花江流域喀斯特土質(zhì)山地人工造林地土壤物理性質(zhì)和土壤水分動態(tài)變化研究

花江流域喀斯特土質(zhì)山地人工造林地土壤物理性質(zhì)和土壤水分動態(tài)變化研究

喀斯特（溶血）地區(qū)是世界上最脆弱的生態(tài)帶之一，其生態(tài)環(huán)境問題是今天國際地理的研究熱點。如何進行植被恢復(fù)重建和實現(xiàn)水土資源協(xié)調(diào)利用,是喀斯特山區(qū)環(huán)境治理與消除貧困的關(guān)鍵。土壤水分是土壤的重要性質(zhì)之一,是土壤物理學(xué)的重要內(nèi)容。土壤水分是土壤—植物—大氣連續(xù)體的一個關(guān)鍵因子,是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體,它不但直接影響土壤的特性和植物的生長,而且間接影響植物分布和在一定程度上影響小氣候的變化。許多科研人員在降水對土壤水分動態(tài)的影響方面已做了大量研究。特別是在干旱和半干旱地區(qū),許多專家對土壤水分動態(tài)變化規(guī)律作了大量研究。而在南方喀斯特區(qū),由于存在地表地下雙層空間結(jié)構(gòu),加上地形地貌復(fù)雜多變、小生境類型多樣,巖溶山區(qū)土壤水分運移相當(dāng)復(fù)雜,具有許多與其它類型區(qū)不同的規(guī)律和特點。雖然部分研究者探討了碎石含量、土地利用方式對土壤水分運移、時空分異等的影響[8,9,10,11,12,13,14],但目前還未有研究者對喀斯特區(qū)不同小生境土壤水分動態(tài)變化規(guī)律及一次降雨后土壤水分持續(xù)干旱變化進行研究。本文以貴州北盤江流域花江喀斯特典型峽谷區(qū)為研究對象,此區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱,裸露巖石面積達70%以上,土層瘠薄,且干旱少雨,蒸發(fā)力強,干旱成為花江峽谷喀斯特石質(zhì)山地人工造林與植被自然恢復(fù)的主要障礙因子。研究喀斯特峽谷地區(qū)土壤水分動態(tài)變化規(guī)律,揭示其水分供需特征,可為花江喀斯特峽谷地區(qū)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)合理有效地利用土壤水分、有針對性地實施土壤水分管理提供科學(xué)依據(jù)。1控濕時期7135d研究區(qū)位于貴州西南部,關(guān)嶺縣和貞豐縣交接處的北盤江花江段,為典型的喀斯特峽谷地貌,地表起伏較大,相對高差懸殊,最高海拔1473m,最低海拔370m,地面支裂破碎、石漠化嚴(yán)重。氣候類型主要為半亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,光熱資源豐富,年均溫18.4℃,年均極端最高氣溫為32.4℃,年均極端最低氣溫為6.6℃,年總積溫達6542.9℃;年均降雨量1100mm,季節(jié)分配極為不均,冬春旱及伏旱嚴(yán)重,全年無霜期在337d以上,河谷低地終年無霜。內(nèi)區(qū)碳酸鹽類巖石占78.45%,土壤母質(zhì)為石灰?guī)r風(fēng)化物,土壤類型為石灰土,主要植物頂壇花椒(ZanthoxylumplanispinumSieb.etZucc.var.dingtanensisYulinTu,var.nov.)、金銀花(黃褐毛忍冬)(LonicerafulvotomentosaHsuetS.C.Cheng)、香椿(Toonasinensis)、砂仁(艷山姜)(Alpiniszerumbet(Pers)BurrtetSmith)、木豆(Cajanuscajan(L.)Millsp)、任豆(ZeniainsignisChun.)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、小葉榕(FicusconcinnaMiq)、樸樹(CeltistetrandraRoxb.ssp.sinensis)、酸棗樹(Var.spinosaHu)等。2學(xué)習(xí)方法2.1土面、石槽、石溝設(shè)置在試驗區(qū),即板圍、查爾巖,各選5個10m×10m樣地,用皮尺測量不同小生境的面積,用測釬測出土層深度。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),地表巖石面積占總樣地面積的60%以上(即平均巖石裸露率),土面、石槽、石溝的平均土層厚度分別為33.4cm、28cm、32cm,在100m2的樣地內(nèi),土面、石槽、石溝三種小生境平均土壤體積分別為9.89m3、1.75m3、1.89m3。試驗區(qū)內(nèi),海拔780m、坡向北、坡度為30°的區(qū)域,主要為經(jīng)濟林地,其中主要包括頂壇花椒、金銀花(黃褐毛忍冬)、香椿、砂仁(艷山姜)。2.2小生境分類研究喀斯特地貌與常態(tài)地貌的差異在于小生境的復(fù)雜多樣,提供植被恢復(fù)的條件差異也很大。本研究小生境分類主要參考文獻來劃分。根據(jù)森林土壤物理性質(zhì)測定法(LY/T1210-1275-1999)規(guī)定的方法測定不同小生境的土壤物理性質(zhì),其中包括土壤容重、最大持水量、最小持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度和最佳含水量下限。2.3土壤含水量的測定在每個樣地內(nèi)選擇典型的土面、石槽、石溝三種小生境各3個作為固定觀測點,從2004年8月到2005年9月每隔15d分別在5cm、10cm、20cm、30cm土層取土樣,每層取3個,用酒精燒土法測定土壤含水量變化(固定在每個測定日的下午4點進行)。并選擇典型晴天(2004年7月27日和29日)測定不同小生境土壤水分日變化,在連續(xù)晴天(2004年8月17-23日)測定土壤水分持續(xù)變化。3結(jié)果與分析3.1不同小生境土質(zhì)經(jīng)樣地調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),較小的土壤體積、淺薄的土層、較高的石礫含量以及較高的巖石裸露率,是造成水分儲量減少的主要原因,亦是造林和林木生長的障礙之一。不同小生境土壤物理性質(zhì)存在明顯差異(表1)。土面土壤除容重大于石槽和石溝外,其最大持水量、最小持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度和最佳含水量下限都明顯小于石槽和石溝。三種生境的土壤通氣度接近。這種差異導(dǎo)致的土壤水分貯量、土壤水分有效性的不同,進一步影響到植物的分布和生長。3.2土壤水分脅迫喀斯特區(qū)生境土壤水分脅迫發(fā)生頻率較高,但持續(xù)時間相對較短,即臨時性干旱很容易為頻繁的降雨所解除。根據(jù)土壤含水量占田間持水量的百分率,參考水分脅迫實驗研究中測得花江喀斯特森林樹種萎蔫時的含水量,可劃分為三個土壤水分脅迫等級,即輕度脅迫(占田間持水量的71%～80%)、中度脅迫(占田間持水量的51%～70%)、嚴(yán)重脅迫(低于田間持水量的50%)。根據(jù)公式:“不同小生境脅迫時的土壤含水量=占田間持水量的比例×不同小生境的田間持水量”計算出不同小生境土壤含水量的脅迫等級,結(jié)果如表2所示。3.3不同生態(tài)位的土壤水分動態(tài)變化3.3.1不同土層含水量的日變化從圖1～3可知,不同土層含水量的變化規(guī)律是隨著土層的加深,土壤含水量總的變化趨勢是逐漸增加,且變化趨勢基本一致。一天中,土面不同土層的土壤水分動態(tài)變化規(guī)律是從清晨到午后(圖1),土壤含水量逐漸降低,最低值出現(xiàn)在14:00,其值為20.03%。14:00以后,土壤含水量逐漸回升,這與蒸騰、蒸發(fā)消耗減弱、深層土壤水分上升有關(guān)。但在10:00-14:00,30cm土層含水量反而低于20cm土層,這是因為土壤蒸發(fā)強烈,導(dǎo)致深層土壤過度消耗所致。石槽不同土層含水量出現(xiàn)最低值的時間不一致(圖2),5cm、10cm、20cm、30cm土層含水量出現(xiàn)最低值的時間分別為10:00、14:00、12:00和18:00。而石溝出現(xiàn)了三次低谷(圖3),即在8:00、12:00、16:00-18:00,其含水量分別為30.86%、31.65%、31.02%。土面、石槽、石溝三種不同小生境日平均含水量分別為26.25%、26.85%、32.12%。日變幅分別為6.84%、7.86%、3.48%。對石槽而言,表層5cm和10cm土壤含水量變化劇烈,其日變幅分別為10.75%、7.10%;而20cm、30cm土壤含水量變化相對緩和,其日變幅分別為10.96%、8.86%。這跟石槽本身環(huán)境有關(guān),即石槽土層淺薄,平均深度只有28cm,體積為1.75m3,受溫度影響很大。由于土面小生境土層相對較深,各土層含水量基本上保持有一定的梯度,從上往下,含水量由小到大;而石槽則沒有這種規(guī)律性。3.3.2日降水量和日變化(1)土面、石槽、石溝三種小生境的土壤含水量變化都隨土層增加而增加,5～10cm土層、10～20cm土層土壤含水量差異大,而20～30cm土層土壤含水量差異較小(表3),說明不同小生境土壤含水量的變化主要發(fā)生在表層5～20cm,這與土表蒸發(fā)和植株蒸騰消耗有關(guān)。(2)不同小生境相比,石溝的水分狀況最好,日變幅最小,而土面和石槽水分狀況相對較差,二者日平均含水量和日變幅比較接近。其原因是石溝四周生長著一些植物,具有阻止土壤水分蒸發(fā)的效果,在石頭的封閉下,減少了日曬,表層土壤水分的蒸發(fā)也相對較小,且四周的水分均往石溝、石縫里匯集,因而其含水量較高。而土面、石槽基本上屬于開放環(huán)境,接受的熱輻射多,蒸發(fā)及蒸騰耗水大,因而含水量低且變化劇烈。(3)一天中,不同小生境不時出現(xiàn)水分虧缺,但出現(xiàn)的次數(shù)、程度、持續(xù)時間各不相同。其中石槽水分虧缺最嚴(yán)重,出現(xiàn)2次中度脅迫及2次輕度脅迫,其持續(xù)時間分別達4～5.5h、2～3h;土面次之,出現(xiàn)1次中度脅迫和2次輕度脅迫,其持續(xù)時間分別為1～2.5h、3～4.5h;石溝僅出現(xiàn)3次輕度脅迫,持續(xù)時間為3～4h。不同程度的水分脅迫多出現(xiàn)正午或午后。5～10cm土層很容易出現(xiàn)水分虧缺,從而使土壤出現(xiàn)不同程度的脅迫狀態(tài)。3.3.3土層含水量特征圖4～6反映了土面、石槽、石溝三種小生境的土壤水分年變化情況。土壤水分的垂直變化規(guī)律是隨著土層加深,土壤含水量也隨之增加,且不同土層深度土壤含水量年變化曲線的趨勢基本一致。從圖4可知,一年中,土面水分變化比較緩和,0～30cm土層年平均含水量為26.92%,年變幅為7.19%。不同土層間,5cm、10cm土壤含水量變化較大,年變幅分別為7.90%和7.58%,20cm、30cm土層變化較小,年變幅分別為6.82%和6.61%。這除了與氣候條件有關(guān)外,還與土壤的物理性質(zhì)有關(guān),土面土壤總孔隙度、土壤的通氣度均較大,分別達到了75.22%和48.35%。石槽由于土層淺薄,土壤體積小(樣地調(diào)查表明100m2的樣地內(nèi),石槽平均土壤體積僅為1.75m3),因而貯水量有限。且石槽周圍有石頭所包圍,土壤水分的含水量變化劇烈(圖5),一方面是由于巖石滲漏,導(dǎo)致土壤貯水量少,另一方面是因為周圍巖石吸熱快,土溫高,蒸發(fā)消耗大。圖6表明,石溝土壤0～30cm土壤年平均含水量為37.38%,年變幅為10.03%。5cm、10cm、20cm、30cm土層年變幅分別為10.95%、10.13%、9.88%和10.03%,說明5cm變幅最大,20cm變幅最小。與土面、石槽相比,石溝不同土層土壤含水量很高。其原因是石溝雖然土壤體積小(1.89m3/100m2),但因植被覆蓋相對較高,減少了日曬,具有防止土壤水分蒸發(fā)的效果,此外,由于四周的水分往石溝、石縫里滲透,因而石溝能保持較高的含水量。以年平均含水量X作標(biāo)準(zhǔn),以含水量>X+δ(約大于田間持水量的85%)的月份為高墑期,以含水量<X-δ(約小于田間持水量的75%)的月份為低墑期,其它月份為中墑期,對0～30cm土層含水量作墑情分析。結(jié)果表明:一年中,土面土壤存在兩個低墑期,即11-12月份和3-5月份,此期正好與當(dāng)?shù)氐拇汉岛投滴呛?在這些月份內(nèi)分別出現(xiàn)1次嚴(yán)重度脅迫、6次中度脅迫及5次輕度脅迫;高墑期出現(xiàn)在6、8、9月份。石槽土壤存在兩個低墑期,即11月份和1-4月份,分別出現(xiàn)1次重度脅迫、10次中度脅迫及7次輕度脅迫;高墑期出現(xiàn)在6、8、9月份。石溝出現(xiàn)低墑期的月份在11月、2月及5月,分別出現(xiàn)2次中度脅迫及5次輕度脅迫,其中度脅迫時間最長為5～8d;高墑期出現(xiàn)在6、8、9、10月,這是因為6月期為花江喀斯特峽谷區(qū)的雨季區(qū),而8-9月,盡管氣溫很高、空氣干燥,但不時出現(xiàn)的夜雨使土壤水分虧缺得到解除。3.3.4年生境含水量、年變幅及水分脅迫特征將不同小生境土壤水分年變化特征值匯總(表4),可以總結(jié)出不同土壤水分動態(tài)的年變化特征。(1)隨著土層的加深,不同小生境土壤的含水量也隨之增加,石溝各層土壤含水量均大于石槽和土面土層的含水量。同一小生境下,不同深度的變幅依次為5cm>10cm>20cm(30cm)。(2)土壤年平均含水量和年變幅均表現(xiàn)為:石溝>石槽>土面。這與土面是開闊環(huán)境且植物分布多有關(guān),但土面的含水量變化緩和,有利于植物生長。(3)一年中不同小生境出現(xiàn)高墑期、低墑期的時段不一致。石槽、土面的高墑期出現(xiàn)在6、8、9月,而石溝的高墑期則為6、8、9、10月4個月。土面低墑期出現(xiàn)在11-12月、3-5月;石槽出現(xiàn)在11月、1-4月、;石溝出現(xiàn)在2月、5月和11月?？梢娛瘻铣霈F(xiàn)低墑期的時間較土面、石槽少。(4)一年中,不同小生境水分脅迫頻繁發(fā)生,因此,在喀斯特區(qū)干旱也就頻繁出現(xiàn),但出現(xiàn)的次數(shù)、程度、持續(xù)時間各不相同。其中石槽出現(xiàn)水分脅迫的次數(shù)最多且最嚴(yán)重,輕、中、重度脅迫總計達38次;其次為土面,總計達30次;石溝出現(xiàn)的脅迫次數(shù)少,脅迫程度輕,總計為21次,其中輕度脅迫占了61.9%,重度脅迫只有1次?？傮w而言,石溝的土壤水分狀況優(yōu)于土面和石槽。3.4土壤水分隨時間的變化在2004年8月17-23日連續(xù)7個晴天內(nèi)對不同小生境土壤水分動態(tài)的連續(xù)測定結(jié)果(圖7)表明:隨著晴天的延長,土面、石槽、石溝三種不同小生境土壤含水量呈逐漸減小的趨勢。其含水量變幅為14.09%、11.85%、18.04%,即石溝>土面>石槽。三種小生境中,失水最快的是石槽,其次是石溝,最后是土面,7天內(nèi)損失水量分別為17.30%,14.49%,13.87%。在連續(xù)晴天條件下土壤水分變化很快,土面、石槽、石溝出現(xiàn)輕度脅迫的時間分別為6d、6d、7d,土面、石槽在7天后出現(xiàn)中度脅迫。因此認(rèn)為,花江喀斯特峽谷地區(qū)不同小生境一般持續(xù)放晴7天就可能出現(xiàn)水分脅迫,這個數(shù)據(jù)可以作為生產(chǎn)上植物補水時間的依據(jù)。4不同小生境土壤水分變化特征及水生態(tài)調(diào)控通過對花江流域喀斯特石質(zhì)山地人工造林地(花椒地、金銀花地)的各種不同小生境(土面、石槽、石溝)的土壤物理性質(zhì)及土壤水分動態(tài)變化規(guī)律的研究,得出以下結(jié)論:(1)不同小生境土壤水分日變化規(guī)律可總結(jié)為:土壤含水量隨土層增加而增加,最終趨于穩(wěn)定。石溝的水分狀況最好,日變幅最小,而土面和石槽水分狀況相對較差。石槽水分虧缺最嚴(yán)重,土面次之。在枯枝落葉、石面、薄膜覆蓋下土壤水分日變幅的大小分別為:石槽>石溝>土面,石溝>土面>石槽,石溝>土面>石槽。(2)不同小