不同集水保水措施對金沙江干熱河谷區(qū)林地土壤儲水量的影響

趙和瓊,谷麗萍，鄭科，裴艷輝，孔繼君，郭永清，李光華，張明友

(1.元謀縣林業(yè)局，云南 元謀 651300；2.云南省林業(yè)科學院，云南 昆明 650201)

天然降雨是干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)用水的主要來源，由于天然降雨量受到時空分布不均勻的影響，因此，土壤干旱就成為制約農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的首要因素。元謀干熱河谷年平均降雨量為614.0mm，季節(jié)分配不均，且蒸發(fā)量大[1]。土壤水分含量年內(nèi)差異較大，從每年11月到次年4月末屬于旱季，土壤含水量低，干燥度能達到4.4[2]。水資源的季節(jié)分布不均勻造成雨季易形成地表徑流，水資源浪費，旱季土壤嚴重缺水，林木生長發(fā)育受到影響，造林成活率低。針對元謀金沙江干熱河谷天然降雨資源不能被充分利用的問題，一些學者對降雨資源的利用開展了一些探索和研究[3-4]，但是相關(guān)研究和報道還較少。本研究對采用全面整地、帶狀整地、地膜覆蓋以及集水面硬化4種不同集水保水處理措施與土壤儲水量的變化關(guān)系進行了研究，為深入認識元謀干熱河谷土壤水分變化特征及利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省元謀縣大哨林場(25°58′N；101°44′E)，海拔1 184-1 500m。年平均降雨量614.0mm，年蒸發(fā)量3 847.6mm，為降雨量的6倍多，年降雨量分布不均勻，雨季(5-10月)平均降雨量為563.8mm，占全年降雨量的92%，旱季(11月至次年4月)降雨僅50.2mm，僅占8%。土壤以燥紅壤為主，自然坡地土壤容重介于1.42-1.75g/cm3之間。自然植被屬于典型的稀樹灌草叢，有零星片狀灌木和人工林分布，主要有余甘子(PhyllanthusemblicaL.)、車桑子〔Dodonaeaviscosa(L.)Jacq.〕、扭黃茅(Heteropogoncontortus)、蕓香草(Cymbopogondistans)等灌木、草本植物以及云南松(PinusyunnanensisFr.)、新銀合歡(Leucaenaleucocephala)和桉樹(Eucalyptusspp.)等人工林，草本植被蓋度90%以上。

1.2 樣地設置

在對試驗區(qū)進行全面踏查的基礎(chǔ)上，于2014年9月選擇植被、土壤、坡向、坡度等立地條件基本一致的坡面作為試驗區(qū)，集水保水措施分別為(a)全面整地措施。整地深度為60cm；(b)水平帶狀整地措施。沿等高線帶狀整地，帶寬120cm，帶間距200cm，整地深度為60cm；(c)地膜覆蓋措施。在全面整地基礎(chǔ)上，將厚度為0.03mm的塑料地膜按照1m×1m大小裁剪，均勻的鋪設于種植穴上，用土將薄膜四周和中央位置壓實，以防漏氣；(d)集水面硬化措施。將帶狀整地后帶間的自然坡面拍光后用1-2cm厚的砂石混凝土進行硬化，硬化后坡度一致，使匯集的水進入帶狀整地后的土壤。以未作任何處理的自然坡地為對照，試驗樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

1.3 測定項目和方法

1.3.1 降雨量觀測

采用DSJ2型虹吸式自記雨量計測定降雨量，觀測時間為2014-2016年。

1.3.2 土壤取樣和含水率測定

于2014年10月至2015年9月每30d用人工土壤取樣器分別采集0-10cm、10-30cm和30-50cm土層土樣，降雨前后加測，重復3次，帶回實驗室在105℃烘箱中烘干，用重量百分數(shù)法計算含水率。

1.3.3 土壤容重測定

采用環(huán)刀法[5]。

1.3.4 土壤儲水量計算

采用公式Q=d×h×c[6]計算土壤儲水量，式中,Q為某土壤儲水量(mm)；d為土壤容重(g/cm3)，h為土層深度(cm)，c為土壤重量含水量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2014-2016年的降雨特點

2014-2016年降雨量隨雨季和旱季的轉(zhuǎn)換而變化，且年度差異較大，總體趨勢是“兩頭小，中間大”(圖1)。從全年降雨量大小來看，2016年降雨量最多，達到717.5mm；2015年次之，達到694.1mm；2014年最少，僅有528.0mm，且少于多年平均降雨量614.0mm的觀測值。從逐月降雨量大小來看，2014-2016年主要降雨量均集中在5月末到10月末這一階段，降雨量分別為479.4mm、583.3mm和594.5mm，分別占全年降雨量的90.8%、84.0%和82.9%，從雨季降雨量所占的比例可以得知：元謀干熱河谷區(qū)在雨季易形成大雨和暴雨。對實測的降雨量進行統(tǒng)計可知，2014年全年降雨78次，2015年全年降雨123次，2016年全年降雨164次，根據(jù)全國降水量等級劃分標準對實測的降雨量等級進行劃分，其中小雨次數(shù)占全部降雨次數(shù)的80.0%，中雨占14.2%，大雨占4.4%，暴雨占1.4%，而暴雨以上降雨未出現(xiàn)。說明元謀干熱河谷的降雨絕大部分為小雨和中雨，發(fā)生大雨級別以上降雨的概率較小，僅在2016年的9月16日-20日出現(xiàn)過暴雨，降雨量達到126.0mm。對3年的全部降雨次數(shù)進行統(tǒng)計分析，降雨量小于5mm的次數(shù)占到總降雨次數(shù)的53.7%。

圖1 2014-2016年降雨量變化趨勢

元謀干熱河谷旱季降雨量較少，但通過降雨量曲線可以發(fā)現(xiàn)，2015年1月份降雨量達到57.3mm，是2014年和2016年同期降雨量的6.3倍和15.5倍，主要是因為2015年1月份全省出現(xiàn)了降雨強度大、持續(xù)時間長的降雨過程。而2015年5月份降雨量僅有3.7mm，與2016年同期降雨量的61.7mm和2014年13.7mm相比，是同期降雨量最少的一年，造成當年造林季節(jié)較往年推遲60d以上。

2014-2016年，發(fā)生持續(xù)降雨的最大天數(shù)可以達到18-20d，但是絕大部分是小雨到中雨，且集中在6-8月的雨季，因此暴雨出現(xiàn)的機率較小。通過分析，在所有的中雨級降雨量中有72次降雨量達到10.0mm。根據(jù)劉芝芹[7]的研究結(jié)果，元謀干熱河谷瞬時降雨強度小于10mm一般不會形成地表徑流，即降雨不會造成水土流失，其中大部分降雨通過入滲方式進入土壤再次參與循環(huán)，所以元謀試驗點能形成地表徑流的降雨以中雨、大雨及暴雨為主。

2.2 不同集水保水措施對土壤儲水量變化的影響

2.2.1 整地措施對土壤儲水量變化的影響

林木根系垂直分布范圍主要集中在0-50cm土層中[8]，尤其是在0-20cm土層內(nèi)分布比例大[9]，因此，在林木根系生長范圍內(nèi)的土壤儲水量是影響林木成活的重要因素。隨著雨季和旱季的轉(zhuǎn)換，全面整地、帶狀整地與自然坡地0-50cm土層土壤的儲水量變化規(guī)律基本一致，呈“W”型波動(圖2)。

圖2 6種集水保水措施對土壤儲水量的影響

通過對同期降雨量進行分析并與土壤儲水量相比較可以發(fā)現(xiàn)，土壤儲水量與降雨量變化趨勢相一致，但是土壤儲水量大小變化的拐點與降雨量之間有一定的滯后效應，因為雨水會緩慢向下滲透。從2014年10-12月，采用全面整地和帶狀整地措施后土壤的儲水量總體呈下降趨勢，而2015年1-2月，土壤儲水量出現(xiàn)較大幅度的上升。土壤儲水量均在3月份降到了全年最低值，分別為62.3mm和42.3mm，之后隨著降雨量逐漸增多，相應地土壤儲水量也開始緩慢增加。從2014年10月到2015年9月末這段時間來看，全面整地0-50cm土壤儲水量遠高于帶狀整地和自然坡地土壤儲水量，其最大儲水量出現(xiàn)在2014年10月份，達到114.08mm，最小儲水量出現(xiàn)在3月份。在2014年10月到2015年4月的旱季期間，全面整地土壤儲水量是自然坡地土壤儲水量的1.78倍，帶狀整地土壤儲水量是自然坡地土壤儲水量的1.08倍，充分表明采用整地措施后，能極大地提高土壤儲水量，特別是在旱季整地后土壤能比自然坡地土壤儲存較多的水分，有利于林木的生長。方差分析結(jié)果表明，全面整地與帶狀整地和自然坡地后土壤儲水量僅在2015年5月差異不顯著(P>0.05)，而在其他月份均達到極顯著水平(P<0.01)。

2.2.2 地膜覆蓋措施對土壤儲水量變化的影響

采用地膜覆蓋措施后土壤儲水量變化呈“M”型波動(圖2)，2014年11月份0-50cm土壤儲水量快速上升，達到了觀測期內(nèi)的最大值158.93mm；之后開始下降，到2015年5月降到最低109.99mm；此后，隨著降雨量的逐漸增加，水分得到補充，土壤儲水量又開始逐漸增加。采用地膜覆蓋措施后土壤儲水量大小與降雨量也會有一定的滯后性，但與全面整地、帶狀整地相比，儲水量大小變化波動不是特別劇烈，主要原因是采用地膜覆蓋減少了土壤水分的蒸發(fā)。從2014年10月到2015年4月末整個旱季期間，累計土壤儲水量達到1 046.53mm，比全面整地措施、帶狀整地措施和自然坡地分別多333.03mm、572.38mm和615.08mm，是自然坡地土壤儲水量的2.62倍。方差分析結(jié)果表明，采用地膜覆蓋措施后土壤儲水量與自然坡地土壤儲水量相比，差異達極顯著水平(P<0.01)。

2.2.3 集水面硬化處理措施的集水效果

對集水面進行硬化處理后可以影響坡面徑流量，從而影響土壤含水量和儲水量。對2015年7月到9月雨季期間采用集水面硬化處理措施后的降雨數(shù)據(jù)進行研究，根據(jù)實際測量的結(jié)果，集水面硬化后在降雨歷時短，降雨強度達到0.3mm/min時，徑流系數(shù)可以達到0.8，隨著降雨強度增大，徑流系數(shù)逐漸趨向于1.0，且集水區(qū)集水量與降雨量大小呈正比例關(guān)系，即降雨量越大，產(chǎn)流量就越大。研究結(jié)果表明，集水面硬化處理后在8月份儲水量達到150.74mm，之后隨著降雨量減少而開始下降(圖2)。與自然坡地儲水量變化相比，從2015年7-9月，儲水量分別是同期自然坡地儲水量的1.73倍、2.34倍和1.81倍，是0-50cm土層平均儲水量的1.21倍。方差分析結(jié)果表明，采用集水面硬化處理措施后土壤儲水量與自然坡地儲水量差異達極顯著水平(P<0.01)。

2.2.4 4種集水保水措施比較

通過研究表明，全面整地、帶狀整地、地膜覆蓋和集水面硬化處理措施與自然坡地相比，均能提高土壤的儲水能力和儲水量。對4種集水保水措施的土壤儲水量進行比較，方差分析結(jié)果表明，集水面硬化處理措施和地膜覆蓋措施的儲水量與全面整地和帶狀整地的差異分別達顯著水平(0.01

3 結(jié)論與討論

土壤的保水性與土壤容重、土壤孔隙度等因素密切相關(guān)，因此，在降水量相同的條件下，通過改變下墊面的條件即可改變土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，從而影響土壤儲水量。本研究中全面整地、帶狀整地、地膜覆蓋和集水面硬化措施都能提高干熱河谷林地土壤的儲水量，主要是因為整地和集水面硬化措施均能改變土壤結(jié)構(gòu)，地膜覆蓋減少了土壤水分蒸發(fā)，從而改變了林地土壤水分狀況，提高了土壤含水率。

(1)元謀干熱河谷雨季降雨量占全年降雨量的84%以上，主要以小雨和中雨為主，發(fā)生暴雨級別以上降雨的概率不到2%，降雨量是土壤儲水量的決定性因素。

(2)全面整地、帶狀整地、地膜覆蓋和集水面硬化措施都能顯著提高0-50cm土壤儲水量，特別是在旱季儲水效果明顯。從2014年10月到2015年4月末，采用地膜覆蓋、全面整地和帶狀整地措施后土壤儲水量分別是自然坡地的2.62倍、1.78倍和1.08倍；而2015年7月到9月，采用集水面硬化后土壤儲水量分別是自然坡地的1.21倍，儲水效果明顯。

(3)在大范圍的造林實踐中，建議選擇帶狀整地措施和地膜覆蓋措施來提高土壤的儲水量，在局部地段可以采用集水面硬化措施來提高土壤儲水量。

本研究結(jié)果與一些學者的研究結(jié)果較一致，李艷梅等[10]對元謀干熱河谷的微地形改造后，土壤水分在土壤中停留的時間增加，有利于植物的吸收利用，明顯改善了土壤水分環(huán)境。王晶等[11]研究發(fā)現(xiàn)微地形土壤水分的季節(jié)變化滯后于降雨的季節(jié)變化，其對土壤含水量的影響旱季大于雨季。漆喜林等[12]的研究表明，采用魚鱗坑整地可顯著提高土壤含水率和土壤儲水量。陳林等[13]對半干旱地區(qū)采用地膜覆蓋處理后土壤含水率的研究表明，地膜覆蓋處理明顯改善0-40cm土層土壤體積含水率。Zhou等[14]的研究也表明地膜覆蓋顯著改變了土壤水分運移方式，切斷了土壤水分的垂直蒸發(fā)，減少了水分的損失，從而達到了蓄水保墑的目的。郭利平等[15]采用不同的水保措施對塘背小流域典型林地植被恢復狀況的研究表明，水保工程措施能夠加速水土流失區(qū)的生態(tài)植被恢復。

降水是元謀金沙江干熱河谷林地水資源的主要來源，也是決定土壤儲水量的關(guān)鍵因素，4種不同的集水保水措施下土壤儲水量與降雨量的變化規(guī)律基本一致，降雨量多，土壤儲水量大。2015年1月由于試驗點受大范圍極端天氣影響，出現(xiàn)了強度大、持續(xù)時間長的降雨過程，所以不同措施下土壤儲水量也有所上升。在4種不同措施中，集水面硬化處理后對地表徑流的蓄積量最大，土壤的含水率高，儲水量也相應地較高。侯貴榮等[16]對北京山區(qū)林地土壤水分變化特征研究表明，栓皮櫟林地和油松林地日平均土壤儲水量隨降雨量顯著變化，月平均土壤儲水量隨降雨量的增加呈上升趨勢。但是全面整地、帶狀整地和自然坡地土壤儲水量的波動較大，說明除降雨量影響土壤儲水量外，還受到蒸發(fā)量、土壤結(jié)構(gòu)、植被覆蓋、風速和雨強等因素影響[17-19]，所以儲水量峰值與降雨量之間還存在滯后效應，下一步還需對影響土壤儲水量的因素作深入細致的研究。