校 亮,熊東紅,張寶軍,張 素,吳 漢,楊 丹,李建查,史亮濤

1 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041 2 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041 3 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 4 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,元謀 651300

金沙江干熱河谷是我國西南地區(qū)特殊的生態(tài)脆弱區(qū)[1],該區(qū)沖溝侵蝕強(qiáng)烈、氣候炎熱干燥、水熱矛盾突出[2-3]。在該區(qū)植被恢復(fù)實(shí)踐中,土壤水分、溫度扮演的角色比其他類型的干旱區(qū)更加敏感,是研究水熱綜合影響的最佳場(chǎng)所[4]。長(zhǎng)期以來,干熱河谷區(qū)在自然和人為因素的共同作用下,形成了具有干旱炎熱、易于侵蝕、養(yǎng)分貧瘠等特點(diǎn)的特殊土壤生態(tài)環(huán)境[5- 6],已成為國內(nèi)植被恢復(fù)困難區(qū),尤其是在土體裸露、陡立、水分蒸發(fā)嚴(yán)重、晝夜溫差劇變的沖溝溝岸,更是植被恢復(fù)極端困難區(qū),長(zhǎng)期以來一直未能找到有效的植被恢復(fù)措施。

覆蓋處理是土壤水熱調(diào)控的主要措施之一[7],在干旱半干旱區(qū)作物栽培方面得到了廣泛應(yīng)用。研究表明,覆蓋不僅可以有效攔截降雨、提高土壤入滲量[8-10],還可減少蒸發(fā)、增加土壤貯水量[11-12],又可調(diào)節(jié)地溫、降低溫差[13-14],是土壤水熱調(diào)控的有效方式。在干熱河谷區(qū)覆蓋措施的理論研究和實(shí)踐探索現(xiàn)階段主要集中于農(nóng)業(yè)上的保墑控溫、作物生長(zhǎng)等方面,多見于秸稈、地膜覆蓋的農(nóng)田和坡耕地土壤[15-16],較少有學(xué)者關(guān)注到?jīng)_溝溝岸,劉潔等研究了3種植被恢復(fù)模式下土壤貯水及入滲特性,指出與裸地相比,植被的飽和貯水量普遍較高[17]；劉芝芹等通過對(duì)金沙江干熱河谷不同土地利用土壤入滲特征的研究,得到了果園和灌木地土壤入滲性能最好、其次為草地、旱地土壤入滲性能最差[18]；韓嬌嬌等指出,干熱河谷不同土地利用類型坡面土壤水分坡耕地最好、草地次之、林地最差[19]；但以往研究及以上措施均很難應(yīng)用到陡立的沖溝溝岸。但是,該區(qū)沖溝面積廣闊,發(fā)育形成有較多溝岸,若長(zhǎng)期暴露在干熱的氣候條件下,強(qiáng)蒸發(fā)作用將使得土壤水分生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化,更不利于植被恢復(fù)。因此,亟需探尋適宜的技術(shù)措施來調(diào)控溝岸土壤水熱狀況,為溝岸生境改良與植被恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。

野外調(diào)查干熱河谷區(qū)沖溝流域發(fā)現(xiàn),自然狀況下藤本植物攀沿覆被溝岸現(xiàn)象較為普遍,調(diào)查進(jìn)一步針對(duì)性地選取了葛藤(Kudzu)生長(zhǎng)的溝岸。裸露溝岸寸草不生、部分地塊甚至發(fā)育形成跌穴、溝岸底部存在大量結(jié)構(gòu)松散的崩積物；而葛藤生長(zhǎng)的溝岸則布滿了翠綠的鮮藤,綠被物下裹覆有厚實(shí)的枯落物,整個(gè)溝岸分布有較多的扭黃茅(Heteropogoncontortus)。基于此現(xiàn)象,研究者思考扭黃茅著床生長(zhǎng)溝岸可能與葛藤覆被溝岸后溝岸土壤水熱條件得以改善有關(guān)。那么,葛藤覆被溝岸后土壤水熱條件是否改善以及如何改善？這些問題目前尚不清楚。

本文以元謀干熱河谷沖溝發(fā)育的溝岸土體為研究對(duì)象,選取干熱河谷雨季初期首場(chǎng)較為充沛的降雨過程,這是因?yàn)樵搱?chǎng)降雨對(duì)于干熱河谷植被復(fù)蘇尤為重要,并以旱季5月土壤平均含水率作為背景條件(此時(shí)期溝岸土壤水分蒸發(fā)殆盡,土壤含水率相對(duì)穩(wěn)定)。采用野外定位監(jiān)測(cè)的方法,開展葛藤覆被對(duì)溝岸土壤水熱變化的影響研究,旨在為溝岸生境改良與植被恢復(fù)提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南元謀干熱河谷,介于101°35′—102°26′E,25°23′—26°06′N之間。該區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫21℃、年降雨量613.8mm、年蒸發(fā)量3737.3mm,干燥度達(dá)4.4[4]。旱季(11—5月份)降水不足50mm,長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月以上的旱季降水量不足年降水量的10%,特別是在2—5月份春末初夏植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵季節(jié),干熱加劇、蒸發(fā)強(qiáng)烈、土壤嚴(yán)重干旱、地面溫度最高達(dá)70℃,嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)。區(qū)內(nèi)地帶性土壤為燥紅土,自然植被為稀樹灌木草叢[20]。由于特殊的氣候和巖性條件,該區(qū)沖溝侵蝕發(fā)育,溝壑密度為3.0—5.0km/km2,最大達(dá)7.4km/km2[21],且因下切侵蝕和側(cè)壁崩塌,溝谷兩側(cè)常發(fā)育有陡立溝岸。溝岸由于特殊的微地形條件,在降雨過程中水分入滲困難,加之土體溫度晝夜劇變,使得該地塊成為沖溝系統(tǒng)中土壤水熱矛盾最為突出的部位,也成為沖溝植被恢復(fù)實(shí)踐中的困難部位。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取

圖1 干熱河谷沖溝陡立溝岸發(fā)育 Fig.1 Development of the gully bank in Yuanmou Dry-hot Valley Region

本研究中所指的沖溝溝岸,區(qū)分于溝頭以上及臨近范圍受集水區(qū)徑流沖刷直接影響的區(qū)域,特指在地形平坦開闊的溝床兩側(cè)的陡立地帶,即從溝床側(cè)壁底部向上延伸至溝緣的區(qū)域[22](圖1)。其特征在于地表裸露、坡度陡峭,水分、溫度變化劇烈,其上植被難以生長(zhǎng)。

2016年3月于成都山地所溝蝕崩塌觀測(cè)研究站附近(101°83′E,25°85′N),選取了一個(gè)葛藤生長(zhǎng)的原位溝岸。葛藤屬多年生藤本植物,2006年種植在溝岸底部,攀沿生長(zhǎng)布滿溝岸,因生長(zhǎng)條件差異,不同地塊葛藤覆被狀況各異。

溝岸基本特征如下：坡向30°、坡度67.5°、沿坡面長(zhǎng)5.9m、岸寬47m,溝岸燥紅土(上層3.9m)、砂積層(下層2m)成層分布。

在溝岸頂部沿坡面長(zhǎng)2m以下的燥紅土層選取原位小區(qū),以避免溝緣以上臺(tái)面區(qū)域降雨入滲和水分蒸散對(duì)深層土壤水分的影響,盡可能地保證溝岸土壤水分蒸散只取決于側(cè)壁蒸發(fā)(圖2)。

研究時(shí)段處于旱雨季交替時(shí)期,葛藤經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間干旱后開始復(fù)蘇生長(zhǎng),出現(xiàn)了大量枯藤和極少鮮藤共存的景象。在試驗(yàn)小區(qū),基于葛藤自然生長(zhǎng)狀況,自東向西依次選取裸露、鮮藤覆被和枯藤覆被地塊,地塊規(guī)格為1.8m×1.8m。其中裸露地塊作對(duì)照CK、鮮藤覆被地塊設(shè)置1種處理T1、枯藤覆被地塊設(shè)置3種處理(T2、T3、T4),葛藤覆被狀況均以單位面積生物量計(jì)。

圖2 試驗(yàn)區(qū)原位小區(qū)布設(shè)示意圖Fig.2 Sketch of experimental field plotsCK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu

1.2.2 葛藤覆被物生物量測(cè)定

采集各地塊葛藤覆被物,各處理取4個(gè)樣品,S形采樣。將自制方形環(huán)刀(20cm×20cm×20cm)垂直輕扣在覆被物上,緊貼環(huán)刀外壁刈割覆被物,并收集環(huán)刀內(nèi)所有覆被物。烘干法測(cè)定其生物量[23],平均后求得葛藤單位面積生物量(表1),作為葛藤覆被狀況指標(biāo),各處理間Cv=0.91,處中等變異。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置

CK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu.

1.2.3 土壤含水率、土壤溫度監(jiān)測(cè)

在選定的5個(gè)試驗(yàn)地塊中心,垂直溝岸埋設(shè)土壤水分探管,用與之配套的土壤剖面水分儀(英國Delta-T Device Ltd.公司生產(chǎn),型號(hào)：PR2/6)進(jìn)行土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

在土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近埋設(shè)紐扣式溫度記錄儀(德國Fireball.公司生產(chǎn),型號(hào)：TQ-03- 2),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤溫度變化。具體監(jiān)測(cè)深度和精度信息見表2。

表2 土壤含水率和土壤溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖3 監(jiān)測(cè)期間降雨量Fig.3 Rainfall over the monitoring period

監(jiān)測(cè)時(shí)段為2016年5月3日—5月5日、5月21日—5月31日,監(jiān)測(cè)期間的降雨信息如圖3所示。土壤含水率監(jiān)測(cè)頻度為每日7次(6:00、9:00、12:00、14:00、16:00、19:00、23:00),每一時(shí)間點(diǎn)土壤水分監(jiān)測(cè)3次取平均值(每次將土壤剖面水分儀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°,重新讀數(shù))。土壤溫度設(shè)置整點(diǎn)監(jiān)測(cè),時(shí)間間隔為2h/次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

溝岸表層土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征可采用土壤含水率變化率Rv來表征：

(1)

式中：Rv為土壤含水率變化率,vt0+1為連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)段后一時(shí)刻土壤含水率,vto為連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)段前一時(shí)刻土壤含水率,t為監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

不同覆被狀況下溝岸土壤水熱變化程度可采用極值比Ka和變異系數(shù)Cv來表示[24]：

(2)

式中：xmax為水分(溫度)最大值；xmin為水分(溫度)最小值。Ka反映了系列數(shù)據(jù)的變化幅度,Ka值越大,不同覆被狀況下土壤水熱變化幅度越大。

數(shù)理統(tǒng)計(jì)中用標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比作為衡量系列數(shù)據(jù)相對(duì)離散程度的參數(shù),稱為變異系數(shù)Cv,可反映土壤水熱的變異性：

(3)

試驗(yàn)所得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件進(jìn)行預(yù)處理,采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin Pro 8.0軟件進(jìn)行圖件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝岸土壤水分季節(jié)變化特征

在干熱河谷地區(qū),漫長(zhǎng)的旱季使得溝岸土壤水分在雨季來臨之前幾乎蒸發(fā)殆盡,土壤水分嚴(yán)重虧缺且相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)雨季首場(chǎng)較為充沛的降雨將十分有利于土壤存蓄水分,為植被復(fù)蘇創(chuàng)造條件。表3反映了不同處理措施下旱季末期(5月3日至5月5日)及雨季首場(chǎng)降雨結(jié)束后土壤含水率相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期(5月30日)溝岸表層0—40cm土層平均土壤含水率。

表3 不同時(shí)段溝岸表層0—40cm土層平均土壤含水率

CK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu

由表3可知,①在旱季,裸露溝岸0—40cm土層平均土壤含水率較低,為13.15%；鮮藤覆被下溝岸土壤含水率進(jìn)一步降低,僅為8.68%,較裸露溝岸下降了4.47%；統(tǒng)計(jì)分析表明,CK與T1處理間土壤含水率Cv=0.28,屬中等程度變異。枯藤覆被下溝岸土壤含水率相對(duì)增加,T2—T4平均土壤含水率分別為14.91%、16.75%、19.44%,分別較裸露溝岸增加了1.76%、3.6%、6.29%；統(tǒng)計(jì)分析表明,CK與T2—T4處理間土壤含水率Cv=0.18,屬中等程度變異。雨季也呈現(xiàn)出了類似的規(guī)律。表明鮮藤覆被溝岸后溝岸土壤含水率會(huì)進(jìn)一步降低,只有在枯藤覆被溝岸下土壤含水率才得以提升。說明枯藤覆被可改善土壤水分狀況,增加土壤蓄水量。②各處理措施下CK、T1—T4溝岸平均土壤含水率較旱季分別增加了7.89%、10.31%、9.51%、10.57%、9.71%,統(tǒng)計(jì)分析表明,各處理間土壤含水率增加量Cv=0.11,屬中等程度變異。對(duì)比分析不同處理措施下溝岸0—40cm平均土壤含水率自旱季至初次降雨結(jié)束后相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期的增加量可知,較裸露溝岸而言,葛藤覆被可溝岸土壤水分蓄積能力,有利于降雨水分入滲。

2.2 溝岸剖面土壤水分變化特征

氣象條件、覆被狀況和土壤性質(zhì)共同決定著水分入滲及蒸散,影響著土壤水分活躍層深度,對(duì)土壤水分蓄積至關(guān)重要[25-26]。圖4為單次降雨過程中各處理措施下溝岸剖面土壤水分逐日變化特征。

圖4 不同處理措施下溝岸剖面土壤水分逐日變化特征Fig.4 The changes characteristics of soil moisture content in gully bank under different treatmentsCK:裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu

由圖4可知,各處理措施下溝岸淺層土壤水分變化活躍,但活躍層深度不同；土層加深后,水分逐日變化微弱。①CK土壤水分變化趨勢(shì)線在0—40cm土層呈分散狀態(tài),40—100cm土層逐漸匯合；T1土壤水分變化趨勢(shì)線在0—100cm土層均較為分散；T2—T4土壤水分變化趨勢(shì)線在0—30cm土層均呈現(xiàn)出分散狀態(tài),30—100cm土層趨于匯合。表明土壤水分活躍層深度與葛藤覆被狀況有關(guān),鮮藤覆被可增加土壤水分活躍層深度,枯藤覆被下土壤水分活躍層深度則相對(duì)減小。②隨土層加深,各處理措施下土壤水分變化趨勢(shì)線均呈現(xiàn)出由分散趨向匯合的規(guī)律。表明土層加深后,土壤水分活躍程度逐漸減弱。

本文引入極值比(Ka)和變異系數(shù)(Cv)對(duì)溝岸剖面土壤水分逐日變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,以進(jìn)一步準(zhǔn)確、科學(xué)地表達(dá)和描述土壤水分逐日變化特征(包括土壤水分變化幅度和變異程度及土壤水分活躍層深度)。表4為各處理措施下溝岸剖面土壤水分變化統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果。

由表4可知,在剖面方向：各處理措施下土壤水分變化幅度和變異程度大都呈現(xiàn)出隨土層加深而減小的規(guī)律。以裸露地塊為例,Ka(10,20,30,40,60cm)=3.145、1.691、1.230、1.047、1.020、1.065,Ka值依次減??；Cv(10,20,30,40,60cm)=0.375、0.123、0.106、0.102、0.029、0.100,Cv值依次減?。黄溆嗵幚硪渤尸F(xiàn)出類似規(guī)律。表明土層加深后,土壤水分變化幅度和變異程度逐漸減弱。在水平方向：鮮藤覆被下同層土壤水分變化幅度及變異程度相對(duì)增加,枯藤覆被下則明顯減弱。以土壤水分變化最為劇烈的溝岸表層10cm土壤為例,土壤水分變化幅度：Ka(CK)=3.145,Ka(T1)=3.147,Ka(T2,T3,T4)=2.749、1.774、1.798,Ka(T2,T3,T4)

陳軍鋒等依據(jù)Cv≥0.07劃分了晉中盆地凍融期秸稈覆蓋下土壤水分活躍層[22],劃分依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果人為選取,合理性有待商榷。本文依據(jù)變異系數(shù)本身特點(diǎn),將土壤水分變化劇烈,各層土壤含水率Cv值均大于0.1,處中等以上變異的連續(xù)土層定義為土壤水分活躍層。以裸露地塊CK為例,Cv(10,20,30,40,60,100cm)=0.375、0.123、0.106、0.102、0.029、0.100,10、20、30、40cm連續(xù)土層Cv值均大于0.1,則CK土壤水分活躍層為0—40cm。以同樣的方法劃分了其他處理土壤水分活躍層,鮮藤覆被地塊T1為0—100cm,枯藤覆被地塊(T2,T3,T4)均為0—30cm。

表4 溝岸剖面土壤水分變化統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果

CK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu;Ka: 極值比, extremes ratio;Cv: 變異系數(shù), variation coefficient; —表示土壤含水率監(jiān)測(cè)過程中最小值未檢測(cè)出,極值比不存在

2.3 溝岸表層土壤水分變化特征

溝岸表層土壤水分狀況與動(dòng)態(tài)變化可用土壤含水率及其變化率表征。土壤含水率可直觀反映土壤水分狀況,土壤含水率變化率的正(負(fù))則能反映土壤水分的蓄積(散失),切線斜率也較好地表達(dá)了土壤水分蓄積(散失)速率。不同處理措施下溝岸表層0—10cm土壤含水率及其變化率如圖5所示。

由圖5a可知,各處理措施下溝岸表層土壤含水率均呈現(xiàn)出“增加,減小,陡升,陡降,之后穩(wěn)定衰減”的規(guī)律。依據(jù)土壤含水率變化規(guī)律將監(jiān)測(cè)時(shí)段劃分為2個(gè)階段,5月21日—5月26日,土壤水分補(bǔ)給階段；5月27日—5月30日,土壤水分衰減階段。

分析表明,葛藤覆被可增加水分補(bǔ)給階段土壤含水率的增加量,且在枯藤覆被地塊,土壤含水率的增加量隨葛藤覆被量的增加而增加。5月21日雨前土壤平均含水量CK為12.8%,T1為14.6%,T2—T4依次為14.0%、16.0%,24.3%。土壤水分補(bǔ)給結(jié)束后,各處理措施下CK、T1—T4平均土壤含水率較前期土壤含水率分別增加了7.2%、11.2%、8%、9.8%、14.8%。上述變化特征表明了葛藤覆被可增加土壤水分補(bǔ)給過程中土壤含水率的增加量。

進(jìn)一步分析表明,葛藤覆被可有效降低土壤含水率的散失量。在土壤水分衰減階段,5月27日,V(CK,T1,T2,T3,T4)=29.9%、35.2%、32.8%、28.9%、45.7%；5月30日,V(CK,T1,T2,T3,T4)=14.1%、21.1%、18.1%、21.9%、37.0%,各處理措施下平均土壤含水率分別降低了15.8%、14.1%、14.7%、6.9%、8.8%。上述變化特征表明了葛藤覆被可減小土壤水分衰減過程中土壤含水率的散失量。

圖5 不同處理措施下溝岸表層0—10cm土層土壤水分變化特征Fig.5 The changes characteristics of soil moisture content in gully bank surface layer under different treatmentsCK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu; 監(jiān)測(cè)次數(shù)N以土壤含水率監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)順次排列, 1,2,3……,其下標(biāo)注有監(jiān)測(cè)日期

由圖5b可知,隨葛藤覆被量增加,溝岸表層土壤含水率變化率波動(dòng)規(guī)律不明顯。但是,在枯藤覆被地塊,覆被量增加后,土壤含水率變化率的波動(dòng)逐漸平緩,波峰依次減小,波長(zhǎng)穩(wěn)步增大。①T2波形最陡,T3次之,T4波形最緩。表明隨枯藤覆被量增加,土壤含水率變化率波形逐漸變緩。②土壤含水率變化率峰值T2為0.380,T3為0.138,T4為0.124。表明隨枯藤覆被量增加,土壤含水率變化率峰值依次減小。③在土壤含水率變化率波動(dòng)出現(xiàn)峰值的波段準(zhǔn)1/2波長(zhǎng)處,T2對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)7h,T3、T4對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)均為17h。表明隨枯藤覆被量增加,土壤含水率變化率正波動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)增加。①—③共同說明了增加枯藤覆被量可保證土壤含水率變化率較高的增長(zhǎng)速率、較為平穩(wěn)地、較長(zhǎng)時(shí)間地增長(zhǎng)。

2.4 溝岸表層土壤溫度變化特征

土壤溫度是太陽輻射平衡和土壤熱量平衡共同作用的結(jié)果。氣象條件、覆被狀況通過影響太陽輻射和土壤熱特性改變土壤溫度[27]。圖6描述了各處理措施下溝岸表層5、10cm土壤溫度變化特征。

由圖6可知,①葛藤覆被削弱了溝岸表層土壤溫度隨深度的變異性,覆被量越多,表層土壤溫度差異越小。溝岸表層5、10cm處土壤溫度波動(dòng)的差異性隨葛藤覆被量增加而減弱,T4處理下5、10cm處土壤溫度變化曲線幾乎重疊。②以土壤水分補(bǔ)給、衰減轉(zhuǎn)折期5月26日為界,各處理措施下溝岸表層5、10cm處土壤溫度變化顯著不同。5月26日之前,10cm處土壤溫度普遍高于5cm處；5月26日之后則相反,且10cm處土壤溫度變化較5cm處表現(xiàn)出滯后性。表明溝岸表層不同深度土壤溫度變化與土壤水分補(bǔ)給衰減過程有關(guān)。

圖6 不同處理措施下溝岸表層土壤溫度變化特征Fig.6 The changes characteristics of soil temperature in gully bank surface layer under different treatmentsCK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu; 監(jiān)測(cè)次數(shù)N以土壤溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)順次排列, 1,2,3……,其下標(biāo)注有監(jiān)測(cè)日期

表5為溝岸表層土壤溫度變化統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果。由表5可知,隨葛藤覆被量增加,溝岸表層5cm、10cm處土壤溫度變化幅度和變異程度均逐漸減小。各處理措施下溝岸表層5cm處土壤溫度的極值比Ka(CK,T1,T2,T3,T4)=1.374、1.399、1.205、1.196、1.183,變異系數(shù)Cv(CK,T1,T2,T3,T4)=0.068、0.066、0.043、0.039、0.038,5cm處土壤溫度Ka值和Cv值均表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3>T4；10cm處土壤溫度的極值比Ka(CK,T1,T2,T3,T4)=1.565、1.529、1.351、1.248、1.242,變異系數(shù)Cv(CK,T1,T2,T3,T4)=0.113、0.109、0.085、0.068、0.062,10cm處土壤溫度Ka值和Cv值亦表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3>T4,上述變化規(guī)律說明了土壤溫度變化幅度和變異程度均隨葛藤覆被量的增加而減小。

圖7為各處理措施下溝岸表層5cm處土壤溫度變化特征。由圖7可知,①隨葛藤覆被量增加,溝岸表層5cm處土壤溫度波動(dòng)逐漸減弱。裸露地塊CK土壤溫度波動(dòng)最為劇烈,T1次之,T2、T3、T4依次降低。表明葛藤覆被可降低溝岸表層5cm處土壤溫度波動(dòng),減弱土壤溫度的劇變性。②以土壤水分補(bǔ)給、衰減轉(zhuǎn)折期5月26日為界, 各處理措施下溝岸表層5cm處土壤溫度變化特征顯著不同。5月26日之前,5cm處土壤溫度波動(dòng)較小,土壤溫度隨葛藤覆被量增加而增加；5月26日之后土壤溫度波動(dòng)較大,土壤溫度隨葛藤覆被量增加而降低。表明土壤溫度波動(dòng)與土壤水分補(bǔ)給衰減過程有關(guān)。

表5 溝岸表層土壤溫度變化統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

CK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage ofKudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage ofKudzu; ②Ka: 極值比, extremes ratio;Cv: 變異系數(shù), variation coefficient; —表示土壤含水率監(jiān)測(cè)過程中最小值未檢測(cè)出,極值比不存在

圖7 不同處理措施下表層5cm處土壤溫度變化 Fig.7 The changes characteristics of soil temperature in gully bank surface layer in 5cm under different treatmentsCK: 裸露溝岸, the bare gully bank; T1: 鮮藤覆被溝岸, the gully bank under fresh coverage of Kudzu; T2—T4: 枯藤覆被溝岸, the gully bank under withered coverage of Kudzu; ②監(jiān)測(cè)次數(shù)N以土壤溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)順次排列, 1,2,3……,其下標(biāo)注有監(jiān)測(cè)日期

3 討論

3.1 溝岸土壤水分季節(jié)變化特征

相比裸露溝岸而言,旱、雨季鮮藤覆被溝岸土壤含水率均出現(xiàn)不同程度的降低,旱、雨季枯藤覆被溝岸土壤含水率則顯著增加。較裸露溝岸,鮮、枯藤覆被溝岸0—40cm土層平均土壤含水率自旱季至初次降雨結(jié)束后相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期土壤含水率的增量明顯增加,即鮮、枯藤覆被均可提高溝岸土壤水分蓄積能力,利于降雨水分入滲。

3.2 溝岸剖面土壤水分變化特征

本研究中枯藤覆被減小了溝岸土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度。這與陳軍鋒等[24],李守蕾[28]的研究結(jié)果一致?？赡苁怯捎诟脖桓淖兞送翚忾g的水分交換條件,使得土壤水分補(bǔ)給—衰減過程發(fā)生了改變,進(jìn)而影響到土壤水分動(dòng)態(tài)變化。降雨期間,覆被可降低徑流,提高入滲；降雨結(jié)束后,覆被又可抑制蒸發(fā)[28]。溝岸表層土壤水分存量增加、蒸發(fā)卻減小,土壤水分波動(dòng)影響范圍則相對(duì)減弱。

較裸露溝岸,鮮藤覆被下溝岸土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度顯著增加。原因可能是葛藤生長(zhǎng)對(duì)極端環(huán)境產(chǎn)生了相應(yīng)的調(diào)節(jié)適應(yīng)機(jī)制,12:00—16:00太陽輻射強(qiáng)烈,葛藤葉片傾斜生長(zhǎng)以降低蒸騰耗水。期間部分表土裸露,植物蒸騰和土面蒸發(fā)使得土壤水分加速散失引起。T1、T4處理下40—60cm土層土壤含水率低的原因在于區(qū)內(nèi)有葛藤須根生根,強(qiáng)烈的蒸騰作用使的該層土壤水分急劇下降,水分虧缺嚴(yán)重。因此,葛藤種植應(yīng)選擇在溝岸底部水分條件相對(duì)優(yōu)越的區(qū)域,以防止植被過度耗水導(dǎo)致土壤干旱化。

3.3 溝岸表層土壤水分變化特征

有研究表明,表層土壤水分變化對(duì)氣象條件和覆被狀況的改變更為敏感[29],本文對(duì)比分析了不同處理措施下溝岸表層0—10cm土壤含水率及其變化率在單次降雨過程中的動(dòng)態(tài)變化特征。研究發(fā)現(xiàn),葛藤覆被可增加水分補(bǔ)給過程中土壤含水率的增加量,減小土壤水分衰減過程中土壤含水率的散失量。增加枯藤覆被量后,土壤含水率變化率的波形逐漸平緩、波峰依次減小、波長(zhǎng)穩(wěn)步增大?？赡苁怯捎诟脖晃锛瓤沙洚?dāng)降雨水分的緩存器,使水分入滲存在緩沖效應(yīng)；又可充當(dāng)水分入滲的緩釋器,使水分補(bǔ)給存在滯后效應(yīng)[26],使得土壤水分入滲時(shí)間拉長(zhǎng),入滲速率減弱,表現(xiàn)在土壤含水率變化率的波動(dòng)規(guī)律即為波形平緩,峰值減小,波長(zhǎng)增加。

3.4 溝岸表層土壤溫度變化特征

本研究中葛藤覆被減弱了溝岸表層土壤溫度。這與蔡太義[30]的研究結(jié)果一致。可能是由于覆被改變了表層土壤熱量的自然遷移規(guī)律,阻礙了太陽輻射和地面凈輻射,降低了白天輻射熱能,削弱了夜間熱量散失,并弱化了土壤的熱傳導(dǎo)過程,使得土壤溫度波動(dòng)降低。

研究還發(fā)現(xiàn),土壤溫度波動(dòng)與土壤水分補(bǔ)給衰減過程有關(guān)。原因可能是5月26日之前,覆層內(nèi)存留有一定水分,表層土壤溫度主要以深層(10cm)土壤向淺層(5cm)土壤的熱傳導(dǎo)為主,地表溫度對(duì)表層土壤的影響較弱,因而深層土壤溫度相對(duì)較高。5月26日之后,覆層水分蒸發(fā)殆盡后,太陽輻射通過加熱淺層土壤并以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給深層土壤,因而淺層土壤溫度較高；同時(shí)表層土壤溫土壤熱傳導(dǎo)過程需要一段時(shí)間,溫度變化的滯后性也就隨之出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)相比裸露溝岸而言,旱、雨季鮮藤覆被溝岸土壤含水率均出現(xiàn)不同程度的降低,枯藤覆被溝岸土壤含水率則顯著增加,且鮮、枯藤覆被均有利于降雨水分入滲,提高土壤水分蓄積量。

(2)相比裸露溝岸而言,鮮藤覆被可明顯增加土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度,枯藤覆被下土壤水分活躍層深度、變化幅度和變異程度則相對(duì)減弱。

(3)相比裸露溝岸而言,鮮、枯藤覆被可提高水分補(bǔ)給過程中溝岸表層土壤含水率的增加量,降低水分衰減過程中溝岸表層土壤含水率的散失量；增加枯藤覆被量可保證土壤含水率變化率以較高的增長(zhǎng)速率、較穩(wěn)平穩(wěn)地、較長(zhǎng)時(shí)間地增長(zhǎng)。

(4)相比裸露溝岸而言,鮮、枯藤覆被可削弱溝岸表層土壤溫度的變化幅度和變異程度,減弱土壤溫度波動(dòng)。

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