伊寧縣低山區(qū)草地覆蓋主控立地因子研究

蘇 悅,武紅旗,張文太

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) a.新疆土壤與植物生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室；b.草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

新疆是我國五大牧區(qū)之一，是重要的畜牧業(yè)基地，天然草地面積約5.73×107hm2，占新疆土地總面積的34.4%[1]。由于氣候變化和過度放牧等原因，新疆草地逐漸退化，水土流失日益加重。在新疆7個(gè)水土保持區(qū)中，伊犁河谷區(qū)水土流失總面積、侵蝕強(qiáng)烈以上等級(jí)的面積均為最大[2]。因此，亟需從水土流失防治的角度，開展伊犁河谷退化草地的生態(tài)恢復(fù)研究。

草地覆蓋度是國家土壤侵蝕分類分級(jí)和指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)[3-4]。有研究表明，地形、土壤等立地因子中坡向主要影響草地覆蓋度[5]，相同坡位陰坡草地覆蓋度大于陽坡[6]，草地覆蓋度與坡度呈正相關(guān)，與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)[7]。但也有研究指出，草地覆蓋度與坡度、黏粒含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤含水量呈正相關(guān)，草本數(shù)量特征與土壤因子相關(guān)性較大[8-9]。不同學(xué)者研究結(jié)論相異，且先前研究多集中于黃土高原、內(nèi)蒙古高原等半干旱地區(qū)，有關(guān)新疆牧區(qū)草地覆蓋度與立地環(huán)境因子之間關(guān)系的研究較少。本文以新疆水土流失較為嚴(yán)重的伊寧縣為研究對(duì)象，綜合探討草地覆蓋度與土壤、地形等立地環(huán)境因子之間的相關(guān)性，并找出影響草地覆蓋度的主控因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為伊寧縣低山區(qū)(E81°17′～E81°35′，N44°2′～N44°10′)，總面積2.64×105hm2，海拔在700～1 500 m。該區(qū)屬中溫帶干旱型內(nèi)陸山地氣候，年均溫度9℃，多年平均日照時(shí)數(shù)約2 900 h，年均降水量340 mm，年均蒸發(fā)量1 621 mm，無霜期185 d[10]。土壤類型主要有栗鈣土、灰鈣土和草甸土。草地類型主要為溫性荒漠類、溫性荒漠草原類和溫性草甸草原類。伊寧縣40%～50%的草地已出現(xiàn)不同程度的退化，中度退化草地占全縣可利用草地的15%，重度退化草地占9.7%，已嚴(yán)重影響伊寧縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展[11]。

1.2 野外樣點(diǎn)調(diào)查

基于數(shù)字化的1∶100萬新疆草地類型圖和土壤類型圖，以草地類型、土壤類型及坡向(陰坡、陽坡)的空間分布為依據(jù)，結(jié)合道路交通情況，按海拔由低至高布設(shè)樣地。為使調(diào)查樣地包含不同的立地因子組合，按西南-西北-東北-東南方向，布設(shè)了3條調(diào)查路線：路線1(1～15號(hào)樣地)、路線2(16～24號(hào)樣地)和路線3(25～32號(hào)樣地)的調(diào)查直線距離分別為14.8、9.34和5.87 km。在各樣地典型地段內(nèi)選取擾動(dòng)較少的坡面設(shè)置1 m×1 m草地樣方，共布設(shè)32個(gè)樣方(圖1)。實(shí)際樣點(diǎn)調(diào)查時(shí)，盡可能考慮不同的坡度、坡位，使得32個(gè)調(diào)查樣方總體上可以反映研究區(qū)多樣的立地因子組合。2017年4月下旬進(jìn)行野外調(diào)查。

圖1 研究區(qū)調(diào)查樣點(diǎn)空間分布圖

用GPS測(cè)定樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔，用坡度儀測(cè)定樣點(diǎn)的坡度、坡向并記錄坡位。按順時(shí)針方向計(jì)算坡向值，正北方向?yàn)?°，范圍為0°～360°。依據(jù)坡向與環(huán)境因子的關(guān)系，將樣點(diǎn)坡向劃分為4個(gè)級(jí)別，分別為陰坡(0°～67.5°，337.5°～360°)，對(duì)應(yīng)北、東北向；半陰坡(67.5°～112.5°，292.5°～337.5°)，對(duì)應(yīng)東、西北向；半陽坡(112.5°～157.5°，247.5°～292.5°)，對(duì)應(yīng)西、東南向；以及陽坡(157.5°～247.5°)，對(duì)應(yīng)南、西南向[12]。

用數(shù)碼相機(jī)對(duì)草地樣方進(jìn)行垂直拍攝，用ENVI5.1軟件和遙感監(jiān)督分類中的最大似然法提取草地覆蓋度[13]。

1.3 土壤樣品采集與實(shí)驗(yàn)室分析

每個(gè)樣點(diǎn)用環(huán)刀采集表層土壤，用烘干法測(cè)定土壤容重和土壤含水量。采集0～20 cm土層土樣約1 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室過2 mm篩。對(duì)大于2 mm的礫石，用稱重法測(cè)定礫石含量[14]。土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀法測(cè)定[15]。用濕篩-吸管法測(cè)定土壤顆粒組成[16]，即砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)的含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

用SPSS 17.0對(duì)各樣點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S正態(tài)分布檢驗(yàn)。用單因素方差分析和多重比較，探討不同地形因子之間土壤因子和草地覆蓋度的差異。用Pearson檢驗(yàn)草地覆蓋度與立地環(huán)境因子的相關(guān)性，用逐步回歸法判定影響草地覆蓋度的主控因子。各統(tǒng)計(jì)分析F檢驗(yàn)均采用α=0.05的顯著水平。用Sigmaplot 10.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)草地土壤侵蝕程度

由于氣候變化、放牧、人為干擾等原因，已造成草地土壤發(fā)生不同程度的侵蝕。依據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度面蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]，研究的32個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)中，輕度侵蝕樣點(diǎn)有15個(gè)，見圖2(a)；中度侵蝕樣點(diǎn)有14個(gè)，見圖2(b)；強(qiáng)烈侵蝕樣點(diǎn)有3個(gè)，見圖2(c)，對(duì)比侵蝕強(qiáng)度可知低蓋度草地水土保持效果較差。

圖2 不同草地土壤侵蝕等級(jí)的照片

2.2 土壤、地形和草地覆蓋度的統(tǒng)計(jì)描述

調(diào)查樣地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)表明(表1)，除地形因子，有機(jī)質(zhì)極大值與極小值間相差最大，說明數(shù)據(jù)分布較為離散。用變異系數(shù)描述離散程度，依據(jù)變異程度進(jìn)行分級(jí)[7]。土壤容重和海拔變異系數(shù)較低(<15%)屬弱變異，粉粒和坡度變異系數(shù)適中(15%～35%)屬中等變異，土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、砂粒、黏粒和草地覆蓋度變異系數(shù)較高(35%～100%)屬強(qiáng)變異，礫石含量變異系數(shù)最高(>100%)屬極強(qiáng)變異。K-S正態(tài)性檢驗(yàn)可知，所有因子中只有礫石、黏粒含量不符合正態(tài)分布，因此進(jìn)行單因素方差分析和回歸分析時(shí)需進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換?？傮w而言，本研究調(diào)查的32個(gè)樣方的立地因子大部分屬于中度變異或強(qiáng)變異，反映出調(diào)查樣方的景觀多樣性和代表不同的立地條件。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述統(tǒng)計(jì)

2.3 地形對(duì)土壤含水量與草地覆蓋度的影響

單因素方差分析顯示，土壤含水量在不同坡向與坡位之間存在極顯著差異，草地覆蓋度在不同坡度等級(jí)之間存在極顯著差異，其余因子在不同地形因子之間均不存在極顯著差異。多重比較結(jié)果進(jìn)一步顯示，陰坡和坡底土壤含水量最高，陽坡和坡頂土壤含水量最低，4者對(duì)應(yīng)的土壤含水量平均值分別為23.1%、17.9%、10.1%和8.55%，見圖3(a)、圖3(b)。陰坡土壤含水量是陽坡的2.29倍，坡底土壤含水量是坡頂?shù)?.09倍。此外，緩坡(5°～8°)草地覆蓋度最高，陡坡(15°～25°)草地覆蓋度最低，其對(duì)應(yīng)的草地覆蓋度的平均值分別為62.3%和26.2%，見圖3(c)，緩坡(5°～8°)對(duì)應(yīng)的草地覆蓋度是陡坡(15°～25°)的2.37倍。

圖3 地形對(duì)土壤含水量與草地覆蓋度的影響

2.4 草地覆蓋度與立地因子的相關(guān)性

草地覆蓋度與坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)(表2)，與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，表明隨坡度不斷變陡或表層土壤黏粒含量的增加，草地覆蓋度將不斷下降。有機(jī)質(zhì)與海拔呈顯著正相關(guān)。此外，草地土壤含水量與土壤容重和砂粒含量之間分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，表明隨著土壤變緊實(shí)與有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤含水量隨之降低。土壤容重與砂粒呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，表明表層土壤中砂粒含量越高，土壤容重越大，則有機(jī)質(zhì)含量就越低。綜上可知，草地覆蓋度同時(shí)受地形因子和土壤因子變化的影響。土壤因子的變化不但與地形變化有關(guān)，同時(shí)不同土壤因子間也存在相互作用。

表2 草地覆蓋度與立地因子的相關(guān)系數(shù)矩陣

2.5 草地覆蓋度的主控立地因子

草地覆蓋度受地形和土壤因子的影響較為復(fù)雜。分析不同立地條件對(duì)草地覆蓋度的影響，逐步剔除對(duì)草地覆蓋度影響較小的因子，從而得到影響草地覆蓋度的主控因子。當(dāng)土壤、地形因子同時(shí)作用于草地覆蓋度時(shí)，只有礫石含量和坡度因子被保留，其通徑系數(shù)分別為-0.297和-0.561(表3)，表明坡度變陡和礫石含量增加是導(dǎo)致草地覆蓋度下降的主要原因。同時(shí)，通徑系數(shù)表明坡度是影響草地覆蓋度的主控因子，礫石含量次之。當(dāng)土壤因子單獨(dú)作用于草地覆蓋度時(shí)，只有黏粒因子被保留，其通徑系數(shù)為-0.352，即表層黏粒含量增加是導(dǎo)致草地覆蓋度下降的主控因子。對(duì)于地形因子，篩選后坡度因子被保留，其通徑系數(shù)為-0.587，即坡度是影響草地覆蓋度的主控因子。當(dāng)?shù)匦?、土壤因子同時(shí)作用于草地覆蓋度時(shí)，方程擬合系數(shù)最高(表3)，表明草地覆蓋度受地形、土壤因子共同影響。

表3 用土壤和地形因子預(yù)測(cè)草地覆蓋度

3 討 論

不同立地環(huán)境因子對(duì)草地覆蓋度的影響不同。草地覆蓋度與坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)，原因在于在坡面生長的草本植物根系，一般不隨重力方向往下伸長生長而向兩側(cè)生長。隨坡度變陡，草本植物的根系形態(tài)從立體結(jié)構(gòu)變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu)，根系分布層變薄，即使在土壤疏松的坡面上，根系也難以侵入土壤深處，難以固定土層。當(dāng)坡面表層土壤缺水時(shí)，將造成非耐旱草本植物死亡[17]。同時(shí)，坡度越大，降雨后形成的地表徑流的沖刷力越大，從而導(dǎo)致土層變薄，土壤保水保肥能力下降[18]，草地覆蓋度隨之降低。草地覆蓋度與黏粒呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于黏粒增加導(dǎo)致土壤存在大量非活性孔隙，阻止毛管水移動(dòng)，使得雨水難以下滲，易在黏粒積聚層形成上層滯水，影響草地植物根系向下生長[19]。

土壤性質(zhì)間相互作用也會(huì)影響草地覆蓋度。土壤含水量與砂粒含量和土壤容重之間分別呈顯著負(fù)相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)，這是由于砂粒自身粒間孔隙大，降雨后易入滲，內(nèi)部排水快，但蓄水少蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致土表水汽由大孔隙散失。此外，容重增加，土壤孔隙度減小，滲透阻力加大致使土壤蓄水能力下降，土壤含水量相應(yīng)減少[20]。土壤容重與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，是由于有機(jī)質(zhì)本身是多孔體，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤總孔隙度就越大，土壤越疏松多孔，容重就越低[19]。土壤容重與砂粒呈顯著正相關(guān)，原因在于降雨后地表徑流首先沖刷侵蝕坡面細(xì)顆粒土壤，留下粗顆粒土壤，因此表層土壤中砂粒含量較高；其次調(diào)查樣點(diǎn)礫石較多，礫石的存在使得土壤容重總體提高[14]。總體而言，土壤容重增加，表層土壤含水量、有機(jī)質(zhì)降低，草地覆蓋度隨之下降。

地形因子中，海拔、坡向、坡位也通過影響土壤變化進(jìn)而影響草地覆蓋度的變化。海拔變化較大，會(huì)引起光、熱、水、土的分配不同，海拔越高，氣溫越低，空氣濕度越大，土壤中水分蒸發(fā)量越小，含水量就越高[21]，表層土壤中有機(jī)質(zhì)分解越緩慢，地表枯落物不易分解，有機(jī)質(zhì)較為容易積累，使得表層土壤有機(jī)質(zhì)隨海拔升高而增加[22]。此外，由于坡向不同，日射強(qiáng)度和時(shí)間有較大差異，導(dǎo)致土壤溫度和蒸發(fā)均不相同。陽坡為迎風(fēng)坡，由于太陽直射時(shí)間長，受熱量大，土壤溫度高，水分蒸發(fā)快，且研究區(qū)調(diào)查樣點(diǎn)多為砂質(zhì)土，粒間孔隙大，水分蒸發(fā)快，草地覆蓋度相對(duì)較低。陰坡為背風(fēng)坡與陽坡正好相反，則草地覆蓋度相對(duì)較高。坡底由于地勢(shì)低，容易匯集地表徑流，土壤含水量較高，草地覆蓋度也相對(duì)較高[23]。

不同立地條件下環(huán)境因子對(duì)草地覆蓋度的影響，既有土壤和地形的單獨(dú)作用，也有二者間的相互作用。地形因子雖不是影響草地覆蓋度的直接因素，但會(huì)影響土壤因子的變化，進(jìn)而引起草地覆蓋度的變化[24-25]。土壤、地形、草地覆蓋度三者之間的響應(yīng)反饋關(guān)系：隨海拔降低與土壤容重增大，土壤含水量和有機(jī)質(zhì)隨之減少，見圖4。草地覆蓋度隨坡度和表層黏粒的增加而降低，進(jìn)而引起水土流失。

圖4 土壤、地形和草地覆蓋度之間的反饋

4 結(jié) 論

1) 隨海拔降低與土壤容重增大，土壤含水量和有機(jī)質(zhì)隨之減少。草地覆蓋度隨坡度和表層黏粒的增加而降低，進(jìn)而引起水土流失。

2) 當(dāng)土壤和地形因子共同作用于草地覆蓋度時(shí)，坡度和礫石含量是影響草地覆蓋度的主控因子。

3) 研究區(qū)各樣點(diǎn)草地均發(fā)生不同程度的土壤侵蝕和草地退化現(xiàn)象，有9.4%的調(diào)查樣地可劃分為土壤侵蝕強(qiáng)烈的草地。每年春季正值草地生長恢復(fù)期，此時(shí)應(yīng)減少放牧，對(duì)草地退化和土壤侵蝕較嚴(yán)重的地區(qū)實(shí)行禁牧或圍欄封育，實(shí)現(xiàn)草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。