李永霞,邱邦桂,楊小林

(西藏農(nóng)牧學(xué)院,西藏 林芝 860000)

拉薩半干旱河谷區(qū)宜林地土壤水分影響因子分析

李永霞,邱邦桂,楊小林

(西藏農(nóng)牧學(xué)院,西藏 林芝 860000)

土壤水分是植被成活的主要限制因子之一,探究拉薩半干旱河谷宜林地土壤水分影響因子,可為區(qū)域植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。選取了河灘地、階地和坡麓地3種地類7個典型宜林地立地類型,通過實地調(diào)查,選擇土壤性狀、地形地貌、植被類型三大類環(huán)境要素10個土壤水分影響因子,采用相關(guān)性和主成分分析方法探討土壤水分的主導(dǎo)因素及其相互關(guān)系。研究結(jié)果表明:3種地類土壤水分環(huán)境影響因子關(guān)系存在一定差別,河灘地、階地表現(xiàn)基本一致,土壤含水量與環(huán)境因子之間相關(guān)性不顯著,環(huán)境因子之間相關(guān)顯著；坡麓地土壤水分與環(huán)境因子顯著相關(guān),環(huán)境因子間相關(guān)性也明顯。影響河灘地、階地土壤水分的主要因子為土壤性狀、其次為植被類型；影響坡麓地土壤水分因子地形地貌最強(qiáng)、植被類型次之、最后為土壤性狀。土壤水分是多因素共同作用的結(jié)果,3種地類主成分明確,對土壤水分解釋明顯,地形、植被、土壤是影響拉薩半干旱河谷土壤水分的主要因子。

土壤水分；環(huán)境因子；相關(guān)性；主成分分析；拉薩半干旱河谷

土壤水分是陸面生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)體系的重要組成部分,作為植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)條件,是研究植物水分脅迫、進(jìn)行植被恢復(fù)等相關(guān)研究的重要指標(biāo)之一[1-4]。土壤水分動態(tài)變化受多種環(huán)境因素影響,這是非常復(fù)雜和動態(tài)的,主要環(huán)境影響因子為:土壤因子(土壤類型、土壤密度、孔隙度等)、氣象因子(降水、氣溫、蒸發(fā)和太陽輻射等)、地形因子(坡向、坡位、坡度和海拔等)、植被因子(植被類型、蓋度等)及土地利用方式[5-6]。土壤水分受生境條件及其相互作用的共同影響,同時,地表植被類型、覆蓋范圍和生長量在一定程度上影響土壤含水量的變化。不同地區(qū)的研究結(jié)果有的相同,也有不同甚至相反,同一地區(qū)的不同時間段也是不同的[7-8]。因此,研究不同環(huán)境因子與土壤水分之間的關(guān)系,探討土壤水分變化的驅(qū)動機(jī)制,掌握土壤水分變化規(guī)律,才能采取相應(yīng)的節(jié)水措施,滿足人工植被對水的需求,提高天然降水利用效率。

拉薩半干旱河谷地區(qū)是西藏“一江兩河”的重點(diǎn)區(qū)域,長期以來由于特殊的自然地理條件及人為活動的過度干擾,生態(tài)問題日益突出,植被恢復(fù)困難。目前對拉薩半干旱河谷植被恢復(fù)的研究主要集中在立地類型劃分、植被生態(tài)特征及退化程度的分析[9-11]等方面,缺乏土壤水分特征及其影響因子相互關(guān)系的探討。針對拉薩河谷宜林地植被恢復(fù)的土壤水分主導(dǎo)因素尚不清晰以及植被建設(shè)中遇到的適宜性選擇問題,本文以拉薩半干旱河谷宜林地7個典型立地類型的土壤水分影響因子為對象,探討土壤水分特征,選取土壤厚度、土壤含水量、坡向等環(huán)境因子,利用相關(guān)性分析和主成分分析方法,闡明影響土壤水分的主導(dǎo)因素與相互關(guān)系,以期為區(qū)域生態(tài)建設(shè)和植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)選擇在拉薩河中下游河谷地帶(29°36′45″N,91°06′28″E),海拔3 650～3 800m,屬高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候。最高氣溫29.6℃,最低氣溫-16.5℃,年平均氣溫7.4℃；全年日照時間3 000h以上；年降水量為200～500(510)mm,集中在6—9月份；年相對濕度30%～50%,年蒸發(fā)量2 076.4～2 438.0mm,干濕指數(shù)3～7,年無霜期100～120d。屬于雅魯藏布江中游谷地亞高山灌叢、草原亞區(qū)植被區(qū)[12]。

研究區(qū)域宜林地立地按照河灘地、階地、山麓坡地3種地類,劃分為河灘地(高水位、低水位)厚土層砂礫土、階地厚土層棕壤、陰坡(上部、下部)厚土層棕壤、陽坡(上部、下部)厚土層砂壤等7個立地類型[11]。土壤主要為河灘地砂礫土、階地棕壤土、坡地砂壤土。河灘地、階地以楊樹(Populusspp.)、柳樹(Salixspp.)為主組成的人工林群落,坡麓地主要分布以架棚(Ceratostigmaminus)、砂生槐(Sophoramoorcroftiana)為主組成的落葉灌叢。

2 材料與方法

2.1試驗方法

每個宜林地立地類型設(shè)置20m×20m的典型樣地,每個樣地內(nèi)分別設(shè)置5個灌木和5個草本樣方,灌木5m×5m、草本1m×1m,共得到7個典型樣地、35個灌木樣方、35個草本樣方。調(diào)查內(nèi)容包括地形、土壤、植被類型等,樣地基本情況如表1所示。每個樣地設(shè)一個采樣點(diǎn),在采樣點(diǎn)按不同土層深度(0～20cm,20～40cm,40～60cm)采用便攜式時域反射儀(TDR)對土壤含水量進(jìn)行實時監(jiān)控,為期1年。樣地內(nèi)隨機(jī)采集3份0～60cm的土壤樣品,混合采用四分法取部分土壤樣品帶回實驗室,環(huán)刀法測定土壤容重和總孔隙度等物理性質(zhì),烘干法測定土壤含水率,重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量[13]。

表1 研究區(qū)典型樣地

注:表中數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[14]。

2.2影響因子的選擇與量化

調(diào)查區(qū)域位于高原半干旱河谷地,考慮到其地域的特殊性,以及選擇的因子要易于調(diào)查、具有穩(wěn)定性,且對土壤水分能起到?jīng)Q定性的作用。河灘地、階地雖屬不同的地類,但在高海拔的拉薩半干旱河谷地帶宜林地區(qū)域,二者植被類型基本相似。因此,將河灘地、階地歸為一類進(jìn)行分析,3種地類選擇調(diào)查因子:1)河灘地與階地選擇土壤含水量(X1)、土壤厚度(X2)、土壤容重(X3)、土壤總孔隙度(X4)、植被類型(X5)、石礫含量(X6)、有機(jī)質(zhì)含量(X7)；2)坡麓地選擇土壤厚度、土壤含水量、土壤容重、土壤總孔隙度、植被類型、石礫含量、有機(jī)質(zhì)含量、坡向(X8)、坡度(X9)、坡位(X10)。

對于定性指標(biāo),在做分析前必須對它們賦值量化。試驗區(qū)的氣候條件一致,因此沒有考慮氣候因子。

2.3水分因子的分級賦值標(biāo)準(zhǔn)

采用定性與定量相結(jié)合的方法,對土壤影響因子進(jìn)行了量化和分級處理,對統(tǒng)一量化的因子進(jìn)行相關(guān)性與主成分分析。采用經(jīng)驗法和專家咨詢法確定土壤影響因子分級賦值標(biāo)準(zhǔn)[15-16],其中數(shù)值型評價因子采用0—10標(biāo)準(zhǔn)化處理賦值,閾值型影響因子則具體分級后再作閾值處理(表2)。

表2 因子分級賦值

2.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013及SPSS 23軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1土壤影響因子相關(guān)性分析

土壤水分影響因子概括為3類環(huán)境要素,即:土壤性狀(土壤厚度、土壤容重、土壤總孔隙度、石礫含量、有機(jī)質(zhì))、地形地貌(坡向、坡度、坡位)和植被類型(灌叢、人工林、裸地)。按3類要素對各因子與樣地土壤含水量進(jìn)行相關(guān)性分析[17](表3、表4)。

3.1.1河灘地 階地土壤水分影響因子的相關(guān)性

表3表明,河灘地、階地土壤水分各影響因子之間有些是正相關(guān),有些是負(fù)相關(guān)。土壤含水量與植被類型、石礫含量、有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān),與土壤厚度、土壤總孔隙度呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性不顯著。表明研究區(qū)此地類的土壤水分與土壤性狀、植被類型均無顯著相關(guān)性。這可能與本地干旱少雨,蒸發(fā)量大,導(dǎo)致本地區(qū)土壤水分嚴(yán)重不足有關(guān)。

土壤有機(jī)質(zhì)與土壤厚度、總孔隙度和植被類型呈極顯著正相關(guān),與土壤容重和石礫含量呈極顯著負(fù)相關(guān),與土壤含水量不相關(guān),預(yù)示土壤肥力很大程度上能反映出土壤物理性質(zhì)。土壤容重與總孔隙度和植被類型呈顯著負(fù)相關(guān),與石礫含量正相關(guān),原因可能是植被能改善土壤結(jié)構(gòu)。

3.1.2坡麓地土壤水分影響因子的相關(guān)性

由表4可知,坡麓地土壤水分影響因子中,土壤水分:與植被類型、土壤容重和坡位呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.905,0.853,0.853；與有機(jī)質(zhì)、坡向顯著正相關(guān)；與土壤總孔隙度和土壤厚度呈負(fù)相關(guān)；與石礫含量和坡度有一定的相關(guān)性。表明研究區(qū)此地類的土壤水分與植被類型、土壤性狀、地形地貌均存在顯著相關(guān)性,土壤水分含量是多因素共同作用的結(jié)果。

表3 河灘地、階地土壤水分影響因子相關(guān)性分析

注:“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05)；“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

表4 坡麓地土壤水分影響因子相關(guān)性分析

注:“*”表示顯著相關(guān)(P<0.05)；“**”表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

坡向與土壤容重、植被類型、有機(jī)質(zhì)含量及坡位呈顯著正相關(guān),與土壤孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān),說明坡向與土壤水分蒸發(fā)有直接關(guān)系；土壤厚度與土壤容重、石礫含量、坡度及坡位呈極顯著負(fù)相關(guān),原因是坡度受自身重力和雨水侵蝕作用,土壤厚度減少,容易形成水土流失；土壤總孔隙度與植被類型、石礫含量、有機(jī)質(zhì)、坡向、坡度及坡位呈負(fù)相關(guān),說明土壤理化性質(zhì)受地形等環(huán)境因子影響很大。

3.2土壤水分影響因子主成分分析

通過對土壤水分影響因子的相關(guān)性分析可知,影響因子的相互作用存在一定的差異,通過主成分分析,找出影響土壤水分的主導(dǎo)因子(表5)。

表5 影響因子的主成分分析

3.2.1河灘地 階地水分影響因子主成分分析

由表5可知,河灘地、階地類,前2個主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到98.217%,主成分突出。其中,主成分Ⅰ貢獻(xiàn)率為71.776%,可以認(rèn)為第Ⅰ主成分承載了大部分因子的負(fù)荷系數(shù),土壤厚度、土壤總孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量因子負(fù)荷量較大,有機(jī)質(zhì)含量最大為0.27；第Ⅱ主成分中,石礫含量、植被類型2個因子的負(fù)荷系數(shù)較高。總體看來,第Ⅰ主成分承載了3個因子的負(fù)荷系數(shù),第Ⅱ主成分承載了2個,在6個因子中的這5個主成分因子是土壤性狀與植被類型的負(fù)荷系數(shù),對生境解釋明顯,主要影響河灘地、階地土壤水分含量。

綜合分析表明,影響拉薩半干旱河谷河灘地、階地土壤水分主要因子為土壤性狀、其次為植被類型。

3.2.2坡麓地土壤水分影響因子主成分分析

表5表明,坡麓地土壤水分影響因子主成分前2個的累積貢獻(xiàn)率為96.469%,主成分明確。其中主成分Ⅰ貢獻(xiàn)率59.295%,主成分Ⅱ貢獻(xiàn)率為37.175%,第Ⅰ主成分中土壤容重、坡位、坡度、石礫含量、植被類型、坡向因子的負(fù)荷系數(shù)較大；第Ⅱ主成分中有機(jī)質(zhì)、植被類型、坡向、土壤厚度的負(fù)荷系數(shù)較大,以有機(jī)質(zhì)含量負(fù)荷系數(shù)最大,為0.29。綜合第Ⅰ主成分6個因子和第Ⅱ主成分4個因子負(fù)荷系數(shù),坡向、植被類型在兩個主成分中都有較高的負(fù)荷系數(shù),可以認(rèn)為地形地貌與植被類型決定了坡麓地土壤水分狀況,同時與土壤性狀有很大關(guān)系。

綜合分析表明,影響拉薩半干旱河谷坡麓地土壤水分因子地形地貌最強(qiáng),植被類型次之,最后為土壤性狀。

4 結(jié)論

拉薩半干旱河谷河灘地、階地類宜林地土壤含水量與環(huán)境因子存在不顯著相關(guān)性；坡麓地土壤水分與環(huán)境因子存在顯著相關(guān)性。

河灘地、階地與坡麓地土壤水分影響因子主成分明確,對生境解釋明顯。該區(qū)河灘地、階地土壤水分主要影響因子為土壤性狀、其次為植被類型；坡麓地土壤水分主要影響因子為地形地貌最強(qiáng),植被類型次之,最后為土壤性狀。

本地區(qū)土壤水分主要來源于降水,土壤水分的存蓄受蒸發(fā)影響很大。黃錄基等[18]的研究表明,地形地貌影響太陽輻射,不同坡面之間土壤水分存儲量差異明顯,干季蒸發(fā)量相差1mm/d,南坡(陰坡)水分虧缺比北坡(陽坡)約大100mm。森林植被具有減弱地形影響太陽輻射的性能,使蒸發(fā)隨著地形的不同產(chǎn)生差異,這也可能是出現(xiàn)不同地類水分影響因子相關(guān)性差別的主要原因之一。

本研究表明,地勢比較平坦的河灘地與階地,土壤水分的空間變化與環(huán)境因子沒有顯著相關(guān)性,可能既與本地區(qū)干旱少雨,蒸發(fā)量大有關(guān),也與土壤發(fā)育不完全,土層薄、粗骨性[19]有關(guān),結(jié)果導(dǎo)致本地區(qū)土壤水分嚴(yán)重虧損,但環(huán)境因子影響不明顯。而坡麓地則不同,土壤水分的空間變化與環(huán)境因子表現(xiàn)出了顯著相關(guān)性,這可能與坡麓地土壤水分的變化直接受地形和植被的影響有關(guān)。

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SoilMoistureAffectingFactorsinSemi-aridValleyForestlandofLhasa

LI Yongxia,QIU Banggui,YANG Xiaolin

(XizangAgricultureandAnimalHusbandryCollege,Xizang860000,China)

Soil moisture is one of the main limiting factors in vegetation survival.The objective of this study is to provide a theoretical basis for vegetation restoration in semi-arid valley area in Lhasa by studying environmental factors that affected soil moisture.In this study,three land types(flood land,terrace and footslope)including 7 typical forestland sites were selected.In field investigation,a survey of 10 environmental factors that were classified into soil properties,topography and geomorphology,and vegetation types,was conducted.The major factors affecting soil moisture and relationship among factors were analyzed with correlation analysis and principal component analysis.The results showed that the relationships between soil moisture and environmental factors were inconsistent among 3 different land types,whereas the same relationship was found between flood land and terrace.There was a non-significant positive or negative correlation between soil moisture and environmental factors.However,significant positive correlations were found among environmental factors.In footslope area,the soil moisture was significantly related to the environmental factors,and the correlation between environmental factors was significant as well.The key factor affecting the soil moisture in flood land and terrace was soil properties first,followed by vegetation types.The strongest factors affecting soil moisture in footslope area were topography and geomorphology,and the vegetation type was next.The soil properties had the weakest influence.Soil moisture was the result of the effects of a number of environmental factors.For each land type,the principal components were definite,which had a clearly explanation for soil moisture.The topography,vegetation and soil type were major factors that affected soil moisture in semi-arid valley of Lhasa.

soil moisture,environmental factors,correlation,principal component analysis,semi-arid valley of Lhasa

S152.7

A

1002-6622(2017)05-0061-05

2017-07-11；

2017-08-25

國家科技支撐項目(2013BAC04B01)

李永霞(1982-),女,山東濟(jì)寧人,講師,碩士,主要從事森林培育研究。Email:759451613@qq.com

楊小林(1971-),男,甘肅秦安人,教授,博士,主要從事森林培育、生物多樣性保護(hù)研究。

Email:382965037@qq.com

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.011