陕北黄土高原不同微地形下植被-土壤系统耦合特征研究

李 豪，卢纪元，魏天兴，朱清科

（北京林业大学水土保持学院/水土保持与荒漠化防治国家林业局重点实验室，北京 100083）

陕北黄土高原土质松散，春冬干旱，夏季多暴雨，水土流失严重，地表沟壑纵横，植被立地条件差，该区的生态系统恢复重建问题变得尤为重要[1-2]。陕北黄土高原坡面在水力、重力等外营力的作用下形成浅沟、缓台、陡坎、塌陷和切沟等形态大小参差不齐的微地形[3-4]，这些微地形使其表面变得崎岖不平，引起土壤水分、养分等影响植物生长的关键要素的重分配[5-7]，从而导致植被在坡面上的差异性分布[8]。在黄土高原的植被恢复重建过程中忽略微地形间的差异很可能导致植被保存率低、生长状况差甚至“小老树”等问题[9]。因此，微地形间的差异研究对于黄土高原仿自然植被群落结构的精准配置具有现实指导意义。

以往关于黄土高原微地形植被和土壤的研究多集中在其中某一方面单独对微地形的响应上。例如，张宏芝等[6，10]探究了各类微地形间的理化性质差异，卢纪元等[11]研究了不同微地形下的植被特征分异。而土壤的性质影响植被的变化，同时也因植被的变化而变化，二者是一个相辅相成，相互制约的系统[12]。应将土壤植被统一到一个系统来进行研究。近年来，已有研究开始用耦合协调度来表征研究系统内多子系统之间的耦合。耦合协调强调的是一种深层次的系统要素之间关系及过程的研究，一般用来从整体上判别多系统之间匹配发展态势。当前，耦合协调度模型主要被应用在评定城镇化[13]、区域经济[14]、农业现代化[15]、旅游产业[16]和生态环境[17]等宏观方面的耦合协调关系。目前已有学者将其推广应用在确定小尺度植被与土壤之间交互影响方面。彭晚霞[18]采用耦合协调度模型评价了7 种不同退耕还林还草模式下的植被—土壤系统恢复效果。徐明[19]采用耦合协调度模型评定分析了3 种不同植被恢复模式下的植被—土壤系统耦合协调关系的差异。但目前还少见对不同微地形下植被—土壤系统耦合协调特征方面的研究。

本文采用耦合度和耦合协调度模型定量分析了陕北黄土高原不同微地形下植被与土壤之间的耦合协调关系，阐述了坡面微地形对生态恢复重建的作用，以期为指导陕北黄土高原植被精准配置提供参考。

1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市吴起县吴旗镇中部的合沟流域，108°12'20″～108°13'55″ E，36°53'23″～36°55'07″ N，海拔高度1 350～1 585 m，属于黄土高原丘陵沟壑区，黄土丘陵第二副区，区域内年均降水量478.3 mm；62%的降雨量集中在7—9月，且多以暴雨形式出现，年际变化较大，为半干旱温带大陆性季风气候，夏季旱涝相间，冬季寒冷干燥。日照充足、昼夜温差大，年平均气温7.8 ℃，年平均日照时间2 400 h，年平均无霜期为146 d。土壤类型以在黄土性黄绵土为主，质地为轻壤。植被类型为森林草原向草原过渡类型，华北区系植物在该区植物组成中占主导地位。近代以来，人类经济活动加剧，该区原生植被已基本被破坏殆尽。合沟小流域自1998年开始实施封育措施以来，完全依靠自然恢复，目前流域中坡面为天然草本覆盖，零星分布着小灌木和乔木幼苗。

2 研究方法

2.1 样地布设

于2014年7—8月，对研究区内的梁峁坡半阴和半阳坡向的微地形进行分类调查，并作为试验样地，确保5 种类型的微地形在两种坡向内都至少有一个样方。并在半阳和半阴坡向的原状坡上中下部分别设置一个5 m×5 m 的样方作为对照组，然后在每个样方内随机设置3 个1 m×1 m 的草本小样方。其中浅沟和切沟的样方设置在沟底，共调查57 个草本样方。如果小样方内出现了灌木或乔木，则记录其种类、数量、树高和冠幅，并根据实际情况适当扩大样方面积。同时，记录每个样方的海拔、坡度、坡向和坡位。样地基本情况如表1所示。

表1 样地基本情况Table 1 The basic situation of the sample plot

2.2 植被调查与计算方法

调查记录每个样方内每种植物的名称、数量和平均高度，采用目视判读法估计每种植物的盖度和样方总盖度，称取其地上植物鲜重，然后采用烘箱烘干，称其生物量并算得干鲜比。采用统计的各物种数计算Margalef 丰富度指数（R）、Pielou 均匀度指数（J）、Simpson 多样性指数（D）和Shannon-Wiener多样性指数（H）来表征不同微地形下植物多样性特征。

Margalef 丰富度指数：R=（S-1）/lnN

Pielou 均匀度指数：J=H/lnS

Shannon-Wiener 多样性指数：H=-∑PilnPi

Simpson 多样性指数：D=1-∑Pi2

式中，S 为样方中的物种总数，N 表示样方所有物种的个体总数，Pi表示第i 个物种所占的比例。

2.3 土壤样品采集与分析

每个草本样方调查完毕后，在每个草本样方中心挖土壤剖面，分0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 3层依次取土样，每层共取500 g 左右的土样，分3 次重复，将3 次重复土样充分混合后带回室内实验室，风干后用以测定土壤养分指标。共挖取土壤坡面57个，测定土壤样品171 个。3 层取平均用以表征单个草本样方土壤养分特征。

于2014年9月—12月进行样品测定，测定的土壤养分指标有土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾及pH 值。测定方法如下：土壤有机质含量采取重铬酸钾容量法—外加热法测定；土壤全氮含量采用半微量开式法测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量的测定采用NH4OAc 浸提，火焰光度法；土壤pH值采用电位法测定。

2.4 模型建立

2.4.1 耦合度模型

耦合度是一个物理学概念，是指2 个（或2 个以上的）系统通过自身和外界的各种相互作用而彼此影响的现象[20]。结合物理学中容量耦合系数理论，得到系统互相作用的耦合度模型，即

这里，mi（i =1，2，3，···，n）是各子系统的评价函数，但是该模型比较抽象，耦合度具体表达式需要进一步确定，已有学者[21]通过表征离差系数的公式讨论确定了n=2 时的情形，得到2 个系统相互作用的耦合度模型为

式中，k 为调节系数，本文k=5；C 为植被土壤系统耦合度。显然，0≤C≤1，当C 趋向于1 时，说明系统之间或系统内部各要素之间达到优质共振耦合；当C=0 时，耦合度极小，说明系统之间或系统要素之间处于无关状态。f（x）为代表植被综合评价函数，g（y）为土壤综合评价函数。

式中，ai，xi分别为植被综合评价函数第i 个指标对应的待定权重和标准化数值；by，yj分别为土壤综合评价函数第j 个指标对应的待定权重和标准化数值。

2.4.2 耦合协调度模型

虽然C 可表示植被与土壤之间的耦合程度，然而，这个模型在有些情况下却很难反映出植被和土壤的实际水平和状态。例如，当f（x）和g（y）都取值0.01 时，计算得出的耦合度大于f（x）和g（y）分别取值0.8 和0.9 的结论。这显然不是我们想要的结果，因此为进一步反映不同微地形下植被土壤2 个系统发展水平的相对高低，在C 值的基础上加入表示总体发展水平的成分，构建引入耦合协调度模型：

式中，Cd为植被土壤系统的耦合协调度。T 为植被与土壤的综合调和指数，他反映了植被与土壤的整体协同效应或贡献；α、β 为待定权数，依据前人的经验[18-19]，本文α=β=0.5。

2.4.3 耦合协调类型划分

目前耦合协调度等级划分尚无同一标准，参考前人的研究成果[18]。先根据Cd的值将不同微地形下的植被土壤耦合协调发展状况分为3 大类10 小类，然后再根据f（x）/g（y）的对比关系划分为30 种基本耦合类型。植被土壤系统耦合协调类型划分如表2。

表2 植被土壤系统耦合协调类型划分Table 2 Vegetation soil system coupling coordination type division

（续表2）

2.5 数据处理与统计分析

所有数据使用Microsoft Excel 2016 进行处理，层次分析法权重采用yaahp V11.2 进行确定，用R语言psych 程序包做相关性分析。

3 不同微地形模型分析

3.1 指标体系构建

为了准确评价自然恢复过程中不同微地形下土壤和植被的关系，在设置评价指标体系时，借鉴相关研究成果[18-19，22]，按照目的科学性和系统完整性原则，兼顾指标体系的可操作性、易比较性、代表性、灵敏性、独立性和协调性，构造能够反映陕北黄土高原不同微地形下植被土壤耦合协调评价指标体系，形成包括高度、盖度、生物量、Margalef 指数、Pielou 指数、Simpson 指数和Shannon-wiener 指数等7 个指标在内的植被表征体系和包括有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和pH 等6 个指标在内的土壤表征体系。由于不同指标间存在量纲、数量级和数量变化幅度的差异，本文选用极差标准化方法对数据进行处理，使所有指标值都在[0，1]范围内。

在处理指标权重时，考虑到每一种赋权法都有一定局限性，为了降低赋权法带来的差异性，本文综合选择了一种主观赋权法模糊层次分析法（AHP）和一种客观赋权法熵值[23]法，然后求其权重的均值得到综合权重，在一定程度上相应的缩小了单一赋权法带来的局限性和弊端，处理结果如表3所示。

表3 不同微地形下植被土壤耦合特征评价指标权重Table 3 The weight of vegetation soil coupling characteristics evaluation index under different microtopography

3.2 不同微地形下植被土壤系统耦合关系评价

不同微地形植被综合指数f（x）、土壤综合指数g（y）、植被土壤耦合度C 和耦合协调度Cd计算结果见表4。

表4 不同微地形下植被土壤系统耦合协调状况评判结果Table 4 Coupling status of vegetation and soil system under different microtopography

从中可以看出，5 种微地形和原状坡的植被和土壤综合指数在各种微地形中的位置并不完全一致，其中植被综合指数顺序为切沟＞塌陷＞浅沟＞缓台＞陡坎＞原状坡，土壤综合指数顺序为塌陷＞切沟＞缓台＞陡坎＞浅沟＞原状坡。浅沟和切沟的植被综合指数均优于土壤综合指数，其他3 种微地形和原状坡土壤综合指数高于植被综合指数。不过5 种微地形土壤综合指数和植被综合指数均高于原状坡。5 种微地形和原状坡的耦合度变化在0.022 3～0.994 7之间，耦合协调度变化在0.024 8～0.881 8 之间，各地形之间差异明显。耦合度顺序为切沟＞塌陷＞浅沟＞缓台＞陡坎＞原状坡，耦合协调度顺序为切沟＞塌陷＞缓台＞浅沟＞陡坎＞原状坡。结果表明：5 种微地形植被与土壤的耦合协调状态均优于原状坡，其中，切沟和塌陷属于良好协调-同步型，浅沟属于濒临失调-土壤损益型，缓台属于初级协调-植被滞后型，陡坎属于中度失调-植被损益型，原状坡属于极度失调-植被损益型。

3.3 植被和土壤各因子间的相关性分析

由表4可知，研究区平均耦合度为0.589 4，说明总体而言植被和土壤之间已建立一定的相关关系。现对研究区内的植被和土壤各因子间的做Spearman 相关性分析（表5）。

由表5可以看出，植被平均高度与土壤有机质和全氮呈显著正相关；植被盖度与土壤全氮呈显著正相关；植被Pielou、Simpson 和Shannon-Wiener 指数与土壤有机质呈显著正相关，与土壤全氮和速效钾呈极显著正相关。

4 讨论

黄土高原不同微地形下植被—土壤系统耦合协调关系差异较大，总体涵盖极度失调到良好协调中的五种亚类型，说明微地形对土壤—植被耦合协调关系影响显著。不同微地形中耦合协调度最高的是切沟，属于良好协调-同步型。这与切沟的形成是分不开的，切沟长度，宽度及高度下切规模较大，利于坡面水分和养分的汇集和保持[23]，拥有较好的土壤条件。而退耕地在植被恢复的早期阶段，土壤因素在很大程度上主导着植被群落的发生、发育和演替速度[12]。因此切沟植被-土壤系统整体耦合协调情况优良。同属良好协调-同步型的还有塌陷，凹陷状的形态同样有助于土壤水分养分的保持和汇集。缓台可看作凹形坡的下凹部分，携带土壤的水流在缓台流速减慢导致土壤颗粒沉积和水的充分入渗，因而汇集了较多的养分和水分[24-25]。但其植被状况表现欠佳，整体处于初级协调-植被滞后状态。浅沟和切沟类似，但其长度，宽度及高度下切均不及切沟，相同情况下，浅沟一般拥有更小的汇水面积，因此养分水分汇集能力不及切沟[26]。土壤状况相对较差，整体处于濒临失调-土壤损益状态。陡坎为坡面内坡度明显大于坡面平均坡度的局部地块，因其坡度较大，水分养分存储不易，但本研究中陡坎的土壤综合指数优于浅沟和原状坡，与其他研究结果[6]不符，这可能是因为本研究中陡坎坡度普遍比选取的原状坡要缓，导致其拥有相对较好的土壤条件，但其植被综合指数依然较低，整体属于中度失调-植被损益。虽然各类微地形土壤植被系统耦合协调状况参差不齐，但均优于原状坡。所选流域退耕封育十几年来，各类微地形由于各自不同的特点，土壤-植被系统发展状况也不相同。在地上优势物种方面，总体上也随着耦合协调状态的上升，由原状坡上的星毛委陵菜逐渐过渡到切沟塌陷的铁杆蒿、茭蒿。

表5 植被和土壤各因子间的Spearman 相关性Table 5 Spearman correlation between vegetation and soil factors

本研究中植被和土壤因子相关性主要体现在植被多样性特征和土壤有机质、全氮和速效钾之间。这主要是因为土壤有机质不但影响土壤潜在肥力，而且对植被的生长发育影响最大，氮素也是影响植被发育的关键因子，而植被也能通过残体分解等方式对土壤有机质和全氮进行补给，因此它们相互之间较易建立相关关系。多数相关研究[28]也得出了类似的结论。李登武等[29]研究得出土壤钾与地上植物组成相关关系不明显；杨青青等[30]认为土壤钾对林下植物多样性有显著影响，而本研究中也发现土壤速效钾与植被Pielou 指数，Simpson 指数和Shannon-Wiener 指数相关性显著。这可能与地上植被类型和植被土壤系统的耦合发展状态有关，也可能是不同分析方式带来的差异[31-32]，具体情况还有待验证。在其他研究中[33]碱解氮和有效磷对植被多样性影响显著，与本研究结果不符，可能是出于同样原因。

5 结论

①耦合协调度模型分析结果表明：5 种微地形植被与土壤的耦合协调状态均优于原状坡，其中，切沟和塌陷属于良好协调-同步型，缓台属于初级协调-植被滞后型，浅沟属于濒临失调-土壤损益型，陡坎属于中度失调-植被损益型，原状坡属于极度失调-植被损益型。随着耦合协调状态的提升，地上优势物种也由星毛委陵菜逐渐过渡到铁杆蒿、茭蒿。

②经过十几年封育，研究区植被与土壤各因子之间已建立一定的相关关系，Spearman 相关性分析表明：植被平均高度与土壤有机质含量和全氮含量呈显著正相关；植被盖度与土壤全氮含量呈显著正相关；植被Pielou、Simpson 和Shannon-Wiener 指数与土壤有机质含量呈显著正相关，与土壤全氮和速效钾含量呈极显著正相关。

不同微地形下植被土壤系统发展状况不尽相同，但多数地形土壤发展状况优于植被发展状况，在实地生态恢复重建过程中应根据不同的地形实施不同标准的恢复措施。