石漠化區(qū)雨季不同植被類型土壤水分溫度動態(tài)變化及兩者關(guān)系

趙 爽，余軍林，羅 婭，石春茂，劉 洋

（1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州省水利科學(xué)研究院，貴陽 550025）

0 引 言

土壤水分和土壤溫度作為重要的水熱資源，是反映陸地表面水熱收支狀況和陸—氣間能量遷移轉(zhuǎn)換的重要指標(biāo)[1-3]。土壤溫度的變化影響土壤水分的入滲、再分布和蒸發(fā)等過程，土壤水分的變化通過改變土壤的熱力性質(zhì)影響土壤溫度[4]，兩者之間相互作用、相互影響[5,6]。此外，受區(qū)域地質(zhì)地貌、氣候、植被、土壤理化性質(zhì)和人類干擾等影響[7-9]，土壤溫度和土壤水分具有較強的時空異質(zhì)性[10-13]，影響著植被生長和分布狀況[14-16]。

石漠化區(qū)斑塊破碎，人為干擾程度高，土壤不連續(xù)且薄，植被覆蓋率低，是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。植被恢復(fù)為石漠化治理最有效的生態(tài)修復(fù)途徑[17]。然而，石漠化區(qū)地表和地下雙層水文結(jié)構(gòu)，水文過程迅速，地表水保蓄能力差，地表干旱經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致土壤水分成為植被生長的重要限制性因素[18-20]，受到學(xué)者們的高度關(guān)注。如吳克華等[21]運用固定樣地監(jiān)測法，研究喀斯特峽谷區(qū)土壤溫度與石漠化強度的關(guān)系，結(jié)果表明喀斯特峽谷區(qū)土壤溫度與石漠化等級程度相關(guān)性不大。王思硯[22]等采用土樣烘干法、自動監(jiān)測等方法，研究不同石漠化等級的土壤水分差異及地質(zhì)、地形、土壤等因素對土壤水分的影響。徐慧芳等[23]在峰叢洼地坡面進行控制性試驗，分析土地利用方式下土壤水分的季節(jié)差異。彭熙等[24]采用烘干法、蒸發(fā)儀法和快速稱重法等方法研究喀斯特峽谷區(qū)經(jīng)濟林地土壤水分，并劃分出土壤水分垂直變動帶。王臏等[25]探討喀斯特峽谷區(qū)不同植被類型的土壤水分時空差異，表明花椒林地水分含量高，具有較高保持水土效益。這些研究成果為認(rèn)識石漠化區(qū)土壤水分和土壤溫度的時空異質(zhì)性提供了重要參考，但并未深入探討石漠化區(qū)典型植被類型各層土壤水分之間、各層土壤溫度之間，以及土壤水分與土壤溫度之間相互關(guān)系，一定程度上局限了研究成果在石漠化植被修復(fù)中的樹種選擇、種植方法及其管理的應(yīng)用。

綜上，以花江石漠化區(qū)為研究區(qū)，運用原位監(jiān)測方法，研究石漠化區(qū)不同植被類型土壤水分與土壤溫度的動態(tài)變化，揭示各層土壤水分之間、土壤溫度之間，以及土壤水分與土壤溫度之間3種相互關(guān)系，為該地區(qū)植被恢復(fù)的林種選育和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

花江石漠化區(qū)位于貴州省關(guān)嶺縣南部和貞豐縣北部交界處、北盤江中游的花江河段南北兩岸，地理坐標(biāo)為105°36′30″E～105°46′30″E、25°39′13″N～25°41′00″N，總面積約47.63 km2。地勢西高東低，河谷深切，最高海拔1 359 m，最低海拔446 m。地貌多為峰叢洼地、峰叢峽谷。喀斯特面積高達94%，石漠化面積占喀斯特面積的61.2%。屬于中亞熱帶干熱河谷氣候，年降水量約1 100 mm，但時空分布不均，多集中于5-10月；氣候溫和，年均溫度16.4 ℃，冬暖春旱，熱量豐富，無霜期長。土壤主要有紅色石灰土、紅小泥土、紅大泥土、黃色石灰土、黑色石灰土等類型，表現(xiàn)出薄、瘦、干、粘、堿等特性。植被以人工植被為主，有香椿、復(fù)羽葉欒樹、核桃、構(gòu)樹、甘蔗、金銀花、芭蕉、砂仁和竹類等。區(qū)內(nèi)基巖出露，土層薄而不連續(xù)，土壤貧瘠，地下水埋藏深，地表干旱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力較低。全區(qū)轄9村52村民組，人口密度167人/km2，是貴州省生態(tài)極為脆弱的地區(qū)。

1.2 樣地設(shè)置

在花江石漠化區(qū)南岸(地理坐標(biāo)為105°38′51.73″E～105°38′53.34″E、25°39′39.58″N～25°39′41.37″N)，選擇空間近鄰的頂壇花椒、復(fù)羽葉欒樹和構(gòu)樹地塊(分別代表人工經(jīng)濟林、原生喬木和原生灌木)作為實驗樣地，每個樣地選取5 株樣樹。由于3 種植被分布于石漠化地塊中，受土地不連續(xù)分布影響，植株密度不甚均勻。因此，為滿足“每個樣地至少選取5棵樣樹”的抽樣需求，在海拔、坡度、坡向等自然特征相似的地塊設(shè)置頂壇花椒、復(fù)羽葉欒樹和構(gòu)樹3個樣地(規(guī)格見圖1和表1)，樣樹特征如表2所示。

表1 樣地特征Tab.1 Main characteristics of treatment plot

表2 樣樹特征Tab.2 Main characteristics of sample trees

圖1 實驗樣地平面示意圖Fig.1 The plane schematic diagram of experimental plots

1.3 數(shù)據(jù)測定

時域反射儀(TDR，Time Domain Reflectometer)廣泛用于高精確度土壤水分含量測定。本研究采用德國生產(chǎn)的TDR 土壤水分儀(型號：TRIME-PICO64，IMKO，精度：±0.2 ℃、±0.2%)和TRIME-HD2 讀數(shù)表測試土壤水分和土壤溫度。將傳感器探頭分別置于頂壇花椒、復(fù)羽葉欒樹和構(gòu)樹(共15株)林下深度為0～5、5～10、10～20 和20～40 cm 的4 個土壤層中部(即2.5、7.5、15 和30 cm 處)測定數(shù)據(jù)，進行逐日監(jiān)測，監(jiān)測時期為2016年7月28日至8月19日，每日時間為早上9:00-11:00，每層土壤水分和土壤溫度值以重復(fù)3 次測試的算術(shù)平均值記錄。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用變異系數(shù)對土壤水分和土壤溫度的穩(wěn)定性進行評估，計算公式如下：

式中：C.V為變異系數(shù)；S為標(biāo)準(zhǔn)偏差；X為均值。

C.V值越小，離散程度越小，狀態(tài)越穩(wěn)定；反之，離散程度越大，狀態(tài)越不穩(wěn)定。根據(jù)雷志棟[26]對土壤水分變異系數(shù)(C.V值)的等級評估標(biāo)準(zhǔn)，將變異程度等級劃分為：C.V≤0.1 為弱變異性、0.1

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對土壤水分和土壤溫度的相互關(guān)系進行評估。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算方法如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型土壤水分和溫度平均狀況與穩(wěn)定性

計算3 種植被土壤水分和土壤溫度的平均值和變異系數(shù)(表3和表4)。結(jié)果表明：

表3 土壤水分穩(wěn)定性Tab.3 Soil moisture stability

表4 土壤溫度穩(wěn)定性Tab.4 Soil temperature stability

（1）從表3 可知，土壤水分平均值呈現(xiàn)頂壇花椒(34.7%)>復(fù)羽葉欒樹(33.8%)和構(gòu)樹(33.4%)的趨勢，其變異系數(shù)呈現(xiàn)頂壇花椒(0.13)=構(gòu)樹(0.13)<復(fù)羽葉欒樹(0.15)的趨勢?？梢婍攭ń返耐寥浪趾枯^高且狀態(tài)較穩(wěn)定。

（2）從表4可知，土壤溫度平均值呈現(xiàn)構(gòu)樹(29.3 ℃)>復(fù)羽葉欒樹(27.9 ℃)>頂壇花椒(27.3 ℃)的趨勢，其變異系數(shù)呈現(xiàn)頂壇花椒(0.04)=復(fù)羽葉欒樹(0.04)<構(gòu)樹(0.07)，可見頂壇花椒的土壤溫度較低且狀態(tài)較穩(wěn)定。

（3）從表3可知，3種植被各層土壤水分垂直變化表現(xiàn)為：0～10 cm 迅速增加，10～40 cm 緩慢增加，總體呈現(xiàn)從上到下遞增的趨勢。各層平均土壤水分含量具體表現(xiàn)如下，0～5 cm：復(fù)羽葉欒樹(24.9)>頂壇花椒(24.6)>構(gòu)樹(23.7)；5～10 cm：頂壇花椒(37.0)>復(fù)羽葉欒樹(34.8)>構(gòu)樹(33.6)；10～20 cm：頂壇花椒(37.5)>構(gòu)樹(37.3)>復(fù)羽葉欒樹(36.6)；20～40 cm：頂壇花椒(39.7)>構(gòu)樹(39.0)>復(fù)羽葉欒樹(38.8)；顯示頂壇花椒各層土壤水分含量相對較高。

（4）從表4可知，土壤溫度垂直變化總體表現(xiàn)從上至下降低的趨勢，各層的平均土壤溫度呈：0～5 cm：構(gòu)樹(29.3)>復(fù)羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.5)；5～10 cm：構(gòu)樹(29.4)>復(fù)羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.4)；10～20 cm：構(gòu)樹(29.2)>復(fù)羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.3)；20～40 cm：構(gòu)樹(29.1)>復(fù)羽葉欒樹(27.9)>頂壇花椒(27.1)；顯示構(gòu)樹各層土壤溫度最高。

2.2 不同植被類型土壤水分和土壤溫度動態(tài)變化

圖2 顯示了3 種植被2016年7月28日至2016年8月18日的土壤水分和土壤溫度動態(tài)變化。3種植被各土層土壤水分大致呈現(xiàn)：在7月28日至7月30日為增長期，7月30日至8月5日為穩(wěn)定期，8月5日至8月16日為一個減小和增長相間的波動期，8月16日至18日為消退期。從各土層看，0～10 cm 水分波動較大，10～40 cm 水分較為穩(wěn)定，其中，頂壇花椒和復(fù)羽葉欒樹5～10 cm 土壤水分在8月14-17日出現(xiàn)了較大波動，在8月16日達到最高值；構(gòu)樹的土壤水分最高值出現(xiàn)在8月16日10～20 cm土層。

圖2 土壤水分和土壤溫度時間動態(tài)變化Fig.2 The dynamic change of soil moisture and soil temperature

3 種植被土壤溫度在7月28-30日呈下降趨勢，7月30日至8月5日為穩(wěn)定期，8月5-18日為一個減小和增大相間的波動期，最高值出現(xiàn)在8月9日和8月10日。

2.3 土壤水分與土壤溫度的相互關(guān)系

2.3.1 各垂直分層間土壤水分相關(guān)性

圖3 顯示了3 種植被各垂直分層土壤水分之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)R。其中，頂壇花椒5～10 cm 與0～5 cm，10～20 cm與5～10 cm，20～40 cm 與10～20 cm 的相關(guān)系數(shù)分別為0.383、0.311、0.232；復(fù)羽葉欒樹5～10 cm 與0～5 cm，10～20 cm 與5～10 cm，20～40 cm 與10～20 cm 的相關(guān)系數(shù)分別為0.504、0.751、0.665；構(gòu)樹5～10 cm 與0～5 cm，10～20 cm與5～10 cm，20～40 cm 與10～20 cm 的相關(guān)系數(shù)分別為0.603、0.491、0.396。綜上，3 種植被上、下層之間土壤水分含量總體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；上、下層間土壤水分的相關(guān)性頂壇花椒最低，構(gòu)樹次之，復(fù)羽葉欒樹最高。

圖3 各垂直分層之間的土壤水分相關(guān)系數(shù)Fig.3 The correlation coefficient between soil moisture in each vertical layer

2.3.2 各垂直分層間土壤溫度相關(guān)性

圖4 顯示的是3 種植被各垂直分層土壤溫度之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)R。其中，頂壇花椒5～10 cm與0～5 cm、10～20 cm與5～10 cm、20～40 cm 與10～20 cm 的相關(guān)系數(shù)分別為0.958、0.969、0.946；復(fù)羽葉欒樹5～10 cm 與0～5 cm、10～20 cm 與5～10 cm、20～40 cm 與10～20 cm 的相關(guān)系數(shù)分別為0.976、0.860、0.875；構(gòu)樹5～10 cm 與0～5 cm、10～20 cm與5～10 cm、20～40 cm 與10～20 cm 的相關(guān)系數(shù)分別為0.937、0.953、0.887。綜上，3 種植被各層之間的土壤溫度具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

圖4 各垂直分層之間的土壤溫度相關(guān)系數(shù)Fig.4 The correlation coefficient between soil temperatures in each vertical layer

2.3.3 各垂直分層土壤水分與土壤溫度相關(guān)性

圖5 顯示3 種植被各垂直分層間的土壤水分與土壤溫度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)R。頂壇花椒0～5 cm 和5～10 cm 的土壤水分與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)分別是-0.275和-0.307，存在顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)；10～20 cm 和20～40 cm 的土壤水分與土壤溫度的關(guān)系數(shù)分別是-0.165、-0.181，負(fù)相關(guān)不顯著。復(fù)羽葉欒樹0～5、5～10、10～20 和20～40 cm 的土壤水分與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.468、-0.474、-0.450、-0.405，存在較顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。構(gòu)樹4 個土層從上至下依次為-0.441、-0.462、-0.398、-0.520，表現(xiàn)出較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

圖5 土壤水分與土壤溫度相關(guān)系數(shù)Fig.5 The Correlation coefficient between soil moisture and soil temperature

結(jié)果表明3 種植被各層土壤水分與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，0～20 cm 土壤水分與溫度相關(guān)程度表現(xiàn)為：復(fù)羽葉欒樹>構(gòu)樹>頂壇花椒，20～40 cm 土壤水分與溫度相關(guān)程度表現(xiàn)為：構(gòu)樹>復(fù)羽葉欒樹>頂壇花椒。綜述，可見頂壇花椒各層土壤水分受土壤溫度影響程度最小。

3 討 論

3.1 植被根系特征對土壤水分和土壤溫度的影響

植被根系是影響土壤含水量的主要因素[27-29]，“淺根型”植物具有對表層土壤水分吸收強、水分利用率高、耗水小的特性[30]。在本研究土壤水分含量均值呈現(xiàn)頂壇花椒>復(fù)羽葉欒樹>構(gòu)樹，土壤溫度均值呈現(xiàn)構(gòu)樹>復(fù)羽葉欒樹>頂壇花椒的特點?？芍?，頂壇花椒樣地土壤水分含量最高而土壤溫度最低。原因在于，頂壇花椒作為淺根性植物，為適應(yīng)石漠化區(qū)土層淺薄的生境，其側(cè)向根系發(fā)達，吸收根集中在0～10 cm，能夠有效吸收利用地表水分或少量降雨[31]。此外，對于葉量和葉面積小而吸收根發(fā)達的植被而言，植被根系對地表土壤水分吸收效率高，且蒸騰作用小，因而對土壤水分消耗較小[32]，由此也會使得該類植被的土壤水分含量較高。這也比較符合頂壇花椒的根系、葉片以及土壤水分含量特征。

由前述可知，由于頂壇花椒吸收根發(fā)達且分布淺，對表層土壤水分吸收能力強，加之葉量較少、葉面小，使得蒸騰量小，因此有頂壇花椒分布的地表土壤水分含量高，土壤溫度也因土壤濕潤而比較低。而復(fù)羽葉欒樹是多年生高大喬木，根系發(fā)達，但其冠幅、葉面積和葉量相對頂壇花椒較大，蒸騰作用對地表水分吸收量大，因而地表土壤水分含量會降低，但也因其寬大的冠幅和較高的郁閉度，有效減少地面接受太陽輻射而使得土壤溫度較低。構(gòu)樹是低矮灌木，具有顯著的巖生性，主要分布在土量少的石窩或者巖縫中。此外，構(gòu)樹根部靠近巖石，其周圍巖石在陽光照射下相比土壤升溫快，使得構(gòu)樹根部土壤溫度較高。加之構(gòu)樹冠幅小、葉量少而葉面大，其葉面蒸騰和土面蒸發(fā)量大，所以構(gòu)樹表層土壤水分含量最小且土壤溫度最高。

3.2 頂壇花椒不同土層土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不一致的可能原因

研究發(fā)現(xiàn)：頂壇花椒0～5 cm和5～10 cm層的土壤水分與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而10～20 cm和20～40 cm的土壤水分與土壤溫度負(fù)相關(guān)不顯著?？芍攭ń犯魍翆拥耐寥浪趾屯寥罍囟榷即嬖谪?fù)相關(guān)，但10 cm 以上土壤水分和土壤溫度的負(fù)相關(guān)更顯著。這種特點的產(chǎn)生可能與頂壇花椒的淺根特征和蒸散發(fā)等因素有關(guān)[33,34]，頂壇花椒吸收根集中分布于0～10 cm，根系吸收對該層土壤水分消耗大，加上夏季日照時間長，表層土壤溫度較高，土壤表面蒸發(fā)和林冠蒸騰量大，因而與下層土壤水分形成水勢差[32]，使土壤水分發(fā)生垂直運動，下層水分補充上層損失的水分。

4 結(jié) 論

土壤水分和土壤溫度深受植被類型的影響。對花江石漠化區(qū)的土壤水分和土壤溫度開展研究，結(jié)果表明：

（1）對比頂壇花椒、復(fù)羽葉欒樹和構(gòu)樹，頂壇花椒的土壤水分含量較高、土壤溫度較低，時空變異性小，狀態(tài)穩(wěn)定。

（2）在土壤水分溫度的垂直變化上，3種植被的土壤隨深度增加水分含量增加、土壤溫度降低，頂壇花椒各層土壤水分含量最高，土壤溫度最低。

（3）3種植被各層的土壤水分與土壤溫度，除頂壇花椒10～20 cm 和20～40 cm 負(fù)相關(guān)不顯著，其他都具有顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)程度上：0～20 cm 呈復(fù)羽葉欒樹>構(gòu)樹>頂壇花椒、20～40 cm 呈構(gòu)樹>復(fù)羽葉欒樹>頂壇花椒；各層土壤水分與鄰近上層土壤水分具有顯著的正相關(guān)；各層之間的土壤溫度具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

綜上，頂壇花椒雨季平均土壤含水量較高，其時空變異小，表明作為石漠化治理區(qū)主要人工經(jīng)濟林的頂壇花椒具有較好持水效益，在今后的生態(tài)治理和產(chǎn)業(yè)培育工作中對頂壇花椒應(yīng)進一步選育改良和加強管理。