衡陽紫色土丘陵坡地微地形對土壤水分及生物量的影響

楊昌華， 楊 寧

(1.湖南省綏寧縣林業(yè)局，湖南 綏寧422600;2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院，湖南 衡陽421005)

在衡陽紫色土丘陵坡地，雖然降水較多(多年來年均降水超過1 300 mm)，但夏季地面溫度很高(據(jù)記載最高達(dá)72.8 ℃)，年蒸發(fā)量大(超過1 400 mm)，且該區(qū)域降水分配極端不均，春、夏季兩降水占該年度降水的70%左右，因此季節(jié)性干旱嚴(yán)重，加之紫色土的獨(dú)特性質(zhì)，其水土流失嚴(yán)重，水分是制約該區(qū)域植被恢復(fù)的一個關(guān)鍵因素［1-3］. 目前，國內(nèi)對土壤水分時空分布規(guī)律的研究多限于黃土高坡，且大多集中于區(qū)域尺度［4-5］、流域尺度［6-7］和坡面尺度［8-9］三個層面，對于這三個層面考慮的生態(tài)因子主要是坡向、坡度、坡位、海拔等［10-12］，這雖然對于衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)有一定的指導(dǎo)意義，但是地形因子的差異對于“因地制宜、適地適樹”的目的還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，有必要對微地形的土壤水分差異以及生物量進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究［13-14］，以更好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)恢復(fù)建設(shè).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省衡南縣譚子山鎮(zhèn)宋橋村，地理坐標(biāo)為:25°54' ～25°56' E，112°59' ～113°23' N，地貌為典型的丘陵區(qū)，多年來的平均降水1 350.8 mm，降水量年際變化大，季節(jié)分配不均，4 ～6 兩個月的降水占全年降水的50%左右，其它季節(jié)特別是7 ～10 降水量極少，且多為無效降水;年均溫17.6 ～18.3 ℃，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，多年蒸發(fā)量1 483.5 mm，土壤為石灰性紫色土，水土流失嚴(yán)重，土理化性質(zhì)差(＞0.01 mm 粒級占75%左右;0.01～0.001 mm 粒級:10.5%左右;＜0.001 mm:8.5%左右. pH 值:8. 0 ～8. 4;土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter，SOM):9.3 ～13.7 g/kg;P2O5:36.9 ～45.8 mg/kg;K2O:18.4 ～37.5 mg/kg). 植被主要有狗尾草(Setaria viridis)、牡荊(Vitex negundo var. cannabifolia)、刺槐(Robinia pseudoacacia)與苦楝(Melia azedarach)等，在下坡零星有喬木和灌木，地形支離破碎，為該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了條件.

2 研究方法

2.1 微地形的界定

與原狀坡(CK)進(jìn)行比較，在衡陽紫色土丘陵坡地由于地表徑流的作用，造成土壤含水量和地上植被的差異，從而形成以下幾種微地形形式.

(1)淺溝(Ⅰ):侵蝕發(fā)生的初期階段，橫斷面寬、淺，多為槽形;

(2)切溝(Ⅱ):是Ⅰ的長、寬和深的縱深發(fā)展，橫斷面多為“V”形;

(3)塌陷(Ⅲ):在切溝形成前的“U”形坑;

(4)緩臺(Ⅳ):在坡面的局部范圍內(nèi)形成一個明顯的平緩臺地，坡度較小(一般小于15°)，明顯小于原狀坡的坡度;

(5)陡坎(Ⅴ):與緩臺基本相反，坡度較大(一般大于45°)，明顯大于原坡形的坡度.

2.2 數(shù)據(jù)測定

經(jīng)充分調(diào)查，實(shí)驗(yàn)地設(shè)置在衡南縣譚子山鎮(zhèn)宋橋村，該村經(jīng)過多年的封育，植被、坡度、坡向等生態(tài)因子基本一致.取樣時間選擇在7月初，因?yàn)樵谠摃r間地上生物量最大，降水較少，土壤水分較穩(wěn)定.

在實(shí)驗(yàn)地的中下部設(shè)置20 m×20 m 的樣方，且在其四角的中心分別設(shè)置5個1 m×1 m 的小樣方，0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm 土層土壤水分用烘干法測定，植物地上生物用稱量法測定，所有數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值.

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 微地形土壤水分的變異系數(shù)

2.3.2 土壤水分的差異顯著性檢驗(yàn)

采用SPSS13.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，各微地形的土壤水分進(jìn)行兩兩配對的Wilcoxon 秩檢驗(yàn)，其中:P ＜0.05 表明兩兩配對的兩組數(shù)據(jù)間存在顯著差異，P ＜0.01 表明兩兩配對的兩組數(shù)據(jù)間存在極顯著差異.

3 結(jié)果與分析

3.1 微地形的水分特征分析

3.1.1 不同微地形的土壤水分差異性

利用SPSS13.0 對各微地形的土壤水分進(jìn)行兩兩配對的Wilcoxon 秩檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1.

由(表1)可知，原狀坡(CK)的土壤含水量與切溝(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、緩臺(Ⅳ)與陡坎(Ⅴ)含水量的差 異 性 分 別 為0. 027*、0. 005＊＊、0. 018*和0.044*(*P ＜0.05;＊＊P ＜0.01)，而與淺溝(Ⅰ)的土壤含水量的差異性為0.110(P ＞0.05)，因此在進(jìn)行植被恢復(fù)時，原狀坡(CK)與淺溝(Ⅰ)可采用基本相似的植被恢復(fù)模式;另外，對淺溝(Ⅰ)、切溝(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、緩臺(Ⅳ)與陡坎(Ⅴ)這5 種微地形的土壤含水量進(jìn)行比較，除切溝(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)(0.109)，切溝(Ⅱ)～緩臺(Ⅳ)(0. 973)和緩臺(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)(0.339)的土壤含水量的差異沒達(dá)到顯著水平外(P ＞0.05)，說明切溝(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)、切溝(Ⅱ)～緩臺(Ⅳ)和緩臺(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)之間可配置相同或相似的植被恢復(fù)模式，其余兩兩之間的土壤含水量的差異達(dá)顯著或極顯著水平(P ＜0.05 或P ＜0.01)，因此，它們兩兩之間應(yīng)配置不同的植被恢復(fù)模式［15，16］.

表1 土壤水分的差異性檢驗(yàn)Tab.1 Difference test of soil water content

3.1.2 不同微地形土壤的含水量

研究表明(見表2)，在微地形相同的情況下，原狀坡(CK)的土壤含水量隨著土層深度的增加而顯著減小(P ＜0.05)，20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層含水量只有0 ～20 cm 土層含水量的89. 10% 和79.56%;淺溝(Ⅰ)與切溝(Ⅱ)的0 ～20 cm 土層含水量顯著高于20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層含水量(P ＜0.05);塌陷(Ⅲ)的土層含水量的大小順序?yàn)?含水量(Ⅲ，20 ～40 cm)＞含水量(Ⅲ，40 ～60 cm)＞含水量(Ⅲ，0 ～20 cm)(P ＜0.05);緩臺(Ⅳ)的0 ～20 cm 土層含水量最低，達(dá)顯著水平(P ＜0.05);陡坎(Ⅴ)20 ～40 cm 的土層含水量顯著低于0 ～20 cm 和40 ～60 cm 土層含水量(P ＜0.05).

表2 不同類型微地形土壤水分(%)Tab.2 Soil water content in different microrelief(%)

在土層相同的情況下，0 ～20 cm 土層，各微地形土壤含水量的大小順序?yàn)?切溝(Ⅱ)(12.78%)＞塌陷(Ⅲ)(11.81%)＞淺溝(Ⅰ)(11.51%)＞緩臺(Ⅳ)(11.08%)＞原狀坡(CK)(11.01%)＞陡坎(Ⅴ)(8.63%)(P ＜0.05);20 ～40 cm 土層，塌陷(Ⅲ)(14.41%)＞緩臺(Ⅳ)(12.81%)＞切溝(Ⅱ)(11.58%)＞原狀坡(CK)(9. 81%)＞淺溝(Ⅰ)(9.71%)＞陡坎(Ⅴ)(7.72%)(P ＜0.05);40 ～60 cm 土層，塌陷(Ⅲ)(13. 74%)＞緩臺(Ⅳ)(12.94%)＞切溝(Ⅱ)(11. 74%)＞淺溝(Ⅰ)(9.69%)＞原狀坡(CK)(8. 76%)＞陡坎(Ⅴ)(8.31%)(P ＜0. 05);0 ～60 cm 土層，塌陷(Ⅲ)(13. 32%)＞緩臺(Ⅳ)(12. 28%)＞淺溝(Ⅰ)(10.30%)＞切溝(Ⅱ)(12.03%)＞原狀坡(CK)(9.53%)＞陡坎(Ⅴ)(8.22%)(P ＜0.05)［17-18］.

3.1.3 不同微地形的土壤水分的變異系數(shù)

研究表明(見表3)，在微地形相同的情況下，隨著土層深度的增加，各微地形土壤水分的變異系數(shù)顯著減小(P ＜0.05)，原狀坡(CK)的20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層含水量的變異系數(shù)分別只有0 ～20 cm 土層含水量變異系數(shù)的97.32%和37.05%;淺溝(Ⅰ):93.14%和73.53%;切溝(Ⅱ):77.47%和49.15%;塌陷(Ⅲ):96.95%和73.10%;緩臺(Ⅳ):66.12%和57.44%;陡坎(Ⅴ):71.21%和59.44%.

表3 不同微地形土壤含水量的變異系數(shù)(%)Tab.3 Variation coefficient of soil water content in different microrelief(%)

在土層相同的情況下，0 ～20 cm 土層，不同微地形的土壤含水量孌異系數(shù)的大小順序?yàn)?陡坎(Ⅴ)(32.3%)＞切溝(Ⅱ)(29.3%)＞緩臺(Ⅳ)(24. 2%)＞原狀坡(CK)(22. 4%)＞淺溝(Ⅰ)(20.4%)＞塌陷(Ⅲ)(19.7%)(P ＜0.05);20 ～40 cm 土層，陡坎(Ⅴ)(23.0%)＞切溝(Ⅱ)(22.7%)＞原狀坡(CK)(21.8%)＞塌陷(Ⅲ)(19.1%)＞淺溝(Ⅰ)(19. 0%)＞緩臺(Ⅳ)(16. 0%)(P ＜0.05);40 ～60 cm 土層，陡坎(Ⅴ)(19.2%)＞淺溝(Ⅰ)(15.0%)＞切溝(Ⅱ)(14.4%)≈塌陷(Ⅲ)(14. 4%)＞緩臺(Ⅳ)(13. 9%)＞原狀坡(CK)(8.3%)(P ＜0. 05);0 ～60 cm 土層，陡坎(Ⅴ)(26. 0%)＞緩臺(Ⅳ)(25. 9%)＞原狀坡(CK)(24. 9%)＞切溝(Ⅱ)(20. 7%)＞塌陷(Ⅲ)(18.0%)＞淺溝(Ⅰ)(15.1%)(P ＜0.05).

3.2 微地形的生物量特征分析

研究表明(見表4)，不同微地形的生物量的大小順序?yàn)?塌陷(Ⅲ)(263. 82 g/m2)＞切溝(Ⅱ)(254.29 g/m2)＞淺溝(Ⅰ)(238.67 g/m2)＞原狀坡(CK)(193.61 g/m2)＞緩臺(Ⅳ)(154.86 g/m2)＞陡坎(Ⅴ)(122.35 g/m2)(P ＜0.05)，塌陷(Ⅲ)、切溝(Ⅱ)、淺溝(Ⅰ)、原狀坡(CK)和緩臺(Ⅳ)生物量分別為陡坎(Ⅴ)生物量的2.16 倍、2.08 倍、1.95 倍、1.58 倍和1.27 倍.

表4 不同微地形的生物量特征/(g/m2)Tab.4 The biomass in different microrelief

圖1 表明，微地形生物量與0 ～60 cm 土壤水分的變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，擬合方程為y = －0.006x +35.30(＊＊R2=0.690 =0.690)，筆者認(rèn)為，原因有二，一方面，由于隨著植被的恢復(fù)，蓋度的增加，從而可減小土壤水分的蒸發(fā);另一方面，隨著土層深度的增加，表層土壤直接暴露于表面，蒸發(fā)快，受周邊環(huán)境因子的影響大，土壤水分的變異系數(shù)較大，深層土壤含水量高，周邊環(huán)境因子對其影響小，土壤含水量高且相對穩(wěn)定，變異系數(shù)?。?9-24］.

圖1 微地形生物量與土壤水分變異系數(shù)的相關(guān)性Fig.1 Correlation between biomass between Variation coefficient of soil water content in different microrelief

4 結(jié) 論

(1)通過對原狀坡(CK)、淺溝(Ⅰ)、切溝(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、緩臺(Ⅳ)和陡坎(Ⅴ)兩兩配對的Wilcoxon 秩檢驗(yàn)，除原狀坡(CK)～淺溝(Ⅰ)(0.110)、切溝(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)(0. 109)、切溝(Ⅱ)～緩臺(Ⅳ)(0.973)和緩臺(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)(0.339)的相關(guān)性不顯著外，其余兩兩配對的相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著正相關(guān)(P ＜0. 05 或P ＜0.01);

(2)6 種微地形中，從土層(0 ～20 cm)→土層(20 ～40 cm)→土層(40 ～60 cm)，土壤含水量顯著減小(P ＜0.05).0 ～60 cm 土層，各微地形土壤含水量的大小順序?yàn)?塌陷(Ⅲ)(13.32%)＞緩臺(Ⅳ)(12. 28%)＞淺溝(Ⅰ)(10. 30%)＞切溝(Ⅱ)(12.03%)＞原狀坡(CK)(9. 53%)＞陡坎(Ⅴ)(8.22%)(P ＜0.05);

(3)6 種微地形中，從土層(0 ～20 cm)→土層(20 ～40 cm)→土層(40 ～60 cm)，土壤水分的變異系數(shù)顯著減小(P ＜0.05).0 ～60 cm 土層，各微地形土壤水分變異系數(shù)的大小順序?yàn)?陡坎(Ⅴ)(26.0%)＞緩臺(Ⅳ)(25. 9%)＞原狀坡(CK)(24. 9%)＞切溝(Ⅱ)(20. 7%)＞塌陷(Ⅲ)(18.0%)＞淺溝(Ⅰ)(15.1%)(P ＜0.05);

(4)不同微地形的生物量的大小順序?yàn)?塌陷(Ⅲ)(263.82 g/m2)＞切溝(Ⅱ)(254.29 g/m2)＞淺溝(Ⅰ)(238.67 g/m2)＞原狀坡(CK)(193. 61 g/m2)＞緩臺(Ⅳ)(154. 86 g/m2)＞陡坎(Ⅴ)(122.35 g/m2)(P ＜0.05)，微地形生物量與0 ～60 cm 土壤水分的變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)(y = －0.006x +35.30，＊＊R2=0.690 =0.690).

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