刘洋, 罗娅,*, 陆晓辉, 杨胜天, 2, 石春茂, 徐雪, 余军林

喀斯特峡谷区土壤水分特征及其影响因素研究

刘洋1, 罗娅1,*, 陆晓辉1, 杨胜天1, 2, 石春茂1, 徐雪1, 余军林3

1. 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550003 2. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875 3. 贵州省水利科学研究院, 贵阳 550002

土壤水分是喀斯特峡谷区植被建设的限制性因子。分析喀斯特峡谷区土壤水分特征及其影响因素, 对该地区的植被建设有重要意义。以贵州花江喀斯特峡谷区为研究区, 运用原位监测和冗余分析法, 研究喀斯特峡谷区土壤水分特征并揭示其影响因素。结果表明: (1)监测期间, 喀斯特峡谷区土壤水分特征表现为南坡较北坡低, 表层较深层低, 乔木较灌木低。(2)喀斯特峡谷区土壤水分主要受海拔、坡向、坡度等地形因子影响, 其次为枯落物厚度、叶面积等植被因子。(3)0—5 cm、20—40 cm土层土壤水分的主控因素为气温, 5—10 cm土层土壤水分的主控因素为坡度, 10—20 cm土层土壤水分的主控因素为海拔。喀斯特峡谷区土壤水分主要受地形、气温、降雨影响。根据地形、土壤厚度、枯落物特征选择不同的灌溉方式, 以及依据不同土层土壤水分的主控因素种植根系深度不同的植物, 制定对应的农业水资源管理策略, 是后续提升喀斯特峡谷区植被建设效果的重要途径。

土壤水分; 影响因素; 峡谷区; 喀斯特

0 前言

土壤水分受多种因素影响, 其中, 降雨、地形、土壤、植被等因素的非线性时空分布使得土壤水分在时空尺度上具有异质性[1–2], 且时空尺度不同, 土壤水分控制因素不同[3]。

土壤水分是喀斯特峡谷区植被建设的限制性因子[4–5], 其受多种因素影响而具有时空异质性。分析喀斯特峡谷区土壤水分特征及其影响因素, 对该地区的植被建设有重要意义, 受到众多学者的关注。王膑等[6]研究花江峡谷不同植被类型下的土壤水分时空分布特征, 发现花椒地土壤水分含量高于柚木地, 不同季节各植被类型的土壤水分变化均受降水量影响、彭熙[7]发现花江峡谷花椒地深层土壤水分较表层高; 0—20 cm土层土壤水分主要受降水、温度、蒸发影响; 20—50 cm土层土壤水分主要受作物蒸腾和水分垂直运动影响、余军林[8]在花江喀斯特峡谷的研究表明, 花江峡谷灌木的深层土壤水分含量高于乔木; 不同季节各植被类型的土壤水分变化均受降水量影响。景建生等[9]研究石漠化地区不同植被类型浅层土壤水分对降雨的响应发现植被土壤含水率对小雨量降雨事件的响应较小、卢永飞等[10]认为喀斯特高原峡谷区不同植被恢复阶段的土壤水分取决于土壤质地、辐射、土层覆盖物、植物的水分吸收、土壤蒸发、空气温度因素, 李安定[11]、田涟祎[12]发现土地利用、微地貌是花江喀斯特峡谷区土壤水分的影响因素。

已有研究对喀斯特峡谷区的土壤水分特征及其影响因素有较好分析为该地区土壤水资源管理提供一定参考。然而, 这些研究多集中于不同土地利用类型、不同小生境和不同植被的土壤水分特征及差异, 而关于喀斯特峡谷区不同土层土壤水分的主控因素则关注较少。

综上, 本文以贵州花江喀斯特峡谷为研究区, 运用原位监测和冗余分析法, 分析喀斯特峡谷区土壤水分特征, 厘清土壤水分和各影响因素的关系, 揭示不同土层土壤水分的主控因素, 以期为喀斯特峡谷区植被建设与土壤水资源管理提供参考。

1 样地设置与分析方法

1.1 研究区概况

选择花江喀斯特峡谷区为研究区, 该区位于贵州西南部的关岭自治县以南、贞丰县以北的花江峡谷两岸, 地理范围为105°35′00″—105°43′05″ E、 25°37′20″—25°42′36″ N(图1)。总面积51. 62 km2, 其中喀斯特石漠化面积占总面积的53.82%[13], 海拔为446—1359 m, 是典型的喀斯特峡谷区。气候属中亚热带低热河谷气候, 年均温18.4 ℃, 年均降水量1100 mm, 5—10月降水量占全年总降水量的83%。该区降水较为丰富, 但受喀斯特地貌影响, 水分渗漏强烈, 且年均蒸发量为1100—1300 mm[14], 地表渗漏以及蒸发强烈导致区内干旱灾害频发[14–15]。土壤以砂壤质石灰土为主, 团粒结构缺乏, 持水能力差。土壤水分成为该区植被建设的限制性因子之一。植被主要有顶坛花椒(var.)、金银花()、柚木(L.F.)、复羽叶栾树()、大叶千斤拔()等植被。其中, 金银花、顶坛花椒、柚木在区内广泛种植。

1.2 样地设置

于花江峡谷南、北岸各设置1个样区, 在样区内分别设置3个5 m×5 m的样地(图1), 北岸3个样地记为南坡–H、南坡–G、南坡–Q, 南岸3个样地记为北坡–H、北坡–G、北坡–Q, 各样地之间的距离均大于30米。在各样地内选择3个监测点进行土壤水分监测, 用于求土壤水分均值。各监测样点信息如表1所示, 表1中容重和总孔隙度为0—40 cm土层的平均容重和平均总孔隙度, 各土层土壤容重和总孔隙度见表2。

1.3 数据获取

监测期为2019年1月7日至6月17日, 共计162天。使用FDR土壤水分监测系统(HOBOH21– USB, S–SMC–M005, 精度: ±3%)获取土壤水分数据。将FDR探头埋设在2.5 cm, 7.5 cm, 15 cm, 30 cm土深处, 对应监测0—5 cm, 5—10 cm, 10—20 cm, 20—40 cm土层的体积含水量, 埋设前使用顺科达TR-8D土壤水分测定仪对FDR探头进行标定, 用于标定的TR-8D符合GB/T 28418—2012[16]。各土层埋设FDR探头一个, 土壤水分数据记录间隔为5分钟。在南、北岸样区内各放置自记雨量计(HOBORG3–M, 精度0.2 mm)1台, 监测降雨和气温信息, 雨量计数据记录频率为5分钟，研究期间气温和降雨变化见图2。坡度、坡向数据通过分辨率为30 m的 GDEM数据提取, 郁闭度运用投影法获取, 采集主要树种的最大叶片、最小叶片及大小居中叶片各1片用于求叶面积均值, 运用称鲜重法[17]测定叶面积。使用环刀法测定各土层土壤容重、总孔隙度。

图1 研究区位置

Figure 1 Location of the study area

表1 监测点基本信息

图2 研究期间气温和降雨变化

Figure 2 Temperature and rainfall during the study period

1.4 研究方法

1.4.1 冗余分析

运用冗余分析法(即Redundancy analysis, 简称RDA)[18]在影响因子梯度上对各样点各土层的土壤水分均值进行排序, 筛选影响土壤水分的因素。RDA排序图中, 影响因素和土壤水分箭头之间的夹角越小, 箭头越长, 说明相关性越强[18]。

1.4.2 相关分析

运用相关分析法筛选土壤水分的主控因素。相关系数计算公式为:

1.4.3 变异系数

运用变异系数揭示各土层土壤水分的变异程度。变异系数的计算公式为:

1.4.3 坡向转换

由30 m GDEM数据提取得来的坡向是旋转变量, 无法直接用于分析计算, 因此, 需将表达坡向的角度值转换为无单位的弧度值。将坡向的角度值转换为弧度值后, 需计算相应弧度值的正弦、余弦值, 正弦记为Sin, 余弦记为Cos。Sin值表示坡向朝东的程度, Cos值表示坡向朝北的程度。Sin值越大, 坡向越朝东, 反之则越朝西, Cos值越大, 坡向越朝北, 反之则越朝南[19–20]。

表2 监测点各土层土壤容重和总孔隙度

2 结果与分析

2.1 土壤水分特征

喀斯特峡谷区北坡各样地不同土层的土壤水分均值高于南坡, 深层土壤水分均值高于浅层土壤水分, 南坡土壤水分变异大于北坡, 表层土壤水分变异大于深层。从表3可看出, 花江喀斯特峡谷区土壤水分特征表现为北坡(阴坡)高于南坡(阳坡), 深层土壤大于浅层土壤。南坡各样地土壤水分0—40 cm土层土壤水分均值表现为样地Q(24.39%)<样地G(26.40%)<样地H(28.03%), 北坡则表现为样地H(30.60%)<样地Q(37.75%)<样地G(39.50%), 南坡各样地0—40 cm土壤水分变异系数特征表现为样地G(15.96%)<样地H(16.77%)<样地Q(19.28%), 北坡: 样地H(14.85%)<样地Q(15.25%)<样地G(18.71%)。顶坛花椒样地土壤水分含量较高, 且较稳定。

统计分析监测期不同监测样点的土壤水分和降雨的对应关系, 可揭示其土壤水分动态变化特征。研究期间降雨总量为457.2 mm, 1月降雨总量为40.8 mm, 2月至5月下旬降雨总量为46.4 mm, 5月下旬至6月降雨总量为370 mm。由图3可看出, 5月下旬至6月, 由于降雨量增加, 土壤水分呈现显著上升趋势; 2月至5月中旬, 受降雨减少和植被生长吸水的影响, 土壤水分呈现缓慢下降趋势。降雨是喀斯特峡谷区土壤水分的主要补给来源, 其丰枯变化是土壤水分动态变化的直接原因。T检验表明, 除南坡花椒样地和柚木样地的5—10 cm土层土壤水分差异较小外, 南坡和北坡各样地其余土层土壤水分差异显著(<0.001)。从不同样地的土壤水分动态变化来看, 北坡金银花样地0—40 cm土层土壤水分动态变化幅度较大, 花椒树最小。南坡柚木样地土壤水分变化幅度较大, 而千斤拔样地最小。

2.2 土壤水分影响因素

影响土壤水分的因素是多方面的, 除降水外, 地形、植被、土壤等因素也会对土壤水分产生影响。已有研究指出[1–3], 地形因子, 植被因子, 土壤性质和气象因素均可对土壤水分产生影响。因此, 将海拔、坡向、坡度、叶面积、枯落物厚度、郁闭度、土层厚度、总孔隙度、容重、研究期间平均气温(南坡16.97 ℃, 北坡18.27℃)10个因素作为土壤水分的影响因素, 经冗余分析后筛选出土壤水分的重要影响因素(表4)。从表4可看出, 轴1至轴4解释了土壤水分变化的100.00%, 其中轴1和轴2的累积解释率为89.36%, 包含排序的大部分信息。据表4中环境因子与排序轴的相关系数可知, 郁闭度、容重、总孔隙度与轴1相关性较低, 其余环境因子与轴1的相关性较高, 其中地形因子与轴1相关性较强。容重和总孔隙度与轴2的相关性较其他因子高。平均气温、地形因子和植被因子以及土壤容重、总孔隙度对喀斯特峡谷区土壤水分变化解释较好。气温、地形因子、植被因子、土壤性质是喀斯特峡谷区土壤水分的重要影响因素。

表3 土壤水分总体特征

图3 不同样地土壤水分动态

Figure 3 Soil moisture dynamics in different plot

表4 土壤水分影响因素的RDA结果

据图 4, 所有影响因素中与土壤水分呈负相关的因素为平均气温、叶面积、枯落物厚度, 其中, 平均气温线条与各土层土壤水分线条夹角较小且平均气温线条较长, 表明研究期间研究区平均气温对土壤水分的影响较叶面积和枯落物大。与土壤水分呈正相关的因素主要为海拔、Sin、Cos、坡度、土层厚度、总孔隙度、郁闭度, 其中海拔、坡度、Sin、Cos对土壤水分影响较土层厚度、总孔隙度和容重大。

2.3 土壤水分主控因素

运用相关分析方法进一步确定各土层土壤水分的主控因素。计算各土层土壤水分与影响因素的相关系数, 相关系数绝对值越大, 该因素对某土层土壤水分的控制越强, 为主要控制因素。从表5可看出0—5 cm 土壤水分的主控因素为气温, 气温、海拔、坡度等地形因子和枯落物厚度与0—5 cm土层土壤水分显著相关。5—10 cm土层土壤水分的主控因素为坡度, 气温、坡度和Sin与5—10 cm土层土壤水分显著正相关。10—20 cm土层土壤水分的主控因素为海拔, 地形因子和枯落物厚度与10—20 cm土层土壤水分显著相关。20—40 cm土层土壤水分的主控因素为气温, 与20—40 cm土层土壤水分显著相关的因素为气温、地形因子、土层厚度。土层总孔隙度和容重对土壤水分的影响程度较其他因子低。

图4 基于影响因素梯度的土壤水分RDA排序图

Figure 4 RDA ranking map of soil moisture based on gradient of influencing factors

表5 各土层土壤水分与影响因素的相关分析

注: *表示在0.05水平下显著, 2.5 cm为0—5 cm土层, 7.5 cm为5—10 cm土层, 15 cm为10—20 cm土层, 30 cm为20—40 cm土层。

3 讨论

3.1 主控因素对土壤水分的影响

(1)海拔通过影响降雨量, 进而影响土壤水分含量, 其对土壤水分的影响可分两种情形。一为海拔越高, 土壤水分含量越小[21]。二为海拔越高, 土壤水分含量越高[22]。贺卫[22]等发现花江喀斯特峡谷内的降雨由峡谷底部向顶部增加, 说明峡谷区内降雨对土壤水分的补给也随海拔增加而增加, 导致土壤水分与海拔正相关。

(2)坡向通过影响太阳辐射量, 进而影响土壤水分含量。本研究结果显示, 坡向越朝北, 土壤水分含量越大, 这与元谋干热河谷[23]以及黑河上游[19]的研究结果相似, 坡向越朝北, 所接收的太阳辐射量越少, 土壤蒸发减弱, 从而土壤水分含量较高。坡向越朝东土壤水分含量越高, 这与黑河上游[19]的研究结果相似, 原因可能是北坡样地东侧的山体海拔较西侧高, 可为样地内土壤遮挡一部分太阳辐射, 进而减少部分土壤蒸发损失, 造成坡向越朝东土壤水分含量越高的现象。

(3)坡度通过影响入渗速率与地表径流, 间接影响土壤水分含量。已有研究表明坡度与土壤水分含量负相关[19,24]。然而本研究的结果显示, 喀斯特峡谷区坡度越大, 土壤水分含量越高, 各土层土壤水分均与坡度显著正相关, 且坡度成为5—10 cm土层土壤水分的主控因素。原因可能是受岩土界面优势流影响, 由于喀斯特峡谷区存在岩土界面优势流[25], 且存在坡度越大, 土壤水分接受岩土界面优势流的侧向补给量越多的现象, 从而导致坡度成为喀斯特峡谷区各土层土壤水分的主要影响因素。

(4)气温通过影响土壤水分蒸发从而影响土壤水分含量[18]。本研究结果显示, 喀斯特峡谷区土壤水分含量与平均气温呈显著负相关, 该结果与已有研究相似, 喀斯特峡谷区气温越高, 土壤水分含量越低。从图2可看出, 南坡气温高于北坡, 南坡气温较高, 蒸发量可能较北坡高, 从表3也可看出南坡土壤水分总体较北坡低, 说明气温是喀斯特峡谷区土壤水分的重要影响因素。

3.2 非主控因素对土壤水分的影响

(1)喀斯特峡谷区土壤水分总体特征与非喀斯特峡谷区差异较小[26]。本研究显示花江喀斯特峡谷区南坡(阳坡)土壤水分高于北坡(阴坡), 浅层土壤的水分含量低于深层土壤。原因可能是南坡接收太阳辐射量较多, 蒸发较北坡(阴坡)强烈, 使得南坡土壤水分含量较北坡低; 而浅层土壤的水分含量低于深层土壤, 原因可能是浅层土壤与低层大气交换强烈、蒸发较快[9]所致。

(2)枯落物厚度是土壤水分的重要影响因素, 通过截留降水影响降水入渗量影响土壤水分。一般认为, 枯落物厚度越厚, 其对土壤水分的保持能力越好。然而在本研究中, 各土层的土壤水分含量与枯落物厚度却呈现负相关关系, 原因可能为较厚的枯落物有效拦蓄降水, 减缓水分下渗速率, 在一定程度上减少渗入土壤的水分[27]所致。

(3)叶面积和郁闭度可二次分配降雨来影响土壤水分含量。喀斯特峡谷区土壤水分含量与叶面积负相关, 该结果与韩新生[28]的研究结果一致。已有研究表明植物叶片通过截留降水和蒸腾作用影响土壤水分的补给量和消耗量, 从而间接影响土壤水分含量。叶面积与植被截留量和植被蒸腾量[29–30]正相关, 叶面积增加, 植被截留量和植被蒸腾呈现增加趋势, 土壤水分的补给量以及消耗量增加, 土壤水分含量减少, 反之则增加。因此, 叶面积越大, 土壤水分含量越小。本研究的结果显示郁闭度与土壤水分正相关, 然而, 却有研究显示土壤水分与郁闭度负相关[31]。原因可能是较大的郁闭度可抑制土壤蒸发, 如北坡样地G主要树种为金银花, 为半常绿藤本灌木, 其较低的树高, 较大的郁闭度, 使金银花在一定程度上可以通过遮阴的方式抑制土壤蒸发, 起到保水的作用[32]。

(4)土壤容重, 总孔隙度是土壤水分的重要影响因素。本研究的结果显示0—40 cm土层的土壤容重、总孔隙度多与各土层土壤水分呈正相关, 但相关性并不显著, 说明本研究中, 土壤容重和总孔隙度对各土层土壤水分的影响较其他因子小。原因可能是土壤水分受到多种因素影响, 在多因素作用下, 土壤容重、孔隙度对土壤水分的影响可能会被其他因素覆盖, 使得土壤容重和孔隙度对土壤水分的影响较小[32]。

3.3 后续研究方向

土壤水分作为表征土壤性质的指标之一, 受到土壤自身性质影响[33]。因此, 在后续研究中, 可测定不同土层土壤颗粒组成、有机质、毛管孔隙度等性质, 分析土壤性质对喀斯特峡谷区不同土层土壤水分的影响。气象因素对土壤水分具有重要影响[18], 后续研究中可增加相对湿度、水汽压、风速等气象因素监测, 分析气象因素对土壤水分的影响。土壤水分具有较强的时空异质性, 不同时空尺度土壤水分的主控因素不同[2]。因此, 后续可进行长时间、多点位观测, 更全面的分析不同时空尺度的喀斯特峡谷区土壤水分特征及影响因素。

4 结论

喀斯特峡谷区土壤水分特征表现为南坡较北坡低, 表层土壤的水分含量较深层土壤低, 顶坛花椒土壤水分含量较高, 变异程度较小, 对花江峡谷生态治理具有重要意义。降水是喀斯特峡谷区土壤水分的主要补给来源, 降水量丰枯变化是土壤水分动态变化的直接原因。喀斯特峡谷区土壤水分主要受气温、海拔、坡向、坡度等因子影响, 其次为枯落物厚度、叶面积等植被因子, 土壤容重、土壤孔隙度对各土层土壤水分的影响较其他因子低。喀斯特峡谷区不同土层土壤水分的主控因素不同, 花江喀斯特峡谷0—5 cm和20—40 cm土层土壤水分的主控因素为气温, 5—10 cm土层土壤水分的主控因素为坡度, 10—20 cm土层土壤水分的主控因素为海拔。

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Soil moisture characteristics and their influencing factors in karst gorge

LIU Yang1, LUO Ya1,*, LU Xiaohui1, YANG Shengtian1, 2, SHI Chunmao1, XU Xue1, YU Junlin2

1. School of Geography & Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550003, China 2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 3. Guizhou Provincial Water Conservancy Research Institute, Guiyang 550002, China

Soil moisture is the limiting factor for vegetation construction in karst gorge. Analyzing the characteristics of soil moisture and its influencing factors in the karst gorge area is of great significance to the vegetation construction in this area. Taking Guizhou Huajiang Karst Gorge as the research area, using in-situ monitoring and redundant analysis methods, the characteristics of soil moisture in the karst gorge area and its influencing factors were studied. Results showed that: 1) During the monitoring period, the characteristics of soil moisture in the karst gorge area were that the southern slope was lower than the northern slope, the moisture content of the surface soil was lower than that of the deep soil, and the soil moisture of the arbor was lower than shrub. 2)Soil moisture in karst gorge was mainly influenced by topographic factors such as elevation, slope direction, and slope gradient, followed by vegetation factors such as dry matter thickness and leaf area. 3) The main controlling factor for soil moisture in 0-5 cm and 20-40 cm soil layers was temperature; for 5-10 cm soil layers was slope, and for 10-20 cm soil layers was elevation. Major topographic, temperature, and rainfall affected soil moisture in the Karst gorge during the monitoring period. Choosing different irrigation methods according to topographic and soil thickness, litter characteristics, and planting plants with different root depths according to the main controlling factors of soil moisture in different soil layers arehelpful to the effect of vegetation construction in karst gorge areas.

soil moisture; influencing factors; gorge; karst

刘洋, 罗娅, 陆晓辉, 等. 喀斯特峡谷区土壤水分特征及其影响因素研究[J]. 生态科学, 2021, 40(3): 8–16.

LIU Yang, LUO Ya, LU Xiaohui, et al. Soil moisture characteristics and their influencing factors in karst gorge[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 8–16.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.002

S152.7

A

1008-8873(2021)03-008-09

2020-09-26;

2020-10-10

贵州省普通高等学校科技拔尖人才支持计划(黔教合KY字[2018]042); 贵州省2019年度哲学社会科学规划重点课题(19GZZD07); 国家自然科学基金委员会-贵州省人民政府喀斯特科学研究中心项目(U1812401); 贵州省水利科技项目(2020ZC01)

刘洋(1995—), 男, 贵州玉屏人, 硕士研究生, 主要从事生态水文与水土资源保护研究, E-mail: 865149892@qq.com

罗娅, 女, 博士, 教授, 主要从事生态水文与水土资源保护研究, E-mail: luoya2002@163.com