石漠化地区土壤含水率的动态变化特征及其影响因素

王忠云，宋燕平，喻阳华*，郭 松

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州师范大学 喀斯特研究院/贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 550001)

【研究意义】喀斯特石漠化是制约我国西南地区可持续发展较为严重的生态环境问题[1]。虽然该区降水丰沛，但长期强烈的岩溶作用产生了独特的地表地下二元三维结构，使水资源漏失、深埋，加之降水时空分布不均，土层浅薄、土被不连续、土壤持水性能低，使得土壤水分亏缺成为该区植物生长发育的主要障碍因子[2]。土壤水是土壤的重要组成部分，是作物吸水的最主要来源，通常用土壤含水率来表征土壤水分状况[3]。土壤水分不仅是气候、植被、地形及土壤结构等的综合反映[4]，还是土壤侵蚀过程、植被生长与恢复的主要影响因子，对生态系统的水热平衡及稳定起着决定作用[5]。因此，对石漠化地区土壤含水率动态变化的影响因素进行研究，对该地区生态系统恢复与重建具有显著意义。【前人研究进展】有研究表明，石丛广泛分布区域的土壤水分含量较低[6-7]，喀斯特洼地剖面含水率总体较高，土壤含水率受土壤质地影响[8]。不同土地利用类型土壤水分存在明显差异，土壤含水状况受土地利用方式的影响[9-10]，耕作方式、灌溉等人为因素在一定程度上会削弱土壤含水率的空间稳定性[11]。土壤理化性质是影响土壤含水率的直接因素[12]，土壤容重、孔隙度、粘粒含量与有机质含量是影响土壤含水率的主要因素[13]。土壤湿度的变化与气象要素密切相关，其中，降水量、大气温度、大气湿度是土壤含水率的主要控制因子[14-15]；西南喀斯特山区土壤水分具有明显的时空异质性，该特性与该区复杂多变的地形地貌、植被类型和多样的小生境等密切相关[16-17]。【本研究切入点】已有研究表明，土壤含水率受诸多因素的影响，但针对石漠化地区不同土地利用类型对土壤水分的调控效应及其影响机理的研究较少，限制了对该区生态系统恢复的调控。【拟解决的关键问题】通过研究喀斯特地区土壤水分动态变化对土地管理措施的响应规律，探讨引起土壤水分变化的因子及其影响机理，旨在为制定石漠化生态修复区的农业工程措施和选择生态重建模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于关岭县沙营镇养牛村(25°57′59.11″N，105°23′28.14″E)，海拔1190～1350 m，属亚热带湿润季风气候，年平均气温12.3 ℃，年均降水量1597 mm，雨水季节分配不均，冬春旱及伏旱严重，全年无霜期≥269 d，河谷低地处终年无霜。研究区内地表破碎、石漠化严重，属典型的喀斯特山区，土壤以石灰土为主。由于生态环境退化，使土地利用类型受限，主要人工植被有玉米、花椒与核桃等。

1.2 材料

研究区地表裸露、草被覆盖和施用有机肥3种类型的土壤，均以石灰土为主，土壤厚度均为25 cm。样地基本情况详见表1。

表1 样地基本概况Table 1 Basic situation of sample plots

1.3 方法

1.3.1 试验设计 根据土壤类型试验设3个处理，分别为草被覆盖、施用有机肥和地表裸露(对照)，每个类型各设3块样地。2018年8月中下旬于每天8:00、10:00、12:00、14:00、16:00和18:00对3种类型土壤进行监测。每块样地在测定前浇足水分，测定初始含水率。

1.3.2 指标测定 测定指标包括土壤含水率、土壤温度、大气温度、大气湿度及光照强度等。土壤含水率和土壤温度用TR-6土壤温湿度仪测定，光照强度用SW-582型便携式数字式照度计测定，大气温度和大气湿度用SW-572型便携式高精度温湿度计测定。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0对数据进行预处理及统计分析。其中，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)对不同处理的土壤含水率、土壤温度、大气温度、大气湿度、光照强度进行差异性检验；最小显著性差数法(Least-Significant Difference，LSD)进行多重比较；Pearson法分析所有指标之间的相关性(P<0.05记为差异达显著水平，P<0.01记为差异达极显著水平)；一般线性模型分析连续观测时间内不同处理对土壤含水率动态变化的影响；通径分析方法分析土壤温度、大气温度、大气湿度、光照强度对土壤含水率的影响，通径系数表示各指标对土壤含水率的直接作用，间接通径系数表示间接作用；利用Origin 8.6制图。

线性回归方程模型：w=at+b;

间接通径系数：IPxixj=Rxixj×Pxi;

共同决定系数：Dxixj=2×Rxixj×Pxi×Pxj。

式中，w为土壤含水率，t为时间，Rxixj为2个指标xi和xj之间的Pearson相关系数，Pxi为指标xi对土壤含水率的通径系数，Pxj为指标xj对土壤含水率的通径系数，IPxixj为xi通过xj对土壤含水率的间接通径系数，Dxi为指标xi对土壤含水率的决定系数，Dxixj为某2个指标xi和xj对土壤含水率的共同决定系数。

2 结果与分析

2.1 不同管理方式土壤含水率的动态变化特征

由表2看出，3种类型土壤的土壤含水率动态变化特征与时间变化之间的线性回归方程依次为w地表裸露=-0.005t+43.765(P=0.792)、w施用有机肥=-0.085t+34.859(P=0.001)和w草被覆盖=-0.048t+43.639(P=0.007)，其中，地表裸露土壤含水率对时间变化的响应无明显规律(P>0.05)，施用有机肥与草被覆盖处理土壤含水率动态变化特征与时间变化之间呈显著线性关系(P<0.01)。将直线方程的斜率定义为土壤含水率对时间的变化幅度，则以施用有机肥变化幅度较大，回归系数为-0.085；施用有机肥与草被覆盖2种处理土壤含水率随时间变化的解释率分别为42.2 %和31.3 %，说明，理论模型能较好地反映土壤水分的动态变化特征。

表2 不同管理方式土壤含水率随时间变化的线性回归分析Table 2 Linear regression analysis of soil moisture content changing with time under different management pattern

2.2 各影响因子对土壤含水率动态变化的影响

2.2.1 土壤含水率、土壤温度、光照强度、大气温度及大气湿度间的相关性 由表3可知，土壤含水率与各指标之间的相关性为大气湿度(0.169)>光照强度(0.095)>土壤温度(-0.039)>大气温度(-0.110)，土壤含水率与大气湿度呈显著正相关关系，与其他气象因子间的相关性不显著。土壤温度、光照强度、大气温度及大气湿度间呈极显著相关，其中，光照强度与大气温度、大气温度与大气湿度、土壤温度与光照强度、土壤温度与大气湿度间呈反向作用效应，土壤温度与大气温度、光照强度与大气湿度间呈增强效应，且土壤温度与大气温度的增强效应最大。土壤温度与大气温度、大气湿度，大气湿度与大气温度间的关系较密切。

表3 不同管理方式土壤含水率与土壤温度、光照强度、大气温度、大气湿度的相关性Table 3 The correlation among soil moisture content,soil temperature,light intensity,air temperature and air humidity

2.2.2 土壤含水率各影响因子的通径分析 由表4可知，各影响因子对土壤含水率的直接作用依次为大气湿度(1.041)>土壤温度(0.524)>大气温度(0.460)>光照强度(0.146)，以大气湿度对土壤含水率的直接作用最大，土壤温度和大气温度次之，光照强度的效应最小。间接通径系数表明，各指标通过彼此影响对土壤含水率产生的间接作用各不相同，大气湿度通过土壤温度、大气温度对土壤含水率的间接负作用最大(-0.922和-0.990)，土壤温度通过大气温度对土壤含水率的间接正作用最大(0.456)。结合指标之间的相关性得出：与大气湿度相关性越高的指标，大气湿度通过该指标对土壤含水率起作用的间接通径系数越大；与土壤温度相关性越高的指标，土壤温度通过该指标对土壤含水率起作用的间接通径系数也越大。

2.2.3 土壤含水率各影响因子的决定系数 从表5看出，各指标对土壤含水率的单独决定系数为大气湿度(1.084)>土壤温度(0.275)>大气温度(0.212)>光照强度(0.021)，差异显著，大气湿度的决定作用较大，土壤温度和大气温度其次，光照强度的决定作用最小；大气湿度与土壤温度、大气湿度与大气温度对土壤含水率的共同决定作用相对较大，决定系数(绝对值)分别为0.967和0.911；大气温度与土壤温度共同对土壤含水率的决定作用其次，决定系数为0.419。各指标对土壤含水率的总决定系数为0.118，表明各指标仅解释了土壤含水率11.8 %的变化。

表5 土壤温度、光照强度、大气温度、大气湿度对土壤含水率的决定系数Table 5 Determinant coefficient of soil temperature,light intensity,air temperature and air humidity to soil moisture content

3 讨 论

3.1 石漠化地区不同管理方式土壤水分动态变化特征

不同土地利用类型因其在拦蓄降水、水分蒸散及土壤改良功能等方面存在差异，导致土壤水分呈现时空异质性[18]。该研究在连续监测时间内，地表裸露土壤水分随时间的变化规律不明显，可能与地表裸露缺乏植物参与水分生态调控有关[19]。施用有机肥与草被覆盖处理，土壤水分变化动态具有可预测性，且有机肥的变幅更大。原因可能是有机肥矿质化与腐殖化过程在改善土壤肥力和土壤团粒结构、提高养分利用效率的同时，也提高了土壤持水性能，增强了对土壤水分的蓄存效应[20-21]；草被覆盖可以通过冠层截持降雨作用、降温保湿作用及植被蒸腾作用等影响降雨的分配格局，增加其下渗量，减缓土壤水分蒸发速率，从而达到对土壤水分的保蓄、调节作用[22]。而施用有机肥土壤含水率变幅较大的原因可能是施用有机肥后，在植物蒸腾、土壤蒸发和气候变化等诸多因子的共同作用下，有机肥的多孔性结构导致其与土壤之间存在不确定的水势梯度差异，对土壤水分的吸附、释放作用较为明显，引起土壤水分在较大幅度内波动。

3.2 石漠化地区土壤含水率变化影响因素分析

气象因素对土壤含水率的变化常起着决定性作用[23-24]；在土壤水分上升、气温持续下降情况下，降雨、大气温度、土壤温度、大气湿度、太阳辐射是影响土壤水分变化的主要因子[25]。研究结果表明，大气湿度与土壤含水率呈显著正相关关系，且对土壤含水率的直接与间接作用最大。原因可能是该研究观测时间内，受降雨影响，温度下降幅度较大、大气湿度提高[26]，充足的气态水为土壤水分的蓄存提供充分条件，从而对土壤含水率产生显著的直接影响。同时，大气湿度对土壤含水率产生间接作用的原因为大气湿度通过降低土壤温度减缓土壤水分蒸发、降低植物蒸腾速率，对土壤水分的蓄积产生增强效应，从而提高了土壤含水率。土壤温度是太阳辐射平衡和土壤热量平衡共同作用的结果[27]，是影响土壤水分运移的关键因素之一。研究结果显示，土壤温度与土壤含水率相关性不强，与前人研究结果[28-29]不完全一致，但其对土壤含水率的直接作用、决定系数较大，可能与观测数据期间土壤含水率受降雨影响，土壤温度对其含水率的影响效应被削弱有关。在降雨天气光照时长较短，太阳辐射通量较低，导致光照强度对该区域小气候形成的贡献度不高，进而导致其对土壤含水率的影响不显著。总体上，土壤含水率受各指标共同影响较小，原因可能是喀斯特地区异质性高，引起土壤水分变化的因素包括土壤类型、地形因子、土地利用方式等[30-31]，小生境的异质性可能是限制土壤水分动态变化的关键因子。因此，下一步研究中，应结合土壤类型、气象要素、地形地貌等因素，综合评价不同环境条件对土壤含水率的影响机理及贡献率。

3.3 石漠化生态修复区土地资源高效利用策略

土壤水是喀斯特地区植被恢复重建的主要限制因素[32]，对石漠化地区生态系统恢复及其稳定性起决定作用[33]。若土壤水分处于长期亏缺状态，将影响植被生态需水的调节和生态系统的恢复。因此，采取措施提高土壤对水分的调蓄能力，对实现石漠化生态修复区土地资源高效利用意义重大。该研究结果表明，与地表裸露相比，施用有机肥以及草被覆盖两种处理可以有效调控土壤水分的变化，提高土壤持水性。有研究表明，石漠化地区乔灌草群落相比藤刺灌草群落而言，对小气候的改善具有明显作用[34]；种植生态经济型植物有助于改善土壤的结构性能，从而提高土壤的持水性能，进而发挥蓄水保土的生态效益，加速域的植被恢复过程[35]；在石漠化地区水土保持治理模式中农林混合模式下土壤的理化性质状况、小气候效应等各项指标均较好，有利于喀斯特石漠化的治理[36]。同时，土壤水分与养分的有效供给密切相关[37]，土壤的理化属性影响其对水分的储蓄能力。因此，将不同植被恢复重建模式和水肥综合管理结合起来进行喀斯特石漠化地区治理，可以提高水肥利用效率，改善生态环境条件。

4 结 论

施用有机肥与草被覆盖可以有效调控土壤水分变化幅度，对石漠化生态修复区土壤水分的利用具有重要作用。土壤温度、大气温度、大气湿度、光照强度对土壤含水率的影响为大气湿度>土壤温度>大气温度>光照强度，差异显著，总决定系数为0.118；大气湿度与土壤温度对土壤含水率的共同影响最大，决定系数为0.967(绝对值)。鉴于石漠化地区生态环境的复杂性与异质性，应综合考虑地形地貌、气象要素及土壤类型等因素对土壤水分动态变化的影响，并结合不同植被覆盖、水肥优化组合，探讨适应石漠化生态修复区的农业工程措施和生态重建模式。