衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)階段地上生物量季節(jié)變化及其與土壤水分的關(guān)系

張曙 楊斌

摘要通過(guò)野外定點(diǎn)跟蹤觀察，采用空間序列代替時(shí)間序列的方法，對(duì)衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)階段地上生物量季節(jié)變化及其與土壤水分的關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明：5～9月，狗尾草群落（Ⅰ）、狗尾草-牡荊群落（Ⅱ）、牡荊+紫薇群落（Ⅲ）和楓香群落（Ⅳ）4個(gè)恢復(fù)階段地上生物量變化呈“n”型變化特征，其差異達(dá)顯著水平（P<0.05），8月最大，5月最??；4個(gè)恢復(fù)階段0～50、50～100和100～200 cm各土層土壤含水量隨季節(jié)的變化規(guī)律具有“n”型的變化特征，與降雨量具有同源性，6月最大，9月最小，同一土層的不同恢復(fù)間以及同一恢復(fù)階段的不同土層間土壤含水量的變化差異顯著（P<0.05），土層（0～50 cm）含水量與水分變異系數(shù)最大，土層（50～100 cm）土壤含水量與變異系數(shù)次之，土層（100～200 cm）含水量與水分變異系數(shù)最小，其差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；土壤水分與地上生物量的相關(guān)分析表明，隨著土層深度的增加，土壤水分對(duì)植物地上生物量的影響逐漸減弱。在不同恢復(fù)階段，土壤水分與植物地上生物量的關(guān)系存在差異，因此，在植被恢復(fù)過(guò)程中，要因地制宜選擇植物種類，以加速該區(qū)域的植被恢復(fù)。

關(guān)鍵詞植被恢復(fù)；地上生物量；土壤水分；季節(jié)變化；紫色土；衡陽(yáng)

中圖分類號(hào)S152.7；S714.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）21-111-03

衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地位于湖南省中南部。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，季節(jié)性干旱突出，水土流失嚴(yán)重，加上紫色土耐旱性差，養(yǎng)分含量不協(xié)調(diào)（缺N，而P和K豐富），紫色土本身不耐侵蝕，在植被遭到破壞后其表土很快被流失，基巖裸露。該區(qū)域是我國(guó)南方水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是我國(guó)最具代表性的生態(tài)災(zāi)難區(qū)。植被恢復(fù)十分困難，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到很大的制約，甚至影響到人們的生存，因此，該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)亟待修復(fù)。植物作為生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換的樞紐，其生物量是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來(lái)源。土壤水分是制約該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵的生態(tài)因子之一，但以往多集中于土壤水分的靜態(tài)或單方面的研究，對(duì)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化及其與生物量的耦合關(guān)系鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，筆者采用“空間序列代替時(shí)間序列”的方法，對(duì)不同恢復(fù)階段植物群落的地上生物量變化動(dòng)態(tài)、土壤水分變化動(dòng)態(tài)以及二者之間的耦合關(guān)系進(jìn)行較系統(tǒng)的研究，以期為該區(qū)域的植被恢復(fù)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)位于衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地典型區(qū)域衡南縣譚子山鎮(zhèn)，112°16′40″～112°26′29″ E，27°25′40″～27°43′53″ N，海拔78～214 m，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均溫17.8 ℃（7月最熱，平均氣溫為36.8 ℃，極端最高溫420 ℃；次年1月最冷，平均氣溫為1～3 ℃，極端最低溫-7.5 ℃），多年來(lái)平均降水量1 280 mm，蒸發(fā)量1 432.9 mm，降水量年際變化大且年內(nèi)變化不均勻，降雨多集中于5～7月份（約占全年的一半左右），且多以暴雨形式出現(xiàn)，易造成水土流失，9～11月份降雨量很少，常有伏旱發(fā)生，嚴(yán)重影響區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.2樣地調(diào)查與采樣

結(jié)合當(dāng)?shù)赜涊d資料，經(jīng)充分踐踏，選擇同一河谷地帶的半陽(yáng)坡上坡度、海拔以及裸巖率等生態(tài)因子大致相似的坡中下部沿等高線有代表性的樣地（表1）。樣地植被調(diào)查于2013年5～9月進(jìn)行，每月1次。樣地植被調(diào)查方法與地上生物量的測(cè)定參考文獻(xiàn)[11-12]進(jìn)行。土壤含水量的測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[8]。降雨資料由衡陽(yáng)市氣象局提供。

1.3數(shù)據(jù)分析

利用SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用one-way ANOVA法和DMRT法進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），采用Pearson分析法進(jìn)行相關(guān)分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同恢復(fù)階段地上生物量變化動(dòng)態(tài)

表2表明，4個(gè)恢復(fù)階段植物地上生物量季節(jié)變化的大小順序分別為8月地上生物量（Ⅰ）>9月地上生物量（Ⅰ）>7月地上生物量（Ⅰ）>6月地上生物量（Ⅰ）>5月地上生物量（Ⅰ）（P<005）；8月地上生物量（Ⅱ）>7月地上生物量（Ⅱ）>6月地上生物量（Ⅱ）>9月地上生物量（Ⅱ）>5月地上生物量（Ⅱ）（P<0.05），8月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>7月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>9月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>6月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>5月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）（P<0.05）。由此可知，5～9月，在4個(gè)恢復(fù)階段地上生物量變化規(guī)律具有“n”型變化特征，8月最大，5月最小，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4個(gè)恢復(fù)階段8月份生物量分別為5月份生物量的4.50倍、2.47倍、10.80倍和4.46倍。 另外，4個(gè)恢復(fù)階段地上生物總量的大小順序?yàn)樯锟偭浚á螅?生物總量（Ⅳ）>生物總量（Ⅱ）>生物總量（Ⅰ）（P<005），其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ 3個(gè)恢復(fù)階段地上生物總量分別只有恢復(fù)階段Ⅲ的3.57%、5.54%和92.17%。

2.2不同恢復(fù)階段土壤水分季節(jié)變化

表3表明，5～9月，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4個(gè)恢復(fù)階段0～50、50～100和100～200 cm各土層土壤含水量的變化規(guī)律與地上生物量的變化規(guī)律相似，呈現(xiàn)“n”的變化特征，同一土層的不同恢復(fù)間以及同一恢復(fù)階段的不同土層間土壤含水量的變化差異顯著（P<0.05），“峰值”均出現(xiàn)于6月份，“谷值”均出現(xiàn)于9月份。在恢復(fù)階段Ⅰ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分別是“谷值”的1.74倍、1.64倍和1.55倍；在恢復(fù)階段Ⅱ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分別是“谷值”的1.78倍、1.60倍和1.63倍；在恢復(fù)階段Ⅲ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分別是“谷值”的1.91倍、1.67倍和1.57倍；在恢復(fù)階段Ⅳ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分別是“谷值”的1.99倍、1.69倍和1.64倍。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4 個(gè)恢復(fù)階段0～50、50～100和100～200 cm各土層土壤水分的變異系數(shù)的變化規(guī)律是同一土層隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行和相同恢復(fù)階段隨著土壤深度的增加土壤水分的變異系數(shù)均顯著減?。≒<0.05）。在0～50 cm土層，Ⅰ土壤水分的變異系數(shù)分別為Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的1.12倍、1.22倍和1.37倍；在50～100 cm土層，Ⅰ土壤水分的變異系數(shù)分別為Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的1.10倍、1.15倍和1.26倍；在100～200 cm土層，Ⅰ土壤水分的變異系數(shù)分別為Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的1.27倍、1.47倍和1.69倍。在恢復(fù)階段Ⅰ，50～100和100～200 cm土層的土壤水分的變異系數(shù)分別為0～50 cm的7465%和54.61%；在恢復(fù)階段Ⅱ，50～100和100～200 cm土層的土壤水分的變異系數(shù)分別為0～50 cm的75.73%和48.19%；在恢復(fù)階段Ⅲ，50～100和100～200 cm土層的土壤水分的變異系數(shù)分別為0～50 cm的78.91%和79.95%；在恢復(fù)階段Ⅳ，50～100和100～200 cm土層的土壤水分的變異系數(shù)分別為0～50 cm的81.50%和44.35%。

2.3地上生物量與土壤水分的相互關(guān)系

表4表明，在0～50 cm土層，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4個(gè)恢復(fù)階段植物地上生物量與土壤水分呈極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01或P<0.05）；在50～100 cm土層，4個(gè)恢復(fù)階段植物地上生物量與土壤水分的相關(guān)系數(shù)分別為0.800、0.557、-0.600和-0.604；而在100～200 cm土層，各恢復(fù)階段植物地上生物量與土壤水分之間的關(guān)系沒(méi)有達(dá)到顯著水平（P>0.05）。該研究結(jié)果表明，隨著土層深度的增加，土壤水分對(duì)植物地上生物量的影響逐漸減弱。

3結(jié)論與討論

（1）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4個(gè)恢復(fù)階段植物地上生物量隨生長(zhǎng)季節(jié)的變化規(guī)律均具有“n”型變化特征。植物地上生物量主要受有效積溫的限制。在5月上旬，剛從春季進(jìn)入初夏，有效積累較低，大多植物地上部分處于萌發(fā)的起始狀態(tài)，生長(zhǎng)較緩慢，地上生物量最低；8月，有效積溫最高，植物生長(zhǎng)最迅速，物質(zhì)積累最大，地上生物量最大；9月，大多植物進(jìn)入果后期，植物的部分營(yíng)養(yǎng)開(kāi)始下移，為翌年的植物萌發(fā)積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物地上生物量開(kāi)始下降。該研究結(jié)果符合“Logitic”方程生長(zhǎng)規(guī)律。這與黃德清等的研究結(jié)果基本一致。另外，4個(gè)恢復(fù)階段以Ⅲ的地上生物總量最大，實(shí)質(zhì)Ⅲ的整個(gè)恢復(fù)階段的一個(gè)生態(tài)過(guò)渡階段。該研究結(jié)果豐富了邊際效應(yīng)的內(nèi)容。

（2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4個(gè)恢復(fù)階段的土壤水分隨季節(jié)的變化規(guī)律與植物地上生物量隨生長(zhǎng)季節(jié)的變化規(guī)律相似，同樣具有“n”型變化特征，與降水在形成上具有同源性。5月氣溫回升，植物處于生長(zhǎng)萌發(fā)狀態(tài)，土壤水分消耗大，水分含量較低；6月雖然植物處于快速生長(zhǎng)期（耗水最大），但此時(shí)湖南處于降水高峰期，因此此時(shí)土壤水分處于最高峰；9月，雖然植物處于衰退階段，耗水少，但湖南降水少，因此此時(shí)土壤水分最低。在0～50、50～100和100～200 cm各土層，降水下滲需要時(shí)間，因此隨著土層深度的增加，土壤水分減少；同時(shí)，土層越淺，受外界的影響越大，土壤水分變異系數(shù)越大。

（3）植物地上生物量與土壤水分關(guān)系密切，其關(guān)系隨著土層深度的增加而變?nèi)?。原因在于紫色土貯水性能較差，其風(fēng)化的表層易形成薄殼，降水難以下滲，加之地下主要根區(qū)處于20～60 cm的范圍，導(dǎo)致在土壤深層地上生物量與土壤水分的關(guān)系弱化。

（4）多年的研究表明，植被恢復(fù)處于不同的階段，植物群落構(gòu)成不同，植物根系活躍有范圍也存在差異。因此，在植被恢復(fù)過(guò)程中，要因地制宜選擇植物，實(shí)行合理配置，加速該區(qū)域的植被恢復(fù)。

43卷21期張 曙等衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)階段地上生物量季節(jié)變化及其與土壤水分的關(guān)系

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