干熱河谷沖溝溝床土壤水分時空分異特征

張斌艷, 熊東紅, 劉 琳, 唐永發(fā),3, 張寶軍, 李小英

(1.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所 山地災害與地表過程重點實驗室, 成都 610041;2.西南林業(yè)大學 生態(tài)與環(huán)境學院, 昆明 650224; 3.四川農業(yè)大學 水利水電學院, 四川 雅安 625014)

土壤水分是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因子之一，也是干旱環(huán)境下影響植物生存、生長發(fā)育的關鍵因子，土壤水分研究對于生態(tài)系統(tǒng)的組成、發(fā)展、穩(wěn)定及物質循環(huán)和流動功能等具有重要意義[1-3]。土壤水分變化特征是植被恢復研究的重要內容之一。目前，國內學者對于土壤水分的時空分布規(guī)律進行了大量研究，研究區(qū)域主要集中于黃土高原丘陵區(qū)、西北干旱綠洲地區(qū)及荒漠地帶、東北黑土地區(qū)以及西南巖溶地區(qū)[4-7]。由于干熱河谷區(qū)具有“炎熱干燥、降雨集中、干濕季分明”的特點，土壤水分成為干熱河谷區(qū)農業(yè)生產和生態(tài)治理的主要限制因素[8]。近年來，干熱河谷區(qū)植被恢復的焦點從傳統(tǒng)荒坡逐漸轉移到?jīng)_溝侵蝕劣地，尤其是沖溝發(fā)育后期地勢開闊且穩(wěn)定的溝床。長期觀察發(fā)現(xiàn)，溝床植被較沖溝其他部位生長更迅速，對溝床、溝岸的固定作用更佳，因而成為植被恢復關注的重點區(qū)域。由于溝床沿程(從溝頭到溝口)立地生境存在差異，加之干熱河谷區(qū)干濕季分明的特殊氣候導致土壤水分具明顯的季節(jié)性特征[9]，致使溝床土壤水分時空分布迥異，因而傳統(tǒng)單一的植被恢復模式不完全適用于溝床植被恢復。然而針對干熱河谷區(qū)土壤水分前期研究也多集中在坡面上不同林草植被、不同土地整治方式、不同土地利用類型和不同集水保水措施的土壤水分動態(tài)變化[10-13]，僅吳漢等[9]學者就沖溝集水區(qū)、溝頭、溝床的土壤水分時空變化特征開展了研究，但針對溝床沿程土壤水分變化缺乏深入分析。

本文以元謀干熱河谷典型沖溝溝床為研究對象，根據(jù)沿程溝頭—溝口進行分段，并開展土壤水分定位監(jiān)測，結合室內數(shù)據(jù)分析，查明溝床不同分段土壤水分的時空動態(tài)變化及其時空分異特征，以期為該地區(qū)溝道植被恢復的物種選擇、空間布局、水分管理等提供指導。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省元謀縣黃瓜園鎮(zhèn)境內中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所與云南省農業(yè)科學院合建的干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站(以下簡稱“元謀站”)內(101°35′—102°06′E，25°23′—26°06′N)，該區(qū)是南亞熱帶季風氣候，具有“炎熱干燥、降雨集中、干濕季分明”的特征[14]。年均氣溫21.9℃，年均降水量為615.1 mm，且主要集中在6—10月，年蒸發(fā)量高達3 911.2 mm，為年降水量的6.4倍，年干燥度為2.8。自然植被方面為稀樹灌草叢，以禾草為主，喬木稀少，自然植被覆蓋率僅為15%～20%[15]，喬木以桉樹(EucalyptusrobustaSmith)為主，灌木主要有車桑子(Dodoneaeviscosa)和銀合歡〔Leucaenaleucocephala(Lam)deWit.〕，草本植物則以扭黃茅(Heteropogoncontortus)和孔穎草(Botnrocholaportusa)為主。土壤以燥紅土與變性土為主，該地區(qū)的基帶土壤為燥紅土[16]。燥紅土區(qū)的侵蝕溝總長為124.06 km，主溝長度多小于400 m，平均長度為203.29 m[17]；侵蝕溝中寬均值約為14 m，口寬約為19 m，均寬約為16 m[18]；半穩(wěn)定溝階段侵蝕溝占侵蝕溝總數(shù)的68.15%[19]。元謀組地層廣泛分布，主要為第四紀河湖沉積物，并具有“結構松散、膠結度差、易侵蝕”等特征。獨特的氣候條件和巖土性質，使得該區(qū)沖溝極為發(fā)育，沖溝年均溯源侵蝕速率為50 cm/a，最大可達200 cm/a[20]。近年來當?shù)亻_始對當?shù)貨_溝區(qū)進行植被恢復，銀合歡因具有生長迅速、抗旱能力強的特性，被作為生態(tài)恢復的先鋒物種而大量引進，現(xiàn)已在沖溝發(fā)育區(qū)尤其是溝床部位大面積生長，對沖溝發(fā)育起到了良好的遏制效果。

2 數(shù)據(jù)監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測

對元謀站內的沖溝開展土壤、植被和地形等基礎參數(shù)進行調查，最終選擇1條典型沖溝(101°49′20″—101°48′20″E，25°50′46″—26°50′31″N)溝床作為研究對象。該沖溝主溝全長153.2 m，溝均寬15.6 m，溝床均寬6.3 m。采用等距法(距離50 m)，從溝頭至溝口將溝床劃分為上、中、下3段，每段中部設置1組監(jiān)測點；此外，由于溝床上段靠近溝頭部位，崩塌頻發(fā)、土壤性質變異大且雨季跌水坑蓄水等因素，在該處增設1組監(jiān)測點，共計4組監(jiān)測點(溝頭、上游、中游、下游)，樣點布置見圖1，各樣點基本情況詳見表1，每組埋設2根FDR土壤水分探管，進行定位監(jiān)測。采用土壤剖面水分儀(英國 Delta-T Device Ltd.公司生產，型號:PR2/6)進行10，20，30，40，60，100 cm土層深度的監(jiān)測，監(jiān)測時段為2016年1月6日—2018年12月26日，監(jiān)測日期為每月6日、16日、26日，每年監(jiān)測36次，共計108次。降雨數(shù)據(jù)從元謀站DAVIS自動氣象站獲取。

圖1 元謀干熱河谷位置和樣點布置

表1 溝床不同分段樣點基本情況

2.2 數(shù)據(jù)處理

本研究中FDR土壤水分探管測量結果為土壤水分體積百分數(shù)(%)。變異系數(shù)Cv能夠衡量觀測值的變異程度，Cv≤10%時為弱變異性，10%

3 結果與分析

3.1 溝床土壤水分時間動態(tài)變化特征

整個監(jiān)測期內各分段土壤水分隨時間變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為明顯的季節(jié)性波動(圖2)。參考研究區(qū)多年平均降雨分布特征和《元謀縣志》資料，將降雨集中的5—10月劃定為濕季，降雨稀少的11月—次年4月則劃定為干季。故本研究重點選取了2017年5月—2018年4月期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了不同分段土壤水分的干、濕季分異特征。

圖2 監(jiān)測期內溝床不同分段土壤含水量動態(tài)變化

溝床不同分段土壤水分在一個干濕季內變化趨勢一致，均隨時間序列先增加后減少，最終趨于穩(wěn)定，且降雨集中的濕季土壤水分狀況(7.64%～28.91%)明顯好于干季(6.11%～11.97%)(圖3)。濕季土壤水分均值大于20%的日期集中在7月、8月，其中溝頭(22.93%)、上游(21.36%)、中游(25.53%)均在7月26日達極值，下游在8月6日達極值(28.91%)。干季降雨稀少，持續(xù)期長，不同分段土壤水分長期處于較低水平，各部位土壤水分最小值均出現(xiàn)在干季末期(4月26日)。結合研究區(qū)燥紅土凋萎系數(shù)分析[21]，發(fā)現(xiàn)溝床上游土壤水分在干季長期低于凋萎系數(shù)(7.43%)。

圖3 溝床不同分段干濕季內土壤水分動態(tài)變化

溝床不同分段土壤水分，除100 cm土層外，其余土層均具明顯的干濕季特征(圖4)。濕季各部位土壤水分均是先增加后減小，變化幅度較大；干季則均趨于穩(wěn)定，波動較小。10—30 cm土層，濕季沖溝不同分段土壤水分變化特征一致，6—10月高值小幅波動；干季各分段各土層土壤水分變化均是低值小幅波動，土壤含水量均較低，尤其是30 cm土層各分段土壤水分均低于凋萎系數(shù)，水分虧缺嚴重。40，60 cm土層，濕季各分段土壤水分變化均先增大后減小，均在8月6日達極值，中、下游變化更劇烈；無論干濕季，60 cm土層溝頭含水量整體較低，且顯著低于其他分段。100 cm土層，溝頭、中游和下游土壤水分變化趨勢一致，濕季各分段的土壤水分差異隨時間序列先增加后減??；干季各分段(除下游)均高于對應的其他深度土層土壤含水量，且各分段之間差異顯著，具體表現(xiàn)為：溝頭 >上游 >中游>下游。

3.2 溝床土壤水分空間分異特征

干熱河谷沖溝土壤水分狀況從溝頭至溝床下游表現(xiàn)出明顯的空間分異特征(圖5)。濕季土壤水分沿程變化是先減小后增加，下游(17.36%)顯著高于溝頭(15.46%)和上游(12.19%)，而與中游(16.80%)差異不顯著；干季土壤水分沿程變化則是先減小后增加，再減小，溝頭(10.64%)顯著高于上游(6.74%)和下游(9.10%)，而與中游(10.30%)差異不顯著；干季土壤水分顯著低于濕季，溝頭、上游、中游、下游濕季土壤水分分別為干季的1.5，1.8，1.6，1.9倍。無論干濕季，溝床上游均顯著低于其他分段。

沖溝溝床不同分段土壤水分垂直變化特征基本一致，均隨著土層深度增加呈波動變化趨勢(圖6)。淺層(10—20 cm)和深層(60—100 cm)土壤含水量在干濕季均較高，含水量最小值出現(xiàn)在30—60 cm土層，其中干季30 cm土層土壤水分虧缺嚴重。10—20 cm土層，濕季土壤含水量8.1%～19.7%，各分段均波動降低；干季土壤含水量2.8%～10.6%，除上游持續(xù)降低，其他分段均波動降低。30 cm土層濕季土壤含水量7.8%～16.3%，干季土壤含水量0.8%～5.5%。60—100 cm土層，濕季土壤含水量19.3%～29.4%，土壤水分增加趨勢明顯；干季土壤含水量9.3%～29.2%，除下游土壤水分減小，其余分段土壤水分增加趨勢明顯。濕季土壤含水量最大值除溝床下游出現(xiàn)在表層10 cm，其余分段均出現(xiàn)在最底層(100 cm)，最小值出現(xiàn)在30—60 cm土層；干季含水量最大值除溝床下游出現(xiàn)在40 cm土層，其余分段均出現(xiàn)在最底層(100 cm)，最小值出現(xiàn)在30 cm或60 cm土層。

圖4 溝床不同分段干濕季內不同土層土壤水分動態(tài)變化

注：不同大寫字母表示不同分段濕季之間土壤含水量在p<0.05水平上存在顯著差異，不同小寫字母代表不同分段干季之間土壤含水量在p<0.05水平上存在顯著差異。

溝床不同分段土壤水分垂直變異系數(shù)呈不同變化趨勢，溝床上游變異系數(shù)呈先增加后減小趨勢，其余分段變異系數(shù)則呈波動型變化(表2)。10—30 cm土層溝床上游土壤水分變異系數(shù)逐漸增大，在30 cm時達最大值(99.78%)，在40—100 cm土層，變異系數(shù)逐漸減小，在100 cm土層達最小值(28.67%)。溝頭在10 cm土層變異系數(shù)達最大(53.54%)，其余土層在28.48%～45.27%；中游在30 cm土層最大(60.07%)，其余土層在34.21%～47.26%；溝床下游100 cm土層達最大(70.21%)，其余土層在30.40%～50.24%。綜上所述，沖溝溝床上游20—30 cm土層為水分活躍層，而表層(10—20 cm)和深層(40—100 cm)則為穩(wěn)定層；溝頭水分活躍層是10 cm土層，溝床中、下游的水分活躍層分別為30 cm和100 cm土層。

圖6 溝床不同分段干濕季土壤水分隨土層深度變化

表2 溝床不同分段不同土層深度土壤水分特征值

3.3 溝床不同分段極值日土壤水分特征

極值日反映了土壤水分季節(jié)變化的極端情況，探明極值日出現(xiàn)規(guī)律可為當?shù)刂脖换謴秃妥魑锓N植的種植時間、植被搭配及水分管理等提供實踐指導。通過實測數(shù)據(jù)的對比分析(累積4個及以上土層土壤水分含量達到年內最大值或最小值)，找出監(jiān)測期三年中每一年土壤水分的極值日(最高日和最低日)，經(jīng)歸納總結，發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)規(guī)律如下：最高日期通常出現(xiàn)在7日內累積降雨達76.1 mm以上的年最大降雨月當月；溝床中、下游到達含水量最高日的時間存在滯后性。由表3可知，最高日土壤含水量8.10%～37.63%，平均含水量為21.40%，為干濕季平均值(7.62%)的2.8倍，最大值均出現(xiàn)在100 cm土層。最低日期通常出現(xiàn)在持續(xù)無降雨條件下，如干季末期，直至雨季初期出現(xiàn)首次有效降雨(>2 mm)。由表3可知，最干日土壤含水量0.45%～26.62%，最低值出現(xiàn)在40—60 cm土層。溝床中、下游因蒸發(fā)和植物根系對水分利用的影響，最低日會提前出現(xiàn)。

4 討 論

4.1 不同分段土壤水分干濕季差異

本研究發(fā)現(xiàn)溝頭—下游沿程土壤水分變化隨干濕季的不同存在差異。濕季沿程土壤水分是先減小后增加，下游含水量最高。當土壤水分含量較高時，地形和坡度將是影響坡面土壤水分分布的主導因子[22]。徑流由于重力作用從溝頭流向溝口過程中往往地勢較低的溝口流經(jīng)時間更長[23]。植被生長可以減小地表風速，有效減少水分蒸發(fā)。因而在濕季處于地形平坦、坡度較緩的溝床中、下游含水量更高，土壤水分的增長也滯后于溝頭和上游。干季土壤水分沿程變化是先減小后增加，再減??；溝頭含水量最高。當土壤水分含量較低時，土壤物理性質和植被將是影響坡面土壤水分分布的主導因子[12]。干季中游到下游土壤水分逐漸降低，這可能與靠近溝口土壤砂粒含量增加，加之干季植被根系持續(xù)吸水耗散有關。韓嬌嬌等[12]研究結果顯示，微地形對旱季的土壤水分影響大于濕季，本研究中溝頭干季水分含量最高，這可能與溝頭特殊微地形(跌穴、溝壁陡峭)有關。切溝復雜地形會加大切溝區(qū)土壤分布空間異質性[24]，局部微地形會影響徑流停留時間[12]，在干熱河谷沖溝區(qū)，溝床上游地勢相對較高，坡度較大，溝道徑流迅速流向地勢更低的中、下游，不利于水分入滲和蓄存，因而，溝床上游干、濕季土壤含水量均顯著低于其他分段。

表3 極值日土壤水分監(jiān)測值

4.2 土壤水分隨土層深度的變化

已有研究表明，土壤水分在垂直剖面上的變化趨勢常見的有增長型[25]、降低型[26]和波動型[27]3種類型，沖溝溝床不同分段的土壤水分均屬于波動型，且在30—60 cm出現(xiàn)明顯的水分虧缺，這與趙元蛟等[28]的研究結果相似。趙元蛟等[28]研究發(fā)現(xiàn)干熱河谷區(qū)灌草植被分布下0.5 m土層處的根系生物量最大，而土壤含水量最低。在溝床中、下游分布著大量的扭黃茅、柱花草等灌草植被，其根系也多集中分布在30—60 cm土層，在植物生長耗水作用下，導致該土層深度出現(xiàn)明顯的水分虧缺現(xiàn)象。變異系數(shù)大小反映水分在土壤中的穩(wěn)定程度[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，溝頭、中游、下游整體變異系數(shù)均呈波動變化，與馮博等[4]在黃土高原坡面水分的研究一致，而本研究進一步發(fā)現(xiàn)溝床上游變異系數(shù)隨土層加深呈先增加后減小的趨勢，30 cm土層變異系數(shù)最大，表明上游30 cm土層水分極不穩(wěn)定，這可能與溝頭新鮮崩積物的不斷沉積于上游，且崩積物顆粒較粗，保水能力差，加之植被根系吸水的綜合作用，使得溝床上游30 cm土層干季最小趨近于0，而濕季降雨補給后最大可達19.57%，干、濕季水分巨大差異導致了該土層變異系數(shù)較高。此外，本研究發(fā)現(xiàn)溝床下游100 cm土層為水分活躍層，而韓嬌嬌[12]元謀干熱河谷坡面草地研究發(fā)現(xiàn)100 cm土層變異系數(shù)較小，為穩(wěn)定層，推測是水分補給差異造成溝床與坡面水分波動情況差異。溝床下游以沉積砂土為主，透水性強，溝道徑流能快速入滲達土壤深層，引起土壤水分迅速升高，而坡面100 cm土層水分多靠上、下土層緩慢補給，土壤水分長期穩(wěn)定。

4.3 溝床植被恢復建議

土壤水分對于干旱半干旱區(qū)的植被生長和分布起決定性作用[30]，侵蝕溝床形態(tài)也會影響植被的生長[24]。因此，研究典型沖溝溝床土壤水分時空分布差異并提出有針對性的恢復方案，將對溝床植被恢復具有重要意義。針對溝床不同分段應采取不同的植被恢復措施：在溝頭部位，溝壁常發(fā)生崩塌導致植物種子不易著床，應植根系發(fā)達、莖稈粗壯、耐沖性強的植物，例如銀合歡，并在植被周圍播撒生長迅速、根系發(fā)達的草本植物，聯(lián)合起到防沖、固土、攔沙作用；溝床上游由于淺層土壤水量低，且坡度大，應利用60—100 cm土層水量相對較高的特點，種植深根系、耐旱的鄉(xiāng)土樹種；溝床中、下游地勢平坦開闊且含水量高，可考慮種植需水量高的灌木或草本。從土壤水分干濕季變化特征來看，濕季水分含量較高，考慮到植被生長節(jié)律和水分需求，每年6月、7月開展植被營造工作最佳；干季水分持續(xù)走低且長期低于凋萎系數(shù)，建議在干季末期3月、4月輔以灌溉措施，確保滿足植被生長的水分需求。

5 結 論

(1) 溝床不同分段各土層(除100 cm土層外)含水量整體變化趨勢一致，均表現(xiàn)為明顯的干濕季特征；濕季(5—10月)土壤水分相對較高(7.64%～28.91%)，受降雨影響大，干季(11—次年4月)則長期處于較低水平(6.11%～11.97%)。

(2) 溝床土壤水分從溝頭至下游沿程變化在干濕季有明顯差異，濕季表現(xiàn)為先減小后增加，下游(17.36%)顯著高于溝頭(15.46%)和上游(12.19%)；干季則是先減小后增加再減小，溝頭(10.64%)顯著高于上游(6.74%)和下游(9.10%)。不同土層深度上，淺層(10—20 cm)和深層(60—100 cm)土壤水分含量在干濕季均較高，水分最小值出現(xiàn)在30—60 cm土層，其中干季30 cm土層土壤水分虧缺嚴重。沖溝溝床上游20—30 cm為活躍層，而表層(10—20 cm)和深層(40—100 cm)為穩(wěn)定層；溝頭水分活躍層是10 cm土層，溝床中、下游的水分活躍層分別為30 cm和100 cm土層。

(3) 溝床土壤水分最高日期通常出現(xiàn)在7日內累積降雨達76.1 mm以上的年最大降雨月當月，中、下游最高日期出現(xiàn)存在滯后性；最低日期通常出現(xiàn)在持續(xù)無降雨條件下，如干季末期，直至雨季初期出現(xiàn)首次有效降雨(>2 mm)，中、下游最低日期會提前出現(xiàn)。

(4) 進行人工植被恢復時，應選擇每年6月、7月開展植被構建工作；溝床不同分段應配置不同植被類型，溝頭易崩塌，應配置根系發(fā)達、莖干粗壯、耐沖性強植被；中、下游地勢開闊、且含水量高可優(yōu)先配置需水量大的灌木或草本，溝床上游土壤水分條件差，應配置深根耐旱的鄉(xiāng)土樹種，透過30—60 cm水分虧缺層。