喀斯特地区抗旱保墒技术研究进展

熊康宁，郭 杰，盛茂银

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001； 2. 国家喀斯特石漠化工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001)

0 引言

中国南方喀斯特主要分布在以贵州为中心的滇黔桂湘鄂川渝地区，面积达55 万km2[1].喀斯特地区虽然降水充沛，但由于岩石的裸露率高，渗透性强，土体零星、浅薄等原因，以致土壤贮水量低，临时性干旱时有发生，干旱程度不亚于有些长期干旱地区[2].该地区生态条件的特殊性和长期的人类活动，尤其是最近一个世纪以来的人类活动干扰，造成人地矛盾突出、植被破坏、水土流失、岩石裸露、土地生产力衰退丧失，形成石漠化[3，4].石漠化对土壤中水分含量影响较大，随着石漠化程度的加深，其含量呈减少趋势[5].因此，水分亏缺是该区植被恢复重建的主要障碍因子[6].抗旱保墒技术能够通过减少土壤的大气蒸发或改良土壤结构，达到增强土壤自身持水能力的目的[7].因此，研究喀斯特地区抗旱保墒技术的应用状况对喀斯特脆弱环境下植物健康生长以及石漠化的综合治理至关重要.

目前，喀斯特地区抗旱保墒技术的研究主要集中于几种保墒技术在农业或林业的应用效果对比[8-10]，而对于喀斯特地区保墒技术的发展趋势、存在问题的相关论述还很缺乏，本文对喀斯特地区保墒技术相关文献搜集整理，总结了喀斯特地区保墒技术的成果和存在的问题进行了阐述.

1 方法

以中国知网CNKI(China National Knowledge Infrastructure)信息资源总库、维普期刊数据库为主要检索来源，通过主题或关键词检索项，以喀斯特、岩溶、石漠化等为检索词分别进行第一次搜索，在此结果中再以抗旱、保墒、覆盖、保水剂等为检索词进行第二次检索.检索截止时间为2014年12月30日下午14：20.检索1914—2014年喀斯特地区抗旱保墒技术的相关文献资料.对检索出的文献进行年度状态、内容和学科领域分布状态、研究机构及研究区分布状态进行分析.

2 结果

经过检索，得到中文核心期刊31篇，中国优秀硕士学位论文5篇，中国重要会议论文1篇，中国重要报纸1篇，相关专利2项.

2.1 文献年度状态分析

图1为研究文献时间分布，喀斯特地区抗旱保墒技术起步较晚，从1986年开始才有相关文献发表，并且数量较少，部分年限无相关文献发表；2001—2008年、2008—2014年(2012年除外)文献数量整体呈先增长后下降的趋势，且在2011年文献数量达到最多.从文献年度分布上可以看出，喀斯特地区抗旱保墒技术的研究起始于20世纪80年代后期，到现在不到30年，结合这段时间喀斯特地区的气候特点，可以把喀斯特地区抗旱保墒研究划分为三个阶段:1986年到2001年是缓慢增长期，2001年到2011年是快速发展期，2011年至今为相对减少期.

图1 喀斯特地区抗旱保墒研究文献时间分布Fig. 1 The distribution of soil moisture and drought-relief research time in Karst area

阶段划分主要特征发展背景缓慢增长期(1986—2001年)相关研究文献数量较少,主要是农作物的地膜覆盖喀斯特地区由于复杂的地形,季节性干旱严重,农业、水利科研机构开始对一些保水措施进行试验示范快速发展阶段(2001—2011年)相关研究文献数量增多,多种保墒方式综合运用,农业和林业均有应用2009年全国大旱,波及12个省份,2010年西南大旱,2011年南方七省降水量近60年最少.干旱的加剧使人们开始逐渐重视保墒技术相对减少期(2011年至今)相关文献数量逐年下降气候环境基本平稳,抗旱保墒的研究进入瓶颈期

2.2 文献内容和学科领域分布状态分析

按照研究内容，喀斯特地区抗旱保墒技术相关文献可分文基础理论、技术应用、抗旱对策和其他.相关文献中技术应用所占比例居多，有26篇，见图2.技术应用内容居多主要是因为喀斯特地区季节性干旱较为频繁，因此可以借鉴干旱、半干旱地区的研究成果，进行试验示范，应用推广.

图2 喀斯特地区抗旱保墒研究内容分布Fig. 2 Study on the content of soil moisture and drought-relief in Karst District

研究的学科领域包括林业、农作物、农业基础科学等多个学科，其中林业最多，有13篇，其次是农作物，有9篇，见图3.可见，抗旱保墒技术在农业和林业上应用较多.

图3 喀斯特地区抗旱保墒研究学科分布Fig. 3 The distribution of soil moisture and drought-relief research subjects in Karst area

2.3 文献研究机构及研究区分布状态

通过对喀斯特地区抗旱保墒技术研究机构进行统计发现，主要研究机构是贵州大学(5篇)、贵州省农业科学院(4篇)、南京林业大学(4篇)，其次就是四川农业大学、云南省农业科学院等与农林相关的机构.主要研究区域也以贵州为主，其次是云南、广西(图4).

图4 喀斯特地区抗旱保墒研究区分布Fig. 4 The distribution of soil moisture and drought-relief area in Karst area

2.4 基础理论

2.4.1 喀斯特地区土壤水分特征

墒是适宜植物生长的土壤水分.喀斯特地区土壤水分具有水平分异、垂直分异、坡面分异，主要表现为土壤水分含量空间分布呈斑块状，含水量随土壤深度增加而增加，随季节演替呈低-升-高-降变化，干湿季差异很大，日变化表现为从早到晚先降后升[11].

喀斯特地区土壤水分亏缺有明显的时空异质性：时间异质性表现在土壤水分亏缺发生的时段、次数、持续时间、亏缺程度具有较大的不确定性，这与各年蒸发降水相关；空间异质性表现为不同地区水热条件配合不同，同一地区不同生境，植被类型不同，都导致土壤水分亏缺的程度和发生频率不同[12].

2.4.2 喀斯特地区土壤水分蒸发和入渗

土壤水分在土壤中的损耗主要是蒸发散和渗流[13].喀斯特地区土壤水分蒸发的研究主要是不同覆盖下土壤水分的蒸发研究[14]以及不同灌木根系对土壤水分蒸发的影响研究[15].喀斯特地区土壤水分的入渗受到土壤孔隙度、土壤粒径、土中碎石等因素的影响，石漠化地区的喀斯特地貌，表土碎石体积分数可高达40%左右[16，17].随着碎石粒径大小、位置的不同，土壤水分入渗呈现不同的特点[18].

2.5 保墒技术措施

2.5.1 覆盖保墒技术作用机理

喀斯特地区覆盖保墒技术主要包括有机物覆盖、地膜覆盖、石子覆盖.

(1)有机物覆盖.常见的有机物覆盖主要包括秸秆、松针、枯枝落叶等单一覆盖，通过抑制蒸发，拦截雨水达到减少土壤水分散失的目的.西南农区还田作物秸秆主要是麦秸、稻草、玉米和油菜秸，在旱坡地上多采用覆盖还田，水田多采用翻压还田[19].

(2)地膜覆盖.地膜覆盖通过构建一个密闭的环境来阻止土壤水分的垂直蒸发，凝结水汽，达到保蓄土壤水分的目的.

(3)石子覆盖.石子覆盖作用机理与有机物覆盖相同，在山区，碎石子较多的地带，可以收集碎石子进行覆盖保墒.

2.5.2 保水剂蓄水技术作用机理

保水剂是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物.它吸水迅速而强烈，并且能够反复吸水.在土壤中，保水剂通过吸水膨胀，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，从而改善土壤结构.此外，保水剂还能降低土壤水分蒸发量和土壤水分渗透速度[20].

2.6 试验示范

2.6.1 覆盖保墒试验示范

胡刚等[9]在石质山地应用地膜覆盖技术发现盖地膜虽然保温、保湿效果好，但由于地膜的封闭性，水分补给主要通过雨水测渗，而喀斯特石质山地岩石裸露率高，土体不连续的特点使这种侧渗的数量有限.李林英等[21]在太行山石质山地造林中应用塑料薄膜覆盖进行试验发现覆盖地膜能够提高造林的成活率.李安定等[10]通过室内盆栽与田间试验相结合研究了不同覆盖处理下不同小生境土壤的保墒能力，得出在实地花椒人工造林试验中，薄膜覆盖存活率较差，因此对于薄膜覆盖在实际造林的使用还需要进一步的研究论证.

石子覆盖在石质山地也有应用.李广德等[22]在华北片麻岩石质山地山杏幼林应用石子覆盖、秸秆覆盖等保墒措施，并定期进行监测，通过对保墒效果的分析，结合经济因素考虑，石子覆盖效果最优.

2.6.2 保水剂的试验示范

保水剂在喀斯特地区应用相对较少.叶燕萍等[23]通过在金银花扦插苗时应用保水剂来应对石山土壤干旱，从而提高金银花幼苗成活率，保持金银花良好生长.黄伟等[24]在贵州喀斯特山区桃树栽培上应用了保水剂促进桃树生长发育.

2.7 监测评价

土壤墒情评价的具体方法和标准主要参考农田土壤墒情监测技术规范(NY/T 1782-2009)和《土壤墒情评价指标》(SL568-2012).

2.7.1 土壤墒情监测

土壤墒情是重要的土壤信息，监测土壤墒情有利于进一步了解作物生长期内的土壤水分状况，从而判断是否要采取一系列保墒措施.目前，传统的土壤水分监测的方法有烘干法、中子仪法、γ 射线法、时域反射仪法(TDR)、遥感技术[25].在喀斯特地区实际测量土壤水分时以烘干法居多.

2.7.2 土壤墒情评价

农田土壤墒情评价因子主要是土壤质地、土层深度、田间持水量、毛管断裂含水量.根据作物的生长期不同，一般选取10 cm、20 cm和40 cm深度的土壤层进行墒情评价，以土壤墒情评价深度的土壤层的相对湿度作为评价依据，以我国主要农作物各生长期作为评价阶段[28].

3 拟解决的关键科技问题与展望

(1)喀斯特地区生境高度异质性、地表地下二元结构复杂、土壤中碎石含量不等、雨热的匹配不均都导致以单一区域研究水分蒸发和入渗的变化难以代表整个喀斯特地区，并且土壤水分研究在方法和技术手段上还存在着许多不足，还难以揭示不同地貌类型区、不同地质条件、不同退化程度小流域土壤水分的运移规律及调控控机理[6].

(2)喀斯特地区抗旱保墒技术仍有一系列的问题需要解决.首先，地膜覆盖会产生白色污染，而可降解地膜成本太高，难以广泛推广应用.保水剂在喀斯特地区应用的文献较少，因此，关于保水剂在喀斯特地区的示范应用还需要进一步的进行探究.其次，覆盖保墒和保水剂的保墒效果都有一定的限度，当面临极端干旱时，单一的保墒措施可能难以持久.最后，喀斯特地区工程性水利措施缺乏，保墒技术手段较为单一，需要开发和引进更多适合喀斯特地区的抗旱保墒技术.

(3)目前，喀斯特地区抗旱保墒技术的应用以农业居多，林业上虽然也有应用，但应用的林木种类较少.对已经应用过保墒技术且有相关文献记载的植物，我们能够迅速确定应用哪种保墒模式.但对于以前没有应用过保墒技术现在需要应用保墒技术的植物无法确定哪种保墒方式对它最适合.

(4)土壤墒情评价标准是以我国主要农作物各个生长阶段水分状况进行评价，由于林木种类繁多，目前尚没有专门针对林木保墒的评价标准，只能应用农业保墒评价标准进行比较，喀斯特地区土层浅薄，有些区域没有40 cm深度的土壤，无法完全按照土壤保墒评价标准进行比较，急需建立新的喀斯特地区植物保墒评价标准.随着科技的进步.