湿润喀斯特地区冬季灌丛土壤水分对降雨的响应

2021-02-14王亚琳周秋文谢雪梅严卫红彭大为韦小茶袁二双

水资源与水工程学报 2021年6期

王亚琳，周秋文，谢雪梅，严卫红，彭大为，韦小茶，唐欣，袁二双

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550025； 2.贵州交通职业技术学院，贵州贵阳 550001)

1 研究背景

土壤水分是全球范围内陆地表面物理过程中的重要影响因子，是了解不同时空尺度下自然界水文过程的一个关键因素，是制约植被生存和发展的重要因子[1-3]。大气降雨作为植被生长发育过程中土壤水分补给的重要来源，降雨入渗决定着土壤水分的分布特征，影响植被的生长情况和稳定性[4]，从而对生态系统产生深刻影响。因此加强土壤水分对降雨响应关系的研究是十分重要的。

关于土壤水分对降雨的响应，已有学者做了大量的研究。在我国西北干旱地区，研究表明，降雨量对土壤水分入渗、补给有显著影响，且表层初始含水量较高时，降雨入渗快、历时时间短、补给作用大[1, 4-10]。在半湿润的黄土高原地区，表层土壤水分的变化，与多年平均降雨量、潜在蒸散量、土壤质地等的分布具有一致性[11-18]，且受雨季和雨季前一个月降雨量的影响[19-21]。虽然学者们对以上不同气候区土壤水分对降雨的响应已开展了细致的研究，但湿润喀斯特地区因其特殊的地质和气候环境，易形成季风气候条件下独特的岩溶干旱现象和地表地下二元水文结构, 水文过程与其它地区存在明显的差异[22-24]，以上规律不一定与之相适用。

目前，关于湿润喀斯特地区土壤水分对降雨响应的研究已取得重大进展。不同植被类型下，降雨量的大小对植被浅层土壤水分的补给差异明显，植被覆盖度、土壤前期贮水量等因素，影响降雨对土壤水分的补给量和剖面分配[25-28]；不同土地利用方式下，土壤水分的变化受降水量、植被覆盖度、植被类型和土壤蒸发的影响而具有显著差异[20,29-30]。尽管许多学者对湿润喀斯特地区土壤水分对降雨的响应开展了研究，但所进行的研究多集中于雨季(夏季)，所得研究结果不能代表湿润喀斯特地区冬季土壤水分对降雨响应的情况。湿润喀斯特地区冬季降雨虽然少，但仍对植被生长和地表水文过程有着重要影响。一方面，受冬、夏季风的交替控制，季节性降雨不均，旱雨两季明显，冬季为旱季，降雨少，但平均气温在0 ℃以上，部分植被仍在生长，需要一定的水分支撑，所以冬季土壤水分状况仍然影响植被生长、恢复和生态重建。另一方面，水循环作为生态系统的重要组成部分，水以溶液的形式向植物输送着养分，是植物生命活动的重要水分来源[31-32]。冬季降水虽然较少，但土壤水分变化仍然是地表水文过程的重要环节，在冬季枯水季节土壤调蓄水分，为植物输送水分的能力显得更为重要。因此，充分认识和掌握湿润喀斯特地区冬季土壤水分对降雨响应的规律是一个急需回答的问题。

本文拟基于逐日记录的灌丛土壤水分和日降雨量数据，分析湿润喀斯特地区冬季土壤水分对降雨的响应过程，揭示冬季灌丛土壤水分的动态变化规律，旨在为湿润喀斯特地区生态系统的植被恢复和生态重建提供参考依据。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区概况

实验样地位于贵州省安顺市关岭县东南处，距县城约40 km，地理位置为105°43′E，25°44′N。境内西北高、东南低，地势起伏大，地貌复杂多样，石灰岩广布，岩溶发育成熟，植被覆盖度低。该地区气候类型为亚热带季风性湿润气候，四季分明，热量充足，雨热同期，常年平均气温为16.2 ℃，平均日照时间为1 090.8～1 436.8 h，无霜期长。年降雨量为1 205.1～1 656.8 mm，但降雨季节分配不均，夏季降雨集中，约占全年降雨的52%～55%，冬季降雨约占3%～5%。土壤类型以石灰土为主。自然植被以常绿阔叶林、低矮灌木等林、灌、草为主。

在观测期内，共记录降雨14次，总降雨量为68.41 mm，单次最大降雨量为27 mm，最小降雨量为0.07 mm。小于6 mm的降雨次数最多，观测期内共发生12次，占总降雨次数的 85.71%，累计降雨量为 20.66 mm，占总降雨量的 30.20%; 大于6 mm的降雨次数共2 次，占总降雨次数的14.29%，累计降雨量为47.75 mm，占总降雨量的69.80%。从降雨强度看，最大降雨强度为0.78 mm/h，最小降雨强度为0.11 mm/h，均处于小雨级别。冬季降雨整体表现出降雨量少，降雨强度小，差异大的特征。

2.2 实验样地设置

在研究区中随机选取5个灌丛样地(记为灌丛1～灌丛5)，每个样地大小为5 m×5 m，样地间距约20 m。样地位于同一坡面，海拔约700 m，坡向为东北，坡度约为30°。在灌丛样地采用HOBO H21_USB土壤水分监测系统，自上而下依次安装土壤水分传感器，安放深度分别为5、10、15、20 cm，数据采集频率为10 min/次。监测时间为2019年11月5日至2020年1月6日。因试验区灌丛样地土层浅薄，为获取准确的数据，土壤剖面水分监测最深设置为20 cm。降雨数据采用HOBO RG3_M自记式雨量计观测，降雨观测时间为2019年11月5日至2020年1月6日。灌丛样地植被物种主要有古钩藤(CryptolepisbuchananiiRoem. Et Schult.)、灰毛浆果楝(Cipadessacinerascens(Pellegr.) Hand.-Mazz.)、山合欢(Albiziakalkora(Roxb.) Prain)、肾蕨(Nephrolepisauriculata(Linn.) Trimen)、野桐(Mallotusjaponicasvar.floccosus(Muell. Arg.) S. M. Hwang)等，监测期植被覆盖度约为60%，植被平均高度3.4 m。土壤类型为石灰土，土壤质地为粉砂质壤土，土壤容重为1.11 g/cm，有机质含量为68.15 g/kg。

2.3 数据处理

利用试验区安装的HOBO RG3-M自记式雨量计记录的降雨数据，分析试验区的降雨变化特征。采用HOBO H21-USB土壤水分监测系统监测记录土壤水分变化。通过Excel和Origin对相关数据进行处理分析和制图。

3 结果与分析

3.1 冬季灌丛土壤水分动态变化特征

图1为实验样地不同深度土壤含水率随时间变化特征。由图1可以看出，在观测期内，研究区的灌丛土壤水分变化总体呈现出先下降再骤升，再缓慢下降再骤升的变化趋势。从不同深度土壤水分变化程度看，5和10 cm土层的土壤水分变化波动最大，15和20 cm土层的土壤水分变化较平稳。依据降雨量和土壤水分变化趋势可以将土壤水分变化划分为3个阶段：①土壤水分消退期(11月10日-11月27日、12月5日-12月20日)，11月10日-11月27日随着冬季风的加强，降雨量逐渐减少，加之植被生长吸收，促使土壤水分减少，表层(0～10 cm)土壤水分下降变化最大，10～15 cm土层的变化次之，15～20 cm土层的变化最小。土壤含水率由最初的28.50%～31.58%减小到24.33%～28.85%。土壤水分在经历短暂的上升后，12月5日-12月20日期间缓慢减小，随降雨的减少，呈现出一定的波动。0～10 cm表层的土壤水分减小明显，10～20 cm土层的土壤水分波动微弱。②土壤水分上升期(11月27日-12月10日、次年1月3日-5日)，11月27日以后降雨场次、降雨量、降雨时间增加，在连续降雨的影响下，不同深度的土壤含水量都表现出骤升的变化特点，由于表层(0～10 cm)土壤水分下渗快，在短时间内迅速升至 30%～34%，而后随降雨量的减少和土壤蒸发、植物蒸腾，逐渐降至25%～30%；10～20 cm 土层的土壤水分下渗缓慢，波动起伏相对较小，较长时间维持在26%～30%左右。次年1月3日至5日由于长时间的持续性降雨，降雨量出现最大值，土壤水分也呈现脉冲式上升，并整体高于观测前期时的土壤水分。③土壤水分平稳期(12月10日-次年1月3日)，在这期间土壤水分的变化整体表现平稳，且整体高于前期。因此可以分析得出湿润喀斯特地区冬季灌丛土壤水分动态变化呈现冬初消退，冬中随降雨量激增短暂急升，冬季平稳低墒的特征。

图1 灌丛样地不同深度土壤含水率变化特征

图2为所选取的5个灌丛样地不同深度土壤含水率动态变化箱型图。由图2可以得出，每个灌丛样地的土壤水分变化差异显著，不同土壤深度也有较大变化。5个灌丛样地中除灌丛3样地表现为正态分布外，其余样地不同深度的土壤水分表现出右偏态现象，多个深度出现异常值，这可能是由每个样地所处的小生境、微地形和地表枯落物等造成的。

图2 各灌丛样地不同深度土壤含水率动态变化箱型图

3.2 冬季不同降雨量下不同土层深度水分变化特征

依据降雨量大小和对土壤水分是否有响应，从14次降雨中选取了3.21、5.80、20.75、27.00 mm共4场降雨对不同深度土壤水分变化特征进行探究，图3为不同降雨量前后各土层水分变化特征。由图3可知，降雨量为3.21 mm时，对土壤水分的变化没有产生影响，降雨前后除15 cm土层的土壤水分略有下降，其余各土层的土壤水分依旧未变；降雨量为5.80 mm时，土壤水分不升反而减小，0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4个土层的土壤水分分别减少了0.20%、0.34%、0.28%、0.17%，变化幅度微小；降雨量为20.75 mm时，4个土层的土壤水分都对降雨产生响应，0～10 cm土层的土壤水分变化最为明显，10～15 cm次之，15～20 cm最小，0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4个土层土壤含水率分别增加9%、5%、3%、1%。

图3 不同降雨量前后各土层水分变化特征

降雨量为27 mm时，土壤水分对降雨的响应也明显变化，4个土层土壤水分变化显著，0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4个土层的土壤水分由27%、26%、29%、30%增加到33%、31%、32%、32%，分别增大了6%、5%、 3%、2% ，相比降雨量为20.75 mm时，0～5 cm土层的土壤水分减少，5～10 cm土层的土壤水分变化微小，10～20 cm的土壤水分上升。

3.3 冬季不同土壤深度对不同降雨量的响应时间

表1为不同土壤深度对不同降雨量的响应时间。由表1可看出，不同土壤深度对不同降雨量的响应时间存在显著差异。降雨量为3.21和5.80 mm时，虽然产生降雨，但降雨量小，时间长，4个土壤深度的土壤水分并未对降雨产生响应；降雨量为20.75 mm时，4个不同土壤深度对降雨量的响应时间分别为1.6、9.3、14.3、27.8 h，响应时间随深度逐渐增加。降雨量的增加使土壤水分对降雨的响应时间变短。当降雨量为27.00 mm时，除5 cm土壤深度的降雨响应时间为0.50 h外，其余土壤深度的土壤水分对降雨时间均为0.83 h。综上结果分析，不同降雨量下，不同深度的土壤水分对降雨的响应时间和速率存在显著差异。当降雨量未达到土壤水分响应的阈值时，不同土壤深度的土壤水分对降雨没有产生响应。当降雨量超过土壤水分响应的阈值时，降雨量越大，不同土壤深度的土壤水分对降雨的响应时间也越快，且表层土壤水分响应时间快于底层。

表1 不同土壤深度对不同降雨量的响应时间 h

4 讨论

4.1 不同降雨量对湿润喀斯特地区冬季灌丛土壤水分的影响

相关学者的研究结果表明，湿润喀斯特地区夏季土壤水分与降雨量的变化具有相关性，土壤水分随有效降雨量的增大而增加[33-34]。在变化趋势上，湿润喀斯特地区冬季和夏季土壤水分的变化基本一致，但受降雨量大小、植被生长阶段等不同的影响，变化程度具有较大的差异。夏季降雨量大，次数多，降雨对土壤水分的补给充分，但植被处于生长阶段，需水量大，且气温高，蒸散发强烈，所以土壤水分变幅大。冬季则以小降雨量为主，气温低，大部分植被生长暂时停滞，降雨在被植被截留和地表枯落物吸收后，无法下渗，所以土壤水分低，变幅小。

本次实验研究结果表明，冬季土壤水分整体上对降雨有一定的反馈，但对不同降雨量级的响应差异较大。在总的14次降雨中，小于5.80 mm的12次降雨没有对土壤水分产生影响，未呈现出土壤水分随降雨量的增加而上升的变化，反而呈现出不波动，甚至有微小的下降。造成这个现象的主要原因可能是由于降雨量少(最小降雨量0.07 mm)，降雨时间长(最长降雨时间29.17 h)，降雨强度小(最小降雨强度0.11 mm/h)，降雨间隔时段较长，且湿润喀斯特地区冬季常绿灌丛植被郁闭度仍较高，降雨被植被截留，加之地表枯落物层的吸收，导致降雨无法产生下渗，从而致使土壤水分的不波动和微小下降。大于20 mm的2次降雨，由于降雨量和强度大，对土壤水分补给显著，土壤水分随降雨量的增加而扩大，且降雨量越大，影响土层的深度越深。但降雨量达到一定限度后，表层土壤水分达到饱和，下渗减少，降雨量对表层土壤水分的影响减弱，变幅减小。由于观测中未监测到6～20 mm的降雨，因此无法探知这一区段降雨量与土壤水分之间的变化关系，也未能找到冬季土壤水分对降雨响应的阈值。

4.2 不同降雨强度对湿润喀斯特地区冬季灌丛土壤水分入渗深度的影响

研究期间，14次降雨的强度均低于1 mm/h，其中土壤水分有响应的是20.75和27.00 mm的2次降雨。2次降雨入渗深度虽然都达到20 cm，但响应时间和土壤水分变化不同，这是由于降雨强度和土壤初期含水量不同造成的。结果表明，27.00 mm的降雨强度是20.75 mm的2.1倍，前者对土壤水分的补给量是后者的2倍，对降雨的响应时间是后者的3.2倍；12月1日(20.75 mm)表层土壤水分(0～10 cm)的变化明显高于1月6日(27.00 mm)，但10 cm以下土层的土壤水分和变化幅度高于12月1日。因此可以得出土壤水分入渗深度相同时，降雨强度越大，则响应时间越快，对底层土壤水分的补给也越明显；雨前土壤含水量越低，则降雨对表层土壤水分的补给越大，雨前土壤含水量越高，则降雨的入渗深度越大。

有研究结果表明，夏季湿润喀斯特地区降雨强度越大，转化成土壤水的量就越大，水分入渗越快，土壤水再分布影响的土层越深[35-37]。与本文所得出的湿润喀斯特地区冬季不同降雨强度对灌丛土壤水分入渗深度的结果基本一致。只是冬季降雨少，强度小，降雨对土壤水分深度的补给和影响不及夏季。综上所述，湿润喀斯特地区冬季土壤水分入渗深度主要靠降雨强度适中、历时长、雨量大的降雨。

4.3 降雨格局对湿润喀斯特地区冬季灌丛植被生长的影响

湿润喀斯特地区夏季和冬季降雨分别呈现出雨热同期和以小降雨事件为主的降雨格局。夏季降雨集中，降雨量大，次数多，强度大，对不同深度的土壤水分补给充分，能满足各类植被生长需求。冬季降雨则以小降雨事件为主，占冬季降雨事件的绝大部分。在植被截留等多种因素的共同影响下，降雨多为无效降雨，难以对土壤水分进行有效补给，以致于灌丛植被无法汲取充足的水分支撑其生长。特别是浅根系灌丛植被，在无效降雨条件下，表层土壤水分受蒸散发的影响容易损失且难以得到补给，可能造成植被因缺水而枯死。湿润喀斯特地区因为特殊的地质和气候环境，是受气候变化影响的生态脆弱地区之一。随着世界气候的变化，对未来气候的预测主要为极端降雨事件和极端干旱事件的发生频率和强度将会增加，表现在降雨格局上为小降雨事件的减少，大降雨事件的增加[38-41]。基于未来气候变化的预测，小降雨事件的减少将进一步导致湿润喀斯特地区冬季土壤表层干旱化，而大降雨事件的增加，将进一步促使深层土壤水分得到有效补给，显著改善深层土壤水状况，所以浅根型植被会因汲取不到充足的水分而逐渐衰败，而深根型植被则会扩展其生存空间，成为本地区主要的优势植被类型。