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        黃土丘陵溝壑區(qū)微地形對土壤水分及生物量的影響

        2012-05-07 11:07:06鄺高明朱清科劉中奇
        水土保持研究 2012年3期
        關(guān)鍵詞:溝壑區(qū)原狀土壤水分

        鄺高明,朱清科,劉中奇,2,趙 薈,3,王 晶

        (1.北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京10008;2.內(nèi)蒙古民族大學,內(nèi)蒙古 通遼02804;3.國家林業(yè)局 昆明勘察設(shè)計院,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的主要因素,而影響降雨在土壤再分配過程中的一個重要因素是地形地貌因素[1-2]。目前,國內(nèi)涉及到土壤水分時空分布規(guī)律研究的多集中在三個尺度,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,對于坡面及其小流域的研究多是對坡向、坡度、坡位、海拔高程[9-11]等地形因子對土壤水分分布的影響,在黃土高原復雜的溝壑系統(tǒng)中,這方面的研究對于生態(tài)修復建設(shè)有一定指導意義,但是地形因子的分析對于精確的“因地制宜,適地適樹”還是不夠的,目前缺少對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)侵蝕嚴重、地形破碎,坡面上大致分布有切溝、淺溝、塌陷、緩臺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,進而導致土壤水分及植被在坡面上分配的差異性。本文通過實地量測和對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,為坡面植被恢復提供科學依據(jù)和指導。

        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,封禁后恢復起來的草本群落以百里香(Thymus mongolicus)、鐵桿蒿(Artemisia gmelinii)、茭 蒿 (Arte misia giralaii)、長 芒 草 (Stipa bungeana)、達烏里胡枝(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、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;緩臺指坡面局部坡度明顯小于整個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)。微地形改變了整個坡面的承雨面和水分運移路徑,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行調(diào)查,該流域經(jīng)過10余年的封育修復,植被群落類型和生長時間基本一致,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)因素及植被因素對于土壤水分在坡面上空間分布差異性的影響。測定時間選擇在7月初,之前一段時間并無明顯的降水,坡面土壤水分含量相對穩(wěn)定。

        采用樣方調(diào)查與隨機取樣結(jié)合的方法:樣地尺寸20m×20m,在樣地內(nèi)以“對角線法”確定5個1m×1m的小樣方,同時選取一個能代表所研究坡面的典型樣方,利用小秤測定地上鮮生物量。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決定了植被的生長狀況,因此用TRIME—EZ型號的探針式TDR(time—domain—reflectometry)分別測定每個采樣點0—20cm,20—40cm,40—60cm三層的土壤體積含水量,每一層測定3次,每次探針的方向旋轉(zhuǎn)120°,取3次的平均值作為該測點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 利用SPSS軟件對各樣方的土壤水分進行兩兩配對的Wilcoxon秩檢驗,揭示原狀坡與各類微地形不同土壤深度水分的差異性。Wilcoxon秩檢驗適用于配對資料的差異比較,如果計算結(jié)果中P值小于0.05、說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計學意義上的顯著差異,如果P值小于0.01、說明兩組數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計學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,是各層土壤水分標準差與均值的比值,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軟件對各類微地形的數(shù)據(jù)進行兩兩配對樣本W(wǎng)ilcoxon秩檢驗,檢驗結(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,因此在對坡面進行人工植被恢復建設(shè)時對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。因此在進行人工植被恢復建設(shè)時可以考慮將這4種微地形區(qū)別對待,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行統(tǒng)一植被配置的模式,進一步提高“因地制宜,適地適樹”的精準度。

        表1 土壤水分的差異性檢驗

        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為切溝>塌陷>緩臺>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>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土壤含水量僅為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、緩臺及切溝在植被配置時應(yīng)選擇比原狀坡高一等級的植被配置模式;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,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)的按照等高線進行植被配置的模式、更好地實現(xiàn)“因地制宜、適地適樹”提供了科學的參考依據(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,降雨時雨水首先進入該層,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。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。這是由于該層遠離地表,上層雨水下滲到該層需要很長時間、土壤水分蒸發(fā)量很小,使得該層的土壤水分相對穩(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為塌陷>切溝>淺溝>原狀坡>緩臺>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的重要因素。而緩臺內(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處沖刷力大,導致植被在緩臺處生長困難,因此在進行植被恢復時,需對緩臺處輔助適當?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為塌陷>緩臺>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、緩臺及切溝的水分條件明顯優(yōu)于原狀坡,在植被配置時應(yīng)選擇比原狀坡高一等級的植被配置模式,但緩臺在植被配置前需進行一定的整地措施,減少徑流對緩臺表面的沖刷;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,在植被配置時應(yīng)選擇比原狀坡低一等級的植被配置模式。

        (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,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為塌陷>切溝>淺溝>原狀坡>緩臺>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,而植被消耗根層土壤水分,減少地表水分的蒸發(fā),進而影響土壤水分在不同深度土層的分布。

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