干热河谷燥红土坡面水分时空分布特征及其对覆被类型的响应

杨淏舟， 何光熊， 王艳丹， 李直权， 余建琳， 冉 林， 史亮涛†

(1.云南省农业科学院热区生态农业研究所，651300，云南元谋；2.元谋干热河谷植物园，651300，云南元谋；3.云南元谋金雷水土保持科技示范园，651300，云南元谋；4.云南省水土保持生态环境监测总站，650106，昆明；5.云南省元谋县水土保持委员会办公室，651300，云南元谋)

土壤水分是限制干热河谷植被恢复与重建的关键因子，明确其时空分布及动态特征对提高植被恢复成效，缓解地力退化及保持生态系统的稳定具有重要的意义。降雨是干热河谷地区土壤水分的主要来源[1]，植被覆盖能够调节降雨入渗，其对干热河谷地区储水、保水至关重要。在旱季，植被覆盖能够一定程度上隔绝热传递，有效减少土壤与空气的直接接触，从而减少地表蒸发量[2]；雨季则能够对降雨进行垂向、立体分配[3]。近年来，极端干旱事件频发，植被覆盖下的土壤水环境受到许多学者的关注，韩新生等[4]通过对宁夏六盘山气象条件、林木蒸腾作用、土壤水分动态变化的监测，发现林木蒸腾和林地蒸散与主根系所在土壤层的土壤水分显著相关，森林土壤湿度同时受降水输入和蒸散输出影响。胡实等[5]对植被覆盖下降雨入渗、土壤蒸发和土壤水分调控进行了研究，结果表明自然覆被相较于裸地更有利于雨水的储存和向深层入渗，并且能够有效抑制土壤水分蒸发。干热河谷降雨稀少、蒸发量大的气候特点决定了土壤水分含量的可变性较大，又因其地形复杂，山地延绵起伏，区域微地形对降雨产生二次分配后，使土壤水分的变异程度增加[6]，研究干热河谷土壤水分的空间变异性和时间动态变化特征，有利于维持土壤水分含量稳定性，对此区域内植被的恢复有重要作用。

目前对土壤水分的研究多集中在降雨对土壤水分的影响[7]、初始土壤状态对入渗的影响[8]、土地利用方式对土壤水分的影响[9]、特定地区和植被覆盖类型对土壤水分动态变化的影响[10]等方面，而对干热河谷土壤水分时空分布特征的研究还较少，尚缺乏对不同植物覆被类型生境土壤水环境的理解。本研究以元谋干热河谷3种典型的植被覆盖模式为研究对象，设置裸地对照，通过测定1年内不同土层深度、不同坡位土壤含水量，分析土壤含水量的变化特征，探讨土壤水分分布对降雨、植被覆盖、坡面因子变化的响应，以期为元谋干热河谷地区的水土保持和生态修复提供定量参考。

1 研究区概况

研究区设在云南省元谋金雷水土保持示范园内(E 101°35′～102°06′、N 25°23′～26°06′)。该园区地处云南省西北部金沙江流域龙川江水系的土林风景区附近，属于《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)》长江重点生态区(含川滇生态屏障)三峡库区水土保持国家重点生态功能区，是我国金沙江干热河谷的典型代表区，园区以北为典型的河谷萨瓦纳(valley-savanna)植被[11]。元谋县属南亚热带干热季风气候，气候干旱炎热，年平均气温21.9 ℃，最高气温42.0 ℃，最低气温-0.1 ℃，≥10 ℃年积温7 996.0 ℃；平均海拔1 210 m，年平均日照时间为7.3 h/d，坝区基本全年无霜，年均降雨量613.8 mm，年均潜在蒸发量为3 847.8 mm，达降雨量的6～10倍，雨季短而旱季长，旱季降雨量仅占全年降雨量的2%～8%。燥红土发育于第四纪元谋组红色风化壳母质，是元谋干热河谷1 350 m以下地区的基带土壤，占干热河谷总面积的52.7%。土壤酸性强，pH 6.2～7.0，密度1.43～1.63 g/cm3，属黏土，与变性土相比质地偏砂，砂粒质量分数<35%，干季板结、坚硬，有机质、磷等养分质量分数较低，土壤全氮0.29～0.60 g/kg，全磷0.08～0.30 g/kg，全钾11.8～26.0 g/kg，为中度或严重贫瘠土壤，地力退化严重。

2 研究方法

2.1 样地布设

于云南省元谋金雷水土保持示范园区内选取3种元谋干热河谷地区具有代表性的植被恢复模式为研究对象，设置4个投影面积为5 m×20 m，坡度为15°的径流小区，小区基本情况如表1所示。小区相邻，坡向、坡度均一致，四周采用水泥梗分隔(水泥梗深入地下1 m，超出地表0.3 m)，小区底部设置集流槽和集流桶，桶内设置水标尺观测径流量。降雨采用气象站监测，于每次降雨后测量水深，并采用烘干法测定泥沙含量。其中小区1为裸地对照，保证其植被盖度<5%;小区2为农地，设置为元谋干热河谷区坡地典型耕作模式，玉米(Zeamays)花生(Arachishypogaea)轮作(2018年11月—2019年2月种植玉米，2019年6—10月种植花生)，农地采用人工灌溉，灌溉频率为4 d/次，灌溉量为3.67 m3/次，因定时浇水，导致农地含水量较其他小区稍高;小区3、4为干热河谷稀树灌草丛植被原位小区，小区群落模式为元谋干热河谷地区典型的“灌-草”“乔-灌-草”覆盖模式，分别呈现了干热河谷植被群落演替过程中的2个典型阶段，小区水分来源为自然降水，不另作灌溉。

表1 实验小区基本情况表Tab.1 Basic information of experimental plot

2.2 采样方法

分别在每个径流小区坡面距坡顶0、10和20 m处布设采样点1#、2#和3#，以便观测坡顶、坡中和坡底的土壤水分变化情况。土壤含水量采用TDR水分测定仪进行监测，每个采样点采用长度为1 m的PVC管垂直插入坡面，盖上防水盖。于每月1日和15日利用探头深入布设好的PVC管内采集10、20、40、60、80和100 cm处的土壤含水量数据，每个采样点测3次，避免因设备或人为因素造成的误差，同时观测植被覆盖率并采集气象站降雨数据，经检验实验数据服从正态分布，标准误差<0.1。元谋近5年蒸发量和降雨量变化平稳，蒸发量远大于降雨量。为保证实验精度实验小区于2017年6月开始埋管并监测土壤水分，埋管后经过1年预实验，结果表明各层水分变化达到平稳阶段。

2.3 数据处理

近年来，学者对于土壤水分垂直分布特征定量化分析的研究[12]，一般采用标准差和变异系数将土壤水分活跃程度划分为以下4层：相对稳定层(变异系数≤0.1和标准差≤2)、次活跃层(变异系数>0.1～≤0.2和标准差>2～≤3)、活跃层(变异系数>0.2～≤0.3和标准差>3～≤4)、速变层(变异系数>0.3和标准差>4)，在划分过程中，若变异系数和标准差不处在同一标准时，则以变异系数为准。

所有数据通过Excel 2016进行整理并绘图，采用SPSS 19进行单因素方差分析、Sufer16软件按照克里金(Kriging)插值法进行最优线性无偏估计，并绘制土壤水分等值线图。

3 结果与分析

3.1 降雨量及土壤水分年度变化

图1为元谋干热河谷地区2018年10月—2019年9月的月降雨量分布特征，在干热河谷地区有明显的旱季、雨季之分，实验年份降雨量为496.4 mm，雨季降雨量为475.8 mm，占全年总降雨量的95.85%，旱季降水较少，为20.6 mm，仅占全年总降雨量的4.15%，全年降雨量偏低，月降雨量之间差异较大，降雨较为集中。由于光热资源充足，因此水分因子是干热河谷地区植被恢复的关键。4种植被覆盖类型含水量均与降雨量变化趋势一致。其中裸地含水量在每个月份均为最低，农地除7和8月外，其余月份含水量均为最高，这是由于定时灌溉造成，进入雨季后，灌草地与乔灌草地含水量迅速攀升，甚至在8月高于农地。这是由于干热河谷旱季气温较高，蒸腾作用较强，植物需水量较大，因此灌草地、乔灌草复合样地土壤含水量较低；而在雨季，植物根系更有利于拦蓄降水，增加土壤含水量[13]。

图1 降雨量与土壤水分年度变化特征Fig.1 Annual variation characteristics of rainfall and soil moisture

3.2 土壤水分时空分布特征

3.2.1 不同植被覆盖模式下土壤水分垂直分布特征 降雨和植被覆盖对干热河谷坡面水分分布特征有显著影响。由图2可知，同一土层深度不同植被覆盖类型下土壤含水量差异显著(P>0.05)，同一植被覆盖类型下0～100 cm土层土壤含水量差异显著。如图2a所示，在旱季，农地除在80～100 cm层土壤深度含水量较乔灌草地低外，其余各土层深度下含水量均为最高；裸地在所有土层深度含水量均为最低；在浅土层(0～20 cm)灌草地土壤含水量高于乔灌草地，而在较深土层(20～100 cm)则呈现相反的特征，这是由于植物根系分布特征引起的土壤水分分布特征的差异，在植物根系吸水和土壤蒸发作用的双重水分消耗下, 使浅土层(0～20 cm)灌草地维持相对较高的含水量。

由图2b可知，雨季随着土层深度的增加，土壤水分逐渐升高并趋于稳定。在0～40 cm深度范围内的浅层土壤中，除农地外均呈现显著差异，这种差异在60～100 cm土层中逐渐减小。说明在雨季，浅层土壤水分运动较为活跃，深层土壤水分较为稳定，水分向土壤深处转移。不同植被覆盖模式随着土层深度的增加土壤水分变化规律为：裸地和农地为先升高(0～80 cm)后降低(80～100 cm)；灌草地和乔灌草地为先升高(0～60 cm)后降低(60～80 cm)最后回升(80～100 cm)的趋势。

不同小写字母表示同一土层土壤含水量差异显著；不同大写字母表示同一植被覆盖类型土壤含水量差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences in moisture content in the same soil layer, and different capital letters indicate significant differences in soil moisture content for the same vegetation cover type (P<0.05).图2 不同土层深度土壤含水量Fig.2 Soil moisture content at different depths

3.2.2 不同土层土壤水分变异性 由表2可知，4种不同植被覆盖模式下土壤水分的标准差和变异系数随土层深度的增加呈递减的趋势；同一植被覆盖模式、土层深度条件下，除农地旱季0～10 cm土层外，其余各层均表现为雨季土壤活跃程度高于旱季的特点。在旱季，4种植被覆盖模式各层土壤水分活跃程度差异不大，速变层、活跃层多集中在0～40 cm范围内；在雨季则呈现出较大差异，与裸地和农地相比，灌草地和乔灌草样地雨季土壤水分活跃度较强，具体表现为活跃层数量增加，3种植被类型下，灌草地和乔灌草复合模式土壤水分活跃度较高，其中灌草地在雨季速变层的深度为0～60 cm，乔灌草复合模式速变层深度为0～40 cm，说明植被覆盖对20～40 cm土壤水分活跃度影响较大，这与植物根系的吸水作用及地表蒸发量大有关。

表2 不同植被覆盖模式下土壤水分标准差和变异系数Tab.2 Standard deviation and coefficient of variation of soil moisture under different vegetation cover modes

3.2.3 土壤水分时空分布特征 由图3可知，在所有研究区内，土壤含水量高值区均表现为由旱季到雨季，逐渐向深层土壤转移的现象。从不同植被覆盖类型上看，裸地土壤含水量在各层分布相较其他植被覆盖类型稍均匀，其余3种植被覆盖类型均表现出不同程度的高值区集中，且呈U型或O型的特点；裸地土壤含水量表现为坡底>坡中>坡顶，其余植被覆盖类型下，除旱季农地和旱季灌草地外，均表现为坡顶>坡中>坡底；在0～50 cm土层中，同一土层深度旱季土壤含水量均高于雨季，而在50～100 cm土层中，同一土层深度雨季土壤含水量均高于旱季。

图3 不同植被覆盖下土壤含水量等值线Fig.3 Isolines of soil moisture content under different vegetation cover

在旱季0～40 cm土层中，土壤含水量表现逐渐升高的趋势，在40～80 cm土层中则相反，而在雨季表现为逐渐升高的趋势。在0～40 cm，裸地旱季土壤水分等值线较为密集，说明在此范围内，土壤水分变化较大，这是由于干热河谷地区旱季蒸发量较大，土壤水分向地表迁移；而在雨季的裸地中，土壤水分等值线不仅在浅层土壤中产生密集，同时也在40～60 cm范围内表现出密集现象，这说明裸地雨季土壤含水量不仅在表层变化明显，在深层也有明显的水分转移现象，裸地地下无根系作用，地上无植被覆盖，不易保存土壤水分，因此裸地小区土壤水分等值线分布均匀，土壤含水量由浅层向深层递增，由坡顶向坡底递增。而对于其余3种植被覆盖类型，虽然土壤含水量变化趋势相似，但等值线密集范围有所差异。在旱季农地，含水量等值线在0～20 cm范围内较为密集，20 cm以上等值线呈现U字型，高值区集中在小区坡底0～40 cm土层中，但在雨季，土壤含水量高值区则向土壤深层转移，集中在小区坡顶及坡中70～100 cm土层中，且水分等值线呈闭合的O字型，这与农作物的季节性种植及其根系分布深度有关。在旱季灌草地和乔灌草地，含水量等值线则在0～60 cm范围内较密集，且呈现小区域内含水量较高的现象。旱季灌草地水分等值线呈U字型，高值区集中在10～50 cm，即为灌木和草被根系对土壤水分的易利用范围；旱季乔灌草地水分高值区等值线则呈O字型，集中在坡中的30～60 cm土层中，这与小区乔木、灌木的种植区位及根系分布深度契合，说明在旱季水分亏缺状态下，植物通过根系吸水过程补给根系层的土壤水分，使根系层土壤水分明显提高。在坡位尺度上，灌草地与乔灌草地略有不同，但同一实验小区表现一致，灌草地土壤含水量表现为坡顶>坡中>坡底，而乔灌草地则表现为坡中>坡底>坡顶，通过植被调查发现灌草地小区顶部植被生长情况较好，以车桑子为主，而坡底则以稀疏的拟金茅为主，乔灌草小区则羊蹄甲和车桑子集中在小区中部，顶部与底部以扭黄茅为主，这与小区乔木、灌木的种植区位及根系分布一致，说明根系对土壤水分有一定程度的聚集作用，且这种效应与植物需水量呈正相关，这体现出在干热河谷地区特殊气候条件下植被对土壤水分条件的调控及反馈机制，下一步将对此机制开展进一步研究。

4 讨论

土壤水分是制约元谋干热河谷地区植被恢复质量的关键因子，利用乡土树种、草种构建植物群落，增加植被覆盖，影响土壤水分分布，保护土壤结构和肥力，减少水土流失，对干热河谷地区的植被恢复重建有重要的作用[14]。本研究中元谋干热河谷土壤水分含量受到降雨量和植被覆盖类型影响，农地土壤含水量处在较高的水平，裸地在旱季与其他3种植被覆盖类型小区相比水分含量较少，而这种差异先随着土层深度的增加(0～40 cm)而减小，而后又随土层深度的增加(40～100 cm)而增大，这从侧面说明植物覆盖有利于对干热河地区旱季土壤深层水分的固持，而在雨季，裸地与其余3种植被覆盖类型含水量差异更加明显，这可能是由于元谋干热河谷地区雨季多发生短历时强降雨，易使地表板结，裸地降雨在地表形成径流不易向深层土壤下渗，而有植被覆盖的小区则在地表利用植物叶片拦截降水，消减雨强，保护了土壤结构，更有利于水分垂直下渗，增加深层土壤含水量；另一方面，在土壤内部，植物根系能够改善土壤结构，并起到疏导表层、浅层土壤水分的作用，使降水能够向更深的土层传递，这与许多研究者认为植被覆盖能够增加土壤深层含水量的结论一致[15-16]。

地形也是影响土壤水分分布的重要因素，因干热河谷降水较少蒸发量大，与沙丘地形中的气候特征相符，有研究表明[17]，在无植被覆盖的沙丘地形中，含水量分布特征为同一土层深度条件下沙丘下部>沙丘中部>沙脊，这与本研究中裸地坡面土壤水分分布特征一致，而本研究中有植被覆盖的坡面小区则表现为坡顶>坡中>坡底的特点，表明植被覆盖能够有效拦截坡面土壤水分，坡面顶部和中部进行植被恢复后，植物利用根系吸水的特性将土壤水分固持在坡顶及坡中，减少土壤水分向坡底流失的情况。这从侧面反映出元谋干热河谷的水分流失现状，密集的山丘河谷，植被覆盖率低且多为稀树灌草地，深根系树种分布稀疏，无法将水垂向运输至深层土壤，导致土壤水分裹挟养分不断向坡底流失，造成土地贫瘠的恶性循环，而元谋干热河谷地区坡面养分流失特征还需进一步深入研究。

5 结论

1)元谋干热河谷地区全年干旱少雨，有明显旱、雨季之分。在旱季，浅土层(0～20 cm)灌草地土壤含水量高于乔灌草地，而在较深土层(20～100 cm)则相反。在雨季，随着土层深度的增加，土壤含水量逐渐升高并趋于稳定。

2)不同植被覆盖模式下土壤水分的标准差和变异系数均呈现随土层深度的增加呈递减的趋势；同一植被覆盖模式、土层深度条件下，除农地旱季0～10 cm土层外，其余各层均表现为雨季土壤活跃程度高于旱季的特点，植被覆盖对20～40 cm土壤水分活跃度影响较大。

3)同一植被覆盖类型土壤含水量高值区均表现为由旱季到雨季，逐渐向深层土壤转移的现象；裸地土壤含水量在各层分布相较其他植被覆盖类型稍均匀，其余3种植被覆盖类型均表现出不同程度的高值区集中，且呈U型或O型的特点；裸地土壤含水量表现为坡底>坡中>坡顶，其余3个有植被覆盖小区，除旱季农地和旱季灌草地外，均表现为坡顶>坡中>坡底的特点。