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(xué)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(lái)源，由于天然降雨量受到時(shí)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(dá)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(fèi)，旱季土壤嚴(yán)重缺水，林木生長(zhǎng)發(fā)育受到影響，造林成活率低。針對(duì)元謀金沙江干熱河谷天然降雨資源不能被充分利用的問(wèn)題，一些學(xué)者對(duì)降雨資源的利用開(kāi)展了一些探索和研究[3-4]，但是相關(guān)研究和報(bào)道還較少。本研究對(duì)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(chǔ)水量的變化關(guān)系進(jìn)行了研究，為深入認(rèn)識(shí)元謀干熱河谷土壤水分變化特征及利用提供科學(xué)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(chǎng)(25°58′N(xiāo)；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(shù)灌草叢，有零星片狀灌木和人工林分布，主要有余甘子(PhyllanthusemblicaL.)、車(chē)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(shù)(Eucalyptusspp.)等人工林，草本植被蓋度90%以上。

1.2 樣地設(shè)置

在對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)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(yàn)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(xiàn)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(shè)于種植穴上，用土將薄膜四周和中央位置壓實(shí)，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(jìn)行硬化，硬化后坡度一致，使匯集的水進(jìn)入帶狀整地后的土壤。以未作任何處理的自然坡地為對(duì)照，試驗(yàn)樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本情況

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 降雨量觀(guān)測(cè)

采用DSJ2型虹吸式自記雨量計(jì)測(cè)定降雨量，觀(guān)測(cè)時(shí)間為2014-2016年。

1.3.2 土壤取樣和含水率測(cè)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(cè)，重復(fù)3次，帶回實(shí)驗(yàn)室在105℃烘箱中烘干，用重量百分?jǐn)?shù)法計(jì)算含水率。

1.3.3 土壤容重測(cè)定

采用環(huán)刀法[5]。

1.3.4 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算

采用公式Q=d×h×c[6]計(jì)算土壤儲(chǔ)水量，式中,Q為某土壤儲(chǔ)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(yùn)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2014-2016年的降雨特點(diǎn)

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(shì)是“兩頭小，中間大”(圖1)。從全年降雨量大小來(lái)看，2016年降雨量最多，達(dá)到717.5mm；2015年次之，達(dá)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(guān)測(cè)值。從逐月降雨量大小來(lái)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(duì)實(shí)測(cè)的降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(guó)降水量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)測(cè)的降雨量等級(jí)進(jìn)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(shuō)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(jí)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(guò)暴雨，降雨量達(dá)到126.0mm。對(duì)3年的全部降雨次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shì)

元謀干熱河谷旱季降雨量較少，但通過(guò)降雨量曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，2015年1月份降雨量達(dá)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?yàn)?015年1月份全省出現(xiàn)了降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的降雨過(guò)程。而2015年5月份降雨量?jī)H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(dāng)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(dá)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(jī)率較小。通過(guò)分析，在所有的中雨級(jí)降雨量中有72次降雨量達(dá)到10.0mm。根據(jù)劉芝芹[7]的研究結(jié)果，元謀干熱河谷瞬時(shí)降雨強(qiáng)度小于10mm一般不會(huì)形成地表徑流，即降雨不會(huì)造成水土流失，其中大部分降雨通過(guò)入滲方式進(jìn)入土壤再次參與循環(huán)，所以元謀試驗(yàn)點(diǎn)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(duì)土壤儲(chǔ)水量變化的影響

2.2.1 整地措施對(duì)土壤儲(chǔ)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(zhǎng)范圍內(nèi)的土壤儲(chǔ)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(chǔ)水量變化規(guī)律基本一致，呈“W”型波動(dòng)(圖2)。

圖2 6種集水保水措施對(duì)土壤儲(chǔ)水量的影響

通過(guò)對(duì)同期降雨量進(jìn)行分析并與土壤儲(chǔ)水量相比較可以發(fā)現(xiàn)，土壤儲(chǔ)水量與降雨量變化趨勢(shì)相一致，但是土壤儲(chǔ)水量大小變化的拐點(diǎn)與降雨量之間有一定的滯后效應(yīng)，因?yàn)橛晁畷?huì)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(chǔ)水量總體呈下降趨勢(shì)，而2015年1-2月，土壤儲(chǔ)水量出現(xiàn)較大幅度的上升。土壤儲(chǔ)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(yīng)地土壤儲(chǔ)水量也開(kāi)始緩慢增加。從2014年10月到2015年9月末這段時(shí)間來(lái)看，全面整地0-50cm土壤儲(chǔ)水量遠(yuǎn)高于帶狀整地和自然坡地土壤儲(chǔ)水量，其最大儲(chǔ)水量出現(xiàn)在2014年10月份，達(dá)到114.08mm，最小儲(chǔ)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(chǔ)水量是自然坡地土壤儲(chǔ)水量的1.78倍，帶狀整地土壤儲(chǔ)水量是自然坡地土壤儲(chǔ)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(chǔ)水量，特別是在旱季整地后土壤能比自然坡地土壤儲(chǔ)存較多的水分，有利于林木的生長(zhǎng)。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(chǔ)水量?jī)H在2015年5月差異不顯著(P>0.05)，而在其他月份均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

2.2.2 地膜覆蓋措施對(duì)土壤儲(chǔ)水量變化的影響

采用地膜覆蓋措施后土壤儲(chǔ)水量變化呈“M”型波動(dòng)(圖2)，2014年11月份0-50cm土壤儲(chǔ)水量快速上升，達(dá)到了觀(guān)測(cè)期內(nèi)的最大值158.93mm；之后開(kāi)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(bǔ)充，土壤儲(chǔ)水量又開(kāi)始逐漸增加。采用地膜覆蓋措施后土壤儲(chǔ)水量大小與降雨量也會(huì)有一定的滯后性，但與全面整地、帶狀整地相比，儲(chǔ)水量大小變化波動(dòng)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(gè)旱季期間，累計(jì)土壤儲(chǔ)水量達(dá)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(chǔ)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(chǔ)水量與自然坡地土壤儲(chǔ)水量相比，差異達(dá)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(duì)集水面進(jìn)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(chǔ)水量。對(duì)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(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，集水面硬化后在降雨歷時(shí)短，降雨強(qiáng)度達(dá)到0.3mm/min時(shí)，徑流系數(shù)可以達(dá)到0.8，隨著降雨強(qiáng)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(chǔ)水量達(dá)到150.74mm，之后隨著降雨量減少而開(kāi)始下降(圖2)。與自然坡地儲(chǔ)水量變化相比，從2015年7-9月，儲(chǔ)水量分別是同期自然坡地儲(chǔ)水量的1.73倍、2.34倍和1.81倍，是0-50cm土層平均儲(chǔ)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(chǔ)水量與自然坡地儲(chǔ)水量差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

2.2.4 4種集水保水措施比較

通過(guò)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(chǔ)水能力和儲(chǔ)水量。對(duì)4種集水保水措施的土壤儲(chǔ)水量進(jìn)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(chǔ)水量與全面整地和帶狀整地的差異分別達(dá)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)水量，主要是因?yàn)檎睾图嬗不胧┚芨淖兺寥澜Y(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(jí)別以上降雨的概率不到2%，降雨量是土壤儲(chǔ)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(chǔ)水量，特別是在旱季儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)水量分別是自然坡地的1.21倍，儲(chǔ)水效果明顯。

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

本研究結(jié)果與一些學(xué)者的研究結(jié)果較一致，李艷梅等[10]對(duì)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(shí)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(duì)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(yú)鱗坑整地可顯著提高土壤含水率和土壤儲(chǔ)水量。陳林等[13]對(duì)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(yùn)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(dá)到了蓄水保墑的目的。郭利平等[15]采用不同的水保措施對(duì)塘背小流域典型林地植被恢復(fù)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(fù)。

降水是元謀金沙江干熱河谷林地水資源的主要來(lái)源，也是決定土壤儲(chǔ)水量的關(guān)鍵因素，4種不同的集水保水措施下土壤儲(chǔ)水量與降雨量的變化規(guī)律基本一致，降雨量多，土壤儲(chǔ)水量大。2015年1月由于試驗(yàn)點(diǎn)受大范圍極端天氣影響，出現(xiàn)了強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的降雨過(guò)程，所以不同措施下土壤儲(chǔ)水量也有所上升。在4種不同措施中，集水面硬化處理后對(duì)地表徑流的蓄積量最大，土壤的含水率高，儲(chǔ)水量也相應(yīng)地較高。侯貴榮等[16]對(duì)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(chǔ)水量隨降雨量顯著變化，月平均土壤儲(chǔ)水量隨降雨量的增加呈上升趨勢(shì)。但是全面整地、帶狀整地和自然坡地土壤儲(chǔ)水量的波動(dòng)較大，說(shuō)明除降雨量影響土壤儲(chǔ)水量外，還受到蒸發(fā)量、土壤結(jié)構(gòu)、植被覆蓋、風(fēng)速和雨強(qiáng)等因素影響[17-19]，所以?xún)?chǔ)水量峰值與降雨量之間還存在滯后效應(yīng)，下一步還需對(duì)影響土壤儲(chǔ)水量的因素作深入細(xì)致的研究。