中国西南喀斯特土壤水分特征研究进展

王家文，周 跃，肖本秀，李江苏

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650093;2.云南师范大学旅游与地理科学学院，云南昆明650092;3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101)

中国西南喀斯特区是全球面积最大［1］的喀斯特区的核心区，也是喀斯特发育十分独特、生态环境十分脆弱［2－3］、环境退化问题最为突出［4］的地区。喀斯特土壤水分既是岩溶作用的驱动力和岩溶植被的生命之泉，又是土壤流失的作用因子，更是喀斯特系统中表层水体的重要储存库，对岩溶区生态地质环境安全和社会经济发展具有十分重要的意义。因此，掌握喀斯特土壤水分规律既是认识岩溶系统的必然要求，也是我国南方生态环境建设乃至岩溶科学发展的必然要求。

20世纪末以来，不同学者对我国南方喀斯特土壤水分做了很多研究工作，取得了大量成果。然而，由于倾向于局部的研究，缺乏宏观和系统的探讨而进展缓慢。从宏观和系统的角度，结合自然地理环境特点，在现有研究成果中总结中国南方喀斯特土壤水分的一般规律，找出研究中的不足和进一步研究的方向，既是科学认识喀斯特土壤水分规律的必要环节，又是现有研究成果深入挖掘的需要，对推动喀斯特土壤水分研究具有不可替代的意义。

本文在综合介绍现有研究成果的基础上，总结了中国西南喀斯特土壤水分的基本规律，并结合中国西南喀斯特区的自然环境分析了土壤水分的主要影响因素及影响机制。最后，结合中国西南生态环境保护与建设的需要、学科发展及现有研究中的不足，提出了今后研究的重点。

1 喀斯特土壤水分含量

对中国西南喀斯特区海拔80～2400 m、年均降水1000～1500 mm、年均温20℃左右，土地利用、土壤、时段不同的土壤表层含水量数据(据已发表文献)统计分析的结果显示:土壤含水量均值28.21%，中值27.69%，最小众数23.00%，含水量在20%～40%的数据307个，占统计总数的80.8%;大致呈正态分布(见图1)，偏度 1.43，峰度 7.85;差异大，极小值7.78%［5］，极大值 81.96%［6］，全距 74.18%，标准差8.27%，变异系数29.3%。从以上结果看，中国西南喀斯特土壤水分含量偏低(矿质土壤为25%～60%［7］)。

图1 中国西南喀斯特土壤表层水分含量频数分布

由表1可以看出，不同土地利用类型喀斯特土壤表层含水量差异明显，植被状况越好土壤水分含量就越高，具体有3个特点:①土壤含水量森林＞灌丛＞草地(贵州长顺、广西弄拉)，林地、灌丛、草地依次减小［8］。②天然林大于人工林(云南富源、广西环江、重庆北碚)，牧草地较耕地高8.5%［9］等。③阔叶林大于针阔混交林(贵州开阳)。

表1 不同土地利用类型喀斯特土壤水分含量比较

2 喀斯特土壤水分的空间分异

2.1 水平分异

喀斯特土壤表层水分水平分布特征有［17－22］:①空间变异性。呈斑块状分布，含量中等时变程较大，极干旱或降雨后较小。空间异质性随水分含量增大而减小，上、下层较中间层变异大，变异系数随土层深度增加而减小。②空间相关性。湿润时相关性中等，干旱时强烈;0—5 cm土层中等，其余各层强烈。③尺度效应。空间结构随观测尺度变化而变化，半变异函数、变程随采样间隔增大而增大。

2.2 垂直分异

喀斯特土壤含水量随土层深度的增加而增加［6，8，16，22－26］，表土层水分含量低而波动强烈［9，23］。但随土层深度增加，土壤含水量增加幅度逐渐减小［9，24］。随着靠近植物根系集中分布层，土壤含水量逐渐降低至一个较低点，然后再随土壤深度增加而继续增加［16］。土壤含水量在10 cm深处变动强烈，在100和450 cm深处变动不甚明显［27］。耕地和牧草地土壤含水量随土层加深先减小后增大［25］。

2.3 坡面分异

喀斯特土壤含水量的坡面分布规律不明显，有坡顶高于坡脚的异常情况。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、退耕地和耕地)，表层土壤水分具有明显的空间分布特征和变异规律，沿上坡向下有不断减小的趋势［8，28］，横向变异程度较纵向强烈［28］。

3 喀斯特土壤水分的时序变化

3.1 季节变化

喀斯特土壤含水量具有低—升—高—降的季节变化过程。不同植被类型变化趋势不同，阔叶林土壤含水量季节动态变化为:秋季＞夏季＞春季＞冬季，针阔混交林为:夏季＞秋季＞春季＞冬季［16］。土壤含水量3—4月较大且上升，5—8月出现年内最大与最小值，9—l1月下降，12—2月最低［27］。按土壤水分的动态变化，可划分为冬季平稳低墒期、春季及夏初蓄水期、夏季及秋初消耗期、秋季及冬初回升期4个阶段(冬季低，春季、夏初高，夏季、秋初下降，秋季、冬初回升)［26］。

3.2 干湿季差异

受降雨差异大、土层浅薄储水量低、地下水影响微弱、岩石助渗等的综合作用，喀斯特土壤含水量干湿季差异显著［14］。洼地湿润条件下均值23.13%，干旱时仅 8.14%［19］，旱季相当于雨季的 54.68%［16］。旱季储水量波动较显著［9］。

3.3 日变化

喀斯特土壤含水量每天不同时段差异明显。从清晨到午后土壤含水量逐渐降低，14:00最低，以后逐渐回升，但与其他时段不同，在10:00—14:00，30 cm土层含水量反而低于20 cm土层［6］。

4 喀斯特土壤水分的影响因素

4.1 降 水

降水增加土壤水分，不同类型、层次的土壤响应时间和幅度不同。降雨后，0—15 cm土层土壤含水量从地表向下递减，雨后数日递增［5］。耕地采样前3天、牧草地采样前6天的降水对储水量仍有影响［9］。坡地土壤含水量受降水影响明显［14］。表层含水量在雨后1天显著增加，底层在6～8天最高，撂荒地0—30 cm土层雨后3天最大［23］。降水对下层影响持续4天以上［24］。柑橘园土壤含水量与月降雨量呈正相关［29］。

4.2 土 壤

土壤水分特性决定其调蓄能力进而影响土壤含水量。土层较厚时含水率高、浅薄时偏低，黄泥土比石灰土高［8］，土壤物理性质反映土壤持水和保水能力［11］，不同密度、孔隙度土壤的持水量及稳渗速率差异大［16］，石灰土保水能力差［30］，不同厚度石灰土同一层次土壤水库容量差异较大［31］等结论，说明土壤性质是喀斯特土壤含水量的重要决定因素。

4.3 植 被

植被有调蓄水分的作用，不同植被土壤含水量不同(表1)。林下草被对土壤水分起重要作用［32］。①不同植被耗水状况不同。常绿树种耗水量春季＞夏季＞秋季＞冬季，落叶树种耗水量夏季＞春季＞秋季＞冬季［33］。②不同植被土壤持水性能不同。林地土壤田间持水量是草地的2倍［9］，灌丛土壤有明显的层间蓄补水能力［13］，有效水含量灌草坡 ＞撂荒地 ＞坡耕地［14］。次生林、灌草丛、耕地土壤的田间持水量、毛管含水量有较大差异［34］。③不同植被土壤水分变化不同。灌丛和草地保水能力强、变化幅度小［25］。降雨过后水分递减率，玉米地＞灌丛地＞草地［23］。另外，土地利用的改变会改变土壤理化性质［35－36］从而影响土壤水分性能。

4.4 喀斯特小生境

喀斯特小生境对土壤水分的影响表现在3个方面:①不同小生境土壤水分含量及其变化不同。石沟、土面、石槽一年中高低墒期、水分胁迫程度、持续时间不同［5］。②岩石影响土壤水分运移。土壤碎石对稳定入渗率和近似饱和导水率有较大影响［37］。岩石下部土壤含水率较上部低(岩石上部土层浅薄时偏低)，土壤与岩块接触区土壤含水量较高［38］。③改变小生境可以改变土壤水分性能。覆石可提高土壤持水性能［39］。土壤水分消耗与覆盖物及覆盖程度有关［40］。

4.5 地 貌

一般而言，坡度越陡水分越容易流失，土壤含水量就越低。由于重力的作用，山顶水分含量低于山脚。然而在西南喀斯特区，受其他因素的影响，现有研究中存在看似矛盾的结论。土壤含水量随坡度增加而减小［7］，植被类型相对一致的条件下，坡位的影响较小［12］，同一坡面不同坡位水分差异不显著［26］。以上结论表明喀斯特土壤水分是多因素综合影响的结果。

总的说来，喀斯特土壤水分是降水、土壤、小生境(岩－土格局、岩石裂隙等)等自然因素及人类活动互相影响(图2虚线)，通过补给、消耗、调蓄3种方式综合作用的结果(图2实线)，任一因素的变化都会引起相关因素的相应变化而最终引起土壤水分含量和时空格局的变化。

其中，岩－土格局、岩石裂隙等反映的小生境是喀斯特土壤水分区别于其他生境类型土壤水分的重要影响因素。如坡面分布的无规律性，其主要的影响因素就是土壤底部岩石裂隙的差异。裂隙大，则水分渗入岩体，地下流失大，土壤水分含量就低;没有裂隙，则水分的地下损失就小，水分含量就高。土壤地下裂隙的差异就导致了坡顶水分高于坡脚的异常现象。出露或土壤中的岩石阻挡了相邻区域土壤水分的运移，则是造成喀斯特土壤水分水平差异较大的原因。

图2 喀斯特土壤水分主要影响因素作用机理

5 存在问题和今后的研究重点

从已发表的文献看，中国西南喀斯特土壤水分研究存在的问题有:①研究内容不够全面。侧重研究喀斯特土壤水分的含量和时空格局，缺乏土壤水分理化性质等方面的研究。②土壤类型和测试方法单一。土壤类型以石灰土为主，占78.26%，测试方法以烘干法为主，占91.3%。③研究地域过于集中。主要集中在广西(60%)和贵州(32%)，其中对古周村的研究占广西的86.7%，而对土地利用持续能力较低［41］的滇东高原喀斯特区的研究仅占4%。

结合国内外土壤水分研究进展［42］、中国西南喀斯特生态系统治理与恢复的需求及现有研究的不足，我们认为今后的研究重点是:①喀斯特土壤水分的理化性质。土壤的最大持水量、最小持水量、田间持水量、入渗率等水分性能直接关系到水分的保持、运移及利用，是喀斯特生态恢复工程的重要依据。土壤水分的化学性质则直接关系到生态安全、水资源质量等，也是喀斯特土壤水分研究中不可或缺的重要部分。②喀斯特土壤储水库的动态特征、适度水分和保排水工程技术。土壤是喀斯特生态系统中重要而具有直接效用的储水库，研究其水分储量、动态变化特征、生态环境效应等是保护与恢复喀斯特生态系统的理论基础。不同植物需水量不同，不同水分含量土壤抗蚀能力、溶蚀率［43］不同。该区土壤允许流失量小［44］，湿季降雨成灾、干季严重缺水［45］。研究植物乃至生物系统不同阶段、季节的适度需水量及其与喀斯特土壤水分格局的对应关系，进而研究干季保水补水技术和湿季土壤无(微)流失排水技术，是喀斯特生态系统建设的急需技术。③对全球气候变化的响应。全球气候变化改变生态系统固有的自然过程［46］，引发的环境变化幅度大、范围广［47］，因此研究喀斯特土壤水分对全球气候变化的响应是维护喀斯特生态系统持续安全的需要。④加强滇东高原喀斯特区土壤水分的研究。滇东高原喀斯特区海拔高、气候干暖、土层厚，土壤水分的补给、消耗和调蓄等有其自身特点，是喀斯特土壤水分研究的必要区域，而该区域的研究明显较少，这就影响了对中国西南喀斯特土壤水分规律认识的科学性。另外，在研究方法上，要充分应用现代化测试手段，以快速、准确地获取大量所需信息，满足研究需求。

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