金 可，萬 丹，于 江，張 怡，劉文祥，胡 月，趙 姹，郭天雷

[1.長江水利委員會長江科學院重慶分院，重慶 400026；2.中國三峽建工（集團）有限公司環(huán)境保護部，成都 610023]

干熱河谷是我國西南地區(qū)局部干旱的河谷型區(qū)域，氣候干燥少雨，水熱矛盾突出，土壤水分與養(yǎng)分極度匱乏，水土流失嚴重，植被覆蓋率低，是我國生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)之一[1]。盡管生態(tài)環(huán)境惡劣，但區(qū)內光熱資源豐富，金沙江、怒江和元江等流域水能資源儲存量巨大，是我國水電開發(fā)的重要區(qū)域。隨著水電站建成、周期性水位調度和反季節(jié)波動，庫區(qū)沿岸逐步形成一種干濕交替的水域與陸地環(huán)境過渡地帶，即消落帶。消落帶生態(tài)環(huán)境修復是水庫建設工程面臨的重難點，對改善和保護庫區(qū)環(huán)境意義重大。土壤水是制約消落帶植被生長發(fā)育的主控因子之一，對消落帶適生植物生長發(fā)育作用顯著。

土壤水分是干熱河谷地區(qū)最重要的水資源之一，是降水和地下水物質與能量交換的關鍵紐帶，是植物生長的主要水源，也是抑制土壤沙漠化的重要因子，更是降水-土壤水-地下水-植物水系統(tǒng)水力聯(lián)系與水文循環(huán)的核心。雖然在水文循環(huán)中土壤水僅占較小的比例，但對生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育至關重要，是溶解物質的載體和水文系統(tǒng)的關鍵所在[2-3]。目前，針對干熱河谷土壤水分時空變化特征和影響因素進行了大量研究，并取得了豐碩成果。土壤含水量隨土壤深度增加而增加，雨季水分含量明顯高于旱季，土壤含水量變化速率也高于旱季[4-5]?；谠\干熱河谷典型沖溝不同部位土壤水分的長期監(jiān)測，學者分析沖溝不同部位土壤水分時空變化特征，得出土壤平均含水量隨時間變化可分為消耗期、積累期和消退期3個階段，年內土壤水分含量及變異系數(shù)隨著土層深度增加呈現(xiàn)出先減小后增大的分布特征[6]。根據土壤對降雨的蓄積和利用情況，可將土壤剖面分為水分劇烈變化層、弱利用層、草本植物水分利用層和土壤水分微調節(jié)層[7]。研究表明，土壤水分含量不僅受到海拔和局部地理條件影響，同時也受到土壤質地、有機質含量和植被覆蓋率等環(huán)境因子控制。例如，干季土壤水分隨著海拔高度增加而增加，相同海拔高度不同的土地類型土壤含水量呈現(xiàn)一定差異，但整體上均低于8%[8]。不同環(huán)境影響下干熱河谷溝壑區(qū)表層土壤含水量的變化規(guī)律差異明顯，燥紅土表層土壤含水量低于變性土，植物覆蓋率較高區(qū)域土壤水分含量也明顯高于植物覆蓋率低的地區(qū)[9]。旱季干熱河谷陽坡土壤水分低于陰坡的主要原因是受到蒸發(fā)影響，含水量呈現(xiàn)出空間差異性[10]。降雨對改變土壤水分含量分布至關重要，不同土地利用類型10 cm深處的土壤含水量變化顯著，對降雨的響應明顯[11]，相同降雨情形下，坡下部土壤水分含量最高，坡中部次之，而坡上部最低[12]。環(huán)境因子對土壤水分的影響也不盡相同，土壤水分時空變異的驅動因子，旱季主要受到土壤特性、植被類型和微地形等控制，雨季則主要受到匯水面積、徑流的非局地因子影響[13-15]。坡面植被覆蓋能夠明顯改變土壤水文分布，維持土壤水分含量，對20 cm以下土層水分含量作用尤為顯著[1]。

干熱河谷庫區(qū)消落帶受到水庫運行形成的干旱和濕潤環(huán)境交替影響，土壤水分空間分布規(guī)律和季節(jié)變化特征直接影響到區(qū)內植被生長狀態(tài)。然而，目前土壤水分研究多集中于干熱河谷典型植被利用地區(qū)，對庫區(qū)消落帶土壤水分分布特征研究仍存在不足。隨著金沙江下游多座梯級水電站建成運行，庫區(qū)沿岸形成了大規(guī)模消落帶區(qū)域。其中，烏東德水電站是金沙江下游第一級水電站，區(qū)內干旱少雨，受干熱河谷氣候影響較大。本文通過研究烏東德庫區(qū)消落帶土壤水分分布特征，查明淹水前消落帶土壤水分空間變化規(guī)律，為植被生長提供基礎數(shù)據，也為庫區(qū)消落帶生境改善提供參考。

1 研究區(qū)概況

烏東德庫區(qū)消落帶試驗區(qū)位于云南省楚雄彝族自治州武定縣己衣鎮(zhèn)新民村，地理坐標范圍為東經 102°12′22″～102°13′38″，北緯 26°9′27″～26°10′16″（圖1）。消落帶試驗區(qū)屬于典型的干熱河谷氣候，降雨主要集中于雨季（6—10月），年平均降雨不足100 mm，多年平均蒸發(fā)量高達3 800 mm，旱季（11月至次年5月）氣溫高于40℃的日數(shù)占絕大部分。試驗區(qū)土壤利用類型主要包括農田和林地，其中農田土壤類型以砂壤土為主，林地則以砂壤土或沙土為主。試驗區(qū)植被覆蓋率較低，多以耐旱植物為主，植物群落類型包括車桑子+扭黃茅群落、銀合歡+滇刺棗+扭黃茅群落和銀合歡純林群落等[16]。試驗區(qū)水資源匱乏，灌溉和居民用水主要來源于山間泉水。

圖1 烏東德庫區(qū)消落帶土壤樣品采集空間位置示意圖Fig.1 Sampling locations of soil water in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

2 樣品采集與分析方法

烏東德庫區(qū)土壤樣品采集時間為2020年5月。根據庫區(qū)消落帶生態(tài)修復設計，水平方向自下游至上游依次劃分為4個試驗分區(qū)，在每個試驗區(qū)分別設土壤監(jiān)測分區(qū)（A區(qū)至D區(qū)）。結合試驗區(qū)高程梯度修復模式，每個土壤監(jiān)測分區(qū)分別于970～975 m、960～970 m和952～960 m高程區(qū)域內采集1個土壤剖面。其中，970～975 m高程區(qū)域采集土壤剖面依次記為A1、B1、C1和D1，960～970 m高程區(qū)域采集土壤剖面依次記為A2、B2、C2和D2，952～960 m高程區(qū)域采集土壤剖面依次記為A3、B3、C3和D3。土壤剖面樣品采用人工鉆采集，自地表至1 m深，每隔10 cm采集一個原狀土壤樣品，累計采集土壤樣品132個。樣品儲存于密封性良好且事先稱重的鋁盒中，現(xiàn)場測定鋁盒和濕土總重量，并記錄采樣點位。土壤樣品采集信息見表1。

表1 烏東德庫區(qū)消落帶土壤樣品采集地理位置Table 1 Geographical locations of soil samples in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

土壤含水量采用烘干稱重法測定，將采集的土壤樣品運回實驗室，放置于烘箱中，溫度設定為105℃，連續(xù)烘干24 h。待鋁盒冷卻后，使用野外稱量電子秤稱重，連續(xù)稱量3次，取平均值。根據烘干前后土壤樣品質量差，計算得出土壤含水量。

3 結果與討論

不同試驗區(qū)5月土壤水分含量均較低，但試驗區(qū)之間土壤水分存在較大差異。土壤水分含量統(tǒng)計數(shù)據見表2。

表2 烏東德庫區(qū)消落帶不同土壤剖面水分含量統(tǒng)計表Table 2 The soil moisture contents of different soil profiles in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

3.1 土壤含水量空間分布特征

A區(qū)土壤剖面含水量變化范圍為0.93%～5.56%，平均值為3.00%；B區(qū)土壤剖面含水量變化范圍為0.11%～2.73%，平均值為0.69%；C區(qū)土壤剖面含水量變化范圍為0.21%～2.83%，平均值為0.88%；D區(qū)土壤剖面含水量變化范圍為0.39%～1.72%，平均值為1.00%（表2）。整體上，試驗區(qū)水平方向土壤水分含量變化規(guī)律為A區(qū)＞D區(qū)＞C區(qū)＞B區(qū)。土壤含水量旱季主要影響因素包括土壤特性、植被類型和微地形等[13]。A區(qū)以農田耕地為主，土壤類型以壤土為主，當?shù)剞r作物生長較多，最大含水量超過5%，是試驗區(qū)土壤含水量最高的區(qū)域；B區(qū)大部分為荒灘地，少量為林地，土壤以沙土為主，夾雜大量碎石，土壤水分含量最低；C區(qū)和D區(qū)主要以梯田為主，土壤類型主要為砂壤土，鄉(xiāng)土草本和灌木植物覆蓋度近似，兩者土壤含水量差異較小。結合試驗區(qū)現(xiàn)場調研，4個試驗分區(qū)水源相同，灌溉方式一致，土壤含水量空間分布差異主要受到土壤類型和植被覆蓋率影響，壤土和植被覆蓋率較高的區(qū)域水分含量較高，而沙土和植被覆蓋率較低的區(qū)域土壤較為干燥。因此，土壤特征和植被覆蓋率是影響土壤水分分布的主控因素。

3.2 土壤含水量隨深度變化特征

除了A區(qū)土壤剖面，其余試驗分區(qū)剖面土壤水分含量隨深度變化趨勢基本一致（圖2）。表層土壤水分含量均相對較低，主要受到地表高強度蒸發(fā)影響。A區(qū)剖面土壤水分含量變化最為復雜，其中，A1剖面土壤水分隨深度增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，并在40 cm深達到最大值；A2剖面土壤水分整體上呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，并在80 cm深達到最大值；A3和A1及A2剖面水分分布顯著不同，靠近地表10 cm處水分含量較高，而隨著深度增大水分含量不斷減小，80 cm深達到最小值，隨后水分含量增大（圖2）。因此，A1和A2剖面土壤水分分布可作為A區(qū)水分含量分布的代表，從上到下受不同環(huán)境因子影響，呈現(xiàn)出較為不同的分布特征。表層至40 cm深，地表蒸發(fā)對土壤水分影響較大，水分含量普遍不高，隨著土層加深，蒸發(fā)對其影響逐步減小，水分含量出現(xiàn)一定程度的增長。剖面深層（＞80 cm）土壤水分出現(xiàn)一定范圍的波動，水分含量變化潛在影響因素包括植被根系吸水和根系截留[17]。

B區(qū)至D區(qū)剖面水分隨深度變化趨勢近似，除了個別剖面出現(xiàn)水分含量突變，其余剖面水分含量隨深度穩(wěn)定波動（圖2）。自表層至1 m深，土壤水分變化可大致分為3個不同階段，第一階段為剖面表層，受蒸發(fā)影響水分變化幅度最大；第二階段為表層至50 cm深，土壤水分在較小范圍內波動；第三階段為50 cm至1 m深，土壤水分波動范圍變大。表層至50 cm深，土壤水分受到地表蒸發(fā)和植物吸水共同作用，而50 cm至1 m深，地表蒸發(fā)對土壤影響較弱，水分分布主要受到植物吸水影響。因此，研究區(qū)土壤水分隨深度變化主控因素為地表蒸發(fā)和植物吸水，50 cm至1 m深土層水分含量是植物生長的重要水源之一。

圖2 烏東德庫區(qū)消落帶修復試驗區(qū)剖面土壤水分分布圖Fig.2 The distribution profiles of soil water in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

3.3 不同高程區(qū)域土壤含水量變化規(guī)律

研究區(qū)不同高程區(qū)域剖面土壤水分變化規(guī)律不一（圖3）。其中，A區(qū)剖面土壤水分含量隨著高程增大而減小，A1至A3剖面土壤水分含量平均值分別為3.91%、2.55%和2.53%；B區(qū)和D區(qū)剖面土壤含水量隨著高程增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，B1至B3剖面土壤水分含量平均值分別為0.63%、0.90%和0.55%，D1至D3剖面土壤水分含量平均值分別為1.03%、1.29%和0.68%；C區(qū)剖面土壤含水量隨著高程增大呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢，C1至C3剖面土壤水分含量平均值分別為1.33%、0.64%和0.66%（表2）。

圖3 烏東德庫區(qū)消落帶修復試驗區(qū)不同高程剖面土壤水分分布圖Fig.3 Soil moisture distribution profiles at different elevations in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

952～960 m高程區(qū)域不同試驗分區(qū)土壤水分波動最大，970～975 m高程區(qū)域土壤水分差異最小，而960～970 m高程區(qū)域土壤水分波動范圍適中（圖3）。試驗區(qū)970～975 m高程區(qū)域坡度較緩，消落帶修復植被主要為喬木和灌木，試驗區(qū)952～960 m高程區(qū)域坡度較陡，修復植被主要以草本為主，土壤水分變化特征表明地形條件和植被類型是土壤水分分布的潛在控制因素[13-15]。此外，相同高程區(qū)域不同試驗分區(qū)土壤水分之間呈現(xiàn)出弱相關或負相關（表3）。研究區(qū)主要水源為灌溉用水，水源一致而土壤水分相關性較差，表明不同分區(qū)土壤水分差異主要受環(huán)境因子影響。952～960 m高程區(qū)域地貌起伏較大，既有較為平整的梯田，也有縱橫交錯的沖溝，不同區(qū)域水分儲存空間差異明顯，表明試驗區(qū)土壤水分含量受到微地形影響；970～975 m高程區(qū)域植被主要為喬木和灌木，但不同試驗分區(qū)植物物種不同，表明植被類型也是影響土壤水分分布的因素之一；960～970 m高程區(qū)域植物主要以草本為主，鄉(xiāng)土草本植物群落一致，引入草本主要以狗牙根為主，因此，土壤水分含量存在一定聯(lián)系。綜上所述，不同高程區(qū)域土壤水分分布規(guī)律受多種因素影響，主要影響因素包括微地形和植被類型。

表3 烏東德庫區(qū)消落帶不同高程區(qū)域土壤水分相關關系Table 3 Correlation relationship between soil moisture profiles at different elevations in the water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

4 結語

本文系統(tǒng)分析了烏東德庫區(qū)消落帶土壤水分含量，揭示了研究區(qū)水分含量分布特征和變化規(guī)律，并探討了影響土壤水分分布的因素。主要結論如下：

（1）研究區(qū)5月土壤水分含量較低，絕大部分不足5%，屬于典型的干旱土壤。土壤特征和植被覆蓋率是影響土壤水分含量的主要因素，壤土和植被覆蓋率高的區(qū)域土壤水分含量明顯高于沙土和植被覆蓋率低的區(qū)域。

（2）土壤剖面自表層至1 m深，可分為地表蒸發(fā)直接影響區(qū)、蒸發(fā)和植物吸收共同影響區(qū)，剖面水分垂直方向分布主要受到地表蒸發(fā)和植被吸水影響，50 cm以下深度土壤水分受蒸發(fā)影響較小，是試驗區(qū)植物生長的潛在水源之一。

（3）不同高程區(qū)域土壤水分相關性較差，水分含量受到多種因素影響，微地形和植被類型是影響剖面土壤水分分布的主控因子。