Soil Moisture Dynamic Change of Different Vegetation Restoration Patterns in Karst Faulted Basins

研究区位于西南喀斯特断陷盆地区云南省建水县九标小流域范围内(地理坐标102°54′00″~102°54′55″ E，23°36′50″~23°37′30″ N)，该流域为东西走向，主沟道长约1.32 km，流域面积约为1.12 km²(图 1)，小流域内地貌为典型的岩溶断陷盆地地貌。海拔高度1 350~1 700 m，处于低纬度地区，属南亚热带季风气候。受西南印度洋季风影响，形成明显干湿季节，季节性干旱严重，旱季(11月—次年4月)空气干燥，降雨稀少。雨季(5—10月)湿度大，降雨较多。该地区年均气温19.8℃，年均地温20.8℃，年均相对湿度72%，年均日照时数2 322 h，年均降水量805 mm，全年无霜期307 d。

Figure 1.  Spatial distribution map of six vegetation restoration patterns in Jiubiao small watershed

选取小流域中6种植被恢复模式作为研究对象，除天然次生灌丛为1970年开始自然恢复植被外，其余5种皆为1985年人工造林恢复植被，恢复时间均已30年以上，土壤结构稳定且受干扰较少。其中3种为乔木林，即桉树林(直杆蓝桉(Eucalyptus maideni F. V. Muell.))、冲天柏(Cupressus duclouxiana Hickel)林和马尾松(Pinus massoniana Lamb.)林，林地土层深厚，分别设置40 m×40 m的标准样地。桉树林具有乔-灌-草层次结构，乔木均高14.20 m，灌木均高1.22 m，草本均高0.30 m，主要植被有直杆蓝桉、车桑子(Dodonaea viscosa L.)和紫茎泽兰(Eupatorium adenophora Spreng.)等。冲天柏林地岩石裸露率25%，具有乔-灌-草层次结构，乔木均高11.78 m，灌木均高0.84 m，草本均高0.21 m，主要植被有冲天柏、小石积(Osteomeles anthyllidifolia Lindl.)和铁仔(Myrsine africana Linn.)等。马尾松林具有乔-灌-草层次结构，乔木均高13.42 m，灌木均高0.45 m，草本均高0.18 m，主要植被有马尾松和刺芒野古草(Arundinella setosa Trin.)等。另外3种为灌丛(天然次生灌丛、低盖度车桑子灌丛和高盖度车桑子灌丛)，土层较薄，仅30 cm左右，分别设置20 m×20 m的标准样地。天然次生灌丛具有灌-草层次结构，灌木均高2.71 m，草本均高0.22 m，主要植物有假虎刺(Carissa spinarum L.)、薄叶鼠李(Rhamnus leptophylla Schneid.)、铁仔(Myrsine africana Linn.)和石山羊蹄甲(Bauhinia comosa Craib)等。低盖度车桑子灌丛岩石裸露率70%，具有灌-草层次结构，灌木均高2.20 m，草本均高0.20 m，主要植被有车桑子(Dodonaea viscosa L.)和硬秆子草(Sclerochloa dura Steud.)等。高盖度车桑子灌丛岩石裸露率60%，具有灌-草层次结构，灌木均高2.34 m，草本均高0.27 m，主要植被有车桑子(Dodonaea viscosa L.)和荩草(Arthraxon hispidus Thunb.)等。样地其他信息如表 1所示。

采用土壤水分传感器CS616(Campbell Scientific Inc., USA)记录土壤水分数据。3种乔木林地分4层剖面(0~10, 10~30, 30~50, 50~70 cm)对土壤体积含水量进行实时监测。3种灌丛林地分3层剖面(0~10, 10~20, 20~30 cm)对土壤体积含水量进行实时监测。测定前对CS616测定的数据进行了相应校准，仪器测定结果可代表研究区土壤水分变化情况。采用CR800(Campbell Scientific Inc., USA)进行数据采集，采集频率设置为10 min，日记录数据的平均值作为本研究的分析数据，数据记录为期1年(2016年5月—2017年4月)。

采用自动气象观测系统(WatchDog 2900ET, Spectrum Technologies Inc., USA)同步测定降雨量与蒸散发(ET₀)，2016年5月—2017年4月期间降雨总量为876.3 mm，蒸散发全年为1 397.88 mm，降雨量及蒸散发分布情况见图 2。

Figure 2.  Distribution of precipitation and evapotranspiration in Jiubiao small watershed (May 2016 -April 2017)

变异系数c_v表征随机变量的离散程度，其定义为:

式中：s为标准差，x为土层样本均值。c_v≤10%属于弱变异，10%≤c_v≤100%属于中等变异，c_v≥100%属于强变异^[9]。本文中的变异系数为土壤水分在统计周期内的波动情况。

所有数据统计在Excel 2016中进行，采用普通克里金插值方法生成土壤水分随时间消退过程的空间分布图，数据分析与作图在R 3.3.3 for Windows和Golden Software Surfer 8.0软件中进行。

根据研究区的气候特点，分两个时间段来研究不同植被恢复模式土壤水分垂直变化特征：雨季(2016年5月—2016年10月)，该时段降雨量为729.7 mm，占全年降雨量的83.27%，旱季(2016年11月—2017年4月)，该时段降雨量为146.6 mm，占全年降雨量的16.73%。综合分析不同植被恢复模式在雨季和旱季各土层间土壤水分含量(表 2和表 3)，结果表明：同一植被类型不同土层深度雨季和旱季土壤体积含水量垂直变化趋势相同，且雨季土壤水分含量显著高于旱季(P < 0.05)。随土层深度的增加，雨季和旱季土壤体积含水量的差值有减小的趋势，以桉树林和高盖度车桑子灌丛为例，桉树林0~10、10~30、30~50和50~70 cm土层深度对应的差值分别为：7.09%、6.90%、3.39%和1.31%。高盖度车桑子灌丛0~10、10~20和20~30 cm土层深度对应的差值分别为：9.09%、4.64%和2.15%。不同植被恢复模式土壤体积含水量变化趋势各异，其中3种乔木林地雨季和旱季在0~70 cm剖面范围内的垂直分布规律为：桉树林土壤体积含水量随土层深度的增加而减小，冲天柏林和马尾松林则表现出波动变化，冲天柏林土壤水分先增大后减小，马尾松林则先减小后增大再减小。3种灌丛雨季和旱季在0~30 cm剖面范围内的垂直分布规律为：天然次生灌丛土壤体积含水量先增大后减小，低盖度和高盖度车桑子灌丛土壤体积含水量随土层深度的增加而减小。3种乔木林(0~70 cm土层)和3种灌丛(0~30 cm土层)在雨季和旱季的平均土壤体积含水量均表现为桉树林＞天然次生灌丛＞冲天柏林＞马尾松林＞高盖度车桑子灌丛＞低盖度车桑子灌丛。另外，从表 2和表 3得出，无论雨季还是旱季，6种植被恢复模式各土层土壤水分均为中等变异(C_v:12.88%~28.66%)。

一般采用变异系数(C_v)和标准差(S)将剖面土壤水分垂直变化划分为4层：速变层(C_v≥30%且S≥4%)、活跃层(C_v:20%~30%且S:3%~4%)、次活跃层(C_v:10%~20%且S:2%~3%)和相对稳定层(C_v≤10%且S≤2%)^[10]。但在实际应用过程中，标准差和变异系数很难同时满足以上要求，此时可依据变异系数来划分土壤水分的垂直变化层次^[11]。综合分析表 2、表 3得出：雨季桉树林0~30 cm土层为活跃层，30~70 cm土层为次活跃层，冲天柏林0~10 cm、50~70 cm土层为活跃层, 10~50 cm土层为次活跃层，马尾松林0~50 cm土层为次活跃层，50~70 cm土层为活跃层。旱季表现为：桉树林和冲天柏林0~70 cm土层均为活跃层，马尾松林0~10 cm土层为活跃层, 10~70 cm土层为次活跃层。在雨季和旱季时段内，天然次生灌丛和高盖度车桑子灌丛0~10 cm土层均为活跃层，10~30 cm土层均为次活跃层。低盖度车桑子灌丛0~30 cm土层均为活跃层。

不同植被恢复模式各土层月均土壤体积含水量如图 3所示。结果表明：由于降雨的季节性分布，土壤水分波动范围较大，但这种波动随土层深度的增加而减小，高盖度车桑子灌丛20~30 cm土层砾石含量较多，故其全年土壤体积含水量波动范围较小。林地各土层间土壤体积含水量差异显著(P < 0.05)。以2016年10月为分界线，6种植被类型土壤水分含量在5—10月呈上升趋势，10月至次年4月呈下降趋势，各土层土壤体积含水量均在8—9月达到最大值，其变化范围为26.25%~44.08%，3—4月达到最小值，土壤体积含水量变化范围在9.48%~17.47%之间。3—4月各植被类型表层土壤体积含水量较高，但3种乔木林地30~70 cm土层和3种灌丛20~30 cm土层深度土壤水分含量接近于植物萎蔫系数(13%~16.6%)^{[3, 12]}，当雨季刚来临时，少量的降雨主要补充表层土壤，这对于浅根性草本植物种子萌发尤为重要。另外，不同植被类型间月均土壤体积含水量差异显著(P < 0.05)，表现为桉树林(27.30%)＞天然次生灌丛(26%)＞冲天柏林(24.23%)＞马尾松林(20.47%)＞高盖度车桑子灌丛(19.52%)＞低盖度车桑子灌丛(18.84%)。

Figure 3.  Soil moisture dynamic change in different soil layers of six vegetation restoration patterns

喀斯特断陷盆地具有土层浅薄、石灰岩的高渗透性以及较高的蒸散速率等特点，研究充足降雨后持续干旱条件下土壤水分的衰减规律，对于该地区植被恢复工作意义重大。此次降雨时间为2016年11月8日—9日，总降雨量83.2 mm，此次降雨前9天(10月30日—11月7日)和降雨后19天(11月10日—11月28日)均无有效降雨。

分析图 4可知，3种乔木林0~30 cm土层、3种灌丛0~10 cm土层降雨后约10天土壤体积含水量均恢复为降雨前1天水平，主要原因可能是旱季来临，部分草本植物叶片萎蔫，地表植被覆盖度有所降低，土壤表层水分蒸发强烈。3种乔木林30~70 cm土层土壤水分波动较小，土壤水分降雨后19天均高于植物萎蔫系数，主要原因可能是此次降雨充足，另外植物在旱季耗水量较低，且土层较深，受蒸发影响较小。天然次生灌丛10~30 cm土层土壤水分表现为降雨后约15天土壤体积含水量恢复为降雨前1天水平，降雨后19天土壤体积含水量仍高于植物萎蔫系数，主要原因可能是该林地高达90%的植被覆盖度，生物多样性丰富，样地植株冠幅较大(表 1)，起到遮阴、保水的作用，从而使10~30 cm土层的内部环境较稳定，土壤保水性较强。低盖度和高盖度车桑子灌丛10~30 cm土层土壤体积含水量均表现为降雨后约15天恢复为降雨前1天水平，并且接近植物萎蔫系数，主要原因可能是样地植被少，覆盖度低，土层薄，受植被盖度与土壤蒸发等因素共同影响。

Figure 4.  After secondary rainfall different vegetation restoration patterns soil moisture decreased with time

降雨作为研究区土壤水分的直接来源，其入渗后的再分布过程影响不同植被恢复模式土壤水分的时空动态变化。本研究发现，同一植被类型不同土层深度雨季和旱季土壤体积含水量垂直变化趋势相同，不同植被类型土壤水分的分布格局则不同，这与韩姣姣等^[13]在干热河谷区探究不同土地利用类型坡面土壤水分的时空变化规律得出的结论一致。主要原因可能是植物通过根系进行水分的吸收与利用，不同植被类型根系的分布特征决定着不同土层深度土壤水分的动态变化，导致不同植被恢复模式土壤水分的垂直分布格局不同。本研究中无论雨季还是旱季，土壤水分均为中等变异(C_v:12.88%~28.66%)。Chen^[14]等在广西环江以天然灌丛、闲置农田和经济林地为研究对象，得出土壤水分均为中等变异(C_v:17.5%~30.3%)的规律。张继光等^[15]对峰丛洼地区坡面土壤水分空间变异研究中表明，坡面表层土壤水分沿上坡向下具有减小的趋势，坡面纵向和横向土壤水分均呈现中等变异。这说明由于喀斯特区降雨时空分布不均，土层浅薄，土壤持水性差，再加上岩溶作用，导致土壤水分含量波动变化较大。另外，土壤活跃层是土壤与大气水分转化的通道，水分含量变化较为剧烈。次活跃层是降雨、植被和土壤水分进行水分交换的缓冲区，也是植被根系主要的分布区，对植被生长所需水分提供保障^[16]。本研究表明，不同植被类型间土壤水分的垂直变化层次分布各异，同一乔木林在雨季与旱季的土壤活跃层与次活跃层垂直分布也不同，但同一灌丛的分布相同。这说明土壤水分的垂直变化层次的分布与降雨量、植物根系分布和土层深度有关。桉树林0~40 cm土层的细根占总细根量的74.9%，0~60 cm土层的细根占总细根量的92.2%^[17]，柏树根系的90%以上集中分布在0~50 cm土层中^[18]，马尾松47.53%~71.73%的活细根集中分布在0~20 cm土层，粗根(2~10 mm)则主要分布在20~60 cm土层范围内^[19]。3种灌木林样地由于土层浅薄，土壤体积含水量极易受到降雨、蒸发及植被等因素影响，故土壤水分波动较大。本研究发现，6种植被恢复模式各土层土壤体积含水量均在8—9月达到最大值，3—4月达到最小值。结合图 1降雨情况可知，2016年8月、9月有效降雨量充足(328.2 mm)，入渗的水量远大于植物根系耗水，土壤水分得到有效补充；2017年3月、4月有效降雨量严重不足(69.4 mm)，而植物一般3—4月份开始进入生长期，耗水量增加，前期土壤中储存的水分被大量消耗，此时又尚未完全进入到雨季，土壤水分难以得到补充，同时随着气温逐渐升高，地表蒸发量大幅增加，从而造成了该区各植被类型土壤干燥化、季节性干旱严重。

西南喀斯特区小流域土壤水分空间分布呈斑块状，含量差异明显。王家文等^[20]通过对比喀斯特区不同土地利用类型土壤水分含量，得出森林＞灌丛＞草地，阔叶林＞针叶林，天然林＞人工林的规律。张继光等^[21]对喀斯特山区典型坡面表层(0~15 cm)土壤水分与环境因子的关系研究也表明土壤平均含水率以自然植被最高，撂荒地和坡耕地次之，人工林最低。本研究中不同植被恢复模式间雨季、旱季和月均土壤体积含水量均表现为桉树林＞天然次生灌丛＞冲天柏林＞马尾松林＞高盖度车桑子灌丛＞低盖度车桑子灌丛，与上述规律相符。这可能是由于植被类型不同，冠层截留、树干径流和植被蒸腾耗水等关键水文过程各异，说明植被自身的属性也是影响土壤水分变化的重要因素。

喀斯特生境中普遍存在着不同程度的水分亏缺现象，这种现象不是由于降雨量的不足，而是因为土层浅薄且不连续，碳酸盐裂隙的高度发育和岩石的高渗透性，土壤保水性差，林地经充足降雨后只能维持短时间的水分适宜状态^[22]。李安定等^[23]对花江流域喀斯特石质山地人工林地不同小生境(土面、石槽、石沟)的土壤水分动态变化规律进行了研究，结果表明不同小生境一般经过7天就可能出现水分胁迫。朱守谦等^[24]对乌江流域岩溶石质山地土壤水分状况的监测，在连续晴天条件下未郁闭新造林地土壤能保持的田间持水量仅可供植物7~14天的蒸腾损失。而本研究发现，断陷盆地乔木林和灌丛经充足降雨，土壤达到田间持水量后，在连续晴朗天气下林地土壤水分可供植物10~15天的消耗。土壤水分作为喀斯特地区植物生长的主要限制因子^[25]，是决定区域林草植被布局与配置的关键因素^[26]，喀斯特断陷盆地的频繁干旱已严重加剧了土地石漠化的趋势，并对植被生态恢复重建形成了严峻挑战^[27-28]。今后在该地区植被恢复建设过程中，对季节性干旱和临时性干旱生境有较强适应性的耐旱植物筛选是值得进一步深入研究的方向。

(1) 喀斯特断陷盆地小流域内6种植被恢复模式土壤水分含量呈现出明显的季节性和月际间波动规律，这种波动随土层深度的增加而减小，均为中等变异(C_v:12.88%~28.66%)。同一植被类型不同土层雨季和旱季土壤体积含水量垂直变化趋势相同，且雨季土壤水分含量显著高于旱季(P < 0.05)。

(2) 同一乔木林雨季与旱季的土壤活跃层与次活跃层垂直分布不同，但同一灌丛雨季与旱季的分布相同。各植被恢复模式土壤体积含水量在降雨量较充足的8—9月达到最大值，变化范围为26.25%~44.08%，在降雨量明显不足的3—4月达到最小值，土壤体积含水量介于9.48%~17.47%之间。不同植被恢复模式间雨季、旱季和月均土壤体积含水量均表现为桉树林＞天然次生灌丛＞冲天柏林＞马尾松林＞高盖度车桑子灌丛＞低盖度车桑子灌丛。

(3) 3种乔木林0~30 cm土层、3种灌丛0~10 cm土层充分降雨后约10天土壤水分恢复为降雨前1天水平，降雨19天后仍高于植物萎蔫系数。3种乔木林30~70 cm土层、天然次生灌丛10~30 cm土层土壤水分降雨后19天均高于植物萎蔫系数，低盖度和高盖度车桑子灌丛10~30 cm土层土壤水分降雨后15天恢复为降雨前1天水平，并且接近植物萎蔫系数。断陷盆地乔木林和灌丛经充足降雨，土壤达到田间持水量后，在连续晴朗天气下林地土壤水分可供植物10~15天的消耗。