石漠化区雨季不同植被类型土壤水分温度动态变化及两者关系

赵 爽，余军林，罗 娅，石春茂，刘 洋

（1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550025；2.贵州省水利科学研究院，贵阳 550025）

0 引 言

土壤水分和土壤温度作为重要的水热资源，是反映陆地表面水热收支状况和陆—气间能量迁移转换的重要指标[1-3]。土壤温度的变化影响土壤水分的入渗、再分布和蒸发等过程，土壤水分的变化通过改变土壤的热力性质影响土壤温度[4]，两者之间相互作用、相互影响[5,6]。此外，受区域地质地貌、气候、植被、土壤理化性质和人类干扰等影响[7-9]，土壤温度和土壤水分具有较强的时空异质性[10-13]，影响着植被生长和分布状况[14-16]。

石漠化区斑块破碎，人为干扰程度高，土壤不连续且薄，植被覆盖率低，是我国典型的生态脆弱区。植被恢复为石漠化治理最有效的生态修复途径[17]。然而，石漠化区地表和地下双层水文结构，水文过程迅速，地表水保蓄能力差，地表干旱经常发生，导致土壤水分成为植被生长的重要限制性因素[18-20]，受到学者们的高度关注。如吴克华等[21]运用固定样地监测法，研究喀斯特峡谷区土壤温度与石漠化强度的关系，结果表明喀斯特峡谷区土壤温度与石漠化等级程度相关性不大。王思砚[22]等采用土样烘干法、自动监测等方法，研究不同石漠化等级的土壤水分差异及地质、地形、土壤等因素对土壤水分的影响。徐慧芳等[23]在峰丛洼地坡面进行控制性试验，分析土地利用方式下土壤水分的季节差异。彭熙等[24]采用烘干法、蒸发仪法和快速称重法等方法研究喀斯特峡谷区经济林地土壤水分，并划分出土壤水分垂直变动带。王膑等[25]探讨喀斯特峡谷区不同植被类型的土壤水分时空差异，表明花椒林地水分含量高，具有较高保持水土效益。这些研究成果为认识石漠化区土壤水分和土壤温度的时空异质性提供了重要参考，但并未深入探讨石漠化区典型植被类型各层土壤水分之间、各层土壤温度之间，以及土壤水分与土壤温度之间相互关系，一定程度上局限了研究成果在石漠化植被修复中的树种选择、种植方法及其管理的应用。

综上，以花江石漠化区为研究区，运用原位监测方法，研究石漠化区不同植被类型土壤水分与土壤温度的动态变化，揭示各层土壤水分之间、土壤温度之间，以及土壤水分与土壤温度之间3种相互关系，为该地区植被恢复的林种选育和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

花江石漠化区位于贵州省关岭县南部和贞丰县北部交界处、北盘江中游的花江河段南北两岸，地理坐标为105°36′30″E～105°46′30″E、25°39′13″N～25°41′00″N，总面积约47.63 km2。地势西高东低，河谷深切，最高海拔1 359 m，最低海拔446 m。地貌多为峰丛洼地、峰丛峡谷。喀斯特面积高达94%，石漠化面积占喀斯特面积的61.2%。属于中亚热带干热河谷气候，年降水量约1 100 mm，但时空分布不均，多集中于5-10月；气候温和，年均温度16.4 ℃，冬暖春旱，热量丰富，无霜期长。土壤主要有红色石灰土、红小泥土、红大泥土、黄色石灰土、黑色石灰土等类型，表现出薄、瘦、干、粘、碱等特性。植被以人工植被为主，有香椿、复羽叶栾树、核桃、构树、甘蔗、金银花、芭蕉、砂仁和竹类等。区内基岩出露，土层薄而不连续，土壤贫瘠，地下水埋藏深，地表干旱，农业生产力较低。全区辖9村52村民组，人口密度167人/km2，是贵州省生态极为脆弱的地区。

1.2 样地设置

在花江石漠化区南岸(地理坐标为105°38′51.73″E～105°38′53.34″E、25°39′39.58″N～25°39′41.37″N)，选择空间近邻的顶坛花椒、复羽叶栾树和构树地块(分别代表人工经济林、原生乔木和原生灌木)作为实验样地，每个样地选取5 株样树。由于3 种植被分布于石漠化地块中，受土地不连续分布影响，植株密度不甚均匀。因此，为满足“每个样地至少选取5棵样树”的抽样需求，在海拔、坡度、坡向等自然特征相似的地块设置顶坛花椒、复羽叶栾树和构树3个样地(规格见图1和表1)，样树特征如表2所示。

表1 样地特征Tab.1 Main characteristics of treatment plot

表2 样树特征Tab.2 Main characteristics of sample trees

图1 实验样地平面示意图Fig.1 The plane schematic diagram of experimental plots

1.3 数据测定

时域反射仪(TDR，Time Domain Reflectometer)广泛用于高精确度土壤水分含量测定。本研究采用德国生产的TDR 土壤水分仪(型号：TRIME-PICO64，IMKO，精度：±0.2 ℃、±0.2%)和TRIME-HD2 读数表测试土壤水分和土壤温度。将传感器探头分别置于顶坛花椒、复羽叶栾树和构树(共15株)林下深度为0～5、5～10、10～20 和20～40 cm 的4 个土壤层中部(即2.5、7.5、15 和30 cm 处)测定数据，进行逐日监测，监测时期为2016年7月28日至8月19日，每日时间为早上9:00-11:00，每层土壤水分和土壤温度值以重复3 次测试的算术平均值记录。

1.4 数据分析方法

采用变异系数对土壤水分和土壤温度的稳定性进行评估，计算公式如下：

式中：C.V为变异系数；S为标准偏差；X为均值。

C.V值越小，离散程度越小，状态越稳定；反之，离散程度越大，状态越不稳定。根据雷志栋[26]对土壤水分变异系数(C.V值)的等级评估标准，将变异程度等级划分为：C.V≤0.1 为弱变异性、0.1

采用皮尔逊相关系数对土壤水分和土壤温度的相互关系进行评估。皮尔逊相关系数的计算方法如下：

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤水分和温度平均状况与稳定性

计算3 种植被土壤水分和土壤温度的平均值和变异系数(表3和表4)。结果表明：

表3 土壤水分稳定性Tab.3 Soil moisture stability

表4 土壤温度稳定性Tab.4 Soil temperature stability

（1）从表3 可知，土壤水分平均值呈现顶坛花椒(34.7%)>复羽叶栾树(33.8%)和构树(33.4%)的趋势，其变异系数呈现顶坛花椒(0.13)=构树(0.13)<复羽叶栾树(0.15)的趋势。可见顶坛花椒的土壤水分含量较高且状态较稳定。

（2）从表4可知，土壤温度平均值呈现构树(29.3 ℃)>复羽叶栾树(27.9 ℃)>顶坛花椒(27.3 ℃)的趋势，其变异系数呈现顶坛花椒(0.04)=复羽叶栾树(0.04)<构树(0.07)，可见顶坛花椒的土壤温度较低且状态较稳定。

（3）从表3可知，3种植被各层土壤水分垂直变化表现为：0～10 cm 迅速增加，10～40 cm 缓慢增加，总体呈现从上到下递增的趋势。各层平均土壤水分含量具体表现如下，0～5 cm：复羽叶栾树(24.9)>顶坛花椒(24.6)>构树(23.7)；5～10 cm：顶坛花椒(37.0)>复羽叶栾树(34.8)>构树(33.6)；10～20 cm：顶坛花椒(37.5)>构树(37.3)>复羽叶栾树(36.6)；20～40 cm：顶坛花椒(39.7)>构树(39.0)>复羽叶栾树(38.8)；显示顶坛花椒各层土壤水分含量相对较高。

（4）从表4可知，土壤温度垂直变化总体表现从上至下降低的趋势，各层的平均土壤温度呈：0～5 cm：构树(29.3)>复羽叶栾树(27.9)>顶坛花椒(27.5)；5～10 cm：构树(29.4)>复羽叶栾树(27.9)>顶坛花椒(27.4)；10～20 cm：构树(29.2)>复羽叶栾树(27.9)>顶坛花椒(27.3)；20～40 cm：构树(29.1)>复羽叶栾树(27.9)>顶坛花椒(27.1)；显示构树各层土壤温度最高。

2.2 不同植被类型土壤水分和土壤温度动态变化

图2 显示了3 种植被2016年7月28日至2016年8月18日的土壤水分和土壤温度动态变化。3种植被各土层土壤水分大致呈现：在7月28日至7月30日为增长期，7月30日至8月5日为稳定期，8月5日至8月16日为一个减小和增长相间的波动期，8月16日至18日为消退期。从各土层看，0～10 cm 水分波动较大，10～40 cm 水分较为稳定，其中，顶坛花椒和复羽叶栾树5～10 cm 土壤水分在8月14-17日出现了较大波动，在8月16日达到最高值；构树的土壤水分最高值出现在8月16日10～20 cm土层。

图2 土壤水分和土壤温度时间动态变化Fig.2 The dynamic change of soil moisture and soil temperature

3 种植被土壤温度在7月28-30日呈下降趋势，7月30日至8月5日为稳定期，8月5-18日为一个减小和增大相间的波动期，最高值出现在8月9日和8月10日。

2.3 土壤水分与土壤温度的相互关系

2.3.1 各垂直分层间土壤水分相关性

图3 显示了3 种植被各垂直分层土壤水分之间的皮尔逊相关系数R。其中，顶坛花椒5～10 cm 与0～5 cm，10～20 cm与5～10 cm，20～40 cm 与10～20 cm 的相关系数分别为0.383、0.311、0.232；复羽叶栾树5～10 cm 与0～5 cm，10～20 cm 与5～10 cm，20～40 cm 与10～20 cm 的相关系数分别为0.504、0.751、0.665；构树5～10 cm 与0～5 cm，10～20 cm与5～10 cm，20～40 cm 与10～20 cm 的相关系数分别为0.603、0.491、0.396。综上，3 种植被上、下层之间土壤水分含量总体呈现正相关关系；上、下层间土壤水分的相关性顶坛花椒最低，构树次之，复羽叶栾树最高。

图3 各垂直分层之间的土壤水分相关系数Fig.3 The correlation coefficient between soil moisture in each vertical layer

2.3.2 各垂直分层间土壤温度相关性

图4 显示的是3 种植被各垂直分层土壤温度之间的皮尔逊相关系数R。其中，顶坛花椒5～10 cm与0～5 cm、10～20 cm与5～10 cm、20～40 cm 与10～20 cm 的相关系数分别为0.958、0.969、0.946；复羽叶栾树5～10 cm 与0～5 cm、10～20 cm 与5～10 cm、20～40 cm 与10～20 cm 的相关系数分别为0.976、0.860、0.875；构树5～10 cm 与0～5 cm、10～20 cm与5～10 cm、20～40 cm 与10～20 cm 的相关系数分别为0.937、0.953、0.887。综上，3 种植被各层之间的土壤温度具有极显著的正相关关系(P<0.01)。

图4 各垂直分层之间的土壤温度相关系数Fig.4 The correlation coefficient between soil temperatures in each vertical layer

2.3.3 各垂直分层土壤水分与土壤温度相关性

图5 显示3 种植被各垂直分层间的土壤水分与土壤温度的皮尔逊相关系数R。顶坛花椒0～5 cm 和5～10 cm 的土壤水分与土壤温度的相关系数分别是-0.275和-0.307，存在显著的负相关(P<0.01)；10～20 cm 和20～40 cm 的土壤水分与土壤温度的关系数分别是-0.165、-0.181，负相关不显著。复羽叶栾树0～5、5～10、10～20 和20～40 cm 的土壤水分与土壤温度的相关系数分别为-0.468、-0.474、-0.450、-0.405，存在较显著负相关关系(P<0.01)。构树4 个土层从上至下依次为-0.441、-0.462、-0.398、-0.520，表现出较显著的负相关关系(P<0.01)。

图5 土壤水分与土壤温度相关系数Fig.5 The Correlation coefficient between soil moisture and soil temperature

结果表明3 种植被各层土壤水分与土壤温度呈负相关关系。其中，0～20 cm 土壤水分与温度相关程度表现为：复羽叶栾树>构树>顶坛花椒，20～40 cm 土壤水分与温度相关程度表现为：构树>复羽叶栾树>顶坛花椒。综述，可见顶坛花椒各层土壤水分受土壤温度影响程度最小。

3 讨 论

3.1 植被根系特征对土壤水分和土壤温度的影响

植被根系是影响土壤含水量的主要因素[27-29]，“浅根型”植物具有对表层土壤水分吸收强、水分利用率高、耗水小的特性[30]。在本研究土壤水分含量均值呈现顶坛花椒>复羽叶栾树>构树，土壤温度均值呈现构树>复羽叶栾树>顶坛花椒的特点。可知，顶坛花椒样地土壤水分含量最高而土壤温度最低。原因在于，顶坛花椒作为浅根性植物，为适应石漠化区土层浅薄的生境，其侧向根系发达，吸收根集中在0～10 cm，能够有效吸收利用地表水分或少量降雨[31]。此外，对于叶量和叶面积小而吸收根发达的植被而言，植被根系对地表土壤水分吸收效率高，且蒸腾作用小，因而对土壤水分消耗较小[32]，由此也会使得该类植被的土壤水分含量较高。这也比较符合顶坛花椒的根系、叶片以及土壤水分含量特征。

由前述可知，由于顶坛花椒吸收根发达且分布浅，对表层土壤水分吸收能力强，加之叶量较少、叶面小，使得蒸腾量小，因此有顶坛花椒分布的地表土壤水分含量高，土壤温度也因土壤湿润而比较低。而复羽叶栾树是多年生高大乔木，根系发达，但其冠幅、叶面积和叶量相对顶坛花椒较大，蒸腾作用对地表水分吸收量大，因而地表土壤水分含量会降低，但也因其宽大的冠幅和较高的郁闭度，有效减少地面接受太阳辐射而使得土壤温度较低。构树是低矮灌木，具有显著的岩生性，主要分布在土量少的石窝或者岩缝中。此外，构树根部靠近岩石，其周围岩石在阳光照射下相比土壤升温快，使得构树根部土壤温度较高。加之构树冠幅小、叶量少而叶面大，其叶面蒸腾和土面蒸发量大，所以构树表层土壤水分含量最小且土壤温度最高。

3.2 顶坛花椒不同土层土壤水分与土壤温度相关性不一致的可能原因

研究发现：顶坛花椒0～5 cm和5～10 cm层的土壤水分与土壤温度呈显著负相关(P<0.01)，而10～20 cm和20～40 cm的土壤水分与土壤温度负相关不显著。可知，顶坛花椒各土层的土壤水分和土壤温度都存在负相关，但10 cm 以上土壤水分和土壤温度的负相关更显著。这种特点的产生可能与顶坛花椒的浅根特征和蒸散发等因素有关[33,34]，顶坛花椒吸收根集中分布于0～10 cm，根系吸收对该层土壤水分消耗大，加上夏季日照时间长，表层土壤温度较高，土壤表面蒸发和林冠蒸腾量大，因而与下层土壤水分形成水势差[32]，使土壤水分发生垂直运动，下层水分补充上层损失的水分。

4 结 论

土壤水分和土壤温度深受植被类型的影响。对花江石漠化区的土壤水分和土壤温度开展研究，结果表明：

（1）对比顶坛花椒、复羽叶栾树和构树，顶坛花椒的土壤水分含量较高、土壤温度较低，时空变异性小，状态稳定。

（2）在土壤水分温度的垂直变化上，3种植被的土壤随深度增加水分含量增加、土壤温度降低，顶坛花椒各层土壤水分含量最高，土壤温度最低。

（3）3种植被各层的土壤水分与土壤温度，除顶坛花椒10～20 cm 和20～40 cm 负相关不显著，其他都具有显著负相关(P<0.01)，相关程度上：0～20 cm 呈复羽叶栾树>构树>顶坛花椒、20～40 cm 呈构树>复羽叶栾树>顶坛花椒；各层土壤水分与邻近上层土壤水分具有显著的正相关；各层之间的土壤温度具有极显著的正相关关系(P<0.01)。

综上，顶坛花椒雨季平均土壤含水量较高，其时空变异小，表明作为石漠化治理区主要人工经济林的顶坛花椒具有较好持水效益，在今后的生态治理和产业培育工作中对顶坛花椒应进一步选育改良和加强管理。