茍嘉皓，吳世祥，何 聰，胡翠華，楊 丹,2，劉守江,2,3

(1.西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院，四川 南充 637009；2.四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測與控制工程實驗室，四川 南充 637009；3.西華師范大學(xué)嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

【研究意義】元謀干熱河谷位于我國西南地區(qū)，該地區(qū)侵蝕溝充分發(fā)育，大面積發(fā)生溝蝕崩塌，水土流失嚴(yán)重。并且該地區(qū)氣候干燥，降雨少且年降雨量分配不均，蒸發(fā)量大，土壤水分較低。植物生長與土壤情況密切相關(guān)，而土壤水分是影響植物生長發(fā)育的重要因素之一，尤其在干熱河谷地區(qū)，土壤水分是制約當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)的主要限制因子[1]，在侵蝕溝發(fā)育的元謀干熱河谷地區(qū)，植被恢復(fù)[2]和生態(tài)保護(hù)對治理當(dāng)?shù)厮亮魇?、恢?fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境尤為重要，故對當(dāng)?shù)赝寥篮颗c植被關(guān)系的研究顯得非常必要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】從文獻(xiàn)查詢結(jié)果看，元謀干熱河谷針對土壤部分主要集中在土壤質(zhì)量評價[3]、土壤機(jī)械組成[4]、土壤水分研究[5-6]等方面，在植被方面主要有沖溝形態(tài)[7-8]、微地形[9]等因素的影響。而對于該區(qū)土壤水分與植物多樣性的關(guān)系研究較少。【本研究切入點】本研究從元謀干熱河谷典型侵蝕溝的土壤水分情況入手，分析土壤含水量對植物生長的反饋，研究該區(qū)不同部位土壤含水量與植物多樣性關(guān)系，為元謀干熱河谷的生態(tài)恢復(fù)與水土保持工作提供參考和借鑒?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過元謀干熱河谷不同部位土壤含水量與植物多樣性指數(shù)之間的相關(guān)性，以分析當(dāng)?shù)厮謱χ参锶郝涞挠绊懗潭?，為侵蝕溝內(nèi)植被恢復(fù)與沖溝有效治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

元謀干熱河谷位于滇中高原北部的金沙江一級支流一龍川江下游，介于東經(jīng)101°35′～102°05′、北緯25°25′～26°07′，海拔位置980～1400 m。研究區(qū)選取的是云南省楚雄自治州元謀縣沙地村、金雷村、小雷宰3個樣區(qū)。樣區(qū)多年平均氣溫21.9 ℃，最冷月(12月)均溫15.4 ℃，最熱月(5月)均溫27.2 ℃，日照時數(shù)2550～2744 h，日照百分率為60%，光照充足，熱量條件好且蒸發(fā)量大；年降雨量600.9 mm，表現(xiàn)為夏季降雨少而集中，氣候炎熱干燥。自然植被方面為稀樹灌草叢，禾草為主，喬木稀少，灌木草本發(fā)育較好，喬木以桉樹(EucalyptusrobustaSmith)為主，灌木以車桑子[Dodonaeaviscosa(L.)Jacq.]、銀合歡[Leucaenaleucocephala(Lam.)de Wit.]和小桐子(JatrophacarcasL.)為主，草本主要為扭黃茅[Heteropogoncontortus(L.)Beauv.]、茅草[Imperatacylindrica(L.)Beauv.]和孔穎草[Bothriochloapertusa(L.)A.camus.]等[10]。土壤以燥紅土和變性土為主[9]。

1.2 研究方法

樣方設(shè)置與數(shù)據(jù)采集,研究樣區(qū)位于元謀干熱河谷侵蝕溝發(fā)育較為典型的沙地村、金雷村、小雷宰，根據(jù)研究樣區(qū)侵蝕溝與植被的實際狀況，于2019年7月中旬進(jìn)行了為期10 d的野外調(diào)查與數(shù)據(jù)收集。分別在沙地村、金雷村和小雷宰地區(qū)選取4、3和5條典型侵蝕溝作為土壤和植被的采樣區(qū)。其中，植被數(shù)據(jù)通過樣方法進(jìn)行采集，在每條侵蝕溝內(nèi)設(shè)置10 m×10 m的喬木樣方1個，并在每個喬木樣方內(nèi)設(shè)置5 m×5 m的灌木樣方2個，然后在每個灌木樣方內(nèi)設(shè)置以1 m×1 m草本樣方2個，3個樣區(qū)共計設(shè)置了72個植物樣方，統(tǒng)計其植物物種數(shù)、各物種的株數(shù)，并對植物蓋度、高度等指標(biāo)進(jìn)行觀測和記錄，研究區(qū)植被基本情況如表1所示。為了提高土壤數(shù)據(jù)可靠性和精度，利用環(huán)刀在每條侵蝕溝的集水區(qū)、溝頭、溝床分別各采集2個表層土壤，其中1個用于重復(fù)實驗，每條侵蝕溝共計6個環(huán)刀土樣，3個樣區(qū)共計72個土樣。將采集的土壤帶至室內(nèi)，在土壤實驗室內(nèi)采用烘干法進(jìn)行土樣處理，獲得土壤的干重，計算出每個樣地對應(yīng)不同部位的土壤含水量。

表1 研究區(qū)植被基本情況

1.3 計算公式

植物多樣性指數(shù)可用來反映植物物種豐富程度和植物的生長狀況，其中主要有Margalef豐富度指數(shù)Ma、香濃維納指數(shù)H′、辛普森指數(shù)D、Pielou均勻度指數(shù)E等[11]。

Margalef豐富度指：

Ma=(S-1)/lnN

(1)

Shannon-Wiener指數(shù)：

H′=-∑(PilnPi)

(2)

Simpson指數(shù)：

(3)

Pielou 均勻度指數(shù)：

E=H/Hmax

(4)

式中，Pi為第i種個體數(shù)占群落中總個體數(shù)的比例，S為群落中物種總數(shù)，N為觀察到的個體數(shù)，H為實際觀察的物種多樣性指數(shù)，Hmax為最大的物種多樣性指數(shù)。

土壤含水量(%)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100%= 水重/烘干土重×100%

采用Excel軟件對所獲取的野外數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并使用OriginPro 9擬合趨勢線，運用SPSS22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，為元謀干熱河谷植物多樣性與土壤含水量之間的關(guān)系研究提供參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕溝不同部位土壤含水量與植物多樣性指數(shù)基本情況

由表2可知，研究樣區(qū)侵蝕溝集水區(qū)的土壤含水量在4.49%～18.59%；溝頭土壤含水量在3.69%～17.36%；溝床土壤含水量在2.51%～20.96%；土壤總體平均含水量在4.33%～17.29%。由此可見，研究樣區(qū)集水區(qū)、溝頭、溝床、總體平均含水量均在25%以下，表明研究樣區(qū)土壤較為干旱，說明水分成為植物分布和生長的限制因子，對植物生長發(fā)育具有重要的影響。

表2 各侵蝕溝不同部位土壤含水量基本情況

由圖1可知，3個樣區(qū)中，小雷宰的總體土壤含水量大大低于沙地村與金雷村，可能是因為小雷宰地區(qū)植被蓋度較大，生長發(fā)育較好，植被對土壤水分有更多的需求，土壤含水量也就更低；沙地村的土壤含水量大于小雷宰，可能是因為沙地村位于城郊且靠近龍川江，由此獲得的降雨量和水分均大于小雷宰；但沙地村的土壤含水量較金雷村相比要低，可能是因為沙地村植被物種較金雷村豐富，沙地村主要以燥紅土為主，而金雷村為變性土，燥紅土比變性土更有利于植被的生長[9]，因此植被生長發(fā)育較好，尤其是有桉樹等需水量較大的植被生長，土壤中的水分可能被植被吸收較多，導(dǎo)致該地區(qū)土壤含水量不及金雷村，所以沙地村土壤含水量<金雷村土壤含水量。在總體上，侵蝕溝各部位的平均含水量情況：溝床(12%)>溝頭(11%)>集水區(qū)(10%)，這與吳漢[5]等前人的研究不完全一致，原因可能是調(diào)查期間剛好是雨季，溝床積水偏多，土壤含水量總體提高所致。

圖1 侵蝕溝不同部位平均含水量區(qū)域分異

研究區(qū)共調(diào)查到36種植物，每個樣方調(diào)查到的植物物種數(shù)在10～14，平均每個樣方約有12個物種；研究區(qū)調(diào)查到喬木、灌木、草本植物共計1132株，每個樣方株樹數(shù)在56～125，平均每個樣方約有94株，最高最低差69株。研究區(qū)侵蝕溝植物多樣性指數(shù)基本情況見表3所示。研究區(qū)的豐富度指數(shù)Ma數(shù)值范圍為1.890～3.040，平均值為2.470，極差值為1.150；香濃維納指數(shù)H′范圍為1.841～2.289，平均值為2.094，極差值為0.448；辛普森指數(shù)D范圍為0.787～0.870，平均值為0.836，極差值為0.083；Pielou均勻度指數(shù)E范圍為0.794～0.904，平均值為0.840，極差值為0.110。由此可見，研究區(qū)植物物種總體較少，而且分布較為不均衡，侵蝕溝生境較為脆弱，受到外界因素影響較大，侵蝕溝生態(tài)環(huán)境亟待恢復(fù)與治理。在3個樣區(qū)中，沙地村的香濃維納指數(shù)H′、辛普森指數(shù)D、Pielou均勻度指數(shù)E的平均值均優(yōu)于其他兩地，原因在于沙地村相對金雷村和小雷宰而言，獲取龍川江的水分更為容易，植物群落喬灌草層較為完整，植物群落更為穩(wěn)定。小雷宰豐富度指數(shù)Ma、香濃維納指數(shù)H′的極差值均為最大，說明該區(qū)植物物種數(shù)目分布不均衡、群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度差異較大。

表3 植物多樣性指數(shù)基本情況

2.2 不同部位土壤含水量與植物多樣性指數(shù)相關(guān)分析

利用SPSS22.0分析軟件，在數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布的前提下，對侵蝕溝不同部位含水量與植物的多樣性指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，分析其間的關(guān)系。從表4可知，在所選樣區(qū)，土壤含水量與植物多樣性的相關(guān)性總體趨勢上以正相關(guān)為主，表明土壤含水量越高有助于當(dāng)?shù)刂参镂锓N的分布和生長發(fā)育，但顯著性較低，可能是由于調(diào)查時間在雨季，侵蝕溝水土流失較為嚴(yán)重，地形和降水對植被的影響更為顯著。通過各多樣性指數(shù)與不同部位含水量相關(guān)系數(shù)可看出，溝床含水量與豐富度指數(shù)Ma的相關(guān)性呈負(fù)相關(guān)(-0.146)，這可能是因為豐富度指數(shù)Ma反映的是植被的組成，與物種數(shù)成正比，與個體分布情況無關(guān)[12]，溝床含水量較其他部位高，植物優(yōu)勢種對水的利用更為有效，生長更為迅速，從而占據(jù)了其他物種的生境條件；溝頭含水量與均勻度指數(shù)E的相關(guān)性也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(-0.164)，可能是因為均勻度指數(shù)反映物種個體的相對豐富度，溝頭區(qū)域灌草生長較好，土壤含水量的增大加劇了種間競爭，從而使物種間個體所占比例下降。總體上，研究樣區(qū)土壤含水量對植被多樣性具有一定影響，但影響較小，從中找出相對影響較大的部位，加強對該部位的后續(xù)研究。

表4 侵蝕溝不同部位含水量與多樣性指數(shù)Pearson相關(guān)性

2.3 趨勢擬合分析

對樣區(qū)不同部位土壤含水量與植物多樣性進(jìn)行趨勢擬合分析，從圖2可知，在集水區(qū)與溝床區(qū)域，豐富度指數(shù)Ma、香濃維納指數(shù)H′、均勻度指數(shù)E以及辛普森指數(shù)D均隨土壤含水量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，原因可能是集水區(qū)與溝床相對溝頭地勢平緩，植物對水分的有效利用有助于植物的生長；在溝頭區(qū)域，豐富度指數(shù)Ma、香濃維納指數(shù)H′、辛普森指數(shù)D隨含水量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，而均勻度指數(shù)E呈現(xiàn)下降的趨勢。總體上看，多樣性指數(shù)的變化趨勢并不明顯，這說明在濕季，樣地區(qū)域內(nèi)土壤水分對植被的生長有一定的促進(jìn)作用，但是土壤水分并非影響植被生長的關(guān)鍵因素，地形因素占據(jù)一部分。在濕季，降雨會造成對土壤的沖刷，發(fā)生侵蝕溝的側(cè)蝕以及溯源侵蝕，都一定程度上影響著植被的生境。通過比較侵蝕溝3個不同部位與植物多樣性的相關(guān)關(guān)系，以正相關(guān)為主，集水區(qū)部位的土壤含水量與植物多樣性指數(shù)的相關(guān)性最為強烈，表明集水區(qū)部位的土壤含水量變化可能對植物物種的生長發(fā)育影響較大，需加強對集水區(qū)部位土壤含水量變化的關(guān)注。

圖2 不同部位含水量與植物多樣性指數(shù)的關(guān)系

2.4 各樣地不同部位含水量與植物多樣性指數(shù)相關(guān)分析

對樣區(qū)總體上進(jìn)行了不同部位含水量與植被多樣性的相關(guān)分析，得出土壤含水量在時間空間的限制下對植被多樣性影響較小?，F(xiàn)從各樣地之間進(jìn)行土壤含水量與植被多樣性的相關(guān)分析來探究不同部位在各地的影響，各部位含水量于各地植被多樣性指數(shù)相關(guān)性如表5所示，對集水區(qū)部位來說，植物多樣性總體上與各樣地間呈正相關(guān)的關(guān)系，甚至均勻度指數(shù)E與小雷宰集水區(qū)土壤含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.941，這說明集水區(qū)的含水量對植物生長有一定促進(jìn)作用，在金雷村地區(qū)，采集的數(shù)據(jù)表明其土壤含水量為最高，其表現(xiàn)作用也更強。在溝頭與溝床部位，金雷村的多樣性指數(shù)與土壤含水量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，金雷村含水量最高，溝頭、溝床植被蓋度雖大，但優(yōu)勢種對水分的利用也最強，種間斗爭明顯，最終表現(xiàn)為整體植物多樣性并不明顯。而在小雷宰的溝頭區(qū)域，香濃維納指數(shù)H′、辛普森指數(shù)D、Pielou均勻度指數(shù)E與含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，小雷宰含水量低，溝頭部位大多長有喬木、灌木等植被，草本對水的利用情況不及喬灌，因此顯現(xiàn)出植物多樣性不強。在沙地村的溝床區(qū)域，豐富度指數(shù)Ma與含水量呈顯著負(fù)相關(guān)(-0.982)，溝床對水的截留較多，土壤含水量較高，當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢種生長茂盛，導(dǎo)致樣地溝床植物種類豐富度程度不夠。從整體上看，不同部位的土壤含水量與樣地植被多樣性大多呈不顯著相關(guān)。通過分樣地對總體情況的驗證，由此可見，僅從土壤含水量的角度來看，對植物多樣性的影響還是較小且有限的。

表5 各部位含水量與各地植被多樣性指數(shù)Pearson相關(guān)性

3 結(jié) 論

通過對3個樣地的36個樣方的調(diào)查結(jié)果，以及從整體和區(qū)域性的對侵蝕溝不同部位土壤含水量與植物多樣性指數(shù)之間的相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論。

不同部位土壤含水量分別為集水區(qū)(9.59%)、溝頭(10.11%)、溝床(11.31%)，研究樣區(qū)土壤較為干旱。

研究樣區(qū)的豐富度指數(shù)Ma數(shù)值平均值為2.470；香濃維納指數(shù)H′平均值為2.094；辛普森指數(shù)D平均值為0.836；Pielou均勻度指數(shù)E平均值為0.840。研究樣區(qū)植物物種較少，分布不均，生態(tài)較為脆弱。

在雨季，從總體趨勢上看，集水區(qū)、溝頭、溝床含水量與豐富度指數(shù)Ma、香濃維納指數(shù)H′、辛普森指數(shù)D、Pielou均勻度指數(shù)E均為不顯著相關(guān)，大多呈正相關(guān)，從影響程度上看，可以加強對集水區(qū)部位土壤含水量的關(guān)注。從各樣地情況來看，僅沙地村溝床與豐富度指數(shù)Ma、小雷宰集水區(qū)與Pielou均勻度指數(shù)E呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其余皆為不顯著相關(guān)。表明各樣地之間，不同部位含水量對植物多樣性影響較小的。

此次研究不足之處限于時間空間及人力，調(diào)查起來較為困難，沒有對元謀干熱河谷整體上做詳盡的調(diào)查，且土壤樣方顯得頗少。針對元謀干熱河谷地區(qū)，侵蝕溝內(nèi)部地形破碎，地勢條件也尤為復(fù)雜[7]，植被的研究對于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)有重大意義。植被的恢復(fù)情況有助于減緩侵蝕溝的水土流失，從不同部位的土壤水分著手來研究植物多樣性情況，利于人工恢復(fù)植被對種植植被的把控，為其研究提供參考。