黄土丘陵沟壑区主要群落地上生物量季节变化及其与土壤水分的关系

2012-12-21焦菊英马祥华

水土保持研究 2012年6期

苏嫄，焦菊英，马祥华

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100；4.福建省华夏建筑设计院，福州350004）

黄土丘陵沟壑区位于黄土高原北部，由于降水稀少、气候干旱，加之长期的过度农耕和肆意放牧，自然植被遭到严重破坏，水土流失严重，是我国生态环境最为脆弱的地区之一，生态系统亟待修复［1－2］。植被作为生态系统物质循环和能量交换的枢纽，是防止生态退化的物质基础［3］；同时，植被可以从根本上控制水土流失。因此，植被恢复是黄土高原遏制土地退化，促进退化生态系统恢复的关键因素和有效途径［4－6］。植被生物量作为生态系统中积累的植物有机物总量，是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源［7］。生物量的高低变化，既反映了不同植物群落利用资源的能力，也反映了植被—环境关系的空间差异性［8］。然而，土壤水分是制约黄土高原地区植被恢复与重建的主要限制因子，也是决定植物生产力的一个重要因素［9－10］。有研究认为根据土壤水分的变化预测产量完全可能的，而且更合理［11］。因此，研究不同植被群落的地上生物量与土壤水分变化及二者之间的关系，在一定程度上可为人为干扰植被的恢复提供理论依据，对黄土高原的植被重建具有一定指导意义。

目前很多学者就黄土丘陵沟壑区植被恢复过程中地上生物量、土壤水分状况及二者的关系进行了大量的研究，包括自然与人工植被地上生物量差异及其土壤水分效应的比较［8］、土壤水分与生物量的关系［11－15］、土壤水分变化规律［16］、刺槐人工林密度与地上生物量效应［17］、地上生物量及其影响因素［18］等，但往往是一种定性的描述或是静态的定量比较，水分和植物生产力之间的动态变化研究还比较少，而这又是研究土壤水分植被承载能力所亟需解决的问题。为此，本研究通过定点跟踪观测，分析黄土丘陵沟壑区8个具有代表性的植物群落的地上生物量与土壤水分的季节动态变化特征，以及地上生物量变化与土壤水分的关系，探讨土壤水分对生物量的影响，以期为黄土丘陵沟壑区退化生态系统恢复和生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土丘陵沟壑区的典型区域安塞县真武洞镇西沟流域。安塞县（105°51′44″—109°26′18″E，36°22′40″—36°32′16″N），海拔997～1 731m，境内地形复杂，梁峁连绵，沟壑纵横。属暖温带半干旱气候区，年平均降水量500mm左右，年际变化大且年内分布不均匀，降雨量分布随着纬度增加而减少，南北相差157.7mm；降雨多集中在7—9月份，占全年降雨总量的63%，多以暴雨形式出现，易造成水土流失，春旱频繁，伏旱时有发生，严重影响农作物稳产高产。土壤类型主要为黄绵土，土质疏松，抗蚀抗冲性差，水土流失严重，耕层养分含量少，土地贫瘠［19］。该区属于暖温带森林草原带，区内植被破坏严重，天然森林较少，人工林以刺槐（Robinia psendoacacia）、小叶杨（Populus simonii）等为主，灌丛主要有柠条（Caragana intermedia）和沙棘（Hippophae rhamnoides）等人工灌丛以及黄刺玫（Rosa xanthina）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）和狼牙刺（Sophora viciifolia）等天然灌丛［20］，荒坡上主要为铁杆蒿（Artemisia gmelinii）、茭蒿（Artemisia giraldii）、长芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、大针茅（Stipagrandis）、达乌里胡枝子（Lespedeza daurica）等组成的处于不同演替阶段的草本植物群落［21］。

1.2 样地调查与采样

于2004年在西沟流域按不同退耕年限（退耕年限通过农户走访调查获取）选择了沙打旺（Astragalus adsurgens）群落、猪毛蒿（Artemisia scoparia）群落、赖草（Leymus secalinus）群落、人工柠条群落、人工沙棘群落、铁杆蒿群落、人工柠条群落、白羊草群落和人工刺槐群落8个植物群落17个样地，进行地上植被调查和土壤水分测定。样地基本情况如表1所示。植被调查于5—9月份进行，每月一次，每个样地设置3个重复样方，样方的大小为草本2m×2m，灌木5m×5m，乔木10m×10m，调查内容包括植物的种类、数量、高度、盖度、频度、生活型以及地上生物量等。物种盖度采用双人目测法；物种出现的频度是在样方周围选择10个1m×l m的小样方来调查不同物种出现的数量。地上部分的生物量测定采用收获法，在选取的样方内沿样地对角线采取1／4样带回室内称重，并将样品放入纸袋，在80℃恒温下经12h烘至恒重，以获取各物种的生物量干重，然后把样方内各物种的地上生物量相加即为群落的地上生物量。土壤水分测定于4—10月份采用土钻法，每月测一次，每次2个重复，取样深度为500cm，每隔20cm一层，共25层，分别取样测定，采用烘干法求其土壤含水量。降雨资料由安塞水土保持站提供。

表1 样地的基本情况

1.3 数据分析

利用Excel 2007软件处理数据，并用SPSS 17.0软件进行不同植物群落地上生物量季节变化与土壤含水量的Pearson相关分析，显著性水平为p＜0.05；在相关分析计算中，土壤水分因子分别采用0—100，100—300，300—500cm土层的平均土壤含水量。

2 结果与分析

2.1 不同植物群落地上生物量季节变化

8个不同植物群落地上生物量季节变化（表2）表明，不同群落之间，自然植被群落地上生物量明显小于人工植被群落（除13a人工沙棘群落），且自然植被群落总体上表现为随着演替的进行，地上生物量逐渐增加，二者在p＜0.01水平上显著相关（相关系数r＝0.860，p＝0.003）。对于人工植被群落，地上生物量从大到小依次是25a柠条群落＞40a刺槐群落＞2a沙打旺群落＞13a沙棘群落，这与其盖度密切相关。从不同季节来看，8个群落地上生物量随季节变化总体都表现为在5月或6月份较小，7月至8月份快速增长，生物量达到高峰，9月份出现了一定的下降，但高于5月或6月份。其中，赖草群落地上生物量最大值与最小值相差1.5倍，沙打旺群落、猪毛蒿群落、沙棘群落、铁杆蒿群落和刺槐群落相差4倍左右，柠条群落和白羊草群落最大值与最小值相差分别为9.7和6.3倍。说明不同植物群落地上生物量都具有明显的季节变异特征且呈单峰型变化。

表2 不同植物群落地上生物量季节变化

2.2 不同植物群落土壤水分季节变化

在退耕地植被恢复中，随着季节的变化，由于降水、植被耗水及其蒸腾也发生相应的变化，使得土壤水分也随季节呈规律性变化趋势（图1）。在土层垂直方向上具有3个明显的分层，即0—100cm土壤水分活跃层、100—300cm土壤水分相对活跃层和300—500cm土壤水分相对稳定层。0—100cm土层土壤水分的季节动态变化明显，最大值和最小值相差5%～9%；最大值一般为8月份的测定结果，变化在10.4%～14.1%，群落间的差异不大；最小值则为5月份或6月份的测定结果，人工植被群落变化在4.3%～5.3%，自然植被群落变化在6.5%～7.5%，人工植被群落明显低于自然植被群落。可见，0—100 cm土层的水分随降雨季节变化（图2）的影响较大，同时也受植被类型的影响。100—300cm土层的土壤水分季节动态变化不如0—100cm土层明显，但比300—500cm 土层的变化要大。100—300cm 和300—500cm土层的最大值和最小值的差值变化分别为1.9%～4.8%和1.8%～3.4%，且人工植被的最大值多为10月份或4月份的测定结果，说明人工植被在生长季节的耗水量很大，即使有雨水的补给，土壤含水量的最大值也不会出现在雨季。可见100—300cm和300—500cm土层水分含量变化受植被类型的影响较大。

图1 不同群落0－500cm土层土壤水分的季节动态变化

2.3 地上生物量与土壤水分的关系

地上生物量的季节变化与土壤水分关系密切，在5—9月份，其变化趋势与土壤水分整体变化趋势一致，即二者都在5月或6月份最小，随后呈增长趋势，7月或8月份达到最大，随后有所下降，但下降的幅度不是很大，这与降雨的季节变化有着密切的关系（图2）。8个不同群落地上生物量的季节变化与0—500cm土层土壤水分含量的相关性分析（表3）表明，在0—100cm土层，除铁杆蒿群落的相关系数r较低，只有0.374外，其他群落的相关系数都较高，都在0.60～0.93之间，其中，沙打旺群落、猪毛蒿群落和沙棘群落的地上生物量的季节变化与土壤水分呈显著正相关（p＜0.05）；100—300cm土层，柠条群落地上生物量的季节变化与土壤水分呈显著负相关（p＝0.025），其他群落均来达到显著水平（p＞0.05）；300—500cm土层，土壤水分对地上生物量的季节变化均无显著影响（p＞0.05）。表明在黄土丘陵沟壑区退耕地0—100cm土层土壤水分含量对植被群落地上生物量季节变化的影响作用较为明显，且随着土层深度的增加，其影响作用逐渐降低。

图2 2004年安塞降雨量季节变化

表3 不同植物群落地上生物量与土壤含水量的Pearson相关系数（n＝5）

3 结论与讨论

（1）不同植物群落地上生物量都存在明显的单峰型季节动态变化，与黄德青等［14］的研究结果基本一致。这与温度、植物的生长及生理阶段有着密切的关系［22－23］，5月上旬植被开始返青，植物从休眠期进入营养期，由于早春植物刚开始萌发，生长较为缓慢，地上生物量最低，随着温度升高，植物生长发育先后进入花蕾期、开花期和结果期（7月、8月），物质积累迅速，生物量也不断增大，随后达到高峰值，植物结果后（9月份），进入果后营养期和枯萎期，地上有机质向地下转移，为翌年的萌发做准备，地上生物量随之下降［23－25］。另外，植被地上生物量的季节变化也受降水量及其季节分配的影响［23］。根据2004年安塞降雨资料，5、6月份降水较少，5月份只有21mm，到7月、8月份降水逐渐增多，促进了植物的生长，地上生物量增大，8月以后，降水逐渐减少，使植物的生长受到一定的限制，地上生物量出现下降趋势。

（2）8个不同植物群落土壤水分都具有季节性动态变化趋势，大体可分为三个阶段：土壤水分的利用耗损期（4—6月底），该阶段降水较少，相对湿度低，气温有所增加，土壤蒸发增强，同时，植物开始萌发生长，枝叶增大，植物的蒸腾作用也不断加强，致使土壤水分下降较大；土壤水分的降水补偿期（7—8月），该阶段植物的生长达到整个生长期的旺盛期，土壤蒸发和植物蒸腾非常强烈，但由于降水较多，降水量大于潜在的蒸散量，因而使土壤含水量有所增加；土壤水分的缓慢下降期（9—10月底），该阶段降水有所减少，植物处于衰败阶段，土壤含水量呈下降趋势。张雷明等［12］的研究也表明，黄土高原的土壤水分在年内受降水特点的影响经历了低—高—低的季节变化。在垂直剖面上土壤水分具有一定的层次性，本研究中0—500cm土层具有3个明显的分层，0—100cm活跃层、100—300cm相对活跃层和300—500cm相对稳定层。其中，0—100cm层，土壤水分含量季节性变化范围较大，受降水影响作用较大，同时也与植被类型有关，100—300cm层和300—500cm层土壤水分变化较小，主要受植被类型的影响。

（3）地上生物量的季节变化与土壤水分含量密切相关。8个不同群落总体都表现为0—100cm层土壤水分含量对地上生物量季节变化影响作用比较明显，随土层加深，其影响作用逐渐降低。据李玉山［26］的研究，黄土高原土层厚度一般为50～100m，地下水埋藏较深，无上行补给的可能，因此降水成为土壤水分的唯一来源。在干旱和生物利用的共同作用下，降水渗深一般不超过3m，基本与植物根系的活动范围一致。由此可知，0—100cm土层的土壤水分含量不仅会受降雨入渗作用的影响，还可能与100—300cm层土壤水分上行蒸发的补给有关，故其变化相对活跃，对地上生物量的影响作用也大。

（4）延安地区田间稳定持水量为12%左右，凋萎湿度为4.2%，水分含量低于12%的土层都属于土壤干层［27－28］。本研究中自然植被群落0—300cm土层，除8月份的水分含量在12%以上，其他月份均出现了土壤干层，说明自然植被群落的土壤干层通过降水补偿是可以恢复的。2a人工沙打旺群落，300cm土层以上的土壤水分消耗相对于自然植被群落更大。13a沙棘群落和25a柠条群落，0—500cm土层均出现了土壤干层且较为严重。40a刺槐群落对深层土壤水分的消耗很大，4—10月份300—500cm土层的土壤水分仅为4.5%～5.4%，形成了严重的永久性土壤干层。可见，不同植物群落对土壤水分的消耗不同，且人工植物群落消耗作用较大，更易形成土壤干层。因此，在植被恢复过程中应深入了解不同植物群落对土壤水分的消耗作用，在自然草地人工引种补播适宜物种，并因地制宜地进行人工植被配置，以促进整个黄土丘陵沟壑区退耕地的植被恢复和重建。

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