 h外，其余土壤深度的土壤水分對降雨時間均為0.83 h。綜上結(jié)果分析，不同降雨量下，不同深度的土壤水分對降雨的響應(yīng)時間和速率存在顯著差異。當(dāng)降雨量未達(dá)到土壤水分響應(yīng)的閾值時，不同土壤深度的土壤水分對降雨沒有產(chǎn)生響應(yīng)。當(dāng)降雨量超過土壤水分響應(yīng)的閾值時，降雨量越大，不同土壤深度的土壤水分對降雨的響應(yīng)時間也越快，且表層土壤水分響應(yīng)時間快于底層。

表1 不同土壤深度對不同降雨量的響應(yīng)時間 h

4 討 論

4.1 不同降雨量對濕潤喀斯特地區(qū)冬季灌叢土壤水分的影響

相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果表明，濕潤喀斯特地區(qū)夏季土壤水分與降雨量的變化具有相關(guān)性，土壤水分隨有效降雨量的增大而增加[33-34]。在變化趨勢上，濕潤喀斯特地區(qū)冬季和夏季土壤水分的變化基本一致，但受降雨量大小、植被生長階段等不同的影響，變化程度具有較大的差異。夏季降雨量大，次數(shù)多，降雨對土壤水分的補(bǔ)給充分，但植被處于生長階段，需水量大，且氣溫高，蒸散發(fā)強(qiáng)烈，所以土壤水分變幅大。冬季則以小降雨量為主，氣溫低，大部分植被生長暫時停滯，降雨在被植被截留和地表枯落物吸收后，無法下滲，所以土壤水分低，變幅小。

本次實驗研究結(jié)果表明，冬季土壤水分整體上對降雨有一定的反饋，但對不同降雨量級的響應(yīng)差異較大。在總的14次降雨中，小于5.80 mm的12次降雨沒有對土壤水分產(chǎn)生影響，未呈現(xiàn)出土壤水分隨降雨量的增加而上升的變化，反而呈現(xiàn)出不波動，甚至有微小的下降。造成這個現(xiàn)象的主要原因可能是由于降雨量少(最小降雨量0.07 mm)，降雨時間長(最長降雨時間29.17 h)，降雨強(qiáng)度小(最小降雨強(qiáng)度0.11 mm/h)，降雨間隔時段較長，且濕潤喀斯特地區(qū)冬季常綠灌叢植被郁閉度仍較高，降雨被植被截留，加之地表枯落物層的吸收，導(dǎo)致降雨無法產(chǎn)生下滲，從而致使土壤水分的不波動和微小下降。大于20 mm的2次降雨，由于降雨量和強(qiáng)度大，對土壤水分補(bǔ)給顯著，土壤水分隨降雨量的增加而擴(kuò)大，且降雨量越大，影響土層的深度越深。但降雨量達(dá)到一定限度后，表層土壤水分達(dá)到飽和，下滲減少，降雨量對表層土壤水分的影響減弱，變幅減小。由于觀測中未監(jiān)測到6～20 mm的降雨，因此無法探知這一區(qū)段降雨量與土壤水分之間的變化關(guān)系，也未能找到冬季土壤水分對降雨響應(yīng)的閾值。

4.2 不同降雨強(qiáng)度對濕潤喀斯特地區(qū)冬季灌叢土壤水分入滲深度的影響

研究期間，14次降雨的強(qiáng)度均低于1 mm/h，其中土壤水分有響應(yīng)的是20.75和27.00 mm的2次降雨。2次降雨入滲深度雖然都達(dá)到20 cm，但響應(yīng)時間和土壤水分變化不同，這是由于降雨強(qiáng)度和土壤初期含水量不同造成的。結(jié)果表明，27.00 mm的降雨強(qiáng)度是20.75 mm的2.1倍，前者對土壤水分的補(bǔ)給量是后者的2倍，對降雨的響應(yīng)時間是后者的3.2倍；12月1日(20.75 mm)表層土壤水分(0～10 cm)的變化明顯高于1月6日(27.00 mm)，但10 cm以下土層的土壤水分和變化幅度高于12月1日。因此可以得出土壤水分入滲深度相同時，降雨強(qiáng)度越大，則響應(yīng)時間越快，對底層土壤水分的補(bǔ)給也越明顯；雨前土壤含水量越低，則降雨對表層土壤水分的補(bǔ)給越大，雨前土壤含水量越高，則降雨的入滲深度越大。

有研究結(jié)果表明，夏季濕潤喀斯特地區(qū)降雨強(qiáng)度越大，轉(zhuǎn)化成土壤水的量就越大，水分入滲越快，土壤水再分布影響的土層越深[35-37]。與本文所得出的濕潤喀斯特地區(qū)冬季不同降雨強(qiáng)度對灌叢土壤水分入滲深度的結(jié)果基本一致。只是冬季降雨少，強(qiáng)度小，降雨對土壤水分深度的補(bǔ)給和影響不及夏季。綜上所述，濕潤喀斯特地區(qū)冬季土壤水分入滲深度主要靠降雨強(qiáng)度適中、歷時長、雨量大的降雨。

4.3 降雨格局對濕潤喀斯特地區(qū)冬季灌叢植被生長的影響

濕潤喀斯特地區(qū)夏季和冬季降雨分別呈現(xiàn)出雨熱同期和以小降雨事件為主的降雨格局。夏季降雨集中，降雨量大，次數(shù)多，強(qiáng)度大，對不同深度的土壤水分補(bǔ)給充分，能滿足各類植被生長需求。冬季降雨則以小降雨事件為主，占冬季降雨事件的絕大部分。在植被截留等多種因素的共同影響下，降雨多為無效降雨，難以對土壤水分進(jìn)行有效補(bǔ)給，以致于灌叢植被無法汲取充足的水分支撐其生長。特別是淺根系灌叢植被，在無效降雨條件下，表層土壤水分受蒸散發(fā)的影響容易損失且難以得到補(bǔ)給，可能造成植被因缺水而枯死。濕潤喀斯特地區(qū)因為特殊的地質(zhì)和氣候環(huán)境，是受氣候變化影響的生態(tài)脆弱地區(qū)之一。隨著世界氣候的變化，對未來氣候的預(yù)測主要為極端降雨事件和極端干旱事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度將會增加，表現(xiàn)在降雨格局上為小降雨事件的減少，大降雨事件的增加[38-41]?；谖磥須夂蜃兓念A(yù)測，小降雨事件的減少將進(jìn)一步導(dǎo)致濕潤喀斯特地區(qū)冬季土壤表層干旱化，而大降雨事件的增加，將進(jìn)一步促使深層土壤水分得到有效補(bǔ)給，顯著改善深層土壤水狀況，所以淺根型植被會因汲取不到充足的水分而逐漸衰敗，而深根型植被則會擴(kuò)展其生存空間，成為本地區(qū)主要的優(yōu)勢植被類型。

5 結(jié) 論

通過分析降雨量、降雨強(qiáng)度對喀斯特地區(qū)灌叢植被土壤水分變化的影響，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)土壤水分變化趨勢可以將冬季灌叢土壤水分變化劃分為3個階段：土壤水分消退期、土壤水分上升期、土壤水分平穩(wěn)期。

(2)冬季，受植被截留、地表枯落物吸收等因素的共同影響，小降雨事件導(dǎo)致灌叢土壤水分得不到有效補(bǔ)給，表現(xiàn)出平穩(wěn)或微減的變化；大降雨事件對灌叢土壤水分起到有效補(bǔ)給,能夠促使更多水分向深層滲透，顯著改善深層灌叢土壤水分狀況。

(3)冬季灌叢土壤水分的入滲深度，主要受強(qiáng)度適中、歷時長、雨量大的降雨影響，且雨前土壤含水量越高，則降雨的入滲深度越大。

(4)研究結(jié)果能為濕潤喀斯特地區(qū)灌叢植被恢復(fù)提供一定的理論指導(dǎo)。