金沙江干熱河谷人工林土壤水分研究

岳學(xué)文，方海東，錢坤建，方 晉，奎建蕊，潘志賢，楊艷鮮，紀(jì)中華，彭 輝

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀651300）

金沙江干熱河谷是長江上游典型的生態(tài)脆弱區(qū)。干燥、炎熱的自然環(huán)境使得該區(qū)域內(nèi)植被易破壞、難恢復(fù)，水土流失嚴(yán)重。土壤干旱、干化是金沙江干熱河谷造林困難的主要原因［1］。論文以金沙江干熱河谷的典型區(qū)域云南省元謀縣為例。縣境內(nèi)干而熱的氣候特征，引起以“土壤干化”為主的生態(tài)問題，植被根際區(qū)土壤水分長時間嚴(yán)重虧缺［1］。特殊的自然環(huán)境使元謀干熱 河谷的 成因［2－3］、植被恢 復(fù)［4－6］、農(nóng)業(yè)發(fā)展［7－9］、土壤水 分［10－13］、荒漠 化［14－16］、土 壤侵蝕［17－18］等成為研究的焦點。不同土地利用下的土壤含水量對降雨的響應(yīng)有一定差別［19］，雨季林地獲得的降水是土壤水分的唯一來源，雨季林地內(nèi)儲存水分的多少，直接影響旱季土壤水分的供給能力。土壤水分的供給能力是影響干熱河谷植被分布的主要原因［1］。坡度對土壤水分的影響主要在地表30 c m以下，且為陰坡含水量高于陽坡［11］，但通過人工改變局地微地形，強(qiáng)化降雨入滲，可增加土壤含水量［20］，土壤水分變化在年內(nèi)表現(xiàn)出緩慢失墑期、土壤水分積累期、土壤水分緩慢消耗期和土壤水分穩(wěn)定期等4個時期［21］。降水是影響干熱河谷土壤含水量的主要因素。深入研究不同林地內(nèi)土壤水分的來源、儲存、分配、利用對治理干熱河谷脆弱生態(tài)環(huán)境具有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省元謀縣，地理坐標(biāo)為25°29′－26°06′N 101°35′－102°06′E 是典型的南亞熱帶季風(fēng)河谷干熱氣候區(qū)［22］，年均氣溫約21．9℃，≥10℃年積溫7 786℃，持續(xù)天數(shù)350 d，終年基本無霜［22］。土壤主要為燥紅土和變性土。稀樹灌草叢是適應(yīng)金沙江干熱河谷自然環(huán)境的頂極植物群落［23］，在土層較厚、陰坡等立地環(huán)境有少量的喬木。草本種類較多，其中以扭黃茅（Heteropogon cantortus）、龍須草（Enl ariopsis binata）、孔穎草（Bothrichloa ca mus）等為主；灌木多 為 車 桑子 （Dodonaea angustif olia）、余 甘 子（Phyll anthus emblice）；喬木較少，常見的是攀枝花（Gossampinus mal abarica）、羅 望 子 （Tamarindus indica）。

2 研究方法

海拔1 500 m是土壤含水量的分水嶺，1 500 m以下影響土壤水分的氣象因子影響程度近似［24］，而典型的金沙江干熱河谷區(qū)也主要分布在海拔1 500 m以下。鑒于此，本研究選取了海拔在950～1 050 m之間的燥紅土林內(nèi)的6個土地利用類型，分別是：銀合歡＋羅望子、羅望子純林、銀合歡間伐林、羅望子＋自然草被、羅望子＋余甘子＋自然草被、麻瘋樹＋自然草被6種（表1）。在6類樣地中，樣地Ⅱ內(nèi)的羅望子已栽種15 a左右，林下郁閉度高，草本植物較少。其余樣地的喬木、灌木林下陽光照射均較充足。實驗設(shè)一個光板地作為對照。在每個人工林內(nèi)埋3個土壤水分測試管，每根測試管可測試深度為1 m，以德國生產(chǎn)TRI ME－PICO－IPH TDR土壤剖面水分測量系統(tǒng)獲取土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)元謀干熱河谷多年降雨特征，分析7－10月雨季不同人工林內(nèi)土壤含水量變化特征。測量深度分別為0－20，20－40，40－60，60－80，80－100 c m。測量結(jié)果為土壤水分體積百分?jǐn)?shù)（%）。

表1 樣地基本特征

3 結(jié)果與結(jié)論

3．1 不同人工林下土壤含水量的變化

土壤含水量差異主要是由于不同植被類型對土壤的改良作用和對蒸發(fā)、截留的影響所造成的［19］。在金沙江干熱河谷，不同土地利用方式對土壤含水量影響顯著，土壤含水量隨土壤深度的增加而增加（表2）。在草本植物蓋度較高的土地中，草本植物蓋度的高低與土壤含水量變化成反比關(guān)系，即地表草本植物蓋度越高，土壤含水量越低。如在類型Ⅴ中，扭黃茅的蓋度比Ⅳ低，其土壤含水量反而比Ⅳ高，同時也大于其他人工林。究其主要原因：在這兩類人工林中，草本蓋度高，而草本層的根系主要集中在地下20－60 c m處，其根系吸收了大量的土壤水分，從而使得土壤含水量下降明顯。干熱河谷土壤表層的水分主要以蒸發(fā)形式散失，很少為植物吸收利用［11］。在Ⅱ中，地表郁閉度高、林下物種稀少，太陽輻射和地面輻射帶走的水分相對較少，在Ⅱ中土壤含水量相對較高且隨深度的增加而緩慢增加。把Ⅱ與Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ對比可以發(fā)現(xiàn)，草本植物蓋度偏高、太陽輻射是導(dǎo)致土壤含水量差異的主要因素。在郁閉度高、草本層蓋度低的林地內(nèi)，土壤含水量相對較高。

表2 不同用地類型剖面土壤含水量 %

在Ⅰ和Ⅲ中，雨季80－100 c m處土壤含水量有小幅度下降。土壤含水量受植物根系的分布深度影響顯著。這與莊建琦［19］研究的合歡林對土壤含水量的影響較為顯著，降低了深層土壤的含水量。而在Ⅵ內(nèi)，車桑子和麻瘋樹均是抗干旱、抗貧瘠樹種，樹種的生理結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)土壤水分有一定作用，其土壤含水量在所有土地利用類型中相對較高。

3．2 不同土地利用方式中土壤含水量變異系數(shù)

變異系數(shù)是衡量一組觀測數(shù)據(jù)變化程度的統(tǒng)計值。變異系數(shù)的大小反映了受環(huán)境水熱交換的影響強(qiáng)弱，反映了層間水分的穩(wěn)定性［25］。在統(tǒng)計學(xué)中，以標(biāo)準(zhǔn)差和平均數(shù)的比值記為變異系數(shù)。

CV＝S／X （1）

式中：CV——變異系數(shù)；S——觀察數(shù)據(jù)組標(biāo)準(zhǔn)差；X——觀測數(shù)據(jù)組的平均值。

圖1 不同深度土壤水分變異系數(shù)

圖2 不同用地類型土壤水分變異系數(shù)

利用變異系數(shù)可揭示不同深度以及不同土地利用方式中含水量變化幅度。隨著深度的增加變異系數(shù)逐漸降低，0－20 c m的變異系數(shù)最大。40－60，60－80，80－100 c m處變異系數(shù)相對平緩。由于物種組成、地表覆蓋、林齡等的差異，不同用地類型中的變異系數(shù)起伏較大（圖2）。相對而言，Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ的變異系數(shù)大體在同一水平上，Ⅴ是所有類型中喬木和灌木較多的一個，同時也是所有類型中含水量差異最大的一個（表3），其變異系數(shù)也最大。林內(nèi)物種數(shù)量過多，消耗的土壤水分也最多，當(dāng)沒有外界水源補充時，土壤含水量下降迅速，土壤含水量變異大。

3．3 不同人工林對土壤水分的利用研究

3．3．1 水分劇烈變化層、弱利用層 0－20 c m是干熱河谷植被對土壤水分的弱利用層。降水是林地土壤水分的主要來源，而支出則主要是地表水分的蒸發(fā)和草本層的蒸騰。即使在雨季，若是半個月內(nèi)無降雨，土壤表層水分迅速下降到凋萎系數(shù)以下，而一旦有降雨，土壤含水量迅速增加。在0－20 c m含水量最高12．1%，最低2．1%，土壤含水量變化劇烈，變異系數(shù)高達(dá)58%，土壤含水量穩(wěn)定性差。元謀干熱河谷的典型土壤是燥紅土［26］。據(jù)黃成敏［13］的研究，金沙江干熱河谷普通燥紅土的凋萎濕度是9．4%，而表1的數(shù)據(jù)表明，在0－20 c m 除Ⅱ和Ⅵ外，其他人工林內(nèi)的土壤含水量均低于凋萎濕度，植物生長難以利用。

3．3．2 草本植物水分利用層 從表2可以看出，在所有用地類型中，20－80 c m土壤含水量的處最大值、最小值的均值分別為 14．9%、10．2%，相差4．7%，土壤含水量差異較大。在20－80 c m，是金沙江干熱河谷地區(qū)草本植物根系的主要分布區(qū)，同時也是部分喬木和灌木根系的分布區(qū)。在植物種類和數(shù)量均較多的樣地內(nèi)，該層的土壤含水量較其他林地低，如在樣地Ⅳ和Ⅴ中，扭黃茅、羅望子、車桑子大量吸收了40－60 c m和60－80 c m的土壤水分，含水量明顯低于其他人工林，土壤水分利用率高、利用量大。

表3 不同林地20－80 c m土壤含水量差異 %

3．3．3 土壤水分微調(diào)節(jié)層 伴隨著土壤深度的增加，土壤水分受地表蒸發(fā)的影響顯著下降。在80－100 c m，吸收該深度土壤水分的植物主要是一些喬木和大灌木。由于物種組成的差異，土壤水分調(diào)節(jié)層的深度存在一定差異，例如在銀合歡分布較多的Ⅰ和Ⅲ中，該層是土壤水分的利用層含水量有小幅下降（表2）。但在其他人工林內(nèi)，該層則起著調(diào)節(jié)土壤水分的承上啟下作用。在旱季持續(xù)干旱期和雨季的間歇性干旱期，100 c m下的土壤水分在土壤水勢的作用下，向植物根系附近富集，幫助植物渡旱。

4 結(jié) 論

以扭黃茅為主的草本植物在金沙江干熱河谷區(qū)發(fā)布廣、蓋度大，土壤水分含量低、物種多樣性差。羅望子青年林內(nèi)郁閉度大，可有效防止土壤水分蒸發(fā)。在土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域栽種銀合歡、麻瘋樹等抗旱性能強(qiáng)的物種可在短期內(nèi)控制土壤侵蝕，但銀合歡林內(nèi)深層土壤含水量較其他人工林內(nèi)低，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因有待深入研究。

［1］ 蔣俊明，費世民，何亞平，等．金沙江干熱河谷植被恢復(fù)探討［J］．西南林學(xué)院學(xué)報，2007，27（6）：11－15．

［2］ 明慶忠，史正濤．三江并流區(qū)干熱河谷成因新探析［J］．中國沙漠，2007 27 1 99－104．

［3］ 何永彬，盧培澤，朱彤．橫斷山－云南高原干熱河谷形成原因研究［J］．資源科學(xué)，2000，22（5）：67－72．

［4］ 何錦峰，楊忠，陳國階．金沙江干熱河谷泥巖坡地植被恢復(fù)研究［J］．重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，28（2）：319－322．

［5］ 青翠，王龍，李靖．金沙江干熱河谷區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系初探［J］．中國水土保持，2006（4）：39－41．

［6］ 楊忠，莊澤，秦定懿，等．元謀干熱河谷水保林營造技術(shù)研究［J］．水土保持通報，1999，19（1）：38－42．

［7］ 紀(jì)中華，楊艷鮮，廖承飛，等．元謀干熱河谷退化坡地立體種養(yǎng)生態(tài)農(nóng)業(yè)模式建設(shè)［J］．西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，18（3）：1－4．

［8］ 楊艷鮮，紀(jì)中華，沙毓滄，等．元謀干熱區(qū)退化山地復(fù)合生態(tài)農(nóng)業(yè)模式自然資源的利用研究［J］．西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，19（增刊）：206－209．

［9］ 楊艷鮮，廖承飛，沙毓滄，等．元謀干熱河谷旱坡地雙鏈型羅望子：牧草生態(tài)農(nóng)業(yè)模式高效配套技術(shù)研究［J］．中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，16（2）：464－468．

［10］ 穆軍，李占斌，李鵬，等．干熱河谷干季土壤水分動態(tài)研究［J］．長江科學(xué)院院報，2009，26（12）：22－25．

［11］ 蔣俊明，費世民，王鵬，等．干熱河谷陰坡和陽坡土壤水分動態(tài)研究［J］．四川林業(yè)科技，2005，26（5）：30－35．

［12］ 楊艷鮮，方海東，潘志賢，等．云南元謀干熱河谷區(qū)早坡地不同生態(tài)農(nóng)業(yè)模式土壤水分差異性分析［J］．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（2）：248－252．

［13］ 黃成敏，何毓蓉．云南省元謀干熱河谷土壤水分的動態(tài)變化［J］．山地研究，1997，15（4）：234－238．

［14］ 劉淑珍，張建平，范建蓉，等．云南元謀土壤退化特征及原因分析［J］．中國沙漠，1996，16（1）：1－2．

［15］ 劉淑珍，黃成敏．云南元謀土地荒漠化特征及原因分析［J］．中國沙漠，1996，16（1）：1－8．

［16］ 張建平．元謀干熱河谷土地荒漠化的人為影響［J］．山地研究，1997，15（1）：53－56．

［17］ 張建平，楊忠，莊澤．元謀干熱河谷區(qū)水土流失現(xiàn)狀及治理對策［J］．云南地理環(huán)境研究，2001，13（2）：22－27．

［18］ 周紅藝，李輝霞，范建容．元謀干熱河谷土壤侵蝕敏感性評價［J］．中國水土保持，2009（4）：39－41．

［19］ 莊建琦，葛永剛，王道杰，等．干熱河谷生態(tài)恢復(fù)區(qū)土壤水分變化研究［J］．水土保持研究，2009，16（6）：35－39．

［20］ 李艷梅，王克勤，劉芝芹，等．云南干熱河谷不同坡面整地方式對土壤水分環(huán)境的影響［J］．水土保持學(xué)報，2006，20（1）：15－19．

［21］ 李艷梅，王克勤，劉芝芹，等．云南干熱河谷微地形改造對土壤水分動態(tài)的影響［J］．浙江林學(xué)院學(xué)報，2005，22（3）：259－265．

［22］ 王克勤，沈有信，陳奇伯，等．金沙江干熱河谷人工植被土壤水環(huán)境［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（5）：809－813．

［23］ 何毓蓉，徐建忠，黃成敏．金沙江干熱河谷區(qū)變性土的特征及系統(tǒng)分類［J］．土壤學(xué)報，1995．32（增刊）：102－103．

［24］ 柴宗新，范建容．金沙江干熱河谷植被恢復(fù)的思考［J］．山地學(xué)報，2001，19（4）：381－384．

［25］ 穆軍，李占斌，李鵬，等．干熱河谷干季土壤水分動態(tài)研究［J］．長江科學(xué)院院報，2009，26（12）：22－25．

［26］ 何毓蓉，黃成敏．云南省元謀干熱河谷的土壤系統(tǒng)分類［J］．山地研究，1995，13（2）：73－78．