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南方紅壤丘崗坡地土壤的水分特征研究

來源: http://www.linkersrealty.com/  更新時間:2012-11-9 18:55:43  閱讀
      紅壤丘崗區以緩坡地(6°~15°)為主要地貌特征,是我國自然生產潛力最高的地區。該區水熱資源豐沛,但時空分布不均,易產生氣候性幹旱危害,而且紅壤持水力強,有效水含量低,因此水分是該區坡地農業利用的重要限製因子。土壤水分是坡地生態係統水熱平衡中的一個重要因素,對整個生態係統水熱平衡起著決定性作用。坡地土壤水分狀況影響坡地土地利用和植物生長,反過來,土地利用方式及其植被覆蓋又影響坡地土壤含水量及其分布。而且,不同時空尺度下二者關係變化不一。因此,研究南方紅壤丘崗坡地土地利用與土壤水分的時空關係,對有效利用土壤水分,緩解本區的季節性幹旱問題,以及合理利用和配置坡地資源都具有重要意義。
      已有許多學者對南方紅壤丘崗坡地的水分特征以及周年土壤水分狀況、土壤水分有效性以及不同土地利用方式對土壤水分特性的影響等進行了研究。但對年際間不同土地利用方式與土壤水分關係的研究則很少。本研究選擇南方紅壤丘崗坡地5種典型土地利用類型,對比分析其不同水文年的土壤水分時空變化特點,為土壤水分的有效利用及坡地生態係統的持續發展提供理論依據。
1 研究地區和研究方法
1.1 試驗區概況

表1 試驗地表層土壤基本性狀

表1 試驗地表層土壤基本性狀

  試驗區設在中國科學院桃源農業生態試驗站定位觀測試驗場(111°30′E, 28°55′N),是紅壤地區典型的低丘崗坡地,海拔92. 2~125. 3 m。該區受中亞熱帶季風濕潤氣候控製,水熱資源豐沛,年均氣溫16. 5℃,≥10℃年積溫5 200~5 300℃,年日照時數1 520 h,年降水量1 440 mm,蒸發量1 167 mm,但降水年際、年內分配不均,水熱不同期。多雨季節(3—6月),土壤水分盈餘,常伴有濕害、澇害,而少雨時段(7—9月)常伴隨強烈的蒸散,水分不能滿足植被生長需求,旱情嚴重。主要土壤類型為第四紀紅土發育的紅壤土,黏粒(<0. 002 mm)含量40%左右,有效水庫容較低,不同土地利用類型土壤基本性質見表1。該區植被屬武陵山植被區係。試驗地為1995年建成的徑流小區,南偏東15°,坡長62 m,坡度8~11°,是坡地不同利用結構功能及其演替長期定位試驗區。1998年各小區墊麵基本形成。根據紅壤丘陵區現有土地利用方式選取濕地鬆區、甜柿園、茶園、農作區和退化區為試驗點。每個小區的投影麵積均為20 m×50 m,用水泥板圍成以防區內徑流交換,水泥板插入土中50 cm,露出地表30cm。各小區基本情況見表2。

表2 紅壤坡地不同利用方式長期定位試驗設計

表2 紅壤坡地不同利用方式長期定位試驗設計

1.2 研究方法
       在每個小區右側靠近擋水牆3m處選擇樣點埋設中子管,坡地上麵第2梯和倒數第2梯的中心位置各埋1根(總共16梯,梯幅寬3m),中子管管長1m,用中子儀法[6]測定10、20、30、40、50、70和90cm深度土壤含水量。3—10月每5 d 1次, 11月至次年2月每10d1次,如遇降雨則推遲測量。降水量利用試驗場氣象園儀器測定,按當地年均降水量大小劃分3種水文年型,即豐水年、平水年和欠水年。以大於當地常年平均降水量2成以上定為豐水年,低於常年平均降水量2成以上定為欠水年,在二者之間的為平水年。在試驗觀測期間, 2002年為豐水年,降水量為2 196. 9 mm: 2003年為平水年,降水量為1 468.3 m。采用SPSS和EXCEL軟件對數據進行分析。
2 結果與分析
2. 1 不同水文年生長季0—90 cm深土壤水分特征

表3 豐水年和平水年5種土地利用類型土壤含水量比較

表3 豐水年和平水年5種土地利用類型土壤含水量比較

      豐水年和平水年生長季(3—10月)土壤平均含水量分別為0. 318 8和0. 310 0 cm3.cm-3,豐水年生長季各土地利用類型土壤含水量大於平水年(表3)。生長季土壤含水量年際變化與降水量年際變化相吻合。這與文獻報道結果一致。
      由表3可知,豐水年和平水年土壤平均含水量均以退化區最高,茶園最低,甜柿園略高於濕地鬆區。在豐水年,茶園和其他4種土地利用類型之間土壤含水量均存在顯著差異:在平水年,茶園僅與退化區及農作區2種土地利用類型間土壤含水量有顯著差異,而與甜柿園及濕地鬆區間無顯著差異。其原因是茶園植被根係分布深且廣(其主根可達1m以上,根係幅度大於樹冠幅度),生長期長,年耗水量大,貯水量低,最容易受旱。因此,應在季節性幹旱時給予適量灌溉,提高其生產力。
2.2 不同水文年土壤水分季節變化特征及其主要影響因子

圖1 豐水年和平水年5種土地利用類型土壤含水量季節動態變化及與降水量關係

圖1 豐水年和平水年5種土地利用類型土壤含水量季節動態變化及與降水量關係

      紅壤丘崗坡地同一土地利用類型在不同水文年的土壤水分季節變化差異明顯(圖1)。豐水年降水量多且降水量的季節分配與植物生長期同步,土壤含水量較高,年內變化平穩,沒有出現持續幹旱。平水年降水量相對較少且降水多分布在3月初至7月中旬之間,此時,植被進入生長期,土壤耗水增多,但由於降水量豐富,土壤水分波動較小,始終保持較高含水量。7月下旬至10月底,隨著降水量的減少,氣溫逐漸升高,植被生長旺盛,土壤蒸發、植被蒸騰的耗水量迅速增加,土壤水分顯著降低,出現明顯的幹季。11月以後,氣溫降低,植被生長活動減弱,蒸散量減小,土壤水分緩慢增加,但無明顯幹、濕季之別。表明年生長季的降水量及其分配是影響土壤水分季節變化趨勢的主導因子。
      由於降水對土壤水分季節變化起主導作用,同一年份不同土地利用類型土壤水分季節變化規律具有明顯的相似性,隨降水量波動呈規律性起伏(圖1)。這種現象在豐水年表現尤為突出,各土地利用類型土壤水分季節變化趨勢基本一致,說明在豐水年植被類型對土壤水分季節變化趨勢影響很小,或者說降水掩蓋了植被類型對土壤水分季節變化趨勢的影響。而在平水年略有不同,主要是在土壤幹旱期,不同土地利用類型土壤水分降低的幅度與時間均存在較大差異。表現為退化區沒有受到水分脅迫,農作區受水分脅迫時間較短(8月初至9月初),而甜柿園、濕地鬆區和茶園受水分脅迫時間長(8月初至11月底),說明植被類型在幹旱期對土壤水分季節變化趨勢有明顯影響,生長期長、根係深的植被(濕地鬆、茶樹、甜柿樹)比生長期短、根係淺的植被(農作物、茅草)水分消耗期長,耗水量大,土壤水分降低快,恢複慢,較易受到季節性幹旱的影響。
2.3 不同水文年5種土地利用類型剖麵土壤水分特征
2.3.1 剖麵土壤水分的季節性變化特征

表4 豐水年和平水年5種土地利用類型剖麵土壤含水量的季節性變化特征

表4 豐水年和平水年5種土地利用類型剖麵土壤含水量的季節性變化特征

      5種土地利用類型剖麵土壤含水量的季節性變化特征見表4,其數值為土壤水分監測係統的準確記錄。由表4可知,無論豐水年還是平水年, 5種土地利用類型剖麵土壤水分的季節性變化與土壤深度成反比,即隨土壤深度增加,變異係數變小,基本呈明顯的係統規律。這表明紅壤丘崗坡地剖麵土壤水分隨著土壤深度增加,受外界環境變化的影響減弱,穩定性相對增強。深根係植被(濕地鬆、茶樹、甜柿樹)土壤剖麵30 cm以下各層次的水分季節性變化大於淺根係植被(農作物、茅草)土壤剖麵相應層次的水分季節性變化,這在平水年表現尤為明顯。反映植被生長期深根係植被比淺根係植被的深層土壤水分消耗多且快,利用土壤深層水分的能力更強。暗示選擇深根係植被有利於有效利用土壤深層水,從而緩解旱情。另外,也反映出淺根係植被條件下,土壤深層水分豐富穩定,有效利用率低,無效水多。因此,建議推廣農林複合模式,提高土壤水分利用率。
 
 將不同水文年同一土地利用類型剖麵土壤水分的季節性變化進行比較發現,平水年土壤剖麵各層次的水分季節性變化均大於豐水年土壤剖麵相應層次的水分季節性變化,說明平水年增大了剖麵土壤水分的季節性變化。可見,豐富的降水可以減弱剖麵土壤水分的季節性變化。
2.3.2 剖麵土壤水分的垂直變化特征

圖2 豐水年和平水年5種土地利用類型剖麵土壤水分的垂直變化特征

圖2 豐水年和平水年5種土地利用類型剖麵土壤水分的垂直變化特征

      由圖2可知,不同水文年5種土地利用類型剖麵土壤含水量的垂直變化規律基本一致,即隨土壤深度增加,含水量不斷增大,但增幅越來越小:濕地鬆區在50—70 cm深度土層呈相反規律,可能是其根係主要分布於50—70 cm土層,生長期間該層耗水過於劇烈,水分虧缺嚴重。根據土壤水分剖麵變化特征,將其分為穩定型(土壤含水量上下層持平)、增長型(下層高於上層)、降低型(下層低於上層)和波動型(上下層大小波動)。可見,濕地鬆區剖麵土壤水分變化在豐水年和平水年都屬於波動型,而其他土地利用方式剖麵土壤水分變化類型都屬於增長型。從豐水年到平水年土壤水分的剖麵變化類型沒有發生改變。
      將不同水文年5種土地利用類型剖麵土壤水分的垂直變化進行比較(圖2)可以看出, 70 cm深度以下5種土地利用類型的土壤水分差異在平水年比豐水年大。其原因可能是在平水年的伏秋幹旱時期,深根係植被(濕地鬆、甜柿樹及茶樹)對深層土壤水分利用消耗多,且降水對深層土壤水分補充也較少:但伏秋幹旱對淺根係植被(農作物、茅草)深層土壤水分的影響卻相對較小,主要是因為淺根係作物的根係難以達到下層土壤,不能吸收利用下層土壤水分。由此可見,降水增加會減少不同土地利用類型之間深層土壤水分的差異,而幹旱能增大這種差異。
2.4 不同水文年土壤水分沿坡位的變化特征
      選取濕地鬆區(深根係)和退化區(淺根係)2種代表性土地利用類型,比較其0—90 cm深土壤水分在不同水文年沿坡位的變化特征(圖3)。

圖3 豐水年和平水年濕地鬆區和退化區0—90 cm深土壤水分沿坡位的變化特征

圖3 豐水年和平水年濕地鬆區和退化區0—90 cm深土壤水分沿坡位的變化特征

      由圖3可知,無論是在豐水年還是平水年, 2種不同植被類型的土壤水分沿坡位的年內變化始終是坡上大於坡下,這種現象發生可能主要源於土壤理化性質隨地形的變化。一般來說,質地越黏持水量越高,因而主要原因可能是土壤物理性黏粒含量由坡上向坡下降低。柳雲龍等的研究表明,南方紅壤丘崗坡地的土壤物理性黏粒含量由坡上向坡下降低,其降低程度表現為林地>茶園>旱地,而持水性也呈相似的變化規律,即持水性由坡上向坡下降低程度表現為林地>茶園>旱地。植被的分布狀況(如坡上和坡下的植物個體大小,生物量多少,覆蓋度高低以及根係分布的深淺等)也可能是另一重要原因。
      在豐水年及平水年的1月至7月中旬,由於雨水豐沛,濕地鬆區和退化區坡上與坡下的土壤水分差異均較大:而在平水年的伏秋幹旱時期,由於持續幹旱使土壤水分降低較大, 2種植被類型坡上與坡下的土壤水分差異均不斷減少,說明持續幹旱能減少土壤水分沿坡位分布的變化幅度。
3 結論
(1)豐水年生長季各土地利用類型土壤含水量差異大於平水年。
(2)豐水年土壤含水量較高,年內變化平穩。而平水年土壤含水量在7月中旬以前較高, 7月下旬至10月底顯著降低, 11月以後又緩慢升高,出現明顯的幹、濕季。
(3)剖麵土壤水分的季節性變化隨土壤深度增加而減少。豐水年的剖麵土壤水分季節性變化小於平水年。
(4)土壤含水量均隨土壤深度增加而增大,增幅逐漸減少。從豐水年到平水年,土壤水分的剖麵結構類型沒有發生改變,濕地鬆區屬波動型,其他4種土地利用類型屬增長型。
(5)深、淺根係2種植被類型的土壤水分沿坡位的年內變化始終是坡上大於坡下,持續幹旱能減少土壤水分沿坡位分布的變化幅度。
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