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    黃土丘陵溝壑區(qū)微地形對(duì)土壤水分及生物量的影響

    2012-05-07 11:07:06鄺高明朱清科劉中奇
    水土保持研究 2012年3期
    關(guān)鍵詞:溝壑區(qū)原狀土壤水分

    鄺高明,朱清科,劉中奇,2,趙 薈,3,王 晶

    (1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京10008;2.內(nèi)蒙古民族大學(xué),內(nèi)蒙古 通遼02804;3.國家林業(yè)局 昆明勘察設(shè)計(jì)院,昆明650216)

    在干旱少雨的黃土丘陵溝壑區(qū),水分是制約植被生長(zhǎng)的主要因素,而影響降雨在土壤再分配過程中的一個(gè)重要因素是地形地貌因素[1-2]。目前,國內(nèi)涉及到土壤水分時(shí)空分布規(guī)律研究的多集中在三個(gè)尺度,坡面尺度[3]、小 流 域 尺 度 及 集 水 區(qū) 尺 度[4-6]、區(qū) 域 尺度[7-8],且現(xiàn)有研究最小尺度為坡面,對(duì)于坡面及其小流域的研究多是對(duì)坡向、坡度、坡位、海拔高程[9-11]等地形因子對(duì)土壤水分分布的影響,在黃土高原復(fù)雜的溝壑系統(tǒng)中,這方面的研究對(duì)于生態(tài)修復(fù)建設(shè)有一定指導(dǎo)意義,但是地形因子的分析對(duì)于精確的“因地制宜,適地適樹”還是不夠的,目前缺少對(duì)坡面上微地形土壤水分與生物量差異的調(diào)查與分析[12],將生態(tài)修復(fù)建設(shè)與多樣的微地形結(jié)合的研究。

    黃土丘陵溝壑區(qū)侵蝕嚴(yán)重、地形破碎,坡面上大致分布有切溝、淺溝、塌陷、緩臺(tái)及陡坎等五種微地形。各類微地形使坡面凹凸不平,影響降雨在坡面上的再分配過程,進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分及植被在坡面上分配的差異性。本文通過實(shí)地量測(cè)和對(duì)比分析各種微地形及其相應(yīng)原狀坡的土壤含水量和生物量,以期揭示黃土丘陵溝壑區(qū)坡面內(nèi)微地形尺度的土壤水分和植被空間分異特征,為坡面植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

    1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于陜西省吳起縣合家溝流域,地處東經(jīng)107°38′57″—108°32′49″,北緯36°33′33″—37°24′27″,地貌屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū);多年平均降水量478.3mm,降水量年際變化大、季節(jié)分配不均,7-9月降水量占全年降水量的64%以上,其它季節(jié)多為無效降水;年平均氣溫7.8℃,無霜期96~146d,屬暖溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候,多年平均陸地蒸發(fā)量400~450mm;土壤類型為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發(fā)育在黃土母質(zhì)上的黃綿土,質(zhì)地為輕壤。該流域從1998年開始封育,封禁后恢復(fù)起來的草本群落以百里香(Thymus mongolicus)、鐵桿蒿(Artemisia gmelinii)、茭 蒿 (Arte misia giralaii)、長(zhǎng) 芒 草 (Stipa bungeana)、達(dá)烏里胡枝(Lespideza davurica)、萎陵菜(Potentilla chinensis)和冷蒿(Arte misia frigida)為主,在溝底等部位零星分布有灌木和喬木。該封育流域內(nèi),地形破碎,各類微地形廣泛分布,為本研究提供了前提。

    2 研究方法

    2.1 數(shù)據(jù)的采集

    2.1.1 微地形的定義與分類 黃土丘陵溝壑區(qū)微地形主要是指淺溝、切溝、塌陷、緩臺(tái)、陡坎等五類大小不等、形狀各異的局部地形。其中,淺溝和切溝是黃土侵蝕溝發(fā)育過程的兩種初級(jí)狀態(tài),由降雨形成的地面徑流在匯集過程中,集中股流沖刷下切而形成;塌陷是指坡面塌陷、集中股流溯源侵蝕等土壤侵蝕形成的凹陷狀地形;緩臺(tái)指坡面局部坡度明顯小于整個(gè)坡面平均坡度的平緩地段;陡坎是指坡面局部坡度明顯大于整個(gè)坡面平均坡度的陡峭地段。由于坡面造林植物種的配置是以米為單位設(shè)計(jì)的,因此本研究中的微地形是指坡面范圍內(nèi)大小1m的局部地形狀態(tài)。微地形改變了整個(gè)坡面的承雨面和水分運(yùn)移路徑,使坡面內(nèi)的土壤水分等生境條件產(chǎn)生空間異質(zhì)性。

    2.1.2 數(shù)據(jù)的采集 本次研究選擇了陜西省吳起縣合家溝流域進(jìn)行調(diào)查,該流域經(jīng)過10余年的封育修復(fù),植被群落類型和生長(zhǎng)時(shí)間基本一致,調(diào)查坡面上坡度、坡向變化較小,樣方布置在坡面中部,能很好的消除其它地形地貌(坡度、坡向及坡位)因素及植被因素對(duì)于土壤水分在坡面上空間分布差異性的影響。測(cè)定時(shí)間選擇在7月初,之前一段時(shí)間并無明顯的降水,坡面土壤水分含量相對(duì)穩(wěn)定。

    采用樣方調(diào)查與隨機(jī)取樣結(jié)合的方法:樣地尺寸20m×20m,在樣地內(nèi)以“對(duì)角線法”確定5個(gè)1m×1m的小樣方,同時(shí)選取一個(gè)能代表所研究坡面的典型樣方,利用小秤測(cè)定地上鮮生物量。由于研究區(qū)植被多為草本,其根系主要分布在0—60cm土層,該層土壤水分的多少?zèng)Q定了植被的生長(zhǎng)狀況,因此用TRIME—EZ型號(hào)的探針式TDR(time—domain—reflectometry)分別測(cè)定每個(gè)采樣點(diǎn)0—20cm,20—40cm,40—60cm三層的土壤體積含水量,每一層測(cè)定3次,每次探針的方向旋轉(zhuǎn)120°,取3次的平均值作為該測(cè)點(diǎn)微地形根層的土壤含水量。本文中提到土壤含水量均為平均土壤體積含水量。

    2.2 數(shù)據(jù)的處理

    2.2.1 土壤水分差異顯著性檢驗(yàn) 利用SPSS軟件對(duì)各樣方的土壤水分進(jìn)行兩兩配對(duì)的Wilcoxon秩檢驗(yàn),揭示原狀坡與各類微地形不同土壤深度水分的差異性。Wilcoxon秩檢驗(yàn)適用于配對(duì)資料的差異比較,如果計(jì)算結(jié)果中P值小于0.05、說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異,如果P值小于0.01、說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異極顯著。

    2.2.2 微地形土壤水分變異系數(shù) 變異系數(shù)(CV)表示土壤水分在空間變異的程度,是各層土壤水分標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值,它的大小反映了各層水分的穩(wěn)定性。CV越大,說明樣點(diǎn)含水量變化越劇烈;CV值越小,土壤含水量越穩(wěn)定。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 微地形水分特征分析

    3.1.1 土壤水分的空間差異性分析 利用SPSS軟件對(duì)各類微地形的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩配對(duì)樣本W(wǎng)ilcoxon秩檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

    由表1知,除淺溝外,其它四類微地形的土壤含水量均與原狀坡有顯著的差異性,因此在對(duì)坡面進(jìn)行人工植被恢復(fù)建設(shè)時(shí)對(duì)淺溝植被配置模式應(yīng)該與其所在原狀坡一樣。切溝、塌陷、緩臺(tái)和陡坎這4種微地形與各自所在的原狀坡土壤含水量有顯著差異,且切溝、陡坎的差異性極顯著。因此在進(jìn)行人工植被恢復(fù)建設(shè)時(shí)可以考慮將這4種微地形區(qū)別對(duì)待,利用微地形所造成的生境差異配置適于該微地形的植被模式,從而打破以往沿等高線進(jìn)行統(tǒng)一植被配置的模式,進(jìn)一步提高“因地制宜,適地適樹”的精準(zhǔn)度。

    表1 土壤水分的差異性檢驗(yàn)

    3.1.2 不同類型微地形土壤體積含水量特征值 在Excel中統(tǒng)計(jì)不同類型的微地形各層土壤水分特征值。由表2可知,與原狀坡相比,除陡坎各層的土壤含水量均小于原狀坡外,其它四類微地形各層土壤含水量都比原狀坡的土壤含水量大;在0—20cm土層,各微地形土壤含水量的大小排序?yàn)榍袦希舅荩揪徟_(tái)>淺溝>原狀坡>陡坎,在20—40cm,40—60cm及0—60cm土層,各微地形土壤含水量的大小排序均為塌陷>緩臺(tái)>切溝>淺溝>原狀坡>陡坎。

    表2 不同類型微地形土壤含水量 %

    從表2中也可知不同類型微地形的土壤含水量存在巨大的差異,最大的塌陷0—60cm土層土壤含水量為13.31%,而最小的陡坎的0—60cm土壤含水量?jī)H為8.21%,前者約為后者的1.62倍,是原狀坡的1.4倍。

    另外,由表1可知,塌陷、切溝與緩臺(tái)與原狀坡的土壤含水量存在顯著差異,結(jié)合表2,可知塌陷、切溝與緩臺(tái)的土壤水分條件優(yōu)于原狀坡,而在黃土區(qū),水分是制約植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,不同的土壤含水量能夠支撐不同數(shù)量與不同類型的植被,因此塌陷、緩臺(tái)及切溝在植被配置時(shí)應(yīng)選擇比原狀坡高一等級(jí)的植被配置模式;而淺溝的土壤含水量雖然大于原狀坡,卻沒有顯著的差異性,在植被配置時(shí),應(yīng)選擇與原狀坡同樣的植被配置模式;同樣,陡坎的土壤水分條件比原狀坡的差,應(yīng)選擇比原狀坡低一等級(jí)的植被配置模式。這也為打破黃土區(qū)傳統(tǒng)的按照等高線進(jìn)行植被配置的模式、更好地實(shí)現(xiàn)“因地制宜、適地適樹”提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

    3.1.3 不同類型微地形土壤水分的變異系數(shù) 經(jīng)過計(jì)算,得到不同類型微地形各層土壤水分變異系數(shù),見表3。

    表3 不同類型微地形土壤水分變異系數(shù) %

    由表3可知,原狀坡及各類微地形的0—20cm土層土壤水分變異系數(shù)最大,表明在0—20cm層土壤水分變化最大。這是由于該層接近于地表,降雨時(shí)雨水首先進(jìn)入該層,使其土壤水分含量迅速增加;而在黃土丘陵區(qū),土壤水分下滲速度快、蒸發(fā)量大,導(dǎo)致雨后該層水分又急劇較少,使得0—20cm土層成為原狀坡及各類微地形土壤水分變化最活躍的土層。

    隨著土層深度的增加,各類微地形土壤水分的變異系數(shù)有減小的趨勢(shì)。而土壤水分變異系數(shù)最小的土層為40—60cm土層,而且不同類型微地形的該層土壤水分變異系數(shù)大小近似。這是由于該層遠(yuǎn)離地表,上層雨水下滲到該層需要很長(zhǎng)時(shí)間、土壤水分蒸發(fā)量很小,使得該層的土壤水分相對(duì)穩(wěn)定。

    不同微地形各層的土壤水分變異系數(shù)從大到小的順序都不一樣,整體上各層土壤水分變異系數(shù)最大的為陡坎、切溝次之,而塌陷最小。這是由于陡坎水分條件最差,植被情況也相對(duì)比其它微地形差,而在黃土區(qū),植被能夠很好的減小土壤表層的蒸發(fā)量,所以陡坎的土壤水分變化最為活躍,反之塌陷的植被生產(chǎn)狀況好,能夠減少其土壤表層蒸發(fā)量,水分變化比較小。

    3.2 不同微地形的生物量分析

    由圖1可知,不同微地形內(nèi)生物量與原狀坡與較大差異,塌陷的生物量最大達(dá)263g/m2,而最小的陡坎為122g/m2,各類微地形及原狀坡內(nèi)生物量從大到小的排序?yàn)樗荩厩袦希緶\溝>原狀坡>緩臺(tái)>陡坎,這與土壤含水量排序基本相似,也證明在黃土丘陵溝壑區(qū),土壤含水量是影響植被生長(zhǎng)的重要因素。而緩臺(tái)內(nèi)生物量表現(xiàn)出不同的規(guī)律,在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn),緩臺(tái)大多出現(xiàn)在上下兩塊坡耕地相交處等地形轉(zhuǎn)折的地方,一般寬度較小,而且上部坡面徑流在緩臺(tái)處沖刷力大,導(dǎo)致植被在緩臺(tái)處生長(zhǎng)困難,因此在進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí),需對(duì)緩臺(tái)處輔助適當(dāng)?shù)恼卮胧?/p>

    圖1 不同微地形生物量

    圖2表明微地形生物量與0—60cm土層土壤水分變異系數(shù)呈負(fù)向相關(guān)性,這是由于植被一方面覆蓋在地表,減少了0—20cm土層中水分蒸發(fā)量,另一方面植被生長(zhǎng)消耗了大量的水分,尤其是深層的土壤水分,所以植被能夠減小上下土層的水分差異。

    圖2 微地形生物量與土壤水分變異系數(shù)相關(guān)性

    4 結(jié)論

    (1)與原狀坡相比,除陡坎各層的土壤含水量均小于原狀坡外,其它四類微地形各層土壤含水量都比原狀坡的土壤含水量大。整體來看,各類微地形與原狀坡的土壤水分含量從大到小排序?yàn)樗荩揪徟_(tái)>切溝>淺溝>原狀坡>陡坎,土壤含水量最大的塌陷是含量最小陡坎的1.62倍,為原狀坡的1.4倍;塌陷、緩臺(tái)及切溝的水分條件明顯優(yōu)于原狀坡,在植被配置時(shí)應(yīng)選擇比原狀坡高一等級(jí)的植被配置模式,但緩臺(tái)在植被配置前需進(jìn)行一定的整地措施,減少徑流對(duì)緩臺(tái)表面的沖刷;淺溝的水分條件與原狀坡相似,應(yīng)選擇與原狀坡同等級(jí)的植被配置模式,陡坎的土壤水分條件比原狀坡的差,在植被配置時(shí)應(yīng)選擇比原狀坡低一等級(jí)的植被配置模式。

    (2)隨著土層深度的增加,各類土壤水分的變異系數(shù)有減小的趨勢(shì),就各類微地形來說,各層土壤水分變異系數(shù)最大的為陡坎、切溝次之,而塌陷最小,這與它們的地表植被生長(zhǎng)情況有關(guān)。

    (3)不同類型與原狀坡的微地形生物量從大到小的排序?yàn)樗荩厩袦希緶\溝>原狀坡>緩臺(tái)>陡坎、并且微地形生物量與0—60cm土層土壤水分變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。微地形內(nèi)土壤水分與植被相互影響,一方面土壤含水量越大,更有利于植被的生長(zhǎng),而植被消耗根層土壤水分,減少地表水分的蒸發(fā),進(jìn)而影響土壤水分在不同深度土層的分布。

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