干热河谷冲沟侵蚀劣地不同坡位草被生长和土壤水分关系研究

张宝军，熊东红，郭 敏，董一帆，苏正安，杨 丹，史亮涛

（1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都610041；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041；3.中国科学院大学，北京100049；4.云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南 元谋651300）

地形、水分和植被之间的相互关系一直是生态学和地理学领域关注的重点。不同地形因子的相互组合控制着太阳辐射和土壤水分变化，进而决定植被生长分布及其多样性［1］，相反，植被生长又会影响土壤水分特征［2］，减小地表径流侵蚀速率［3］，起到稳定地形的作用。侵蚀劣地是干旱半干旱区强烈侵蚀活动和人类活动共同作用下形成的一种典型地貌景观［4］，其生境条件恶劣，植被生长困难。国外学者针对侵蚀劣地展开的研究较多［5］，过去主要集中于控制因素、侵蚀速率、形态发育及模型研究等方面［6－8］，近年来针对侵蚀劣地“地形－水分－植被”之间相互关系的研究逐渐增多［9－10］。国内针对侵蚀劣地的研究相对较少，且已有研究主要集中于侵蚀劣地的形成过程、生态恢复和治理效果评价等方面［11－12］，而针对侵蚀劣地水分、植被相互关系的研究还鲜有报道。

金沙江干热河谷区是我国西南部特殊的脆弱生态环境类型区，由于岩性松散、水热条件极不均衡等特征，该区冲沟极为发育，水土流失严重［13］，形成大量侵蚀劣地。而侵蚀劣地区域侵蚀产沙活动极为剧烈，立地条件差，是植被恢复最困难的地带。目前，针对干热河谷区冲沟与侵蚀劣地的研究主要集中于形态发育、侵蚀速率和动力过程等方面［14－15］，部分学者针对该区域“小流域尺度”上“地形－植被”关系展开过一定研究［16－17］，但针对侵蚀劣地“坡面尺度”上水分与植被关系的研究还鲜有报道。本研究拟通过对干热河谷区典型冲沟发育下形成的侵蚀劣地不同坡位草被生长特征的野外调查和土壤水分状况的动态监测，对侵蚀劣地“坡位－土壤水分－草被生长”之间相互关系展开初步研究，以阐明坡位对土壤水分和草被生长的影响机理，旨在为冲沟侵蚀劣地的植被恢复实践提供参考。

1 研究区概况

研究区位于云南元谋干热河谷（101°35′－102°06′E，25°23′－26°06′N），该区属南亚热带季风气候，具有“炎热干燥、降水集中、干湿季分明”的气候特征，年均气温21.9 ℃，年降水量615.1 mm，降水主要集中于6－10 月，占年降水量的90%，年蒸发量高达3 911.2 mm，约为年降水量的6.4倍，年均干燥度为2.8；土壤类型主要以燥红土和变性土为主。该区冲沟极为发育，水土流失严重，土壤侵蚀模数高达1.64×104t·k m－2·a－1，沟壑密度为3.0～5.0 k m·k m－2，形成大量侵蚀劣地（图1）。侵蚀劣地土壤退化严重，土层贫瘠且易板结，水热条件变化剧烈，生境条件极为恶劣，导致植被难以生长，覆盖度低，是金沙江干热河谷植被恢复的困难区域［18］。侵蚀劣地植被主要以草被为主，优势草本植物有扭黄茅（Heteropogon contortus）、孔颖草（Bothriochloa pertusa）和尾稃草（Urochloa reptans）等。

2 研究方法

2.1 样品采集及处理

2.1.1 调查样地选择 本研究选择在中国科学院成都山地灾害与环境研究所与云南省农业科学院合建的干热河谷沟蚀崩塌观测研究站（以下简称“元谋站”）内进行。于2014年8月初草被生长旺盛期，随机选择了元谋站区附近冲沟侵蚀劣地区域内（图1）的9个不同斜坡进行了野外调查，调查包括各斜坡不同坡位的草被生长特征及其中6个斜坡土壤水分状况的动态变化，并对9个斜坡各坡位微地形特征进行了调查（表1）。

2.1.2 草被生长状况调查 各坡位草被生长状况包括草被覆盖度和地上生物量，采用样方法进行调查。每个斜坡根据皮尺测量，分别在坡上部、坡中部和坡下部3个部位采用样方框（网格大小10 c m×10 c m）随机布设1个1 m×1 m 的草被样方。调查每个样方内出现的草被物种、盖度，并将每个样方内草被地上部分齐地面刈割，及时称量鲜重并记录，然后在80 ℃下烘干至恒重，测其干重。

表1 9个调查斜坡的微地形特征Table 1 Micro－topogr aphic features of 9 surveyed sample slopes

2.1.3 土壤含水量动态监测 在对样方进行调查时，采用TDR 便携式水分测量仪测定各个样方内土壤水分实时含量，分别测量3次取平均值。2014年8月1日降雨后，于8月3日开始对6个斜坡不同坡位土壤水分含量动态变化进行连续监测，每天固定时间段在样方周围随机采集表层土样（0－5 c m），采用烘干称重法测定土壤含水量，监测时长为7 d（两次降雨之间）。

2.1.4 土壤基本理化性质测定 选择了9个斜坡中两个典型斜坡，采集各坡位表层土样，测定各坡位土壤基本理化性质，其中土壤机械组成测定采用吸管法，有机质含量测定采用元素分析仪法，土壤容重测定采用环刀法，总孔隙度测定基于土壤容重和密度（2.65 g·c m－3）计算。

2.2 数据处理

采用Excel 2007 和SPSS 17.0软件对野外调查及水分监测数据进行统计分析，包括描述性统计分析、单因素方差分析、LSD 检验（差异显著性检验）和Pearson相关性分析等；并利用Origin 8.0软件绘制相关分析图形。

标准差和变异系数可以反映数据间的离散程度，一般认为，变异系数CV ＜0.1为弱变异，CV 在0.1－1.0之间为中等变异，CV＞1.0为强变异［19］；单因素方差分析和LSD 显著性检验可以反映出不同坡位草被生长差异程度；Pearson 相关系数可以反映出侵蚀劣地土壤水分和草被生长的相关关系。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质

调查区内侵蚀劣地各坡位土壤基本理化性质如表2所示。调查区域侵蚀劣地土壤以变性土为主，粘粒含量达50%以上，具有较强胀缩性［18］，干旱条件下土体开裂现象严重，加剧土壤水分的蒸发散失［20］，加上有机质含量低，导致该侵蚀劣地区域植被生长困难。

表2 侵蚀劣地各坡位土壤基本理化性质Table 2 Basic physical－chemical properties of soil under different badland positions

3.2 不同坡位草被的生长状况

干热河谷区冲沟侵蚀劣地地形条件复杂，草被分布和生长表现出一定空间异质性。野外调查发现（表3），同一斜坡不同坡位草被覆盖度从坡上部至坡下部表现为逐渐增加的趋势，且坡下部明显高于坡上部和坡中部。其中，坡上部平均草被覆盖度约为3%，坡中部平均覆盖度约为14%，而坡下部平均覆盖度约为67%。通过统计分析可知，坡上部和坡中部草被覆盖度之间差异显著（P＜0.05），而坡下部和坡上部、坡中部这两个部位之间草被覆盖度差异极显著（P＜0.01）。此外，3种坡位草被覆盖度的变异系数在0.16～0.93，均属于中等程度变异，说明同一坡位的草被覆盖度在不同斜坡之间也存在着较大差异。

不同坡位草被生物量大小表现出与草被覆盖度相似的规律，同样表现为从坡上部至坡下部逐渐增加的趋势，即坡上部＜坡中部＜坡下部（表3）。其中，坡上部地上生物量在0.20～12.54 g·m－2之间，平均生物量为4.60 g·m－2，坡中部生物量在3.93～38.55 g·m－2之间，平均生物量为22.00 g·m－2，坡下部生物量在30.84～141.59 g·m－2之间，平均生物量为84.94 g·m－2。单因素方差分析中的多重比较表明，坡上部和坡中部之间草被生物量均值无显著差异（P＞0.05），而坡下部和坡上部、坡中部之间草被生物量均差异极显著（P＜0.01）。同样，相同坡位草被生物量在不同斜坡之间也存在中等程度变异，其中坡上部相对差异最大（CV＝0.98），坡下部相对差异最小（CV＝0.36）。

表3 不同坡位草被覆盖度和生物量Table 3 Coverage and aboveground biomass of grass under different slope positions

3.3 不同坡位土壤水分动态变化

根据元谋站气象监测数据，2014年8月1日降雨量达到22.6 mm，且降雨后测得坡上部和坡中部平均土壤含水量为30%，坡下部平均土壤含水量为32%，变异系数仅为0.04，属于弱变异，可认为3个坡位土壤初始含水量基本一致（图2）。可以看出，各斜坡不同坡位土壤含水量随时间延长均呈现递减趋势，且同一监测时段不同坡位土壤水分含量也存在差异。通过对不同坡位土壤水分含量在整个监测时段内均值的拟合，发现指数函数拟合效果较好（R2＞0.90），说明不同坡位土壤水分含量随时间变化均大致呈指数递减趋势。为比较3个坡位之间水分衰减速率差异，将初次监测时段设置为0，并选择相同系数（a＝0.3）进行指数函数拟合，即默认初始含水量均为30%，则系数b绝对值越大，说明土壤水分衰减越快。各坡位土壤含水量随时间变化拟合关 系 式 分 别 为：坡 上 部y ＝0.30e－0.189x（R2＝0.914 3），坡中部y＝0.30e－0.174x（R2＝0.903 7），坡下部y＝0.30e－0.131x（R2＝0.923 5），系数b绝对值大小依次为：坡上部＞坡中部＞坡下部，即相同降雨条件下，坡上部土壤水分随时间变化衰减最快，坡下部土壤水分衰减最慢，衰减速率不同逐渐导致不同坡位土壤水分产生差异。监测两天后，同一监测时段不同坡位土壤含水量大小，表现为与水分衰减速率相反的顺序：坡上部＜坡中部＜坡下部（图2）。

3.4 草被生长和土壤水分关系

调查的6个斜坡各坡位土壤水分指标与对应坡位的草被生长状况之间进行相关性分析，发现土壤水分状况与草被生长特征之间存在显著正相关关系（图3，图4）。6个斜坡的不同坡位，整个监测时段内的土壤水分平均含量与草被覆盖度和生物量之间的Pearson相关系数分别为0.790 和0.708，均在0.01水平上显著正相关（图3）。而且，监测时段内的末次土壤水分含量与草被生长状况之间的Pearson相关系数分别为0.765和0.708，同样也在0.01水平上显著正相关（图4）。此外，根据样方调查时利用TDR 水分测量仪实时测定的土壤水分含量，与样方内草被生长状况进行相关性分析，得出土壤含水量与草被覆盖度和生物量的Pearson相关系数分别为0.830和0.735，也均在0.01水平上显著正相关。各土壤水分指标与草被生长特征之间均具有较好的相关性，说明干热河谷侵蚀劣地不同坡位下，土壤水分差异是影响草被分布和生物量的主要限制因素。

4 讨论与结论

干旱或者半干旱地区，土壤水分对植被分布和生物量至关重要［21］，甚至对植被生长和分布具有决定作用。在小流域或坡面尺度上，土壤水分和植被生长的空间分布常受微地形控制［16，22］，例如阳坡由于受到更多的太阳辐射，导致土壤水分一般低于阴坡［23］；坡度较缓处土壤水分含量相对较高，植被生长相对较好等［17］。而坡位作为重要的微地形特征，对土壤水分和草被的分布也有重要影响［24－25］。

图2 不同坡位土壤水分含量动态变化及其均值比较Fig.2 Dynamic variation and mean comparison of soil moisture in different slope positions

图3 土壤水分平均含量与草被生长相关性Fig.3 Correlativity of aver age soil moisture content and grass gr owth

图4 末次土壤水分含量与草被生长相关性Fig.4 Correlativity of final soil moisture content and grass growth

干热河谷区由于冲沟侵蚀发育形成大量侵蚀劣地，该区域侵蚀产沙活动剧烈，立地条件差，成为植被恢复实践最困难的地带。本文研究了干热河谷区冲沟侵蚀劣地不同坡位草被的生长状况，发现侵蚀劣地不同坡位草被生长差异极大，草被盖度和地上生物量大小顺序均表现为：坡上部＜坡中部＜坡下部，且坡下部草被生长状况（草被覆盖度、地上生物量）与坡上部和坡中部之间均存在显著差异，坡上部与坡中部之间草被覆盖度存在显著差异，但其生物量之间差异不显著。此外，对于不同斜坡之间，相同坡位的草被生长状况也表现出一定差异，这说明该区域草被生长不仅受坡位因素影响，还可能与同一坡位其他微地形差异有关系，具体原因有待进一步研究。

坡面微地形差异往往使降水再分配，导致土壤水分的空间差异［22］，一般坡下部位土壤水分条件要优于其他部位［24］。为明确干热河谷侵蚀劣地区不同坡位土壤水分之间的这种差异及其随时间的变化规律，选择两次降雨之间，研究了侵蚀劣地不同坡位间土壤水分差异及其动态变化。研究发现，相同降雨状况下，坡上部、坡中部、坡下部3个坡位土壤初始水分含量相近，约为30%，但随着监测时段的进行，3个坡位土壤含水量以不同速率均呈现指数递减趋势，且衰减速率表现为：坡下部＜坡中部＜坡上部，即坡上部土壤水分衰减最快，坡下部土壤水分衰减最慢，导致各坡位土壤含水量逐渐产生差异，说明在干热河谷侵蚀劣地区域，坡位条件对表层土壤水分的变化影响显著。

由本研究结果可知，不同坡位条件下，土壤水分状况和草被生长特征均表现出一定的差异性，也表现出一定的规律性。因此，对侵蚀劣地不同坡位条件下土壤水分状况和草被生长特征之间的关系进行了研究。侵蚀劣地不同坡位条件下，土壤水分与草被生长之间存在着显著正相关关系。整个监测时段内的土壤平均含水量、末次土壤含水量，与草被覆盖度和生物量之间均具有极显著的相关性（P ＜0.01）。这说明干热河谷冲沟侵蚀劣地因坡位条件造成的土壤水分差异，是限制草被生长和分布的关键因素。

虽然以上结果表明，坡位条件对该区域草被和土壤水分的空间分布影响显著，但显然不是唯一因素。本研究中也发现，在相同坡位条件下，不同斜坡之间草被生长和土壤水分也存在一定差异，说明除坡位因素外，其他微地形特征也会影响该区域草被和土壤水分的空间分布，本研究对此没有进行深入探讨。因此，坡向、坡度、海拔高度等微地形特征，对该区域土壤水分和草被生长分布的影响机制，将会是下一步研究的重点。而且，在坡面尺度上，查明各种不同微地形特征下土壤水分和草被生长的空间分布规律，对指导坡面尺度上的植被恢复实践具有重要的理论意义。

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