降雨对岩溶峰丛洼地不同地貌部位土壤水分及温度的影响研究

2023-07-25史敏莉罗为群吴泽燕林佳欣胡兆鑫

节水灌溉 2023年7期

史敏莉，罗为群，吴泽燕，林佳欣，胡兆鑫，涂纯

（1.中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室，广西桂林 541004；2.平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站，广西平果 531400）

0 引言

土壤温度和水分是表征土壤水热状况的两个重要因子，也是近地表大气圈与其他圈层物质循环和能量流动的场所[1-3]，同时，其时空动态变化规律也是水文、大气和生态等过程相互作用的结果[4]。土壤温度变化不仅是地表植被分布及生长的关键限制因子[5]，对地下微环境的质量起着决定作用[6]，其也是土壤水分运移、入渗和保水等的重要因素。土壤水分对植被的光合作用、根系生长和生态功能等起着至关重要的作用，是植被生长发育的必要环境因素[7]，同时也影响土壤和近地表大气的热平衡[8]，是控制生态和水文的关键因子[9]。

西南岩溶区以方解石为主要碳酸钙矿物的石灰岩，其具有多重孔隙、风化成土速率缓慢和易受板块构造运动影响等特点。正是因为这些特殊性的存在，使得岩溶区地表-地下的空间结构具有很大的差异性。杨明德[10]，郝俊[11]等人在研究中发现，在降水丰富的岩溶区，其岩溶发育强烈，生态环境脆弱，环境容量低，灾害承载阈值弹性小，加之人类活动的干预，水土流失及石漠化等自然灾害现象极易发生。如何减少土壤流失、提高土壤保水抗蚀能力及提高土地利用率等是当前研究的热点话题[12-14]。广西平果站自建立以来，一直致力于水土漏失与石漠化的驱动机制及生态修复措施等研究，植被覆盖率、土壤侵蚀率及水资源利用率大大提升，形成了以喜阳耐旱类的火龙果为主的生态经济产业，形成了可供其他地区复制的“果化模式”。本文基于此成果，对以火龙果为主要耕种作物的洼地和以退耕还林为主要土地类型的坡地作为监测点，进行土壤水分和温度的长期监测，深入研究气候因子影响下的土壤水热动态变化规律，为该地区水土流失及石漠化生态措施实施及生态产业优化提供理论价值和经济效益。

1 研究区概况

研究区位于广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测站[15]（简称“平果站”）内，地理坐标为107°22＇40″E，23°24＇00″N，总面积约为10 km²。地貌类型为典型的岩溶峰丛洼地，海拔在176.4～535 m 之间，气候属于亚热带季风性湿润气候，年内热量充足，雨热同期，年均气温为19～22 ℃，多年年均降雨量约为1 200 mm，年内降雨分布不均，干湿季节分明，湿季（雨季）主要集中在4-9 月，其降雨量占全年降雨量的60%～92%[16]。区内峰丛山体大多以较为规则的锥形分布，坡面陡峭且基岩出露地表，土壤层厚度自坡顶至坡底逐渐增加，溶穴、溶沟、溶槽等溶蚀现象丰富，洼地底部发育有落水洞、天窗和竖井等[17]。区内土壤类型主要为石灰质沙壤土，坡顶处土壤厚度最薄，不足10 cm，坡麓石芽处土壤厚度不足20 cm[13]，洼地底部土壤厚度最大，可达1 m以上。土壤整体偏碱性，土层浅薄，土壤孔隙大，保肥保水性差，抗侵蚀能力弱。土地利用类型主要以玉米地、火龙果园地为主，植被覆盖度约为40%；坡面多为退耕还林地，植被类型有芒草、盐肤木、任豆树和银合欢等，植被覆盖度约为78%。

2 野外监测方法

本次监测依据峰丛洼地地貌及土地利用类型特点选择以火龙果为主要耕种作物的洼地和退耕还林的灌木林地的坡面为监测点（图1），在两个监测点分别埋设土壤温度和水分探头，埋设深度依次为20、50、80 和110 cm（因所选坡面土壤深度约为80 cm，因此该监测点选取0～80 cm 深度埋设），地表安装有连接下地探头的Campbell Scientific 传感器（型号：CR1000）及太阳能储蓄电池，可用于记录连续监测土壤温度与水分含量数据。监测数据频率为15 min，精度为0.1%和0.01 ℃。气温和降雨量数据则由国家站已装有的HOBO小型自动气象站获取，其数据时间间隔为15 min，精度为0.01 ℃和±0.2 mm。监测于2019 年6 月5 日开始，每15 min 记录一次数据，至2019年8月29日结束，共计8 050组数据。

图1 研究区监测点分布剖面图Fig.1 The profile map of monitoring points in research area

3 数据处理方法

本文所收集的8 050 组数据均用Excel 进行整理，分类，获取各监测指标的统计值；使用IBM SPSS Statistics 23 软件的双变量相关分析，并采用Pearson 相关性确定土壤水分和温度的相关关系；使用CorelDRW2018 绘制监测点剖面图；使用Origin 2018软件绘制图表。

4 结果分析

4.1 垂直剖面上土壤水分和温度变化

4.1.1 垂直剖面上土壤水分变化

研究区监测点土壤水分垂直分布特征如表1所示，可看出洼地监测点土壤水分（MD）和坡面监测点土壤水分（MS）剖面自上而下均呈现明显的变化规律。MD均值随土层深度增加表现出先增加后减小的趋势，其最大值出现在50 cm 处（45.02%），最小值出现在110 cm 处（41.60%）；MS均值随土层深度增加表现出逐渐减小的趋势，其最大值出现在20 cm 处（35.36%）。总体上，土壤水分均值表现为洼地监测点高于坡面监测点。从变异系数（CV）来看，MD在各深层均表现为弱变异（CV＜0.1），MS在0～50 cm 深度表现为弱变异，50～80 cm深度表现为中等变异（0.1＜CV＜1）。总体上，土壤水分变异系数随土层深度增加而逐渐增大，且坡面监测点高于洼地监测点。

表1 土壤水分均值及变异系数Tab.1 Mean value and coefficient of variation of soil moisture

4.1.2 垂直剖面上土壤温度变化

土壤温度均值及变幅（表2）表明：随土壤深度增加，坡面监测点的土壤温度（TS）表现出逐渐减小的趋势；洼地监测点的土壤温度（TD）表现出先减小后增加的趋势，50 cm处出现均值最小值，80 cm 处出现变幅最小值。整体上，土壤温度表现出坡面监测点高于洼地监测点，剖面上则表现相反。

表2 洼地和坡面监测点土壤温度均值及变幅Tab.2 The mean value and amplitude of variation of soil temperature in depression and slope

4.2 土壤水分和温度昼夜变化

由图2可看出监测点土壤水分呈现持续稳定的状态。由图3可发现，20 cm 深土壤温度呈现有规律的日变化和昼夜变化。气温最大值出现在16:30-17:00，为20.56 ℃，最小值出现在7:45-8:15，为27.41 ℃。在20 cm 深度，23:15-24:00TD达到最大值，为27.32 ℃，较气温滞后约7 h，12:30-13:15TD达到最小值，为26.26 ℃，较气温滞后5 h，整体呈现先减小后增加的趋势，其昼夜变化趋势与气温一致；23:30-24:00TS达到最大值，为27.76 ℃，较气温滞后约7 h，13:15-16:15TS达到最小值，为27.39 ℃，较气温滞后约8 h，整体呈现先增加，后减小再增加的趋势，其昼夜变化趋势与气温一致。在50 cm、80 cm 和110 cm 深度，00:00-01:00 和22:00-24:00TD和TS分别达到最小值及最大值，呈现逐渐增加的趋势，无明显的日变化和昼夜变化规律。

图2 土壤水分日变化等值线剖面图Fig.2 The contour map of diurnal variation of soil moisture

图3 土壤温度日变化等值线剖面图Fig.3 The contour map of diurnal variation of soil temperature

4.3 土壤水分和温度对降雨事件的响应

4.3.1 土壤水分对降雨事件的响应

降雨是岩溶峰丛洼地土壤水分补给的主要来源。研究区监测期间发生多次降雨事件，不同降雨条件下各深层土壤水分的响应特征存在一定差异，本次研究选取5场典型的不同降雨条件进行土壤水分动态变化研究。

由图4 可以看出，降雨量为6.629 4 mm 的小降雨时，MD各层土壤水分均有较小幅度增长，其增幅分别为0.2%、0.5%、0.8%和0.5%，滞后时间分别为2.50 h、0.75 h、1.00 h和4.75 h；MS土壤水分未发生明显的变化。可见小降雨的发生仅能使MD得到水分补给，且在80 cm 深度处土壤水分增长最明显。

图4 不同降雨条件下土壤水分变化图Fig.4 The soil moisture variation under different rainfall conditions

当降雨量（14.02 mm）达到中雨时，MD和MS均发生了降雨响应现象。MD各层土壤水分的降雨响应现象明显，各层水分增幅分别为0.3%、1%、1.2%和0.8%，滞后时间分别为1.25 h、0.25 h、1.00 h 和1.75 h；MS各层土壤水分仅发生了较小幅度增长，其增幅分别为0.3%、0.2%和0.3%，滞后时间分别为0.50 h、0.50 h 和0.75 h。MD水分增长率仍高于MS，且仍为80 cm深度处土壤水分增长最明显。

在大雨事件（降雨量为47.98 mm）中，MD和MS均表现有明显的降雨响应现象。MD各层土壤水分增幅分别为1.4%、3.4%、6%和6.4%，滞后时间分别为0.50 h、0 h、0.25 h 和0.25 h。MS各层土壤水分增幅分别为0.9%、15.3%和18.4%，滞后时间分别为0.25 h、0 h和0.50 h。在大雨事件中，MS深层土壤水分快速增长，且增幅远高于MD。

降雨量越大时土壤水分的降雨响应现象越显著。当降雨量（98.04 mm）达到暴雨级别时，MD各层土壤水分增幅分别为2.3%、3.2%、6%和6.8%，滞后时间分别为0.75 h、0.25 h、0.50 h 和0.75 h。MS各层土壤水分增幅分别为3.3%、15.8%和18.3%，滞后时间分别为0.50 h、0.50 h 和0.75 h。当降雨量达到中雨及以上时，MS深层土壤水分补给量显著增加。

4.3.2 土壤温度对降雨事件的响应

在不同降雨条件下，TD和TS土壤剖面温度动态变化如图5所示。在4种降雨事件中洼地和坡地监测点的土壤温度均表现处相似的变化规律。

图5 不同降雨条件土壤温度变化图Fig.5 The soil temperature variation under different rainfall conditions

由图5可看出，小雨事件发生时，大气温度仅发生微小降低，随后快速回升，TD和TS各深层土壤温度均无明显变化，但其最值的出现时间较无雨条件下最值出现时间有所提前，TD最大值出现时间提前2.25 h，最小值出现时间提前1.25 h。TS最大最小值出现时间均提前0.25 h。

中雨事件发生时，大气温度在降雨发生1.5 h 后发生急速下降趋势，后随降雨的停止，其变化逐渐恢复正常。TD最大值出现时间提前4.5 h，最小值出现时间提前5.0 h。TS最大值出现时间提前6.25 h，最小值出现时间滞后0.75 h。

由大雨-暴雨事件可看出，大降雨的发生使气温及土壤温度均产生急剧下降。大雨情况下，在降雨初期TD和TS表层20 cm 土壤温度发生小幅上升后快速下降，深层土壤温度均呈现先快速上升，后缓慢下降恢复至正常趋势。而暴雨情况下，降雨初期TD和TS表层20 cm 土壤温度先小幅上升后快速下降的趋势有所增强，而深层土壤温度的快速上升趋势有所减弱，而后的下降趋势又有所增强。

5 讨论

5.1 降雨变化对土壤温度的影响机制

温度日变化可直接地反映土壤一天的温度变化趋势。图3表明，表层20 cm 深度土壤温度受外界因素影响最明显，深层土壤温度随土壤深度的增加其影响作用有所削弱[18,19]，因此深层土壤温度因受外界因素影响逐渐减小而趋于相对稳定状态，日变化和昼夜变化现象也逐渐不显著。

由土壤温度日变化曲线可发现，TD最值出现时间早于TS。这主要与监测点的植被覆盖相关[20]，坡面监测点地表附近丰富的灌草植被形成“遮蔽效应”，使坡面土壤温度的升高和降低受到抑制；而洼地监测点仅有少量低矮藤本覆盖物，植被遮挡作用小，土壤温度与大气热量交换迅速。而坡面土壤温度均值高于洼地，则主要是由受坡度和接受太阳辐射差异所造成的逆温结构[21,22]。

有关研究表明，降雨是导致土壤温度变化的重要影响因素[23]。本研究中，由表层20 cm 深度土壤温度在不同降雨条件下的变化可看出，随降雨量的增大土壤温度最值有所提前，但该条件仅存在中雨及以下降雨情况中。当降雨为小雨或中雨时，表层土壤温度仍可见明显的日变化和昼夜变化显著，其最大值有所提前，TD最小值有所提前，而TS最小值滞后发生。产生这种现象的原因可能与两个监测点的覆盖物厚度不同有关。坡地监测点附近的林木和灌木及其枯枝落叶为该点土壤温度提供了天然的保温层，其阻止土壤热量散失的能力远高于耕地[14,24]。当降雨为大雨或暴雨时，表层土壤温度无明显的日变化和昼夜变化特征，整体呈现先上升后缓慢下降的趋势。对比洼地和坡面监测点土壤温度变化可知，洼地深层土壤温度对降雨的响应相对坡面显著，坡度及地表植被抑制了坡面土壤对气温与降雨的响应，而洼地平坦的地势及裸露地表则增加了气温与降雨和土壤的物质能量交换速率。

5.2 降雨变化对土壤水分的影响机制

变异系数可直观地反映土壤水分的变化程度，进而反映降雨、蒸散发、地形和土地利用等对土壤水分的影响程度[25-27]。变异系数值越高，说明土壤水分受降雨因素的影响大，其变化幅度大[28]。本研究表明，MS变异系数相对MD高，这表明坡面相比洼地更易受到外界因素的影响，因坡度影响坡面接受太阳辐射时长较洼地长，其地表的蒸散发作用更为强烈。在剖面上MS和MD均表现为随土层深度增加，其变异系数逐渐增大，这可能是由于岩溶区土下岩石裂隙、孔隙及管道等十分发育，使土-岩界面的水分渗透性增强，这与范新瑞等[23]对黔中石漠化地区土壤水分分布研究结果一致。

洼地监测点土地利用为耕地，主要种植火龙果，需定时进行施肥及除草翻耕，因此在该监测点0～50 cm 土壤层中土壤孔隙多，土壤水分受外界影响因素大，50～110 cm 土壤层土壤结构逐渐紧实，孔隙减少，土壤渗透能力下降，使整个剖面水分呈现先增大后减小的趋势。这与马骥、马婧怡等[16,26]的研究结果一致。坡面监测点土地利用为退耕还林地，主要生长有乔木、灌木和草本植物，根系丰富且分布范围深，80 cm 处仍见有根系存在，但在80 cm 处土层与基岩接触，处于土-岩界面，根系的存在及基岩面孔隙裂隙的增多，使得该剖面上水分整体呈现逐渐减少的趋势，这与韩新生等[29]研究结果相似。史君怡等[30]在不同土地利用方式下退耕还林地土壤水分研究中发现，退耕还林地在不同植被恢复类型下，土壤水分均有不同程度的减少，且有随着坡度减小，降雨与土壤水分转换率增大的趋势[31,32]，这与本研究中洼地监测点土壤水分均值相对坡面监测点土壤水分均值低的结论相一致。

降雨是岩溶区植被生存和发育的主要水分补给来源，降雨量的大小是影响深层土壤水分补给的决定性因素[33]。在不同降雨条件下，MD各层土壤水分均能够得有有效补给量，且表层20 cm 深度土壤水分补给量较其他深层土壤水分补给量小。火龙果的根系主要分布在土壤浅层20 cm 范围，是其主要的耗水区域，因此降雨后土壤有效补给量增长缓慢。当发生大降雨时，深层土壤会快速进行水分补给并达到蓄满状态，因此在大雨和暴雨条件下，深层土壤水分增长变缓甚至持续不变。小雨的发生未能使坡地土壤水分得到水分补给，在中雨及以上降雨事件中，MS土壤剖面水分补给量随降雨量的增大而增大，表层20 cm 土壤水分补给量远小于深层土壤水分补给量。造成这种现象的原因除根系分布情况外，坡度也是其重要的影响因素[34]。大降雨的发生会促使地表径流的发生，使地表径流大于地下渗流[35]，从而导致表层土壤水分补给量受限。

5.3 峰丛洼地区土壤温度和水分耦合关系分析

温度的改变决定水分的相变，水分的相变又反作用温度的变化[36]。表3可以看出，不同降雨条件下土壤温度和水分的相关关系存在显著的差异性。小雨时，MD和TD在深层呈负相关关系。这是因为小降雨的发生仅能使少量水分补给量进入深层土壤，而深层土壤温度遇到外界水分补给时会立即释放热量，从而进一步加快土壤中水分的入渗和蒸发，水分相变的同时又会释放热量，使得温度的损失量远低于水分的补给量，因此表现出两者呈相反的趋势[37]。随着降雨量的增大，各层土壤水分和温度呈现正相关关系。由此可说明降雨量的变化对土壤温度和水分的相互作用关系存在一个阈值[38]，同时也说明较大降雨量可能起到土壤温度释放热量的减弱。MS和TS在暴雨时仅在深层呈负相关关系，在小雨-中雨-大雨条件下呈正相关关系。造成洼地和坡地相关性不一致的原因可能是地表覆盖物的不同。地表覆盖物的增加可使土壤温度有所提升[39]，降雨的增加虽在一定程度上会降低土壤温度，但因覆盖物的存在削弱了温度的热传导及热扩散作用，使得土壤温度和水分间关系呈现一种正向趋势。