王慶賀 , 趙志猛, 沈有信 *

1)中國科學院西雙版納熱帶植物園 熱帶森林生態(tài)學重點實驗室, 云南昆明 650000;

2)中國科學院大學, 北京 100049;

3)貴州師范學院地理與資源學院, 貴州貴陽 550018

喀斯特地貌約占全球陸地表面的12%～15%(Ford and Williams, 2013)。中國西南喀斯特區(qū)是世界三大喀斯特區(qū)之一, 地處典型的亞熱帶季風氣候背景, 喀斯特發(fā)育強烈(李彬, 1997; 趙中秋等, 2006; 張華等, 2021)。地區(qū)內(nèi)以碳酸鹽巖為主的巖石易受水的溶蝕, 經(jīng)過長期的差異性溶蝕作用,部分巖石裸露于地表, 稱之為露石(梁福源等, 2002;沈有信等, 2018)。露石與周圍的土壤斑塊交錯鑲嵌,共同形成多樣的異質(zhì)生境, 為喀斯特植物的生長提供了重要基質(zhì)(陳洪松等, 2013)。目前對露石上的生物殖居及其多樣性已有較多研究(徐海清等, 2006;李冰和張朝暉, 2009; 朱習愛等, 2016), 但關于露石其它生態(tài)功能, 尤其是露石徑流方面的研究仍然很少。

無論形態(tài)大小、是否與基巖相連, 生態(tài)系統(tǒng)中的露石均存在重要的生態(tài)功能, 對其所處環(huán)境的水文和地貌過程產(chǎn)生影響(沈有信等, 2018)。一般認為,與土壤斑塊相交的露石具有負生態(tài)功能, 一方面擠占了土壤空間, 另一方面阻礙了土壤間水分、養(yǎng)分的移動, 使得地區(qū)內(nèi)生物量的正常維持受到挑戰(zhàn)(Wang et al., 2016a)。另外, 與土壤相比, 露石表面溫度變化劇烈, 在極端干旱條件下可能使露石周圍的土壤水分快速流失, 進而降低土壤含水量, 制約植物的水分獲取(李生等, 2012; Li et al., 2014,2016)。更多研究則認為, 露石可扮演類似“漏斗”的功能, 將其承接的水分及營養(yǎng)物質(zhì)通過石面徑流輸出到附近的土壤斑塊, 提高鄰近土斑的含水量和養(yǎng)分含量(張志才等, 2008; G?ransson et al., 2014;Wang et al., 2016a, b), 因而造成土壤水分和養(yǎng)分在水平方向上的非均一性, 從而對生物多樣性的維持產(chǎn)生重要影響(Clements et al., 2006; Shen et al.,2019)。然而, 關于露石徑流輸出及其影響因素至今尚未完全清楚。

露石徑流與大氣降水息息相關, 水的下降環(huán)是完整水循環(huán)不可缺少的部分(戈峰, 2002)。很多情況下, 降雨需要經(jīng)過植物林冠再分配環(huán)節(jié)才能到達露石表面(張一平等, 2004)。林冠截流量可達降雨量的15%～30%, 樹種組成、林分結構、降雨特征和冠層特征均會對其產(chǎn)生影響, 但絕大部分大氣降水依舊能以穿透雨和滴落雨的林內(nèi)降水形式降落至地表和露石表面(陳書軍等, 2012; 袁一超等, 2013; 董玲玲等, 2018; 王瓊等, 2019)。地表露石承接降水輸入后,以徑流的方式將其輸出至土壤(王家文等, 2013), 有學者認為在這一過程中露石的理化性質(zhì)及其生物學特征可能是影響徑流輸出的重要因素(沈有信等,2018; Zhao et al., 2020), 但卻缺乏足夠實驗數(shù)據(jù)的支撐。

本研究選擇云南石林地區(qū)的石漠化、人工林、原生林三種不同生態(tài)系統(tǒng), 測定并對比不同降雨事件、不同植被覆蓋類型、不同露石承接面積、不同露石粗糙度下的露石徑流輸出, 闡明影響喀斯特露石徑流輸出的因素, 為揭示喀斯特地區(qū)露石對生態(tài)系統(tǒng)的影響提供新視角, 同時為喀斯特地區(qū)生境多樣性的成因提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省中部, 石林彝族自治縣東南部的蓑衣山(24°63′—24°64′ N, 103°33′—103°34′ E),海拔 1776～1789 m, 屬亞熱帶低緯度高原山地季風氣候, 夏秋半年(5—10月)為雨季, 冬春半年(11—4月)為旱季, 年平均降雨量939.5 mm, 80%～88%降雨事件發(fā)生在雨季。區(qū)內(nèi)年平均氣溫16.3 ℃, 每年3月是太陽輻射最大月, 月平均14.17 kcal/cm2, 最小月是11月, 月平均8.27 kcal/cm2。歷年平均日照時數(shù)2318 h, 日照率53%, 無霜期254天。土壤類型以紅壤和鈣質(zhì)土為主。我們選擇了當?shù)氐湫偷娜N生態(tài)系統(tǒng)(圖1):

圖1 研究區(qū)示意圖(a)、石漠化生態(tài)系統(tǒng)徑流收集裝置(b)、人工林生態(tài)系統(tǒng)徑流收集裝置(c)和原生林生態(tài)系統(tǒng)徑流收集裝置(d)Fig. 1 Location of the study area (a), runoff water collection systems in rocky desertification ecosystem (b), runoff water collection systems in forest plantation ecosystem (c), and runoff water collection systems in primary forest ecosystem (d)

(1)石漠化生態(tài)系統(tǒng)。喬灌木被當?shù)卮迕翊罅靠撤? 植被覆蓋以扭黃茅(Heteropogon contortus)、鬼針草(Bidens pilosa)等草本植物及白刺花(Sophora viciifolia)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等灌木為主。露石表面光滑, 粗糙度低。

(2)人工林生態(tài)系統(tǒng)。人工種植的云南松(Pinus yunnensis)林, 植株高于露石, 栽植間距和林冠空隙較小, 林地郁閉度60%, 露石表面較為粗糙。

(3)原生林生態(tài)系統(tǒng)。受到良好保護的封閉的原生森林, 多為高大喬木, 主要樹種以滇青岡(Cyclobalanopsis glaucoides), 清香木(Pistacia weinmannifolia), 黃連木(Pistacia chinensis)等為主,森林郁閉度在 90%以上, 林冠空隙小, 露石表面粗糙且多有苔蘚植物附著生長。

1.2 日降雨量及露石徑流量的測量

每個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi), 隨機選擇 10個露石并安裝自制的徑流收集裝置(趙志猛等, 2018), 在每個露石旁邊設置直徑為25 cm的漏斗收集降水, 換算出每次降雨后的露石承接降雨量, 石漠化生態(tài)系統(tǒng)的露石承接降雨量的平均值可視為研究地區(qū)的降雨量。在降雨充沛的 8月, 以日為單位收集并測量降雨及露石徑流, 至9月初, 共記錄10次降雨事件, 其中小雨(0～10 mm)3次, 中雨(10～25 mm)3次, 大雨(25～50 mm)3次, 暴雨(50～100 mm)1次。為方便統(tǒng)計分析, 用露石徑流深R(mm)表示單位面積下的露石徑流量, 公式如下:

R=W/10F

其中,W為徑流總量(mL),F為露石承接面積(cm2)。

林內(nèi)降雨量低于 3 mm時, 多個露石并沒有檢測到徑流的存在, 意味著露石承接的降雨全部被其表面吸收。觀測期間, 出現(xiàn)一次偶降暴雨(72.31 mm), 少量露石的實際徑流量超過了試驗預設的測量裝置(10 L)量程, 只能按照最大量程記錄露石徑流量, 在計算平均值時, 可能低估。

1.3 露石特征的測量

1.3.1 露石承接面積的測量

使用坡度計測量露石坡度, 隨后在露石旁設置標尺, 相機拍照收集框后用Image J軟件處理圖片,得到露石徑流收集框的面積, 利用框架面積乘以所對應露石坡度的正弦值即可求得與該露石徑流收集框相對應的承接(投影)面積。

1.3.2 露石粗糙度的測量

通過自制的表面輪廓曲線儀測量露石表面的粗糙度(杜時貴和葛軍榮, 1999)。將輪廓曲線儀沿垂直方向固定放置, 使基準底座緊貼露石表面, 將觸頭勻速從儀器一端移動到另一端(取樣長度20 cm),即可繪制露石粗糙度曲線, 取曲線的最高點與基準面差值作為粗糙度度量值。在露石徑流收集框架的面積內(nèi)沿橫向縱向各進行3次取樣, 取平均值。

1.3.3 降雨-露石徑流轉化系數(shù)的計算

降雨-露石徑流轉化系數(shù)為某一露石的徑流輸出量占其對應承接降雨量的比例, 具體計算如下:

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析和 LSD比較不同降雨量下、三種生態(tài)系統(tǒng)下、不同粗糙度下的露石徑流量(深)差異, 對降雨量、露石的粗糙度與露石徑流量(深)進行相關分析并進行顯著性檢驗。所有數(shù)據(jù)運算和統(tǒng)計繪圖均在Origin 2018和IBM SPSS 22.0中完成。

2 結果與分析

2.1 露石承接降雨量與露石徑流量

露石承接降雨量的變化范圍較大, 其最小值為20.36 mL, 最大值為30 670.26 mL; 露石徑流量的最小值為0 mL, 最大值為10 000 mL, 露石徑流量與其承接的降雨量兩者間存在極顯著的正相關關系(圖 2,r=0.945,P＜0.01), 且二者均與露石承接面積高度相關(r＞0.8,P＜ 0.01)。因三類生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的露石承接面積存在顯著差異(圖 3,F=28.91,P＜0.05),人工林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的露石承接面積顯著大于石漠化生態(tài)系統(tǒng)和原生林生態(tài)系統(tǒng), 但石漠化生態(tài)系統(tǒng)的露石承接面積與原生林生態(tài)系統(tǒng)的露石承接面積差異不顯著。為了消除三類不同生態(tài)系統(tǒng)下露石承接面積的差異對結果的影響, 后文統(tǒng)一使用露石徑流深R來表示露石徑流輸出。

圖2 不同露石承接降雨量對應的露石徑流量Fig. 2 Runoff of rock outcrops under different rainfalls received

圖3 三類生態(tài)系統(tǒng)露石承接面積的差異(＊表示差異達到顯著(P ＜ 0.05))Fig. 3 Differences of receiving area of rock outcrops in three types of ecosystems(＊indicates a significant difference (P ＜ 0.05))

2.2 露石徑流輸出的影響因素

2.2.1 降雨量對露石徑流輸出的影響

實驗所記錄的降雨量變動于 3.92 mm到72.31 mm之間, 而對應的平均露石徑流深(n=30)于1.68 mm到24.35 mm之間。露石徑流深隨降雨則變動量的增加而顯著增加(圖4)。另外, 隨著降雨量的增加, 露石徑流深的誤差有逐漸增大的趨勢,露石徑流深最小時對應的誤差僅為 0.69 mm, 而最大徑流深時誤差則達到了6.23 mm。

圖4 降雨量與露石徑流深之間的關系(誤差線表示露石徑流深均值的標準差(±))Fig. 4 Relationship between rainfall and runoff depth of rock outcrops (Error bars indicate the standard deviation (±)of the mean value of runoff depth of rock outcrops)

2.2.2 林冠覆蓋對露石承接降雨量及徑流輸出的影響

三類生態(tài)系統(tǒng)的露石承接降雨量存在顯著差異(F=56.02 ,P＜0.05)。不同降雨量下, 三類生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)露石承接降雨量均表現(xiàn)為石漠化生態(tài)系統(tǒng)顯著高于人工林及原生林, 而人工林的露石承接降雨量與原生林差異不顯著。

三類生態(tài)系統(tǒng)的露石徑流輸出存在顯著差異(F=21.362,P＜0.05)。不同降雨量下, 三類生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)露石徑流輸出均表現(xiàn)為石漠化生態(tài)系統(tǒng)顯著高于人工林及原生林。中雨和大雨時, 人工林內(nèi)露石徑流輸出與原生林內(nèi)露石徑流輸出差異不顯著; 而在小雨時, 人工林內(nèi)露石徑流輸出與原生林內(nèi)露石徑流輸出之間的差異顯著(圖5)。

圖5 不同降雨量下三類生態(tài)系統(tǒng)露石承接降雨量及徑流深差異(組內(nèi)不同小寫字母表示差異達到顯著(P ＜ 0.05))Fig. 5 Differences in rainfall received by rock outcrops and rock outcrop runoff depths in three types of ecosystems under different rainfall (Different lowercase letters in a group indicate a significant difference (P ＜ 0.05))

2.2.3 露石的粗糙度對露石徑流輸出的影響

露石粗糙度與露石徑流深之間存在顯著的負相關關系(r= –0.581,P＜0.01), 即露石徑流輸出隨著露石粗糙度的增加而減小(圖6)。相較于石漠化生態(tài)系統(tǒng), 兩類林地生態(tài)系統(tǒng)的露石徑流深變異更小, 但這兩類林地生態(tài)系統(tǒng)的露石徑流深變異差別不大。另外, 三類生態(tài)系統(tǒng)的粗糙度存在顯著差異(F=81.41,P＜0.05), 原生林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)平均露石粗糙度為2.891 cm, 顯著高于人工林(1.211 cm)和石漠化生態(tài)系統(tǒng)(0.653 cm)平均值(圖7)。

圖6 露石粗糙度與露石徑流深之間的關系(誤差線表示露石徑流深均值的標準差(±))Fig. 6 Relationship between roughness and runoff depth of rock outcrops (error bars indicate the standard deviation (±)of the mean value of runoff depth of rock outcrops)

圖7 三類生態(tài)系統(tǒng)露石粗糙度的差異(不同小寫字母表示差異達到顯著(P ＜ 0.05))Fig. 7 Differences in roughness of rock outcrops in three types of ecosystems (Different lowercase letters indicate a significant difference (P ＜ 0.05))

2.3 降雨-露石徑流的轉換系數(shù)

三類生態(tài)系統(tǒng)中降雨-露石徑流轉換系數(shù)之間存在顯著差異(F=3.58,P＜0.05)。石漠化生態(tài)系統(tǒng)的轉換系數(shù)顯著高于人工林和原生林。在多數(shù)情況下,人工林生態(tài)系統(tǒng)的降雨-露石徑流轉換系數(shù)與原生林差異不顯著(表1)。但是, 在降雨量為小雨時, 人工林生態(tài)系統(tǒng)的降雨-露石徑流轉換系數(shù)與原生林之間的差異達到了顯著水平。

表1 不同降雨量下三類生態(tài)系統(tǒng)的降雨-露石徑流轉換系數(shù)及其差異Table 1 Conversion coefficients of rainfall to runoff of rock outcrop and their differences in three types of ecosystems under different rainfall

3 討論

喀斯特地貌是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要景觀組分。其中, 水被認為是喀斯特的生命線, 是喀斯特地區(qū)豐富生物多樣性的重要成因之一。在有露石的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi), 降水除經(jīng)林冠分配外, 還需經(jīng)過露石的再分配才下落到地表, 深刻影響系統(tǒng)內(nèi)的植物和土壤動物的生存與分布。林冠對降水再分配的影響研究已較多, 但露石對降水的再分配研究及其影響因子的關注還很少, 既限制了喀斯特石漠化形成機制的認識, 又制約著相應的植被恢復與生物多樣性保護方略的制訂。

降雨-露石徑流轉換系數(shù)是衡量降雨匯集為露石徑流的指標, 其系數(shù)越大說明降雨轉換為露石徑流的比例越高。從平均值來看, 所研究的三類生態(tài)系統(tǒng)中的降雨-露石徑流轉換系數(shù)在0.35～0.50之間變動, 即只有約 40%左右的降水會以徑流形式輸出到地表, 其余的60%則以各種形式“損失”。不同降雨量下和不同生態(tài)系統(tǒng)間的降雨-露石徑流轉換系數(shù)會有一些差異(表 1), 高降雨量下的降雨-露石徑流轉換系數(shù)低于低降雨量下的降雨-露石徑流轉換系數(shù), 林內(nèi)的降雨-露石徑流轉換系數(shù)小于林外的降雨-露石徑流轉換系數(shù)。而趙志猛(2020)等認為林內(nèi)林外的降雨-露石徑流轉換系數(shù)差異不大。這可能與計算的基數(shù)有關, 趙志猛等計算的是年度轉化系數(shù), 而我們計算的基數(shù)是單日降雨量, 時間跨度差異較大。

在露石承接大氣降水或穿透雨并將其再分配于土壤的過程中, 受到諸多因素的影響。露石的承接面積(圖 3), 降雨量的時空差異(圖 4), 上覆植被(圖 5), 露石的表面粗糙度(圖 6)都將影響露石石面徑流輸出。因而相同的降水條件下, 可能推動了不同生態(tài)系統(tǒng)、不同大小, 不同石面特征的露石產(chǎn)生不同的石面徑流過程和結果。同樣, 不同的降水事件發(fā)生時, 將推動生態(tài)系統(tǒng)的單個露石或露石群體產(chǎn)生不同的石面徑流及其生態(tài)水文效應, 從而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

露石承接降雨并將其以徑流形式輸出, 既是喀斯特降水再分配過程的最后階段, 也是控制其露石徑流輸出的最后一環(huán)。這些徑流將推動地表的坡面水土流失(蔣若涵等, 2020), 形成優(yōu)先流, 推動土壤斑塊內(nèi)的水分運移(Zhao et al., 2018); 同時, 徑流中較高含量的有機碳和氮磷鉀等內(nèi)含物也隨之移動(Wang et al., 2016b), 從而影響地表的土壤水分和養(yǎng)分的時空格局, 形成異質(zhì)性斑塊(Shen et al., 2019),這或許是喀斯特區(qū)域生境多樣性形成的重要機制,將為更多的生物的存留、生存和繁育提供生境。我們的研究很好地解釋了降水事件后的露石徑流輸出及其影響因素, 為進一步詮釋露石在喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中的功能奠定了基礎。但喀斯特生態(tài)系統(tǒng)在全球的分布范圍很廣, 各區(qū)域在降水、生物和露石物理化學性質(zhì)方面差異巨大。我們也只選取了部分降雨事件, 時間跨度有限, 并且僅考慮了露石的粗糙度,未涉及露石其它的物理、化學特征, 因此, 需要更多時間序列、大范圍尺度的測量, 來揭示露石的徑流規(guī)律和影響因子。

4 結論

本研究通過分析三類典型喀斯特生態(tài)系統(tǒng)在不同降雨事件下的降雨量和露石徑流量, 探究影響露石徑流輸出的因素, 得到以下結論:

(1)露石承接降雨并輸出到鄰近的土壤斑塊, 徑流輸出量與承接面積成正相關關系。

(2)降雨量與露石徑流輸出呈正相關關系, 決定露石徑流輸出上限; 有林冠覆蓋露石的徑流輸出小于石漠化; 露石粗糙度與露石徑流輸出呈負相關關系。

(3)石漠化生態(tài)系統(tǒng)的降雨-露石徑流轉換系數(shù)顯著大于兩類林地生態(tài)系統(tǒng), 兩類林地生態(tài)系統(tǒng)的轉換系數(shù)差異僅小雨時顯著; 降雨量大小是影響降雨-露石徑流轉換系數(shù)的重要因素。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41671031), Chinese Academy of Sciences (No. 2017XTBG-F01), and National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFC0502503).