广西喀斯特地区耕作对土壤水分及降雨响应机制的影响

李 帅，邓婉珍，李 健，陶涣壮，甘 磊，

（1.桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林541004；2.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林541004；3.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西桂林541004；4.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004）

0 引言

土壤水分是陆生生态系统中最主要的影响因素之一，决定着土壤的演化和土地生产力，同时也是土壤侵蚀过程、植物生长和植被恢复的重要影响因子，对整个生态系统的水热平衡及系统稳定性具有决定性作用。土壤水分与降水过程密切相关，一个地区的降水对土壤水循环有着重要的影响[1]。因此，研究土壤水分对降雨的响应程度具有重要意义。

目前，已有众多关于土壤水分及其对降雨响应机制的研究。吴胡强[2]分析了0～100 cm 各层次土壤体积含水率在小雨、中雨、大雨条件下的变化过程，得出5 cm和15 cm层次土壤水分与降雨量具有十分明显的响应关系。Wang 等[3]以黄土高原的一个流域为研究对象，分析了不同植被覆盖条件下土壤水分对降雨的响应关系。现代农业生产中，人类多通过耕作改善土壤环境，以促进作物的发展。然而，耕作势必会使土壤的物理性质发生重大变化，如容重、孔隙度、孔隙分布等[4-5]，从而影响土壤水分对降雨的响应及再分布过程。Blanco-Canqui 等[6]发现土壤水分在空间上的变化特性在很大程度上可以用土壤结构的变化来解释。李轶冰[7]等人也通过对黄淮海平原区玉米种植区的研究发现耕作后的土壤耕层疏松深厚、土壤调蓄水分能力增强、总耗水量降低。虽有众多关于耕作方式对土壤水分及降雨响应过程的报道，但针对喀斯特地区的研究则相对缺乏，并且结合土壤特性来阐述耕作方式对降雨响应程度影响的报道也较为少见。

广西地处西南喀斯特地区，长期剧烈的岩溶作用产生了水土资源不协调的双层空间结构，导致地表水易流失、地下水深埋，加上土层浅薄、土壤持水性能差，致使旱涝灾害频发，生态环境十分脆弱[7]。在广西地区有90%以上的甘蔗种植在无灌溉条件的丘陵旱地上，水土流失严重，成为制约甘蔗单产提高的最主要因素[8]。粉垄耕作作为近年来一种新型的耕作技术，在各地区均得到广泛应用，但对粉垄的研究多集中在土壤特性、结构以及作物生长等方面，在土壤水分对降雨的响应程度方面的研究尚不明晰。因此，本文以广西粉垄耕作和免耕的甘蔗种植区为研究对象，通过对降雨及土壤含水量进行定位监测，并结合两种耕作方式对土壤物理性质的改变，分析不同降雨事件下两者对土壤水分及降雨响应程度的影响，为广西甘蔗种植区域节水灌溉及水资源可持续利用提供理论依据。

1 材料及方法

1.1 试验区概况

试验区位于广西壮族自治区农业科学院武鸣里建科研基地(23°14'N；108°02'E)，地处我国低纬度地区，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温和，年平均气温为21.6 ℃，年平均相对湿度80%，年均降雨量约为1 300 mm，属中亚热带季风气候。区内土壤类型为第四纪红壤，基部岩层属于石灰岩，土壤pH 值为5.04～7.00，呈微酸性。试验区经过人工管理后地势较为平坦。研究区常见甘蔗、火龙果、花生等经济作物。其中，甘蔗是我国主要的糖料作物，一年或多年生热带和亚热带实心草本植物，具有纤维须根系，甘蔗茎在收割后，宿根会在第二年重新分枝生茎。

1.2 试验设计及样品测定

试验将甘蔗地分为免耕（NT）和耕作（T）两种处理，样地面积均为50 m2，每种处理下按随机区组选取3个重复，共6组。耕作区采用粉垄耕作方式，耕作深度为30 cm，机械耕作时自然悬浮成垄，垄沟高度为10 cm。免耕处理下的样地不进行任何翻耕措施等处理，其他甘蔗管理模式均一致。研究期间各试验区均按照正常甘蔗种植大田模式进行田间管理措施。

综合考虑甘蔗根系生长深度、深耕深度及成垄情况，利用环刀(容积100 cm3)对不同耕作方式下0～10、10～30、30～50 cm 的土层进行原状土壤样品的采集，每层每个指标3 个重复，用于测定土壤基本理化性质。利用比重计法测定土壤质地，环刀烘干法测定土壤容重，并计算得到土壤总孔隙度，以重铬酸钾容量法测定土壤有机质。将5、20、40 cm 深度作为0～10、10～30、30～50 cm 土层的测量代表点，分别水平安装水分探头进行定位监测，每个处理开挖3个重复的土壤剖面进行土壤水分监测。在试验地附近安装Vantage PRO2 型气象站，记录降雨量。所有探头连接到数据采集器中，每一小时自动记录一次数据，监测前仪器校准。监测时间段为2018年1月至12月。为研究不同耕作方式下土壤水分对不同降雨条件的响应，根据降雨强度划分标准，选取2018年4 场前后无明显降雨的单场降雨进行分析。选取2月22日-2月23日为小雨事件（降雨量3.2 mm），10月14日-10月15日为中雨事件（降雨量18.6 mm）、7月14日-7月15日为大雨事件（降雨量36.8 mm）、6月1日-6月2日为暴雨事件（降雨量63 mm）。

1.3 数据处理及分析

利用土壤水分变异系数用来表示土壤含水量的相对变异程度[9]，使用公式如下：

式中：CV为土壤水分变异系数；M为土壤水分均值；SD为标准差；n为样本数。

使用Microsoft excel 2016、Origin 2017软件进行数据处理、作图，利用SPSS 18.0进行数据的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式下土壤基本理化性质变化

土壤的持水性即土壤的持水能力，由土壤颗粒与水分子间作用力和土壤毛细管力决定，主要受土壤质地、容重以及有机质的影响[10]。张景略等[11]人发现土壤的物理性黏粒含量在一定范围内，黏粒含量越大，土壤持水性越好。裴艳武等[12]人通过对比砂土和壤土的田间持水量也发现，砂粒含量高的土壤表现出更差的持水性。表1 中，NT 处理10～30 cm 的砂粒含量明显高于T 处理，并且黏粒含量低于T 处理，说明T 处理区10～30 cm 的持水性好于NT 处理。容重是衡量土壤紧实程度的一个重要指标，在土壤质地相似的情况下，土壤容重小，表明土壤疏松多孔，结构性良好；反之则表明土壤紧实，会阻碍根系伸长[13]。本研究中T 处理的土壤总孔隙度整体高于NT处理，并且土壤容重表现为T 处理低于NT 处理，尤其在0～10 cm 土层中T 处理的总孔隙度提高11.9%，容重降低8.6%。蒋发辉等[14]人发现粉垄耕作能够增加土壤耕层厚度，降低土壤容重，这在本研究中得到进一步验证。两种处理的土壤有机质含量随土壤深度的增加均呈逐渐降低的趋势，最大值均出现在土壤表层。与NT 处理相比，T 处理在不同深度下有机质含量分别增加35.4%、69.7%、46.2%，差异显著（P＜0.05），这与前人在对土壤有机质空间分布研究中发现的有机质随土壤深度增加减小，有机质含量最大值均出现在土壤表层的结果相一致[15]。在本研究中产生这种差异原因可能是T 处理使用垂直钻头旋磨将土块切割成细小颗粒，使得土壤疏松以及通气性良好，并且微生物分解腐殖质活动增强，土壤中的养分更容易被激活，从而达到增加各层土壤有机质含量的效果。有研究表明有机质有助于结合土壤中单个土粒相从而形成团聚体，进而改变土壤的保水性能[16]。综上所述，粉垄耕作能够显著降低土壤容重，增加土壤有机质和孔隙度，从而改善土壤环境，增强土壤的持水能力。

表1 不同耕作方式下的土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil under different tillage methods

2.2 不同耕作方式下土壤含水量季节变化特征

降雨的分配及其有效性会直接影响土壤水分的空间分布[17]，进而导致土壤水分的季节变化有所不同。图1 是不同耕作方式下土壤含水量季节变化特征。从图1可以看出该区域降雨主要集中在5-10月，约占年降雨量76%，呈现出极为明显的时空分布不均。两种处理的土壤含水量在不同深度呈现出不同的变化特征。从整体来看，T 处理在0～10、10～30 cm 层的土壤含水量均值均高于NT处理，而30～50 cm 层则反之。此外，T 处理在0～10和30～50 cm 层的土壤含水量波动高于NT 处理，波动幅度与降雨量具有明显的同步性，但T处理10～30 cm层的土壤含水量波动与NT 处理相差不大，说明T 处理0～10 和30～50 cm层土壤水分在降雨期能够得到及时的补充，并且10～30 cm 作为一个水分传递层，土壤含水量的稳定性能够有效保障上下层土壤水分的传递与补给。值得注意的是，两种处理在12月的土壤含水量均值较大但土壤含水量波动幅度小，主要原因是12月处于甘蔗的收获期，此时气温降低，并且植被生长活动减弱，土壤水分消耗减少，处于缓慢累积阶段，其增加程度主要取决于降雨量的大小[18]。而5-10月处于甘蔗的快速生长期，气温较高，并且此时植物根系吸水和蒸腾作用强烈，土壤水分处在剧烈消耗阶段，此时土壤水分对降雨的响应极为明显，表现出土壤含水量波动强烈，但月均值变化不大的现象。

图1 不同耕作方式下土壤含水量季节变化特征Fig.1 Seasonal variation characteristics of soil water content under different tillage methods

2.3 不同耕作方式下土壤含水量对降雨的响应过程

降雨是土壤水分的主要来源，渗入土壤的水分依靠重力势和基质势向下运动到达不同的深度，表现为各层次土壤水分对降雨的响应[19]。从图2 不同处理方式下土壤水分对降雨的响应过程来看，可以将其分为平台期、上升期、峰值期及退水期[20]。在小雨事件下，两种处理各层次土壤含水量曲线无明显波动，造成这种现象的原因是降雨受到大气温度和植物覆盖的影响，致使土壤在满足降雨期间的蒸散发及植物截留后难以接收到多余的雨水进行深层补充。在中雨事件下，T处理0～10、10～30、30～50 cm 层次土壤的降雨响应曲线平台期分别为24、28、29 h，峰值为0.381、0.346、0.307 cm3/cm3，降雨初期土壤水分上升迅速而剧烈，降雨结束趋于平缓，而NT 处理的0～10 cm 土层平台期为30 h，峰值为0.317 cm3/cm3，变化幅度仅为13.2%，其余层次土壤含水量无明显变化，说明中雨事件中粉垄耕作的入渗补给效果要优于免耕。在大雨事件下，T 处理0～10、10～30、30～50 cm 层次土壤的降雨响应曲线平台期分别为10、10、17 h，各层次土壤含水量变化幅度分别为30.2%、26.1%、39.3%，NT 处理各层次土壤的降雨响应曲线平台期依次为10、19、20 h，变化幅度为36.9%、42.4%和12.9%，对比发现，T 处理10～50 cm 土壤含水量曲线平台期小于NT 处理，说明T 处理对降雨的响应更加明显；NT 处理0～30 cm 的水分变化幅度大于T 处理，而30～50 cm 的变化幅度相反，主要原因是土壤含水量的变化不仅取决于降雨，与土壤的初始含水量也密切相关。在暴雨事件下，T 处理在0～10、10～30、30～50 m 层土壤含水量的峰值0.395、0.412、0.362 cm3/cm3均高于NT 处理0.344、0.285、0.318 cm3/cm3，NT 处理各层次土壤含水量上涨点时间较T处理分别滞后1、2、5 h。

通过对各层次土壤水分的降雨响应过程分析可以看出，在整个降雨事件中，0～10 cm 层水分对降雨的响应最为强烈，而10～30 cm 次之，30～50 cm 土壤对降雨的响应最弱，并且不同层次土壤对降雨的响应时间有所不同。这是由于土壤表层最先接受降雨，表层土壤水分会迅速升高，从而增强土壤表层与下层之间的水势梯度，当降雨强度足够大或降雨时间较长时，表层土壤水分会接近饱和，此时表层向下的水分会通过再分布过程向下层入渗，补充下层土壤水分；降雨结束后，随着气温的回升和空气的流动，土壤表层水分迅速蒸发，水分在土壤表层滞留时间相对较短，形成土壤水分由低到高再迅速降低的变化趋势，这种趋势由上到下逐渐变弱，并且在时间上具有一定程度的延迟[21,22]。其次，对比两种耕作方式土壤含水量变化趋势发现，T处理的各层次土壤水分与降雨同步性强，对降雨的响应更为强烈，主要原因是耕作处理的土壤疏松多孔，在降雨发生时能够迅速入渗，并且粉垄耕作的垄沟会在降雨时蓄存水分[23]，这就决定表层土壤更易达到饱和，使水分更及时向下传递，从而使土壤各层次水分对降雨有明显的响应过程，而免耕由于表层土壤紧实度较高，在降雨发生时水分不易入渗，一部分降雨会形成径流流失，造成上层渗入的水分不能有效补充下层土壤，致使10～50 cm 对降雨的响应较弱。试验结果表明，小雨事件对土壤含水量的影响有限，两种处理的土壤含水量对降雨的响应程度均随降雨量的增加而有所提升，但粉垄耕作区的土壤含水量在降雨事件下表现出更为明显的响应过程。

2.4 不同降雨条件下土壤水分统计特征

表2 是不同降雨条件下土壤含水量统计特征及变异系数。随着降雨量的增加，不同处理各层次土壤含水量都有较为明显的提升，同一深度下土壤含水量变异系数也会随着降雨量的增加而增大。根据不同层次实测土壤含水量的变异系数，可以将研究区土壤层对降雨的响应分为3个层次：土壤含水量变异系数大于8.1%为活跃状态，变异系数在8.1%和5.4%之间为次活跃状态，变异系数小于5.4%为相对稳定状态[24]。在小雨事件下，两种处理各层次土壤含水量变异系数均小于5.4%，表明土壤含水量对小雨事件的响应较弱，土壤整体处于稳定状态。在中雨事件下，T处理土壤含水量变异系数均高于8.1%，而NT 处理均小于5.4%，说明T处理各层土壤处于活跃状态，但NT处理土壤整体处于稳定状态，NT处理各层次土壤不能得到充分的水分补给，这点可以从图2 和表2 中得到印证。在大雨和暴雨条件下，T 处理0～10 和10～30 cm 含水量变异系数均小于NT 处理，30～50 cm 反之，主要原因是降雨前T处理上层土壤水分较高，而30～50 cm 土壤含水量较低，在充分供水的条件下，上层土壤水分的变化幅度有限，而30～50 cm 土壤则能够得到充分补充。另外值得注意的是，降雨前T处理在0～30 cm 土壤含水量在整体上均显著高于NT 处理（P＜0.05），而30～50 cm 的土壤含水量小于NT 处理。一方面是因为T 处理的土壤耕层深厚，疏松多孔，土壤蒸发强烈，致使30～50 cm 土壤含水量较低；另一方面甘蔗作为须根系作物，通过根系吸水从而进行蒸腾作用，根系最长可达50 cm，而T处理为甘蔗根系伸长及植株生长营造了良好的环境。有研究表明，粉垄耕作后的甘蔗根长，株高，产量均有显著增加[25]，这就造成甘蔗蒸腾作用强烈，对深层土壤水分的消耗也较大。本研究表明：两种处理在小雨事件中土壤水分对降雨的响应较弱，在大雨和暴雨事件中各层次土壤水分均能够得到一定程度的补充，而在中雨事件下，粉垄耕作各层次土壤含水量对降雨响应明显，且免耕的土壤含水量增幅不明显。因此，在小雨或中雨过后免耕甘蔗地仍然需要进行适量的灌溉以保证作物生长发育，粉垄耕作的甘蔗种植在节水灌溉的研究中表现出更大的优势。

表2 不同降雨条件下土壤含水量均值及变异系数Tab.2 The mean value and variation coefficient of soil moisture under different rainfall conditions

图2 不同耕作方式下土壤水分对降雨的响应过程Fig.2 Response process of soil moisture to rainfall under different tillage methods

3 结论

本研究通过在典型甘蔗种植区设置粉垄耕作和免耕两种处理方式，揭示甘蔗地土壤水分在不同处理下对降雨的响应过程的变化规律，结论如下。

（1）粉垄耕作显著降低不同层次的土壤容重；在5、20、40 cm 层下有机质含量较免耕分别增加35.4%、69.7%、46.2%，差异显著，在一定程度上改善了土壤的原始结构和持水能力。

（2）在一次降雨过程中，土壤含水量随着降雨的持续不断增加，两者对降雨的响应时间随降雨量的增加而减小，不同层次土壤水分对降雨的响应程度由上到下依次减弱。粉垄耕作区的土壤含水量在不同降雨类型下均表现出对降雨极为明显的响应过程，各层次土壤水分在对降雨的响应也极为明显。

（3）从整体来看，同一深度下不同处理方式的土壤含水量变异系数会随着降雨量的增加而增大。土壤含水量变异系数随土壤深度增加呈现出先变大，后变小的趋势。在降雨前，粉垄耕作0～10、10～30 cm的土壤平均含水量均高于免耕，30～50 cm 反之；降雨发生后粉垄耕作30～50 cm 层土壤含水量及变异系数均大于免耕，进一步说明粉垄耕作后的表层土壤持水性强，并且深层土壤水分在降水时能够得到有效补充。

在本研究中，粉垄耕作能够改善土壤环境，增加土壤的表层土壤水分，并且在降雨发生时提高各层次土壤对降雨的响应程度，使各层次土壤得到及时有效的补充，从而保障了作物生长所需的土壤水分。研究结果表明粉垄耕作技术对广西甘蔗种植节水灌溉及高产增收有利，并为喀斯特地区水资源高效利用研究提供了一定的理论基础。