赵志猛　沈有信　朱习爱

摘要：岩溶地区土壤水分对植被生长、恢复和土壤侵蚀过程有重要的调控作用，与退化生态系统的恢复、重建和演替息息相关。在介绍西南喀斯特生态地质环境背景的基础上，通过对现有研究成果进行总结，系统阐述岩溶土壤水分监测的常用技术手段、时空变异性、土壤水分特征，分析其主要影响因子及土壤水文过程，发现研究中的不足，提出下一步的研究重点应以岩石-土壤-植被系统为对象，深入研究三者之间的耦合关系，为喀斯特石漠化的恢复与重建提供理论依据。

关键词：岩溶；土壤水分；时空变异；生态恢复；中国西南

中图分类号：S152.7 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）19-3603-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.002

Abstract： Karst area is the typical ecological environment fragile area. Soil moisture has become a significant regulatory factor of regional soil erosion， vegetation growth and recovery process. It affects the ecological restoration， reconstruction and succession of degraded ecosystems， which have received people's great attention. Based on introducing the eco-geological environment background in karst areas of Southwest China， this paper outlined the measuring methods， time and space variety， soil water characteristics and its influence factors， and soil hydrological process. The main researches in the future are on the studies of coupling relationships between rock， soil， and vegetation. This provides theoretical basis for the rocky desertification control and rehabilitation.

Key words： karst area； soil moisture； spatial-temporal variation； ecological restoration； southwest China

喀斯特是世界上广泛分布的一种地质景观类型，集中連片分布在北美东部、欧洲中南部和中国西南地区，占全球陆地面积的12%～15%[1-3]。按碳酸盐岩出露面积计，中国的岩溶面积为90.7×104 km2，其中西南部约占总面积的50%（约为50.0×104 km2），是世界上喀斯特面积分布最广、最集中、发育最强烈的地区[1，4]，由于其成土速率低、土层浅薄、石—土间断分布、水分养分易流失，成为典型的生态脆弱区[5]。自20世纪以来，西南喀斯特地区人口快速增长，人地矛盾不断激化，导致大面积森林被破坏，土壤侵蚀退化严重、水土流失加剧，形成基岩裸露的石漠化景观[6，7]。脆弱的生态地质环境背景加上不合理的土地利用方式，造成的喀斯特石漠化已经成为当今备受关注的话题，严重影响了当地社会、经济的可持续发展，成为制约区域生态建设中急需解决的问题[8，9]。

水循环是生态系统研究中的重要内容[10]，水以溶液的形式向植物输送着养分，几乎是所有生命存在的基础[3，11]。喀斯特土壤水分不仅是岩溶植被的生命线，还是岩溶作用的驱动力和土壤流失的重要影响因子，更是表层水体的重要储存库，对调控土壤养分及水流量有重要作用，对岩溶区生态地质环境安全和社会经济发展意义重大。水分运移是喀斯特石漠化的驱动力[12]，岩溶石漠化的发展受到土壤对水分的保持和传导能力的影响，有效的土壤保水、导水能力是恢复与重建石漠化地区生态环境的基础[13]。因此，掌握喀斯特土壤水分变化规律既是认识喀斯特生态系统的基础，也是中国南方生态建设乃至岩溶科学发展的必然要求。

西南喀斯特地区降雨相对充沛，但由于植被覆盖率下降，土壤储水能力有限以及岩石渗漏性强等因素，植物仍然遭受着长时间的干旱胁迫，干季尤为严重。植被恢复与重建的最大难题还是土壤水分的亏缺。目前，针对中国西南喀斯特地区土壤水分的监测方法、运移规律、变化动态、空间异质性、不同生境中含水量及其主要影响因素等研究领域，国内很多学者进行了有益的探索和尝试，取得了大量成果[14-19]。然而，由于倾向于局部的研究，缺乏整体和系统的探讨而进展缓慢，尚有诸多领域需要进行系统深入的研究[20]。因此，本研究从宏观和系统的角度，在介绍西南喀斯特生态地质环境背景的基础上，通过对现有研究成果进行总结，阐述土壤水分监测的常用技术手段，找出中国南方喀斯特地区土壤水分含量的一般规律，分析土壤水分的主要影响因子及喀斯特土壤水文过程，发现研究中的不足和下一步的研究方向，为该地区的生态恢复、环境保护及增强区域生态安全保障提供科学依据。

1 喀斯特生态地质环境背景

地质、地形、气候、水文和植被条件不同，以及综合这些条件而产生的直接影响岩溶作用方式（溶蚀和沉积）和强度的地球化学背景条件的差别，造成各地岩溶发育程度及岩溶形态组合特征显著不同[1，21]。喀斯特地区分布最广的石灰岩和白云岩在岩石风化作用方式、岩溶形态、土层厚度、裂隙发育程度及风化壳持水性等方面都有较大差异[22]，这些差异造就了峰丛洼地、石林岩丘、谷地、岭脊和盆地等类型多样的喀斯特地貌类型[23]。喀斯特环境系统具有一系列特点：可溶岩形成多空隙（裂隙、洞穴）介质，有利于物质、能量的迁移和变换；自然土层“瘦、粘、薄”、生物生产量低；石—土间断分布；雨水、地表水、地下水相互转化明显，地下水文网发达；植被具有旱生性、岩生性和喜钙性；低环境容量及对生态系统变化的高度灵敏性等[24-27]，加上长期不合理的过度垦殖和开发利用，形成了无土覆盖、岩石裸露的石漠化景观[28，29]。endprint

西南岩溶地区处于湿润温暖的气候区，受特殊地质、气候等环境因素的综合影响，碳酸盐岩溶蚀作用强烈，形成典型的地上和地下双层结构，地表水容易沿岩溶裂隙和管道向下渗漏，表层土因含水量减少而土质疏松，遇降雨极易流失；另外，上覆土壤填充溶蚀形成的孔隙和空间通道，造成土壤下陷堆积，使地表土壤被岩石分割，基岩逐渐裸露[30-33]，环境因子的利弊兼容性、水分亏缺的派生性和异质性、环境的严酷性、脆弱性与多样性和改造的艰难性是明显的石漠化迹地特征[34]。不仅土壤养分、溶质的溶解与转移、微生物的活动受土壤水分含量制约，土壤含水量还是土壤肥力评价的重要环境因素[35，36]。复杂的地质环境背景对于土壤水分运动、时空异质性及石漠化的演替具有重要影響。了解该地区生态地质环境，对进一步利用和改善土壤水分状况，探索石漠化形成背景、发生机理，指导生态恢复和重建有重要作用。

2 喀斯特土壤水分监测

随着水分监测技术不断改进，目前喀斯特土壤水分测定的方法大致分两种[37]：一类是经常变动采样点，如烘干法、微波法和遥感法等。烘干法最常用，简单易行，具有足够的精度，但取样时会破坏土壤结构，不易深层取样，不利于连续土壤水分测定；快速测定法（酒精燃烧法、红外线法、炉烤法）是烘干法的一种，只是采用一些手段缩短土样烘至恒重的时间[13，38]。微波法是近年来出现的一种新的快速测定含水量的方法，其测试结果相对误差较小，迅速、及时[39]。遥感法（Remote Sensing）是一种非接触式、大面积、多时相的土壤水分监测方法，适合区域尺度下土壤表层水分状况的动态实时调查，不适合田间尺度下深层土壤水分的监测[40]。

另一类是固定点测定含水量，即将传感器埋入土中的不同深度固定不变，或在土中打一测孔，用仪器在这一测孔中定期测定含水量，如中子法、TDR法、γ射线法、热传导法、负压计法、仪器称重法等[37]。中子水分测定仪测定土壤水分，不破坏土壤结构，并可定点快速连续监测。但土壤物理性质会影响结果的精确度，且岩溶地区中子仪的标定必须采用挖掘式取样的野外标定法，测定过程特殊[41]。时域反射仪法（TDR）垂直分辨率高，使用方便、测定快捷且精度高、有助于实现自动化监测的优点，但TDR测定时测点要埋多个探头，过程较繁琐[40]。

喀斯特地区异质性高，表现为小生境类型及其组合的多样性和时空变化的无序性[42，43]。在对西南喀斯特土壤水分含量测定时，应结合各种土壤水分测定方法的特点及应用范围，选择适合的喀斯特土壤水分测定方法。例如，在一些土层相对较厚且连续性较好的洼地，可以采用中子仪、TDR等方法；在一些土层浅薄（10～30 cm）的峰丛坡地，土壤连续性较差，其水分测定一般用烘干法。陈洪松等[44]报道了以石灰岩分布为主的喀斯特地区，土层连续且碎石含量少的土壤可采用针式TDR或烘干法测定；在以白云岩分布为主的喀斯特地区，浅薄土层常含碎石，土壤水分测定用挖坑取土的方法。

3 喀斯特土壤含水量及其影响因素

3.1 土壤含水量

喀斯特地表水源漏失，地下水难以开采，灌溉用水严重缺乏[22]，一旦原有植被被破坏，自然和人工恢复不能在短期内有效地增加生态系统的生物多样性[45]。植被消失后，降雨对土壤的侵蚀加重，土壤的保水持水功能减退。喀斯特土壤分布及其含水量的高时空异质性，导致植物的分布和扩散受到很大限制，大多数植物分布在水分、养分相对充足的石间斑块土壤，或残存于各种石坑、石沟、石缝等微生境中的腐殖土上[46，47]。尽管在多雨的石灰山季节性湿润林地区，植物在高温少雨的旱季也频繁地遭受着干旱胁迫[48]。

近年来国内外对喀斯特地区水资源的研究主要集中在大尺度的水文地质领域及表层岩溶带，偏重对地下水的研究，对地表水、地下水转化的中间环节——土壤水的研究较少，且大多是从土壤水分时空动态变化及其影响因素等层面展开[13]。总体来看，西南喀斯特土壤水分含量偏低，矿质土壤含水量为25%～60%。王家文等[49]对西南喀斯特区海拔80～2 400 m、年均降水1 000～1 500 mm、年均温20 ℃左右，不同土地利用、不同时段和不同土壤表层含水量数据统计分析结果表明，土壤含水量在7.78%～81.96%的范围内，平均为28.21%，其中大多数（80.8%）土壤含水量在20%～40%之间，且随月份、季节、深度和地点等的变化波动较大。

3.1.1 时间动态变化 从时序变化上看，喀斯特土壤含水量具有低-升-高-降的季节变化过程[49，50]，不同植被类型变化趋势不同，阔叶林土壤含水量季节变化为：秋季>夏季>春季>冬季；针阔混交林为：夏季>秋季>春季>冬季[50]。土壤水分含量的时间动态变化可大致分为：春季及夏季储水期、夏季及秋初耗水期、秋季及冬初回升期、冬季平稳低墒期4个时段（总体为冬季低，春季、夏初高，夏季、秋初下降，秋季、冬初回升）[51]，且随石漠化程度加深逐渐减少[52]。

就月份和干湿季的变化而言，土壤含水量在3～4月较大且上升，5～8月出现年内最大与最小值，9～11月下降，12 月至下年2月最低，与月降雨量密切相关[53]。旱季和雨季之间土壤含水量差异显著[41]，且旱季土壤含水量的波动较雨季更大[54]。雨季湿润条件下洼地土壤含水量平均为23.13%，旱季时仅8.14%[16]。含水量日变化差异也较明显，清晨到午后含水量逐渐降低，下午14：00最低，之后则逐渐回升，但与其他时段有差异，在10：00～14：00区间，30 cm土层含水量反而低于20 cm土层[55]。

3.1.2 空间变异性 喀斯特土壤含水量呈明显的水平、垂直和坡面分异[56]。空间分布呈斑块状，含水量中等时变程较大，降雨后或特别干旱时较小，随含水量增大，空间异质性减小，上层和下层土壤含水量的变异比中间层大；雨季降雨充沛时，土壤含水量相关性中等，旱季时较强烈。另外含水量的空间结构随观测尺度的变化而变化，半变异函数和变程随采样间隔增大而增大[16-19，57-59]。垂直层面上，土壤表层水量较低且变化剧烈[54]，随土层深度的增加，土壤水分增加幅度逐渐减少，且波动较小[60]，这与一般的耕地和牧草地土壤含水量变化不同。但在一些植物根系集中分布的土层，土壤含水量较低，离根系分布层越远，土壤含水量相对较高[50]。不同坡度之间，土壤水分的变化差异极为显著，一般随坡度的增大而减小，但分布规律不明显，有坡脚低于坡顶的异常情况，且坡度对土壤水分的影响集中于表层和次表层[14]。在喀斯特坡面特定土地利用结构下（上坡到下坡分布有自然坡地、退耕坡地和耕地），表层土壤水分具有显著的空间分布特征和变异规律，沿坡向下有不断增加的趋势，横向变异程度比纵向强烈[61，62]。endprint

3.2 影响因素

土壤含水量通常用于表征土壤水分状况[63]，喀斯特土壤贫瘠、辐射强烈、水文过程变化快，植被生长过度依赖于生境条件，影响含水量的主要因素包括降雨、太阳辐射、植被蒸散、地面蒸发等气候因子，坡度、坡向等地形地貌因子，以及平均含水量、土壤厚度、植被类型、植被盖度、土壤容重和孔隙度、有机质等[41，44，50]。

3.2.1 降水 降水增加土壤水分，不同类型、层次的土壤对降雨的响应幅度和时间不同，降雨后土壤含水量从表层到深层呈现先增后减的趋势。降水对喀斯特耕地、牧草地的土壤含水量影响较小，而对坡地影响较大[64]。降雨后，0～15 cm土层土壤含水量随深度增加而降低，雨后数日表层土壤蒸发强烈，含水量又减少，低于深层土壤水分。彭熙等[65]发现花江峡谷花椒林地0～20 cm土层水分年度动态变化主要受温度、降水和蒸发的影响；20～50 cm土层主要受作物蒸腾及深度的影响；深层土壤（>50 cm）水分较稳定，波动较小。土壤水分的季节动态主要受温度和降水双重因素的影响，雨季降雨多，土壤水分主要受降水量的影响，旱季时则主要受温度控制[66]。王思砚等[63]研究表明针对喀斯特洼地，其土壤含水量受降雨、蒸散及植被蒸腾等的综合影响，土壤水分补给主要靠降雨量较大、历时较长和强度适中的降雨，暴雨和微雨对土壤水分影响较小[67]。

3.2.2 温度 气温越高，植被和地表的蒸发就越强烈，土壤水分散失就越快。因此，温度间接影响土壤水分的变化[63]。王玉娟等[66]对贵州典型喀斯特灌丛草坡土壤体积含水率与气温的相关分析表明，土壤水分隨气温的增加而降低，反之则升高，在非雨季，土壤水主要受气温和太阳辐射影响。桂西北典型峰丛洼地土壤水分在气温较高、空气湿度较低、太阳辐射强烈的条件下，其耕作层和坡地土壤水分一般很低，而在持续低温、空气湿度高和辐射较弱时，土壤含水量变化较小[68]。

3.2.3 地形地貌 地形地貌通过影响其他因子间接对土壤含水量调控。坡度越大，坡顶水分由于受重力作用下移，导致坡脚土壤水分较高，有利于植物生长[69]。然而不同坡度、坡向上面，植被类型各异，使山坡接受的太阳辐射及潜在蒸发不同，同时坡上接受的降雨强度及土壤水分保留时间也不一样，因此喀斯特土壤水分是多因素综合作用的结果[49]。范新瑞[70]报道了喀斯特石漠化自然灌丛和退耕地的阳坡辐射强度大、时间长，植物蒸腾与土壤蒸发大，阴坡土壤含水量明显高于阳坡。另外，降水在坡面上的再分配形成同一坡面不同位置的土壤水分差异。苏玥等[71]对喀斯特石漠化区不同植被恢复模式下的土壤水分特征研究表明，由于中坡土壤被侵蚀到母质，土壤颗粒大，紧实度高，不适合植被生长，导致植被覆盖率低于上坡和下坡，裸露土层较大，蓄水保水能力弱，导致中坡土壤含水量最低。但在植被类型相对一致的条件下，坡位的影响较小，同一坡面不同坡位的水分差异不显著[51]。

3.2.4 植被类型和土地利用方式 喀斯特植被具有调蓄水分的作用，植被类型、盖度、生长状况的差异会影响土壤含水量[69]。植物通过发达的根系保土持水、冠层降低太阳辐射及凋落物抑制土壤蒸发等调控土壤水分[72，73]，喀斯特裸露区的土壤含水率明显低于植被覆盖区，且木豆林地、退耕地、自然灌丛地对土壤的保水持水能力依次增大[63]。云南石林喀斯特地区的石漠化、人工林和次生林生态系统的石冠腐殖土水分含量有显著差异[47]。贵州典型喀斯特灌丛草坡地降雨后土壤含水量变化为草地<灌丛<玉米地[60]。喀斯特洼地土壤水分含量大小为果园地、撂荒地>牧草地>农用地[54]。孙永丽等[69]研究发现贵阳市白云区4种土地利用方式下植被盖度对土壤水分影响显著，表现为灌草地>林地>退耕还林地>耕地。

3.2.5 土壤理化性质 土壤物理性质反映土壤持水和保水能力[74]，土壤水分存在于土壤孔隙中，容重小、孔隙度大则表明土壤疏松多孔，结构良好，能够容纳更多的水分，土壤含水量随容重增大、孔隙度减少、有机质减少而减小[52]，喀斯特石灰土保水能力整体较差[75]。厚土层较薄土层含水量高，黄泥土比石灰土高[54]。张继光等[18]研究发现，西南喀斯特不同石漠化过程中土壤有机质含量与土壤饱和水含量、田间持水量及有效含水量成显著线性相关，有机质是土壤中的亲水成分，不仅可以吸水保水，还能改良土壤结构，增加土壤的持水能力，有机质含量越高的土壤，其含水量也越高。在不同石漠化阶段，喀斯特土壤中有机质含量与土壤水分特征有密切关系[52]。

3.2.6 喀斯特小生境 喀斯特露石上形成了石沟、石缝和石坑等小生境，其光、热、水条件不同[43]，导致各种微生境下的土壤分布及其理化性质存在差异[76]，主要表现在含水量动态、水分运移和水分性能3个方面[49]。土面、石槽和石沟一年中的高低墒期、水分胁迫程度和持续时间不同[64]；土壤的稳渗率和近似饱和导水率受土壤碎石含量的影响[77]，靠近岩块下部的土壤含水量高于上部，且与岩石接触区的土壤含水量较高[78]。Wang等[79]研究发现在喀斯特露石的存在，石间斑块土壤获得的再分配降水将等于或超过降雨量，从而增加土壤含水量。傅伟等[80]研究发现改变微生境可以改变土壤水分性能，覆石越多，土壤持水性能越强，土壤的水分消耗与覆盖物及覆盖程度密切相关。

4 喀斯特土壤水文运动

喀斯特水文地质结构的复杂性和小生境类型的多样性，导致其复杂的土壤水文过程，林地土壤和植被之间通过土壤孔隙、根系和枯枝落叶腐质层之间的转化实现水分循环，且岩溶石漠化恢复过程中土壤水文结构功能是否得到改善是退化岩溶生态系统治理成功与否的关键问题[81]。陈洪松等[20]通过对比得出大部分石灰土有效水含量相对偏低，土壤水分较难被植物吸收利用，植物更容易受干旱胁迫，给喀斯特退化生态系统的恢复构成巨大挑战。理论上要建立符合喀斯特流域水文地质特征的水文模型难度较大，张喜等[82]研究发现黔中山地喀斯特森林水文学过程与其他森林类型相比有共性、也有特异性。endprint

在具有地表地下双层空间结构的喀斯特山区，岩石渗漏性强，降雨入渗率高，流域的下垫面因素（土壤结构、地形差异、地表覆被等）及人类活动对降雨的分配、地面产流、入渗等有着重要的影响。地表之上，大面积的喀斯特露石表面对雨水汇集而使岩石与土壤表面溶蚀接触区水分相对较高[79]；土壤浅薄且连续性差，碎石通过影响土壤孔隙度、水分运移通道的弯曲程度和过水断面积来影响土壤水分入渗，有可能增加或减少入渗[83]，这与碎石含量、粒级、土石体积比等有关。土壤表面覆盖碎石，一般能防止土壤孔隙堵塞而增加入渗，当碎石埋在土中时，则会促进结皮的形成，导致入渗减少而径流增加[83]。土壤饱和导水率随土壤深度的增加而减小，且与土壤碎石含量和坡度呈正相关关系[84]，坡位是影响土壤饱和导水率最重要的环境因素。李孝良等[85]则发现岩溶土壤质地和土壤孔性是影响土壤饱和导水率的主要因素。党宏宇[86]对桂西北喀斯特山区碎石对土壤水分入渗过程研究后发现，Kostiakov入渗模型与Philip方程都可以较好地描述含碎石土入渗量变化过程，但对于含土石隔层土壤，Kostiakov入渗模型模拟效果更好。

前人在岩溶喀斯特地区建立水文模型对岩溶地区土壤水文过程进行研究，比较成功的有分布式水文—土壤—植被模型（DHSVM），基于计算单元内土壤与裂隙双重介质体渗流原理，在达西流运动基础上引入立方定律描述裂隙水流运动过程，可以较好地模拟喀斯特土壤水文过程[87，88]。张志才等[89]对DHSVM模型进行改进，建立了达西流、裂隙流与槽蓄流演算相结合的混合流演算模式，不仅能较好地模拟喀斯特流域陡涨、陡落的流量过程，还可以模拟土壤含水率、实际蒸散发与降雨、下垫面岩溶裂隙、植被覆盖的响应关系。张勇等[81]选用土壤有机质含量、土壤根系密度、植被植株密度、林地树干基部面积、土壤渗透率和土壤容重6个指标构建的土壤水文结构功能模型基本适用于岩溶区不同恢复林地的土壤水文结构功能的恢复评价。迄今为止，大部分的分布式流域水文模型主要是针对非岩溶区，还难以处理岩溶区土壤水文过程，而岩溶区现有的水文模型主要是集总式模型，大都不具备从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀以及土地利用变化对降雨径流形成影响的功能[90]，喀斯特土壤水文过程模型研究有待进一步加强。

5 结论与展望

中国西南岩溶地区降雨相对充沛，但由于土壤量少、蓄水能力弱，植物遭受长期的干旱胁迫，石漠化的生态恢复与重建进展缓慢。已有的喀斯特土壤水分研究多侧重于时空变异性，对土壤理化性质的研究不够深入。因此，今后要长期监测土壤水分储量及动态变化，加强土壤理化性质（比如入渗规律、最大、最小持水量等）和土壤改良的研究，充分利用水热同期的自然条件，种植一些耐旱固氮树种以增强土壤蓄水保水能力和肥力，积极深入开展林草间作模式下土壤抗蚀性研究，抑制水土流失，为喀斯特植被恢复和生态重建提供理论依据。

西南喀斯特地质环境结构复杂，地域广阔，但目前有关滇东高原喀斯特土壤水分含量的研究较缺乏，今后应系统研究不同地理位置条件下喀斯特土壤水分特征，结合岩石、土壤和植物三者的关系，在喀斯特土壤水分、养分状况与植被的生境适应和生产力方面深入研究，利用同位素标记及示踪技术，分析植物乃至整个生物系统不同生长阶段、季节的适度需水量及水分利用来源和水分利用效率，探讨干季土壤保水补水机制，阐述喀斯特生态系统水循环过程。

全球气候变化能够改变生态系统固有的自然演变过程，引發大幅度、大范围的环境变化。石漠化是土地退化的一种极端形式，本质是土地生产力衰退甚至丧失的过程，对全球环境变化较敏感。一旦原有的喀斯特系统遭到破坏，很难在短期内自然恢复和人工恢复。土壤水作为植被恢复过程中的关键因子，需要加强喀斯特土壤水分对全球气候变化响应的研究，为构建环境友好型的喀斯特生态系统奠定理论基础。

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