喀斯特坡面塊石對(duì)土壤水分影響的坡度響應(yīng)

陳 磊，張科利,2?，楊志成，曹梓豪

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，100875，北京；2.北京師范大學(xué)，地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 100875，北京)

土壤水是土壤肥力最活躍的因素之一，也是土壤的重要組成物質(zhì)。作為大氣圈、水圈和巖石圈聯(lián)系的樞紐[1]，土壤水在地表物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換中具有重要作用；同時(shí)，土壤水也是建立區(qū)域水文和地表模擬過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)[2]。土壤水分的異質(zhì)性是土壤的普遍屬性之一，在時(shí)間和空間尺度上都有體現(xiàn)[3-4]，在喀斯特地區(qū)尤為突出。中國(guó)南方喀斯特地區(qū)巖溶發(fā)育豐富，可溶巖造壤能力差[5]，土層薄且不連續(xù)。長(zhǎng)期強(qiáng)烈的巖溶作用下，形成水土資源不諧調(diào)的地表地下二元空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致巖溶干旱頻發(fā)[6-7]。地表水不易儲(chǔ)存，地下水埋藏深，土壤持水性差、植被系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力有限[8]，導(dǎo)致水文過(guò)程變化復(fù)雜[9]，區(qū)域生境脆弱，石漠化演替形勢(shì)嚴(yán)峻[10]。在少雨和多雨的環(huán)境下，喀斯特黃壤坡耕地表層土壤水分都存在明顯的各向異性和空間異質(zhì)性。地表塊石出露是喀斯特坡面典型的景觀特征，塊石的大量分布，不僅影響地表水資源的再分布，而且對(duì)區(qū)域小生境和植被生長(zhǎng)有重要作用。

塊石周圍不同位置土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，不僅受塊石大小、形狀、面積、坡度、坡位、裂隙分布、表面粗糙度的影響[11-13]，還受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、土壤中礫石含量、降雨、植被種類、風(fēng)速、土地利用等因素干擾[14-15]。盡管不同塊石周圍土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)是區(qū)域水文循環(huán)的重要組成部分，但目前對(duì)地表塊石出露在不同坡度和坡面土壤含水量研究不多。李生等[16]研究喀斯特石漠化地區(qū)旱季土壤水分對(duì)裸巖的響應(yīng)，得出巖石周圍各個(gè)方向上土壤含水量隨距離的增加，呈不同的變化趨勢(shì)，但未對(duì)不同坡度及不同深度土壤水分響應(yīng)的差異進(jìn)行系統(tǒng)研究。而研究不同坡度塊石周圍土壤含水量在空間小尺度上的異質(zhì)性，對(duì)于喀斯特區(qū)域水土流失治理、緩解石漠化演替、區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和植被恢復(fù)具有深刻的實(shí)際意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省遵義市鴨溪鎮(zhèn)仁和村，地處E 106°38′39″，N 27°35′44″(圖1)。地貌類型為黔北地區(qū)典型的峰叢、洼地。監(jiān)測(cè)的塊石均位于喀斯特坡面上種植玉米的農(nóng)地，坡度分別為：8°、12°和18°，塊石走向和形狀為橫向條形(橫條形)和縱向條形(豎條形)。塊石均是自然半出露的巖石，未受人為擾動(dòng)，因此出露高度具有不均一性，高度范圍為0.35±0.25 cm，8°坡面上的橫條形塊石長(zhǎng)4.65 m，寬1.94 m，12°坡面上的豎條形塊石長(zhǎng)3.74 m，寬0.94 m，18°坡面上的豎條形塊石長(zhǎng)4.15 m，寬0.93 m。氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，雨水充沛、降雨集中，5—8月降雨量占全年總降水量的70%～80%，年平均降雨量1 024 mm，年平均氣溫14.6 ℃。土壤為酸性黃壤，是貴州典型黃壤的代表。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 材料與方法

2.1 土壤水分采樣及降雨監(jiān)測(cè)

塊石選擇的方法：1)外部形狀相對(duì)規(guī)則；2)相對(duì)獨(dú)立；3)上下均有土壤分布；4)出露高度相近；5)周圍無(wú)大型喬木、灌木。土壤水監(jiān)測(cè)的方法：以6月1日為起始點(diǎn)，10 d為1個(gè)周期，期間若發(fā)生降雨事件>40 mm則追加采樣，由于7月幾乎無(wú)降雨，處于枯水期，塊石對(duì)土壤水分的影響在雨季更加明顯，雨季土壤含水量高對(duì)塊石的響應(yīng)更加顯著，枯水期土壤含水量低，所以7月并未采樣。6月12日發(fā)生47.4 mm的降雨，所以在6月14和15日增加取樣2次，故在6月采樣6次，8月4次，9月初1次，在監(jiān)測(cè)期內(nèi)共計(jì)取樣11次。以塊石幾何中心為中心，平均邊緣為測(cè)量起點(diǎn)，在距離塊石上下方向50、100和150 cm處6個(gè)位置，利用土鉆采集0～50 cm土層土壤樣品，以10 cm為取樣間隔(圖2)，3種坡度塊石每次采樣90個(gè)，因喀斯特坡面土層覆蓋較淺，故部分取樣并未到達(dá)50 cm，共計(jì)947個(gè)樣本。采完土壤水樣本后，將各層的土壤樣品裝入鋁盒，回填鉆孔并做標(biāo)記。

圖2 塊石上下坡面不同位置土壤水取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of soil water sampling at different locations on the upper and lower slope surface of the rock

監(jiān)測(cè)點(diǎn)處安裝HOBO U30高精度降雨量傳感器，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究區(qū)降雨量等氣象要素，選用降雨數(shù)據(jù)為2019年6月、8月和9月初。依據(jù)我國(guó)氣象部門在24 h內(nèi)劃分降雨量等級(jí)：小雨<10 mm，中雨≥10～25 mm，大雨≥25～50 mm，暴雨≥50 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定

當(dāng)天采回的土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用烘干法測(cè)量土壤質(zhì)量含水量：在105 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干24 h左右，烘干至恒質(zhì)量，隨后稱量。

土壤含水量

式中：W為土壤質(zhì)量含水量，量綱為1；W1為鋁盒的質(zhì)量，g；W2為鋁盒+濕土的質(zhì)量，g；W3為恒溫烘干后鋁盒+干土的質(zhì)量，g。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019、SPSS 22.0、Origin 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與制圖。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和正態(tài)分布檢驗(yàn)的前提下，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)單因素方差分析檢驗(yàn)顯著性差異，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著水平為P<0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 雨后不同坡度塊石上下坡面土壤水分差異

降雨結(jié)束后地表水分蒸發(fā)到一定程度，滿足取樣條件時(shí)，對(duì)不同坡度塊石上下坡面土壤水取樣。在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，6月8日降雨48.6 mm，6月9日降雨26.4 mm，6月10日降雨5 mm，累計(jì)降雨80 mm，在6月10日進(jìn)行雨后第1次取樣；6月12日降雨47.6 mm，降雨歷時(shí)10.61 h，故在6月14日進(jìn)行雨后第2次取樣；9月8日降雨120.6 mm，9月9日降雨14.2 mm，累計(jì)降雨134.8 mm，故在9月10日進(jìn)行雨后第3次取樣。3種降雨量下，不同坡度塊石上下坡面6個(gè)位置土壤含水量結(jié)果(圖3)顯示，其上下坡面不同位置具有一定差異性，且其對(duì)不同降雨量的響應(yīng)趨勢(shì)不同。8°坡度，橫條形塊石在上下坡面土壤水分差異為134.8 mm(3.61%)>80 mm(2.05%)>47.4 mm (1.22%)。12°坡度，豎條形塊石在上下坡面土壤水分差異為80 mm(2.99%)>47.4 mm(2.60%)>134.8 mm(0.41%)。18°坡度，豎條形塊石在上下坡面土壤水分差異為80 mm(1.58%)>47.4 mm(0.91%)>134.8 mm(0.04%)。

a、b、c分別為47.6、80和134.8 mm降雨后橫條形8°塊石；d、e、f分別為47.6、80和134.8 mm降雨后豎條形12°塊石；g、h、i分別為47.6、80和134.8 mm降雨后豎條形18°塊石。a, b and c represent horizontal bar-shaped 8° rock after rainfall of 47.6, 80 and 134.8 mm respectively. d, e and f represent vertical bar-shaped 12° rock after rainfall of 47.6, 80 and 134.8 mm, respectively. g, h and i represent vertical bar-shaped 18° rock after rainfall of 47.6, 80 and 134.8 mm, respectively. 圖3 雨后不同坡度塊石上下部位各層土壤水分Fig.3 Soil moisture in each layer at the upper and lower locations of the rock with different slopes after rainfall

3種降雨量下，不同坡度塊石上下坡面土壤含水量均表現(xiàn)為上坡面>下坡面。坡度8°，隨著降雨量增大，其上下坡面之間土壤含水量差異呈遞增變化。坡度為12°或18°時(shí)，塊石上下坡面之間土壤含水量的差異隨著降雨量的增加呈現(xiàn)先增后減的變化。80 mm降雨后，上下坡面各層土壤儲(chǔ)水量并未達(dá)到飽和，水分繼續(xù)入滲，塊石上下坡面水分差異較大。134.8 mm降雨后，塊石上下坡面各土壤層基本達(dá)到穩(wěn)滲，土壤充分濕潤(rùn)，下滲能力減弱，上下坡面之間土壤水分差異小。在80 和134.8 mm降雨量之間存在1個(gè)閾值，使土壤水分基本達(dá)到飽和，差異性開(kāi)始減小。3種降雨量下，塊石上下坡面土壤含水量差異表現(xiàn)為：橫條形8°(2.66%)>豎條形12°(2.00%)>豎條形18°(0.84%)。坡度越陡，雨量越大，塊石上下坡面土壤含水量差異越小，坡度與土壤含水量差異呈反比關(guān)系。

3.2 不同坡度塊石上下坡面土壤水分隨降雨的動(dòng)態(tài)變化

如圖4所示，監(jiān)測(cè)期內(nèi)降雨量與3種坡度塊石上下坡面各部位間土壤含水量動(dòng)態(tài)變化。監(jiān)測(cè)期內(nèi)共發(fā)生32次降雨，總降雨量為409.4 mm，降雨在時(shí)間上分配不均勻，主要集中在6月、8月和9月初，分別為208 、58.6和141.8 mm，各占監(jiān)測(cè)期降雨量的50.81%、14.31%、34.64%。對(duì)比3種坡度塊石上下坡面各部位土壤含水量等值線圖可知，土壤含水量變化基本與降雨響應(yīng)一致，上坡面位置土壤水分對(duì)降雨響應(yīng)比較強(qiáng)烈，土壤含水量總體為上坡面>下坡面。6月份降雨豐富，塊石上下坡面土壤含水量差異為：豎條形12°(3.23%)>橫條形8°(1.40%)>豎條形18°(0.16%)，。8月份降雨較少，塊石上下坡面土壤水分差異為：橫條形8°(2.73%)>豎條形18°(0.79%)>豎條形12°(0.29%)。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，塊石上下坡面土壤水分差異為：橫條形8°(2.07%)>豎條形12°(1.76%)>豎條形18°(0.47%)，坡度越陡，塊石上下坡面之間土壤含水量差異越小。

圖4 塊石上下部位土壤水含量隨降雨的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil water contents in the upper and lower locations of the rock with rainfall

多雨和少雨的月份，3種坡度塊石上下坡面土壤水分差異明顯，橫條形8°與豎條形18°塊石下坡面土壤水分容易受降雨量影響。6月與8月相比，降雨量減少149.4 mm，3種塊石上下坡面土壤含水量相應(yīng)減少：橫條形8°(4.14%)>豎條形12°(3.52%)>豎條形18°(0.95%)，坡度越小，塊石上下坡面土壤含水量隨雨季的變化越大。受降雨量減少影響，土壤含水量最小值均出現(xiàn)在8月24日，8月底土壤含水量偏低。此外，8月塊石上下坡面土壤水分比6月變化幅度更大，多雨期塊石上下坡面土壤含水量越穩(wěn)定。豎條形18°塊石上下坡面土壤含水量最大值為32.82%，出現(xiàn)在6月8日(48.6 mm)和6月9日(26.4 mm)降雨之后，而橫條形8°塊石與豎條形12°塊石上下坡面土壤含水量最大值均出現(xiàn)在9月8日(120.6 mm)極端暴雨后，分別為34.47%、39.11%。次降雨>25 mm和極端暴雨后均可顯著提高3種坡度塊石上下的土壤含水量。

3.3 相同土層深度塊石上下部位土壤水分差異

相同土層深度塊石上下部位土壤水分差異不一(圖5)。8°坡度，橫條形塊石除10～20 cm土層外，其余各深度上下坡面各部位土壤含水量具有顯著差異。土壤含水量差異為：上150 cm(28.75%)>上100 cm(27.17%)>上50 cm(26.62%)>下 50 cm(25.87%)>下150 cm(25.43%)>下100 cm(25.04%)，土壤水分由上至下呈遞減趨勢(shì)，在下100 cm處最小。12°坡度，豎條形塊石除表層0～10 cm土層外，其余各深度上下坡面各部位土壤含水量具有顯著差異。土壤水分為：下50 cm(37.14%)>上150 cm(35.19%)>上100 cm(33.10%)>上50 cm(32.70%)>下150 cm(29.45%)>下100 cm(29.10%)。

A、B、C分別為塊石橫條形8°、豎條形12°、豎條形18°，a、b、c表示顯著性差異，下同。A, B and C represent horizontal bar-shaped 8° rock, vertical bar-shaped 12° and 18° rock respectively, a, b, and c indicate significant differences，the same below. 圖5 塊石周圍深度相同，上下部位土壤含水量差異Fig.5 Depth around the rock is same, and soil water content among the upper and lower locations is different

18°坡度，豎條形塊石在整個(gè)土壤垂直剖面層，相同土層深度塊石上下坡面各部位土壤含水量都沒(méi)有顯著差異。土壤水分為：上150 cm(26.88%)>上50 cm(26.30%)>下50 cm(26.27%)>上100 cm(26.15%)>下100 cm(25.94%)>下150 cm(25.70%)，土壤水分在上坡面和下坡面基本保持不變，變化幅度較小。當(dāng)坡度由8°增加至12°時(shí)，0～10 cm表層土壤含水量上下坡面各部位差異減小，而土層越深，土壤含水量上下坡面各部位差異越大。當(dāng)坡度由12°增加至18°時(shí)，坡度越陡，上下坡面各部位土壤含水量差異越小。3種坡度下，塊石上下坡面各部位土壤含水總量均隨深度增加而變大。

3.4 塊石上下坡面相同部位各深度土壤水分差異

塊石上下坡面相同部位，不同坡度下各深度土壤含水量差異不一(圖6)。8°坡度，橫條形塊石除上部100 cm、下部50 cm外，其余上下坡面部位各深度土壤含水量具有顯著差異。各深度土壤含水量為：40～50 cm(28.03%)>0～10 cm(27.07%)>30～40 cm(26.13%)>10～20 cm(26.11%)>20～30 cm(26.09%)，最大差異為1.94%。塊石表層和底層土壤含水量較高，表層受降雨入滲及地表徑流影響，土壤水分含量高，底部則土壤儲(chǔ)水量較高。一般情況下土壤深度與含水量成正比關(guān)系，20～30 cm處土壤含水量最低是受農(nóng)地植物根系吸水作用影響。

圖6 塊石上下部位相同，各深度土壤含水量差異Fig.6 Upper and lower locations of the rock are same, and soil water content of each depth is different

12°坡度，豎條形塊石除下邊100和150 cm外，其余上下坡面部位各深度土壤含水量具有顯著差異。各深度土壤含水量為：40～50 cm(36.35%)>30～40 cm(35.14%)>30～20 cm(33.54%)>20～10 cm(31.28%)>0～10 cm(28.78%)，最大差異為7.57%，其土壤含水量與深度呈明顯的遞增關(guān)系。18°坡度，上下坡面的部位相同，豎條形塊石從表至底各層土壤含水量沒(méi)有顯著差異，40～50 cm(27.04%)>30～40 cm(26.95%)>20～30 cm(26.15%)>0～10 cm(26.10%)>10～20 cm(25.77%)，最大差異為1.27%，底部土壤含水量較高，表層0～20 cm土壤含水量較低。

塊石上下坡面相同部位各深度土壤含水量最大差異為：豎條形12°(7.57%)>橫條形8°(1.94%)>豎條形18°(1.27%)，其隨坡度的增加呈先增后減的變化規(guī)律。坡度由8°增加至12°，坡面上部3個(gè)位置和下部50 cm，各深度土壤含水量差異變大，但坡面下部100 cm和150 cm處，差異減小。坡度增加至18°時(shí)，坡度越大，各深度土壤含水量差異越小。

4 討論

3種降雨量下，不同坡度塊石上下坡面土壤含水量均表現(xiàn)為上坡面>下坡面，塊石出露對(duì)地表徑流具有明顯阻擋作用，增加了上邊的入滲。Cerda等[17]認(rèn)為因?yàn)榈[石的存在增加了地面粗糙度，從而降低徑流流速增加入滲量。Abrahams等[18]表明裸巖和土體之間的孔隙有利于水分快速向深層土壤滲透，同時(shí)風(fēng)化礫石能夠攔截大量地表徑流并吸收部分雨水，土壤中礫石含量越高，越有助于孔隙發(fā)育及植物根系生長(zhǎng)，從而增加土壤入滲率，提高土壤含水量。彭旭東等[19]發(fā)現(xiàn)不同坡度下，地下產(chǎn)流率差異較大，在產(chǎn)流降雨下，地表徑流率和坡度成正比，而地下產(chǎn)流率則和坡度成反比，說(shuō)明坡度越大，則地表產(chǎn)流量越多，而入滲量則相反。這和筆者發(fā)現(xiàn)相同。3種降雨量下，塊石上下坡面土壤含水量差異為：橫條形8°(2.66%)>豎條形12°(2.00%)>豎條形18°(0.84%)。坡度越大，地表徑流越多，地下入滲量越小，塊石上下坡面土壤含水量差異越小。嚴(yán)友進(jìn)等[20]發(fā)現(xiàn)，地下孔(裂)隙度、降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)喀斯特坡面產(chǎn)流具有顯著影響，隨著降雨強(qiáng)度的增大，地下孔(裂)隙流量呈先增大后減少的變化規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)中，12°和18°坡度影響下，從47.4 mm降雨到80 mm降雨，入滲量增大，土壤水分在初始滲透階段，塊石上下土壤含水量差異增大，從80 mm降雨到134.8 mm降雨，入滲量減小，土壤水分接近穩(wěn)定滲透狀態(tài)，入滲基本飽和，塊石上下坡面土壤含水量差異減小。

土壤含水量對(duì)降雨有明顯的響應(yīng)。少雨的8月和多雨的6月相比，塊石上下坡面土壤含水量明顯減少。橫條形8°與豎條形18°塊石，8月在相同土層和不同土層間，受降雨量減少、相對(duì)干旱程度及持續(xù)時(shí)間等因素影響，土壤含水量趨向均質(zhì)化。與6月份相比，豎條形12°和18°塊石在8月上下坡面位置的土壤水分變化幅度比橫條形8°明顯較小，其塊石上下坡面土壤水分受降雨量影響較小，而橫條形8°塊石受降雨量影響更強(qiáng)烈。伏文兵等[21]認(rèn)為，總體上地表徑流和坡度的變化呈正相關(guān)，坡度越小，地表產(chǎn)流越少，入滲量則越大。筆者發(fā)現(xiàn)：坡度越小，降雨量變化越大，入滲量隨之改變，則塊石上下坡面土壤含水量的變化越大。較干旱的8月份，橫條形8°塊石的上邊物理遮陰作用及下邊的太陽(yáng)輻射可能更明顯，導(dǎo)致上下坡面土壤含水量差異較大。

總之，喀斯特坡面塊石對(duì)土壤水分的影響的坡度響應(yīng)問(wèn)題比較復(fù)雜，仍有很多影響因子有待探討，今后可加強(qiáng)喀斯特坡面塊石面積、出露高度、表面粗糙度在不同坡度下對(duì)土壤水分的影響，從而為坡面土壤水分及地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程提供一定依據(jù)。

5 結(jié)論

1)3種降雨量下，坡度對(duì)塊石上下土壤水分的影響存在明顯差異，不同坡度塊石上下坡面土壤含水量均表現(xiàn)為上坡面>下坡面。坡度越陡，雨量越大，塊石上下坡面土壤含水量差異越小，坡度與土壤含水量差異呈反比關(guān)系。

2)監(jiān)測(cè)期內(nèi)塊石上下坡面土壤水分差異隨坡度的增大而減小。坡度越小，塊石上下坡面土壤含水量在雨季變化越大，且塊石上下坡面土壤含水量越穩(wěn)定。

3)土層深度相同，坡度由8°增加至12°，0～10 cm表層，塊石上下各部位土壤含水量差異減小，但隨土層深度越深，差異越大。坡度增加至18°時(shí)，塊石上下各部位土壤含水量差異越小。

4)塊石上下坡面相同部位，坡度由8°增加至12°，不同深度的土壤含水量差異變大，但下部距塊石>100 cm時(shí)，土壤水分差異減小。坡度增加至18°時(shí)，各深度土壤含水量差異更小。

感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部何江湖、周卓麗在野外實(shí)地土壤水取樣及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供的幫助。