不同集水保水措施对金沙江干热河谷区林地土壤储水量的影响

赵和琼,谷丽萍，郑科，裴艳辉，孔继君，郭永清，李光华，张明友

(1.元谋县林业局，云南 元谋 651300；2.云南省林业科学院，云南 昆明 650201)

天然降雨是干旱和半干旱地区农林业生产用水的主要来源，由于天然降雨量受到时空分布不均匀的影响，因此，土壤干旱就成为制约农林业生产的首要因素。元谋干热河谷年平均降雨量为614.0mm，季节分配不均，且蒸发量大[1]。土壤水分含量年内差异较大，从每年11月到次年4月末属于旱季，土壤含水量低，干燥度能达到4.4[2]。水资源的季节分布不均匀造成雨季易形成地表径流，水资源浪费，旱季土壤严重缺水，林木生长发育受到影响，造林成活率低。针对元谋金沙江干热河谷天然降雨资源不能被充分利用的问题，一些学者对降雨资源的利用开展了一些探索和研究[3-4]，但是相关研究和报道还较少。本研究对采用全面整地、带状整地、地膜覆盖以及集水面硬化4种不同集水保水处理措施与土壤储水量的变化关系进行了研究，为深入认识元谋干热河谷土壤水分变化特征及利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省元谋县大哨林场(25°58′N；101°44′E)，海拔1 184-1 500m。年平均降雨量614.0mm，年蒸发量3 847.6mm，为降雨量的6倍多，年降雨量分布不均匀，雨季(5-10月)平均降雨量为563.8mm，占全年降雨量的92%，旱季(11月至次年4月)降雨仅50.2mm，仅占8%。土壤以燥红壤为主，自然坡地土壤容重介于1.42-1.75g/cm3之间。自然植被属于典型的稀树灌草丛，有零星片状灌木和人工林分布，主要有余甘子(PhyllanthusemblicaL.)、车桑子〔Dodonaeaviscosa(L.)Jacq.〕、扭黄茅(Heteropogoncontortus)、芸香草(Cymbopogondistans)等灌木、草本植物以及云南松(PinusyunnanensisFr.)、新银合欢(Leucaenaleucocephala)和桉树(Eucalyptusspp.)等人工林，草本植被盖度90%以上。

1.2 样地设置

在对试验区进行全面踏查的基础上，于2014年9月选择植被、土壤、坡向、坡度等立地条件基本一致的坡面作为试验区，集水保水措施分别为(a)全面整地措施。整地深度为60cm；(b)水平带状整地措施。沿等高线带状整地，带宽120cm，带间距200cm，整地深度为60cm；(c)地膜覆盖措施。在全面整地基础上，将厚度为0.03mm的塑料地膜按照1m×1m大小裁剪，均匀的铺设于种植穴上，用土将薄膜四周和中央位置压实，以防漏气；(d)集水面硬化措施。将带状整地后带间的自然坡面拍光后用1-2cm厚的砂石混凝土进行硬化，硬化后坡度一致，使汇集的水进入带状整地后的土壤。以未作任何处理的自然坡地为对照，试验样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

1.3 测定项目和方法

1.3.1 降雨量观测

采用DSJ2型虹吸式自记雨量计测定降雨量，观测时间为2014-2016年。

1.3.2 土壤取样和含水率测定

于2014年10月至2015年9月每30d用人工土壤取样器分别采集0-10cm、10-30cm和30-50cm土层土样，降雨前后加测，重复3次，带回实验室在105℃烘箱中烘干，用重量百分数法计算含水率。

1.3.3 土壤容重测定

采用环刀法[5]。

1.3.4 土壤储水量计算

采用公式Q=d×h×c[6]计算土壤储水量，式中,Q为某土壤储水量(mm)；d为土壤容重(g/cm3)，h为土层深度(cm)，c为土壤重量含水量(%)。

1.4 数据处理

运用SPSS 17.0软件进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 2014-2016年的降雨特点

2014-2016年降雨量随雨季和旱季的转换而变化，且年度差异较大，总体趋势是“两头小，中间大”(图1)。从全年降雨量大小来看，2016年降雨量最多，达到717.5mm；2015年次之，达到694.1mm；2014年最少，仅有528.0mm，且少于多年平均降雨量614.0mm的观测值。从逐月降雨量大小来看，2014-2016年主要降雨量均集中在5月末到10月末这一阶段，降雨量分别为479.4mm、583.3mm和594.5mm，分别占全年降雨量的90.8%、84.0%和82.9%，从雨季降雨量所占的比例可以得知：元谋干热河谷区在雨季易形成大雨和暴雨。对实测的降雨量进行统计可知，2014年全年降雨78次，2015年全年降雨123次，2016年全年降雨164次，根据全国降水量等级划分标准对实测的降雨量等级进行划分，其中小雨次数占全部降雨次数的80.0%，中雨占14.2%，大雨占4.4%，暴雨占1.4%，而暴雨以上降雨未出现。说明元谋干热河谷的降雨绝大部分为小雨和中雨，发生大雨级别以上降雨的概率较小，仅在2016年的9月16日-20日出现过暴雨，降雨量达到126.0mm。对3年的全部降雨次数进行统计分析，降雨量小于5mm的次数占到总降雨次数的53.7%。

图1 2014-2016年降雨量变化趋势

元谋干热河谷旱季降雨量较少，但通过降雨量曲线可以发现，2015年1月份降雨量达到57.3mm，是2014年和2016年同期降雨量的6.3倍和15.5倍，主要是因为2015年1月份全省出现了降雨强度大、持续时间长的降雨过程。而2015年5月份降雨量仅有3.7mm，与2016年同期降雨量的61.7mm和2014年13.7mm相比，是同期降雨量最少的一年，造成当年造林季节较往年推迟60d以上。

2014-2016年，发生持续降雨的最大天数可以达到18-20d，但是绝大部分是小雨到中雨，且集中在6-8月的雨季，因此暴雨出现的机率较小。通过分析，在所有的中雨级降雨量中有72次降雨量达到10.0mm。根据刘芝芹[7]的研究结果，元谋干热河谷瞬时降雨强度小于10mm一般不会形成地表径流，即降雨不会造成水土流失，其中大部分降雨通过入渗方式进入土壤再次参与循环，所以元谋试验点能形成地表径流的降雨以中雨、大雨及暴雨为主。

2.2 不同集水保水措施对土壤储水量变化的影响

2.2.1 整地措施对土壤储水量变化的影响

林木根系垂直分布范围主要集中在0-50cm土层中[8]，尤其是在0-20cm土层内分布比例大[9]，因此，在林木根系生长范围内的土壤储水量是影响林木成活的重要因素。随着雨季和旱季的转换，全面整地、带状整地与自然坡地0-50cm土层土壤的储水量变化规律基本一致，呈“W”型波动(图2)。

图2 6种集水保水措施对土壤储水量的影响

通过对同期降雨量进行分析并与土壤储水量相比较可以发现，土壤储水量与降雨量变化趋势相一致，但是土壤储水量大小变化的拐点与降雨量之间有一定的滞后效应，因为雨水会缓慢向下渗透。从2014年10-12月，采用全面整地和带状整地措施后土壤的储水量总体呈下降趋势，而2015年1-2月，土壤储水量出现较大幅度的上升。土壤储水量均在3月份降到了全年最低值，分别为62.3mm和42.3mm，之后随着降雨量逐渐增多，相应地土壤储水量也开始缓慢增加。从2014年10月到2015年9月末这段时间来看，全面整地0-50cm土壤储水量远高于带状整地和自然坡地土壤储水量，其最大储水量出现在2014年10月份，达到114.08mm，最小储水量出现在3月份。在2014年10月到2015年4月的旱季期间，全面整地土壤储水量是自然坡地土壤储水量的1.78倍，带状整地土壤储水量是自然坡地土壤储水量的1.08倍，充分表明采用整地措施后，能极大地提高土壤储水量，特别是在旱季整地后土壤能比自然坡地土壤储存较多的水分，有利于林木的生长。方差分析结果表明，全面整地与带状整地和自然坡地后土壤储水量仅在2015年5月差异不显著(P>0.05)，而在其他月份均达到极显著水平(P<0.01)。

2.2.2 地膜覆盖措施对土壤储水量变化的影响

采用地膜覆盖措施后土壤储水量变化呈“M”型波动(图2)，2014年11月份0-50cm土壤储水量快速上升，达到了观测期内的最大值158.93mm；之后开始下降，到2015年5月降到最低109.99mm；此后，随着降雨量的逐渐增加，水分得到补充，土壤储水量又开始逐渐增加。采用地膜覆盖措施后土壤储水量大小与降雨量也会有一定的滞后性，但与全面整地、带状整地相比，储水量大小变化波动不是特别剧烈，主要原因是采用地膜覆盖减少了土壤水分的蒸发。从2014年10月到2015年4月末整个旱季期间，累计土壤储水量达到1 046.53mm，比全面整地措施、带状整地措施和自然坡地分别多333.03mm、572.38mm和615.08mm，是自然坡地土壤储水量的2.62倍。方差分析结果表明，采用地膜覆盖措施后土壤储水量与自然坡地土壤储水量相比，差异达极显著水平(P<0.01)。

2.2.3 集水面硬化处理措施的集水效果

对集水面进行硬化处理后可以影响坡面径流量，从而影响土壤含水量和储水量。对2015年7月到9月雨季期间采用集水面硬化处理措施后的降雨数据进行研究，根据实际测量的结果，集水面硬化后在降雨历时短，降雨强度达到0.3mm/min时，径流系数可以达到0.8，随着降雨强度增大，径流系数逐渐趋向于1.0，且集水区集水量与降雨量大小呈正比例关系，即降雨量越大，产流量就越大。研究结果表明，集水面硬化处理后在8月份储水量达到150.74mm，之后随着降雨量减少而开始下降(图2)。与自然坡地储水量变化相比，从2015年7-9月，储水量分别是同期自然坡地储水量的1.73倍、2.34倍和1.81倍，是0-50cm土层平均储水量的1.21倍。方差分析结果表明，采用集水面硬化处理措施后土壤储水量与自然坡地储水量差异达极显著水平(P<0.01)。

2.2.4 4种集水保水措施比较

通过研究表明，全面整地、带状整地、地膜覆盖和集水面硬化处理措施与自然坡地相比，均能提高土壤的储水能力和储水量。对4种集水保水措施的土壤储水量进行比较，方差分析结果表明，集水面硬化处理措施和地膜覆盖措施的储水量与全面整地和带状整地的差异分别达显著水平(0.01

3 结论与讨论

土壤的保水性与土壤容重、土壤孔隙度等因素密切相关，因此，在降水量相同的条件下，通过改变下垫面的条件即可改变土壤的结构和理化性质，从而影响土壤储水量。本研究中全面整地、带状整地、地膜覆盖和集水面硬化措施都能提高干热河谷林地土壤的储水量，主要是因为整地和集水面硬化措施均能改变土壤结构，地膜覆盖减少了土壤水分蒸发，从而改变了林地土壤水分状况，提高了土壤含水率。

(1)元谋干热河谷雨季降雨量占全年降雨量的84%以上，主要以小雨和中雨为主，发生暴雨级别以上降雨的概率不到2%，降雨量是土壤储水量的决定性因素。

(2)全面整地、带状整地、地膜覆盖和集水面硬化措施都能显著提高0-50cm土壤储水量，特别是在旱季储水效果明显。从2014年10月到2015年4月末，采用地膜覆盖、全面整地和带状整地措施后土壤储水量分别是自然坡地的2.62倍、1.78倍和1.08倍；而2015年7月到9月，采用集水面硬化后土壤储水量分别是自然坡地的1.21倍，储水效果明显。

(3)在大范围的造林实践中，建议选择带状整地措施和地膜覆盖措施来提高土壤的储水量，在局部地段可以采用集水面硬化措施来提高土壤储水量。

本研究结果与一些学者的研究结果较一致，李艳梅等[10]对元谋干热河谷的微地形改造后，土壤水分在土壤中停留的时间增加，有利于植物的吸收利用，明显改善了土壤水分环境。王晶等[11]研究发现微地形土壤水分的季节变化滞后于降雨的季节变化，其对土壤含水量的影响旱季大于雨季。漆喜林等[12]的研究表明，采用鱼鳞坑整地可显著提高土壤含水率和土壤储水量。陈林等[13]对半干旱地区采用地膜覆盖处理后土壤含水率的研究表明，地膜覆盖处理明显改善0-40cm土层土壤体积含水率。Zhou等[14]的研究也表明地膜覆盖显著改变了土壤水分运移方式，切断了土壤水分的垂直蒸发，减少了水分的损失，从而达到了蓄水保墒的目的。郭利平等[15]采用不同的水保措施对塘背小流域典型林地植被恢复状况的研究表明，水保工程措施能够加速水土流失区的生态植被恢复。

降水是元谋金沙江干热河谷林地水资源的主要来源，也是决定土壤储水量的关键因素，4种不同的集水保水措施下土壤储水量与降雨量的变化规律基本一致，降雨量多，土壤储水量大。2015年1月由于试验点受大范围极端天气影响，出现了强度大、持续时间长的降雨过程，所以不同措施下土壤储水量也有所上升。在4种不同措施中，集水面硬化处理后对地表径流的蓄积量最大，土壤的含水率高，储水量也相应地较高。侯贵荣等[16]对北京山区林地土壤水分变化特征研究表明，栓皮栎林地和油松林地日平均土壤储水量随降雨量显著变化，月平均土壤储水量随降雨量的增加呈上升趋势。但是全面整地、带状整地和自然坡地土壤储水量的波动较大，说明除降雨量影响土壤储水量外，还受到蒸发量、土壤结构、植被覆盖、风速和雨强等因素影响[17-19]，所以储水量峰值与降雨量之间还存在滞后效应，下一步还需对影响土壤储水量的因素作深入细致的研究。