武陵山區(qū)旱地?zé)熖锿寥浪值臅r空分布特征

肖慶禮，孫蘭茜，代先強，陳昆燕，楊石猛，汪長國，楊超，戴亞*，丁偉*

1 西南大學(xué)，植物保護學(xué)院，重慶市北碚區(qū)天生路2號 400715；

2 重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶市南岸區(qū)南坪東路2號 400060；

3 煙葉資源科學(xué)利用重慶市重點實驗室，重慶市南岸區(qū)南坪東路2號 400060；

4 重慶市煙草公司，重慶市江北區(qū)五江路20號 400020

武陵山區(qū)屬于典型的巖溶地貌，山多地少，農(nóng)村脫貧攻堅任務(wù)艱巨，是我國14個集中連片特困地區(qū)之一[1]?？緹熓俏淞晟絽^(qū)主要的經(jīng)濟作物之一，大量農(nóng)村留守家庭依靠種植烤煙實現(xiàn)脫貧增收，因此烤煙種植在當?shù)剞r(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要地位[2-3]。近年來，隨著用工成本的大幅提升，戶均規(guī)模的明顯增加以及青壯年勞動力的大量外流，導(dǎo)致本區(qū)以蓋膜-揭膜-培土上廂為代表的精耕細作栽培模式逐漸簡化成了終生覆膜模式[4]。這雖然有利于壟體土壤增溫保墑促進煙株早發(fā)[5-6]，但同時也阻礙了降雨對壟體土壤水分的補給，加之本區(qū)7月份經(jīng)常遭遇伏旱天氣的影響[7]，這進一步加劇了煙田旱情，導(dǎo)致煙葉的產(chǎn)質(zhì)量嚴重受損，煙農(nóng)收益大幅下降。因此，揭示終生覆膜條件下武陵山區(qū)旱地?zé)熖锿寥浪值臅r空分布規(guī)律，對于該區(qū)煙田的抗旱栽培技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

煙株的生長發(fā)育以及煙葉產(chǎn)質(zhì)量的形成與煙田的水分供應(yīng)密切相關(guān)[8]，但煙株的生育期不同，對水分的需求也存在較大不同[9-10]。伸根期是煙株根系生長發(fā)育的重要時期，適度控水可促使根系向土層縱深處發(fā)展[4]；旺長期是煙株生長最旺盛，干物質(zhì)積累最多的時期，同時也是蒸騰作用最強，煙田耗水最多的時期，供水充足可保障煙株營養(yǎng)均衡，株型發(fā)育正常，葉片充分伸展[4,11]；成熟期是煙葉品質(zhì)最終形成的時期，適當控水可保障煙葉分層落黃，化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)[4]。總體而言，伸根期保證土壤含水率占田間最大持水量的60%，旺長期占80%、成熟期占60%～70%對煙株的生長發(fā)育最為適宜[4,8]。

目前，在煙田土壤水分方面的研究主要集中在灌水與煙株發(fā)育[12]、水分調(diào)控與煙葉產(chǎn)質(zhì)量[9]、土壤改良與土壤水庫擴容[13]等方面，但在煙田土壤水分時空分布方面的研究鮮有報道。武陵山區(qū)旱地?zé)熖镏饕植荚诟吆０蔚貐^(qū)，灌溉設(shè)施較為缺乏，煙田耗水主要來自于天然降水。雖然煙區(qū)降水量較為充足，但時空分布嚴重不均，伏旱天氣時常發(fā)生，煙株生長經(jīng)常面臨水分短缺的風(fēng)險。加之起壟改變了煙田的微地形，終生覆膜又阻礙了壟體土壤與外界的水分聯(lián)系，使得煙田土壤水分的時空分布更加復(fù)雜，這更加劇了伏旱天氣下煙田土壤水分的虧缺?；诖?，本文以武陵山區(qū)旱地?zé)熖餅檠芯繉ο螅猛寥浪值戎稻€圖、時間穩(wěn)定性分析和相關(guān)性分析等方法研究了土壤水分的時空分布規(guī)律，可為本區(qū)煙田的抗旱栽培技術(shù)研究提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于武陵山區(qū)腹地的重慶市彭水縣潤溪鄉(xiāng)白果坪村（107° 57′ 45″ E，29° 08′ 48″ N），屬中亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有春早多夜雨，夏熱多伏旱，秋涼多綿雨，冬冷少霜雪，總體雨量充沛集中，光照偏少云霧多等氣候特點。該區(qū)年均氣溫17.5℃，年平均降雨量1 104 mm，年平均蒸發(fā)量950 mm，降雨量略大于蒸發(fā)量[14]。該區(qū)屬于典型的喀斯特巖溶地貌，地下水位較深，地形起伏，溝壑縱橫，低階地、坡麓、巖溶洼地及小型山間盆地犬牙交錯。主要土壤類型為旱地黃壤，土層淺薄，水土流失較為嚴重。

1.2 樣點布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

在研究區(qū)選取典型的小型山間盆地作為試驗區(qū)，盆地長約520 m，寬50～150 m，為東北—西南走向，且東北至西南有一個約5°的緩坡。煙田土壤類型為旱地黃壤，土層厚度40～100 cm不等?？緹煵捎脡抛髟耘?，采用邊起壟邊覆膜的方式進行。壟體高度約為30 cm，壟體寬度約為85 cm，壟溝寬度約為25 cm。4月下旬完成起壟蓋膜工作，5月1日—7日完成移栽工作，烤煙品種為云煙87。起壟和移栽期間煙田土壤墑情較好，壟體與壟溝土壤平均含水量分別為0.446 cm3.cm-3和0.583 cm3.cm-3。移栽密度約16 500株/hm2，株行距為55×110 cm。初花期打頂，有效留葉數(shù)為19～21片。其它大田管理措施按優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)要求進行。煙田無灌溉條件，烤煙耗水全部來自降雨。

在盆地東北-西南方向依次布設(shè)20個監(jiān)測樣點，樣點間隔距離為25 m（圖1b）。每個樣點分別在壟體兩植株中間和壟溝中央各確定1個測點（圖1c），壟體20個，壟溝20個，樣帶合計共40個測點。采用土鉆獲取每個測點不同深度的土樣，測點土壤的取樣深度分別為0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm。土樣放進烘箱，在溫度105℃條件下連續(xù)用時24 h，測定土樣的水分含量。2018年5月—9月烤煙生長期間共取樣13次，取樣間隔時間10 d左右。

圖1 （a）研究區(qū)位置、（b）樣帶布設(shè)示意圖、（c）壟體與壟溝取樣點示意圖Fig. 1 (a) Location of the study area, (b) The layout of the experimental plot, (c) Schematic diagram of sampling points

在測定土壤水分的同時，對所有測點對應(yīng)土層取土樣，用吸管法測定樣品的機械組成。利用環(huán)刀在壟體和壟溝對應(yīng)土層取原狀土，并用稱重法測定原狀土的容重（表1）。

表1 研究區(qū)土壤物理性質(zhì)Tab. 1 Soil physical properties in the study area

氣象資料來自于研究區(qū)附近的氣象站。2018年試驗期間有效降雨為28次，總降雨量約為600 mm，但7月7日至7月29日研究區(qū)經(jīng)歷了持續(xù)23天的高溫伏旱天氣，煙田缺水較為嚴重。降水與平均溫度詳見圖2。

圖2 降雨量和平均溫度的時間序列特征Fig. 2 Time series characteristics of rainfall and average temperature

1.3 研究方法

根據(jù)Vachaud等[15]的研究，土壤水分的時間穩(wěn)定性可以使用相對偏差法描述。特定樣點的時間穩(wěn)定性可以用平均相對偏差的標準差表示。給定時間特定樣點特定土層土壤含水量的相對偏差δikj可以由下式計算得出：

對于任意樣點i的平均相對偏差 （MRD）和平均相對偏差的標準偏差δij（SDRD）分別為：

式中，i代表樣點位置（i=1, 2, 3, ……20），j代表土層（j=1, 2, 3），k代表測定次數(shù)（k=1, 2, 3, ……M），為時間k時，j土層的平均土壤含水量，計算公式為：

代表性樣點的土壤含水量通常與研究區(qū)的平均含水量接近[16]。時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS）[17]可以直接描述這一關(guān)系，公式如下：

時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS）可以作為單一指標來識別研究區(qū)域平均含水量的最佳樣點，同時，該樣點具有較好的時間穩(wěn)定性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用回歸方程的決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均偏差（MBE）評價代表性樣點和對應(yīng)土層平均土壤含水量之間的差異性：

RMSE和MBE越接近于0，說明代表性樣點的土壤含水量與對應(yīng)土層平均含水量關(guān)系越密切，差異性較小。

采用Excel 2013和Surfer11.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS Statistics 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的動態(tài)變化

圖3為研究區(qū)壟體與壟溝不同土層土壤水分的等值線圖。從圖3可以看出，烤煙生長期間，壟體表層（0～10 cm）土壤水分含量始終維持在相對較低水平，且等值線較為稀疏平滑；壟體中層（10～20 cm）土壤水分含量較表層（0～10 cm）土壤有了明顯增加，等值線也由表層土壤平滑的條帶狀為主過渡到破碎化程度較高的斑塊狀；壟體下層（20～30 cm）土壤水分含量較中層（10～20 cm）又有了明顯的增加，并且等值線的破碎化程度進一步增大。與壟體土壤相比，壟溝土壤同樣具有隨土層深度增加水分含量逐漸增大的趨勢，不同的是壟溝土壤土層之間的水分差異較壟體土壤明顯縮小。壟溝各層土壤水分等值線均呈破碎化程度較高的斑塊狀，這也與壟體土壤存在較大差異。總體而言，壟體表層土壤（0～10 cm）與壟溝表層土壤（0～10 cm）的水分含量與等值線圖均差異最大，中層土壤（10～20 cm）次之，下層（20～30 cm）土壤最??；壟體土壤水分含量也明顯低于壟溝土壤。

從圖3還可以看出，5-9月份烤煙生長期間，壟體表層土壤（0～10 cm）月平均含水量分別為0.365、0.342、0.261、0.271和0.290 cm3.cm-3，壟體中層土壤（10～20 cm）月平均含水量分別為0.440、0.417、0.321、0.344和0.368 cm3.cm-3，壟體下層土壤（20～30 cm）月平均含水量分別為0.526、0.506、0.406、0.433和0.456 cm3.cm-3；壟溝表層土壤（0～10 cm）月平均含水量分別為0.572、0.490、0.401、0.464和0.484 cm3.cm-3，壟溝中層土壤（10～20 cm）月平均含水量分別為0.605、0.540、0.462、0.510和0.515 cm3.cm-3，壟溝下層土壤（20～30 cm）月平均含水量分別為0.622、0.562、0.486、0.525和0.539 cm3.cm-3。因此，在5、6月和8、9月份，壟體和壟溝各層土壤均具有相對較高的含水量，但在7月份，各層土壤的含水量均處于最低值。

圖3 烤煙生長期間監(jiān)測樣帶（a、b、c為壟體土層0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm；d、e、f為壟溝土層0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm）土壤水分的動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of soil moisture of ridge ( a. 0～10 cm, b. 10～20 cm and c. 20～30 cm) and furrow( d. 0～10 cm, e. 10～20 cm and f. 20～30 cm) on the transect during the growth of flue-cured tobacco

2.2 土壤水分的時間穩(wěn)定性分析

由圖4可知，壟體剖面三層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）平均相對偏差分別介于-9.69%～9.20%、-8.38%～6.99%和-12.10%～8.15%，平均相對偏差的標準差分別介于4.04%～11.13%、4.18%～9.15%和2.75%～10.73%；壟溝剖面三層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）平均相對偏差分別介于-9.81%～8.31%、-10.66%～11.87%和-13.18%～15.55%，平均相對偏差的標準差分別介于2.61%～12.87%、3.19%～9.18%和2.60%～10.92%。時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS）越小，說明測點土壤水分的時間穩(wěn)定性越好，其最小值即可作為代表性樣點[17]。因此，三層土壤（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）代表性樣點分別為：壟體（樣點19、10和16）和壟溝（樣點17、14和11）。

圖 4 土壤水分的平均相對偏差Fig. 4 Ranked mean relative differences (MRD) of soil water contents

圖5a顯示的是40個測點3個土層土壤水分的平均相對偏差值。從圖5a可知，壟體0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層土壤含水量平均相對偏差的極差值分別為18.89%、15.37%和20.25%。壟溝0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層土壤含水量平均相對偏差的極差值分別為18.12%、22.53%和28.73%。壟溝土壤水分平均相對偏差的極差值隨土壤深度的增加而逐漸增大，而壟體則是中層土壤最小，上層次之，底層最大。

圖5 所有樣點土壤水分的平均相對偏差（a）和時間穩(wěn)定性指數(shù)（b）的累積值Fig. 5 Histogram of cumulative values of mean relative difference (MRD, a) and index of temporal stability (ITS, b) for all sampling points

圖5b顯示的是所有測點累積的時間穩(wěn)定性指數(shù)值。從圖5b可知，壟體剖面三層土壤累積的時間穩(wěn)定性指數(shù)最大值（樣點1）為36.04%，最小值（樣點10）為14.12%，平均值為23.39%；壟溝剖面三層土壤累積的時間穩(wěn)定性指數(shù)最大值（樣點10）為39.24%，最小值（樣點14）為15.23%，平均值為25.19%。壟體土壤水分的時間穩(wěn)定性與壟溝土壤基本相似。就各層土壤而言，壟體表層土壤（0～10 cm）時間穩(wěn)定性指數(shù)值最大，底層（20～30 cm）次之，中層（10～20 cm）最??；而壟溝底層土壤（20～30 cm）時間穩(wěn)定性指數(shù)值最大，中層（10～20 cm）次之，表層（0～10 cm）最小。壟體不同深度土壤水分的時間穩(wěn)定性與壟溝土壤存在明顯差異。

2.3 代表性樣點的合理性檢驗

圖6顯示的是代表性樣點土壤含水量與對應(yīng)土層的平均含水量之間的關(guān)系。壟體剖面三層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.948、0.955和0.855，均方根誤差（RMSE）分別為0.011、0.015和0.019 cm3.cm-3，平均偏差（MBE）分別為-0.001、0.004和-0.004 cm3.cm-3；壟溝剖面三層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.925、0.870和0.900，均方根誤差（RMSE）分別為0.016 cm3.cm-3、0.018 cm3.cm-3和0.017 cm3.cm-3，平 均 偏差（MBE）分別為0.001 cm3.cm-3、0.007 cm3.cm-3和0.010 cm3.cm-3。代表性樣點土壤含水量與對應(yīng)土層平均含水量之間較高的決定系數(shù)（R2≥0.855），趨近于零的均方根誤差（RMSE≤0.019）和平均偏差（|MBE|≤0.010）說明可以用代表性樣點的含水量表征對應(yīng)土層的平均含水量。

圖6 代表性樣點的含水量與平均含水量的比較Fig. 6 Comparison of soil water content measured at the most time-stable location (MTSL) and mean water contentwith the estimated values

2.4 利用代表性樣點分析煙田土壤水分之間的關(guān)系

由表2可知，壟體剖面3層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）兩兩之間均存在顯著性正相關(guān)（P＜0.01），壟溝剖面三層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）兩兩之間也存在類似規(guī)律。

表2 壟體和壟溝3個土層代表性樣點土壤水分的相關(guān)性分析Tab. 2 Correlation analysis of soil water content in three representative soil layers of ridge and furrow

由表3可知，壟體剖面三層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）與壟溝剖面三層土壤水分（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）兩兩之間均存在顯著性正相關(guān)（P＜0.01）。就相關(guān)系數(shù)而言，壟體表層土壤（0～10 cm）與壟溝底層土壤水分（20～30 cm）之間的相關(guān)系數(shù)值最大，壟體表層土壤（0～10 cm）與壟溝中層土壤（10～20 cm）之間的相關(guān)系數(shù)次之，壟體表層土壤（0～10 cm）與壟溝表層土壤（0～10 cm）之間的相關(guān)系數(shù)最小。壟體中、下層土壤（10～20 cm和20～30 cm）與壟溝土壤水分之間也存在類似規(guī)律。

表3 壟體和壟溝之間3個土層代表性樣點土壤水分的相關(guān)性分析Tab. 3 Correlation analysis of soil water content in three representative soil layers of ridge and furrow between ridge and furrow

3 討論

土壤水分與降水[18]、蒸發(fā)蒸騰[19]、地形[20]、土層厚度[21]以及覆蓋[22]等因素密切相關(guān)。本研究顯示，壟體與壟溝土壤水分均隨土層深度的增加而增大，這與很多研究結(jié)果基本一致[23-24]。雖然烤煙生長期間總降水量高達600 mm（圖2），但壟體上中層（0～20 cm）土壤水分含量始終維持在相對較低值，且等值線也較為稀疏平滑，這與其他學(xué)者的研究明顯不同[25]，其原因可能是烤煙生長期間，壟體土壤始終被地膜覆蓋，地膜的存在阻隔了降水直接進入壟體[26]，加之烤煙屬于高耗水作物，且根系主要分布在壟體0～20 cm的耕作層[4]，壟體土壤水分持續(xù)被煙株根系大量吸收，并通過蒸騰作用散失到大氣中。壟體底層（20～30 cm）土壤水分含量相對較高，且等值線破碎化程度較高，其原因可能是底層土壤煙株根系分布較少，這大幅降低了底層土壤的水分消耗，巖溶地區(qū)淺薄多變的土層厚度也對底層土壤水分的空間分布產(chǎn)生較大影響[21]。與壟體不同，壟溝各層土壤水分含量均持續(xù)維持在相對較高值，等值線的破碎化程度也呈更高的斑塊狀，這也與其他學(xué)者的研究結(jié)果存在較大差異[27-28]，這主要是由于起壟改變了植煙農(nóng)田的微地形，地膜覆蓋把壟體攔截的降水匯集到壟溝，壟溝土壤經(jīng)常在短時間內(nèi)匯集大量降水[29]；植煙農(nóng)田在樣帶尺度上坡度的變化導(dǎo)致壟溝土壤地表徑流的不同，進而造成水分入滲產(chǎn)生較大差異[30]，諸多因素的疊加最終導(dǎo)致了壟溝各層土壤水分等值線更加復(fù)雜多變，這也是本研究與其它研究結(jié)果不同的原因所在[31]。雖然壟體與壟溝土壤水分存在較大差異，但在7月份均出現(xiàn)水分大幅降低的現(xiàn)象，這與本區(qū)的氣候因素密切相關(guān)。2018年7月研究區(qū)遭受持續(xù)二十多天的高溫伏旱天氣，劇烈的蒸騰蒸發(fā)導(dǎo)致土壤水分大量消耗，這也對煙株的生長發(fā)育產(chǎn)生較大的不利影響。

在本研究中，壟溝剖面三層土壤水分之間的平均相對偏差標準差近似相等，而壟體剖面對應(yīng)土層則存在較大差異，說明壟溝剖面三層土壤水分之間的時間穩(wěn)定性差異較小，而壟體剖面對應(yīng)土層的時間穩(wěn)定性差異較大。其原因可能是壟體由較為疏松的耕作層土壤組成，加之覆蓋地膜致使降雨無法直接滲入土層，以及煙株根系吸水等原因造成的。而壟溝剖面土壤主要由容重較大的黃壤土組成，土壤持水能力較強[32]，加之降水豐沛，因此導(dǎo)致了土壤剖面之間時間穩(wěn)定性差異相對較小。

Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，相鄰農(nóng)田與防護林之間土壤水分存在顯著的相關(guān)性，并得出農(nóng)田與防護林之間存在密切的水文聯(lián)系。本研究表明，不僅壟體和壟溝土壤剖面水分之間存在顯著的正相關(guān)性（P＜0.01），而且壟體不同土層與壟溝不同土層土壤水分兩兩之間也存在顯著的正相關(guān)性（P＜0.01），這說明壟體土壤與壟溝土壤之間存在密切的水分關(guān)系。煙株的根系主要分布在壟體內(nèi)部[4]，其蒸騰耗水主要來自于壟體土壤。由于覆膜導(dǎo)致降水無法直接進入壟體，加之本區(qū)較深的地下水位[34]，地下水也無法對農(nóng)田土壤產(chǎn)生影響，但研究結(jié)果顯示，壟體土壤始終維持相對穩(wěn)定的水分含量，特別在伏旱天氣結(jié)束后，壟體土壤水分出現(xiàn)了明顯回升，這說明壟溝向壟體有明顯的水分側(cè)滲，對壟體土壤水分進行了有效的補給。張德奇等[35]在干旱區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)，地膜匯集至壟溝的降水又通過側(cè)滲的方式補給壟體，這與本研究結(jié)果基本一致。研究結(jié)果進一步顯示，壟體土壤與壟溝土壤水分的正相關(guān)性隨著壟溝土層深度的增加而增大，這說明壟溝各層土壤均對壟體土壤進行了水分補給，且深度越大補給的水分也越多。因此，烤煙生長期間蒸騰消耗的水分有相當部分來自于壟溝的側(cè)滲補給，這在一定程度上可以緩解覆膜導(dǎo)致的壟體土壤水分虧缺。

近年來，武陵山區(qū)煙田逐步向高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移，終生覆膜不僅可以明顯提升壟體土壤溫度，促進煙株早發(fā)，同時也可有效抑制煙田雜草的生長[36]。因此，在武陵山區(qū)，煙田終生覆膜栽培具有一定的科學(xué)性和合理性。但是終生覆膜同時也阻礙了降水直接進入壟體，導(dǎo)致煙田對降水的利用率大幅降低，從而加劇了伏旱天氣導(dǎo)致的煙田旱情。對此，本區(qū)煙田可采用雙行凹壟栽培技術(shù)，雙行膜的凹面能夠收集地膜攔截的大量降水，并通過補水孔定向流至煙株根區(qū)，顯著增加根區(qū)土壤的水分含量，從而大幅提升煙田的抗旱能力[37]。

4 結(jié)論

本文在武陵山區(qū)，利用等值線圖、時間穩(wěn)定性分析和相關(guān)性分析等方法研究了旱地?zé)熖锿寥浪值臅r空分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）壟體表層土壤水分含量較低，等值線破碎化程度較弱，底層土壤水分含量較高，等值線破碎化程度較強；壟溝各層土壤均具有較高的水分含量，等值線也都呈破碎化程度較高的斑塊狀。

（2）基于時間穩(wěn)定性指數(shù)最小值得出的代表性樣點，建立了代表性樣點土壤含水量與對應(yīng)土層平均含水量之間的統(tǒng)計回歸模型。

（3）壟體土壤與壟溝土壤之間存在明顯的水分交換，且交換量隨壟溝土壤深度的增加而增大。

（4）終生覆膜加劇了伏旱天氣下煙田的旱情，雙行凹壟栽培可明顯提升降水的利用率，因此本區(qū)可采用雙行凹壟栽培技術(shù)，從而大幅提升煙田的抗旱能力。