西南特大干旱条件下贵州西部山地土壤含水量变化研究

陈 莉，蔡雄飞，王 济，王志瑞

(1.古蔺县建设工程质量监督站，四川 古蔺 613000；2.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)

土壤水是土壤的重要组成部分，是作物吸水的主要来源，也是自然界水循环的一个重要环节， 通常用土壤含水量来表征土壤水分状况[1]。土壤水分状况及其时空变化是直接影响地表生物多样性和生物量的重要因素之一，长期以来受到众多学者的关注[2-9]。在我国，自20世纪70年代以来，对土壤水分及其空间变异的定量研究逐渐成为广受关注的一个热点，分形和分维等理论也陆续被引入土壤水分的研究中[3]。近10年来，对不同地表覆被类型、植被恢复模式，以及耕作模式条件下土壤含水量的变化及应对措施等方面的研究也取得了一些成果[4-6,9]。

地处我国西南喀斯特地貌分布区，地表、地下水系发育，水循环形成一种特殊的格局：大气降水很难在地表存留，经陡坡、岩石裂隙和落水洞转入地下暗河，或者流动在深切的峡谷之中，形成“土在上水在下”的分离格局，难以被植被利用[10]。这种水文格局极易使地面干旱缺水成灾，所以贵州素有“10天不下雨即干旱”的说法。尤其是2009年10月—2010年4月，我国西南地区的广西、重庆、四川、贵州、云南五省(自治区、直辖市)遭受了秋冬春三季连旱的西南特大干旱灾害。截至2010年4月9日，耕地受旱面积636.87万hm2，作物受旱501.07万hm2，有2 019.9万人、1 348万头大牲畜因旱饮水困难，云南大部、贵州西部、广西西北部均达到特大干旱等级[11]。然而针对这种极端干旱条件下土壤含水量的研究报道甚少。我们选取本次受灾最为严重的区域——贵州西部盘县为研究区域，系统研究了本次特大干旱灾害条件下区域内不同地表覆被、地貌部位、土壤深度的土壤含水量及其变化规律，旨在为该区域干旱灾害的防灾减灾及相关研究提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区域概况

贵州省盘县(东经104°17′46″—104°57′46″、北纬25°19′36″—26°17′36″)地处珠江上游南北盘江发源地、云南高原向黔中高原过渡的斜坡部位、广西丘陵与黔西北高原之间的过渡地带。地势的间隙抬升和南北盘江上游支流的强烈切割，形成坡陡谷深、地面破碎的高原地貌。全县总面积4 056 km2，其中山地占82.4%、丘陵占9.22%、坝地占2.43%；30°以上坡地占全县总面积的55%，岩溶面积2 635．98 km2，是贵州喀斯特面积、石漠化面积较大，石漠化程度最严重的几个县份之一[12-13]。

采样区选择在盘县平关镇南部冷水沟村，具体点位见表1。平关镇位于盘县西部，距盘县县城(红果镇)约15 km，总面积114 km2，耕地面积9.92 km2，水田1.18 km2。平关镇东接火铺镇，西南、北、西分别与云南省富源县大河镇、中安镇、后所镇毗邻，素有“盘县西大门”之称，交通便利，G60沪昆高速公路、320国道和2208铁路线贯穿全境。属岩溶化高中山，海拔1 836—2 663.7 m，相对高差300～500 m，坡度多在30°以上。境内气候温和，雨量充沛，年均气温13.3 ℃，年均降水量1 172 mm，无霜期236 d。水资源丰富，南盘江二级支流雨南河发源于平关镇石脑的仙人坟，呈南北向贯穿平关镇[12]。

表1 采样点概况

1.2 研究方法

研究区域内的土地利用类型主要是耕地和林地，依据研究区域内地表覆被特点(旱地和林地)，选取了具有代表性的乔木林地、灌木林地和耕地(主要是旱地)3种土地覆被类型的自然坡面作为研究对象，对上述3种自然坡面不同坡位、不同土层深度的土壤进行采样并分析含水量。采样时间为2010年2月14日，每种地表覆被类型按地貌部位分下坡、中坡和上坡，共计9个采样点。在每个样点开挖深度≥60 cm的土壤剖面，按照土层深度0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm分6层采样(表1)。因为气温较高，为减小由水分蒸发而引起的误差，采样时携带电子天平(精度0.01 g)，对分层采取的土样及时称量并记录，再将土样带回室内分析测试。本研究所有含水量均为质量含水量，所有土样在贵州师范大学地理与环境科学学院自然地理实验室完成分析，土壤含水量采用烘干法(温度105 ℃，时间8～10 h)测定。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面含水量变化特征与分析

图1是乔木林地自然坡面(阴坡)不同坡位、不同土层深度土壤含水量变化图。总体而言，从表层向下，土壤含水量呈增大趋势。表层土壤含水量最小，不同坡位变化范围也较小，在20%～24%之间，平均22.3%。随着土层深度增加，中坡和上坡的土壤含水量变化趋势和变化量差异较小，而下坡与中上坡之间的变化量相差较大。即除0—10 cm的表层外，以下10—60 cm各层土壤的含水量均表现为下坡大于中上坡，最大相差27.43百分点。出现这种变化差异的主要原因有两个：首先是土壤厚度，同是棕色石灰土，现场考察及取样表明下坡土壤厚度最大，A层和B层的平均厚度大于80 cm，而中坡和上坡的土壤厚度则逐渐变薄，其保持土壤水分的能力也逐渐降低；其次是植被覆盖类型及盖度存在一定差异，下坡为针阔混交林，植被盖度较高，土壤表层有明显的枯落物层，中坡到上坡植被盖度有所减小，上坡以针叶林为主，没有明显的枯落物层。地上植被，尤其是灌木和乔木具有涵养水源的功能，加之地表枯落物保持水分、减小土壤水分蒸发等作用，使得海拔较低的、植被盖度大(枯落物层较厚)的土壤不同深度的含水量均较高。

图1 乔木林地不同坡位土壤剖面含水量变化

图2是灌木林地自然坡面(阳坡)不同坡位、不同土层深度土壤含水量变化图。灌木林地不同土层深度土壤含水量的变化与林地相似，即表层土壤含水量最低，随着土层深度的增加，土壤含水量逐渐增大。不同坡位土壤含水量变化趋势一致，且土壤表层到40 cm之间相同土层深度土壤含水量不同坡位之间差异不大。如灌木林的下坡、中坡和上坡位，表层0—10 cm土壤含水量在16.43%～21.17%之间，10—20 cm土壤含水量在21.46%～23.95%之间，20—30 cm土壤含水量在25.30%～28.09%之间，30—40 cm土壤含水量在29.77%～34.52%之间，变化量均小于5百分点。当土层深度增大到40—60 cm时，不同坡位的相同土层深度的土壤含水量差异逐渐增大。综合分析认为，这是因为取样区的土层厚度除中坡位稍厚外，下坡和上坡土层厚度相当，在这样的条件下持续的高温天气使得在一定的土层深度以内土壤含水量已经减小到了极限，所以不同坡位相同土层深度的土壤含水量差异较小。

图2 灌木林地不同坡位土壤剖面含水量变化

图3是耕地坡面(阳坡)不同坡位、不同土层深度土壤含水量变化图。与乔木林地和灌木林地类似，耕地不同坡位的土壤含水量也随着土层深度的增加呈增大的变化趋势，但不同坡位相同土层深度的土壤含水量差异较大，下坡位最小，中上坡除10—20 cm之外差异不大。下坡样点位于居民点附近，因持续的高温干旱，田面的龟裂非常明显，表层土壤呈块状结构，比较板结，而中、上坡样地土壤结构性要优于下坡。

图3 耕地不同坡位土壤剖面含水量变化

以上分析表明，特大干旱条件下乔木林地、灌木林地和耕地不同坡位的土壤含水量均随土层深度的增加呈现逐渐增大的变化趋势。土壤含水量与土层深度的相关性分析表明：灌木林地和耕地土壤含水量与土层深度均呈线性相关，相关性较好(图4—6)，相关系数分别达到0.83和0.69，乔木林地相关性稍差。而多数研究表明，在常规天气条件下，随着土层深度的增加，土壤含水量呈现逐渐减小(丰水季)或者基本不变的趋势[3-4,6,14-15]。这说明持续高温干旱的极端天气影响了该区域土壤水分条件及其分布状况。其他区域的研究(在极端干旱干扰下)也呈现相似的变化规律[16]。2010年的西南特大干旱，从2009年10月—2010年4月近半年持续高温干旱，使得土壤尤其是表层土壤的含水量下降到了极限，在土壤厚度、覆盖情况相近时，其含水量也非常接近，微地形对土壤含水量的影响程度也相应下降。

图4 乔木林地土壤含水量与深度的相关性

图5 灌木林地土壤含水量与深度的相关性

图6 耕地土壤含水量与深度的相关性

2.2 不同地表覆被类型的土壤含水量差异

对于同一种地表覆被类型而言，乔木林地的下坡与中上坡相同土层深度的土壤含水量差异较大，灌木林地和耕地(地表作物为蚕豆和小麦)不同坡位相同土层深度的土壤含水量差异不大。为了对比分析不同地表覆被类型的土壤含水量差异，分别将乔木林地、灌木林地和耕地不同坡位的0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm土壤含水量计算平均值，则乔木林地分别为22.31%、28.95%、31.90%、36.19%、38.72%、45.10%，灌木林地分别为18.76%、22.66%、26.62%、32.02%、35.45%、40.79%，耕地分别为11.12%、17.42%、19.31%、22.36%、23.97%、24.01%。从地表向下，乔木林地与灌木林地各层土壤含水量之间的差值依次为3.55、6.30、5.28、4.17、3.28、4.31百分点；乔木林地与耕地各层土壤含水量之间的差值依次为11.19、11.53、12.58、13.82、14.75、21.08百分点；灌木林地与耕地各层土壤含水量之间的差值依次为7.64、5.24、7.30、9.65、11.47、16.77百分点。这表明乔木林地和灌木林地各层土壤含水量的差异略小，具有较高的保持土壤水分和抵抗极端干旱的能力，其中以乔木林地最强；耕地各层土壤含水量与乔木林地和灌木林地相差较大，土壤保持水分和抵抗极端干旱的能力最差。在这种极端干旱条件下，不同地表覆被类型的土壤含水量表现为：乔木林地>灌木林地>耕地。乔木林地地表有乔木层、灌木层和地表枯枝落叶层的覆盖，可以降低地表和土壤不同深度的气温，减小土壤水分的蒸发，具有较强的抵抗短期或长期的高温干旱气候干扰的能力；与乔木林地相比，灌木林地地上植被覆盖度或量均较少，所以其不同土层深度土壤含水量均小于乔木林地；耕地因为地表植被主要是农作物，覆盖度较低，且没有枯枝落叶层，所以在相同的极端气候条件下其土壤含水量最小，尤其是表层0—10 cm土壤含水量还不足乔木林地的50%。

3 结 论

通过对研究区域内乔木林地、灌木林地和耕地自然坡面的不同坡位土壤剖面土壤含水量进行分层采样分析，得出以下结论：

(1)从土壤表层向下到60 cm深度，不同地表覆被、不同坡位的土壤含水量均呈逐渐增大的变化趋势，土壤含水量与土层深度呈线性相关关系。

(2)不同地表覆被类型的土壤含水量大小表现为：乔木林地>灌木林地>耕地。乔木林地与灌木林地相应各层土壤含水量差值在3.55～6.30百分点之间；灌木林地与耕地相应各层土壤含水量差值在5.24～16.77百分点；乔木林地与耕地相应各层土壤含水量差值在11.19～21.08百分点。

(3)乔木林地的下坡与中上坡相应土层深度的土壤含水量差异较大，灌木林地和耕地不同坡位相同土层深度的土壤含水量差异不大。土层厚度对不同坡位土壤含水量的影响较大。

[参考文献]

[1] 吕贻忠.土壤学[M].北京:中国农业出版社,2006.

[2] 王思砚,苏维词,范新瑞,等.喀斯特石漠化地区土壤含水量变化影响因素分析——以贵州省普定县为例[J].水土保持研究,2010,17(3):171-175.

[3] 龚元石,廖超子,李保国.土壤含水量和容重的空间变异及其分形特征[J].土壤学报,1998,35(1):10-15.

[4] 金复鑫,彭文英,张科利,等.北京保护性耕作条件下土壤水分动态变化研究[J].土壤通报,2009,40(1):28-33.

[5] 郭菊琴.不同地表覆盖类型对富县果园土壤水分影响[J].陕西农业科学,2011(2):24-25.

[6] 蔡燕,王会肖.黄土高原丘陵沟壑区不同植被类型土壤水分动态[J].水土保持研究,2006,13(6):79-81.

[7] Sudnitsyn I I.Soil water content and water supply of plants in the southern Crimea[J].Eurasian Soil Science,2008,41(1):70-76.

[8] Novák V,Kňava K.The influence of stoniness and canopy properties on soil water content distribution: simulation of water movement in forest stony soil[J].European Journal of Forest Research,2012,131(6):1727-1735.

[9] Wang Miao,Li Qiu-rong,Xiao Dong-mei,et al.Effects of soil temperature and soil water content on soil respiration in three forest types in Changbai Mountain[J].Journal of Forestry Research,2004,15(2):113-118.

[10] 王世杰,李阳兵,李瑞玲.喀斯特石漠化的形成背景、演化与治理[J].第四纪研究,2003,23(6):657-666.

[11] 刘建刚,谭徐明,万金红,等.2010年西南特大干旱及典型场次旱灾对比分析[J].中国水利,2011(9):17-19.

[12] 李本良.盘县特区志[Z].北京:方志出版社,1998.

[13] 李阳兵,邵景安,周国富,等.喀斯特山区石漠化成因的差异性定量研究——以贵州省盘县典型石漠化地区为例[J].地理科学,2007,27(6):785-790.

[14] 李玲芬,延军平,刘冬梅,等.干旱-半干旱地区不同植被条件下土壤含水量变化及植被建设途径分析[J].水土保持通报,2009，29(1):18-22.

[15] 雷丽,程星,蔡雄飞.贵州岩溶山区土壤含水量时空分布与植物生长关系研究[J].贵州科学,2009,27(2):50-54.

[16] 何念鹏,周道玮,吴泠.极端干旱干扰下松嫩草原土壤含水量与植物的反映[J].干旱区资源与环境,2001,15(3):52-56.