喀斯特坡面块石对土壤水分影响的坡度响应

陈 磊，张科利,2†，杨志成，曹梓豪

(1.北京师范大学地理科学学部，100875，北京；2.北京师范大学，地表过程与资源生态国家重点实验室， 100875，北京)

土壤水是土壤肥力最活跃的因素之一，也是土壤的重要组成物质。作为大气圈、水圈和岩石圈联系的枢纽[1]，土壤水在地表物质循环和能量转换中具有重要作用；同时，土壤水也是建立区域水文和地表模拟过程的关键参数[2]。土壤水分的异质性是土壤的普遍属性之一，在时间和空间尺度上都有体现[3-4]，在喀斯特地区尤为突出。中国南方喀斯特地区岩溶发育丰富，可溶岩造壤能力差[5]，土层薄且不连续。长期强烈的岩溶作用下，形成水土资源不谐调的地表地下二元空间结构导致岩溶干旱频发[6-7]。地表水不易储存，地下水埋藏深，土壤持水性差、植被系统调节能力有限[8]，导致水文过程变化复杂[9]，区域生境脆弱，石漠化演替形势严峻[10]。在少雨和多雨的环境下，喀斯特黄壤坡耕地表层土壤水分都存在明显的各向异性和空间异质性。地表块石出露是喀斯特坡面典型的景观特征，块石的大量分布，不仅影响地表水资源的再分布，而且对区域小生境和植被生长有重要作用。

块石周围不同位置土壤水分的动态变化，不仅受块石大小、形状、面积、坡度、坡位、裂隙分布、表面粗糙度的影响[11-13]，还受太阳辐射强度、土壤中砾石含量、降雨、植被种类、风速、土地利用等因素干扰[14-15]。尽管不同块石周围土壤水分对降雨的响应是区域水文循环的重要组成部分，但目前对地表块石出露在不同坡度和坡面土壤含水量研究不多。李生等[16]研究喀斯特石漠化地区旱季土壤水分对裸岩的响应，得出岩石周围各个方向上土壤含水量随距离的增加，呈不同的变化趋势，但未对不同坡度及不同深度土壤水分响应的差异进行系统研究。而研究不同坡度块石周围土壤含水量在空间小尺度上的异质性，对于喀斯特区域水土流失治理、缓解石漠化演替、区域生态经济建设和植被恢复具有深刻的实际意义。

1 研究区概况

研究区位于贵州省遵义市鸭溪镇仁和村，地处E 106°38′39″，N 27°35′44″(图1)。地貌类型为黔北地区典型的峰丛、洼地。监测的块石均位于喀斯特坡面上种植玉米的农地，坡度分别为：8°、12°和18°，块石走向和形状为横向条形(横条形)和纵向条形(竖条形)。块石均是自然半出露的岩石，未受人为扰动，因此出露高度具有不均一性，高度范围为0.35±0.25 cm，8°坡面上的横条形块石长4.65 m，宽1.94 m，12°坡面上的竖条形块石长3.74 m，宽0.94 m，18°坡面上的竖条形块石长4.15 m，宽0.93 m。气候为典型的亚热带湿润季风气候，雨水充沛、降雨集中，5—8月降雨量占全年总降水量的70%～80%，年平均降雨量1 024 mm，年平均气温14.6 ℃。土壤为酸性黄壤，是贵州典型黄壤的代表。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

2 材料与方法

2.1 土壤水分采样及降雨监测

块石选择的方法：1)外部形状相对规则；2)相对独立；3)上下均有土壤分布；4)出露高度相近；5)周围无大型乔木、灌木。土壤水监测的方法：以6月1日为起始点，10 d为1个周期，期间若发生降雨事件>40 mm则追加采样，由于7月几乎无降雨，处于枯水期，块石对土壤水分的影响在雨季更加明显，雨季土壤含水量高对块石的响应更加显著，枯水期土壤含水量低，所以7月并未采样。6月12日发生47.4 mm的降雨，所以在6月14和15日增加取样2次，故在6月采样6次，8月4次，9月初1次，在监测期内共计取样11次。以块石几何中心为中心，平均边缘为测量起点，在距离块石上下方向50、100和150 cm处6个位置，利用土钻采集0～50 cm土层土壤样品，以10 cm为取样间隔(图2)，3种坡度块石每次采样90个，因喀斯特坡面土层覆盖较浅，故部分取样并未到达50 cm，共计947个样本。采完土壤水样本后，将各层的土壤样品装入铝盒，回填钻孔并做标记。

图2 块石上下坡面不同位置土壤水取样示意图Fig.2 Schematic diagram of soil water sampling at different locations on the upper and lower slope surface of the rock

监测点处安装HOBO U30高精度降雨量传感器，长期监测研究区降雨量等气象要素，选用降雨数据为2019年6月、8月和9月初。依据我国气象部门在24 h内划分降雨量等级：小雨<10 mm，中雨≥10～25 mm，大雨≥25～50 mm，暴雨≥50 mm。

2.2 实验数据测定

当天采回的土样在实验室内采用烘干法测量土壤质量含水量：在105 ℃鼓风干燥箱内烘干24 h左右，烘干至恒质量，随后称量。

土壤含水量

式中：W为土壤质量含水量，量纲为1；W1为铝盒的质量，g；W2为铝盒+湿土的质量，g；W3为恒温烘干后铝盒+干土的质量，g。

2.3 数据处理

采用Excel 2019、SPSS 22.0、Origin 2021进行数据统计分析与制图。在数据转换和正态分布检验的前提下，计算平均值和标准差。通过单因素方差分析检验显著性差异，采用Duncan法进行多重比较，显著水平为P<0.05。

3 结果与分析

3.1 雨后不同坡度块石上下坡面土壤水分差异

降雨结束后地表水分蒸发到一定程度，满足取样条件时，对不同坡度块石上下坡面土壤水取样。在监测期内，6月8日降雨48.6 mm，6月9日降雨26.4 mm，6月10日降雨5 mm，累计降雨80 mm，在6月10日进行雨后第1次取样；6月12日降雨47.6 mm，降雨历时10.61 h，故在6月14日进行雨后第2次取样；9月8日降雨120.6 mm，9月9日降雨14.2 mm，累计降雨134.8 mm，故在9月10日进行雨后第3次取样。3种降雨量下，不同坡度块石上下坡面6个位置土壤含水量结果(图3)显示，其上下坡面不同位置具有一定差异性，且其对不同降雨量的响应趋势不同。8°坡度，横条形块石在上下坡面土壤水分差异为134.8 mm(3.61%)>80 mm(2.05%)>47.4 mm (1.22%)。12°坡度，竖条形块石在上下坡面土壤水分差异为80 mm(2.99%)>47.4 mm(2.60%)>134.8 mm(0.41%)。18°坡度，竖条形块石在上下坡面土壤水分差异为80 mm(1.58%)>47.4 mm(0.91%)>134.8 mm(0.04%)。

a、b、c分别为47.6、80和134.8 mm降雨后横条形8°块石；d、e、f分别为47.6、80和134.8 mm降雨后竖条形12°块石；g、h、i分别为47.6、80和134.8 mm降雨后竖条形18°块石。a, b and c represent horizontal bar-shaped 8° rock after rainfall of 47.6, 80 and 134.8 mm respectively. d, e and f represent vertical bar-shaped 12° rock after rainfall of 47.6, 80 and 134.8 mm, respectively. g, h and i represent vertical bar-shaped 18° rock after rainfall of 47.6, 80 and 134.8 mm, respectively. 图3 雨后不同坡度块石上下部位各层土壤水分Fig.3 Soil moisture in each layer at the upper and lower locations of the rock with different slopes after rainfall

3种降雨量下，不同坡度块石上下坡面土壤含水量均表现为上坡面>下坡面。坡度8°，随着降雨量增大，其上下坡面之间土壤含水量差异呈递增变化。坡度为12°或18°时，块石上下坡面之间土壤含水量的差异随着降雨量的增加呈现先增后减的变化。80 mm降雨后，上下坡面各层土壤储水量并未达到饱和，水分继续入渗，块石上下坡面水分差异较大。134.8 mm降雨后，块石上下坡面各土壤层基本达到稳渗，土壤充分湿润，下渗能力减弱，上下坡面之间土壤水分差异小。在80 和134.8 mm降雨量之间存在1个阈值，使土壤水分基本达到饱和，差异性开始减小。3种降雨量下，块石上下坡面土壤含水量差异表现为：横条形8°(2.66%)>竖条形12°(2.00%)>竖条形18°(0.84%)。坡度越陡，雨量越大，块石上下坡面土壤含水量差异越小，坡度与土壤含水量差异呈反比关系。

3.2 不同坡度块石上下坡面土壤水分随降雨的动态变化

如图4所示，监测期内降雨量与3种坡度块石上下坡面各部位间土壤含水量动态变化。监测期内共发生32次降雨，总降雨量为409.4 mm，降雨在时间上分配不均匀，主要集中在6月、8月和9月初，分别为208 、58.6和141.8 mm，各占监测期降雨量的50.81%、14.31%、34.64%。对比3种坡度块石上下坡面各部位土壤含水量等值线图可知，土壤含水量变化基本与降雨响应一致，上坡面位置土壤水分对降雨响应比较强烈，土壤含水量总体为上坡面>下坡面。6月份降雨丰富，块石上下坡面土壤含水量差异为：竖条形12°(3.23%)>横条形8°(1.40%)>竖条形18°(0.16%)，。8月份降雨较少，块石上下坡面土壤水分差异为：横条形8°(2.73%)>竖条形18°(0.79%)>竖条形12°(0.29%)。在整个监测期内，块石上下坡面土壤水分差异为：横条形8°(2.07%)>竖条形12°(1.76%)>竖条形18°(0.47%)，坡度越陡，块石上下坡面之间土壤含水量差异越小。

图4 块石上下部位土壤水含量随降雨的动态变化Fig.4 Dynamic changes of soil water contents in the upper and lower locations of the rock with rainfall

多雨和少雨的月份，3种坡度块石上下坡面土壤水分差异明显，横条形8°与竖条形18°块石下坡面土壤水分容易受降雨量影响。6月与8月相比，降雨量减少149.4 mm，3种块石上下坡面土壤含水量相应减少：横条形8°(4.14%)>竖条形12°(3.52%)>竖条形18°(0.95%)，坡度越小，块石上下坡面土壤含水量随雨季的变化越大。受降雨量减少影响，土壤含水量最小值均出现在8月24日，8月底土壤含水量偏低。此外，8月块石上下坡面土壤水分比6月变化幅度更大，多雨期块石上下坡面土壤含水量越稳定。竖条形18°块石上下坡面土壤含水量最大值为32.82%，出现在6月8日(48.6 mm)和6月9日(26.4 mm)降雨之后，而横条形8°块石与竖条形12°块石上下坡面土壤含水量最大值均出现在9月8日(120.6 mm)极端暴雨后，分别为34.47%、39.11%。次降雨>25 mm和极端暴雨后均可显著提高3种坡度块石上下的土壤含水量。

3.3 相同土层深度块石上下部位土壤水分差异

相同土层深度块石上下部位土壤水分差异不一(图5)。8°坡度，横条形块石除10～20 cm土层外，其余各深度上下坡面各部位土壤含水量具有显著差异。土壤含水量差异为：上150 cm(28.75%)>上100 cm(27.17%)>上50 cm(26.62%)>下 50 cm(25.87%)>下150 cm(25.43%)>下100 cm(25.04%)，土壤水分由上至下呈递减趋势，在下100 cm处最小。12°坡度，竖条形块石除表层0～10 cm土层外，其余各深度上下坡面各部位土壤含水量具有显著差异。土壤水分为：下50 cm(37.14%)>上150 cm(35.19%)>上100 cm(33.10%)>上50 cm(32.70%)>下150 cm(29.45%)>下100 cm(29.10%)。

A、B、C分别为块石横条形8°、竖条形12°、竖条形18°，a、b、c表示显著性差异，下同。A, B and C represent horizontal bar-shaped 8° rock, vertical bar-shaped 12° and 18° rock respectively, a, b, and c indicate significant differences，the same below. 图5 块石周围深度相同，上下部位土壤含水量差异Fig.5 Depth around the rock is same, and soil water content among the upper and lower locations is different

18°坡度，竖条形块石在整个土壤垂直剖面层，相同土层深度块石上下坡面各部位土壤含水量都没有显著差异。土壤水分为：上150 cm(26.88%)>上50 cm(26.30%)>下50 cm(26.27%)>上100 cm(26.15%)>下100 cm(25.94%)>下150 cm(25.70%)，土壤水分在上坡面和下坡面基本保持不变，变化幅度较小。当坡度由8°增加至12°时，0～10 cm表层土壤含水量上下坡面各部位差异减小，而土层越深，土壤含水量上下坡面各部位差异越大。当坡度由12°增加至18°时，坡度越陡，上下坡面各部位土壤含水量差异越小。3种坡度下，块石上下坡面各部位土壤含水总量均随深度增加而变大。

3.4 块石上下坡面相同部位各深度土壤水分差异

块石上下坡面相同部位，不同坡度下各深度土壤含水量差异不一(图6)。8°坡度，横条形块石除上部100 cm、下部50 cm外，其余上下坡面部位各深度土壤含水量具有显著差异。各深度土壤含水量为：40～50 cm(28.03%)>0～10 cm(27.07%)>30～40 cm(26.13%)>10～20 cm(26.11%)>20～30 cm(26.09%)，最大差异为1.94%。块石表层和底层土壤含水量较高，表层受降雨入渗及地表径流影响，土壤水分含量高，底部则土壤储水量较高。一般情况下土壤深度与含水量成正比关系，20～30 cm处土壤含水量最低是受农地植物根系吸水作用影响。

图6 块石上下部位相同，各深度土壤含水量差异Fig.6 Upper and lower locations of the rock are same, and soil water content of each depth is different

12°坡度，竖条形块石除下边100和150 cm外，其余上下坡面部位各深度土壤含水量具有显著差异。各深度土壤含水量为：40～50 cm(36.35%)>30～40 cm(35.14%)>30～20 cm(33.54%)>20～10 cm(31.28%)>0～10 cm(28.78%)，最大差异为7.57%，其土壤含水量与深度呈明显的递增关系。18°坡度，上下坡面的部位相同，竖条形块石从表至底各层土壤含水量没有显著差异，40～50 cm(27.04%)>30～40 cm(26.95%)>20～30 cm(26.15%)>0～10 cm(26.10%)>10～20 cm(25.77%)，最大差异为1.27%，底部土壤含水量较高，表层0～20 cm土壤含水量较低。

块石上下坡面相同部位各深度土壤含水量最大差异为：竖条形12°(7.57%)>横条形8°(1.94%)>竖条形18°(1.27%)，其随坡度的增加呈先增后减的变化规律。坡度由8°增加至12°，坡面上部3个位置和下部50 cm，各深度土壤含水量差异变大，但坡面下部100 cm和150 cm处，差异减小。坡度增加至18°时，坡度越大，各深度土壤含水量差异越小。

4 讨论

3种降雨量下，不同坡度块石上下坡面土壤含水量均表现为上坡面>下坡面，块石出露对地表径流具有明显阻挡作用，增加了上边的入渗。Cerda等[17]认为因为砾石的存在增加了地面粗糙度，从而降低径流流速增加入渗量。Abrahams等[18]表明裸岩和土体之间的孔隙有利于水分快速向深层土壤渗透，同时风化砾石能够拦截大量地表径流并吸收部分雨水，土壤中砾石含量越高，越有助于孔隙发育及植物根系生长，从而增加土壤入渗率，提高土壤含水量。彭旭东等[19]发现不同坡度下，地下产流率差异较大，在产流降雨下，地表径流率和坡度成正比，而地下产流率则和坡度成反比，说明坡度越大，则地表产流量越多，而入渗量则相反。这和笔者发现相同。3种降雨量下，块石上下坡面土壤含水量差异为：横条形8°(2.66%)>竖条形12°(2.00%)>竖条形18°(0.84%)。坡度越大，地表径流越多，地下入渗量越小，块石上下坡面土壤含水量差异越小。严友进等[20]发现，地下孔(裂)隙度、降雨强度和坡度对喀斯特坡面产流具有显著影响，随着降雨强度的增大，地下孔(裂)隙流量呈先增大后减少的变化规律。本实验中，12°和18°坡度影响下，从47.4 mm降雨到80 mm降雨，入渗量增大，土壤水分在初始渗透阶段，块石上下土壤含水量差异增大，从80 mm降雨到134.8 mm降雨，入渗量减小，土壤水分接近稳定渗透状态，入渗基本饱和，块石上下坡面土壤含水量差异减小。

土壤含水量对降雨有明显的响应。少雨的8月和多雨的6月相比，块石上下坡面土壤含水量明显减少。横条形8°与竖条形18°块石，8月在相同土层和不同土层间，受降雨量减少、相对干旱程度及持续时间等因素影响，土壤含水量趋向均质化。与6月份相比，竖条形12°和18°块石在8月上下坡面位置的土壤水分变化幅度比横条形8°明显较小，其块石上下坡面土壤水分受降雨量影响较小，而横条形8°块石受降雨量影响更强烈。伏文兵等[21]认为，总体上地表径流和坡度的变化呈正相关，坡度越小，地表产流越少，入渗量则越大。笔者发现：坡度越小，降雨量变化越大，入渗量随之改变，则块石上下坡面土壤含水量的变化越大。较干旱的8月份，横条形8°块石的上边物理遮阴作用及下边的太阳辐射可能更明显，导致上下坡面土壤含水量差异较大。

总之，喀斯特坡面块石对土壤水分的影响的坡度响应问题比较复杂，仍有很多影响因子有待探讨，今后可加强喀斯特坡面块石面积、出露高度、表面粗糙度在不同坡度下对土壤水分的影响，从而为坡面土壤水分及地表产流产沙过程提供一定依据。

5 结论

1)3种降雨量下，坡度对块石上下土壤水分的影响存在明显差异，不同坡度块石上下坡面土壤含水量均表现为上坡面>下坡面。坡度越陡，雨量越大，块石上下坡面土壤含水量差异越小，坡度与土壤含水量差异呈反比关系。

2)监测期内块石上下坡面土壤水分差异随坡度的增大而减小。坡度越小，块石上下坡面土壤含水量在雨季变化越大，且块石上下坡面土壤含水量越稳定。

3)土层深度相同，坡度由8°增加至12°，0～10 cm表层，块石上下各部位土壤含水量差异减小，但随土层深度越深，差异越大。坡度增加至18°时，块石上下各部位土壤含水量差异越小。

4)块石上下坡面相同部位，坡度由8°增加至12°，不同深度的土壤含水量差异变大，但下部距块石>100 cm时，土壤水分差异减小。坡度增加至18°时，各深度土壤含水量差异更小。

感谢北京师范大学地理科学学部何江湖、周卓丽在野外实地土壤水取样及实验过程中提供的帮助。