红壤坡耕地烤烟生长季土壤水分动态变化特征

王丽媛，王克勤，李太兴，崔富刚

(1.西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明 650224;2.玉溪市水利局，云南玉溪 653100;3.澄江县水利局，云南澄江 653102)

土壤水分是维持陆地植被生态的关键，是流域水量平衡乃至地区水文循环的重要因子，也是水资源规划与管理的基础。土壤水分直接或间接地控制着气象过程、植被动态、土壤生物化学过程、地下水动态以及土壤-植被-大气之间的营养元素和污染物质交换［1-3］，其运移也直接关系到深层土壤水分能否得到补充及水分对植被的有效性。为此，土壤水分运动的研究是农学、土壤学、环境科学等科学家关注的热点问题［4］。目前，虽然对坡面土壤水分空间变异性及其影响因素做了大量的研究［5-10］，但在区域尺度上进行的土壤水分与土地利用关系的研究中，大多数只是注重土壤水分的年际变化和年内变化过程，而对坡面土壤水分在某个特定时期的变化规律的详细研究较少［11］。因此，本研究选取珠江南北盘江上游岩溶区域的玉溪市澄江县抚仙湖流域尖山河小流域典型坡耕地坡面为研究对象，对雨季烤烟坡耕地土壤水分沿坡面方向的变异进行研究，旨在为该地区合理利用天然降雨资源和土地资源提供科学依据。

1 研究材料及方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省玉溪市澄江县抚仙湖流域尖山河小流域，隶属于澄江县养白牛村，其北接龙街镇广龙村，南接禄充风景区，东临抚仙湖，西接晋宁县。该小流域地理位置为东经 102°47'21″—102°52'02″、北纬24°32'00″—24°37'38″，总面积 35.42 km2，地貌类型为中山高原地带，多年平均降水量1 050 mm，干湿季分明，雨季为5月下旬至10月下旬，暴雨基本出现在雨季，年平均径流深30 mm，年均蒸发量为900 mm。流域土壤主要是红紫泥土和红壤，主要地类有云南松天然次生林、云南松-蓝桉人工林、荒山荒坡、坡地和梯田等，种植的农作物以烤烟为主。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

根据小流域的特点，选择有代表性的烤烟坡耕地作为试验基地。当地海拔为1 773 m，坡度为18.58°，坡向为南北向，历年种植作物主要为烤烟。试验前对烤烟坡耕地土壤进行了基底调查，采用蛇形采样法共采集土样12个测定其基本物理性质，取样深度60 cm，供试土壤为砂质红壤。

为了比较坡面尺度不同坡位处的土壤水分在垂直剖面上的迁移差异，在试验地坡中部和坡下部垂直埋设长度为2 m的PVC管，分别埋设3个重复，重复之间水平距离为2 m，采用L520型土壤水分中子仪在降雨后对地下2 m深范围内的土壤质量含水量进行测定。从地表开始向下，每20 cm深度分为一层，每层重复测定3次，取平均值作为该层次的土壤含水量，测定深度为160 cm。监测过程从2010年6月初开始到8月底，于降雨后进行测定。

1.2.2 相关计算及数据分析

本研究采用SPSS11.5实用统计软件和Excel数据处理系统进行数据分析和图表处理。

2 研究结果分析

2.1 土壤特性及降雨特征

试验区土壤主要为砂质红壤，降水是试验区土壤水分的唯一来源，土壤的持水能力是土壤水分动态变化的基础。土壤的持水能力直接取决于土壤的结构，适宜的土壤容重对于土壤保水是很重要的：容重小的土壤，其上层水分容易蒸发，下层水分容易渗漏;容重太大的土壤则不利于降水渗入，易造成径流损失。此外，土壤的质地在很大程度上影响着土壤持水能力和水分渗透速度。Singh等对美国西部科罗拉多州半干旱草原的研究表明，黏质壤土的有效水(实际含水量-凋萎系数)含量最高，砂质壤土有效水含量最低［12-13］。试验区土壤物理性质及降水特征分别见表1、2。

表1 试验区土壤物理特性

表2 试验区2010年降雨特征

2.2 土壤水分随时间的水平动态变化

采用野外原位连续采样监测的方法，于2010年6月初至8月底对烤烟坡耕地不同坡位不同深度处的土壤水分含量进行了监测，坡面尺度不同坡位(坡中部和坡下部)不同深度处土壤水分随降雨时间的水平动态分布见图1。从图1可看出，坡中部和坡下部不同层次的土壤水分随时间的变化趋势基本一致，均表现为随烤烟的生长进程而减少的趋势，但坡下部各层次的土壤水分随时间的变化趋势较坡中部明显。降雨初期6月15日，降雨量为42 mm，不同土层土壤水分含量差异比较大，原因可能在于前期降雨少，土壤含水量较少，此次降雨量较大，且烤烟处于生长季前期，水分吸收少，故土壤水分下渗较多。7月21日虽然降雨最大，为58.5 mm，但土壤各层含水量均小于6月15日，且不同土层土壤水分含量差异较小，原因可能在于烤烟处于生长最旺盛时期，而且气温最高，日照最强烈，虽然降雨较大，但水分消耗量远大于补给量。在7月1日、7月16日、8月3日的3次降雨中，降雨量相近，分别为5、8、10.4 mm，但7月1日不同坡位处土壤各层含水量均比7月16日及8月3日大，可能是由于7月1日烤烟处于生长初期，水分吸收及蒸腾较少。

图1 土壤水分水平动态变化及其与降雨量的关系

2.3 烤烟生长季不同坡位处土壤水分的垂直动态分布

烤烟生长季(6月初—8月底)坡面尺度不同坡位处土壤水分随深度的垂直分布见图2，不同坡位不同深度处土壤水分统计特征值与变异系数的垂直变化见表3。

土壤水分是大气降水、植物根系吸水及土壤表面蒸发共同作用的结果。降水渗入土壤，土壤中的水分除极少部分渗漏外，主要通过土壤蒸发和林木蒸腾的形式进入大气。生长季节，降雨渗入土壤，使土层逐渐变湿，由于根系分布的深浅和土壤中各点水势的不同，土壤剖面上各点含水量的减少并不一样，降雨后各点含水量的增加也各不相同，因此在不同深度上土壤含水量的变化程度各不相同，从而形成了土壤水分的垂直变化特征。

由图2可以看出，在0—160 cm土层中，不同坡位土壤含水量的垂直分布规律基本相同，均为0—20 cm土层含水量较低，随后逐渐增加，基本到60—80 cm土层达到一个峰值，然后随着土层深度的增加土壤含水量逐渐减少，其基本趋势是随着土层深度的增加先增加后减少;不同坡位相比，坡下部土壤水分含量明显大于坡中部，是坡中部的1.80～2.01倍。0—20 cm土层土壤水分含量较低，主要是由于6月初至8月底研究区气温高，地表接受了较多的太阳辐射，蒸发强烈，且烤烟根系主要分布在0—20 cm土层，其根系也吸收了大量水分。坡中部由于地表径流大量流失，土壤水分入渗小，蒸发损失大，因此土壤水分含量较低;但坡下部的地表径流小，水分可下渗到深层，故其0—160 cm土层的土壤水分明显高于坡中部。

图2 试验区土壤水分的垂直动态变化

表3 2010年土壤水分剖面统计特征及变异系数

虽然不同坡位处土壤水分的变化趋势基本相同，但是由于受降雨、入渗、产流、蒸散等因素的影响，土壤水分经常处于动态变化过程中，使不同土层土壤水分变化幅度呈现一定的差异。从表3可以看出，坡面不同坡位处的土壤含水量变化程度不同，同一坡位处不同土层深度的土壤含水量变化幅度也存在差异，其中不同坡位处土壤含水量变异系数均随土层深度的增加逐渐减小，且坡中部土壤水分含量的平均值、标准差和变异系数也均小于坡下部，说明坡下部0—160 cm土层的土壤水分含量及其变化幅度均大于坡中部。从表3还可以看出，0—20 cm表层(根系的主要分布区)含水量的变化最为剧烈，而20—80 cm土层及100—160 cm土层中含水量的变异系数变化较小，但20—80 cm土层含水量的变异系数明显大于80—160 cm土层。由此说明，不同坡位处0—20 cm土层受降雨、蒸发、烤烟根系吸收的影响最大，该层为土壤水分速变层;坡下部20—80 cm土层含水量变异系数维持在0.32～0.33之间，坡中部维持在0.26～0.29之间，为次活跃层，该范围内土层土壤水分处在双向补偿层中，土壤水分既来自降水后上层土壤水分的下行入渗补给，又来自水分上行运移对蒸发面水分蒸发的补给，经常处于增湿和失水的不稳定状态;坡下部80—160 cm土层含水量变异系数维持在0.17～0.20之间，坡中部维持在0.15～0.17之间，为稳定层，该土层的土质较上层紧实，土壤水分运移的阻力也较大，气温引起的土壤蒸发对该层影响较小，降雨的补偿也相对较缓慢，在水势梯度的影响下，水分主要由上层入渗补给，而且几乎不受烤烟根系影响，所以该层土壤水分变化相对稳定，表现出较好的均匀性。

2.4 烤烟生长季不同坡位处各层次土壤水分含量与降雨量的相关性分析

对烤烟生长季不同坡位不同深度处土壤水分含量与降雨量进行单相关分析，结果列于表4。从表4看出，不同层次的土壤水分含量与降雨量的关联度较低，但坡下部0—100 cm土层含水量与降雨量之间存在显著的相关性，100 cm土层以下为不相关;坡中部0—40 cm土层含水量与降雨量呈显著相关，40 cm土层以下不相关。这说明降雨对坡中部0—40 cm土层和坡下部0—100 cm土层的土壤水分影响较大。

表4 烤烟生长季不同坡位不同深度处土壤水分含量与降雨量单相关分析

3 讨论

研究结果显示，烤烟生长季不同坡位处土壤水分含量都呈现从表层到深层(0—160 cm)先增加后减少的趋势。杨新民［14］研究黄土丘陵区0—200 cm土壤水分动态变化结果显示，随着土层深度的增加，土壤含水量呈减少趋势，最大值出现在20—40 cm土层内，与本研究结果相似。究其原因，可能是降雨时水分向深层入渗存在滞后性，而且6月初至8月底是植物生长最旺盛的时期，烤烟根系对上层土壤水分的强烈吸收也会形成土壤含水量随着土层深度的增加呈现先增加后减少的趋势。

烤烟生长季坡中部不同深度土壤水分平均含量均小于坡下部。坡位与土壤水分的关系和相对高度与土壤水分的关系基本一致，二者有着很相似的变化规律［15］。邱扬等研究了黄土高原中部不同相对高度上及不同坡位土壤水分的变化，结果表明，相对高度与土壤含水量呈负相关，即随着相对高度的增加土壤含水量呈降低趋势，同一坡面自坡底到坡顶土壤水分也有类似的变化趋势［16］。

4 结论

(1)烤烟生长季不同坡位不同层次的土壤水分含量随时间变化的趋势基本一致，均表现为随烤烟的生长进程而减少的趋势。

(2)烤烟生长季不同坡位的土壤水分含量都呈现从表层到深层(0—160 cm)先增加后减少的趋势，基本在60—80 cm土层含水量达到最大值。

(3)烤烟生长季不同坡位同一层次土壤水分平均含量及其变异系数坡中部均小于坡下部，且不同坡位土壤含水量变异系数均为从表层到深层逐渐减小。0—20 cm为土壤水分速变层(活跃层)，20—80 cm为次活跃层，80—160 cm为稳定层。

(4)烤烟生长季不同坡面尺度不同层次的土壤水分含量与降雨量的关联度较低，但坡下部0—100 cm土层含水量与降雨量之间存在显著的相关性，100 cm土层以下为不相关;坡中部0—40 cm土层含水量与降雨量呈显著相关，40 cm土层以下不相关。

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