黃土丘陵溝壑區(qū)微地形對(duì)土壤水分及生物量的影響

鄺高明，朱清科，劉中奇，2，趙 薈，3，王 晶

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京10008；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼02804；3.國家林業(yè)局 昆明勘察設(shè)計(jì)院，昆明650216）

在干旱少雨的黃土丘陵溝壑區(qū)，水分是制約植被生長(zhǎng)的主要因素，而影響降雨在土壤再分配過程中的一個(gè)重要因素是地形地貌因素［1－2］。目前，國內(nèi)涉及到土壤水分時(shí)空分布規(guī)律研究的多集中在三個(gè)尺度，坡面尺度［3］、小 流 域 尺 度 及 集 水 區(qū) 尺 度［4－6］、區(qū) 域 尺度［7－8］，且現(xiàn)有研究最小尺度為坡面，對(duì)于坡面及其小流域的研究多是對(duì)坡向、坡度、坡位、海拔高程［9－11］等地形因子對(duì)土壤水分分布的影響，在黃土高原復(fù)雜的溝壑系統(tǒng)中，這方面的研究對(duì)于生態(tài)修復(fù)建設(shè)有一定指導(dǎo)意義，但是地形因子的分析對(duì)于精確的“因地制宜，適地適樹”還是不夠的，目前缺少對(duì)坡面上微地形土壤水分與生物量差異的調(diào)查與分析［12］，將生態(tài)修復(fù)建設(shè)與多樣的微地形結(jié)合的研究。

黃土丘陵溝壑區(qū)侵蝕嚴(yán)重、地形破碎，坡面上大致分布有切溝、淺溝、塌陷、緩臺(tái)及陡坎等五種微地形。各類微地形使坡面凹凸不平，影響降雨在坡面上的再分配過程，進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分及植被在坡面上分配的差異性。本文通過實(shí)地量測(cè)和對(duì)比分析各種微地形及其相應(yīng)原狀坡的土壤含水量和生物量，以期揭示黃土丘陵溝壑區(qū)坡面內(nèi)微地形尺度的土壤水分和植被空間分異特征，為坡面植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省吳起縣合家溝流域，地處東經(jīng)107°38′57″—108°32′49″，北緯36°33′33″—37°24′27″，地貌屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)；多年平均降水量478.3mm，降水量年際變化大、季節(jié)分配不均，7－9月降水量占全年降水量的64%以上，其它季節(jié)多為無效降水；年平均氣溫7.8℃，無霜期96～146d，屬暖溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候，多年平均陸地蒸發(fā)量400～450mm；土壤類型為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發(fā)育在黃土母質(zhì)上的黃綿土，質(zhì)地為輕壤。該流域從1998年開始封育，封禁后恢復(fù)起來的草本群落以百里香（Thymus mongolicus）、鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、茭 蒿 （Arte misia giralaii）、長(zhǎng) 芒 草 （Stipa bungeana）、達(dá)烏里胡枝（Lespideza davurica）、萎陵菜（Potentilla chinensis）和冷蒿（Arte misia frigida）為主，在溝底等部位零星分布有灌木和喬木。該封育流域內(nèi)，地形破碎，各類微地形廣泛分布，為本研究提供了前提。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的采集

2.1.1 微地形的定義與分類 黃土丘陵溝壑區(qū)微地形主要是指淺溝、切溝、塌陷、緩臺(tái)、陡坎等五類大小不等、形狀各異的局部地形。其中，淺溝和切溝是黃土侵蝕溝發(fā)育過程的兩種初級(jí)狀態(tài)，由降雨形成的地面徑流在匯集過程中，集中股流沖刷下切而形成；塌陷是指坡面塌陷、集中股流溯源侵蝕等土壤侵蝕形成的凹陷狀地形；緩臺(tái)指坡面局部坡度明顯小于整個(gè)坡面平均坡度的平緩地段；陡坎是指坡面局部坡度明顯大于整個(gè)坡面平均坡度的陡峭地段。由于坡面造林植物種的配置是以米為單位設(shè)計(jì)的，因此本研究中的微地形是指坡面范圍內(nèi)大小1m的局部地形狀態(tài)。微地形改變了整個(gè)坡面的承雨面和水分運(yùn)移路徑，使坡面內(nèi)的土壤水分等生境條件產(chǎn)生空間異質(zhì)性。

2.1.2 數(shù)據(jù)的采集 本次研究選擇了陜西省吳起縣合家溝流域進(jìn)行調(diào)查，該流域經(jīng)過10余年的封育修復(fù)，植被群落類型和生長(zhǎng)時(shí)間基本一致，調(diào)查坡面上坡度、坡向變化較小，樣方布置在坡面中部，能很好的消除其它地形地貌（坡度、坡向及坡位）因素及植被因素對(duì)于土壤水分在坡面上空間分布差異性的影響。測(cè)定時(shí)間選擇在7月初，之前一段時(shí)間并無明顯的降水，坡面土壤水分含量相對(duì)穩(wěn)定。

采用樣方調(diào)查與隨機(jī)取樣結(jié)合的方法：樣地尺寸20m×20m，在樣地內(nèi)以“對(duì)角線法”確定5個(gè)1m×1m的小樣方，同時(shí)選取一個(gè)能代表所研究坡面的典型樣方，利用小秤測(cè)定地上鮮生物量。由于研究區(qū)植被多為草本，其根系主要分布在0—60cm土層，該層土壤水分的多少?zèng)Q定了植被的生長(zhǎng)狀況，因此用TRIME—EZ型號(hào)的探針式TDR（time—domain—reflectometry）分別測(cè)定每個(gè)采樣點(diǎn)0—20cm，20—40cm，40—60cm三層的土壤體積含水量，每一層測(cè)定3次，每次探針的方向旋轉(zhuǎn)120°，取3次的平均值作為該測(cè)點(diǎn)微地形根層的土壤含水量。本文中提到土壤含水量均為平均土壤體積含水量。

2.2 數(shù)據(jù)的處理

2.2.1 土壤水分差異顯著性檢驗(yàn) 利用SPSS軟件對(duì)各樣方的土壤水分進(jìn)行兩兩配對(duì)的Wilcoxon秩檢驗(yàn)，揭示原狀坡與各類微地形不同土壤深度水分的差異性。Wilcoxon秩檢驗(yàn)適用于配對(duì)資料的差異比較，如果計(jì)算結(jié)果中P值小于0.05、說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異，如果P值小于0.01、說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異極顯著。

2.2.2 微地形土壤水分變異系數(shù) 變異系數(shù)（CV）表示土壤水分在空間變異的程度，是各層土壤水分標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，它的大小反映了各層水分的穩(wěn)定性。CV越大，說明樣點(diǎn)含水量變化越劇烈；CV值越小，土壤含水量越穩(wěn)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 微地形水分特征分析

3.1.1 土壤水分的空間差異性分析 利用SPSS軟件對(duì)各類微地形的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩配對(duì)樣本W(wǎng)ilcoxon秩檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1知，除淺溝外，其它四類微地形的土壤含水量均與原狀坡有顯著的差異性，因此在對(duì)坡面進(jìn)行人工植被恢復(fù)建設(shè)時(shí)對(duì)淺溝植被配置模式應(yīng)該與其所在原狀坡一樣。切溝、塌陷、緩臺(tái)和陡坎這4種微地形與各自所在的原狀坡土壤含水量有顯著差異，且切溝、陡坎的差異性極顯著。因此在進(jìn)行人工植被恢復(fù)建設(shè)時(shí)可以考慮將這4種微地形區(qū)別對(duì)待，利用微地形所造成的生境差異配置適于該微地形的植被模式，從而打破以往沿等高線進(jìn)行統(tǒng)一植被配置的模式，進(jìn)一步提高“因地制宜，適地適樹”的精準(zhǔn)度。

表1 土壤水分的差異性檢驗(yàn)

3.1.2 不同類型微地形土壤體積含水量特征值 在Excel中統(tǒng)計(jì)不同類型的微地形各層土壤水分特征值。由表2可知，與原狀坡相比，除陡坎各層的土壤含水量均小于原狀坡外，其它四類微地形各層土壤含水量都比原狀坡的土壤含水量大；在0—20cm土層，各微地形土壤含水量的大小排序?yàn)榍袦希舅荩揪徟_(tái)＞淺溝＞原狀坡＞陡坎，在20—40cm，40—60cm及0—60cm土層，各微地形土壤含水量的大小排序均為塌陷＞緩臺(tái)＞切溝＞淺溝＞原狀坡＞陡坎。

表2 不同類型微地形土壤含水量 %

從表2中也可知不同類型微地形的土壤含水量存在巨大的差異，最大的塌陷0—60cm土層土壤含水量為13.31%，而最小的陡坎的0—60cm土壤含水量?jī)H為8.21%，前者約為后者的1.62倍，是原狀坡的1.4倍。

另外，由表1可知，塌陷、切溝與緩臺(tái)與原狀坡的土壤含水量存在顯著差異，結(jié)合表2，可知塌陷、切溝與緩臺(tái)的土壤水分條件優(yōu)于原狀坡，而在黃土區(qū)，水分是制約植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，不同的土壤含水量能夠支撐不同數(shù)量與不同類型的植被，因此塌陷、緩臺(tái)及切溝在植被配置時(shí)應(yīng)選擇比原狀坡高一等級(jí)的植被配置模式；而淺溝的土壤含水量雖然大于原狀坡，卻沒有顯著的差異性，在植被配置時(shí)，應(yīng)選擇與原狀坡同樣的植被配置模式；同樣，陡坎的土壤水分條件比原狀坡的差，應(yīng)選擇比原狀坡低一等級(jí)的植被配置模式。這也為打破黃土區(qū)傳統(tǒng)的按照等高線進(jìn)行植被配置的模式、更好地實(shí)現(xiàn)“因地制宜、適地適樹”提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

3.1.3 不同類型微地形土壤水分的變異系數(shù) 經(jīng)過計(jì)算，得到不同類型微地形各層土壤水分變異系數(shù)，見表3。

表3 不同類型微地形土壤水分變異系數(shù) %

由表3可知，原狀坡及各類微地形的0—20cm土層土壤水分變異系數(shù)最大，表明在0—20cm層土壤水分變化最大。這是由于該層接近于地表，降雨時(shí)雨水首先進(jìn)入該層，使其土壤水分含量迅速增加；而在黃土丘陵區(qū)，土壤水分下滲速度快、蒸發(fā)量大，導(dǎo)致雨后該層水分又急劇較少，使得0—20cm土層成為原狀坡及各類微地形土壤水分變化最活躍的土層。

隨著土層深度的增加，各類微地形土壤水分的變異系數(shù)有減小的趨勢(shì)。而土壤水分變異系數(shù)最小的土層為40—60cm土層，而且不同類型微地形的該層土壤水分變異系數(shù)大小近似。這是由于該層遠(yuǎn)離地表，上層雨水下滲到該層需要很長(zhǎng)時(shí)間、土壤水分蒸發(fā)量很小，使得該層的土壤水分相對(duì)穩(wěn)定。

不同微地形各層的土壤水分變異系數(shù)從大到小的順序都不一樣，整體上各層土壤水分變異系數(shù)最大的為陡坎、切溝次之，而塌陷最小。這是由于陡坎水分條件最差，植被情況也相對(duì)比其它微地形差，而在黃土區(qū)，植被能夠很好的減小土壤表層的蒸發(fā)量，所以陡坎的土壤水分變化最為活躍，反之塌陷的植被生產(chǎn)狀況好，能夠減少其土壤表層蒸發(fā)量，水分變化比較小。

3.2 不同微地形的生物量分析

由圖1可知，不同微地形內(nèi)生物量與原狀坡與較大差異，塌陷的生物量最大達(dá)263g／m2，而最小的陡坎為122g／m2，各類微地形及原狀坡內(nèi)生物量從大到小的排序?yàn)樗荩厩袦希緶\溝＞原狀坡＞緩臺(tái)＞陡坎，這與土壤含水量排序基本相似，也證明在黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤含水量是影響植被生長(zhǎng)的重要因素。而緩臺(tái)內(nèi)生物量表現(xiàn)出不同的規(guī)律，在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，緩臺(tái)大多出現(xiàn)在上下兩塊坡耕地相交處等地形轉(zhuǎn)折的地方，一般寬度較小，而且上部坡面徑流在緩臺(tái)處沖刷力大，導(dǎo)致植被在緩臺(tái)處生長(zhǎng)困難，因此在進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)，需對(duì)緩臺(tái)處輔助適當(dāng)?shù)恼卮胧?/p>

圖1 不同微地形生物量

圖2表明微地形生物量與0—60cm土層土壤水分變異系數(shù)呈負(fù)向相關(guān)性，這是由于植被一方面覆蓋在地表，減少了0—20cm土層中水分蒸發(fā)量，另一方面植被生長(zhǎng)消耗了大量的水分，尤其是深層的土壤水分，所以植被能夠減小上下土層的水分差異。

圖2 微地形生物量與土壤水分變異系數(shù)相關(guān)性

4 結(jié)論

（1）與原狀坡相比，除陡坎各層的土壤含水量均小于原狀坡外，其它四類微地形各層土壤含水量都比原狀坡的土壤含水量大。整體來看，各類微地形與原狀坡的土壤水分含量從大到小排序?yàn)樗荩揪徟_(tái)＞切溝＞淺溝＞原狀坡＞陡坎，土壤含水量最大的塌陷是含量最小陡坎的1.62倍，為原狀坡的1.4倍；塌陷、緩臺(tái)及切溝的水分條件明顯優(yōu)于原狀坡，在植被配置時(shí)應(yīng)選擇比原狀坡高一等級(jí)的植被配置模式，但緩臺(tái)在植被配置前需進(jìn)行一定的整地措施，減少徑流對(duì)緩臺(tái)表面的沖刷；淺溝的水分條件與原狀坡相似，應(yīng)選擇與原狀坡同等級(jí)的植被配置模式，陡坎的土壤水分條件比原狀坡的差，在植被配置時(shí)應(yīng)選擇比原狀坡低一等級(jí)的植被配置模式。

（2）隨著土層深度的增加，各類土壤水分的變異系數(shù)有減小的趨勢(shì)，就各類微地形來說，各層土壤水分變異系數(shù)最大的為陡坎、切溝次之，而塌陷最小，這與它們的地表植被生長(zhǎng)情況有關(guān)。

（3）不同類型與原狀坡的微地形生物量從大到小的排序?yàn)樗荩厩袦希緶\溝＞原狀坡＞緩臺(tái)＞陡坎、并且微地形生物量與0—60cm土層土壤水分變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。微地形內(nèi)土壤水分與植被相互影響，一方面土壤含水量越大，更有利于植被的生長(zhǎng)，而植被消耗根層土壤水分，減少地表水分的蒸發(fā)，進(jìn)而影響土壤水分在不同深度土層的分布。

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