喀斯特地区小气候与土壤理化性质的耦合关系

2017-04-15檀迪熊康宁

江苏农业科学 2017年5期

檀迪+熊康宁

摘要：通过典型样地观测，对贵州省毕节高原山地5种石漠化等级样地的小气候进行常规监测，对比分析其气温、光照度、相对湿度和5、10、15、20 cm处土壤温度的分布状况和日变化动态。结果表明，不同等级石漠化地区由于植被数量和组成结构存在差异，其样地小气候也表现出不同的特征。夏季，随着石漠化等级的提高，石漠化样地内的光照度与气温逐渐降低，降幅趋缓，峰值出现时间也滞后；冬季，由于人为干扰，光照度变幅表现为ST（强度）>SL（轻度）>M（中度）>L（潜在）>N（无），气温变幅表现为ST>SL>L>M>N；相对湿度变幅在夏季表现出与石漠化等级相吻合的现象，冬天则表现为M>ST>L>N>SL。与其他研究不同，本研究中出现了下层土壤温度高于上层土壤的独特现象。各样地光照度、气温和土壤温度之间呈正相关，三者均与空气相对湿度呈负相关。总体来说，无石漠化、潜在石漠化样地环境趋于凉湿化，小气候条件最佳；而中度、强度石漠化样地环境趋于干热化，小气候条件较差，有待于经历较长时间的演替改善。

关键词：毕节高原山地；小气候；石漠化等级；热量收支；日变化动态

中图分类号： S162.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）05-0301-07

在大气候条件相同的局限范围内，由于下垫面组成和性质差异引起的水热条件变化，使得近地层形成了不同的小气候。小气候不仅会影响生物的生长发育，也是人类生产生活活动决策的重要依据[1]。

喀斯特石漠化在20世纪90年代末受到普遍重视[2-3]。我国是世界上喀斯特分布面积最大的国家，仅由碳酸盐类岩石发育的喀斯特面积就达130万km2，约占全国陆地面积的1/7[4]。石漠化已对我国社会和经济发展产生严重危害，因而石漠化的治理成为我国可持续发展战略的一项重要目标。研究和实践表明，虽然石漠化地区生态环境脆弱，环境条件恶劣，治理难度大，但通过合理的治理方针和正确的恢复模式，石漠化仍有恢复的可能性[5-6]。

喀斯特地区植被的自然演替过程一直是喀斯特地区的重要研究内容。近年来，国内外学者对草原、农田、沙漠等下垫面的小气候进行了许多研究[7-12]，也有部分学者对喀斯特不同自然环境下小气候特征进行研究，但将喀斯特自然环境与植被自然演替阶段以及土壤理化性质相结合研究较少。对不同植被演替阶段小气候特征的研究，对于深入了解喀斯特地区的植被恢复过程以及植被演替对于小气候改善的作用，具有十分重要的意义。因此本研究以喀斯特石漠化区具有代表意义的喀斯特峡谷区为背景，对毕节撒拉溪小流域5种石漠化等级中的小气候要素进行了观测，以便为深入研究喀斯特石漠化景观生态恢复与环境小气候的关系提供参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

毕节撒拉溪示范区，地处滇东高原向黔中高原过渡的东斜坡地带，地层出露较齐全，地质构造复杂，地势起伏大，最高海拔1 742.3 m，最低海拔1 400 m，相对高差为 342.3 m，地貌类型为典型的喀斯特高原山地。总面积为 41.5 km2，其中喀斯特面积为26.3 km2，占示范区总面积的63.37%。该区属亚热带湿润季风气候区，流域内年平均气温14.03 ℃，年均降水量863 mm，主要集中在7—9月，占全年总降水量的52.4%。岩石以石灰岩及紫色砂页岩为主。受成土母质影响，一般分布黄壤土及紫沙土，在岩溶洼地和山间平地有水源的地方分布少量水稻土，坡耕地一般分布岩泥土，林地、灌草丛为石灰土。野生植被是以大白杜鹃（Rhododendron decorum）、小果十大功劳（Mahonia bodinieri）、来江藤（Brandisia hancei）、金丝桃（Hypericum monogynum）等为主的藤、刺、灌丛，以及零星分布的青冈（Cyclobalanopsis glauca）、核桃（Juglans regia）、通脱木（Rice-paper plant）等。

1.2研究方法

本研究通过对小流域地形地貌的踏勘、勾绘，结合小流域内植被及土被分布情况，划分4种石漠化强度类型：强度石漠化（strong，ST）、中度石漠化（medium，M）、轻度石漠化（slight，SL）和潜在石漠化（latent，L），并设置无石漠化对照样地（non，N），等级的划分标准如表1所示。选取15个20 m×10 m 的固定样地（表2）于2013年9、12月选择典型天气（晴天）测定样地内离地面1.5 m处的光照度和空气温湿度，不同深度（5、10、15、20 cm）的土壤温度。其中，用ZDS-10照度计测定光照度，阿斯曼通风干湿度计测定气温和相对湿度。

3数据统计

采用SPSS 19.0数据处理系统对数据进行方差分析、差异显著性检验和相关分析，图表制作在Excel 2003中完成。

2结果与分析

2.1光照度变化特征

由表3可知，8月份各个等级石漠化样地光照度差异显著（P<0.05），其中强度石漠化样地光照度显著高于潜在、无石漠化樣地（P<0.05），无石漠化样地光照度显著低于强度、中度、轻度石漠化样地（P<0.05），而中度、轻度、潜在石漠化样地之间光照度差异不显著（P>0.05）；12月份光照度表现为无石漠化地区光照度显著低于强度、中度和轻度石漠化地区（P<0.05），总体呈现出SL>ST>M>L>N。

研究发现，研究区不同等级石漠化地区的光照度总体表现为中午高、早晚低的单峰曲线，但峰值出现时间却略有差异。中度石漠化地区光照度峰值出现在13：00，强度石漠化地区峰值出现在14：00，而石漠化等级较低的地区光照度峰值多出现在11：00—12：00之间（图2）。同时，由表3可知，随着石漠化等级的提高，光照度的日均总量和变化幅度总体上呈现出增大的趋势。8月份随着石漠化程度的提高，光照度日较差明显增大，而12月份光照度的日较差表现为

可以看出，不同等级石漠化地区气温日动态与光照度日动态类似，都呈现出早晚低、中午高的单峰曲线。强度石漠化地区气温峰值约出现在14：00，中度石漠化地区气温峰值出现在13：00，而石漠化程度较低的地区气温峰值出现在12：00—13：00之间，与光照度峰值出现时间相吻合。由表4可知，随着石漠化等级降低，气温日较差总体上呈现出减小的趋势。在12月，气温变化规律不明显，表现为L>ST>SL>M>N。这是由于潜在、轻度石漠化地区多为落叶树种，加之人类活动强烈，致使12月潜在、轻度石漠化地区气温日较差较大。[FL）]

[FK（W8][HT6H][STHZ][JZ]表4不同等级石漠化样地大气温度

2.4土壤温度变化特征

由表6可知，8月份各个等级石漠化样地5 cm处土壤温度无显著差异（P>0.05），表现为M>ST>SL>L>N；12月各个等级石漠化样地5 cm处土壤温度无显著差异（P>005）。8月份各个等级石漠化样地10 cm处土壤温度无显著差异（P>0.05），表现为M>ST>SL>L>N；12月各个等级石漠化样地10 cm处土壤温度无显著差异（P>0.05）。8月份各个等级石漠化样地15 cm处土壤温度差异显著，表现为无石漠化样地显著低于其他等级石漠化地区（P<0.05）。强度、中度、轻度、潜在石漠化地区差异不显著（P>0.05）；12月各个等级石漠化样地15 cm处土壤温度无显著差异（P>0.05）。8月份各个等级石漠化样地20 cm处土壤温度差异显著，表现为无石漠化样地显著低于其他等级石漠化地区（P<0.05）。强度、中度、轻度、潜在石漠化地区差异不显著（P>0.05）；12月各个等级石漠化样地20 cm处土壤温度无显著差异（P>0.05）。

土壤温度是土壤系统的一个重要指标，对土壤中发生的物理和化学过程有重要的影响。土壤温度的变化，既影响土壤水分的蒸发，又制约着植物的蒸腾和植被生境特征，进而影响植被的生长状况。从时间上来看，在8月份相同时间、相同深度的土壤温度总体上是随石漠化程度升高而升高的。在12月份相同时间、相同深度的土壤温度随石漠化等级的降低有增长的趋势（图5）。

从空间上来看（表6），不同等级石漠化地区土壤温度都表现为先增长后减小至稳定的现象，且除了无石漠化地区，其他等级石漠化地区深度土壤的温度往往要高于上层土壤。结合部分土壤物理性质（表7）得出其原因在于：（1）地面热量收支。白天，地面吸收的太阳辐射能超过了地面有效辐射，所以辐射差额为正值。辐射通过转化成热能传递给土壤使土壤升温。喀斯特地区土壤瘠薄，植物根系较浅，所以表层土壤要消耗部分热量以供植物和土壤的水分蒸发。在夜间表层地面有效辐射强烈，会消耗表层土壤的热量。（2）土壤热容量和导热率。土壤热容量与土壤湿度成正比，与土壤孔隙度成反比，上层土壤的孔隙度大于下层土壤，同时土壤湿度要小于下层土壤，因而下层土壤的土壤热容量大。而土壤的导热率与土壤的热容量成反比。白天表层土壤吸收的热量多，使得上层土壤温度瞬时高于下层土壤，当物质不同部位之间存在温差时，会借助于分子传导产生热量的传递，热流的方向总是由高温指向低温，这时温度由上层传到下层，导热率高，温度传递速度快，下层土壤的热容量大，会储存大量热能，温度上升。夜间热量会由下层土壤传递到上层，但是由于导热率低，上层土壤热容量小，因而下层土壤储存的热能要高于上层土壤，所以造成了上述现象。从土壤温度日较差来看，大体表现为M>ST>SL>L>N。

2.5土壤物理性质及植物多样性变化特征

2.5.1土壤物理性质变化特征

土壤的物理特性是土壤肥力的一个重要方面，它对土壤的通气、透水、导热等功能有一定[CM（25]程度的影响。土生植被的变化，治理方式和土地利用类型[CM）][FL）]

随着植被覆盖度提高，植物根系对土壤的改造作用更加强烈，土壤总孔隙度和土壤容重呈良性化发展（表7）。其中，无石漠化环境土壤容重显著小于其他类型石漠化样地，而其土壤总孔隙度显著大于其他石漠化样地（P<0.05）。不同程度石漠化环境土壤含水量表现混乱，无明显规律，可能与喀斯特地区多短时间、突发性天气现象有关。

2.5.2植物多样性变化特征

植被种类和数量是一个地区生态环境条件优劣的基本标志。近年来，贵州喀斯特地区退耕地采取了不同的植被恢复方式来改良和恢复天然植被，其中人工恢复方式最主要的措施是植树种草，自然恢复方式的措施有封山禁牧、自然撂荒等。由表8可知，随演替阶段上升，植物生长更旺盛，群落更稳定，小气候条件逐渐得到改良，证明了植被对改良气候、涵养水源、防风固沙、改良土壤等方面的积极作用。

[HTK]2.6各因素相关性分析[HT]

对不同程度石漠化环境的光照度、大气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水量、植被丰富度、多样性、均匀度和优势度进行相关性分析（表9）发现：8月份，大气温度和表层（5 cm）[JP3]土壤温度呈显著正相关（P<005），与植被丰富度、多样性和优势度呈显著负相关

表示在0.01水平上显著相关。[HT][FK）]

[FL（2K2]光照度与土壤温度和土壤容重呈显著正相關（P<005），与土壤孔隙度、植被丰富度呈显著负相关（P<005）。表层（5 cm）土壤温度与大气温度和光照度呈显著正相关（P<005），与植被丰富度和多样性呈显著负相关（P<005），10 cm 处土壤温度与土壤含水量呈极显著正相关（P<001）。深层土壤温度与光照度、表层土壤温度和土壤含水量呈显著正相关（P<0.05），与植被多样性和丰富度呈显著负相关（P<0.05）。

12月份，由于植被自身的枯萎与人为干扰的影响，植被在调蓄样地小气候中所发挥的作用被大打折扣，因此相关性不是很明显，大气温度和相对湿度呈显著负相关（P<0.05），相对湿度与植被均匀度呈显著正相关（P<0.05），光照度与植被丰富度呈显著负相关（P<0.05），10 cm与15 cm处土壤温度、15 cm与20 cm处土壤温度呈显著正相关（P<0.05）。

对喀斯特石漠化的治理是通过植被恢复使样地小气候由干热化向凉湿化转变，使样地植被结構更加有序，小气候更加温和，通过对比植被的丰富度、多样性、均匀度和优势度指数可以发现，在不同季节（尤其是湿热季节），除了8月份温度与植被优势度相关性显著并且相关性系数较大（-0.934）之外，其余各项小气候因子在向良性方向转变时，均与植被的丰富度、多样性和均匀度指数呈显著相关关系并且显著性系数较大，这说明在石漠化治理过程中，除了要注意种植植被的数量之外，不同类型植被的补植也是十分有必要的。

3结论与讨论

湿热季节（8月）光照度和气温表现出随石漠化程度的增加而升高的趋势，变化幅度大，与石漠化等级相吻合。而峰值出现时间随石漠化程度的提高出现滞后现象。在干冷季节（12月），气温随石漠化等级变化幅度不大，说明石漠化程度较轻地区植被覆盖率高，在保温方面体现出了一定作用。轻度石漠化地区光照和气温日较差最大；相对湿度在干冷季节同样表现出了一定的异质性。在干冷季节，石漠化程度较重的地区往往相对湿度的日均值也较高。而日较差表现混乱，无规律可言。产生以上结果的原因，其一是部分潜在、轻度石漠化环境地区立地条件好、土壤肥沃，主要指被类型以经济价值高的花椒、砂仁、构树等落叶木本植物为主，虽然覆盖率较高，但群落配置简单，在干冷季节对小气候的改良作用随着枝叶的掉落而降低；其二是该类型石漠化地区为保证树种存活经常会进行人为的除草除叶、剪枝、清除其他树种等活动，受人为干扰较多；其三是强度石漠化由于立地条件差、环境恶劣，又因随着石漠化治理时间的增加，适用于改良不同等级石漠化地区的植物已被熟知，通过自然演替、人为补植种草以及较少的人为干扰，部分环境因子得到改善。

通过研究发现，示范区样地土壤温度的日较差虽然整体随着土层深度的增加而减小，但却表现出深层土壤温度高于表层土壤温度的独特现象。原因其一在于示范区不同深度土壤的孔隙度和土壤含水量的差异导致土壤的热容量和导热率表现出不同特征。其二在于地面热量收支的差异。但是，本研究只局限于毕节示范区部分样地，这种特征是否是喀斯特地区土壤的一般特征还需要进行更加深入的研究。

综合观察各石漠化等级样地间小气候指标，光照度、气温、湿度除受石漠化等级影响外，同样会受到坡向的影响。无石漠化、潜在石漠化地区小气候指标由于植被郁闭度高，缓冲作用大而变化较小外，其他石漠化地区的小气候指标与坡向的关系是极其明显的，如轻度石漠化样地由于其坡向基本上以东南方向为主，为阳坡，日照时间长且正午前后太阳辐射最强；而中强度石漠化地区多为西北坡向，为阴坡，日照时间相对较短且日照强度应以正午之后1～2 h最强。所以除了植被配置结构和覆盖度之外，坡向也是造成不同等级石漠化样地光照度和气温峰值差异的一个原因。因此，除受当地降水、土壤质地和小地形影响更为显著的土壤湿度外，在探讨小气候对石漠化梯度的响应时，其余各指标也应对坡向问题进行讨论。

总的来说，不同等级石漠化地区小气候差异很大，尤其以湿热季节最为典型。通过本研究发现，在石漠化治理过程中，环境因子质量并不是随石漠化程度增加而直线下降，而是存在一个先退化后改善的过程，潜在、轻度石漠化由于在长期的石漠化治理过程中受人为干扰，小气候变化特征相对紊乱，质量不高甚至存在低于中强度石漠化现象。因此在进行石漠化综合治理过程中，不能忽视人为活动方式对植被恢复过程的影响。由上分析可知，植被生长过程中应尽量减少对灌木及林下草被的破坏，防止由于系统开放性增大而导致的过多热量渗入植被根部裸土区域，从而减少空气水分和土壤水分的散失。同时在石漠化治理过程中不能把着眼点仅放在先锋种和优势种上，而应增加样地内植被种类，使植被结构更加完善，从而使得石漠化治理效果更加理想化。

参考文献：

[1]宇万太，姜子绍，李新宇，等. 不同土地利用方式对潮棕壤有机碳含量的影响[J]. 应用生态学报，2007，18（12）：2760-2764.

[2]王世杰. 喀斯特石漠化概念演绎及其科学内涵的探讨[J]. 中国岩溶，2002，21（2）：101-105.

[3]熊康宁，黎平，周忠发，等. 喀斯特石漠化的遥感GIS典型研究——以贵州省为例[M]. 北京：地质出版社，2002.

[4]朱守谦，喻理飞. 喀斯特森林研究框架[M]//朱守谦. 喀斯特森林生态研究（Ⅲ）. 贵阳：贵州科技出版社，2002：3-10.

[5]梅再美，熊康宁. 贵州喀斯特山区生态重建的基本模式及其环境效益[J]. 贵州师范大学学报（自然科学版），2000，18（4）：9-17.

[6]苏维词. 贵州岩溶山区生态系统的脆弱性及其对策[J].中国水土保持科学，2004，2（3）：64-68.

[7]马友鑫，刘玉洪，张克映. 西双版纳热带雨林片断小气候边缘效应的初步研究[J]. 植物生态学报，1998，22（3）：250-255.

[8]王正菲，朱廷曜，朱劲伟，等. 森林气象学[M]. 北京：中国林业出版社，1985.

[9]周政贤. 茂兰喀斯特森林科学考察集[M]. 贵阳：贵州人民出版社，1987，98-109.[ZK）]

[10]任海，彭少麟. 恢复生态学导论[M]. 北京：科学出版社，2002.

[11]刘文杰，李庆军，张光明，等. 西双版纳望天树林干热季不同林窗间的小气候差异[J]. 生态学报，2000，20（6）：932-937.