石漠化治理区不同植被类型浅层土壤水分对降雨的响应

景建生，刘子琦，李 渊，王 进，罗 鼎，蔡路路

(贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵阳 550001)

0 引 言

【研究意义】中国西南喀斯特地区是世界上岩溶连片分布最广的地区，面积约为55 万km2，其中石漠化面积达9.2 万km2[1-2]。在石漠化发育程度较高的地区，浅薄的土层和特殊的水文、地质结构使得水土流失严重、土壤贮水能力较低、土壤水分缺乏，水资源成为维持地区植物生命活动和生态系统服务的重要限制因子[3-4]。研究[5-6]表明，土壤水分影响着渗透、径流、蒸散发等水文过程，也对能量交换、溶质转移产生重要的影响。而作为植物生命活动重要水分来源的浅层土壤水分，受降雨以及蒸散发影响较大[7]。且植被覆盖条件较好时，地表径流减少，延缓洪水过程，土壤吸收水分能力提高，土壤水分也会相应增加[8]。因此，通过土壤水分这一关键环节认识石漠化治理区土壤水分对降雨的响应特征及植被对土壤水分的影响，能够为该地区作物灌溉及生态恢复工作提供重要的理论与现实指导意义。【研究进展】关于土壤水分的研究主要集中于时空异质性[9-11]、入渗特征及影响因素[12-14]、时空变化特征[15-17]、土壤水分对降雨的响应[18-20]等方面。如胡家帅等[21]分析了不同滴灌方式与滴灌量对枣树土壤水分的影响。王云强等[22]通过对比次降雨后不同时段土壤水分和土壤体积质量，分析了其空间变异特征及相关性。张继光等[23]研究了表层土壤水分的空间结构以及季节变化特征。也有研究[24]总结说明地表结皮、土壤初始含水率、土壤体积质量、机械组成、结构、有机质量、温度、钠离子量、土壤剖面特征对土壤水分入渗过程影响机制。从研究区域分析，土壤水分研究主要集中于黄土丘陵区、干旱半干旱区以及红壤丘陵区。如马婧怡等[19]通过监测黄土丘陵区6 种土地利用方式0～300 cm 土层土壤含水量，分析其垂直剖面分布特征。高红贝等[20]研究干旱区降雨前后不同土地利用方式下土壤水分的动态变化特征，表明：降雨强度、降雨历时、土地利用方式以及土壤结构是影响土壤水分变化的重要因素。殷建华[25]利用小雨、中雨、大雨事件从降雨量、降雨强度方面分析南方红壤丘陵区不同植被类型土壤水分随土层深度的变化特征。在中国西南喀斯特地区，近些年对土壤水分研究也得到了发展。有研究[26]基于标准差与变异系数2 个指标对土壤水分垂直变化进行分层，说明土地利用类型以及土层深度对土壤水分变化的影响。郭小娇等[27]通过研究典型岩溶石山山坡地区雨季、雨季转旱季、旱季3 个时段内典型降雨事件，分析了土壤剖面水分对降雨的响应过程。【创新点】本文针对目前喀斯特石漠化治理区植被土壤水分变化特征及其对降雨的吸收利用效率研究相对缺乏等现状，利用不同量级降雨事件及相关补给特征指标，充分考虑植被、降雨、土壤水分三者的相互作用关系，分析植被浅层土壤水分变化特征。【拟解决的关键问题】选择喀斯特石漠化治理区4 种植被样地为研究对象，对浅层土壤剖面水分和降雨量进行连续监测，从土壤性质、降雨特征、植被形态入手分析，以阐明不同量级降雨事件对植被浅层土壤水分的补给特征，以期能够对石漠化治理区土壤水分运移规律进行深入了解，并对该地区植被灌溉及生态恢复工作的开展提供科学指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

花江小流域位于贵州省西南部，关岭县与贞丰县交接处的北盘江河段峡谷两岸，东经105°36′30″―105°46′30″，北纬25°39′13″―25°41′00″，总面积为47.91 km2。该流域地属亚热带地热河谷气候，其年均降雨量约为1 100 mm，年平均气温为18.4 ℃，降雨年内分配不均匀，其中5―10 月为丰水期，降雨量可占全年总降雨量的83%，11 月到翌年的4 月为枯水期，降雨量约为全年的17%。研究区内植被以次生林为主，人工经济林主要为花椒（Zanthoxylum bungeanum）、火龙果（Hylocereus undulatus）、金银花（Lonicera japonica），土壤属于黑色石灰土或黄色石灰土。地区低植被覆盖率导致石漠化严重，从整体上讲属于中强度石漠化，影响该地区植被生长、生态恢复和经济发展。本文土壤水分监测地点选择当地典型的花椒地、金银花地、火龙果地与荒地（下文图表中分别用HJ、JYH、HLG、HD 代表），植被覆盖度分别为45%、70%、40%，荒地主要为多年生草本。4 个样地土壤均属于石灰土，样地基本信息见表1。

1.2 试验设计

于2018 年5 月中旬在花椒地、金银花地、火龙果地、荒地分别安装5TE 土壤水分传感器（美国Decagon 公司）（精度：0.03 m3/m3），传感器埋设于土壤剖面的10、25 cm 深度，保证上层传感器探头附近10 cm 范围内、下层传感器探头附近25 cm 范围内无较粗树根分布，监测各样地浅层（10、25 cm）土壤含水率。利用EM50 数据采集器（美国Decagon 公司）采集数据，以10 min 记录1 次数据的频率采集土壤含水率，本文所用土壤含水率数据为2018 年6—10 月。距样地空旷处安装ECRN-100 高精度降雨量传感器（美国Decagon 公司）（精度：0.2 mm），可对研究区内降雨量等气象要素进行长期监测，选用降雨数据为2018 年6—10 月。依据我国气象部门划分降雨量级：小雨为24 h 降雨量<10 mm，中雨为24 h降雨量10～25 mm，大雨为24 h 降雨量25～50 mm，暴雨为24 h 降雨量>50 mm。本文对所选取的4 次降雨事件进行统计，降雨特征见表2。

表1 样地基本信息 Table 1 Basic information of the sample plots

表2 降雨特征 Table 2 Characteristics of rainfall

1.3 数据处理与分析

本研究在降雨量和土壤水分连续监测的基础上，依据相关补给特征指标计算公式[28]，统计降雨过程中土壤储水量、土壤水分补给量、滞后时间以及有效补给速率、效率，结合标准差、变异系数综合分析4 种植被0～10、10～25 cm 土层土壤水分对降雨的响应过程和利用效率。数据处理与统计分析使用Excel 2010与Origin Pro 2018 完成。

1）土壤储水量计算式为：

式中：SW 为0～25 cm 土层土壤储水量（mm）；θi为土壤水分探头测得对应土层土壤体积含水率（cm3/cm3）；di为对应土层深度（mm），本文中上、下土层深度各为100、150 mm。

2）土壤水分补给量计算式为：

式中：∆SW 为降雨对0～25 cm 土层土壤水分的补给量（mm）；SWmax为降雨后0～25 cm 土层土壤储水量最大值（mm）；SW0为降雨前0～25 cm 土层土壤储水量初始值（mm）。

3）土壤水分有效补给滞后时间计算式为：

式中：∆t1为降雨后25 cm 土层观测到水分补给的滞后时间（h）；t1为25 cm 土层观测到土壤水分开始增加的时间（h）；t0为降雨开始的时间（h）。

4）土壤水分有效补给速率计算式为：

式中：V 为土壤水分有效补给速率（mm/h）；tmax为0～25 cm 土层土壤储水量达到最大值的时间（h）；t1为25 cm 土层观测到土壤水分开始增加的时间（h）。

5）土壤水分有效补给效率计算式为：

式中：R 为降雨对土壤水分有效补给效率（%）；P 为降雨量（mm）。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率与降雨量动态变化特征

表3 为研究区4 种植被类型浅层土壤含水率变化特征。由表3 可知，4 种植被浅层土壤含水率差异较为明显，火龙果地平均土壤含水率最高（32.76%，40.55%），花椒地平均土壤含水率最低（18.48%，25.29%）。火龙果地土壤含水率变异系数最小（3.20%，2.35%），荒地，花椒地土壤含水率则存在较大的波动，其中荒地上、下土层变异系数分别为17.97%、17.57%，花椒地上层变异系数为19.61%，下层为14.39%。火龙果地较高的浅层土壤含水率以及较小的变异系数表明其土壤水分在雨季变化不大，受降雨及蒸散发影响较小，浅层土壤具有较好的保水、储水性能。荒地、花椒地平均土壤含水率相对较低，变异系数较大，说明2 个样地浅层土壤水分受降雨以及其他因素影响大，时间稳定性小。

表3 土壤含水率变化特征 Table 3 Variation characteristics of soil moisture content

图1 为研究期内降雨量与4 种植被浅层土壤含水率变化趋势图。由图1 可知，在2018 年6—10 月之间，降雨在时间分配上不均匀，期间共发生62 次不同强度的降雨事件，总降雨量为1 019.2 mm，但主要集中在6 月（376.2 mm）、8 月（350.2 mm）和9 月（146.8 mm），3 个月各占期间总降雨量的36.91%、34.36%和14.40%，整体上呈现出3 个峰值。降雨量的增加会引起土壤含水率的增加，因此随着每次降雨事件的发生，不同植被类型浅层土壤含水率也随之发生不同程度的上升，总体呈现与降雨变化趋势相对应的3 个峰值。9 月下旬以后，受降水量减少、水分下渗和蒸发等因素的影响土壤水分开始回落。

2.2 不同植被类型浅层土壤含水率对小雨的响应

图2、图3 分别为4 种植被0～10、10～25 cm 土层土壤含水率与降雨的响应关系，结合表2、图2（a）、图3（a）可知，小雨降雨历时2 h，总降雨量为8.60 mm，平均降雨强度为4.30 mm/h。雨前，不同植被类型0～10 cm 土层初始含水率由高到低依次为：火龙果地、荒地、金银花地、花椒地；10～25 cm 土层依次为：火龙果地、金银花地、荒地、花椒地。火龙果地浅层土壤初始含水率最大，花椒地浅层土壤初始含水率最小。降雨开始0～1 h，降雨强度为7.00 mm/h，火龙果地的土壤含水率发生显著的变化，而其他3 个样地土壤含水率无显著变化。1～2 h，降雨量与降雨强度均减小，降雨强度为1.60 mm/h，火龙果地浅层土壤含水率逐渐减小，花椒地、金银花地以及荒地浅层土壤含水率变化仍不明显。综合来讲，本次小雨事件中火龙果地上、下土层土壤含水率增长率分别为11.08%、12.85%，响应时间分别滞后10、20 min，符合随土层深度增加，土壤含水率对降雨响应时间变慢的规律，而其余3 个样地浅层土壤含水率均未对小雨作出响应。

图1 土壤含水率与降雨量 Fig.1 Soil moisture content and rainfall

2.3 不同植被类型浅层土壤含水率对中雨的响应

图2（b）、图3（b）为中雨条件下4 种植被类型浅层土壤含水率的变化特征。由图2（b）、图3（b）可知，雨前0～10 cm 土层土壤初始含水率表现为：火龙果地>荒地>金银花地>花椒地；10～25 cm 土层土壤初始含水率表现为：火龙果地>金银花地>荒地>花椒地。第一次降雨历时3 h，总降雨量为16.40 mm，平均降雨强度为5.47 mm/h，各植被类型0～10 cm 土层土壤含水率均对本次降雨有所响应，而10～25 cm 土层土壤含水率仅金银花地、火龙果地出现变化。降雨开始0～1 h，降雨强度较小，4 个样地0～10 cm 土层土壤含水率无明显变化。1～2 h 降雨强度增加到9.60 mm/h，金银花地、火龙果地0～10 cm 土层土壤含水率增加明显，增长率为金银花地（17.73%）>火龙果地（2.36%），花椒地与荒地仍无显著变化。2～3 h 降雨强度为2.80 mm/h，金银花地0～10 cm 土层土壤含水率有所下降，其他样地0～10 cm 土层土壤含水率均增加，增长率为花椒地（18.54%）>荒地（6.51%）>火龙果地（0.75%）。第1 次降雨结束后到第2 次降雨开始之间，花椒地与荒地0～10 cm 土层土壤含水率在不断增加且荒地土壤含水率持续上升，金银花地与火龙果地则呈缓慢下降趋势。第2 次降雨期间，荒地0～10 cm 土层土壤含水率迅速增加，其他3 种样地土壤含水率变化不明显。花椒地10～25 cm 土层土壤含水率迅速增加，其余3 种样地土壤含水率均呈缓慢下降趋势。

从土壤含水率对降雨响应时间方面讲，本次降雨事件中，火龙果地、金银花地、荒地、花椒地0～10 cm 土层土壤含水率对降雨的响应时间分别滞后20 min、60 min、70 min、100 min。荒地10～25 cm 土层土壤含水率未对降雨产生明显响应，火龙果地、金银花地、花椒地则分别滞后80 min、140 min、540 min。

2.4 不同植被类型浅层土壤含水率对大雨的响应

图2（c）、图3（c）表示大雨条件下植被浅层土壤含水率的变化趋势。由图2（c）、图3（c）可看出，雨前0～10、10～25 cm 土层土壤初始含水率均为火龙果地>荒地>金银花地>花椒地。降雨2～3 h，降雨强度增加到15.00 mm/h，花椒地、金银花地0～10 cm 土层土壤含水率迅速上升并达到最大值，而火龙果地与荒地0～10 cm 土层土壤含水率分别在降雨开始后6～7 h增加到最大值，而后不断降低。4 种植被类型10～25 cm 土层土壤含水率均在降雨发生后6～7 h 内达到最大值，其后随着降雨强度的减小而逐渐降低。

4 种植被0～10 cm 土层土壤含水率增长率为荒地最大（23.47%），其次是花椒地（22.42%）、金银花地（18.66%），最后为火龙果地（9.95%）。10～25 cm 土层土壤含水率增长率为荒地（57.45%）>金银花地（26.64%）>花椒地（19.11%）>火龙果地（5.82%）。本次大雨量降雨事件中，金银花地、花椒地浅层土壤含水率对降雨响应时间较快，且增长率较大，表明2个样地土壤水分受大雨影响较为明显。

2.5 不同植被类型浅层土壤含水率对暴雨的响应

图2（d）、图3（d）为暴雨条件下4 种植被类型浅层土壤含水率的变化特征。本次降雨总历时15 h，平均降雨强度为8.33 mm/h。由图2（d）、图3（d）得知，降雨期间，降雨量整体呈现2 个峰值，浅层土壤含水率大体也呈现与降雨量相对应的2 个峰值。0～2 h 降雨强度增加到35.80 mm/h，4 种植被0～10 cm土层土壤含水率开始出现第1 个峰值，并在降雨开始7～8 h 降雨强度再次增加时出现第2 个峰值，其中火龙果地土壤含水率在降雨开始后1～2 h 达到最大值，花椒地、荒地土壤含水率在降雨开始2～3 h 后达到最大值，金银花地则在降雨开始3～4 h 达到最大值。10～25 cm 土层金银花地土壤含水率受降雨影响不明显，花椒地、荒地土壤含水率在降雨发生时开始增加，而后在整个降雨过程中土壤含水率趋于稳定，可能由于前期降雨量大，上层水分下渗使得该层土壤水分达到饱和，出现“平台期”[27]。火龙果地上、下土层土壤含水率变化趋势较为一致，下层变化幅度较上层小，说明下层土壤含水率受上层影响，但影响较小。金银花地、花椒地、荒地0～10 cm 土层土壤含水率分别在降雨发生第5 h、第6 h、第7 h 迅速下降，而对应10～25 cm 土层土壤含水率则未发生相应变化，可能由于土壤水分存在侧向入渗现象[29]，且喀斯特石漠化地区岩石裸露率高、地下孔（裂）隙发育，当下层土壤水分达到饱和时，上层土壤水分容易通过侧向孔（裂）隙入渗。

本次降雨过程中0～10 cm 土层土壤含水率增长率为花椒地（179.66%）>金银花地（84.12%）>荒地（74.93%）>火龙果地（25.90%）。10～25 cm 土层土壤含水率增长率为花椒地（74.24%）>荒地（44.79%）>火龙果地（9.97%）>金银花地（6.06%）。综合来看，在暴雨条件下，4 个样地浅层土壤含水率对降雨的响应时间无显著差异，但花椒地、荒地、金银花地浅层土壤含水率增长率大于火龙果地，说明花椒地、荒地、金银花地浅层土壤水分受暴雨影响较大。

图2 0～10 cm 土层土壤含水率对降雨的响应 Fig.2 Response of the layer 0～10 cm of soil moisture content to rainfall

2.6 降雨对植被浅层土壤水分的补给特征

图4 为降雨对不同植被浅层土壤水分的补给特征。从图4 可以看出，4 种植被浅层土壤水分开始有效补给的平均滞后时间依次为荒地（0.3 h）、火龙果地（0.5 h）、花椒地（0.9 h）、金银花地（3.0 h），金银花地浅层土壤水分平均滞后时间最长且时间差异最大，表明其浅层土壤水分对降雨的响应时间受降雨量级影响较大，而荒地、火龙果地湿润锋到达25 cm 土层的时间差异较小，浅层土壤水分对降雨的响应时间受降雨量级影响较小。土壤水分有效补给速率在一定程度上能够表示土壤水分在土壤剖面中运移的速度。本研究中平均土壤水分补给速率为火龙果地最大（11.56 mm/h），其次为花椒地（4.82 mm/h）、金银花地（2.84 mm/h）、最后为荒地（2.27 mm/h），表明火龙果地土壤水分在垂直剖面中入渗最快，但也受降雨特征影响较大，而荒地入渗最慢，受降雨影响较小。此外，结合平均土壤水分补给效率（火龙果地、荒地、花椒地、金银花地分别为64.87%、38.16%、31.94%、29.23%）可知，火龙果地浅层土壤能够有效吸收利用大部分降雨，花椒地、金银花地浅层土壤对降雨利用效率低。

图3 10～25 cm 土层土壤含水率对降雨的响应 Fig.3 Response of the layer10～25 cm of soil moisture content to rainfall

图4 降雨对不同植被类型浅层土壤水分的补给特征比较 Fig.4 Comparison of rainfall replenishment efficiency of shallow soil moisture for different vegetation types

3 讨 论

土壤水分动态变化特征受土壤性质影响。土壤体积质量越小，单位体积土壤含水率越大，土壤水分调蓄能力也越强，变动幅度一般较大，同时，土壤孔隙的发育程度越高，土壤含水率的变异系数越小[30-32]。火龙果地浅层土壤体积质量最大，孔隙发育程度低于其他3 种植被，而荒地则相反。因此，火龙果地浅层土壤含水率变异系数最小，在降雨过程中水分入渗缓慢，易产生水土流失。而荒地、花椒地土壤含水率波动较大，降雨发生时水分可以通过优先流的形式入渗，减少水土流失。

监测期4 次降雨事件的降雨特征变化与不同植被浅层土壤含水率变化具有较一致的趋势，可见降雨特征是影响降雨对土壤水分补给的重要因素。随降雨量级增大，降雨对土壤水分的贡献率越大，土壤含水率增长率和持续时间均增加[27]。本研究所选取4 次降雨事件降雨量有明显差异，浅层土壤含水率在大雨和暴雨事件中增长率较大，滞后时间缩短，而在小雨和中雨事件中变化趋势微弱。4 次降雨事件平均降雨强度差别较小，但在相同降雨条件下，不同植被浅层土壤含水率变化趋势不同，且同一种植被浅层土壤含水率在一次降雨过程也有所差别，表明降雨历时和降雨强度都会影响土壤水分变化，这与相关研究[33]结果一致。

降雨对土壤水分的补给受地表植被类型的影响，不同植株形态使得浅层土壤水分表现出不同的补给特征[28]。比较4 次降雨事件对不同植被浅层土壤水分的补给特征得知：受植株形态的影响，荒地与火龙果地土壤水分容易得到有效补给，金银花地与花椒地补给效率较低。较高的覆盖度与较大的冠幅容易对降雨产生截留作用，降雨需要经过林冠、树干等到达地面，导致土壤水分响应时间相对滞后，同时，覆盖度和冠层的大小影响穿透雨量、树干径流量，在相同的降雨条件下，较大的覆盖度和冠层对降雨的再分配能力更强，一部分雨水降落到叶片上被蒸发很难穿过冠层经树干径流到达地表[28]。研究期内金银花地、花椒地、火龙果地植被覆盖度分别为70%、45%、40%，而荒地为天然荒草，植株形态较矮小，降雨完全浸润植株叶片后能迅速沿叶片降落到地表，对土壤水分进行补给。因此，本研究中4 种植被对降雨响应的滞后时间从大到小依次为：金银花地、花椒地、火龙果地、荒地。土壤水分有效补给效率从高到低依次为：火龙果地、荒地、花椒地、金银花地。

4 结 论

1）研究期植被浅层土壤含水率变化趋势与降雨变化趋势具有一定规律，6、8、9 月降雨量较多，同时也是浅层土壤水分受到降雨补给的峰值期；火龙果地平均土壤含水率最高，其次为荒地、金银花地、花椒地；火龙果地土壤含水率变异系数最小，荒地最大。

2）不同量级降雨事件中，小雨量降雨事件对植被土壤水分贡献最小，仅火龙果地增长11.97%。随着降雨量级增大，4 种植被土壤水分对降雨响应效果均得到优化，其中火龙果地浅层土壤含水率增长率为（7.89%～17.94%），其次为金银花地（0～45.09%）、荒地（0～59.86%）、花椒地（0～126.95%）。

3）降雨对植被浅层土壤水分的补给差异明显。不同植被浅层土壤水分对降雨响应时间随降雨量级有所差别，大雨量、暴雨量条件下响应快于小、中雨量，0～10 cm 土层优于10～25 cm 土层。同时受植被类型等影响，4 种植被浅层土壤水分平均滞后时间为荒地0.3 h、火龙果地0.5 h、花椒地0.9 h、金银花地3.0 h；有效补给效率为火龙果地（64.87%）>荒地（38.16%）>花椒地（31.94%）>金银花地（29.23%）。

4）火龙果地土壤具有较好的保水、储水性能，对降雨利用效率高且土壤水分受降雨量级影响小，可在丰水期适当减少人为灌溉，增加地表覆盖以减轻水土流失；金银花地、花椒地虽随降雨量级增大，土壤水分入渗量大，但对降雨利用效率低，可采取相应保墒措施提高土壤对降雨的利用效率且在雨量较小时增加灌溉，提高入渗量。