廣西喀斯特地區(qū)耕作對土壤水分及降雨響應(yīng)機(jī)制的影響

李 帥，鄧婉珍，李 健，陶渙壯，甘 磊，

（1.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林541004；2.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；3.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，廣西桂林541004；4.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004）

0 引言

土壤水分是陸生生態(tài)系統(tǒng)中最主要的影響因素之一，決定著土壤的演化和土地生產(chǎn)力，同時也是土壤侵蝕過程、植物生長和植被恢復(fù)的重要影響因子，對整個生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡及系統(tǒng)穩(wěn)定性具有決定性作用。土壤水分與降水過程密切相關(guān)，一個地區(qū)的降水對土壤水循環(huán)有著重要的影響[1]。因此，研究土壤水分對降雨的響應(yīng)程度具有重要意義。

目前，已有眾多關(guān)于土壤水分及其對降雨響應(yīng)機(jī)制的研究。吳胡強(qiáng)[2]分析了0～100 cm 各層次土壤體積含水率在小雨、中雨、大雨條件下的變化過程，得出5 cm和15 cm層次土壤水分與降雨量具有十分明顯的響應(yīng)關(guān)系。Wang 等[3]以黃土高原的一個流域?yàn)檠芯繉ο螅治隽瞬煌脖桓采w條件下土壤水分對降雨的響應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人類多通過耕作改善土壤環(huán)境，以促進(jìn)作物的發(fā)展。然而，耕作勢必會使土壤的物理性質(zhì)發(fā)生重大變化，如容重、孔隙度、孔隙分布等[4-5]，從而影響土壤水分對降雨的響應(yīng)及再分布過程。Blanco-Canqui 等[6]發(fā)現(xiàn)土壤水分在空間上的變化特性在很大程度上可以用土壤結(jié)構(gòu)的變化來解釋。李軼冰[7]等人也通過對黃淮海平原區(qū)玉米種植區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)耕作后的土壤耕層疏松深厚、土壤調(diào)蓄水分能力增強(qiáng)、總耗水量降低。雖有眾多關(guān)于耕作方式對土壤水分及降雨響應(yīng)過程的報道，但針對喀斯特地區(qū)的研究則相對缺乏，并且結(jié)合土壤特性來闡述耕作方式對降雨響應(yīng)程度影響的報道也較為少見。

廣西地處西南喀斯特地區(qū)，長期劇烈的巖溶作用產(chǎn)生了水土資源不協(xié)調(diào)的雙層空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地表水易流失、地下水深埋，加上土層淺薄、土壤持水性能差，致使旱澇災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[7]。在廣西地區(qū)有90%以上的甘蔗種植在無灌溉條件的丘陵旱地上，水土流失嚴(yán)重，成為制約甘蔗單產(chǎn)提高的最主要因素[8]。粉壟耕作作為近年來一種新型的耕作技術(shù)，在各地區(qū)均得到廣泛應(yīng)用，但對粉壟的研究多集中在土壤特性、結(jié)構(gòu)以及作物生長等方面，在土壤水分對降雨的響應(yīng)程度方面的研究尚不明晰。因此，本文以廣西粉壟耕作和免耕的甘蔗種植區(qū)為研究對象，通過對降雨及土壤含水量進(jìn)行定位監(jiān)測，并結(jié)合兩種耕作方式對土壤物理性質(zhì)的改變，分析不同降雨事件下兩者對土壤水分及降雨響應(yīng)程度的影響，為廣西甘蔗種植區(qū)域節(jié)水灌溉及水資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院武鳴里建科研基地(23°14'N；108°02'E)，地處我國低緯度地區(qū)，陽光充足，雨量充沛，霜少無雪，氣候溫和，年平均氣溫為21.6 ℃，年平均相對濕度80%，年均降雨量約為1 300 mm，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)土壤類型為第四紀(jì)紅壤，基部巖層屬于石灰?guī)r，土壤pH 值為5.04～7.00，呈微酸性。試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過人工管理后地勢較為平坦。研究區(qū)常見甘蔗、火龍果、花生等經(jīng)濟(jì)作物。其中，甘蔗是我國主要的糖料作物，一年或多年生熱帶和亞熱帶實(shí)心草本植物，具有纖維須根系，甘蔗莖在收割后，宿根會在第二年重新分枝生莖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品測定

試驗(yàn)將甘蔗地分為免耕（NT）和耕作（T）兩種處理，樣地面積均為50 m2，每種處理下按隨機(jī)區(qū)組選取3個重復(fù)，共6組。耕作區(qū)采用粉壟耕作方式，耕作深度為30 cm，機(jī)械耕作時自然懸浮成壟，壟溝高度為10 cm。免耕處理下的樣地不進(jìn)行任何翻耕措施等處理，其他甘蔗管理模式均一致。研究期間各試驗(yàn)區(qū)均按照正常甘蔗種植大田模式進(jìn)行田間管理措施。

綜合考慮甘蔗根系生長深度、深耕深度及成壟情況，利用環(huán)刀(容積100 cm3)對不同耕作方式下0～10、10～30、30～50 cm 的土層進(jìn)行原狀土壤樣品的采集，每層每個指標(biāo)3 個重復(fù)，用于測定土壤基本理化性質(zhì)。利用比重計(jì)法測定土壤質(zhì)地，環(huán)刀烘干法測定土壤容重，并計(jì)算得到土壤總孔隙度，以重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)。將5、20、40 cm 深度作為0～10、10～30、30～50 cm 土層的測量代表點(diǎn)，分別水平安裝水分探頭進(jìn)行定位監(jiān)測，每個處理開挖3個重復(fù)的土壤剖面進(jìn)行土壤水分監(jiān)測。在試驗(yàn)地附近安裝Vantage PRO2 型氣象站，記錄降雨量。所有探頭連接到數(shù)據(jù)采集器中，每一小時自動記錄一次數(shù)據(jù)，監(jiān)測前儀器校準(zhǔn)。監(jiān)測時間段為2018年1月至12月。為研究不同耕作方式下土壤水分對不同降雨條件的響應(yīng)，根據(jù)降雨強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，選取2018年4 場前后無明顯降雨的單場降雨進(jìn)行分析。選取2月22日-2月23日為小雨事件（降雨量3.2 mm），10月14日-10月15日為中雨事件（降雨量18.6 mm）、7月14日-7月15日為大雨事件（降雨量36.8 mm）、6月1日-6月2日為暴雨事件（降雨量63 mm）。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

利用土壤水分變異系數(shù)用來表示土壤含水量的相對變異程度[9]，使用公式如下：

式中：CV為土壤水分變異系數(shù)；M為土壤水分均值；SD為標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本數(shù)。

使用Microsoft excel 2016、Origin 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、作圖，利用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤基本理化性質(zhì)變化

土壤的持水性即土壤的持水能力，由土壤顆粒與水分子間作用力和土壤毛細(xì)管力決定，主要受土壤質(zhì)地、容重以及有機(jī)質(zhì)的影響[10]。張景略等[11]人發(fā)現(xiàn)土壤的物理性黏粒含量在一定范圍內(nèi)，黏粒含量越大，土壤持水性越好。裴艷武等[12]人通過對比砂土和壤土的田間持水量也發(fā)現(xiàn)，砂粒含量高的土壤表現(xiàn)出更差的持水性。表1 中，NT 處理10～30 cm 的砂粒含量明顯高于T 處理，并且黏粒含量低于T 處理，說明T 處理區(qū)10～30 cm 的持水性好于NT 處理。容重是衡量土壤緊實(shí)程度的一個重要指標(biāo)，在土壤質(zhì)地相似的情況下，土壤容重小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好；反之則表明土壤緊實(shí)，會阻礙根系伸長[13]。本研究中T 處理的土壤總孔隙度整體高于NT處理，并且土壤容重表現(xiàn)為T 處理低于NT 處理，尤其在0～10 cm 土層中T 處理的總孔隙度提高11.9%，容重降低8.6%。蔣發(fā)輝等[14]人發(fā)現(xiàn)粉壟耕作能夠增加土壤耕層厚度，降低土壤容重，這在本研究中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。兩種處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度的增加均呈逐漸降低的趨勢，最大值均出現(xiàn)在土壤表層。與NT 處理相比，T 處理在不同深度下有機(jī)質(zhì)含量分別增加35.4%、69.7%、46.2%，差異顯著（P＜0.05），這與前人在對土壤有機(jī)質(zhì)空間分布研究中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)質(zhì)隨土壤深度增加減小，有機(jī)質(zhì)含量最大值均出現(xiàn)在土壤表層的結(jié)果相一致[15]。在本研究中產(chǎn)生這種差異原因可能是T 處理使用垂直鉆頭旋磨將土塊切割成細(xì)小顆粒，使得土壤疏松以及通氣性良好，并且微生物分解腐殖質(zhì)活動增強(qiáng)，土壤中的養(yǎng)分更容易被激活，從而達(dá)到增加各層土壤有機(jī)質(zhì)含量的效果。有研究表明有機(jī)質(zhì)有助于結(jié)合土壤中單個土粒相從而形成團(tuán)聚體，進(jìn)而改變土壤的保水性能[16]。綜上所述，粉壟耕作能夠顯著降低土壤容重，增加土壤有機(jī)質(zhì)和孔隙度，從而改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)土壤的持水能力。

表1 不同耕作方式下的土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil under different tillage methods

2.2 不同耕作方式下土壤含水量季節(jié)變化特征

降雨的分配及其有效性會直接影響土壤水分的空間分布[17]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分的季節(jié)變化有所不同。圖1 是不同耕作方式下土壤含水量季節(jié)變化特征。從圖1可以看出該區(qū)域降雨主要集中在5-10月，約占年降雨量76%，呈現(xiàn)出極為明顯的時空分布不均。兩種處理的土壤含水量在不同深度呈現(xiàn)出不同的變化特征。從整體來看，T 處理在0～10、10～30 cm 層的土壤含水量均值均高于NT處理，而30～50 cm 層則反之。此外，T 處理在0～10和30～50 cm 層的土壤含水量波動高于NT 處理，波動幅度與降雨量具有明顯的同步性，但T處理10～30 cm層的土壤含水量波動與NT 處理相差不大，說明T 處理0～10 和30～50 cm層土壤水分在降雨期能夠得到及時的補(bǔ)充，并且10～30 cm 作為一個水分傳遞層，土壤含水量的穩(wěn)定性能夠有效保障上下層土壤水分的傳遞與補(bǔ)給。值得注意的是，兩種處理在12月的土壤含水量均值較大但土壤含水量波動幅度小，主要原因是12月處于甘蔗的收獲期，此時氣溫降低，并且植被生長活動減弱，土壤水分消耗減少，處于緩慢累積階段，其增加程度主要取決于降雨量的大小[18]。而5-10月處于甘蔗的快速生長期，氣溫較高，并且此時植物根系吸水和蒸騰作用強(qiáng)烈，土壤水分處在劇烈消耗階段，此時土壤水分對降雨的響應(yīng)極為明顯，表現(xiàn)出土壤含水量波動強(qiáng)烈，但月均值變化不大的現(xiàn)象。

圖1 不同耕作方式下土壤含水量季節(jié)變化特征Fig.1 Seasonal variation characteristics of soil water content under different tillage methods

2.3 不同耕作方式下土壤含水量對降雨的響應(yīng)過程

降雨是土壤水分的主要來源，滲入土壤的水分依靠重力勢和基質(zhì)勢向下運(yùn)動到達(dá)不同的深度，表現(xiàn)為各層次土壤水分對降雨的響應(yīng)[19]。從圖2 不同處理方式下土壤水分對降雨的響應(yīng)過程來看，可以將其分為平臺期、上升期、峰值期及退水期[20]。在小雨事件下，兩種處理各層次土壤含水量曲線無明顯波動，造成這種現(xiàn)象的原因是降雨受到大氣溫度和植物覆蓋的影響，致使土壤在滿足降雨期間的蒸散發(fā)及植物截留后難以接收到多余的雨水進(jìn)行深層補(bǔ)充。在中雨事件下，T處理0～10、10～30、30～50 cm 層次土壤的降雨響應(yīng)曲線平臺期分別為24、28、29 h，峰值為0.381、0.346、0.307 cm3/cm3，降雨初期土壤水分上升迅速而劇烈，降雨結(jié)束趨于平緩，而NT 處理的0～10 cm 土層平臺期為30 h，峰值為0.317 cm3/cm3，變化幅度僅為13.2%，其余層次土壤含水量無明顯變化，說明中雨事件中粉壟耕作的入滲補(bǔ)給效果要優(yōu)于免耕。在大雨事件下，T 處理0～10、10～30、30～50 cm 層次土壤的降雨響應(yīng)曲線平臺期分別為10、10、17 h，各層次土壤含水量變化幅度分別為30.2%、26.1%、39.3%，NT 處理各層次土壤的降雨響應(yīng)曲線平臺期依次為10、19、20 h，變化幅度為36.9%、42.4%和12.9%，對比發(fā)現(xiàn)，T 處理10～50 cm 土壤含水量曲線平臺期小于NT 處理，說明T 處理對降雨的響應(yīng)更加明顯；NT 處理0～30 cm 的水分變化幅度大于T 處理，而30～50 cm 的變化幅度相反，主要原因是土壤含水量的變化不僅取決于降雨，與土壤的初始含水量也密切相關(guān)。在暴雨事件下，T 處理在0～10、10～30、30～50 m 層土壤含水量的峰值0.395、0.412、0.362 cm3/cm3均高于NT 處理0.344、0.285、0.318 cm3/cm3，NT 處理各層次土壤含水量上漲點(diǎn)時間較T處理分別滯后1、2、5 h。

通過對各層次土壤水分的降雨響應(yīng)過程分析可以看出，在整個降雨事件中，0～10 cm 層水分對降雨的響應(yīng)最為強(qiáng)烈，而10～30 cm 次之，30～50 cm 土壤對降雨的響應(yīng)最弱，并且不同層次土壤對降雨的響應(yīng)時間有所不同。這是由于土壤表層最先接受降雨，表層土壤水分會迅速升高，從而增強(qiáng)土壤表層與下層之間的水勢梯度，當(dāng)降雨強(qiáng)度足夠大或降雨時間較長時，表層土壤水分會接近飽和，此時表層向下的水分會通過再分布過程向下層入滲，補(bǔ)充下層土壤水分；降雨結(jié)束后，隨著氣溫的回升和空氣的流動，土壤表層水分迅速蒸發(fā)，水分在土壤表層滯留時間相對較短，形成土壤水分由低到高再迅速降低的變化趨勢，這種趨勢由上到下逐漸變?nèi)?，并且在時間上具有一定程度的延遲[21,22]。其次，對比兩種耕作方式土壤含水量變化趨勢發(fā)現(xiàn)，T處理的各層次土壤水分與降雨同步性強(qiáng)，對降雨的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，主要原因是耕作處理的土壤疏松多孔，在降雨發(fā)生時能夠迅速入滲，并且粉壟耕作的壟溝會在降雨時蓄存水分[23]，這就決定表層土壤更易達(dá)到飽和，使水分更及時向下傳遞，從而使土壤各層次水分對降雨有明顯的響應(yīng)過程，而免耕由于表層土壤緊實(shí)度較高，在降雨發(fā)生時水分不易入滲，一部分降雨會形成徑流流失，造成上層滲入的水分不能有效補(bǔ)充下層土壤，致使10～50 cm 對降雨的響應(yīng)較弱。試驗(yàn)結(jié)果表明，小雨事件對土壤含水量的影響有限，兩種處理的土壤含水量對降雨的響應(yīng)程度均隨降雨量的增加而有所提升，但粉壟耕作區(qū)的土壤含水量在降雨事件下表現(xiàn)出更為明顯的響應(yīng)過程。

2.4 不同降雨條件下土壤水分統(tǒng)計(jì)特征

表2 是不同降雨條件下土壤含水量統(tǒng)計(jì)特征及變異系數(shù)。隨著降雨量的增加，不同處理各層次土壤含水量都有較為明顯的提升，同一深度下土壤含水量變異系數(shù)也會隨著降雨量的增加而增大。根據(jù)不同層次實(shí)測土壤含水量的變異系數(shù)，可以將研究區(qū)土壤層對降雨的響應(yīng)分為3個層次：土壤含水量變異系數(shù)大于8.1%為活躍狀態(tài)，變異系數(shù)在8.1%和5.4%之間為次活躍狀態(tài)，變異系數(shù)小于5.4%為相對穩(wěn)定狀態(tài)[24]。在小雨事件下，兩種處理各層次土壤含水量變異系數(shù)均小于5.4%，表明土壤含水量對小雨事件的響應(yīng)較弱，土壤整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。在中雨事件下，T處理土壤含水量變異系數(shù)均高于8.1%，而NT 處理均小于5.4%，說明T處理各層土壤處于活躍狀態(tài)，但NT處理土壤整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，NT處理各層次土壤不能得到充分的水分補(bǔ)給，這點(diǎn)可以從圖2 和表2 中得到印證。在大雨和暴雨條件下，T 處理0～10 和10～30 cm 含水量變異系數(shù)均小于NT 處理，30～50 cm 反之，主要原因是降雨前T處理上層土壤水分較高，而30～50 cm 土壤含水量較低，在充分供水的條件下，上層土壤水分的變化幅度有限，而30～50 cm 土壤則能夠得到充分補(bǔ)充。另外值得注意的是，降雨前T處理在0～30 cm 土壤含水量在整體上均顯著高于NT 處理（P＜0.05），而30～50 cm 的土壤含水量小于NT 處理。一方面是因?yàn)門 處理的土壤耕層深厚，疏松多孔，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，致使30～50 cm 土壤含水量較低；另一方面甘蔗作為須根系作物，通過根系吸水從而進(jìn)行蒸騰作用，根系最長可達(dá)50 cm，而T處理為甘蔗根系伸長及植株生長營造了良好的環(huán)境。有研究表明，粉壟耕作后的甘蔗根長，株高，產(chǎn)量均有顯著增加[25]，這就造成甘蔗蒸騰作用強(qiáng)烈，對深層土壤水分的消耗也較大。本研究表明：兩種處理在小雨事件中土壤水分對降雨的響應(yīng)較弱，在大雨和暴雨事件中各層次土壤水分均能夠得到一定程度的補(bǔ)充，而在中雨事件下，粉壟耕作各層次土壤含水量對降雨響應(yīng)明顯，且免耕的土壤含水量增幅不明顯。因此，在小雨或中雨過后免耕甘蔗地仍然需要進(jìn)行適量的灌溉以保證作物生長發(fā)育，粉壟耕作的甘蔗種植在節(jié)水灌溉的研究中表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。

表2 不同降雨條件下土壤含水量均值及變異系數(shù)Tab.2 The mean value and variation coefficient of soil moisture under different rainfall conditions

圖2 不同耕作方式下土壤水分對降雨的響應(yīng)過程Fig.2 Response process of soil moisture to rainfall under different tillage methods

3 結(jié)論

本研究通過在典型甘蔗種植區(qū)設(shè)置粉壟耕作和免耕兩種處理方式，揭示甘蔗地土壤水分在不同處理下對降雨的響應(yīng)過程的變化規(guī)律，結(jié)論如下。

（1）粉壟耕作顯著降低不同層次的土壤容重；在5、20、40 cm 層下有機(jī)質(zhì)含量較免耕分別增加35.4%、69.7%、46.2%，差異顯著，在一定程度上改善了土壤的原始結(jié)構(gòu)和持水能力。

（2）在一次降雨過程中，土壤含水量隨著降雨的持續(xù)不斷增加，兩者對降雨的響應(yīng)時間隨降雨量的增加而減小，不同層次土壤水分對降雨的響應(yīng)程度由上到下依次減弱。粉壟耕作區(qū)的土壤含水量在不同降雨類型下均表現(xiàn)出對降雨極為明顯的響應(yīng)過程，各層次土壤水分在對降雨的響應(yīng)也極為明顯。

（3）從整體來看，同一深度下不同處理方式的土壤含水量變異系數(shù)會隨著降雨量的增加而增大。土壤含水量變異系數(shù)隨土壤深度增加呈現(xiàn)出先變大，后變小的趨勢。在降雨前，粉壟耕作0～10、10～30 cm的土壤平均含水量均高于免耕，30～50 cm 反之；降雨發(fā)生后粉壟耕作30～50 cm 層土壤含水量及變異系數(shù)均大于免耕，進(jìn)一步說明粉壟耕作后的表層土壤持水性強(qiáng)，并且深層土壤水分在降水時能夠得到有效補(bǔ)充。

在本研究中，粉壟耕作能夠改善土壤環(huán)境，增加土壤的表層土壤水分，并且在降雨發(fā)生時提高各層次土壤對降雨的響應(yīng)程度，使各層次土壤得到及時有效的補(bǔ)充，從而保障了作物生長所需的土壤水分。研究結(jié)果表明粉壟耕作技術(shù)對廣西甘蔗種植節(jié)水灌溉及高產(chǎn)增收有利，并為喀斯特地區(qū)水資源高效利用研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。