程 諒，焦 雄，邸涵悅，熊翱宇，郭忠錄?

不同整地措施坡面土壤水分時(shí)空分布特征*

程 諒1，2，焦 雄1，邸涵悅1，熊翱宇1，郭忠錄1?

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，武漢 430070；2. 中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071）

了解不同整地措施的梯田果園土壤水分的時(shí)空異質(zhì)性及影響機(jī)制對(duì)提升林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。以贛南小洋小流域臍橙果園開發(fā)示范區(qū)內(nèi)的3種典型的土地利用結(jié)構(gòu)坡面（優(yōu)化整地坡面、粗放整地坡面、未整地荒草地坡面）和4種土地利用類型（優(yōu)化整地果園、粗放整地果園、荒草地、農(nóng)地）為研究對(duì)象，研究其在0～100 cm土壤剖面上的水分時(shí)空分布特征及主控地形因子。結(jié)果表明：不同土地利用類型土壤含水量在雨季表現(xiàn)為農(nóng)地>粗放整地果園>優(yōu)化整地果園>荒草地，果園之間無顯著差異，其他土地利用之間差異均顯著（<0.05）；在旱季為農(nóng)地>優(yōu)化整地果園>粗放整地果園>荒草地，荒草地和粗放整地果園土壤含水量大幅降低，要顯著低于優(yōu)化整地果園（<0.05）。在不同坡位，雨季與旱季土壤含水量從坡頂?shù)狡履_均表現(xiàn)為逐漸升高趨勢(shì)，且坡上、中、下部位的差異均很小。通過冗余分析也發(fā)現(xiàn)雨季和旱季土壤水分異質(zhì)性的主控因子分別為坡位和土地利用類型（<0.01），均通過表層（0～20 cm）土壤來影響水分分布。整地措施對(duì)坡面土壤水分的空間異質(zhì)性提升明顯，且顯著提升了坡面在雨季對(duì)降雨的入滲能力，同時(shí)優(yōu)化整地措施顯著提升了梯田表層土壤在旱季的蓄水保水能力。研究結(jié)論可為區(qū)域內(nèi)整地措施空間布局優(yōu)化以及水土流失的綜合治理提供理論依據(jù)。

整地措施；坡面；土地利用結(jié)構(gòu)；土壤含水量；時(shí)空分布；冗余分析

土壤水分是影響地表水、溶質(zhì)和能量的重要變量[1]，它是水文循環(huán)的主要組成部分，控制著不同規(guī)模的徑流，入滲和蒸散過程，并且土壤水分對(duì)土壤養(yǎng)分狀況也有很大的影響，是影響南方地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵水資源[2-3]。季節(jié)性干旱是南方紅壤區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展最為突出的問題之一，其表現(xiàn)為頻率高，而且強(qiáng)度大，對(duì)于農(nóng)業(yè)和林果業(yè)的產(chǎn)量與質(zhì)量有較大影響，因此研究并掌握土壤水分的變化規(guī)律至關(guān)重要[4]。土壤水分在多重尺度上均會(huì)表現(xiàn)出高度的時(shí)空變異性，其時(shí)空變異性是受景觀類型、氣象、地形、土壤、人為活動(dòng)等多因素綜合作用的結(jié)果，這些因素的影響是復(fù)雜的，因?yàn)檫@些因素本身可能還存在著相互作用[5-6]。在已有認(rèn)知中，地形在土壤水分的空間再分配中有著重要作用[7]，是影響土壤水分的關(guān)鍵因素，已有研究[8-9]表明，坡面上較平緩的坡腳較較陡的坡頂具有更高的土壤含水量，此外地形對(duì)表層和深層土壤水分變化的影響具有較大差異。土地利用類型對(duì)土壤水分也有重要的影響[10]，多針對(duì)農(nóng)地、林地、草地等不同土地利用類型下控制土壤水分的因素展開研究[11-12]，Liu和Shao[13]的研究表明植被類型是引起土壤水分時(shí)間分布和剖面分布變化的主要因素，但是在不同的區(qū)域尺度上有所差異。

南方紅壤區(qū)土壤水分還與季節(jié)（雨季、旱季）密切相關(guān)，在不同季節(jié)內(nèi)的土壤水分空間異質(zhì)性也一直是研究的重點(diǎn)。一般認(rèn)為，土壤水分空間異質(zhì)性的驅(qū)動(dòng)因子在兩種時(shí)期具有較大差異：在雨季主要受到地形因素的控制，旱季則主要受到土壤性質(zhì)和植被差異的影響[14-15]，但實(shí)際上不同季節(jié)土壤水分的主控因子還存在著較大差異，如Zhao等[15]針對(duì)半干旱草原地區(qū)的研究指出土壤（土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)和容重）和植被性質(zhì)均會(huì)顯著影響旱季土壤水分空間格局的時(shí)間穩(wěn)定性，而張偉等[16]對(duì)喀斯特地區(qū)旱季表層土壤水分空間變異性的研究發(fā)現(xiàn)旱季洼地表層土壤水分主要受石叢和地形兩個(gè)不同尺度的環(huán)境因素影響，這種差異說明土壤水分分布的控制因素在空間和時(shí)間上是可變的。

這些研究對(duì)象大多為不同土地利用坡面，還有較少學(xué)者針對(duì)于梯田展開研究，如梯田內(nèi)不同的耕作方式、旱作措施、耕作年限以及梯田類型下的土壤水分環(huán)境效益，這類研究可為梯田、植被和作物的類型選擇和布設(shè)提供重要參考，幫助提升地區(qū)農(nóng)業(yè)的節(jié)水效率和生態(tài)恢復(fù)效率[17-20]。如Wei等[19]對(duì)多種梯田及植被類型下的土壤水分狀況進(jìn)行研究，指出梯田可使自然坡面土壤水分增加0.87%～37.71%，有利于生態(tài)恢復(fù)，但各種梯田措施對(duì)土壤水分的影響是不同的，Widomski[20]的研究指出梯田可使土壤體積含水量最大增加約20.00%，這是由于梯田通過增加地表水滲透到更深的土壤中來改善土壤中的水分平衡。本文針對(duì)南方紅壤低山丘陵區(qū)經(jīng)濟(jì)林果產(chǎn)業(yè)開發(fā)園區(qū)內(nèi)新修梯田整地粗放、水土流失加劇、生態(tài)效益低下等問題，研究了新修梯田坡面在不同季節(jié)內(nèi)的土壤水分分布特征以及主控因子，為區(qū)域內(nèi)荒草地坡面開發(fā)后梯田果園的蓄水保水工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江西省贛州市寧都縣固厚鄉(xiāng)小洋小流域，屬南方紅壤區(qū)，區(qū)域于2017年開發(fā)為“南方紅壤低山丘陵區(qū)水土流失綜合治理”核心示范區(qū)，開發(fā)項(xiàng)目屬于“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——“典型脆弱生態(tài)恢復(fù)修復(fù)與保護(hù)研究”專項(xiàng)。位置介于116°02′29″～116°06′56″E和26°14′51″～26°19′56″N之間，流域總面積46.85 km2。土壤以花崗巖母巖發(fā)育的紅壤為主，地貌類型以低山丘陵區(qū)為主，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，水土流失面積為25.17 km2，占土地總面積的53.42%。區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)溫和氣候，年平均氣溫18℃，年平均降雨量1 800 mm左右，但分配不均，伏旱、秋旱頻繁。區(qū)域內(nèi)自然坡面修整前屬紅砂巖侵蝕劣地，水土流失嚴(yán)重，項(xiàng)目將坡地修整為水平梯田，田面種植臍橙，園區(qū)內(nèi)主要包括2種整地模式的梯田果園：

（1）優(yōu)化整地：前埂后溝，使用梯壁植草防護(hù)技術(shù)對(duì)新修梯田布設(shè)水土保持措施，針對(duì)植被破壞比較嚴(yán)重的林果地，為盡快修復(fù)梯壁植被，穩(wěn)固梯壁防止水土流失，在地埂和梯壁上人工種植鄉(xiāng)土草本寬葉雀稗（），構(gòu)建植被帶。

（2）粗放整地：有溝，無地埂及其他水土保持措施，植被覆蓋度低，地表裸露嚴(yán)重。

1.2 點(diǎn)位選擇

于2019年5月，在研究區(qū)內(nèi)選擇3個(gè)典型坡面進(jìn)行研究，按照一個(gè)坡面的坡頂、坡上、坡中、坡下、坡腳選擇5個(gè)樣點(diǎn)，共15個(gè)點(diǎn)位。3個(gè)坡面分別為：優(yōu)化整地坡面，從上至下的土地利用結(jié)構(gòu)為荒草地-優(yōu)化整地果園-優(yōu)化整地果園-優(yōu)化整地果園-農(nóng)地（TA1至TA5）；粗放整地坡面，土地利用結(jié)構(gòu)為荒草地-粗放整地果園-粗放整地果園-粗放整地果園-農(nóng)地（TB1至TB5）；同時(shí)設(shè)荒草地坡面為對(duì)照，其土地利用結(jié)構(gòu)為荒草地-荒草地-荒草地-荒草地-荒草地（CK1至CK5）（圖1）。

對(duì)15個(gè)點(diǎn)位的地形以及植被覆蓋狀況進(jìn)行調(diào)查，包括土地利用類型、與坡頂距離、坡向、坡度、經(jīng)緯度、海拔、優(yōu)勢(shì)植被物種以及植被覆蓋度等。優(yōu)化整地和粗放整地坡面中的果園內(nèi)的作物均為臍橙，且在整地之前均為荒草地，植被覆蓋狀況和荒草地相同。3個(gè)坡面均為陽坡，坡向相近，總坡長差異較小?；牟莸氐闹脖粌?yōu)勢(shì)種均為鐵芒萁（）和馬尾松（），鐵芒萁占絕大部分，整體覆蓋度較低（表1）。

1.3 土壤含水量監(jiān)測(cè)

于2019年5月21日—12月21日（共持續(xù)211 d）使用TDR連續(xù)監(jiān)測(cè)15個(gè)點(diǎn)位的土壤體積含水量時(shí)空變化特征，每個(gè)點(diǎn)位分5個(gè)土層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）進(jìn)行測(cè)量。監(jiān)測(cè)方法分為以下兩種：（1）優(yōu)化整地坡面：在優(yōu)化整地坡面的5個(gè)點(diǎn)位中分土層埋設(shè)H21-USB土壤濕度測(cè)量系統(tǒng)探頭，每隔5 d測(cè)量一次土壤含水量并自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)；（2）粗放整地坡面和荒草地坡面：在10個(gè)點(diǎn)位上使用螺旋土鉆鉆孔后，使用MP-406土壤水分測(cè)定儀分5個(gè)土層測(cè)定土壤水分，重復(fù)3次，每隔5 d測(cè)量一次土壤含水量。土壤含水量一般在上午8:00～10:00左右進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)使用雨量計(jì)記錄流域內(nèi)的降雨量和氣溫?cái)?shù)據(jù)。

為檢驗(yàn)TDR的準(zhǔn)確性，使用野外校正方法對(duì)監(jiān)測(cè)的含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[21]，在使用TDR記錄土壤含水量的同時(shí)，使用環(huán)刀（體積100 cm3）在各樣點(diǎn)探頭埋設(shè)點(diǎn)取原狀土樣，每次重復(fù)3次，并記錄采樣時(shí)間，帶回室內(nèi)使用烘干法測(cè)定土壤體積含水量，以此得到兩種方法測(cè)得的土壤體積含水量，每兩個(gè)月校正一次，得到校正回歸方程。

H21-USB土壤濕度測(cè)量系統(tǒng)校正回歸方程如下：

式中，為使用TDR測(cè)得的土壤體積含水量（m3·m–3）；為校正后的土壤體積含水量（m3·m–3）。

MP-406土壤水分測(cè)定儀校正回歸方程如下：

式中，為使用TDR測(cè)得的土壤體積含水量（m3·m–3）；為校正后的土壤體積含水量（m3·m–3）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 2017軟件繪制圖表，使用Canoco 5軟件進(jìn)行冗余分析（Redundancy analysis，RDA），并繪制RDA排序圖。

2 結(jié) 果

2.1 研究區(qū)降雨量監(jiān)測(cè)情況

在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，共有55 d發(fā)生過降雨，總降雨量為793.50 mm，最大日降雨量為107.80 mm（圖2）。由于在8月5日之后，近1個(gè)月的時(shí)期無降雨，且土壤含水量有明顯降低，因此將整個(gè)監(jiān)測(cè)期劃分為兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析。雨季：5月21日—8月5日，共77 d，總降雨量為735.60 mm，占觀測(cè)期總降雨量的絕大部分，為92.70%，日均氣溫為26.19℃；旱季：8月6日—12月17日，共134 d，總降雨量為57.90 mm，占觀測(cè)期總降雨量的7.30%，日均氣溫為23.47℃。

2.2 不同坡面和坡位在雨季和旱季的土壤含水量差異

在雨季，優(yōu)化整地坡面土壤含水量介于0.167 7～0.455 9 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.269 9、0.291 3、0.299 2、0.332 8、0.396 7 m3·m–3，總體均值為0.318 0 m3·m–3。粗放整地坡面介于0.131 0～0.464 7 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.230 1、0.318 1、0.316 4、0.333 6、0.420 9 m3·m–3，總體均值為0.323 8 m3·m–3，兩個(gè)坡面從坡頂至坡腳均逐漸升高，且坡腳含水量均顯著（<0.05）高于其他部位，從兩個(gè)坡面對(duì)比來看，除坡頂和坡上部位，其他坡位差異均不顯著（>0.05）?；牟莸仄旅娼橛?.147 3～0.368 3 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.243 6、0.286 2、0.306 1、0.293 9、0.287 6 m3·m–3，總體均值為0.283 5 m3·m–3，不同坡位之間的土壤含水量均值與變異系數(shù)差異較小，僅坡頂顯著（<0.05）低于其他坡位。其中TA5與TB5的變異系數(shù)最小，分別為6.42%和5.54%。

在旱季，優(yōu)化整地坡面土壤含水量介于0.068 5～0.407 7 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.194 4、0.192 8、0.203 6、0.197 5、0.354 0 m3·m–3，均值為0.228 5 m3·m–3。粗放整地坡面介于0.055 7～0.420 3 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.097 4、0.151 3、0.144 9、0.146 5、0.350 8 m3·m–3，均值為0.178 2 m3·m–3，除坡腳外，其他坡位均顯著（<0.05）低于優(yōu)化整地坡面，且兩個(gè)坡面的坡腳均要顯著（<0.05）高于其他坡位，在坡上、中、下土壤含水量差異很小。荒草地坡面介于0.055 3～0.299 3 m3·m–3，從坡頂至坡腳平均值依次為0.122 7、0.136 4、0.130 1、0.134 4、0.150 8 m3·m–3，均值為0.134 9 m3·m–3，坡位間無顯著差異，但坡腳和坡頂均與其他兩個(gè)坡面具有顯著差異（<0.05）。

3個(gè)坡面在旱季土壤含水量均要明顯低于雨季，且荒草地坡面下降最為明顯，降低了52.81%，其次為粗放整地坡面，為45.06%，優(yōu)化整地坡面最低，為28.93%。并且在旱季各點(diǎn)位變異系數(shù)有明顯提升，均要高于雨季（表2）。

表2 土壤含水量在雨季和旱季的統(tǒng)計(jì)特征值

注：表中不同大寫字母表示同一坡面內(nèi)不同坡位間差異顯著（<0.05），不同小寫字母表示同一坡位的不同坡面間差異顯著（<0.05），雨季=80，旱季=135。Note：Different capital letters in the table indicate significant differences between different slope positions on the same slope at the level of 0.05；different lowercase letters in the table indicate significant differences between different slopes in the same slope position at the level of 0.05；rainy season=80；and dry season=135.

2.3 不同土層在雨季和旱季的土壤含水量差異

在雨季時(shí)，優(yōu)化整地坡面0～100 cm的5個(gè)土層從上至下土壤含水量均值依次為0.269 7、0.325 3、0.333 3、0.330 3、0.331 3 m3·m–3，0～20 cm土層土壤含水量要明顯小于20～100 cm；粗放整地坡面依次為0.318 5、0.331 9、0.333 6、0.319 8、0.315 3 m3·m–3，從上至下呈先升高再降低的趨勢(shì)；荒草地坡面依次為0.278 9、0.281 4、0.284 1、0.286 0、0.286 9 m3·m–3，從上至下總體呈逐漸升高趨勢(shì)，但土層之間差異較小。

在旱季，優(yōu)化整地坡面5個(gè)土層從上至下土壤含水量均值依次為0.144 1、0.213 7、0.249 4、0.258 0、0.277 2 m3·m–3；粗放整地坡面依次為0.145 4、0.160 8、0.177 8、0.197 8、0.209 0 m3·m–3，從上至下呈先升高再降低的趨勢(shì)；荒草地坡面依次為0.105 1、0.116 4、0.136 7、0.149 6、0.166 4 m3·m–3。不同土層的土壤含水量在從雨季到旱季時(shí)均發(fā)生了較大變化，旱季土壤含水量從上至下均呈逐漸升高趨勢(shì)，且不同土層之間差異要明顯大于雨季，其中變化較大的點(diǎn)位為TA2、TA3、TA4、TB2、TB3和TB4，均為果園（圖3）。

2.4 不同土地利用類型的土壤含水量差異

從不同土地利用類型來看，優(yōu)化整地果園、粗放整地果園、荒草地和農(nóng)地在雨季的土壤含水量范圍依次為：0.286 8～0.315 7、0.280 3～0.375 6、0.218 5～0.301 2、0.382 4～0.421 3 m3·m–3，均值依次為0.307 8、0.322 7、0.273 9、0.408 8 m3·m–3，表現(xiàn)為農(nóng)地要顯著大于其他土地利用，粗放整地果園與優(yōu)化整地果園差異不明顯，但均要顯著大于荒草地，優(yōu)化整地果園和農(nóng)地土壤含水量在整個(gè)雨季觀測(cè)期內(nèi)對(duì)降雨的響應(yīng)幅度要小于粗放整地果園和荒草地。在旱季，優(yōu)化整地果園、粗放整地果園、荒草地和農(nóng)地在旱季內(nèi)的土壤含水量范圍依次為：0.161 0～0.272 8、0.113 6～0.271 3、0.113 2～0.217 4、0.329 1～0.388 3 m3·m–3，均值依次為0.198 0、0.147 5、0.138 0、0.352 4m3·m–3，農(nóng)地和優(yōu)化整地果園均要顯著高于粗放整地果園和荒草地（圖4）。

根據(jù)圖3的等值線圖計(jì)算發(fā)現(xiàn)，粗放整地果園和荒草地的土壤含水量等值線均較優(yōu)化整地果園更陡，這說明粗放整地果園的土壤耗水深度增長更快。在旱季除農(nóng)地外各點(diǎn)位的土壤含水量均不同程度地降至0.200 0 m3·m–3左右（旱季整個(gè)坡面的土壤含水量為0.200 0 m3·m–3左右），但是在不同點(diǎn)位的0.200 0 m3·m–3含水量等值線下降速度具有明顯差異，優(yōu)化整地果園等值線在剖面上的下降速度約為1.2 cm·d–1，粗放整地果園約為3.2 cm·d–1，遠(yuǎn)高于優(yōu)化整地果園，荒草地約為2.5 cm·d–1。

2.5 不同季節(jié)土壤含水量與地形因子的關(guān)系

對(duì)雨季、旱季的土壤含水量及地形因子進(jìn)行RDA分析，RDA分析包括兩個(gè)矩陣，其中土壤含水量矩陣為P×N維，其中P為土層數(shù)，共5個(gè)土層，N為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)目，共15個(gè)點(diǎn)位。地形因子矩陣為Q×N維，其中Q為地形因子數(shù)量，本研究包含的地形因子包括土地利用類型、坡度、坡位和海拔。其中土地利用類型分4類：1表示優(yōu)化整地果園、2表示粗放整地果園、3表示荒草地、4表示農(nóng)地，坡位分5類，1表示坡腳、2表示坡下、3表示坡中、4表示坡上、5表示坡頂。使用RDA來對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的土壤含水量數(shù)據(jù)和地形因子數(shù)據(jù)進(jìn)行排序分析。

在雨季，RDA雙序圖第1排序軸揭示了68.3%的土壤水分變化以及土壤水分與地形因子之間的關(guān)系，第2排序軸揭示了4.39%，在旱季第1排序軸和第2排序軸分別揭示了81.1%和2.01%（圖5）。第1、2排序軸解釋了絕大部分信息，因此選用前兩軸來分析地形因子與土壤水分的相互關(guān)系。在排序圖中，空心箭頭連線代表環(huán)境因子，箭頭連線的長度代表環(huán)境因子與土壤含水量的相關(guān)性大小，連線越長，相關(guān)性越大，反之越小，箭頭連線投影在排序軸上的長度代表該環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性大小，投影于正坐標(biāo)為正相關(guān)，負(fù)坐標(biāo)為負(fù)相關(guān)；實(shí)心箭頭連線代表各土層土壤含水量指標(biāo)，兩條箭頭連線的夾角余弦表示其相關(guān)性，銳角為正相關(guān)，鈍角為負(fù)相關(guān)。

在雨季，坡位（=0.002）的解釋度較高，對(duì)雨季土壤含水量的分布具有極顯著影響，其次土地利用類型（=0.048）的影響顯著，坡度（=0.052）和海拔（=0.098）的影響較小。在旱季，土地利用類型（=0.008）對(duì)旱季土壤含水量的分布具有極顯著影響，其次為坡位（=0.024）和海拔（=0.024）均具有顯著影響，坡度（=0.062）的影響較小（表3）。

表3 RDA分析中地形因子的前向選擇

在雨季，RDA排序圖的第一軸和第二軸分別主要反映了土壤含水量隨坡位和海拔的梯度變化。從土層箭頭與地形因子箭頭的夾角來看，土地利用類型與0～20 cm土層夾角最小，說明土地利用類型對(duì)表層的影響最大，且隨土層向下影響也逐漸減弱。海拔與各土層基本呈直角，說明海拔對(duì)深層土壤水分異質(zhì)性基本無影響。此外，坡度和坡位與各土層夾角基本為180°左右，說明其與土壤水分異質(zhì)性為負(fù)相關(guān)。旱季第一軸和第二軸分別主要反映了土壤含水量隨坡位和土地利用類型的梯度變化，土地利用類型和海拔對(duì)各土層均為正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，坡位與表層呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他土層相關(guān)性均顯著，坡度與深層顯著負(fù)相關(guān)，與表層相關(guān)性則較小（圖5）。

3 討 論

3.1 不同土地利用結(jié)構(gòu)與坡位的土壤含水量差異

影響到土壤含水量的因素眾多且復(fù)雜，一般包括土壤因素、地形因素、植被因素、土地利用因素、氣候因素等[14,22]，在單一土地利用結(jié)構(gòu)下（如本研究中的荒草地坡面），坡面土壤含水量變異性較低，而不同的土地利用結(jié)構(gòu)（如優(yōu)化整地和粗放整地坡面）會(huì)使土壤含水量變異性變高[23]，本研究具有類似表現(xiàn)。在雨季，優(yōu)化整地和粗放整地坡面從坡頂至坡腳均呈逐漸升高趨勢(shì)，且坡上、中、下部位差異較小，坡頂與坡腳則具有顯著（<0.05）差異，而在荒草地坡面中，除坡頂土壤含水量較低外，其他坡位之間差異不顯著，在旱季也具有類似表現(xiàn)，根據(jù)RDA分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡位對(duì)雨季土壤含水量的分布具有極顯著（<0.01）影響，在旱季也有顯著（<0.05）影響。這是由于本研究中優(yōu)化整地和粗放整地坡面坡頂均為荒草地，坡上、中、下均為梯田果園，坡腳為農(nóng)田，在坡頂由于具有一定坡度和植被覆蓋，降雨后容易產(chǎn)生徑流，因此對(duì)降雨的入滲較少。而梯田果園由于特殊的臺(tái)階地形，促進(jìn)了土壤水分入滲量，從而具有較高的土壤含水量[24]，同時(shí)梯田果園則較少受到降雨徑流的影響，因此梯田果園之間的含水量差異較小。當(dāng)?shù)氐耐恋乩媒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)在坡腳旁開挖池塘，坡腳具有較大的匯水面積以及水分補(bǔ)充，因此土壤含水量最高。研究結(jié)果與已有研究結(jié)論一致[8-9,25]，Mei等[25]研究了3個(gè)山坡土壤含水量在生長和非生長季節(jié)的變化，發(fā)現(xiàn)坡腳的土壤儲(chǔ)水量要較山坡的其他部位高，指出這可能是由于坡腳一般具有較大面積的集水區(qū)。黃艷麗等[26]分析了小流域不同部位土壤水分的空間異質(zhì)性，結(jié)果表明坡位、土層是影響流域內(nèi)土壤水分分布的重要空間因素，如坡腳含水量顯著高于坡腰和坡肩，坡肩最低，而坡向和區(qū)段的影響并不顯著。值得一提的是，郭欣欣等[27]針對(duì)東北黑土區(qū)不同土地利用結(jié)構(gòu)坡面的研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量在不同坡位

并無明顯變化規(guī)律，且在不同土地利用結(jié)構(gòu)下，坡頂至坡腳的變化趨勢(shì)具有較大差異，這與本研究具有較大差異，這主要是由于其土地利用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且可能受研究區(qū)域的影響，說明不同坡位的土壤含水量之間的差異主要還需考慮土地利用類型的影響。

3.2 不同土地利用類型的土壤含水量差異

修建梯田是通過改造地形來限制地表徑流的產(chǎn)生和徑流速度，從而增加斜坡地形中土壤水分和入滲量[24]，而降雨入滲的增加主要是由于梯田的幾要素：水平、近水平或反坡梯田臺(tái)階、地埂、排水溝或其他排水措施等。Lü等[28]研究了梯田作為黃土高原部分流域水土保持措施的有效性，在梯田效應(yīng)最重要的指標(biāo)中，土壤水分增加了20.70%，土壤流失量和土壤養(yǎng)分流失量分別減少了57.90%～89.90%和89.30%～95.90%。Fu等[29]在黃土高原大南溝集水區(qū)進(jìn)行的研究涵蓋了包括梯田在內(nèi)的5種土地利用結(jié)構(gòu)和7種土地利用類型，發(fā)現(xiàn)梯田耕地平均土壤含水量要高于坡地果園、休耕地、草地和坡耕地，分別高11.15%、11.09%、10.82%和11.10%。本研究與之結(jié)論相似，在雨季不同土地利用類型的土壤含水量表現(xiàn)為農(nóng)地>粗放整地果園>優(yōu)化整地果園>荒草地，優(yōu)化整地果園和粗放整地果園的土壤含水量差異并不大，但是優(yōu)化整地果園對(duì)降雨的響應(yīng)幅度要低于其他土地利用。在旱季土壤含水量均具有較大幅度的降低，農(nóng)地最慢，其余依次為優(yōu)化整地果園、荒草地、粗放整地果園，在整個(gè)旱季內(nèi)，土壤含水量表現(xiàn)為農(nóng)地>優(yōu)化整地果園>粗放整地果園>荒草地，同時(shí)RDA分析發(fā)現(xiàn)，在雨季和旱季的土地利用類型均對(duì)土壤含水量的分布具有顯著（<0.05）影響。說明坡地開發(fā)成梯田后，地形的改造增強(qiáng)了降雨在坡面的入滲，優(yōu)化整地果園中布設(shè)的水土保持措施對(duì)于入滲的增強(qiáng)效果并不明顯，但在旱季則發(fā)揮了較強(qiáng)的保水效益，相較于粗放整地果園，其增加了果園內(nèi)的植被覆蓋度，降低了旱季的淺層土壤水分蒸發(fā)，并且地埂植草還具有截留降雨的作用，一定程度上減少了旱季降雨的流失。坡腳的農(nóng)田主要受坡位影響，在各時(shí)期均具有較高的土壤含水量，以上結(jié)果說明優(yōu)化整地坡面類型的土地利用結(jié)構(gòu)能充分合理的利用水資源，提升蓄水保墑能力，具有良好的應(yīng)用前景。

3.3 剖面尺度上土壤含水量的時(shí)空變化特征

優(yōu)化整地和粗放整地坡面不同土層的土壤含水量在雨季時(shí)無明顯變化規(guī)律，而到了旱季，所有點(diǎn)位在不同土層的土壤含水量從上至下均呈逐漸升高趨勢(shì)，且不同土層之間差異要明顯大于雨季。其中變化較大的點(diǎn)位均為果園，這主要是由于果園田面植被覆蓋較少，在旱季時(shí)臍橙的需水量也較大，同時(shí)太陽輻射大導(dǎo)致淺層土壤水分物理蒸發(fā)量大導(dǎo)致的。這與已有研究結(jié)果一致，張川等[30]研究指出土壤含水量從表層到深層具有明顯的分層，根據(jù)不同季節(jié)的異質(zhì)性可分為為活性層、亞活性層和相對(duì)穩(wěn)定層。史君怡等[31]研究也指出在草原區(qū)不同土層土壤含水量從上至下呈逐漸降低趨勢(shì)，是由于表層腐殖質(zhì)加強(qiáng)了土壤蓄水能力，而森林土壤含水量則具有相反表現(xiàn)，并推測(cè)這可能是由于土壤與氣候差異引起的。結(jié)合RDA分析發(fā)現(xiàn)，本研究在雨季和旱季，土地利用類型與坡位均是影響表層土壤含水量分布的關(guān)鍵，這與郭欣欣等[27]研究結(jié)論相似，其通過RDA分析發(fā)現(xiàn)不同土地利用結(jié)構(gòu)下坡位對(duì)表層土壤水分的影響最大，且土地利用類型和海拔高度對(duì)所有土層均呈顯著負(fù)相關(guān)。而Mei等[25]研究也發(fā)現(xiàn)地形和植被類型是控制不同土層土壤蓄水量的主要因素，淺層土壤蓄水量主要受地形影響，深層土壤蓄水量主要受植被影響。

值得注意的是，研究區(qū)在此次觀測(cè)期的旱季內(nèi)為嚴(yán)重干旱，在4個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)降雨量僅57.90 mm，要遠(yuǎn)低于往年同期降雨量。有研究[25]指出，在不同時(shí)期，土壤水分分布的主控環(huán)境因素各不相同，相對(duì)濕潤年份的土壤水分主控環(huán)境因素較干旱年份更為復(fù)雜，且最大的影響因素也不盡相同。這可能是由于在氣候正常的年份，降雨會(huì)影響地形因子、植被類型和土壤性質(zhì)在控制土壤水分變化中的作用，而在嚴(yán)重干旱年份的降雨量相對(duì)較低，因此幾乎不會(huì)影響土壤水分的控制因素。本研究在正常氣候年份的的土壤水分主控因子還需今后繼續(xù)監(jiān)測(cè)進(jìn)行論證。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合RDA分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤含水量受地形影響較大，雨季和旱季土壤水分分布分別受坡位和土地利用類型的極顯著（<0.01）影響，且主要影響到0～20 cm的表層土壤含水量。同一坡面內(nèi)，坡頂至坡腳在雨季和旱季均表現(xiàn)為逐漸升高趨勢(shì)，荒草地坡面的坡位間差異要小于優(yōu)化整地和粗放整地坡面，優(yōu)化整地、粗放整地坡面的坡腳土壤含水量均要顯著（<0.05）高于其他坡位，而變異系數(shù)均要明顯低于其他坡位，坡上、中、下部位間差異較小且不顯著。在不同土地利用類型下，雨季土壤含水量表現(xiàn)為農(nóng)地>粗放整地果園>優(yōu)化整地果園>荒草地，除兩種果園外均具有顯著差異（<0.05），且優(yōu)化整地果園和農(nóng)地土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)幅度要小于粗放整地果園和荒草地。在旱季，粗放整地果園和荒草地的土壤含水量下降速度遠(yuǎn)高于優(yōu)化整地果園和農(nóng)地，因此在旱季農(nóng)地和優(yōu)化整地果園土壤含水量要顯著（<0.05）高于粗放整地果園和荒草地。區(qū)域內(nèi)荒草地坡面修整為梯田果園后，一方面，土壤入滲性能得到較大提升，在雨季具有更高土壤含水量，同時(shí)坡面土壤水分的空間異質(zhì)性也有較大提升。另一方面，優(yōu)化整地果園內(nèi)的水土保持措施在旱季發(fā)揮了非常顯著的保水效益，說明優(yōu)化整地坡面的土地利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及地埂梯壁植草等優(yōu)化整地技術(shù)的應(yīng)用在減少坡面徑流、提升蓄水保水能力方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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Spatio-Temporal Distribution of Soil Moisture on Slopes Relative to Land Preparation Measure

CHENG Liang1, 2, JIAO Xiong1, DI Hanyue1, XIONG Aoyu1, GUO Zhonglu1?

(1. Research Center of Water and Soil Conservation, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Central Southern China Electric Power Design Institute, China Power Engineering Consulting (Group) Corporation, Wuhan 430071, China)

【Objective】 How to arrange rationally land preparation measures on terraced slopes affects runoff generation, rainfall infiltration, and water conservation capacity, thereon. It’s of great significance to understand the spatio-temporal heterogeneity of soil moisture in terraced orchards different in land preparation measure and its mechanism, for promoting development of the forest and fruit industry.【Method】For this paper, the navel orange orchard development demonstration area in the small watershed of Xiaoyang in a low hilly red soil region in South China is selected as the research area. Three slopes, typical of the area, but different in land use structure (optimally prepared terraced slope, extensively prepared terraced slope, and unprepared waste grassland slope) and four types of land use (orchard on optimally prepared terraced slope, orchard on extensively prepared terraced slope, waste grassland, and cropland) were selected as the research objects for the study on spatio-temporal distribution of soil water relative to land preparation and land use. Soil water content in five soil layers (0～20, 20～40, 40～60, 60～80 and 80～100 cm) at five slope positions (top slope, upper slope, middle slope, lower slope, and toe slope) on all the four slopes was monitored in both seasons (rainy and dry season). And redundant analysis was performed to determine the main terrain factors (including slope position, slope, land use type and altitude) that affect spatio-temporal distribution of soil water content in different seasons and soil layers. 【Result】Results show: 1) soil water content during the rainy season varied with land use of a slope, exhibiting an order of slope of cropland (0.4088 m3·m–3) > orchard on extensively prepared terraced slope (0.3227 m3·m–3) > orchard on optimally prepared terraced slope (0.3078 m3·m–3) > slope of waste grassland (0.2739 m3·m–3). Apparently, the two orchards did not differ much, but did significantly from the other two. During the dry season, soil water content decreased much faster in the slope of waste grassland and the orchard on extensively prepared terraced slope than in the two. On the slope of farmland, the impact of slope position on soil water content was the least. In terms of soil water content during the dry season, the four slopes followed a decreasing order of slope of cropland (0.3524 m3·m–3) > orchard on optimally prepared terraced slope (0.1980 m3·m–3) > orchard extensively prepared terraced slope (0.1475 m3·m–3) > slope of waste grassland (0.1380 m3·m–3). Obviously the last two were much lower than the first two. 2) Soil water content gradually increased along the slope from the top to the toe, during both the rainy and dry seasons, but differed slightly between the upper, middle and lower parts of the three slopes, however, spatial heterogeneity intensified significantly after land preparation of the slopes. 3) The main topographic factors affecting the distribution of soil water content during the rainy season were slope position (=0.002) and land use (=0.048), and during the dry season were land use (=0.008), slope position (=0.024) and altitude (=0.024), however, slope gradient was an insignificant one. 【Conclusion】In general, land preparation of the slopes significantly increased rain water infiltration capacity and hence soil water content of the surface (0～20 cm) soil layer during the rainy season, especially in the orchard on the optimally prepared terraced slope, where the water storage and retention capacity was significantly improved during the dry season. All the findings in this study may serve as a scientific basis for rational arrangement of land resources in the region, optimization of the spatial layout of soil and water conservation measures, and comprehensive soil erosion control.

Land preparation measures; Slope; Land use structure; Soil water content; Spatio-temporal distribution; Redundancy analysis

S157.1

A

10.11766/trxb202002270076

程諒，焦雄，邸涵悅，熊翱宇，郭忠錄. 不同整地措施坡面土壤水分時(shí)空分布特征[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（6）：1423–1435.

CHENG Liang，JIAO Xiong，DI Hanyue，XIONG Aoyu，GUO Zhonglu. Spatio-Temporal Distribution of Soil Moisture on Slopes Relative to Land Preparation Measure[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1423–1435.

*國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2017YFC0505405）資助 Supported by the National Key R&D Program of China（No. 2017YFC0505405）

Corresponding author，E-mail：zlguohzau@163.com

程 諒（1995—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail：1601558599@qq.com

2020–02–27；

2020–06–01；

2020–12–08

（責(zé)任編輯：檀滿枝）