楊淏舟，王艷丹，岳學(xué)文，余建琳，史亮濤，冉 林，何光熊

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀 651300； 2.云南省元謀金雷水土保持科技示范園，云南 元謀 651300；3.元謀縣水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南 元謀 651300)

金沙江干熱河谷是我國(guó)西南一類特殊的生態(tài)系統(tǒng)，主要分布于云南、四川境內(nèi)，地處長(zhǎng)江上游，其水量充沛，落差勢(shì)能大，成為我國(guó)水利水電工程建設(shè)的戰(zhàn)略區(qū)域[1]。區(qū)內(nèi)氣候異常干旱炎熱，土壤干旱瘠薄，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境異常脆弱，生態(tài)恢復(fù)極度困難[2-3]，是我國(guó)西南地區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)，也是我國(guó)植被恢復(fù)和生態(tài)治理極為困難的區(qū)域[4]。干熱河谷植被多為稀樹灌木草叢，以禾草草叢為背景構(gòu)成大片薩瓦納(Savanna)草被[5-7]，因而草被系統(tǒng)在干熱河谷地區(qū)具有重要地位。

干熱河谷區(qū)內(nèi)植物長(zhǎng)期遭受干熱脅迫，一年生、多年生禾草資源豐富，兩者共同作用成為干熱河谷薩瓦納草被生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能的重要承擔(dān)者。扭黃茅(Heteropogoncontortus)為世界溫?zé)岬貐^(qū)多年生叢生草本，分布于我國(guó)長(zhǎng)江以南各省區(qū)，是海拔100～2 300 m地段干熱河谷及干燥山坡草地常見(jiàn)植物；三芒草(Aristidaadscensionis)為全球熱帶至溫帶一年生或短暫多年生草本，分布于我國(guó)云南、四川、河南、山東海拔400～1 800 m的山坡灌叢、道旁或田野間。兩種牧草均為我國(guó)西南干熱河谷常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)禾本科物種，然而，對(duì)它們?cè)诟蔁岷庸炔莸厮帘３止δ苤械淖饔蒙腥狈ι钊胝J(rèn)識(shí)。本研究采用干熱河谷干熱脅迫條件下典型多年生植物扭黃茅和一年生植物三芒草在標(biāo)準(zhǔn)徑流觀測(cè)小區(qū)按不同比例構(gòu)建植被群落，通過(guò)觀測(cè)兩種禾草不同構(gòu)建比例群落的徑流量、土壤侵蝕量等水土保持功能特征，探討一年生、多年生兩種功能型禾本科牧草在干熱河谷薩瓦納草被生態(tài)系統(tǒng)中的水土保持功能，為通過(guò)功能型物種配置實(shí)現(xiàn)特定生態(tài)系統(tǒng)功能修復(fù)或選擇生態(tài)恢復(fù)模式提供理論支撐，同時(shí)為水土保持型功能群落的構(gòu)建探索可能的途徑。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

干熱河谷是在地理位置、地貌地勢(shì)、氣候條件、人為干擾等多方面因素的作用下形成的。這一特殊生態(tài)系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是熱量充足、年蒸發(fā)量大于降水量、冬春特別干旱。試驗(yàn)選擇金沙江干熱河谷典型區(qū)元謀段不同比例扭黃茅+三芒草群落為研究對(duì)象。區(qū)內(nèi)多點(diǎn)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，元謀干熱河谷內(nèi)多年平均降水量為680.7 mm，5—10月雨季降水量占全年降水量的85%以上，多年平均水面蒸發(fā)量為3 215.0 mm，水熱矛盾突出，全年土壤含水量處于植物凋萎濕度以下時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月。海拔1 600 m以下的干熱河谷自然植被為孑遺的薩瓦納稀樹灌草叢，以禾草為主，雜以灌木，喬木零星分布，主要物種為扭黃茅、三芒草、橘草(Cymbopogongoeringii)、擬金茅(Eulaliopsisbinata)、孔穎草(Bothriochloapertusa)、雙花草(Dichanthiumannulatum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)修建及扭黃茅+三芒草植被構(gòu)建

試驗(yàn)設(shè)置2.5 m×10 m標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)6個(gè)，坡度為10°，按劉剛才等發(fā)明的“薄坡地水土流失觀測(cè)小區(qū)的修建方法及觀測(cè)小區(qū)的構(gòu)造”方法構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，具體包括：在小區(qū)坡腳隔墻內(nèi)壁底部母巖上平行修筑壤中流收集槽和界面流收集槽，且壤中流收集槽位置上筑有其外側(cè)覆蓋有尼龍網(wǎng)的粗砂礫石墻，界面流收集槽內(nèi)填裝粗砂礫石，其上覆蓋尼龍網(wǎng)；坡腳隔墻外修筑有地表徑流收集槽，以及相應(yīng)的界面流收集池、壤中流收集池和地表徑流收集池，且三個(gè)收集池與對(duì)應(yīng)的收集槽分別采用導(dǎo)管連通，分別收集界面流、壤中流及地表徑流。

小區(qū)建成后，在元謀干熱河谷選擇典型紫色土，經(jīng)混凝土攪拌機(jī)混勻后按劉剛才等[8]的方法裝填。完成后采用移栽法均勻種植扭黃茅，待其群落基本穩(wěn)定后通過(guò)人工修剪或移除控制蓋度，雨季來(lái)臨前人工播撒三芒草種子，構(gòu)建5種群落：群落1中扭黃茅蓋度為100%，三芒草蓋度為0；群落2中扭黃茅蓋度為70%，三芒草蓋度為30%；群落3中扭黃茅蓋度為50%，三芒草蓋度為50%；群落4中扭黃茅蓋度為30%，三芒草蓋度為70%；群落5中扭黃茅蓋度為0，三芒草蓋度為100%。在栽種扭黃茅的同時(shí)撒播扭黃茅、橘草、孔穎草、雙花草、白羊草及三芒草種子構(gòu)建混合群落Mix 1作為對(duì)照。待群落生長(zhǎng)穩(wěn)定1年后，于2017年5—11月降雨后收集單位面積地表徑流、土壤侵蝕、壤中流、界面流數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016整理數(shù)據(jù)并繪制圖表，SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨特征與不同植被群落小區(qū)產(chǎn)流關(guān)系

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2017年1—12月期間元謀干熱河谷降雨617.4 mm，降雨主要集中在7—8月，期間共發(fā)生降雨69次。以任意試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)生徑流為標(biāo)志對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，共獲得有效產(chǎn)流記錄20次。分析發(fā)現(xiàn)，小區(qū)侵蝕性降雨平均降雨量為25.85 mm，平均雨強(qiáng)為4.17 mm/h，平均歷時(shí)約328 min，主要為短歷時(shí)強(qiáng)降雨。

由圖1可知，徑流量與降雨強(qiáng)度存在較好的線性關(guān)系，回歸系數(shù)達(dá)到0.86，而徑流量與降雨量回歸系數(shù)僅達(dá)到0.635 5，說(shuō)明徑流量和降雨量相關(guān)系數(shù)不高，但徑流量與降雨強(qiáng)度關(guān)系密切。這是由干熱河谷地區(qū)的降雨特點(diǎn)造成的，元謀干熱河谷地區(qū)降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大，對(duì)地表易造成擊濺侵蝕，因此草被覆蓋有利于降低降雨動(dòng)能，增加下墊面抗蝕能力，有效減少水土流失。

圖1 構(gòu)建群落的水土保持功能特性

由于不同物種在形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上具有差異，不同植被覆蓋會(huì)導(dǎo)致群落整體林冠截留、蒸散發(fā)、穿透雨量、徑流等過(guò)程特征產(chǎn)生差異，加之不同植物生長(zhǎng)與土壤間反饋-負(fù)反饋?zhàn)饔迷斐赏寥廊霛B速率等差異，會(huì)對(duì)徑流的發(fā)生過(guò)程產(chǎn)生重要影響。研究發(fā)現(xiàn)(表1)，群落的徑流系數(shù)隨著一年生三芒草的減少及多年生扭黃茅的增加表現(xiàn)出先減少再增加的特點(diǎn)，當(dāng)一年生三芒草及多年生扭黃茅蓋度比達(dá)1∶1時(shí)，群落的徑流系數(shù)達(dá)到最小，為0.08±0.06；同時(shí)，由扭黃茅50%+三芒草50%構(gòu)成的群落3與撒播扭黃茅、橘草、孔穎草、雙花草、白羊草及三芒草種子構(gòu)建的混合群落Mix 1具有較為相近的徑流系數(shù)，并維持在0.07～0.08之間，提示混合群落的徑流調(diào)節(jié)功能可能主要來(lái)源于一年生及多年生禾草的混合適應(yīng)機(jī)制。

表1 不同群落類型的徑流系數(shù)

2.2 不同群落對(duì)小區(qū)徑流及土壤侵蝕量的影響

以蓋度作為兩種功能型植物性狀分布格局的控制指標(biāo)，由多年生扭黃茅及一年生三芒草按不同比例構(gòu)建的5種群落，其地表徑流、壤中流、界面流均呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)；5種群落中，群落3的地表徑流量及土壤侵蝕量均最小，而群落5的地表徑流量及土壤侵蝕量均最大，群落1、2、4則介于前兩者之間(圖2)。這一結(jié)果表明，以蓋度表征的兩類功能型物種的功能性狀達(dá)到均衡時(shí)(即蓋度相當(dāng)時(shí))，群落水土保持功能達(dá)到最大。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，群落1地表徑流量及土壤侵蝕量大于群落2、3，小于群落4、5，表明單一扭黃茅群落對(duì)地表徑流量及土壤侵蝕量的控制作用好于單一三芒草群落，以扭黃茅為代表的多年生植物具有主要調(diào)節(jié)作用，而以三芒草為代表的一年生植物可能在特定階段發(fā)揮特殊作用。由于多年生及一年生植物在生存對(duì)策上具有顯著差別，推測(cè)這種調(diào)節(jié)作用的差別可能與物種生存生長(zhǎng)引起的群落動(dòng)態(tài)變化有關(guān)。

圖2 構(gòu)建群落的水土保持功能特性

群落3與優(yōu)勢(shì)物種組成的混合群落Mix 1的地表徑流量及土壤侵蝕量差異較小，均優(yōu)于其他群落。這一結(jié)果表明，一年生和多年生植物兩類功能型物種蓋度相當(dāng)時(shí)，與當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)植物組成的典型植被相比其群落水土保持功能具有相似的功能特征，表明從水土保持的視角看，干熱河谷地區(qū)鄉(xiāng)土草被的自然構(gòu)建模式中，共存物種在功能特性上有向多年生或一年生特性兩個(gè)極端過(guò)渡的趨勢(shì)，即干熱河谷植物可能通過(guò)在多年生或一年生的功能軸上相互適應(yīng)的策略，共存于干熱河谷典型薩瓦納草被中。

研究表明，在干旱和半干旱的草地中，通過(guò)增加群落的功能多樣性能顯著提高植被的抗土壤侵蝕能力[9]，在這個(gè)過(guò)程中，一年生植被為土壤增加碳源，形成水穩(wěn)定性團(tuán)聚體，是增加土壤入滲(壤中流)、減少地表徑流、提高植被水土保持效率的重要途徑，而多年生植物的大量根系與土壤形成復(fù)合體，可增加土壤抗侵蝕能力，有效減少土壤流失。因此，在干熱河谷通過(guò)功能型物種配置(如一年生三芒草50%和多年生扭黃茅50%撒播)實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù)及薩瓦納草被水土保持功能重建具有重要的理論及實(shí)踐意義。

群落中植物與土壤的相互作用除影響地表徑流的特征外，還表現(xiàn)在對(duì)部分降雨的蓄存。對(duì)由多年生扭黃茅及一年生三芒草按不同比例構(gòu)建的5種群落壤中流及界面流的觀測(cè)結(jié)果顯示(圖2)：5種不同比例扭黃茅+三芒草構(gòu)建的群落中，群落3形成的壤中流最小、界面流最大。這一結(jié)果顯示，群落3有助于土壤的表層水向土壤深層傳遞，這可能是群落3能最大限度減少地表徑流的最主要途徑。

對(duì)構(gòu)建的6種群落的泥沙量與徑流量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，群落5的泥沙量和徑流量相關(guān)性最高，R2達(dá)到0.727；群落3的泥沙量與徑流量相關(guān)性最低，R2僅為0.413。這表明群落3的地表植被對(duì)徑流和泥沙有較明顯的調(diào)控作用。5種不同比例扭黃茅+三芒草群落中泥沙量與徑流量的相關(guān)性隨扭黃茅在群落中的占比減少呈現(xiàn)先減弱再增強(qiáng)的趨勢(shì)，這表明扭黃茅+三芒草共同構(gòu)建的群落在干熱河谷水土保持功能中體現(xiàn)出較單一群落更為明顯的優(yōu)勢(shì)。不同的群落模式對(duì)徑流泥沙的調(diào)控程度不一，但均通過(guò)地上、地下部分?jǐn)r蓄、疏導(dǎo)降水，參與徑流的再分配過(guò)程，從而減少水土流失。

表2 構(gòu)建群落的泥沙量與徑流量關(guān)系

目前，對(duì)于水土保持型植被構(gòu)建的研究主要集中在植被冠層[10-12]、地被物層[13]和根系土壤層[14]對(duì)降水的截持和吸收等水土保持機(jī)理的構(gòu)建[15]，以及水土保持型物種的篩選和對(duì)不同植被水土保持功能的評(píng)價(jià)上[16]。扭黃茅是干熱河谷薩瓦納群落最重要的物種之一，本研究中，群落1單位面積產(chǎn)生的壤中流及界面流在數(shù)值上具有近似的特征，表明扭黃茅有促進(jìn)水分在土壤層均勻分布的作用，這主要是由于根系與土壤形成了較為勻質(zhì)松散的復(fù)合體，增加土壤入滲的同時(shí)提高了土壤涵養(yǎng)水源的能力。同時(shí)這一結(jié)果也表明，在干熱河谷區(qū)域，在群落功能的發(fā)揮上多年生植物的作用要大于一年生植物。因此，在后期的研究中應(yīng)重視以扭黃茅為代表的多年生物種對(duì)土壤水分條件改善方面的功能研究。

3 結(jié) 論

(1)不同群落覆蓋后小區(qū)發(fā)生侵蝕性降雨的平均降雨量為25.85 mm，平均雨強(qiáng)為4.17，平均歷時(shí)約328 min，主要為短歷時(shí)的強(qiáng)降雨，徑流量與降雨強(qiáng)度存在較好的線性關(guān)系，回歸系數(shù)達(dá)到0.86，而徑流量與降雨量回歸系數(shù)僅達(dá)到0.636，說(shuō)明徑流量和降雨量相關(guān)系數(shù)不高，但徑流量與降雨強(qiáng)度關(guān)系密切。

(2)多年生扭黃茅及一年生三芒草蓋度比為1∶1的群落3的泥沙量與徑流量相關(guān)性最低，R2僅為0.413，表明群落3的地表植被對(duì)徑流和泥沙有較明顯的調(diào)控作用。多年生扭黃茅與一年生三芒草組成的混合群落的徑流調(diào)節(jié)功能可能主要來(lái)源于一年生及多年生禾草的混合適應(yīng)機(jī)制，其中，多年生與一年生植物具有不同的地位和作用，以扭黃茅為代表的多年生植物具有主要調(diào)節(jié)作用，而以三芒草為代表的一年生植物可能在特定階段發(fā)揮特殊作用。這種調(diào)節(jié)作用的差別與干熱河谷區(qū)物種生存生長(zhǎng)引起的群落動(dòng)態(tài)變化有關(guān)。

(3)扭黃茅有促進(jìn)水分在土壤層均勻分布的作用，在群落功能的發(fā)揮上多年生植物的作用要大于一年生植物。因此，在后期的研究中應(yīng)重視以扭黃茅為代表的多年生物種對(duì)土壤水分條件改善方面的功能性研究。