吴 汉，熊东红，张宝军，郭 敏，杨 丹，张 素，校 亮，方海东

(1. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041； 2. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南 元谋 651300)

【研究意义】金沙江干热河谷区是我国西南地区典型的生态脆弱区，其对气候变化和人类活动响应比较敏感，具体表现土壤退化、植被退化以及土地荒漠化等[1-2]。土壤水分是制约金沙江干热河谷区农业生产和植被恢复的主要限制性因素[3]。目前，冲沟发育地带为植被恢复最为困难的区域。由于冲沟活跃区不同部位的立地生境不同，土壤水分条件迥异，导致以往采取的单一的植被治理措施(如以往大规模种植的桉树、新银合欢、麻疯树等)效果不甚明显，如桉树种植导致其密度偏高，结构简单，群落稳定性较差，土壤干化明显[4-5]。充分认识和掌握干热河谷区土壤水分状况，尤其是冲沟活跃区不同部位的土壤水分时空分布规律，可为该地区的植被恢复和生态建设提供重要依据。【前人研究进展】近年来，国内学者对于土壤水分的时空分布规律进行了大量研究，但研究地区主要集中于黄土高原丘陵地区、西北干旱绿洲地区及荒漠地带、东北黑土地区以及西南岩溶地区，而有关金沙江干热河谷区的土壤水分时空分布规律研究则较缺乏[6-7]。【本研究切入点】有关干热河谷土壤水分的研究也开展了大量工作，分别就不同坡面整地方式、微地形改造和不同植被恢复方式等条件下土壤水分的变化特征进行了研究[3,8-10]，但有关水土流失严重、植被恢复困难的地带—冲沟活跃区的土壤水分时空分布规律研究较少涉及。【拟解决的关键问题】鉴于此，本文拟通过对元谋干热河谷典型冲沟活跃区不同部位土壤水分状况的长期动态监测，对冲沟不同部位的土壤水分开展初步研究，以阐明土壤水分时空变化规律，旨在深化对冲沟活跃区不同部位土壤水分状况认识，并为金沙江干热河谷地带冲沟不同部位的植被建设和生态恢复提供依据。

1 研究区概况

田间长期定位监测于2015年1月至2015年12月在中国科学院成都山地灾害与环境研究所与云南省农业科学院合建的干热河谷沟蚀崩塌观测研究站(以下简称“元谋站”)内(101°48′48″～101°49′54″，25°50′30″～25°51′18″，海拔1067～1138 m)进行。该研究区位于金沙江一级支流龙川江下游元谋干热河谷(101°35′～102°26′E，25°23′～26°06′N)。该区属南亚热带季风气候，具有“炎热干燥、降水集中、干湿季分明”的气候特征，年均温21.9 ℃，极端最高气温42 ℃，极端最低气温-2 ℃；年均降水量615.1 mm，主要集中于6-10月，约占全年降水量的90 %以上，年蒸发量高达3911.2 mm，为年降水量的6.4倍，年干燥度为2.8。土壤类型主要以燥红土和紫色土为主，少量为变性土。植被类型主要为干旱稀树灌草丛，森林覆盖率极低，仅为3.4 %～6.3 %，草本植物以扭黄茅(Heteropogoncontortus)、孔颖草(Botnrocholaportusa)为主，灌木和乔木主要有车桑子(Dodoneaeviscosa)和滇合欢(Albiziajulibrissm)等。元谋组地层在元谋盆地内广泛分布，厚673.6 m，分为4段28层，该区从上新世以来，形成了不同地质时期和厚度不同的沉积物，为砂层、粉砂层、亚粘土层及砂砾层互层，岩性松散。研究区内冲沟极为发育，地形破碎，沟壑纵横，植被稀疏，水土流失严重，是长江上游有名的水土流失重灾区[4]。

2 研究方法

2.1 数据监测

2015年1月于元谋站内开展冲沟土壤、植被和地形调查，并最终选择1条典型的冲沟作为本研究区的试验对象(表1)。研究区分为集水区、沟头和沟床3个部位，为了解冲沟不同部位土壤水分状况，设置水分监测点14个，其中集水区、沟头和沟床分别为4、4、6个监测点，并在每个监测点布设FDR土壤水分探管，采用与之配套的土壤剖面水分仪(英国Delta-T Device Ltd.公司生产，型号：PR2/6)，进行日变化、季节变化两个时间尺度的土壤水分定位监测。监测深度分别为10、20、30、40、60、100 cm，监测时段为2015年2-12月，其中6-10月为雨季，监测日期为每月6日、16日、26日，共监测33次。为了研究不同部位土壤水分变化特征，计算各个部位监测点土壤水分平均数据来代替不同部位土壤水分变化特征。降雨数据利用元谋站试验场气象园的仪器获取。

2.2 数据处理

本研究中土壤水分测量结果为土壤水分体积百分数(%)。相关研究[11]表明，变异系数c.v.能够反映土壤不同深度及年内土壤水分的稳定性特征，当c.v.≤10 %时为弱变异性，当10 %

3 结果与分析

3.1 土壤水分时间动态变化特征

由图1可以看出，冲沟不同部位平均土壤水分随时间呈现出规律性变化特征，旱季土壤水分含量最低，雨季由于受到降雨补给作用，土壤水分含量逐渐增加，秋季随着降水量减少，土壤水分开始回落。2-6月，土壤水分处于较低水平，均低于10 %，冲沟不同部位土壤平均含水量差异显著，其中沟头土壤平均含水量最高，平均值为7.51 %，沟头和集水区分别为6.38 %、5.11 %。7-10月为雨季，土壤水分增加明显，沟头、沟床、集水区的平均土壤水分含量分别是2-5月的1.93，2.22，1.84倍。据气象站点监测，11-12月无降雨，气温降低，植被生长活动减弱，受前期土壤蓄积水分以及蒸发量的影响，土壤水分呈现降低趋势，其中沟床土壤水分含量最高，平均值为11.99 %；沟头次之，平均值为10.83 %；集水区土壤水分含量最低，平均值为7.39 %。基于上述土壤水分年内变化特征分析，可将元谋干热河谷冲沟土壤水分活动划分为土壤水分消耗期(2-6月)、土壤水分积累期(7-10月)和土壤水分消退期(11-12月)等3个阶段。结合该区燥红土凋萎系数分析[12]，认为7-10月土壤水分条件较好，高于凋萎系数，利于植被生长；11-12月次之，除集水区在12月份土壤水分低于凋萎系数外，其他均高于凋萎系数；2-6月土壤水分均低于凋萎系数，水分亏损严重。

图1 冲沟各部位平均土壤水分含量季节变化特征Fig.1 The seasonal variation characteristics of soil water of different gully positions

图2 冲沟各部位不同深度土壤水分季节变化特征Fig.2 The seasonal variation characteristics of different depth soil water of different gully positions

干热河谷冲沟不同部位不同深度土壤水分年内变化特征显示(图2)，除集水区20、30和40 cm土层外，其他冲沟不同部位不同深度土层均表现出明显的干湿季特征。10 cm土层，冲沟不同部位土壤水分变化特征一致，且变化幅度较大，其中集水区、沟头和沟床的年内变异系数分别是30.78 %、43.34 %和32.90 %，平均含水量分别是9.28 %、11.74 %和13.45 %，均高于对应的其他深度土层土壤含水量；20、30和40 cm土层中，沟头和沟床土壤水分差异不明显，变化趋势较为一致，季节性变化特征明显，可以明显划分为干季(2-6月)和湿季(7-12月)，而集水区土壤水分变化幅度较小，无明显的季节性变化。在60 cm土层中，各部位土壤水分变化趋势一致，2-6月，土壤水分变化幅度较小，趋于稳定，7-8月土壤水分缓慢上升，而9-10月土壤水分波动幅度增加，但总体差异不明显，处于高值；100 cm土层中，集水区和沟床部位土壤水分在2-7月变化趋势一致，呈现出缓慢增加的趋势，而沟头土壤水分变化较稳定，在8-12月，沟头和沟床土壤水分变化趋势和幅度相一致，并在9月中旬达到峰值，而集水区在呈现波动上升的趋势，在10月中旬达到峰值，随之土壤水分缓慢下降。

3.2 冲沟不同部位垂直剖面土壤水分动态变化特征

图3表明，冲沟不同部位土壤水分垂直变化特征一致，均随着土壤深度的增加，土壤水分呈现出先减少后增加的趋势。干季土壤水分从10～50 cm土层，缓慢降低；而50 cm以后土层，又呈现增加的趋势。干季土壤水分含量最高出现在表层，最低出现在40～60 cm。而雨季则不同，从10～50 cm，土壤水分降低趋势明显，而50～60 cm土壤水分变化趋于稳定，60 cm以上土壤水分增加趋势也明显，其中变化特征与干季土壤水分变化特征类似，土壤水分最高值也出现在土壤表层，最低值出现40～60 cm。总的来说，通过对冲沟不同部位土壤水分分布特征分析发现，在垂直剖面上，土壤水分条件较好时，均出现在表层(10～40 cm)和深层(60～100 cm)，而40～60 cm土层出现明显的土壤水分亏缺，土壤水分条件较差。

图3 冲沟不同部位土壤水分垂直变化特征Fig.3 The vertical variation characteristics of soil water of different gully positions

3.3 冲沟不同部位土壤水分差异特征

表2表明，不同部位土壤水分含量差异明显。从土壤水分均值来看，不同部位土壤平均水分含量依次为沟头(9.98 %)>沟床(9.65 %)>集水区(6.64 %)，说明沟头水分条件较好，沟床次之，而集水区土壤水分条件相对较差，也说明在干热河谷区所处部位会影响土壤的水分条件。沟床土壤水分波动较强烈，沟头次之，集水区波动较小，变异系数分别为35.69 %、30.46 %和26.25 %。分别对集水区、沟头和沟床土壤水分之间进行差异性分析，发现集水区分别和沟床、沟头部位土壤水分差异明显，达到显著水平(P<0.05)，而沟头和沟床之间土壤水分差异不明显。

从表3可知，冲沟不同部位土壤水分垂直变异系数均呈现“先急剧下降后缓慢增加”的趋势。在10～30 cm土层，土壤水分变异系数逐渐减小，均在43.40 %以下，表明土壤表层土壤水分极不稳定，年内波动较大，随着深度增加，土壤水分变化相对稳定。其中集水区的土壤水分变异系数最低值出现在20 cm，为12.87 %，然而沟头和沟床的土壤水分变异系数最低值则均出现在30 cm土层，分别是26.96 %和29.44 %。在30～100 cm土层，除集水区外，沟头和沟床变异系数均呈缓慢增加趋势，其中在100 cm土层中达到最大，分别是32.83 %和49.65 %。而集水区土壤水分垂直变异系数则在60 cm到达整个剖面的最大值，为57.68 %。综上所述，冲沟不同部位土壤水分年内变化在30～60 cm土层中变化幅度小，年内土壤水分分配均匀，而在表层(10～30 cm)和深层(60～100 cm)变异较大，土壤水分季节性分配不均。

表2 冲沟不同部位土壤含水量特征Table 2 The characteristics of soil water of different gully positions

表3 冲沟不同部位土壤水分特征值Table 3 The characteristic value of soil water of different gully positions

土壤剖面各土层土壤水分差异性特征也能用变异系数来表示，进而表明土壤水分的分配特征。从图4可以看出，集水区和沟床垂直剖面土壤水分变异系数呈现出明显的单峰变化趋势，2-8月，变异系数逐渐增加，而8-12月变异系数迅速降低，说明了土壤水分垂直分布随着降雨量增加，其分配越不均匀，旱季土壤水分分布相对均匀。虽然沟头土壤剖面水分变异随时间也成单峰变化趋势，但相对对于集水区和沟床而言，其变化幅度较小，可能是由于土壤理化性质差异的缘故。

图4 冲沟各部位剖面土壤水分季节变异特征Fig.4 The seasonal variation characteristics of soil water of different gully positions

表4 土壤水分与降雨量的相关系数Table 4 The correlation coefficient of soil water and precipitation

注:**表示极显著相关(P<0.01);*表示显著相关(P<0.05),其中n=33。
Note：**means super significant correlation at 1 %; *means significant correlation at 5 %, andn=33.

4 讨 论

土壤水分的季节性变化主要受降水、气温、光照强度和蒸发量等气候因子的季节性变化影响。土壤水分与降雨时间分配密切相关，降雨的季节性差异直接导致土壤水分的季节性变化[13]。本研究结果显示，冲沟不同部位(集水区、沟头和沟床)土壤水分的变化规律与降水的季节变化一致。该结果与我国及世界其他多数地区的研究结论一致，即随着降雨量的增加，土壤水分增加明显。本研究还发现，在降雨稀少的冬季(11-12月)，土壤水分明显高于有降水春季(3-6月)，原因可能是受蒸发量影响的缘故。据气象资料显示，元谋干热河谷区全年蒸发量呈现单峰曲线变化，1-4月，蒸发量急剧增大，5-12月，蒸发量下降并趋于稳定。虽然研究区3-6月有一定数量的降水，但多为无效降水，加之气温高，蒸发强烈，土壤水分消耗大，而11-12月份，虽然降水稀少，但气温低，蒸发微弱，土壤水分处于相对较高水平。相关研究表明[14]，表层土壤水分受外界环境影响较大，随着土层深度增加，土壤水分的季节动态变化明显减弱。本研究结果显示，随着土层深度增加，土壤水分与降雨量相关性呈现出先明显降低(10～30 cm)后趋于稳定(40～100 cm)的趋势，与上述研究结果相一致。这是由于土壤表层受大气降水和蒸发作用土壤水分最为敏感，随着深度增加土壤水分对降雨的敏感性减弱，植物根系分布减少，加之土壤水分蒸发路径延长，土壤水分季节性减弱。

变异系数大小可以反映土壤水分的垂直梯度变化特征，其大小反映了水分在土壤中分配及消耗状况[10]。许多研究[10-11,15]表明，在土壤的垂直剖面上，表层土壤受外界环境的影响最大，随着土壤深度的增加，土壤所受外界环境的环境影响减弱，变异系数随着降低。而本研究表明，冲沟不同部位土壤水分变异规律一致，均表现为中层(20、30、40 cm)土壤水分变化幅度较小，土壤水分稳定，而表层(10 cm)和深层(60、100 cm)土壤水分变化幅度较大，波动剧烈。这是由于表层土壤是与大气水分交换的媒介，受大气条件(降水和蒸发)影响剧烈，对环境变化敏感，土壤水分变化幅度较大，深层由于受降水入渗及根系影响较小，水分梯度变化大，而中层由于受植物根系影响，大量的土壤水分被植物所吸收，导致土壤剖面出现明显的土壤水分亏缺层，并在年内均表现突出。据野外调查发现，在集水区和沟床分布大量的扭黄茅、柱花草、象草和木豆等灌草丛植被，其根系主要分布在30～60 cm土层中，而沟头分布少量的银合欢幼苗。在研究区，水分是制约植被生长的主要限制性因素，植被根系分布势必会对土壤水分造成一定程度的影响。从冲沟不同部位土壤剖面垂直变化趋势也可以看出，植物根系是造成土壤该部位土壤水分亏缺的重要因素。已有研究表明[16]，土壤水分在垂直剖面上的变化趋势一般划分为增长型和降低型。但冲沟不同部位的土壤水分在垂直剖面上呈现出先降低(10～40 cm)后增加(60～100 cm)的变化趋势，在40～60 cm出现明显的土壤水分亏缺，这与赵元蛟等[17]研究结果较为相似。赵元蛟等[17]通过对干热河谷土壤水分季节研究，指出草地类型的含水量最低值出现在0.5 m，正好对应其草地植物根系的深度，在0.5 m以下，随着土层厚度增加，土壤水分增加。

金沙江干热河谷冲沟不同部位土壤水分时空分布特征是降雨、地形、植被和土壤质地等因素共同作用的结果。本研究得出，在0～100 cm土层内，沟头平均土壤水分(9.98 %)大于沟床(9.65 %)，集水区的平均土壤水分含量最低，平均值为6.64 %，表明沟头土壤水分条件相对较好，相比沟床和集水区而言，利于植被生长，沟床次之，集水区土壤水分相对稀缺不利于植被恢复和重建。造成冲沟不同部位土壤水分分布格局的原因主要有以下几方面：①集水区位置相对较高，植被相对稀疏，多数面积为光板地，太阳照射时间均比沟头和沟床部位长，导致其蒸发量增加；②集水区为燥红土，土质粘重，表面覆盖一层铁质胶膜，且土质坚硬，水分入渗困难，易形成地表径流，导致大量水分流失，而沟头土质疏松，总孔隙度大，利于水分入渗，沟床部位主要为冲积土，砂组分含量高，地势平坦，既利于水分入渗，又导致大量土壤水分蒸发。基于以上原因，冲沟不同部位土壤水分呈现出沟头>沟床>集水区的特点。

干旱或者半干旱地区，土壤水分是影响植被分布的一个重要因素，甚至对植被生长和分布具有决定作用[18]。因此通过对典型冲沟活跃区土壤水分时空分布规律的研究，并提出不同恢复区方式，将对冲沟生态恢复与生态重建具有重要意义。前已述及，表层土壤水分含量虽高，但年内变异系数大，水量不稳定，因此不适宜人工播种草本植物，表层应以野草自然生长为主。冲沟不同部位在30～60 cm土层因广泛分布灌木根系，土壤水分得到充足利用，导致土壤水分亏缺严重，因此也不适宜人工播种灌草植被，应以野生灌草植被生长为主。在60～100 cm土层中，土壤含水量相对较高，自然植被对其水分利用较小，因此在生态建设时，应深挖土层，种植深根系的植被。针对冲沟不同部位土壤水分的变化特征，应采取不同的植被恢复措施。在沟头部位，考虑到沟壁时常发生崩塌导致植物种子不易于着床，应种植具有发达根系、茎秆粗壮、耐冲性强的植物如剑麻(Agavesisalana)等，起到减缓径流冲刷、拦截泥沙的作用；沟床水分条件较好，应种植经济价值高的草本作物如柱花草(Stylosanthesguianensis)等；集水区由于土壤水分条件差，土质坚硬，应当采取适当的人工整地措施(如开挖竹节入渗沟、鱼鳞坑等)，增加水分入渗，改变其恶劣的生境条件，同时种植抗旱能力强的乡土植物如车桑子(Dodoneaeviscosa)、扭黄茅(Heteropogoncontortus)等，进行植被恢复。从土壤水分季节性变化特征来看，2-6月土壤水分含量较低，长时间低于凋萎系数，不适宜进行植被构建，7-12月份土壤水分条件较好，适宜植被种植和生态恢复。

本文就冲沟不同部位土壤水分时空分布特征做了初步研究，针对冲沟不同部位及不同深度的水分变化特征，采取相适应的植被恢复措施对区域生态建设具有一定的指导意义。本文土壤水分监测尺度仍显偏大，对于限制冲沟不同部位植被重建的其他因素尚未涉及，下一步将深入探讨土壤水分、温度及土壤肥力与植被之间耦合关系，不同监测尺度下土壤水分变化特征，以期为干热河谷植被重建提供坚实的理论依据。

5 结 论

(1)冲沟不同部位平均土壤水分含量随时间变化具有明显的规律性变化特征，可以将冲沟土壤水分划分为土壤水分消耗期(2-6月)、土壤水分积累期(7-10月)和土壤水分衰减期(11-12月)等3个阶段。随着土层深度增加，冲沟不同部位土壤水分年内变化特征不同，其中集水区20、30和40 cm土层，土壤水分含量较稳定，其他部位不同深度土壤水分均表现明显的干湿季变化。

(2)冲沟不同部位年内土壤水分含量及变异系数均表现出随着土层深度(0～100 cm)增加先减小后增加的分布特征，其中40～60 cm土层土壤水分变异系数较低且土壤水分亏损表现明显，这些特征表明表层(10～30 cm)和深层(60～100 cm)土壤水分年内含量高且分配不均，而中间(30～60 cm)土层土壤水分含量相对较少且分配相对均匀。

(3)集水区和沟床土壤水分日变异系数随着时间变化呈现出明显的单峰变化特征，表明在干季(春季和冬季)，不同深度土层间土壤水分分配相对均匀，差异较小，而雨季分配相对不均，差异较大，而沟头土壤水分在春季土壤水分分配较均匀，其他时间均出现分配不均现象；沟头和沟床土壤水分显著大于集水区(P<0.05)，沟头和集水区间平均土壤水分无显著差异，具体表现为沟头(9.98 %)>沟床(9.65 %)>集水区(6.64 %)。

(4) 鉴于土壤水分时空变化规律，在进行人工植被恢复过程中应该注意以下几点问题：考虑到种植季节上，应选择7-10月土壤水分较充足时期种植；垂直剖面上，土壤水分分配不均，中间土层(30～60 cm)土壤水分亏缺，应深挖土层种植深根系植被；针对不同部位土壤水分和其他土壤理化条件，应选择种植不同植被类型，考虑到沟壁时常发生崩塌导致植物种子不易于着床，应种植具有发达根系、茎秆粗壮、耐冲性强的植物，沟床水分条件较好，应种植经济价值高的草本作物，集水区由于土壤水分条件差，土质坚硬，应当采取适当的人工整地措施，增加水分入渗，改变其恶劣的生境条件，同时种植抗旱能力强的乡土植物。

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