巖溶斷陷盆地不同地貌部位土壤水時空分布規(guī)律及其影響因素

曾 銳, 張 陶, 蒲俊兵, 李建鴻, 王賽男, 陳金珂

(1.中國地質科學院 巖溶地質研究所/自然資源部、廣西巖溶動力學重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2.重慶市巖溶環(huán)境學重點實驗室, 西南大學 地理科學學院, 重慶 400715)

土壤水是陸地水文循環(huán)中必不可少的組成部分，它不僅是大氣、地下、地表、植物相互聯系的紐帶[1-2]，也是土壤—植物—空氣系統(tǒng)中物質和能量傳輸的驅動因素。在地形、氣候、土壤性質和植被等復雜的環(huán)境因素影響下，表現出復雜的時空動態(tài)。研究土壤水的時空動態(tài)是生態(tài)、水文和環(huán)境研究的前提，有利于水土保持、土壤養(yǎng)分和水分管理以及生態(tài)恢復[1,3]。巖溶石漠化地區(qū)所具有的土壤覆蓋不連續(xù)，土層薄，持水能力較低的特點是植物生長、土壤保持和水分平衡的主要限制因素[4-8]。因此，了解不同時空尺度下土壤水的動態(tài)及其控制因素是管理土壤水資源和控制土壤侵蝕及石漠化的必要條件[5-6]。

當前關于巖溶地區(qū)的研究大多都集中在土壤水動態(tài)方面，認為土壤水是巖溶生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因素[5]。巖溶區(qū)土壤水受地形、氣候、土壤性質、植被覆蓋和巖石碎片的影響[4,9-13],通常表現出較高的時空異質性。對地中海巖溶丘陵區(qū)3個坡地土壤水的連續(xù)監(jiān)測發(fā)現，土壤水的空間變化主要受土壤性質和地表覆蓋差異性的影響[10]。而在意大利中部地中海半濕潤氣候下的一項土壤水研究表明，地形在土壤水分空間變化中發(fā)揮重要作用[9]。Hasselquist等則認為植被類型和冠層覆蓋可以通過蒸騰、降水再分配、截留和土壤滲透對土壤水分動態(tài)產生影響[14]。陳洪松等[4]通過對巖溶峰叢地區(qū)不同土地用途下0—10 cm深度土壤水的時間動態(tài)觀測，指出土壤水在天然灌叢中較高，在經濟林地中較低，表明不同的植物覆蓋也會對土壤水含量造成影響。同時，巖溶洼地土壤水的時間動態(tài)主要受降水和土地利用的影響[13]，且淺層土壤水的時空動態(tài)具有均勻和穩(wěn)定的特征[12]。此外，巖石裂隙也控制土壤水分分布、運動和入滲。這主要是由于巖石裂隙對降水具有收集功能，即水分在巖石—土壤界面的擇優(yōu)流動，導致降水入滲的增加[15-18]。另外，也有研究發(fā)現貴州和廣西巖溶洼地土壤含水量與土層深度呈正相關關系[19-20]。綜上，由于影響因素復雜，巖溶區(qū)土壤水總是具有顯著時空差異性的。

我國西南地區(qū)是世界巖溶分布最為典型的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境脆弱而特殊[6,21]。自20世紀以來，由于西南地區(qū)人類活動愈發(fā)強烈且不合理，水土流失和森林砍伐嚴重[6]，巖溶石漠化成為西南地區(qū)最嚴重的生態(tài)問題之一。為控制水土流失和生態(tài)退化，自20世紀90年代末以來，中央和地方政府一直在實施大規(guī)模的退耕還林工程和巖溶石漠化修復工程[6]。

云南省裸露碳酸鹽巖面積為9.34萬km2，2016年石巖溶沙化面積為2.35萬km2，面臨著嚴重的生態(tài)恢復任務[22]。作為云南省東部巖溶高原上最為主要的巖溶地貌類型，巖溶斷陷盆地的石漠化主要發(fā)生在巖溶高原以及由盆地到高原的過渡山坡上[23]，巖溶石漠化治理任務艱巨。因此了解盆地—坡面—高原山區(qū)不同位置的土壤水動態(tài)，揭示其時空特征和控制因素，有利于生態(tài)恢復的實施。本研究選擇在盆地、坡地和高原山區(qū)3個地貌部位布設高分辨率長期監(jiān)測點探討不同地貌部位土壤水的動態(tài)變化規(guī)律。目的是(1) 探討巖溶斷陷盆地土壤水的時空動態(tài)及影響因素；(2) 了解西南巖溶斷陷盆地橫向地形過渡帶在土壤水時空動態(tài)中發(fā)揮的作用，對合理處理當地石漠化防治中的水土關系具有科學意義。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蒙自巖溶斷陷盆地位于云南東南部(圖1)，覆蓋蒙自、開遠兩市，是新生代高原隆升引起的斷陷差異及侵蝕和溶蝕共同作用形成的山間盆地[24]。總體上，蒙自巖溶斷陷盆地的地形可分為3類：山地巖溶區(qū)(高原面)、平坦巖溶盆地(盆地)和過渡帶(坡面)[25]。蒙自斷陷盆地大致呈南北走向，盆地(平均海拔1 250 m)和高原面(平均海拔2 200 m)的海拔差異明顯[25-26]。盆地區(qū)多為第三系、第四系沉積物(以黏土，泥灰?guī)r和泥巖為主)，沉積厚度大(100～800 m)，而裸露的碳酸鹽巖主要分布在山坡和巖溶高原，總面積約950 km2。巖溶高原是一個典型的巖溶地區(qū)，呈現溶丘—洼地地貌，多石林，巖溶山丘，落水洞等地貌。但是，由于強烈的水土流失和廣泛暴露的可溶性巖石，巖溶石漠化程度嚴重。

蒙自巖溶斷陷盆地整體屬于亞熱帶季風氣候，年平均降水在832 mm左右，年均氣溫為19.5℃，降水多集中在6—9月，占全年降水量的70%。主要有5種土地利用類型：林地、草地、耕地、水體和建設用地(城鎮(zhèn)和其他城市化地區(qū))，在高原面上主要的土地利用類型為草地和耕地[25]。根據該地區(qū)的水文地質調查，盆地和高原沒有地表溪流[26]。區(qū)內坡面、裸巖面匯集的雨水多數通過石溝、石縫和巖土界面快速進入巖溶含水層，使得該地區(qū)多呈干旱缺水狀態(tài)，且雨水為土壤水的唯一補給來源。

1.2 研究方法

1.2.1 樣點設置及數據選擇 為了更好地了解蒙自巖溶斷陷盆地不同位置土壤水的特征，本研究選擇盆地—坡面—巖溶高原剖面沿線的3個監(jiān)測點，對土壤含水量和氣象參數進行長期定點監(jiān)測(圖1)。3個監(jiān)測點分別是：盆地大洼子站(103°23′47″E，23°28′22″N，海拔1 363 m，后文簡稱盆地)，為撂荒地，多茅草和桉樹；坡面朵古村站(103°26′13″E，23°27′43″N，海拔1 846 m，后文簡稱坡面)，為果園地，植被多為應季農作物和蘋果樹；高原山區(qū)牛耳坡站(103°27′09″E，23°27′08″N，海拔2 086 m，后文簡稱高原面)，位于蘋果園中。這3個地點都位于蒙自巖溶斷陷盆地的巖溶石漠化地區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置(A)以及監(jiān)測點分布(B)

在3個監(jiān)測點處利用Campbell公司的CR800自動氣象站收集氣象數據，每30 min記錄一次氣溫、濕度、降水等氣象數據，分辨率分別為0.02℃，0.1%，0.2 mm。對于土壤含水量數據的采集，則是在氣象數據采集器上搭接MT-5型號土壤水分、溫度傳感器，根據監(jiān)測點周圍土壤垂直分布情況，設計MT-5傳感器埋深分別為10 cm，40 cm和80 cm，30 min記錄一次數據。按監(jiān)測得到的數據情況，選擇2017年7月到2019年12月的氣象和土壤水分含量數據作為分析基礎。在設置采樣點的同時，采集每個監(jiān)測點土壤表層樣品，用于測量表層土壤粒徑分配、孔隙度、飽和電導率以及土壤容重。

1.2.2 數據分析方法 通過Microsoft Excel 2010對2017年7月至2019年12月30 min間隔的氣象和土壤水分數據進行處理，以獲得每日數據集。以逐日氣象數據作為基礎，進行下列分析：首先采用時間序列方法[27]，即選用典型降水事件中降水與不同監(jiān)測點各土層土壤含水量之間的協方差相關系數(dxy)來描述降水與土壤含水量之間的相關性，計算公式如下：

(1)

式中：h為降水后過去的天數，h=0，1，2，3，…，n；dxy為滯后h天時降水與土壤含水量之間的協方差相關系數；Sxx，Syy分別降水和土壤含水量的方差；exx，eyy分別是是降水和土壤含水量的標準差；Sxy(h)是滯后時間h天時降水和土壤含水量的協方差，它的計算公式如下：

(2)

此外，由于安裝在監(jiān)測點的儀器在2018年進行過維護，為避免維護儀器這一人類行為對土壤含水量產生的影響，特選取2019年整年內逐日的降水與各坡位不同深度土壤水分數據在Origin 2017中進行繪圖分析，以得到最接近自然狀態(tài)下的土壤水分時間動態(tài)變化。再利用Microsoft Excel 2010對2019年整年的土壤水分數據進行數學分析，得到旱雨季不同地貌部位不同深度土層的最大土壤水分含量、最小土壤水分含量、平均土壤水分含量、標準差、變異系數等指標，并基于這些指標，對不同深度土層進行劃分，得到研究區(qū)土壤水分的空間動態(tài)變化。最后結合土壤屬性、監(jiān)測點地形以及氣候因素，探討影響本區(qū)土壤水分的時空動態(tài)因素。

2 結果與分析

2.1 土壤物理屬性

在盆地的土壤黏粒含量和容重顯著高于坡面和高原面(p<0.05)，而盆地的飽和電導率、粉土顆粒含量和土壤孔隙度顯著低于坡面和高原面(p<0.05)。土壤砂粒含量在高原面較高，坡面較低，表現出不同的空間差異。根據表1所示的土壤粒徑特征和圖2[29]中USDA土壤質地三角形的分布，蒙自巖溶斷陷盆地3個監(jiān)測點的土壤質地可分為兩組，高原面和坡面的土壤屬于粉質黏壤土，而盆地的土壤屬于粉質黏土。

圖2 研究區(qū)土壤質地圖

表1 各監(jiān)測點表層土壤屬性數據

2.2 土壤含水量的時間動態(tài)

如上所述，雨水是蒙自巖溶斷陷盆地土壤水的唯一來源。亞熱帶季風氣候控制著蒙自巖溶斷陷盆地的降水分布，表現出明顯的雨季(6—9月)和旱季(10月—次年5月)。3個監(jiān)測地點的土壤含水量在雨季較高，旱季較低(表3)，與季節(jié)性降水變化相吻合(圖3)。此外，3個地點不同深度的土壤含水量曲線隨雨季降水的發(fā)生而呈現出較大且頻繁的波動，而旱季波動較小且不明顯。這表明土壤含水量對蒙自巖溶斷陷盆地巖溶高原到盆地的季節(jié)性降水變化有積極的響應。曲線波動可以直觀地顯示土壤含水量對外界降水變化的響應程度。一般情況下，雨季盆地3個深度的土層在降水事件后，其土壤含水量隨降水變動而產生的變化快速而明顯(圖3)，這意味著盆地土壤水在降水事件下比坡面和高原面更敏感。這也表明蒙自巖溶斷陷盆地的盆地—坡面—山區(qū)剖面沿線的土壤含水量具有明顯的空間異質性。

圖3 各監(jiān)測點不同土層土壤濕度在2019年1月至2019年12月的時間變化

2.3 土壤含水量的空間動態(tài)

在研究期間，通過比較各監(jiān)測點土壤含水量的平均值和最大最小值，可以發(fā)現盆地各土層深度的土壤含水量遠低于坡面和高原面的土壤含水量(p<0.05)，反映了盆地和巖溶山區(qū)之間的巨大空間對比，以及土壤含水量隨巖溶盆地海拔高度的增加而增加的趨勢(圖4)。從土壤的平均含水量來看，盆地和坡面的土壤含水量是隨土層的加深而不斷減少，高原面則表現出倒“V”型，在40 cm土層處表現出較高的水分含量。

圖4 不同地貌部位土壤濕度垂直變化

表2顯示了各監(jiān)測點不同土層在2019年全年的土壤含水量分析結果。總體來看，全年各監(jiān)測點不同深度土層的變異系數值大致處于3%～25%，屬于弱變異(1%

表2 不同地貌部位各土層土壤濕度在2019年的統(tǒng)計特征

從表3中可以看出，就土壤含水量平均值而言，3個監(jiān)測點的同一土層在雨季的土壤含水量均高于旱季(除高原面80 cm深度土層外)。此外，盆地各土層及高原面80 cm深度土層的變異系數表現出雨季大于旱季的特點，說明雨季的大量降水對這些土層的影響較大。而在坡面各土層及高原面10 cm，40 cm土層的變異系數卻大致表現出旱季稍大于雨季的特點，表明這些土層的土壤含水量在旱季的波動較雨季更為劇烈。最后，從整體的變異情況來看，旱季不同地貌部位各土層的變異系數均處于弱變異和中等程度變異，相互之間差距較小，而雨季各監(jiān)測點不同土層的變異情況相差較大，特別是在高原面的80 cm深度土層甚至存在強變異(CV>100%)，說明在整個雨季本區(qū)土壤受降水影響土壤含水量變化較大，各土層之間差距也較大。

表3 不同地貌部位各土層旱雨季土壤濕度統(tǒng)計特征

根據Chen[4]、Yang[11]等對于土壤分層的研究，結合本區(qū)實際，我們將具有不同標準偏差和變異系數的土層分為4種層次：相對穩(wěn)定層(CV≤10%，SD≤2%)；亞活躍層(10%30%，SD>4%)。因此，盆地各深度的土壤水分變化在雨季和旱季屬于亞活躍層，坡面和高原面的10 cm和40 cm深度則屬于相對穩(wěn)定層。坡面80 cm深度的土壤水分變化在雨季屬于亞活性層，在旱季屬于活躍層。高原面80 cm深度的土壤水分變化在雨季屬于快速變化層，旱季為相對穩(wěn)定層。

3 討 論

3.1 土壤含水量與降水的一致性分析

降水是研究區(qū)土壤水分的唯一來源。本研究選擇了一個集中降水期(2017年8月)，討論了土壤水分動態(tài)與降水事件的相關性。由方程(1)和(2)得到的不同深度土壤水與同一時期降水之間的協方差相關系數(dxy)表明，土壤水與強降水之間存在很強的相關性，特別是在強降水發(fā)生后的1～2 d，表明蒙自巖溶斷陷盆地中的土壤水對強降水補給反應迅速，滯后時間為0～3 d(圖5)。但是降水對于各監(jiān)測點及不同深度土層的含水量影響存在差異。盆地各土層的dxy變化與降水變化較為一致，其中80 cm土層變化幅度略大于40 cm及10 cm土層；坡面和高原面各土層的dxy雖然隨著同期降水變化而變化，但其一致性均低于盆地，這主要是受到土質的影響[4]。其次，從不同深度土層來看，坡面、盆地各深度土層的dxy變化幅度最大是80 cm土層，而高原面80 cm深度土層dxy的變化幅度卻遠遠低于40 cm，10 cm土層的變化幅度。高原面的這一現象或許是植被根系截留下滲土壤水的表現[22]。研究區(qū)高原面監(jiān)測點位于蘋果園中，蘋果樹根根系長35～55 cm，一般情況下，在根系作用下中上層土壤有效截留下滲的土壤水，導致深部土層接收的雨水較少，導致底部土層的土壤含水量變化較小，降低了它與降水之間的一致性。此外，3個監(jiān)測點的10 cm和40 cm深度的dxy曲線相似，呈同步變化，表明10 cm和40 cm深度的土壤水對降水輸入具有較強的敏感性。

圖5 各監(jiān)測點不同土層土壤濕度與同期降水的協相關關系

3.2 土壤含水量的空間異質性

3.2.1 土壤質地 研究區(qū)對于降水的響應敏感而迅速且作為該區(qū)土壤水補給的唯一來源，土壤的持水能力分析是討論其空間變化的基礎。而土壤的持水能力則取決于土壤質地[29]呈現為黏土>壤土>砂土的特點。Singhl等在美國的研究也表明，黏質壤土的持水能力最高，砂質壤土的持水能力最低[30]。在本研究區(qū)，與坡面及高原面的粉質壤土不同，盆地的土壤主要為黏粒含量較高的黏土(圖2)。因此，土壤下滲的水分相對坡面及高原面較少，在同等氣候條件下，坡面及高原面會接收到更多的水分，從而導致研究區(qū)土壤含水量大致是隨海拔升高而不斷增加。

3.2.2 蒸散發(fā) 各氣象因子對本區(qū)域土壤水分的空間變化起著重要作用：降水是研究區(qū)土壤水分的唯一來源，蒸散則一般是土壤除供應植被生長所需之外最為主要的消耗方式[31]，不同地貌部位能夠持有的土壤含水量應該是降水與蒸散的差值。蒙自巖溶斷陷盆地在2019年其盆地的年降水量多于坡面降水，但其蒸散發(fā)量卻是3個地點之最，達到了1 287 mm(圖6)。此數值不僅遠大于同期坡面及高原面的蒸散，甚至是盆地年降水量的3倍，這也使得盆地土壤中的水分含量遠小于坡面及高原面。

圖6 2019年3個監(jiān)測點全年蒸散發(fā)量及同期降水量

3.2.3 植被與裸巖 就植被類型及其覆蓋度來看，盆地監(jiān)測點處為自然生長的草地，茅草生長茂密，覆蓋度極高；坡面處主要為耕地，受人類活動影響較大，其上植被主要為農作物，覆蓋度次之；高原面監(jiān)測點位于果園之中，蘋果樹種植密集但枝干稀疏，其下巖石裸露，覆蓋度最小。一般來說，植被的覆蓋度與其對降水的攔截力度呈正相關關系[32]。依據觀測點植被覆蓋度，不考慮土壤質地、蒸散發(fā)力度等因素，在同等降水環(huán)境下，高原面土壤中能夠蓄集的水分應大于盆地，這也正好與實際相符合，表明研究區(qū)土壤水的空間變化在一定程度上受到植被覆蓋度的影響。

另外，就同一監(jiān)測點來說，本研究區(qū)大致表現為土層底部含水量低于上部。除高原面中層土壤有密集的蘋果樹根攔截水分，從而保持較高的含水量之外，坡面及盆地的土壤含水量大致隨著土層深度的加深而降低。這一現象主要是由3個監(jiān)測點所處的裸巖環(huán)境導致的。土壤入滲以及儲存的水分多少要考慮所種植的植物以及土壤中碎石含量的影響[4]。盆地監(jiān)測點處有根系較淺的茅草覆蓋，使得表土層大量存儲水分，提高盆地表土層的含水量。而坡面及高原面均散布大量裸巖，一般說來，裸露石塊對降水有匯集作用[15-18]。當降水發(fā)生時，由于坡面及高原面存在的大量裸露巖石而出現匯水作用，增加了表層土壤的含水量，從而導致土壤含水量隨土層深度的加深而減小。

3.3 土壤含水量變異程度

本研究區(qū)各監(jiān)測點及其不同深度土層的土壤水分變異在時間尺度上大致屬于弱變異及中等變異，即使降水環(huán)境不同，其變異程度也大多維持在中等變異及其以下的范圍。這表明蒙自巖溶斷陷盆地土壤水雖具有復雜的時空異質性，但其變化程度卻相對穩(wěn)定。同時，本研究區(qū)的盆地各土層的變異程度均屬于中等變異，而坡面及高原面的大部分土層變異程度是遠小于盆地的弱變異。這或許是土壤前期水分條件不同所造成的。盆地各土層的土壤水分條件較之高原面及坡面一直處于較低的水平，更易接受雨水補給，改變自身的含水量，使得變異程度增高。而坡面及高原面的土壤水分一直維持在較高的水平，土壤中水分條件較為飽和，在相對濕潤條件下，土壤受雨水補給而增加的水量較小，使得變異程度較低[32]。另外，盆地、高原各土層的變異程度是隨著土層的加深而不斷縮小，這是由于土壤中的黏粒含量會影響土壤的變異性，一般來說，黏粒含量越多，變異程度越小[11]，而研究區(qū)土壤黏粒含量是隨著土層的加深而增加[33]，使深層土層通透性變差并于較長時間內維持相同的狀態(tài)，從而降低土壤水分的變化情況。

與盆地及高原面不同土層變異系數分布規(guī)律相反，坡面各土層變異系數是下層土壤變異高于上層土壤。由于坡面監(jiān)測點土層中分布有較多巖石，巖石所具有的較高匯水性能在增加上部土層含水量的同時，也減少了側滲，導致坡面土壤中優(yōu)先流的發(fā)生，因此底部土層變異系數較大。盡管高原面土壤中也有大量裸巖分布，但此類裸巖引起的優(yōu)先流并未對高原面深部土層的土壤水分產生較大影響，這要歸功于高原面土層中密集分布植物根系的攔截作用。

此外，研究區(qū)監(jiān)測點大部分土層變異程度的季節(jié)性差異不大，均屬于中等變異或者弱變異。但高原面底部80 cm土層卻截然不同。該土層在雨季屬于強變異程度(CV值為119%)，旱季則屬于中等變異(CV值為24%)，兩者相差較大。產生這一現象的原因或許是由于高原面獨特的降水環(huán)境所導致。高原面全年降水離散程度較大[盆地(79.49%)>高原面(64.14%)>坡面(63.40%)]，且降水天次相對盆地及坡面較多，全年達到154次，最大次降水達到62 mm。再加之高原面土壤不同于盆地土壤的粉質壤土，土壤孔隙度較大，同時土壤中遍布的裸巖也增強了雨水的下滲，即使有密集的蘋果樹根攔截下滲水分，但當降水量過大特別是雨季，樹根所攔截的水量于總量而言微乎其微，且高原面上部土層一直處于飽和水分狀況，多余的水分便會隨著孔隙快速進入深部土層，使深部土層的含水量在原有基礎上大幅度增加，在土層上被劃分為快速變化層。

4 結 論

云南蒙自巖溶斷陷盆地3個監(jiān)測點的土壤含水量雨季高于旱季，但監(jiān)測點不同深度土層的土壤水分季節(jié)變化較小。有趣的是，高原面80 cm土層由于降水環(huán)境及土壤質地的綜合作用卻表現出顯著的季節(jié)變化。同時，研究區(qū)土壤水分變化受到降雨的影響而與降水變化呈現出高度的一致性。此外，由于土壤質地以及植被等因素，盆地與降水之間的一致性要優(yōu)于坡面及高原面。總體而言，研究區(qū)土壤水分時空變化屬于弱—中等變異水平，其空間變化趨勢主要分為兩種：一為隨海拔升高而增加；二是隨土層深度加深而降低。但從時間尺度來看，受前期土壤水分條件的影響，盆地土壤水在時間尺度上的變異程度高于坡面及高原面；這一系列結果有助于更清楚地認識蒙自巖溶斷陷盆地土壤水在土壤質地、植被及降水環(huán)境等的綜合影響下所表現出的時空分布規(guī)律，為斷陷盆地植被復建及耕作灌溉用水提供參考依據。