石漠化地區(qū)土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素

王忠云，宋燕平，喻陽華*，郭 松

(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.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】喀斯特石漠化是制約我國(guó)西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[1]。雖然該區(qū)降水豐沛，但長(zhǎng)期強(qiáng)烈的巖溶作用產(chǎn)生了獨(dú)特的地表地下二元三維結(jié)構(gòu)，使水資源漏失、深埋，加之降水時(shí)空分布不均，土層淺薄、土被不連續(xù)、土壤持水性能低，使得土壤水分虧缺成為該區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要障礙因子[2]。土壤水是土壤的重要組成部分，是作物吸水的最主要來源，通常用土壤含水率來表征土壤水分狀況[3]。土壤水分不僅是氣候、植被、地形及土壤結(jié)構(gòu)等的綜合反映[4]，還是土壤侵蝕過程、植被生長(zhǎng)與恢復(fù)的主要影響因子，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡及穩(wěn)定起著決定作用[5]。因此，對(duì)石漠化地區(qū)土壤含水率動(dòng)態(tài)變化的影響因素進(jìn)行研究，對(duì)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建具有顯著意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有研究表明，石叢廣泛分布區(qū)域的土壤水分含量較低[6-7]，喀斯特洼地剖面含水率總體較高，土壤含水率受土壤質(zhì)地影響[8]。不同土地利用類型土壤水分存在明顯差異，土壤含水狀況受土地利用方式的影響[9-10]，耕作方式、灌溉等人為因素在一定程度上會(huì)削弱土壤含水率的空間穩(wěn)定性[11]。土壤理化性質(zhì)是影響土壤含水率的直接因素[12]，土壤容重、孔隙度、粘粒含量與有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤含水率的主要因素[13]。土壤濕度的變化與氣象要素密切相關(guān)，其中，降水量、大氣溫度、大氣濕度是土壤含水率的主要控制因子[14-15]；西南喀斯特山區(qū)土壤水分具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性，該特性與該區(qū)復(fù)雜多變的地形地貌、植被類型和多樣的小生境等密切相關(guān)[16-17]。【本研究切入點(diǎn)】已有研究表明，土壤含水率受諸多因素的影響，但針對(duì)石漠化地區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤水分的調(diào)控效應(yīng)及其影響機(jī)理的研究較少，限制了對(duì)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的調(diào)控?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過研究喀斯特地區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化對(duì)土地管理措施的響應(yīng)規(guī)律，探討引起土壤水分變化的因子及其影響機(jī)理，旨在為制定石漠化生態(tài)修復(fù)區(qū)的農(nóng)業(yè)工程措施和選擇生態(tài)重建模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于關(guān)嶺縣沙營(yíng)鎮(zhèn)養(yǎng)牛村(25°57′59.11″N，105°23′28.14″E)，海拔1190～1350 m，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.3 ℃，年均降水量1597 mm，雨水季節(jié)分配不均，冬春旱及伏旱嚴(yán)重，全年無霜期≥269 d，河谷低地處終年無霜。研究區(qū)內(nèi)地表破碎、石漠化嚴(yán)重，屬典型的喀斯特山區(qū)，土壤以石灰土為主。由于生態(tài)環(huán)境退化，使土地利用類型受限，主要人工植被有玉米、花椒與核桃等。

1.2 材料

研究區(qū)地表裸露、草被覆蓋和施用有機(jī)肥3種類型的土壤，均以石灰土為主，土壤厚度均為25 cm。樣地基本情況詳見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of sample plots

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)土壤類型試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，分別為草被覆蓋、施用有機(jī)肥和地表裸露(對(duì)照)，每個(gè)類型各設(shè)3塊樣地。2018年8月中下旬于每天8:00、10:00、12:00、14:00、16:00和18:00對(duì)3種類型土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每塊樣地在測(cè)定前澆足水分，測(cè)定初始含水率。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定 測(cè)定指標(biāo)包括土壤含水率、土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度及光照強(qiáng)度等。土壤含水率和土壤溫度用TR-6土壤溫濕度儀測(cè)定，光照強(qiáng)度用SW-582型便攜式數(shù)字式照度計(jì)測(cè)定，大氣溫度和大氣濕度用SW-572型便攜式高精度溫濕度計(jì)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。其中，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)不同處理的土壤含水率、土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度、光照強(qiáng)度進(jìn)行差異性檢驗(yàn)；最小顯著性差數(shù)法(Least-Significant Difference，LSD)進(jìn)行多重比較；Pearson法分析所有指標(biāo)之間的相關(guān)性(P<0.05記為差異達(dá)顯著水平，P<0.01記為差異達(dá)極顯著水平)；一般線性模型分析連續(xù)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)不同處理對(duì)土壤含水率動(dòng)態(tài)變化的影響；通徑分析方法分析土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度、光照強(qiáng)度對(duì)土壤含水率的影響，通徑系數(shù)表示各指標(biāo)對(duì)土壤含水率的直接作用，間接通徑系數(shù)表示間接作用；利用Origin 8.6制圖。

線性回歸方程模型：w=at+b;

間接通徑系數(shù)：IPxixj=Rxixj×Pxi;

共同決定系數(shù)：Dxixj=2×Rxixj×Pxi×Pxj。

式中，w為土壤含水率，t為時(shí)間，Rxixj為2個(gè)指標(biāo)xi和xj之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，Pxi為指標(biāo)xi對(duì)土壤含水率的通徑系數(shù)，Pxj為指標(biāo)xj對(duì)土壤含水率的通徑系數(shù)，IPxixj為xi通過xj對(duì)土壤含水率的間接通徑系數(shù)，Dxi為指標(biāo)xi對(duì)土壤含水率的決定系數(shù)，Dxixj為某2個(gè)指標(biāo)xi和xj對(duì)土壤含水率的共同決定系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同管理方式土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化特征

由表2看出，3種類型土壤的土壤含水率動(dòng)態(tài)變化特征與時(shí)間變化之間的線性回歸方程依次為w地表裸露=-0.005t+43.765(P=0.792)、w施用有機(jī)肥=-0.085t+34.859(P=0.001)和w草被覆蓋=-0.048t+43.639(P=0.007)，其中，地表裸露土壤含水率對(duì)時(shí)間變化的響應(yīng)無明顯規(guī)律(P>0.05)，施用有機(jī)肥與草被覆蓋處理土壤含水率動(dòng)態(tài)變化特征與時(shí)間變化之間呈顯著線性關(guān)系(P<0.01)。將直線方程的斜率定義為土壤含水率對(duì)時(shí)間的變化幅度，則以施用有機(jī)肥變化幅度較大，回歸系數(shù)為-0.085；施用有機(jī)肥與草被覆蓋2種處理土壤含水率隨時(shí)間變化的解釋率分別為42.2 %和31.3 %，說明，理論模型能較好地反映土壤水分的動(dòng)態(tài)變化特征。

表2 不同管理方式土壤含水率隨時(shí)間變化的線性回歸分析Table 2 Linear regression analysis of soil moisture content changing with time under different management pattern

2.2 各影響因子對(duì)土壤含水率動(dòng)態(tài)變化的影響

2.2.1 土壤含水率、土壤溫度、光照強(qiáng)度、大氣溫度及大氣濕度間的相關(guān)性 由表3可知，土壤含水率與各指標(biāo)之間的相關(guān)性為大氣濕度(0.169)>光照強(qiáng)度(0.095)>土壤溫度(-0.039)>大氣溫度(-0.110)，土壤含水率與大氣濕度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與其他氣象因子間的相關(guān)性不顯著。土壤溫度、光照強(qiáng)度、大氣溫度及大氣濕度間呈極顯著相關(guān)，其中，光照強(qiáng)度與大氣溫度、大氣溫度與大氣濕度、土壤溫度與光照強(qiáng)度、土壤溫度與大氣濕度間呈反向作用效應(yīng)，土壤溫度與大氣溫度、光照強(qiáng)度與大氣濕度間呈增強(qiáng)效應(yīng)，且土壤溫度與大氣溫度的增強(qiáng)效應(yīng)最大。土壤溫度與大氣溫度、大氣濕度，大氣濕度與大氣溫度間的關(guān)系較密切。

表3 不同管理方式土壤含水率與土壤溫度、光照強(qiáng)度、大氣溫度、大氣濕度的相關(guān)性Table 3 The correlation among soil moisture content,soil temperature,light intensity,air temperature and air humidity

2.2.2 土壤含水率各影響因子的通徑分析 由表4可知，各影響因子對(duì)土壤含水率的直接作用依次為大氣濕度(1.041)>土壤溫度(0.524)>大氣溫度(0.460)>光照強(qiáng)度(0.146)，以大氣濕度對(duì)土壤含水率的直接作用最大，土壤溫度和大氣溫度次之，光照強(qiáng)度的效應(yīng)最小。間接通徑系數(shù)表明，各指標(biāo)通過彼此影響對(duì)土壤含水率產(chǎn)生的間接作用各不相同，大氣濕度通過土壤溫度、大氣溫度對(duì)土壤含水率的間接負(fù)作用最大(-0.922和-0.990)，土壤溫度通過大氣溫度對(duì)土壤含水率的間接正作用最大(0.456)。結(jié)合指標(biāo)之間的相關(guān)性得出：與大氣濕度相關(guān)性越高的指標(biāo)，大氣濕度通過該指標(biāo)對(duì)土壤含水率起作用的間接通徑系數(shù)越大；與土壤溫度相關(guān)性越高的指標(biāo)，土壤溫度通過該指標(biāo)對(duì)土壤含水率起作用的間接通徑系數(shù)也越大。

2.2.3 土壤含水率各影響因子的決定系數(shù) 從表5看出，各指標(biāo)對(duì)土壤含水率的單獨(dú)決定系數(shù)為大氣濕度(1.084)>土壤溫度(0.275)>大氣溫度(0.212)>光照強(qiáng)度(0.021)，差異顯著，大氣濕度的決定作用較大，土壤溫度和大氣溫度其次，光照強(qiáng)度的決定作用最?。淮髿鉂穸扰c土壤溫度、大氣濕度與大氣溫度對(duì)土壤含水率的共同決定作用相對(duì)較大，決定系數(shù)(絕對(duì)值)分別為0.967和0.911；大氣溫度與土壤溫度共同對(duì)土壤含水率的決定作用其次，決定系數(shù)為0.419。各指標(biāo)對(duì)土壤含水率的總決定系數(shù)為0.118，表明各指標(biāo)僅解釋了土壤含水率11.8 %的變化。

表5 土壤溫度、光照強(qiáng)度、大氣溫度、大氣濕度對(duì)土壤含水率的決定系數(shù)Table 5 Determinant coefficient of soil temperature,light intensity,air temperature and air humidity to soil moisture content

3 討 論

3.1 石漠化地區(qū)不同管理方式土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征

不同土地利用類型因其在攔蓄降水、水分蒸散及土壤改良功能等方面存在差異，導(dǎo)致土壤水分呈現(xiàn)時(shí)空異質(zhì)性[18]。該研究在連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，地表裸露土壤水分隨時(shí)間的變化規(guī)律不明顯，可能與地表裸露缺乏植物參與水分生態(tài)調(diào)控有關(guān)[19]。施用有機(jī)肥與草被覆蓋處理，土壤水分變化動(dòng)態(tài)具有可預(yù)測(cè)性，且有機(jī)肥的變幅更大。原因可能是有機(jī)肥礦質(zhì)化與腐殖化過程在改善土壤肥力和土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、提高養(yǎng)分利用效率的同時(shí)，也提高了土壤持水性能，增強(qiáng)了對(duì)土壤水分的蓄存效應(yīng)[20-21]；草被覆蓋可以通過冠層截持降雨作用、降溫保濕作用及植被蒸騰作用等影響降雨的分配格局，增加其下滲量，減緩?fù)寥浪终舭l(fā)速率，從而達(dá)到對(duì)土壤水分的保蓄、調(diào)節(jié)作用[22]。而施用有機(jī)肥土壤含水率變幅較大的原因可能是施用有機(jī)肥后，在植物蒸騰、土壤蒸發(fā)和氣候變化等諸多因子的共同作用下，有機(jī)肥的多孔性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其與土壤之間存在不確定的水勢(shì)梯度差異，對(duì)土壤水分的吸附、釋放作用較為明顯，引起土壤水分在較大幅度內(nèi)波動(dòng)。

3.2 石漠化地區(qū)土壤含水率變化影響因素分析

氣象因素對(duì)土壤含水率的變化常起著決定性作用[23-24]；在土壤水分上升、氣溫持續(xù)下降情況下，降雨、大氣溫度、土壤溫度、大氣濕度、太陽輻射是影響土壤水分變化的主要因子[25]。研究結(jié)果表明，大氣濕度與土壤含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且對(duì)土壤含水率的直接與間接作用最大。原因可能是該研究觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，受降雨影響，溫度下降幅度較大、大氣濕度提高[26]，充足的氣態(tài)水為土壤水分的蓄存提供充分條件，從而對(duì)土壤含水率產(chǎn)生顯著的直接影響。同時(shí)，大氣濕度對(duì)土壤含水率產(chǎn)生間接作用的原因?yàn)榇髿鉂穸韧ㄟ^降低土壤溫度減緩?fù)寥浪终舭l(fā)、降低植物蒸騰速率，對(duì)土壤水分的蓄積產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)，從而提高了土壤含水率。土壤溫度是太陽輻射平衡和土壤熱量平衡共同作用的結(jié)果[27]，是影響土壤水分運(yùn)移的關(guān)鍵因素之一。研究結(jié)果顯示，土壤溫度與土壤含水率相關(guān)性不強(qiáng)，與前人研究結(jié)果[28-29]不完全一致，但其對(duì)土壤含水率的直接作用、決定系數(shù)較大，可能與觀測(cè)數(shù)據(jù)期間土壤含水率受降雨影響，土壤溫度對(duì)其含水率的影響效應(yīng)被削弱有關(guān)。在降雨天氣光照時(shí)長(zhǎng)較短，太陽輻射通量較低，導(dǎo)致光照強(qiáng)度對(duì)該區(qū)域小氣候形成的貢獻(xiàn)度不高，進(jìn)而導(dǎo)致其對(duì)土壤含水率的影響不顯著?？傮w上，土壤含水率受各指標(biāo)共同影響較小，原因可能是喀斯特地區(qū)異質(zhì)性高，引起土壤水分變化的因素包括土壤類型、地形因子、土地利用方式等[30-31]，小生境的異質(zhì)性可能是限制土壤水分動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵因子。因此，下一步研究中，應(yīng)結(jié)合土壤類型、氣象要素、地形地貌等因素，綜合評(píng)價(jià)不同環(huán)境條件對(duì)土壤含水率的影響機(jī)理及貢獻(xiàn)率。

3.3 石漠化生態(tài)修復(fù)區(qū)土地資源高效利用策略

土壤水是喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)重建的主要限制因素[32]，對(duì)石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及其穩(wěn)定性起決定作用[33]。若土壤水分處于長(zhǎng)期虧缺狀態(tài)，將影響植被生態(tài)需水的調(diào)節(jié)和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。因此，采取措施提高土壤對(duì)水分的調(diào)蓄能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)石漠化生態(tài)修復(fù)區(qū)土地資源高效利用意義重大。該研究結(jié)果表明，與地表裸露相比，施用有機(jī)肥以及草被覆蓋兩種處理可以有效調(diào)控土壤水分的變化，提高土壤持水性。有研究表明，石漠化地區(qū)喬灌草群落相比藤刺灌草群落而言，對(duì)小氣候的改善具有明顯作用[34]；種植生態(tài)經(jīng)濟(jì)型植物有助于改善土壤的結(jié)構(gòu)性能，從而提高土壤的持水性能，進(jìn)而發(fā)揮蓄水保土的生態(tài)效益，加速域的植被恢復(fù)過程[35]；在石漠化地區(qū)水土保持治理模式中農(nóng)林混合模式下土壤的理化性質(zhì)狀況、小氣候效應(yīng)等各項(xiàng)指標(biāo)均較好，有利于喀斯特石漠化的治理[36]。同時(shí)，土壤水分與養(yǎng)分的有效供給密切相關(guān)[37]，土壤的理化屬性影響其對(duì)水分的儲(chǔ)蓄能力。因此，將不同植被恢復(fù)重建模式和水肥綜合管理結(jié)合起來進(jìn)行喀斯特石漠化地區(qū)治理，可以提高水肥利用效率，改善生態(tài)環(huán)境條件。

4 結(jié) 論

施用有機(jī)肥與草被覆蓋可以有效調(diào)控土壤水分變化幅度，對(duì)石漠化生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤水分的利用具有重要作用。土壤溫度、大氣溫度、大氣濕度、光照強(qiáng)度對(duì)土壤含水率的影響為大氣濕度>土壤溫度>大氣溫度>光照強(qiáng)度，差異顯著，總決定系數(shù)為0.118；大氣濕度與土壤溫度對(duì)土壤含水率的共同影響最大，決定系數(shù)為0.967(絕對(duì)值)。鑒于石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性與異質(zhì)性，應(yīng)綜合考慮地形地貌、氣象要素及土壤類型等因素對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化的影響，并結(jié)合不同植被覆蓋、水肥優(yōu)化組合，探討適應(yīng)石漠化生態(tài)修復(fù)區(qū)的農(nóng)業(yè)工程措施和生態(tài)重建模式。