衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复阶段地上生物量季节变化及其与土壤水分的关系

张曙 杨斌

摘要通过野外定点跟踪观察，采用空间序列代替时间序列的方法，对衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复阶段地上生物量季节变化及其与土壤水分的关系进行研究。结果表明：5～9月，狗尾草群落（Ⅰ）、狗尾草-牡荆群落（Ⅱ）、牡荆+紫薇群落（Ⅲ）和枫香群落（Ⅳ）4个恢复阶段地上生物量变化呈“n”型变化特征，其差异达显著水平（P<0.05），8月最大，5月最小；4个恢复阶段0～50、50～100和100～200 cm各土层土壤含水量随季节的变化规律具有“n”型的变化特征，与降雨量具有同源性，6月最大，9月最小，同一土层的不同恢复间以及同一恢复阶段的不同土层间土壤含水量的变化差异显著（P<0.05），土层（0～50 cm）含水量与水分变异系数最大，土层（50～100 cm）土壤含水量与变异系数次之，土层（100～200 cm）含水量与水分变异系数最小，其差异达显著水平（P<0.05）；土壤水分与地上生物量的相关分析表明，随着土层深度的增加，土壤水分对植物地上生物量的影响逐渐减弱。在不同恢复阶段，土壤水分与植物地上生物量的关系存在差异，因此，在植被恢复过程中，要因地制宜选择植物种类，以加速该区域的植被恢复。

关键词植被恢复；地上生物量；土壤水分；季节变化；紫色土；衡阳

中图分类号S152.7；S714.2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-111-03

衡阳紫色土丘陵坡地位于湖南省中南部。该区域生态环境脆弱，季节性干旱突出，水土流失严重，加上紫色土耐旱性差，养分含量不协调（缺N，而P和K丰富），紫色土本身不耐侵蚀，在植被遭到破坏后其表土很快被流失，基岩裸露。该区域是我国南方水土流失最严重的地区之一，也是我国最具代表性的生态灾难区。植被恢复十分困难，农业生产受到很大的制约，甚至影响到人们的生存，因此，该区域的生态系统亟待修复。植物作为生态系统物质循环和能量交换的枢纽，其生物量是整个生态系统正常运行的能量基础和物质来源。土壤水分是制约该区域生态恢复的关键的生态因子之一，但以往多集中于土壤水分的静态或单方面的研究，对土壤水分的动态变化及其与生物量的耦合关系鲜见报道。为此，笔者采用“空间序列代替时间序列”的方法，对不同恢复阶段植物群落的地上生物量变化动态、土壤水分变化动态以及二者之间的耦合关系进行较系统的研究，以期为该区域的植被恢复提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于衡阳紫色土丘陵坡地典型区域衡南县谭子山镇，112°16′40″～112°26′29″ E，27°25′40″～27°43′53″ N，海拔78～214 m，属中亚热带季风湿润气候，年均温17.8 ℃（7月最热，平均气温为36.8 ℃，极端最高温420 ℃；次年1月最冷，平均气温为1～3 ℃，极端最低温-7.5 ℃），多年来平均降水量1 280 mm，蒸发量1 432.9 mm，降水量年际变化大且年内变化不均匀，降雨多集中于5～7月份（约占全年的一半左右），且多以暴雨形式出现，易造成水土流失，9～11月份降雨量很少，常有伏旱发生，严重影响区域农业生产。

1.2样地调查与采样

结合当地记载资料，经充分践踏，选择同一河谷地带的半阳坡上坡度、海拔以及裸岩率等生态因子大致相似的坡中下部沿等高线有代表性的样地（表1）。样地植被调查于2013年5～9月进行，每月1次。样地植被调查方法与地上生物量的测定参考文献[11-12]进行。土壤含水量的测定方法参考文献[8]。降雨资料由衡阳市气象局提供。

1.3数据分析

利用SPSS13.0软件进行数据统计，采用one-way ANOVA法和DMRT法进行方差分析和差异显著性检验（α=0.05），采用Pearson分析法进行相关分析。

2结果与分析

2.1不同恢复阶段地上生物量变化动态

表2表明，4个恢复阶段植物地上生物量季节变化的大小顺序分别为8月地上生物量（Ⅰ）>9月地上生物量（Ⅰ）>7月地上生物量（Ⅰ）>6月地上生物量（Ⅰ）>5月地上生物量（Ⅰ）（P<005）；8月地上生物量（Ⅱ）>7月地上生物量（Ⅱ）>6月地上生物量（Ⅱ）>9月地上生物量（Ⅱ）>5月地上生物量（Ⅱ）（P<0.05），8月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>7月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>9月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>6月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）>5月地上生物量（Ⅲ，Ⅳ）（P<0.05）。由此可知，5～9月，在4个恢复阶段地上生物量变化规律具有“n”型变化特征，8月最大，5月最小，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4个恢复阶段8月份生物量分别为5月份生物量的4.50倍、2.47倍、10.80倍和4.46倍。 另外，4个恢复阶段地上生物总量的大小顺序为生物总量（Ⅲ）>生物总量（Ⅳ）>生物總量（Ⅱ）>生物总量（Ⅰ）（P<005），其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ 3个恢复阶段地上生物总量分别只有恢复阶段Ⅲ的3.57%、5.54%和92.17%。

2.2不同恢复阶段土壤水分季节变化

表3表明，5～9月，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4个恢复阶段0～50、50～100和100～200 cm各土层土壤含水量的变化规律与地上生物量的变化规律相似，呈现“n”的变化特征，同一土层的不同恢复间以及同一恢复阶段的不同土层间土壤含水量的变化差异显著（P<0.05），“峰值”均出现于6月份，“谷值”均出现于9月份。在恢复阶段Ⅰ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分别是“谷值”的1.74倍、1.64倍和1.55倍；在恢复阶段Ⅱ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分别是“谷值”的1.78倍、1.60倍和1.63倍；在恢复阶段Ⅲ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分别是“谷值”的1.91倍、1.67倍和1.57倍；在恢复阶段Ⅳ，0～50、50～100和100～200 cm“峰值”分别是“谷值”的1.99倍、1.69倍和1.64倍。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4 个恢复阶段0～50、50～100和100～200 cm各土层土壤水分的变异系数的变化规律是同一土层随着植被恢复的进行和相同恢复阶段随着土壤深度的增加土壤水分的变异系数均显著减小（P<0.05）。在0～50 cm土层，Ⅰ土壤水分的变异系数分别为Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的1.12倍、1.22倍和1.37倍；在50～100 cm土层，Ⅰ土壤水分的变异系数分别为Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的1.10倍、1.15倍和1.26倍；在100～200 cm土层，Ⅰ土壤水分的变异系数分别为Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的1.27倍、1.47倍和1.69倍。在恢复阶段Ⅰ，50～100和100～200 cm土层的土壤水分的变异系数分别为0～50 cm的7465%和54.61%；在恢复阶段Ⅱ，50～100和100～200 cm土层的土壤水分的变异系数分别为0～50 cm的75.73%和48.19%；在恢复阶段Ⅲ，50～100和100～200 cm土层的土壤水分的变异系数分别为0～50 cm的78.91%和79.95%；在恢复阶段Ⅳ，50～100和100～200 cm土层的土壤水分的变异系数分别为0～50 cm的81.50%和44.35%。

2.3地上生物量与土壤水分的相互关系

表4表明，在0～50 cm土层，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4个恢复阶段植物地上生物量与土壤水分呈极显著或显著正相关关系（P<0.01或P<0.05）；在50～100 cm土層，4个恢复阶段植物地上生物量与土壤水分的相关系数分别为0.800、0.557、-0.600和-0.604；而在100～200 cm土层，各恢复阶段植物地上生物量与土壤水分之间的关系没有达到显著水平（P>0.05）。该研究结果表明，随着土层深度的增加，土壤水分对植物地上生物量的影响逐渐减弱。

3结论与讨论

（1）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4个恢复阶段植物地上生物量随生长季节的变化规律均具有“n”型变化特征。植物地上生物量主要受有效积温的限制。在5月上旬，刚从春季进入初夏，有效积累较低，大多植物地上部分处于萌发的起始状态，生长较缓慢，地上生物量最低；8月，有效积温最高，植物生长最迅速，物质积累最大，地上生物量最大；9月，大多植物进入果后期，植物的部分营养开始下移，为翌年的植物萌发积累营养物质，植物地上生物量开始下降。该研究结果符合“Logitic”方程生长规律。这与黄德清等的研究结果基本一致。另外，4个恢复阶段以Ⅲ的地上生物总量最大，实质Ⅲ的整个恢复阶段的一个生态过渡阶段。该研究结果丰富了边际效应的内容。

（2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4个恢复阶段的土壤水分随季节的变化规律与植物地上生物量随生长季节的变化规律相似，同样具有“n”型变化特征，与降水在形成上具有同源性。5月气温回升，植物处于生长萌发状态，土壤水分消耗大，水分含量较低；6月虽然植物处于快速生长期（耗水最大），但此时湖南处于降水高峰期，因此此时土壤水分处于最高峰；9月，虽然植物处于衰退阶段，耗水少，但湖南降水少，因此此时土壤水分最低。在0～50、50～100和100～200 cm各土层，降水下渗需要时间，因此随着土层深度的增加，土壤水分减少；同时，土层越浅，受外界的影响越大，土壤水分变异系数越大。

（3）植物地上生物量与土壤水分关系密切，其关系随着土层深度的增加而变弱。原因在于紫色土贮水性能较差，其风化的表层易形成薄壳，降水难以下渗，加之地下主要根区处于20～60 cm的范围，导致在土壤深层地上生物量与土壤水分的关系弱化。

（4）多年的研究表明，植被恢复处于不同的阶段，植物群落构成不同，植物根系活跃有范围也存在差异。因此，在植被恢复过程中，要因地制宜选择植物，实行合理配置，加速该区域的植被恢复。

43卷21期张 曙等衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复阶段地上生物量季节变化及其与土壤水分的关系

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