衡阳紫色土丘陵坡地微地形对土壤水分及生物量的影响

杨昌华， 杨 宁

(1.湖南省绥宁县林业局，湖南 绥宁422600;2.湖南环境生物职业技术学院 园林学院，湖南 衡阳421005)

在衡阳紫色土丘陵坡地，虽然降水较多(多年来年均降水超过1 300 mm)，但夏季地面温度很高(据记载最高达72.8 ℃)，年蒸发量大(超过1 400 mm)，且该区域降水分配极端不均，春、夏季两降水占该年度降水的70%左右，因此季节性干旱严重，加之紫色土的独特性质，其水土流失严重，水分是制约该区域植被恢复的一个关键因素［1-3］. 目前，国内对土壤水分时空分布规律的研究多限于黄土高坡，且大多集中于区域尺度［4-5］、流域尺度［6-7］和坡面尺度［8-9］三个层面，对于这三个层面考虑的生态因子主要是坡向、坡度、坡位、海拔等［10-12］，这虽然对于衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复有一定的指导意义，但是地形因子的差异对于“因地制宜、适地适树”的目的还是远远不够的，因此，有必要对微地形的土壤水分差异以及生物量进行较为系统的研究［13-14］，以更好地指导当地的生态恢复建设.

1 研究区概况

研究区位于湖南省衡南县谭子山镇宋桥村，地理坐标为:25°54' ～25°56' E，112°59' ～113°23' N，地貌为典型的丘陵区，多年来的平均降水1 350.8 mm，降水量年际变化大，季节分配不均，4 ～6 两个月的降水占全年降水的50%左右，其它季节特别是7 ～10 降水量极少，且多为无效降水;年均温17.6 ～18.3 ℃，属典型的亚热带季风气候，多年蒸发量1 483.5 mm，土壤为石灰性紫色土，水土流失严重，土理化性质差(＞0.01 mm 粒级占75%左右;0.01～0.001 mm 粒级:10.5%左右;＜0.001 mm:8.5%左右. pH 值:8. 0 ～8. 4;土壤有机质(Soil organic matter，SOM):9.3 ～13.7 g/kg;P2O5:36.9 ～45.8 mg/kg;K2O:18.4 ～37.5 mg/kg). 植被主要有狗尾草(Setaria viridis)、牡荆(Vitex negundo var. cannabifolia)、刺槐(Robinia pseudoacacia)与苦楝(Melia azedarach)等，在下坡零星有乔木和灌木，地形支离破碎，为该实验的进行提供了条件.

2 研究方法

2.1 微地形的界定

与原状坡(CK)进行比较，在衡阳紫色土丘陵坡地由于地表径流的作用，造成土壤含水量和地上植被的差异，从而形成以下几种微地形形式.

(1)浅沟(Ⅰ):侵蚀发生的初期阶段，横断面宽、浅，多为槽形;

(2)切沟(Ⅱ):是Ⅰ的长、宽和深的纵深发展，横断面多为“V”形;

(3)塌陷(Ⅲ):在切沟形成前的“U”形坑;

(4)缓台(Ⅳ):在坡面的局部范围内形成一个明显的平缓台地，坡度较小(一般小于15°)，明显小于原状坡的坡度;

(5)陡坎(Ⅴ):与缓台基本相反，坡度较大(一般大于45°)，明显大于原坡形的坡度.

2.2 数据测定

经充分调查，实验地设置在衡南县谭子山镇宋桥村，该村经过多年的封育，植被、坡度、坡向等生态因子基本一致.取样时间选择在7月初，因为在该时间地上生物量最大，降水较少，土壤水分较稳定.

在实验地的中下部设置20 m×20 m 的样方，且在其四角的中心分别设置5个1 m×1 m 的小样方，0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm 土层土壤水分用烘干法测定，植物地上生物用称量法测定，所有数据均为3 次重复的平均值.

2.3 数据处理

2.3.1 微地形土壤水分的变异系数

2.3.2 土壤水分的差异显著性检验

采用SPSS13.0 进行数据处理与作图，各微地形的土壤水分进行两两配对的Wilcoxon 秩检验，其中:P ＜0.05 表明两两配对的两组数据间存在显著差异，P ＜0.01 表明两两配对的两组数据间存在极显著差异.

3 结果与分析

3.1 微地形的水分特征分析

3.1.1 不同微地形的土壤水分差异性

利用SPSS13.0 对各微地形的土壤水分进行两两配对的Wilcoxon 秩检验，检验结果见表1.

由(表1)可知，原状坡(CK)的土壤含水量与切沟(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、缓台(Ⅳ)与陡坎(Ⅴ)含水量的差 异 性 分 别 为0. 027*、0. 005＊＊、0. 018*和0.044*(*P ＜0.05;＊＊P ＜0.01)，而与浅沟(Ⅰ)的土壤含水量的差异性为0.110(P ＞0.05)，因此在进行植被恢复时，原状坡(CK)与浅沟(Ⅰ)可采用基本相似的植被恢复模式;另外，对浅沟(Ⅰ)、切沟(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、缓台(Ⅳ)与陡坎(Ⅴ)这5 种微地形的土壤含水量进行比较，除切沟(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)(0.109)，切沟(Ⅱ)～缓台(Ⅳ)(0. 973)和缓台(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)(0.339)的土壤含水量的差异没达到显著水平外(P ＞0.05)，说明切沟(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)、切沟(Ⅱ)～缓台(Ⅳ)和缓台(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)之间可配置相同或相似的植被恢复模式，其余两两之间的土壤含水量的差异达显著或极显著水平(P ＜0.05 或P ＜0.01)，因此，它们两两之间应配置不同的植被恢复模式［15，16］.

表1 土壤水分的差异性检验Tab.1 Difference test of soil water content

3.1.2 不同微地形土壤的含水量

研究表明(见表2)，在微地形相同的情况下，原状坡(CK)的土壤含水量随着土层深度的增加而显著减小(P ＜0.05)，20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土层含水量只有0 ～20 cm 土层含水量的89. 10% 和79.56%;浅沟(Ⅰ)与切沟(Ⅱ)的0 ～20 cm 土层含水量显著高于20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土层含水量(P ＜0.05);塌陷(Ⅲ)的土层含水量的大小顺序为:含水量(Ⅲ，20 ～40 cm)＞含水量(Ⅲ，40 ～60 cm)＞含水量(Ⅲ，0 ～20 cm)(P ＜0.05);缓台(Ⅳ)的0 ～20 cm 土层含水量最低，达显著水平(P ＜0.05);陡坎(Ⅴ)20 ～40 cm 的土层含水量显著低于0 ～20 cm 和40 ～60 cm 土层含水量(P ＜0.05).

表2 不同类型微地形土壤水分(%)Tab.2 Soil water content in different microrelief(%)

在土层相同的情况下，0 ～20 cm 土层，各微地形土壤含水量的大小顺序为:切沟(Ⅱ)(12.78%)＞塌陷(Ⅲ)(11.81%)＞浅沟(Ⅰ)(11.51%)＞缓台(Ⅳ)(11.08%)＞原状坡(CK)(11.01%)＞陡坎(Ⅴ)(8.63%)(P ＜0.05);20 ～40 cm 土层，塌陷(Ⅲ)(14.41%)＞缓台(Ⅳ)(12.81%)＞切沟(Ⅱ)(11.58%)＞原状坡(CK)(9. 81%)＞浅沟(Ⅰ)(9.71%)＞陡坎(Ⅴ)(7.72%)(P ＜0.05);40 ～60 cm 土层，塌陷(Ⅲ)(13. 74%)＞缓台(Ⅳ)(12.94%)＞切沟(Ⅱ)(11. 74%)＞浅沟(Ⅰ)(9.69%)＞原状坡(CK)(8. 76%)＞陡坎(Ⅴ)(8.31%)(P ＜0. 05);0 ～60 cm 土层，塌陷(Ⅲ)(13. 32%)＞缓台(Ⅳ)(12. 28%)＞浅沟(Ⅰ)(10.30%)＞切沟(Ⅱ)(12.03%)＞原状坡(CK)(9.53%)＞陡坎(Ⅴ)(8.22%)(P ＜0.05)［17-18］.

3.1.3 不同微地形的土壤水分的变异系数

研究表明(见表3)，在微地形相同的情况下，随着土层深度的增加，各微地形土壤水分的变异系数显著减小(P ＜0.05)，原状坡(CK)的20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土层含水量的变异系数分别只有0 ～20 cm 土层含水量变异系数的97.32%和37.05%;浅沟(Ⅰ):93.14%和73.53%;切沟(Ⅱ):77.47%和49.15%;塌陷(Ⅲ):96.95%和73.10%;缓台(Ⅳ):66.12%和57.44%;陡坎(Ⅴ):71.21%和59.44%.

表3 不同微地形土壤含水量的变异系数(%)Tab.3 Variation coefficient of soil water content in different microrelief(%)

在土层相同的情况下，0 ～20 cm 土层，不同微地形的土壤含水量娈异系数的大小顺序为:陡坎(Ⅴ)(32.3%)＞切沟(Ⅱ)(29.3%)＞缓台(Ⅳ)(24. 2%)＞原状坡(CK)(22. 4%)＞浅沟(Ⅰ)(20.4%)＞塌陷(Ⅲ)(19.7%)(P ＜0.05);20 ～40 cm 土层，陡坎(Ⅴ)(23.0%)＞切沟(Ⅱ)(22.7%)＞原状坡(CK)(21.8%)＞塌陷(Ⅲ)(19.1%)＞浅沟(Ⅰ)(19. 0%)＞缓台(Ⅳ)(16. 0%)(P ＜0.05);40 ～60 cm 土层，陡坎(Ⅴ)(19.2%)＞浅沟(Ⅰ)(15.0%)＞切沟(Ⅱ)(14.4%)≈塌陷(Ⅲ)(14. 4%)＞缓台(Ⅳ)(13. 9%)＞原状坡(CK)(8.3%)(P ＜0. 05);0 ～60 cm 土层，陡坎(Ⅴ)(26. 0%)＞缓台(Ⅳ)(25. 9%)＞原状坡(CK)(24. 9%)＞切沟(Ⅱ)(20. 7%)＞塌陷(Ⅲ)(18.0%)＞浅沟(Ⅰ)(15.1%)(P ＜0.05).

3.2 微地形的生物量特征分析

研究表明(见表4)，不同微地形的生物量的大小顺序为:塌陷(Ⅲ)(263. 82 g/m2)＞切沟(Ⅱ)(254.29 g/m2)＞浅沟(Ⅰ)(238.67 g/m2)＞原状坡(CK)(193.61 g/m2)＞缓台(Ⅳ)(154.86 g/m2)＞陡坎(Ⅴ)(122.35 g/m2)(P ＜0.05)，塌陷(Ⅲ)、切沟(Ⅱ)、浅沟(Ⅰ)、原状坡(CK)和缓台(Ⅳ)生物量分别为陡坎(Ⅴ)生物量的2.16 倍、2.08 倍、1.95 倍、1.58 倍和1.27 倍.

表4 不同微地形的生物量特征/(g/m2)Tab.4 The biomass in different microrelief

图1 表明，微地形生物量与0 ～60 cm 土壤水分的变异系数呈负相关，拟合方程为y = －0.006x +35.30(＊＊R2=0.690 =0.690)，笔者认为，原因有二，一方面，由于随着植被的恢复，盖度的增加，从而可减小土壤水分的蒸发;另一方面，随着土层深度的增加，表层土壤直接暴露于表面，蒸发快，受周边环境因子的影响大，土壤水分的变异系数较大，深层土壤含水量高，周边环境因子对其影响小，土壤含水量高且相对稳定，变异系数小［19-24］.

图1 微地形生物量与土壤水分变异系数的相关性Fig.1 Correlation between biomass between Variation coefficient of soil water content in different microrelief

4 结 论

(1)通过对原状坡(CK)、浅沟(Ⅰ)、切沟(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、缓台(Ⅳ)和陡坎(Ⅴ)两两配对的Wilcoxon 秩检验，除原状坡(CK)～浅沟(Ⅰ)(0.110)、切沟(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)(0. 109)、切沟(Ⅱ)～缓台(Ⅳ)(0.973)和缓台(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)(0.339)的相关性不显著外，其余两两配对的相关性达到显著或极显著正相关(P ＜0. 05 或P ＜0.01);

(2)6 种微地形中，从土层(0 ～20 cm)→土层(20 ～40 cm)→土层(40 ～60 cm)，土壤含水量显著减小(P ＜0.05).0 ～60 cm 土层，各微地形土壤含水量的大小顺序为:塌陷(Ⅲ)(13.32%)＞缓台(Ⅳ)(12. 28%)＞浅沟(Ⅰ)(10. 30%)＞切沟(Ⅱ)(12.03%)＞原状坡(CK)(9. 53%)＞陡坎(Ⅴ)(8.22%)(P ＜0.05);

(3)6 种微地形中，从土层(0 ～20 cm)→土层(20 ～40 cm)→土层(40 ～60 cm)，土壤水分的变异系数显著减小(P ＜0.05).0 ～60 cm 土层，各微地形土壤水分变异系数的大小顺序为:陡坎(Ⅴ)(26.0%)＞缓台(Ⅳ)(25. 9%)＞原状坡(CK)(24. 9%)＞切沟(Ⅱ)(20. 7%)＞塌陷(Ⅲ)(18.0%)＞浅沟(Ⅰ)(15.1%)(P ＜0.05);

(4)不同微地形的生物量的大小顺序为:塌陷(Ⅲ)(263.82 g/m2)＞切沟(Ⅱ)(254.29 g/m2)＞浅沟(Ⅰ)(238.67 g/m2)＞原状坡(CK)(193. 61 g/m2)＞缓台(Ⅳ)(154. 86 g/m2)＞陡坎(Ⅴ)(122.35 g/m2)(P ＜0.05)，微地形生物量与0 ～60 cm 土壤水分的变异系数呈负相关(y = －0.006x +35.30，＊＊R2=0.690 =0.690).

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