干熱河谷沖溝侵蝕劣地不同坡位草被生長和土壤水分關系研究

張寶軍，熊東紅，郭 敏，董一帆，蘇正安，楊 丹，史亮濤

（1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都610041；2.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都610041；3.中國科學院大學，北京100049；4.云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀651300）

地形、水分和植被之間的相互關系一直是生態(tài)學和地理學領域關注的重點。不同地形因子的相互組合控制著太陽輻射和土壤水分變化，進而決定植被生長分布及其多樣性［1］，相反，植被生長又會影響土壤水分特征［2］，減小地表徑流侵蝕速率［3］，起到穩(wěn)定地形的作用。侵蝕劣地是干旱半干旱區(qū)強烈侵蝕活動和人類活動共同作用下形成的一種典型地貌景觀［4］，其生境條件惡劣，植被生長困難。國外學者針對侵蝕劣地展開的研究較多［5］，過去主要集中于控制因素、侵蝕速率、形態(tài)發(fā)育及模型研究等方面［6－8］，近年來針對侵蝕劣地“地形－水分－植被”之間相互關系的研究逐漸增多［9－10］。國內(nèi)針對侵蝕劣地的研究相對較少，且已有研究主要集中于侵蝕劣地的形成過程、生態(tài)恢復和治理效果評價等方面［11－12］，而針對侵蝕劣地水分、植被相互關系的研究還鮮有報道。

金沙江干熱河谷區(qū)是我國西南部特殊的脆弱生態(tài)環(huán)境類型區(qū)，由于巖性松散、水熱條件極不均衡等特征，該區(qū)沖溝極為發(fā)育，水土流失嚴重［13］，形成大量侵蝕劣地。而侵蝕劣地區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙活動極為劇烈，立地條件差，是植被恢復最困難的地帶。目前，針對干熱河谷區(qū)沖溝與侵蝕劣地的研究主要集中于形態(tài)發(fā)育、侵蝕速率和動力過程等方面［14－15］，部分學者針對該區(qū)域“小流域尺度”上“地形－植被”關系展開過一定研究［16－17］，但針對侵蝕劣地“坡面尺度”上水分與植被關系的研究還鮮有報道。本研究擬通過對干熱河谷區(qū)典型沖溝發(fā)育下形成的侵蝕劣地不同坡位草被生長特征的野外調(diào)查和土壤水分狀況的動態(tài)監(jiān)測，對侵蝕劣地“坡位－土壤水分－草被生長”之間相互關系展開初步研究，以闡明坡位對土壤水分和草被生長的影響機理，旨在為沖溝侵蝕劣地的植被恢復實踐提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南元謀干熱河谷（101°35′－102°06′E，25°23′－26°06′N），該區(qū)屬南亞熱帶季風氣候，具有“炎熱干燥、降水集中、干濕季分明”的氣候特征，年均氣溫21.9 ℃，年降水量615.1 mm，降水主要集中于6－10 月，占年降水量的90%，年蒸發(fā)量高達3 911.2 mm，約為年降水量的6.4倍，年均干燥度為2.8；土壤類型主要以燥紅土和變性土為主。該區(qū)沖溝極為發(fā)育，水土流失嚴重，土壤侵蝕模數(shù)高達1.64×104t·k m－2·a－1，溝壑密度為3.0～5.0 k m·k m－2，形成大量侵蝕劣地（圖1）。侵蝕劣地土壤退化嚴重，土層貧瘠且易板結(jié)，水熱條件變化劇烈，生境條件極為惡劣，導致植被難以生長，覆蓋度低，是金沙江干熱河谷植被恢復的困難區(qū)域［18］。侵蝕劣地植被主要以草被為主，優(yōu)勢草本植物有扭黃茅（Heteropogon contortus）、孔穎草（Bothriochloa pertusa）和尾稃草（Urochloa reptans）等。

2 研究方法

2.1 樣品采集及處理

2.1.1 調(diào)查樣地選擇 本研究選擇在中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所與云南省農(nóng)業(yè)科學院合建的干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站（以下簡稱“元謀站”）內(nèi)進行。于2014年8月初草被生長旺盛期，隨機選擇了元謀站區(qū)附近沖溝侵蝕劣地區(qū)域內(nèi)（圖1）的9個不同斜坡進行了野外調(diào)查，調(diào)查包括各斜坡不同坡位的草被生長特征及其中6個斜坡土壤水分狀況的動態(tài)變化，并對9個斜坡各坡位微地形特征進行了調(diào)查（表1）。

2.1.2 草被生長狀況調(diào)查 各坡位草被生長狀況包括草被覆蓋度和地上生物量，采用樣方法進行調(diào)查。每個斜坡根據(jù)皮尺測量，分別在坡上部、坡中部和坡下部3個部位采用樣方框（網(wǎng)格大小10 c m×10 c m）隨機布設1個1 m×1 m 的草被樣方。調(diào)查每個樣方內(nèi)出現(xiàn)的草被物種、蓋度，并將每個樣方內(nèi)草被地上部分齊地面刈割，及時稱量鮮重并記錄，然后在80 ℃下烘干至恒重，測其干重。

表1 9個調(diào)查斜坡的微地形特征Table 1 Micro－topogr aphic features of 9 surveyed sample slopes

2.1.3 土壤含水量動態(tài)監(jiān)測 在對樣方進行調(diào)查時，采用TDR 便攜式水分測量儀測定各個樣方內(nèi)土壤水分實時含量，分別測量3次取平均值。2014年8月1日降雨后，于8月3日開始對6個斜坡不同坡位土壤水分含量動態(tài)變化進行連續(xù)監(jiān)測，每天固定時間段在樣方周圍隨機采集表層土樣（0－5 c m），采用烘干稱重法測定土壤含水量，監(jiān)測時長為7 d（兩次降雨之間）。

2.1.4 土壤基本理化性質(zhì)測定 選擇了9個斜坡中兩個典型斜坡，采集各坡位表層土樣，測定各坡位土壤基本理化性質(zhì)，其中土壤機械組成測定采用吸管法，有機質(zhì)含量測定采用元素分析儀法，土壤容重測定采用環(huán)刀法，總孔隙度測定基于土壤容重和密度（2.65 g·c m－3）計算。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 和SPSS 17.0軟件對野外調(diào)查及水分監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，包括描述性統(tǒng)計分析、單因素方差分析、LSD 檢驗（差異顯著性檢驗）和Pearson相關性分析等；并利用Origin 8.0軟件繪制相關分析圖形。

標準差和變異系數(shù)可以反映數(shù)據(jù)間的離散程度，一般認為，變異系數(shù)CV ＜0.1為弱變異，CV 在0.1－1.0之間為中等變異，CV＞1.0為強變異［19］；單因素方差分析和LSD 顯著性檢驗可以反映出不同坡位草被生長差異程度；Pearson 相關系數(shù)可以反映出侵蝕劣地土壤水分和草被生長的相關關系。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)

調(diào)查區(qū)內(nèi)侵蝕劣地各坡位土壤基本理化性質(zhì)如表2所示。調(diào)查區(qū)域侵蝕劣地土壤以變性土為主，粘粒含量達50%以上，具有較強脹縮性［18］，干旱條件下土體開裂現(xiàn)象嚴重，加劇土壤水分的蒸發(fā)散失［20］，加上有機質(zhì)含量低，導致該侵蝕劣地區(qū)域植被生長困難。

表2 侵蝕劣地各坡位土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical－chemical properties of soil under different badland positions

3.2 不同坡位草被的生長狀況

干熱河谷區(qū)沖溝侵蝕劣地地形條件復雜，草被分布和生長表現(xiàn)出一定空間異質(zhì)性。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)（表3），同一斜坡不同坡位草被覆蓋度從坡上部至坡下部表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，且坡下部明顯高于坡上部和坡中部。其中，坡上部平均草被覆蓋度約為3%，坡中部平均覆蓋度約為14%，而坡下部平均覆蓋度約為67%。通過統(tǒng)計分析可知，坡上部和坡中部草被覆蓋度之間差異顯著（P＜0.05），而坡下部和坡上部、坡中部這兩個部位之間草被覆蓋度差異極顯著（P＜0.01）。此外，3種坡位草被覆蓋度的變異系數(shù)在0.16～0.93，均屬于中等程度變異，說明同一坡位的草被覆蓋度在不同斜坡之間也存在著較大差異。

不同坡位草被生物量大小表現(xiàn)出與草被覆蓋度相似的規(guī)律，同樣表現(xiàn)為從坡上部至坡下部逐漸增加的趨勢，即坡上部＜坡中部＜坡下部（表3）。其中，坡上部地上生物量在0.20～12.54 g·m－2之間，平均生物量為4.60 g·m－2，坡中部生物量在3.93～38.55 g·m－2之間，平均生物量為22.00 g·m－2，坡下部生物量在30.84～141.59 g·m－2之間，平均生物量為84.94 g·m－2。單因素方差分析中的多重比較表明，坡上部和坡中部之間草被生物量均值無顯著差異（P＞0.05），而坡下部和坡上部、坡中部之間草被生物量均差異極顯著（P＜0.01）。同樣，相同坡位草被生物量在不同斜坡之間也存在中等程度變異，其中坡上部相對差異最大（CV＝0.98），坡下部相對差異最?。–V＝0.36）。

表3 不同坡位草被覆蓋度和生物量Table 3 Coverage and aboveground biomass of grass under different slope positions

3.3 不同坡位土壤水分動態(tài)變化

根據(jù)元謀站氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，2014年8月1日降雨量達到22.6 mm，且降雨后測得坡上部和坡中部平均土壤含水量為30%，坡下部平均土壤含水量為32%，變異系數(shù)僅為0.04，屬于弱變異，可認為3個坡位土壤初始含水量基本一致（圖2）?？梢钥闯?，各斜坡不同坡位土壤含水量隨時間延長均呈現(xiàn)遞減趨勢，且同一監(jiān)測時段不同坡位土壤水分含量也存在差異。通過對不同坡位土壤水分含量在整個監(jiān)測時段內(nèi)均值的擬合，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)擬合效果較好（R2＞0.90），說明不同坡位土壤水分含量隨時間變化均大致呈指數(shù)遞減趨勢。為比較3個坡位之間水分衰減速率差異，將初次監(jiān)測時段設置為0，并選擇相同系數(shù)（a＝0.3）進行指數(shù)函數(shù)擬合，即默認初始含水量均為30%，則系數(shù)b絕對值越大，說明土壤水分衰減越快。各坡位土壤含水量隨時間變化擬合關 系 式 分 別 為：坡 上 部y ＝0.30e－0.189x（R2＝0.914 3），坡中部y＝0.30e－0.174x（R2＝0.903 7），坡下部y＝0.30e－0.131x（R2＝0.923 5），系數(shù)b絕對值大小依次為：坡上部＞坡中部＞坡下部，即相同降雨條件下，坡上部土壤水分隨時間變化衰減最快，坡下部土壤水分衰減最慢，衰減速率不同逐漸導致不同坡位土壤水分產(chǎn)生差異。監(jiān)測兩天后，同一監(jiān)測時段不同坡位土壤含水量大小，表現(xiàn)為與水分衰減速率相反的順序：坡上部＜坡中部＜坡下部（圖2）。

3.4 草被生長和土壤水分關系

調(diào)查的6個斜坡各坡位土壤水分指標與對應坡位的草被生長狀況之間進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)土壤水分狀況與草被生長特征之間存在顯著正相關關系（圖3，圖4）。6個斜坡的不同坡位，整個監(jiān)測時段內(nèi)的土壤水分平均含量與草被覆蓋度和生物量之間的Pearson相關系數(shù)分別為0.790 和0.708，均在0.01水平上顯著正相關（圖3）。而且，監(jiān)測時段內(nèi)的末次土壤水分含量與草被生長狀況之間的Pearson相關系數(shù)分別為0.765和0.708，同樣也在0.01水平上顯著正相關（圖4）。此外，根據(jù)樣方調(diào)查時利用TDR 水分測量儀實時測定的土壤水分含量，與樣方內(nèi)草被生長狀況進行相關性分析，得出土壤含水量與草被覆蓋度和生物量的Pearson相關系數(shù)分別為0.830和0.735，也均在0.01水平上顯著正相關。各土壤水分指標與草被生長特征之間均具有較好的相關性，說明干熱河谷侵蝕劣地不同坡位下，土壤水分差異是影響草被分布和生物量的主要限制因素。

4 討論與結(jié)論

干旱或者半干旱地區(qū)，土壤水分對植被分布和生物量至關重要［21］，甚至對植被生長和分布具有決定作用。在小流域或坡面尺度上，土壤水分和植被生長的空間分布常受微地形控制［16，22］，例如陽坡由于受到更多的太陽輻射，導致土壤水分一般低于陰坡［23］；坡度較緩處土壤水分含量相對較高，植被生長相對較好等［17］。而坡位作為重要的微地形特征，對土壤水分和草被的分布也有重要影響［24－25］。

圖2 不同坡位土壤水分含量動態(tài)變化及其均值比較Fig.2 Dynamic variation and mean comparison of soil moisture in different slope positions

圖3 土壤水分平均含量與草被生長相關性Fig.3 Correlativity of aver age soil moisture content and grass gr owth

圖4 末次土壤水分含量與草被生長相關性Fig.4 Correlativity of final soil moisture content and grass growth

干熱河谷區(qū)由于沖溝侵蝕發(fā)育形成大量侵蝕劣地，該區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙活動劇烈，立地條件差，成為植被恢復實踐最困難的地帶。本文研究了干熱河谷區(qū)沖溝侵蝕劣地不同坡位草被的生長狀況，發(fā)現(xiàn)侵蝕劣地不同坡位草被生長差異極大，草被蓋度和地上生物量大小順序均表現(xiàn)為：坡上部＜坡中部＜坡下部，且坡下部草被生長狀況（草被覆蓋度、地上生物量）與坡上部和坡中部之間均存在顯著差異，坡上部與坡中部之間草被覆蓋度存在顯著差異，但其生物量之間差異不顯著。此外，對于不同斜坡之間，相同坡位的草被生長狀況也表現(xiàn)出一定差異，這說明該區(qū)域草被生長不僅受坡位因素影響，還可能與同一坡位其他微地形差異有關系，具體原因有待進一步研究。

坡面微地形差異往往使降水再分配，導致土壤水分的空間差異［22］，一般坡下部位土壤水分條件要優(yōu)于其他部位［24］。為明確干熱河谷侵蝕劣地區(qū)不同坡位土壤水分之間的這種差異及其隨時間的變化規(guī)律，選擇兩次降雨之間，研究了侵蝕劣地不同坡位間土壤水分差異及其動態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)，相同降雨狀況下，坡上部、坡中部、坡下部3個坡位土壤初始水分含量相近，約為30%，但隨著監(jiān)測時段的進行，3個坡位土壤含水量以不同速率均呈現(xiàn)指數(shù)遞減趨勢，且衰減速率表現(xiàn)為：坡下部＜坡中部＜坡上部，即坡上部土壤水分衰減最快，坡下部土壤水分衰減最慢，導致各坡位土壤含水量逐漸產(chǎn)生差異，說明在干熱河谷侵蝕劣地區(qū)域，坡位條件對表層土壤水分的變化影響顯著。

由本研究結(jié)果可知，不同坡位條件下，土壤水分狀況和草被生長特征均表現(xiàn)出一定的差異性，也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。因此，對侵蝕劣地不同坡位條件下土壤水分狀況和草被生長特征之間的關系進行了研究。侵蝕劣地不同坡位條件下，土壤水分與草被生長之間存在著顯著正相關關系。整個監(jiān)測時段內(nèi)的土壤平均含水量、末次土壤含水量，與草被覆蓋度和生物量之間均具有極顯著的相關性（P ＜0.01）。這說明干熱河谷沖溝侵蝕劣地因坡位條件造成的土壤水分差異，是限制草被生長和分布的關鍵因素。

雖然以上結(jié)果表明，坡位條件對該區(qū)域草被和土壤水分的空間分布影響顯著，但顯然不是唯一因素。本研究中也發(fā)現(xiàn)，在相同坡位條件下，不同斜坡之間草被生長和土壤水分也存在一定差異，說明除坡位因素外，其他微地形特征也會影響該區(qū)域草被和土壤水分的空間分布，本研究對此沒有進行深入探討。因此，坡向、坡度、海拔高度等微地形特征，對該區(qū)域土壤水分和草被生長分布的影響機制，將會是下一步研究的重點。而且，在坡面尺度上，查明各種不同微地形特征下土壤水分和草被生長的空間分布規(guī)律，對指導坡面尺度上的植被恢復實踐具有重要的理論意義。

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