黃土丘陵溝壑區(qū)主要群落地上生物量季節(jié)變化及其與土壤水分的關(guān)系

蘇 嫄，焦菊英，馬祥華

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；4.福建省華夏建筑設(shè)計(jì)院，福州350004）

黃土丘陵溝壑區(qū)位于黃土高原北部，由于降水稀少、氣候干旱，加之長(zhǎng)期的過(guò)度農(nóng)耕和肆意放牧，自然植被遭到嚴(yán)重破壞，水土流失嚴(yán)重，是我國(guó)生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，生態(tài)系統(tǒng)亟待修復(fù)［1－2］。植被作為生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換的樞紐，是防止生態(tài)退化的物質(zhì)基礎(chǔ)［3］；同時(shí)，植被可以從根本上控制水土流失。因此，植被恢復(fù)是黃土高原遏制土地退化，促進(jìn)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵因素和有效途徑［4－6］。植被生物量作為生態(tài)系統(tǒng)中積累的植物有機(jī)物總量，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的能量基礎(chǔ)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源［7］。生物量的高低變化，既反映了不同植物群落利用資源的能力，也反映了植被—環(huán)境關(guān)系的空間差異性［8］。然而，土壤水分是制約黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)與重建的主要限制因子，也是決定植物生產(chǎn)力的一個(gè)重要因素［9－10］。有研究認(rèn)為根據(jù)土壤水分的變化預(yù)測(cè)產(chǎn)量完全可能的，而且更合理［11］。因此，研究不同植被群落的地上生物量與土壤水分變化及二者之間的關(guān)系，在一定程度上可為人為干擾植被的恢復(fù)提供理論依據(jù)，對(duì)黃土高原的植被重建具有一定指導(dǎo)意義。

目前很多學(xué)者就黃土丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中地上生物量、土壤水分狀況及二者的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，包括自然與人工植被地上生物量差異及其土壤水分效應(yīng)的比較［8］、土壤水分與生物量的關(guān)系［11－15］、土壤水分變化規(guī)律［16］、刺槐人工林密度與地上生物量效應(yīng)［17］、地上生物量及其影響因素［18］等，但往往是一種定性的描述或是靜態(tài)的定量比較，水分和植物生產(chǎn)力之間的動(dòng)態(tài)變化研究還比較少，而這又是研究土壤水分植被承載能力所亟需解決的問(wèn)題。為此，本研究通過(guò)定點(diǎn)跟蹤觀測(cè)，分析黃土丘陵溝壑區(qū)8個(gè)具有代表性的植物群落的地上生物量與土壤水分的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特征，以及地上生物量變化與土壤水分的關(guān)系，探討土壤水分對(duì)生物量的影響，以期為黃土丘陵溝壑區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)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)位于黃土丘陵溝壑區(qū)的典型區(qū)域安塞縣真武洞鎮(zhèn)西溝流域。安塞縣（105°51′44″—109°26′18″E，36°22′40″—36°32′16″N），海拔997～1 731m，境內(nèi)地形復(fù)雜，梁峁連綿，溝壑縱橫。屬暖溫帶半干旱氣候區(qū)，年平均降水量500mm左右，年際變化大且年內(nèi)分布不均勻，降雨量分布隨著緯度增加而減少，南北相差157.7mm；降雨多集中在7—9月份，占全年降雨總量的63%，多以暴雨形式出現(xiàn)，易造成水土流失，春旱頻繁，伏旱時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。土壤類型主要為黃綿土，土質(zhì)疏松，抗蝕抗沖性差，水土流失嚴(yán)重，耕層養(yǎng)分含量少，土地貧瘠［19］。該區(qū)屬于暖溫帶森林草原帶，區(qū)內(nèi)植被破壞嚴(yán)重，天然森林較少，人工林以刺槐（Robinia psendoacacia）、小葉楊（Populus simonii）等為主，灌叢主要有檸條（Caragana intermedia）和沙棘（Hippophae rhamnoides）等人工灌叢以及黃刺玫（Rosa xanthina）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）和狼牙刺（Sophora viciifolia）等天然灌叢［20］，荒坡上主要為鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、茭蒿（Artemisia giraldii）、長(zhǎng)芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、大針茅（Stipagrandis）、達(dá)烏里胡枝子（Lespedeza daurica）等組成的處于不同演替階段的草本植物群落［21］。

1.2 樣地調(diào)查與采樣

于2004年在西溝流域按不同退耕年限（退耕年限通過(guò)農(nóng)戶走訪調(diào)查獲?。┻x擇了沙打旺（Astragalus adsurgens）群落、豬毛蒿（Artemisia scoparia）群落、賴草（Leymus secalinus）群落、人工檸條群落、人工沙棘群落、鐵桿蒿群落、人工檸條群落、白羊草群落和人工刺槐群落8個(gè)植物群落17個(gè)樣地，進(jìn)行地上植被調(diào)查和土壤水分測(cè)定。樣地基本情況如表1所示。植被調(diào)查于5—9月份進(jìn)行，每月一次，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣方，樣方的大小為草本2m×2m，灌木5m×5m，喬木10m×10m，調(diào)查內(nèi)容包括植物的種類、數(shù)量、高度、蓋度、頻度、生活型以及地上生物量等。物種蓋度采用雙人目測(cè)法；物種出現(xiàn)的頻度是在樣方周圍選擇10個(gè)1m×l m的小樣方來(lái)調(diào)查不同物種出現(xiàn)的數(shù)量。地上部分的生物量測(cè)定采用收獲法，在選取的樣方內(nèi)沿樣地對(duì)角線采取1／4樣帶回室內(nèi)稱重，并將樣品放入紙袋，在80℃恒溫下經(jīng)12h烘至恒重，以獲取各物種的生物量干重，然后把樣方內(nèi)各物種的地上生物量相加即為群落的地上生物量。土壤水分測(cè)定于4—10月份采用土鉆法，每月測(cè)一次，每次2個(gè)重復(fù)，取樣深度為500cm，每隔20cm一層，共25層，分別取樣測(cè)定，采用烘干法求其土壤含水量。降雨資料由安塞水土保持站提供。

表1 樣地的基本情況

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007軟件處理數(shù)據(jù)，并用SPSS 17.0軟件進(jìn)行不同植物群落地上生物量季節(jié)變化與土壤含水量的Pearson相關(guān)分析，顯著性水平為p＜0.05；在相關(guān)分析計(jì)算中，土壤水分因子分別采用0—100，100—300，300—500cm土層的平均土壤含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物群落地上生物量季節(jié)變化

8個(gè)不同植物群落地上生物量季節(jié)變化（表2）表明，不同群落之間，自然植被群落地上生物量明顯小于人工植被群落（除13a人工沙棘群落），且自然植被群落總體上表現(xiàn)為隨著演替的進(jìn)行，地上生物量逐漸增加，二者在p＜0.01水平上顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r＝0.860，p＝0.003）。對(duì)于人工植被群落，地上生物量從大到小依次是25a檸條群落＞40a刺槐群落＞2a沙打旺群落＞13a沙棘群落，這與其蓋度密切相關(guān)。從不同季節(jié)來(lái)看，8個(gè)群落地上生物量隨季節(jié)變化總體都表現(xiàn)為在5月或6月份較小，7月至8月份快速增長(zhǎng)，生物量達(dá)到高峰，9月份出現(xiàn)了一定的下降，但高于5月或6月份。其中，賴草群落地上生物量最大值與最小值相差1.5倍，沙打旺群落、豬毛蒿群落、沙棘群落、鐵桿蒿群落和刺槐群落相差4倍左右，檸條群落和白羊草群落最大值與最小值相差分別為9.7和6.3倍。說(shuō)明不同植物群落地上生物量都具有明顯的季節(jié)變異特征且呈單峰型變化。

表2 不同植物群落地上生物量季節(jié)變化

2.2 不同植物群落土壤水分季節(jié)變化

在退耕地植被恢復(fù)中，隨著季節(jié)的變化，由于降水、植被耗水及其蒸騰也發(fā)生相應(yīng)的變化，使得土壤水分也隨季節(jié)呈規(guī)律性變化趨勢(shì)（圖1）。在土層垂直方向上具有3個(gè)明顯的分層，即0—100cm土壤水分活躍層、100—300cm土壤水分相對(duì)活躍層和300—500cm土壤水分相對(duì)穩(wěn)定層。0—100cm土層土壤水分的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化明顯，最大值和最小值相差5%～9%；最大值一般為8月份的測(cè)定結(jié)果，變化在10.4%～14.1%，群落間的差異不大；最小值則為5月份或6月份的測(cè)定結(jié)果，人工植被群落變化在4.3%～5.3%，自然植被群落變化在6.5%～7.5%，人工植被群落明顯低于自然植被群落?？梢?，0—100 cm土層的水分隨降雨季節(jié)變化（圖2）的影響較大，同時(shí)也受植被類型的影響。100—300cm土層的土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)變化不如0—100cm土層明顯，但比300—500cm 土層的變化要大。100—300cm 和300—500cm土層的最大值和最小值的差值變化分別為1.9%～4.8%和1.8%～3.4%，且人工植被的最大值多為10月份或4月份的測(cè)定結(jié)果，說(shuō)明人工植被在生長(zhǎng)季節(jié)的耗水量很大，即使有雨水的補(bǔ)給，土壤含水量的最大值也不會(huì)出現(xiàn)在雨季。可見100—300cm和300—500cm土層水分含量變化受植被類型的影響較大。

圖1 不同群落0－500cm土層土壤水分的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

2.3 地上生物量與土壤水分的關(guān)系

地上生物量的季節(jié)變化與土壤水分關(guān)系密切，在5—9月份，其變化趨勢(shì)與土壤水分整體變化趨勢(shì)一致，即二者都在5月或6月份最小，隨后呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，7月或8月份達(dá)到最大，隨后有所下降，但下降的幅度不是很大，這與降雨的季節(jié)變化有著密切的關(guān)系（圖2）。8個(gè)不同群落地上生物量的季節(jié)變化與0—500cm土層土壤水分含量的相關(guān)性分析（表3）表明，在0—100cm土層，除鐵桿蒿群落的相關(guān)系數(shù)r較低，只有0.374外，其他群落的相關(guān)系數(shù)都較高，都在0.60～0.93之間，其中，沙打旺群落、豬毛蒿群落和沙棘群落的地上生物量的季節(jié)變化與土壤水分呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）；100—300cm土層，檸條群落地上生物量的季節(jié)變化與土壤水分呈顯著負(fù)相關(guān)（p＝0.025），其他群落均來(lái)達(dá)到顯著水平（p＞0.05）；300—500cm土層，土壤水分對(duì)地上生物量的季節(jié)變化均無(wú)顯著影響（p＞0.05）。表明在黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地0—100cm土層土壤水分含量對(duì)植被群落地上生物量季節(jié)變化的影響作用較為明顯，且隨著土層深度的增加，其影響作用逐漸降低。

圖2 2004年安塞降雨量季節(jié)變化

表3 不同植物群落地上生物量與土壤含水量的Pearson相關(guān)系數(shù)（n＝5）

3 結(jié)論與討論

（1）不同植物群落地上生物量都存在明顯的單峰型季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，與黃德青等［14］的研究結(jié)果基本一致。這與溫度、植物的生長(zhǎng)及生理階段有著密切的關(guān)系［22－23］，5月上旬植被開始返青，植物從休眠期進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)期，由于早春植物剛開始萌發(fā)，生長(zhǎng)較為緩慢，地上生物量最低，隨著溫度升高，植物生長(zhǎng)發(fā)育先后進(jìn)入花蕾期、開花期和結(jié)果期（7月、8月），物質(zhì)積累迅速，生物量也不斷增大，隨后達(dá)到高峰值，植物結(jié)果后（9月份），進(jìn)入果后營(yíng)養(yǎng)期和枯萎期，地上有機(jī)質(zhì)向地下轉(zhuǎn)移，為翌年的萌發(fā)做準(zhǔn)備，地上生物量隨之下降［23－25］。另外，植被地上生物量的季節(jié)變化也受降水量及其季節(jié)分配的影響［23］。根據(jù)2004年安塞降雨資料，5、6月份降水較少，5月份只有21mm，到7月、8月份降水逐漸增多，促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，地上生物量增大，8月以后，降水逐漸減少，使植物的生長(zhǎng)受到一定的限制，地上生物量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（2）8個(gè)不同植物群落土壤水分都具有季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，大體可分為三個(gè)階段：土壤水分的利用耗損期（4—6月底），該階段降水較少，相對(duì)濕度低，氣溫有所增加，土壤蒸發(fā)增強(qiáng)，同時(shí)，植物開始萌發(fā)生長(zhǎng)，枝葉增大，植物的蒸騰作用也不斷加強(qiáng)，致使土壤水分下降較大；土壤水分的降水補(bǔ)償期（7—8月），該階段植物的生長(zhǎng)達(dá)到整個(gè)生長(zhǎng)期的旺盛期，土壤蒸發(fā)和植物蒸騰非常強(qiáng)烈，但由于降水較多，降水量大于潛在的蒸散量，因而使土壤含水量有所增加；土壤水分的緩慢下降期（9—10月底），該階段降水有所減少，植物處于衰敗階段，土壤含水量呈下降趨勢(shì)。張雷明等［12］的研究也表明，黃土高原的土壤水分在年內(nèi)受降水特點(diǎn)的影響經(jīng)歷了低—高—低的季節(jié)變化。在垂直剖面上土壤水分具有一定的層次性，本研究中0—500cm土層具有3個(gè)明顯的分層，0—100cm活躍層、100—300cm相對(duì)活躍層和300—500cm相對(duì)穩(wěn)定層。其中，0—100cm層，土壤水分含量季節(jié)性變化范圍較大，受降水影響作用較大，同時(shí)也與植被類型有關(guān)，100—300cm層和300—500cm層土壤水分變化較小，主要受植被類型的影響。

（3）地上生物量的季節(jié)變化與土壤水分含量密切相關(guān)。8個(gè)不同群落總體都表現(xiàn)為0—100cm層土壤水分含量對(duì)地上生物量季節(jié)變化影響作用比較明顯，隨土層加深，其影響作用逐漸降低。據(jù)李玉山［26］的研究，黃土高原土層厚度一般為50～100m，地下水埋藏較深，無(wú)上行補(bǔ)給的可能，因此降水成為土壤水分的唯一來(lái)源。在干旱和生物利用的共同作用下，降水滲深一般不超過(guò)3m，基本與植物根系的活動(dòng)范圍一致。由此可知，0—100cm土層的土壤水分含量不僅會(huì)受降雨入滲作用的影響，還可能與100—300cm層土壤水分上行蒸發(fā)的補(bǔ)給有關(guān)，故其變化相對(duì)活躍，對(duì)地上生物量的影響作用也大。

（4）延安地區(qū)田間穩(wěn)定持水量為12%左右，凋萎濕度為4.2%，水分含量低于12%的土層都屬于土壤干層［27－28］。本研究中自然植被群落0—300cm土層，除8月份的水分含量在12%以上，其他月份均出現(xiàn)了土壤干層，說(shuō)明自然植被群落的土壤干層通過(guò)降水補(bǔ)償是可以恢復(fù)的。2a人工沙打旺群落，300cm土層以上的土壤水分消耗相對(duì)于自然植被群落更大。13a沙棘群落和25a檸條群落，0—500cm土層均出現(xiàn)了土壤干層且較為嚴(yán)重。40a刺槐群落對(duì)深層土壤水分的消耗很大，4—10月份300—500cm土層的土壤水分僅為4.5%～5.4%，形成了嚴(yán)重的永久性土壤干層?？梢?，不同植物群落對(duì)土壤水分的消耗不同，且人工植物群落消耗作用較大，更易形成土壤干層。因此，在植被恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)深入了解不同植物群落對(duì)土壤水分的消耗作用，在自然草地人工引種補(bǔ)播適宜物種，并因地制宜地進(jìn)行人工植被配置，以促進(jìn)整個(gè)黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地的植被恢復(fù)和重建。

［1］ 秦偉，朱清科，劉中奇，等.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地植被自然演替系列及其植物物種多樣性特征［J］.干旱區(qū)研究，2008，25（4）：507-513.

［2］ 王國(guó)梁，劉國(guó)彬，劉芳，等.黃土溝壑區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中植物群落組成及結(jié)構(gòu)變化［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（12）：2550-2557.

［3］ 呂仕洪，向悟生，李先琨，等.紅壤侵蝕區(qū)植被恢復(fù)研究綜述［J］.廣西植物，2003，23（1）：83-89.

［4］ 朱顯謨.迅速全面恢復(fù)植被是根除河害之本［J］.中國(guó)水土保持，1999（10）：29-31.

［5］ 鄭粉莉.子午嶺林區(qū)植被破壞與恢復(fù)對(duì)土壤演變的影響［J］.水土保持通報(bào)，1996，16（5）：41-44.

［6］ 彭少麟.恢復(fù)生態(tài)學(xué)與退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)［J］.中國(guó)科學(xué)院院刊，2000，20（3）：188-192.

［7］ 馮宗煒，王效科，吳剛.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量和生產(chǎn)力［M］.北京：北京科學(xué)出版社，1999.

［8］ 張春梅，焦峰，溫仲明，等.延河流域自然與人工植被地上生物量差異及其土壤水分效應(yīng)的比較［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（4）：132-134.

［9］ 胡良軍，邵明安.黃土高原植被恢復(fù)的水分生態(tài)環(huán)境研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（8）：1045-1048.

［10］ 傅伯杰，王軍，王克明.黃土丘陵區(qū)土地利用對(duì)土壤水分的影響［J］.中國(guó)科學(xué)基金，1999（4）：225-227.

［11］ 李紹良.草原土壤水分狀況與植物生物量關(guān)系的初步研究［C］∥中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站.草原生態(tài)系統(tǒng)研究（第一集）.北京：科學(xué)出版社，1985.

［12］ 張雷明，上官周平.黃土高原土壤水分與植被生產(chǎn)力的關(guān)系［J］.干旱區(qū)研究，2002，19（4）：59-62.

［13］ 孫長(zhǎng)忠，黃寶龍，陳海濱，等.黃土高原人工植被與其水分環(huán)境相互作用關(guān)系研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，20（3）：7-13.

［14］ 黃德青，于蘭，張耀生，等.祁連山北坡天然草地地上生物量及其與土壤水分關(guān)系的比較研究［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2011，20（3）：20-17.

［15］ 靳淑靜，韓蕊蓮，梁宗鎖.黃土丘陵區(qū)不同立地達(dá)烏里胡枝子群落水分特征及生物量研究［J］.西北植物學(xué)報(bào)，2009，29（3）：542-547.

［16］ 郝文芳，韓蕊蓮，單長(zhǎng)卷，等.黃土高原不同立地條件下人工刺槐林土壤水分變化規(guī)律研究［J］.西北植物學(xué)報(bào)，2003，23（6）：964-968.

［17］ 王百田，王穎，郭江紅，等.黃土高原半干旱地區(qū)刺槐人工林密度與地上生物量效應(yīng)［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2005，3（3）：35-39.

［18］ 王建國(guó)，樊軍，王全九，等.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)植被地上生物量及其影響因素［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（3）：556-564.

［19］ 焦峰，溫仲明，王飛，等.黃土丘陵縣域尺度整體景觀格局分析［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2004，18（2）：1-2.

［20］ 賈燕鋒，焦菊英，張振國(guó)，等.黃土丘陵溝壑區(qū)溝沿線邊緣植被特征初步研究［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2007，5（4）：39-43.

［21］ 焦菊英，馬祥華，白文娟，等.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地植物群落與土壤環(huán)境因子的對(duì)應(yīng)分析［J］.土壤學(xué)報(bào)，2005，42（5）：744-752.

［22］ 馬祥華.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地植被恢復(fù)演替與土壤因子的關(guān)系研究［D］.陜西楊凌：中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，2005.

［23］ 朱寶文，周華坤，徐有緒，等.青海湖北岸草甸草原牧草生物量季節(jié)動(dòng)態(tài)研究［J］.草業(yè)科學(xué)，2008，25（12）：1-5.

［24］ 周國(guó)英，陳桂琛，趙以蓮，等.施肥和圍欄封育對(duì)青海湖地區(qū)高寒草原影響的比較研究.Ⅱ：地上生物量季節(jié)動(dòng)態(tài)［J］.草業(yè)科學(xué)，2005，22（1）：59-63.

［25］ 王國(guó)良，盛亦兵，何峰，等.天然羊草草地地上生物量動(dòng)態(tài)研究［J］.草地學(xué)報(bào)，2010，18（1）：11-15.

［26］ 李玉山.黃土區(qū)土壤水分循環(huán)特征及其對(duì)陸地水分循環(huán)的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，1983，3（2）：91-101.

［27］ 王力，邵明安，侯慶春.土壤干層量化指標(biāo)初探［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（4）：87-90.

［28］ 王力，邵明安，侯慶春.黃土高原土壤干層初步研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，29（4）：34-38.