乌东德库区消落带土壤水分分布特征

金 可，万 丹，于 江，张 怡，刘文祥，胡 月，赵 姹，郭天雷

[1.长江水利委员会长江科学院重庆分院，重庆 400026；2.中国三峡建工（集团）有限公司环境保护部，成都 610023]

干热河谷是我国西南地区局部干旱的河谷型区域，气候干燥少雨，水热矛盾突出，土壤水分与养分极度匮乏，水土流失严重，植被覆盖率低，是我国生态环境脆弱地区之一[1]。尽管生态环境恶劣，但区内光热资源丰富，金沙江、怒江和元江等流域水能资源储存量巨大，是我国水电开发的重要区域。随着水电站建成、周期性水位调度和反季节波动，库区沿岸逐步形成一种干湿交替的水域与陆地环境过渡地带，即消落带。消落带生态环境修复是水库建设工程面临的重难点，对改善和保护库区环境意义重大。土壤水是制约消落带植被生长发育的主控因子之一，对消落带适生植物生长发育作用显著。

土壤水分是干热河谷地区最重要的水资源之一，是降水和地下水物质与能量交换的关键纽带，是植物生长的主要水源，也是抑制土壤沙漠化的重要因子，更是降水-土壤水-地下水-植物水系统水力联系与水文循环的核心。虽然在水文循环中土壤水仅占较小的比例，但对生态系统的发育至关重要，是溶解物质的载体和水文系统的关键所在[2-3]。目前，针对干热河谷土壤水分时空变化特征和影响因素进行了大量研究，并取得了丰硕成果。土壤含水量随土壤深度增加而增加，雨季水分含量明显高于旱季，土壤含水量变化速率也高于旱季[4-5]。基于元谋干热河谷典型冲沟不同部位土壤水分的长期监测，学者分析冲沟不同部位土壤水分时空变化特征，得出土壤平均含水量随时间变化可分为消耗期、积累期和消退期3个阶段，年内土壤水分含量及变异系数随着土层深度增加呈现出先减小后增大的分布特征[6]。根据土壤对降雨的蓄积和利用情况，可将土壤剖面分为水分剧烈变化层、弱利用层、草本植物水分利用层和土壤水分微调节层[7]。研究表明，土壤水分含量不仅受到海拔和局部地理条件影响，同时也受到土壤质地、有机质含量和植被覆盖率等环境因子控制。例如，干季土壤水分随着海拔高度增加而增加，相同海拔高度不同的土地类型土壤含水量呈现一定差异，但整体上均低于8%[8]。不同环境影响下干热河谷沟壑区表层土壤含水量的变化规律差异明显，燥红土表层土壤含水量低于变性土，植物覆盖率较高区域土壤水分含量也明显高于植物覆盖率低的地区[9]。旱季干热河谷阳坡土壤水分低于阴坡的主要原因是受到蒸发影响，含水量呈现出空间差异性[10]。降雨对改变土壤水分含量分布至关重要，不同土地利用类型10 cm深处的土壤含水量变化显著，对降雨的响应明显[11]，相同降雨情形下，坡下部土壤水分含量最高，坡中部次之，而坡上部最低[12]。环境因子对土壤水分的影响也不尽相同，土壤水分时空变异的驱动因子，旱季主要受到土壤特性、植被类型和微地形等控制，雨季则主要受到汇水面积、径流的非局地因子影响[13-15]。坡面植被覆盖能够明显改变土壤水文分布，维持土壤水分含量，对20 cm以下土层水分含量作用尤为显著[1]。

干热河谷库区消落带受到水库运行形成的干旱和湿润环境交替影响，土壤水分空间分布规律和季节变化特征直接影响到区内植被生长状态。然而，目前土壤水分研究多集中于干热河谷典型植被利用地区，对库区消落带土壤水分分布特征研究仍存在不足。随着金沙江下游多座梯级水电站建成运行，库区沿岸形成了大规模消落带区域。其中，乌东德水电站是金沙江下游第一级水电站，区内干旱少雨，受干热河谷气候影响较大。本文通过研究乌东德库区消落带土壤水分分布特征，查明淹水前消落带土壤水分空间变化规律，为植被生长提供基础数据，也为库区消落带生境改善提供参考。

1 研究区概况

乌东德库区消落带试验区位于云南省楚雄彝族自治州武定县己衣镇新民村，地理坐标范围为东经 102°12′22″～102°13′38″，北纬 26°9′27″～26°10′16″（图1）。消落带试验区属于典型的干热河谷气候，降雨主要集中于雨季（6—10月），年平均降雨不足100 mm，多年平均蒸发量高达3 800 mm，旱季（11月至次年5月）气温高于40℃的日数占绝大部分。试验区土壤利用类型主要包括农田和林地，其中农田土壤类型以砂壤土为主，林地则以砂壤土或沙土为主。试验区植被覆盖率较低，多以耐旱植物为主，植物群落类型包括车桑子+扭黄茅群落、银合欢+滇刺枣+扭黄茅群落和银合欢纯林群落等[16]。试验区水资源匮乏，灌溉和居民用水主要来源于山间泉水。

图1 乌东德库区消落带土壤样品采集空间位置示意图Fig.1 Sampling locations of soil water in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

2 样品采集与分析方法

乌东德库区土壤样品采集时间为2020年5月。根据库区消落带生态修复设计，水平方向自下游至上游依次划分为4个试验分区，在每个试验区分别设土壤监测分区（A区至D区）。结合试验区高程梯度修复模式，每个土壤监测分区分别于970～975 m、960～970 m和952～960 m高程区域内采集1个土壤剖面。其中，970～975 m高程区域采集土壤剖面依次记为A1、B1、C1和D1，960～970 m高程区域采集土壤剖面依次记为A2、B2、C2和D2，952～960 m高程区域采集土壤剖面依次记为A3、B3、C3和D3。土壤剖面样品采用人工钻采集，自地表至1 m深，每隔10 cm采集一个原状土壤样品，累计采集土壤样品132个。样品储存于密封性良好且事先称重的铝盒中，现场测定铝盒和湿土总重量，并记录采样点位。土壤样品采集信息见表1。

表1 乌东德库区消落带土壤样品采集地理位置Table 1 Geographical locations of soil samples in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

土壤含水量采用烘干称重法测定，将采集的土壤样品运回实验室，放置于烘箱中，温度设定为105℃，连续烘干24 h。待铝盒冷却后，使用野外称量电子秤称重，连续称量3次，取平均值。根据烘干前后土壤样品质量差，计算得出土壤含水量。

3 结果与讨论

不同试验区5月土壤水分含量均较低，但试验区之间土壤水分存在较大差异。土壤水分含量统计数据见表2。

表2 乌东德库区消落带不同土壤剖面水分含量统计表Table 2 The soil moisture contents of different soil profiles in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

3.1 土壤含水量空间分布特征

A区土壤剖面含水量变化范围为0.93%～5.56%，平均值为3.00%；B区土壤剖面含水量变化范围为0.11%～2.73%，平均值为0.69%；C区土壤剖面含水量变化范围为0.21%～2.83%，平均值为0.88%；D区土壤剖面含水量变化范围为0.39%～1.72%，平均值为1.00%（表2）。整体上，试验区水平方向土壤水分含量变化规律为A区＞D区＞C区＞B区。土壤含水量旱季主要影响因素包括土壤特性、植被类型和微地形等[13]。A区以农田耕地为主，土壤类型以壤土为主，当地农作物生长较多，最大含水量超过5%，是试验区土壤含水量最高的区域；B区大部分为荒滩地，少量为林地，土壤以沙土为主，夹杂大量碎石，土壤水分含量最低；C区和D区主要以梯田为主，土壤类型主要为砂壤土，乡土草本和灌木植物覆盖度近似，两者土壤含水量差异较小。结合试验区现场调研，4个试验分区水源相同，灌溉方式一致，土壤含水量空间分布差异主要受到土壤类型和植被覆盖率影响，壤土和植被覆盖率较高的区域水分含量较高，而沙土和植被覆盖率较低的区域土壤较为干燥。因此，土壤特征和植被覆盖率是影响土壤水分分布的主控因素。

3.2 土壤含水量随深度变化特征

除了A区土壤剖面，其余试验分区剖面土壤水分含量随深度变化趋势基本一致（图2）。表层土壤水分含量均相对较低，主要受到地表高强度蒸发影响。A区剖面土壤水分含量变化最为复杂，其中，A1剖面土壤水分随深度增大呈现先增大后减小再增大的趋势，并在40 cm深达到最大值；A2剖面土壤水分整体上呈现逐步增大的趋势，并在80 cm深达到最大值；A3和A1及A2剖面水分分布显著不同，靠近地表10 cm处水分含量较高，而随着深度增大水分含量不断减小，80 cm深达到最小值，随后水分含量增大（图2）。因此，A1和A2剖面土壤水分分布可作为A区水分含量分布的代表，从上到下受不同环境因子影响，呈现出较为不同的分布特征。表层至40 cm深，地表蒸发对土壤水分影响较大，水分含量普遍不高，随着土层加深，蒸发对其影响逐步减小，水分含量出现一定程度的增长。剖面深层（＞80 cm）土壤水分出现一定范围的波动，水分含量变化潜在影响因素包括植被根系吸水和根系截留[17]。

B区至D区剖面水分随深度变化趋势近似，除了个别剖面出现水分含量突变，其余剖面水分含量随深度稳定波动（图2）。自表层至1 m深，土壤水分变化可大致分为3个不同阶段，第一阶段为剖面表层，受蒸发影响水分变化幅度最大；第二阶段为表层至50 cm深，土壤水分在较小范围内波动；第三阶段为50 cm至1 m深，土壤水分波动范围变大。表层至50 cm深，土壤水分受到地表蒸发和植物吸水共同作用，而50 cm至1 m深，地表蒸发对土壤影响较弱，水分分布主要受到植物吸水影响。因此，研究区土壤水分随深度变化主控因素为地表蒸发和植物吸水，50 cm至1 m深土层水分含量是植物生长的重要水源之一。

图2 乌东德库区消落带修复试验区剖面土壤水分分布图Fig.2 The distribution profiles of soil water in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

3.3 不同高程区域土壤含水量变化规律

研究区不同高程区域剖面土壤水分变化规律不一（图3）。其中，A区剖面土壤水分含量随着高程增大而减小，A1至A3剖面土壤水分含量平均值分别为3.91%、2.55%和2.53%；B区和D区剖面土壤含水量随着高程增大呈现出先增大后减小的趋势，B1至B3剖面土壤水分含量平均值分别为0.63%、0.90%和0.55%，D1至D3剖面土壤水分含量平均值分别为1.03%、1.29%和0.68%；C区剖面土壤含水量随着高程增大呈现出逐步减小的趋势，C1至C3剖面土壤水分含量平均值分别为1.33%、0.64%和0.66%（表2）。

图3 乌东德库区消落带修复试验区不同高程剖面土壤水分分布图Fig.3 Soil moisture distribution profiles at different elevations in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

952～960 m高程区域不同试验分区土壤水分波动最大，970～975 m高程区域土壤水分差异最小，而960～970 m高程区域土壤水分波动范围适中（图3）。试验区970～975 m高程区域坡度较缓，消落带修复植被主要为乔木和灌木，试验区952～960 m高程区域坡度较陡，修复植被主要以草本为主，土壤水分变化特征表明地形条件和植被类型是土壤水分分布的潜在控制因素[13-15]。此外，相同高程区域不同试验分区土壤水分之间呈现出弱相关或负相关（表3）。研究区主要水源为灌溉用水，水源一致而土壤水分相关性较差，表明不同分区土壤水分差异主要受环境因子影响。952～960 m高程区域地貌起伏较大，既有较为平整的梯田，也有纵横交错的冲沟，不同区域水分储存空间差异明显，表明试验区土壤水分含量受到微地形影响；970～975 m高程区域植被主要为乔木和灌木，但不同试验分区植物物种不同，表明植被类型也是影响土壤水分分布的因素之一；960～970 m高程区域植物主要以草本为主，乡土草本植物群落一致，引入草本主要以狗牙根为主，因此，土壤水分含量存在一定联系。综上所述，不同高程区域土壤水分分布规律受多种因素影响，主要影响因素包括微地形和植被类型。

表3 乌东德库区消落带不同高程区域土壤水分相关关系Table 3 Correlation relationship between soil moisture profiles at different elevations in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

4 结语

本文系统分析了乌东德库区消落带土壤水分含量，揭示了研究区水分含量分布特征和变化规律，并探讨了影响土壤水分分布的因素。主要结论如下：

（1）研究区5月土壤水分含量较低，绝大部分不足5%，属于典型的干旱土壤。土壤特征和植被覆盖率是影响土壤水分含量的主要因素，壤土和植被覆盖率高的区域土壤水分含量明显高于沙土和植被覆盖率低的区域。

（2）土壤剖面自表层至1 m深，可分为地表蒸发直接影响区、蒸发和植物吸收共同影响区，剖面水分垂直方向分布主要受到地表蒸发和植被吸水影响，50 cm以下深度土壤水分受蒸发影响较小，是试验区植物生长的潜在水源之一。

（3）不同高程区域土壤水分相关性较差，水分含量受到多种因素影响，微地形和植被类型是影响剖面土壤水分分布的主控因子。