张芳, 曾馥平,*, 杜虎 , 彭晚霞

喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式土壤水分对降水特征的响应

张芳1,2, 曾馥平1,2,*, 杜虎1,2, 彭晚霞1,2

1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125 2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站, 广西环江 547100

为了明确喀斯特峰丛洼地不同土地利用类型土壤水分对降水的响应, 采用定位观测法, 选择顺坡种植桂牧1号、顺坡种植玉米、封育、刈割除根、火烧、刈割6种喀斯特峰丛洼地最典型的土地利用方式, 分析了这6种土地利用方式下土壤水分动态变化。结果表明: 研究区2011—2013年的降水量可分为枯水年(2011年)、丰水年(2012年)和平水年(2013年)三种降水年型。枯水年土壤水分年均含量表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米, 平水年和丰水年均表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米。封育和桂牧1号土地利用方式在各降水年型下均具有较高的水分含量, 而种植玉米土壤含水量则最低, 其次为刈割除根。降水年型对土壤水分变异系数的影响表现为枯水年>丰水年>平水年的趋势。不同土地利用方式在枯水年、丰水年和平水年三种降水年型中, 土壤水分变化趋势各有特点, 主要受近期降水和土壤蒸发的影响。封育和桂牧1号土壤水分含量高, 两种土地利用方式能显著改善土壤水分状况, 积蓄一定的水分。

水分动态; 降水年型; 土地利用方式; 喀斯特峰丛洼地

0 前言

峰丛洼地是典型的喀斯特地貌景观单元, 集中分布在我国西南喀斯特南部斜坡地带, 一直以来是喀斯特地区生态治理与重建的难点, 坡面在该地区面积上占相当大的比例, 所以是该地区植被恢复和退耕还林还草的重点和难点地区。喀斯特地区是我国生境脆弱带之一, 独特的地质环境背景与不合理的土地开发使该区域生态环境不断恶化[1]。喀斯特地区雨热资源丰富, 降水量大, 但时空分布不均, 蒸发量明显大于降水量, 水气总体上处于亏缺状态, 易形成季风气候条件下独特的岩溶干旱现象[2], 喀斯特长时间的岩溶作用形成了有别于其他地区的地上地下二元水文结构, 水文过程与其他类型区也有明显差异[3]。土壤水分是流域水循环中非常活跃的部分, 影响着植物生长及生态环境的发展, 土壤水分由于受气候、土壤、土地利用方式等因素的影响, 经常处于动态变化之中。

土地利用是人类利用土地各种活动的综合反映, 合理的土地利用方式可以改善土壤结构[4], 土地利用方式虽然在短时间内会改变土壤结构, 但影响最大的是表层土壤水分含量, 充分认识各种土地利用方式下土壤的水分状况及其变化是有效利用土地资源的前提。刘春利[5]研究表明不同土地利用方式下土壤水分季节动态规律趋于一致性, 呈先降低后增加再降低的变化趋势。朱乐天[6]研究表明不同土地利用类型土壤含水量随着时间的推移出现先增后减的趋势, 与降雨分布基本保持一致, 但有关喀斯特区域不同土地利用方式土壤水分动态及影响因素的研究相对缺乏。本研究基于喀斯特峰丛洼地火烧、刈割、刈割除根、封育、种植玉米、种植桂牧1号6种常见土地利用方式样地的建设、土壤水分长期监测和土壤属性的调查, 对喀斯特峰丛洼地土壤水分变化规律进行研究, 并分析不同土地利用类型土壤水分对降水的响应, 为提高土壤有效含水量、实现水土资源协调利用、有效指导该区农业生产和植被快速恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西环江县的中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站。该区域是典型的喀斯特峰丛洼地地貌类型, 流域总面积146.1 hm2, 海拔在272.0到647.2 m之间。属于中亚热带季风气候, 年均气温15.7 ℃, 7月平均气温28 ℃, 1月平均气温10.1 ℃, 历年最高气温38.7 ℃, 最低气温–5.2 ℃。年均降雨量1389.1 mm, 季节分配不均, 有明显的旱、雨季之分, 雨季平均持续130—140 d, 主要集中在4—9月, 雨季降雨量占全年降雨量的70%以上, 其中6、7月降雨量最多, 可达到400 mm, 10月至次年3月则为旱季, 各月平均降水量在90mm以下。年均蒸发量1571.1mm, 相对湿度平均为70%。年均日照时数1451h, 日照时数以2月最低, 7月最高, 日照率以3月最低, 9月最高, 太阳年平均辐射总量414.1 kJ·cm-2, ≥10 ℃积温为5500—6530 ℃。土壤为白云岩发育的石灰土, 石砾含量高, 基岩裸露率在15%—30%之间, 土层浅薄。

1.2 试验设计

2006年底在中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站一面相对均一的东南向山坡中(>25°)下部邻接建立了火烧、刈割、刈割除根、封育、顺坡垦殖种植玉米、顺坡垦殖种植桂牧1号6种喀斯特峰丛洼地常见的土地利用方式动态监测样地, 投影面积为1400 m2(20 m×70 m), 具体设计及处理见表1。桂牧1号杂交象草以其生物量高、适应性强、耐刈割、多年生等特点成为桂西北地区最重要的人工牧草。动态监测样地修建, 坡面土壤和植被较为均一, 沿坡向下, 土层平均厚度由10—30 cm增加到50—80 cm。动态监测样地四周由砖石浆砌围隔(地表、地下各约20 cm), 防治小区内外地表径流和泥沙出入。

表1 样地基本情况

1.2.1 土壤水分测定

坡面样线取样: 本研究土壤水分样品采集时间为2011年1月至2014年12月, 在20 m×70 m的动态监测样地内沿中线以5 m为间隔, 从坡底向上至坡顶连续采样。在每个采样点上用铝盒采集表层0—10 cm土壤样品, 及时称量土壤鲜重, 在实验室内烘干测定土壤水分质量含水量。本研究采样频度为降雨后每3天调查一次。

1.3 数据处理方法

应用经典统计学分析处理数据, 使用的软件包括SPSS, Origin。

2 结果与分析

2.1 试验期间降水年型划分

研究采用国内较常用的降水量距平百分率的大小进行降水年型的划分, 其中: 小于-10%为枯水年, 大于10%为丰水年, 在±10%之间为平水年。根据试验期间(2011—2013年)降水观测结果, 可将其划分为3种类型: 丰水年、平水年(正常年)和枯水年(干旱年)。研究期间降雨观测结果如表2所示, 2011年总降雨量为1901.3 mm, 较历年平均减少22.5%, 因此确定2011年为枯水年；2012年总降雨量为1786.6 mm, 较历年平均增加了26.8%, 因此确定2012年为丰水年；2013年降水量为1316 mm, 介于2011和2012年之间, 较历年平均增加了-6.6%, 因此确定其为平水年。2011年-2013年降雨量表明(表 2), 5月到八月降雨多, 年降水量约有78.6%集中在雨季, 而旱季降雨量仅占全年降雨总量的 21.4%。丰水年最大降雨量出现在 5月, 平水年枯水年最大降雨量在6月。

2.2 降雨对不同土地利用方式土壤水分的影响

火烧、刈割、封育和刈割除根4种方式的水分变化较为一致(图1), 土壤含水量主要受降雨影响, 与降雨量变化较为一致, 但丰水年4—6月降水量增加, 而土壤含水量的变化趋势为先降低后上升, 可能是气温在增加, 同时植物生长旺盛, 土壤水分消耗增大, 因此, 总的趋势表现为表层土壤水分呈现快速下降趋势, 之后随着降雨量增加而增加。平水年3月降雨量增加, 但是1—3月含水量逐渐降低, 可能是火烧和刈割, 刈割除根均是在1月开始, 植被覆盖率低, 且坡面径流大导致的流失快, 导致含水量逐渐降低；平水年降雨量7月到9月先升高后减少, 但是土壤含水量先减少后增加, 8月降雨量较高, 但该月气温高、土壤蒸发和植被蒸腾作用均较强, 削弱了降雨对土壤水分的补偿作用。枯水年降雨量先增加后减少, 但4—8月水分含量逐渐降低, 虽然喀斯特地区降雨量增大, 但枯水年降雨量小, 且此时季节上也处于该区域最热的时候, 气温高导致地面蒸发快, 植物生长代谢比较旺盛, 因此土壤含水量降低。

2.3 降雨对不同土地利用方式土壤水分的影响

不同降水年份各土地利用方式土壤水分年均含量、变异系数如表3所示。各土地利用方式土壤水分含量均表现为丰水年>平水年>枯水年, 变异系数除种植桂牧1号枯水年小于丰水年外, 其他均表现为枯水年>丰水年>平水年。平水年、枯水年土壤水分年均含量均表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米, 丰水年表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米。土壤水分变异系数在枯水年表现为刈割除根>封育>种植玉米>火烧>刈割>种植桂牧1号, 在丰水年表现为刈割除根>种植桂牧1号>种植玉米>火烧>刈割>封育, 平水年表现为封育>火烧>种植桂牧1号>种植玉米>刈割除根>刈割。

表2 试验区研究期间降雨量

图1 不同土地利用方式土壤水分变化

Figure 1 Dynamics of soil moisture in different land-use types

表3 不同降水年份各土地利用方式土壤水分状况

注: A: 火烧；B: 刈割；C: 刈割除根；D: 封育；E: 顺坡种植玉米；F: 顺坡种植桂牧1号。

3 讨论

土壤水是陆地生态系统中水体的一项重要组成部分, 它对作物生长和农业发展具有重要的意义。不同土地利用方式在枯水年、丰水年和平水年三种降水年型中, 土壤水分变化主要受近期降水的影响, 不同土地利用方式的土壤含水量趋势表现出一定的相似性。前人研究在黄土丘陵区上层土壤含水量动态变化与当地降雨的季节性保持一致[7], 本研究中, 试验区降水分配规律与土壤水分变化具有较强的一致性, 只是水分存在一定的滞后现象。可能是试验区石灰土土壤在高湿度阶段导水率较高, 且大气蒸发强度大, 空气中水分含量少, 因此土壤表层水分容易蒸发损失。试验区坡地土层浅薄、储水能力低, 加上岩石渗漏性强, 大量的降雨漏失；因此并没有使得土壤水分得到大幅的上升, 只是土壤水分得到小幅度的补给。

丰水年最低值出现在10月份, 可能是8月份气温高, 土壤蒸发和植被蒸腾作用均较强, 削弱了降雨对土壤水分的补偿作用, 且秋季降雨减少, 出现伏旱现象, 土壤水分补给减少, 表层土壤水分继续下降, 10月后气温降低, 降水对土壤水分的补偿作用才得以体现[8], 因此十月份后突然含水量土壤增加。

研究土壤水分动态变化对揭示植被需水耗水规律、地区土壤含水量估算以及区域水循环过程有重要的意义[9]。降雨是研究区土壤水分的主要补给来源, 各土地利用方式土壤动态变化受降雨影响较大。不同土地利用方式下土壤含水量差异主要来源于地表植被覆盖和蒸发耗水作用的差别, 地表植被对水流具有的截留与缓冲作用会导致不同土地利用类型土壤含水量的显著不同, 并且植被蒸发耗水作用不同也会导致土壤含水量的差异[10]。在枯水年土壤水分年均含量表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米, 平水年和丰水年表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米。总体上不同降水年型下桂牧1号和封育土壤含水量最大, 桂牧1号为多年生牧草, 和封育一样有着较高植被覆盖率, 能有效减少太阳辐射, 降低地表温度, 减弱土壤的蒸发作用。火烧和刈割均是在1月开始的, 但生长缓慢, 根系耗水少, 加上夏季有自然降水的补给, 土壤表层水分有所上升, 水分含量较高。顺坡种植玉米和刈割除根的表层水分最低, 土种植玉米对土地扰动最强烈, 对土壤结构和原有植被破坏最严重, 刈割除根对土壤结构和植被更新影响较大, 导致地面蒸发量最大、土壤保水性能最差。

前人研究表明降水年型对土壤水分变异系数的影响表现为枯水年>平水年>丰水年[11], 本研究中土壤水分变异系数除种植桂牧1号为丰水年>枯水年>平水年, 其他均表现为枯水年>丰水年>平水年。平水年水分变化平缓, 表层土壤水分稳定, 因此变异系数最小。枯水年雨量少, 植物需消耗大量土壤水来维持生长, 变异系数大。丰水年土壤水分在能够满足植被的生长的情况下, 还能储蓄一部分水在表层土壤, 降雨会增加含水量, 变异系数较大, 但稍小于枯水年, 因为充沛的降雨减小了土壤水分的空间变异[12]。

不同的土地利用方式对土壤的含水量的影响较大, 封育和桂牧1号有着较高植被覆盖率, 土壤保水持水能力强, 表层土尤为明显, 因此在喀斯特地区栽植封育和桂牧1号能显著改善土壤水分状况, 积蓄一定的水分, 为作物的良好生长提供了保障, 而顺坡种植玉米和刈割除根对土地扰动最强烈, 土壤表面裸露期长, 枯水年土壤含水量降低明显, 地面蒸发作用消耗了土壤中大量的水分, 可通过人工加盖枯枝落叶层, 减少地表蒸发, 增强坡地土壤的保水持水能力, 提高土壤抵御干旱的能力, 提高土壤有效含水量, 为植被恢复提供较好的水分条件。喀斯特地区应通过建立合理的土地利用类型, 改变地表覆被状况进而改善土壤水分条件, 改善生态环境。本研究主要进行表层土壤水分变化特征研究, 发现喀斯特地区存在着地上地下二元水文结构特征, 地表径流小, 水分垂直漏失大, 由于喀斯特地区地下结构的复杂性, 深层次土壤水分运移规律研究还处于探索阶段, 土体内部水分迁移变化规律有待于更进一步探讨。

4 结论

研究区2011—2013年降水量可分为枯水年(2011年)、丰水年(2012年)和平水年(2013年)三种降水年型。土壤水分变化趋势各有特点, 主要受近期降水和土壤蒸发的影响, 试验区降水分配规律与土壤水分变化具有较强的一致性, 水分存在一定的滞后现象。

枯水年土壤水分年均含量表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米, 平水年和丰水年表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米。

土壤水分变异系数除种植桂牧1号为丰水年>枯水年>平水年, 其他均表现为枯水年>丰水年>平水年。

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Response of soil moisture to precipitation characteristics in different land use patterns in Karst peak-cluster depression area

ZHANG Fang1,2, ZENG Fuping1,2,*, DU Hu1,2, PENG Wanxia1,2

1. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academic of Sciences, Changsha 410125, China 2. Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academic of Sciences, Huanjiang 547100, China

The purpose of this study was to clarify the response of soil moisture to precipitation in different land-use types. Based on the controlled experiment and long-term monitoring of six most common land-use types, i.e., burning, cutting, cutting plus with root removal, enclosure, maize plantation, and pasture of Guimu No. 1 plantation, the study was conducted to analyze the dynamic characteristics of soil moisture under these land-use types. The results showed that the annual precipitation of 2011-2013 in the study area could be divided into three types, i.e., dry year (2011), rainy year (2012) the normal year (2013). The variation of surface soil water content under different land-use types presented in the order of rainy year > normal year > dry year. The variation of surface soil water content was in the order of pasture of Guimu No. 1 plantation > enclosure > cutting > burning > cutting plus with root removal > maize plantation, while normal year and rainy year in the order of enclosure > cutting > pasture of Guimu No. 1 plantation > burning > cutting plus with root removal > maize plantation. Both enclosure and the pasture of Guimu No. 1 plantation under the three precipitation years had higher surface soil water content, while maize plantation had the lowest soil water content, and cutting plus with root removal followed. The effect of different yearly rainfall patterns on variance coefficient of soil moisture decreased in the order of dry year> rainy year > normal year. The monthly variation of surface soil water under different land-use types in three precipitation years (i.e., dry year, rainy year, and normal year) had their characteristics, which were affected by recent precipitation and soil evaporation.The soil moisture content was high in the enclosure and Guimu No. 1 plantation, which could improve the soil moisture status and accumulate water in the Karst area.

soil moisture; yearly precipitation pattern; depression between karst hills; land-use types

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.006

S157.2

A

1008-8873(2019)05-038-06

2018-10-04;

2018-12-12

国家支撑计划课题(2015BAD06B04-06)

张芳(1994—), 女, 湖南凤凰人, 硕士, 主要从事生态学研究。Email: 940489368@qq.com

曾馥平(1964—), 男, 研究员, 主要从事喀斯特生态系统研究。Email: fpzeng@163.com

张芳, 曾馥平, 杜虎, 等. 喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式土壤水分对降水特征的响应[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 38-43.

ZHANG Fang, ZENG Fuping, DU Hu, et al. Response of soil moisture to precipitation characteristics in different land use patterns in Karst peak-cluster depression area[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 38-43.