楊昌華， 楊 寧

(1.湖南省綏寧縣林業(yè)局，湖南 綏寧422600;2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421005)

在衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地，雖然降水較多(多年來(lái)年均降水超過(guò)1 300 mm)，但夏季地面溫度很高(據(jù)記載最高達(dá)72.8 ℃)，年蒸發(fā)量大(超過(guò)1 400 mm)，且該區(qū)域降水分配極端不均，春、夏季兩降水占該年度降水的70%左右，因此季節(jié)性干旱嚴(yán)重，加之紫色土的獨(dú)特性質(zhì)，其水土流失嚴(yán)重，水分是制約該區(qū)域植被恢復(fù)的一個(gè)關(guān)鍵因素［1-3］. 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)土壤水分時(shí)空分布規(guī)律的研究多限于黃土高坡，且大多集中于區(qū)域尺度［4-5］、流域尺度［6-7］和坡面尺度［8-9］三個(gè)層面，對(duì)于這三個(gè)層面考慮的生態(tài)因子主要是坡向、坡度、坡位、海拔等［10-12］，這雖然對(duì)于衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)有一定的指導(dǎo)意義，但是地形因子的差異對(duì)于“因地制宜、適地適樹(shù)”的目的還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，有必要對(duì)微地形的土壤水分差異以及生物量進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究［13-14］，以更好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)恢復(fù)建設(shè).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省衡南縣譚子山鎮(zhèn)宋橋村，地理坐標(biāo)為:25°54' ～25°56' E，112°59' ～113°23' N，地貌為典型的丘陵區(qū)，多年來(lái)的平均降水1 350.8 mm，降水量年際變化大，季節(jié)分配不均，4 ～6 兩個(gè)月的降水占全年降水的50%左右，其它季節(jié)特別是7 ～10 降水量極少，且多為無(wú)效降水;年均溫17.6 ～18.3 ℃，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，多年蒸發(fā)量1 483.5 mm，土壤為石灰性紫色土，水土流失嚴(yán)重，土理化性質(zhì)差(＞0.01 mm 粒級(jí)占75%左右;0.01～0.001 mm 粒級(jí):10.5%左右;＜0.001 mm:8.5%左右. pH 值:8. 0 ～8. 4;土壤有機(jī)質(zhì)(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)、牡荊(Vitex negundo var. cannabifolia)、刺槐(Robinia pseudoacacia)與苦楝(Melia azedarach)等，在下坡零星有喬木和灌木，地形支離破碎，為該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了條件.

2 研究方法

2.1 微地形的界定

與原狀坡(CK)進(jìn)行比較，在衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地由于地表徑流的作用，造成土壤含水量和地上植被的差異，從而形成以下幾種微地形形式.

(1)淺溝(Ⅰ):侵蝕發(fā)生的初期階段，橫斷面寬、淺，多為槽形;

(2)切溝(Ⅱ):是Ⅰ的長(zhǎng)、寬和深的縱深發(fā)展，橫斷面多為“V”形;

(3)塌陷(Ⅲ):在切溝形成前的“U”形坑;

(4)緩臺(tái)(Ⅳ):在坡面的局部范圍內(nèi)形成一個(gè)明顯的平緩臺(tái)地，坡度較小(一般小于15°)，明顯小于原狀坡的坡度;

(5)陡坎(Ⅴ):與緩臺(tái)基本相反，坡度較大(一般大于45°)，明顯大于原坡形的坡度.

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)定

經(jīng)充分調(diào)查，實(shí)驗(yàn)地設(shè)置在衡南縣譚子山鎮(zhèn)宋橋村，該村經(jīng)過(guò)多年的封育，植被、坡度、坡向等生態(tài)因子基本一致.取樣時(shí)間選擇在7月初，因?yàn)樵谠摃r(shí)間地上生物量最大，降水較少，土壤水分較穩(wěn)定.

在實(shí)驗(yàn)地的中下部設(shè)置20 m×20 m 的樣方，且在其四角的中心分別設(shè)置5個(gè)1 m×1 m 的小樣方，0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm 土層土壤水分用烘干法測(cè)定，植物地上生物用稱量法測(cè)定，所有數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值.

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 微地形土壤水分的變異系數(shù)

2.3.2 土壤水分的差異顯著性檢驗(yàn)

采用SPSS13.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，各微地形的土壤水分進(jìn)行兩兩配對(duì)的Wilcoxon 秩檢驗(yàn)，其中:P ＜0.05 表明兩兩配對(duì)的兩組數(shù)據(jù)間存在顯著差異，P ＜0.01 表明兩兩配對(duì)的兩組數(shù)據(jù)間存在極顯著差異.

3 結(jié)果與分析

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異性

利用SPSS13.0 對(duì)各微地形的土壤水分進(jìn)行兩兩配對(duì)的Wilcoxon 秩檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

由(表1)可知，原狀坡(CK)的土壤含水量與切溝(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、緩臺(tái)(Ⅳ)與陡坎(Ⅴ)含水量的差 異 性 分 別 為0. 027*、0. 005＊＊、0. 018*和0.044*(*P ＜0.05;＊＊P ＜0.01)，而與淺溝(Ⅰ)的土壤含水量的差異性為0.110(P ＞0.05)，因此在進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)，原狀坡(CK)與淺溝(Ⅰ)可采用基本相似的植被恢復(fù)模式;另外，對(duì)淺溝(Ⅰ)、切溝(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、緩臺(tái)(Ⅳ)與陡坎(Ⅴ)這5 種微地形的土壤含水量進(jìn)行比較，除切溝(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)(0.109)，切溝(Ⅱ)～緩臺(tái)(Ⅳ)(0. 973)和緩臺(tái)(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)(0.339)的土壤含水量的差異沒(méi)達(dá)到顯著水平外(P ＞0.05)，說(shuō)明切溝(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)、切溝(Ⅱ)～緩臺(tái)(Ⅳ)和緩臺(tái)(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)之間可配置相同或相似的植被恢復(fù)模式，其余兩兩之間的土壤含水量的差異達(dá)顯著或極顯著水平(P ＜0.05 或P ＜0.01)，因此，它們兩兩之間應(yīng)配置不同的植被恢復(fù)模式［15，16］.

表1 土壤水分的差異性檢驗(yàn)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(見(jiàn)表2)，在微地形相同的情況下，原狀坡(CK)的土壤含水量隨著土層深度的增加而顯著減小(P ＜0.05)，20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層含水量只有0 ～20 cm 土層含水量的89. 10% 和79.56%;淺溝(Ⅰ)與切溝(Ⅱ)的0 ～20 cm 土層含水量顯著高于20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層含水量(P ＜0.05);塌陷(Ⅲ)的土層含水量的大小順序?yàn)?含水量(Ⅲ，20 ～40 cm)＞含水量(Ⅲ，40 ～60 cm)＞含水量(Ⅲ，0 ～20 cm)(P ＜0.05);緩臺(tái)(Ⅳ)的0 ～20 cm 土層含水量最低，達(dá)顯著水平(P ＜0.05);陡坎(Ⅴ)20 ～40 cm 的土層含水量顯著低于0 ～20 cm 和40 ～60 cm 土層含水量(P ＜0.05).

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

在土層相同的情況下，0 ～20 cm 土層，各微地形土壤含水量的大小順序?yàn)?切溝(Ⅱ)(12.78%)＞塌陷(Ⅲ)(11.81%)＞淺溝(Ⅰ)(11.51%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(11.08%)＞原狀坡(CK)(11.01%)＞陡坎(Ⅴ)(8.63%)(P ＜0.05);20 ～40 cm 土層，塌陷(Ⅲ)(14.41%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(12.81%)＞切溝(Ⅱ)(11.58%)＞原狀坡(CK)(9. 81%)＞淺溝(Ⅰ)(9.71%)＞陡坎(Ⅴ)(7.72%)(P ＜0.05);40 ～60 cm 土層，塌陷(Ⅲ)(13. 74%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(12.94%)＞切溝(Ⅱ)(11. 74%)＞淺溝(Ⅰ)(9.69%)＞原狀坡(CK)(8. 76%)＞陡坎(Ⅴ)(8.31%)(P ＜0. 05);0 ～60 cm 土層，塌陷(Ⅲ)(13. 32%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(12. 28%)＞淺溝(Ⅰ)(10.30%)＞切溝(Ⅱ)(12.03%)＞原狀坡(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變異系數(shù)

研究表明(見(jiàn)表3)，在微地形相同的情況下，隨著土層深度的增加，各微地形土壤水分的變異系數(shù)顯著減小(P ＜0.05)，原狀坡(CK)的20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層含水量的變異系數(shù)分別只有0 ～20 cm 土層含水量變異系數(shù)的97.32%和37.05%;淺溝(Ⅰ):93.14%和73.53%;切溝(Ⅱ):77.47%和49.15%;塌陷(Ⅲ):96.95%和73.10%;緩臺(tái)(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變異系數(shù)(%)Tab.3 Variation coefficient of soil water content in different microrelief(%)

在土層相同的情況下，0 ～20 cm 土層，不同微地形的土壤含水量孌異系數(shù)的大小順序?yàn)?陡坎(Ⅴ)(32.3%)＞切溝(Ⅱ)(29.3%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(24. 2%)＞原狀坡(CK)(22. 4%)＞淺溝(Ⅰ)(20.4%)＞塌陷(Ⅲ)(19.7%)(P ＜0.05);20 ～40 cm 土層，陡坎(Ⅴ)(23.0%)＞切溝(Ⅱ)(22.7%)＞原狀坡(CK)(21.8%)＞塌陷(Ⅲ)(19.1%)＞淺溝(Ⅰ)(19. 0%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(16. 0%)(P ＜0.05);40 ～60 cm 土層，陡坎(Ⅴ)(19.2%)＞淺溝(Ⅰ)(15.0%)＞切溝(Ⅱ)(14.4%)≈塌陷(Ⅲ)(14. 4%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(13. 9%)＞原狀坡(CK)(8.3%)(P ＜0. 05);0 ～60 cm 土層，陡坎(Ⅴ)(26. 0%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(25. 9%)＞原狀坡(CK)(24. 9%)＞切溝(Ⅱ)(20. 7%)＞塌陷(Ⅲ)(18.0%)＞淺溝(Ⅰ)(15.1%)(P ＜0.05).

3.2 微地形的生物量特征分析

研究表明(見(jiàn)表4)，不同微地形的生物量的大小順序?yàn)?塌陷(Ⅲ)(263. 82 g/m2)＞切溝(Ⅱ)(254.29 g/m2)＞淺溝(Ⅰ)(238.67 g/m2)＞原狀坡(CK)(193.61 g/m2)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(154.86 g/m2)＞陡坎(Ⅴ)(122.35 g/m2)(P ＜0.05)，塌陷(Ⅲ)、切溝(Ⅱ)、淺溝(Ⅰ)、原狀坡(CK)和緩臺(tái)(Ⅳ)生物量分別為陡坎(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

圖1 表明，微地形生物量與0 ～60 cm 土壤水分的變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，擬合方程為y = －0.006x +35.30(＊＊R2=0.690 =0.690)，筆者認(rèn)為，原因有二，一方面，由于隨著植被的恢復(fù)，蓋度的增加，從而可減小土壤水分的蒸發(fā);另一方面，隨著土層深度的增加，表層土壤直接暴露于表面，蒸發(fā)快，受周邊環(huán)境因子的影響大，土壤水分的變異系數(shù)較大，深層土壤含水量高，周邊環(huán)境因子對(duì)其影響小，土壤含水量高且相對(duì)穩(wěn)定，變異系數(shù)?。?9-24］.

圖1 微地形生物量與土壤水分變異系數(shù)的相關(guān)性Fig.1 Correlation between biomass between Variation coefficient of soil water content in different microrelief

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)原狀坡(CK)、淺溝(Ⅰ)、切溝(Ⅱ)、塌陷(Ⅲ)、緩臺(tái)(Ⅳ)和陡坎(Ⅴ)兩兩配對(duì)的Wilcoxon 秩檢驗(yàn)，除原狀坡(CK)～淺溝(Ⅰ)(0.110)、切溝(Ⅱ)～塌陷(Ⅲ)(0. 109)、切溝(Ⅱ)～緩臺(tái)(Ⅳ)(0.973)和緩臺(tái)(Ⅳ)～陡坎(Ⅴ)(0.339)的相關(guān)性不顯著外，其余兩兩配對(duì)的相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著正相關(guān)(P ＜0. 05 或P ＜0.01);

(2)6 種微地形中，從土層(0 ～20 cm)→土層(20 ～40 cm)→土層(40 ～60 cm)，土壤含水量顯著減小(P ＜0.05).0 ～60 cm 土層，各微地形土壤含水量的大小順序?yàn)?塌陷(Ⅲ)(13.32%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(12. 28%)＞淺溝(Ⅰ)(10. 30%)＞切溝(Ⅱ)(12.03%)＞原狀坡(CK)(9. 53%)＞陡坎(Ⅴ)(8.22%)(P ＜0.05);

(3)6 種微地形中，從土層(0 ～20 cm)→土層(20 ～40 cm)→土層(40 ～60 cm)，土壤水分的變異系數(shù)顯著減小(P ＜0.05).0 ～60 cm 土層，各微地形土壤水分變異系數(shù)的大小順序?yàn)?陡坎(Ⅴ)(26.0%)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(25. 9%)＞原狀坡(CK)(24. 9%)＞切溝(Ⅱ)(20. 7%)＞塌陷(Ⅲ)(18.0%)＞淺溝(Ⅰ)(15.1%)(P ＜0.05);

(4)不同微地形的生物量的大小順序?yàn)?塌陷(Ⅲ)(263.82 g/m2)＞切溝(Ⅱ)(254.29 g/m2)＞淺溝(Ⅰ)(238.67 g/m2)＞原狀坡(CK)(193. 61 g/m2)＞緩臺(tái)(Ⅳ)(154. 86 g/m2)＞陡坎(Ⅴ)(122.35 g/m2)(P ＜0.05)，微地形生物量與0 ～60 cm 土壤水分的變異系數(shù)呈負(fù)相關(guān)(y = －0.006x +35.30，＊＊R2=0.690 =0.690).

［1］楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)階段土壤特性的演變［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34(10):2693-2701.

［2］楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地不同恢復(fù)階段植被特征與土壤性質(zhì)的關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，24(1):90-96.

［3］楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地不同植被恢復(fù)階段土壤酶活性特征研究［J］.植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2013，19(6):1516-1524.

［4］楊文治，邵明安，彭新德，等.黃土高原環(huán)境的旱化與黃土中水分關(guān)系［J］.中國(guó)科學(xué)(D 輯)，1998，28(4):6-9.

［5］Hawley M E，Jackson T J，Mccuen R H.Surface soil moisture variation on small agricultural watersheds［J］. Journal of Hydrology，1983，62:179-200.

［6］何福紅，黃明輝，黨廷輝.黃土高原溝壑小流域土壤水分空間分布特征［J］.水土保持通報(bào)，2002，22(4):6-9.

［7］黃奕龍，陳利項(xiàng)，傅伯杰，等.黃土丘陵小流域土壤水分空間格局及其影響因素［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2005，20(4):483-491.

［8］Nagamatsu D，Mirura O.Soil disturbance regime in relation to micro-scale landforms and its effects on vegetation structure in a hilly area in Japan［J］. Plant Ecology，1997，133:191-200.

［9］Western A W，Bloschl G. On the spatial scaling of soil moisture［J］.Journal of Hydrology，1999，217:203-224.

［10］楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被不同恢復(fù)階段土壤微生物量碳的變化及其與土壤理化因子的關(guān)系［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22(1):25-30.

［11］楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被不同恢復(fù)階段土壤理化特征分析［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2012，33(6):757-761.

［12］楊 寧，楊滿元，雷玉蘭，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地土壤酶活性對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，23(4):575-580.

［13］楊 寧，鄒冬生，李建國(guó).衡陽(yáng)盆地紫色土丘陵坡地土壤水分變化動(dòng)態(tài)研究［J］. 水土保持研究，2009，16(6):16-21.

［14］楊 寧，鄒冬生，李建國(guó).衡陽(yáng)盆地紫色土丘陵坡地主要植物群落生物量特征［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，35(5):466-469.

［15］楊 寧，鄒冬生，李建國(guó).衡陽(yáng)盆地紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)模式建設(shè)［J］. 草業(yè)科學(xué)，2010，27(10):10-16.

［16］陳 璟，楊 寧. 衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地不同恢復(fù)階段土壤基礎(chǔ)呼吸及代謝熵的變化［J］. 熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào)，2013，21(6):514-520.

［17］楊 寧，陳 璟，楊滿元，等.貴州雷公山禿杉林不同林冠環(huán)境下箭竹分株種群結(jié)構(gòu)特征［J］. 西北植物學(xué)報(bào)，2013，33(11):2326-2331.

［18］楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.貴州雷公山禿杉的種群結(jié)構(gòu)和空間分布格局［J］. 西北植物學(xué)報(bào)，2011，31(10):2100-2105.

［19］楊滿元，楊 寧，郭 銳，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地恢復(fù)過(guò)程中土壤微生物數(shù)量特征［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22(2):229-232.

［20］陳 璟，楊 寧.亞熱帶紅壤丘陵區(qū)5 種人工林對(duì)土壤性質(zhì)的影響［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(12):167-173，178.

［21］楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)過(guò)程中土壤微生物生物量碳、微生物熵的變化［J］.水土保持通報(bào)，2014，34(5):39-43.

［22］楊 寧，付美云，楊滿元，等.衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地不同土地利用模式下土壤種子庫(kù)特征［J］. 西北植物學(xué)報(bào)，2014，34(11):2324-2330.

［23］謝瓊中.湖南省綏寧縣黃桑坪自然保護(hù)區(qū)植物群落多樣性分析［J］.湖南生態(tài)科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，1(2):7-10.

［24］李 紅，楊 寧.湖南省綏寧縣黃桑坪自然保護(hù)區(qū)珍稀瀕危植物長(zhǎng)苞鐵杉自然種群年齡結(jié)構(gòu)及生態(tài)對(duì)策［J］.湖南生態(tài)科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，1(3):12-16.