黃土丘陵溝壑區微地形對土壤水分及生物量的影響

鄺高明，朱清科，劉中奇，2，趙 薈，3，王 晶

（1.北京林業大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京10008；2.內蒙古民族大學，內蒙古 通遼02804；3.國家林業局 昆明勘察設計院，昆明650216）

在干旱少雨的黃土丘陵溝壑區，水分是制約植被生長的主要因素，而影響降雨在土壤再分配過程中的一個重要因素是地形地貌因素［1－2］。目前，國內涉及到土壤水分時空分布規律研究的多集中在三個尺度，坡面尺度［3］、小 流 域 尺 度 及 集 水 區 尺 度［4－6］、區 域 尺度［7－8］，且現有研究最小尺度為坡面，對于坡面及其小流域的研究多是對坡向、坡度、坡位、海拔高程［9－11］等地形因子對土壤水分分布的影響，在黃土高原復雜的溝壑系統中，這方面的研究對于生態修復建設有一定指導意義，但是地形因子的分析對于精確的“因地制宜，適地適樹”還是不夠的，目前缺少對坡面上微地形土壤水分與生物量差異的調查與分析［12］，將生態修復建設與多樣的微地形結合的研究。

黃土丘陵溝壑區侵蝕嚴重、地形破碎，坡面上大致分布有切溝、淺溝、塌陷、緩臺及陡坎等五種微地形。各類微地形使坡面凹凸不平，影響降雨在坡面上的再分配過程，進而導致土壤水分及植被在坡面上分配的差異性。本文通過實地量測和對比分析各種微地形及其相應原狀坡的土壤含水量和生物量，以期揭示黃土丘陵溝壑區坡面內微地形尺度的土壤水分和植被空間分異特征，為坡面植被恢復提供科學依據和指導。

1 研究區概況

研究區位于陜西省吳起縣合家溝流域，地處東經107°38′57″—108°32′49″，北緯36°33′33″—37°24′27″，地貌屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區；多年平均降水量478.3mm，降水量年際變化大、季節分配不均，7－9月降水量占全年降水量的64%以上，其它季節多為無效降水；年平均氣溫7.8℃，無霜期96～146d，屬暖溫帶大陸性干旱季風氣候，多年平均陸地蒸發量400～450mm；土壤類型為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發育在黃土母質上的黃綿土，質地為輕壤。該流域從1998年開始封育，封禁后恢復起來的草本群落以百里香（Thymus mongolicus）、鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、茭 蒿 （Arte misia giralaii）、長 芒 草 （Stipa bungeana）、達烏里胡枝（Lespideza davurica）、萎陵菜（Potentilla chinensis）和冷蒿（Arte misia frigida）為主，在溝底等部位零星分布有灌木和喬木。該封育流域內，地形破碎，各類微地形廣泛分布，為本研究提供了前提。

2 研究方法

2.1 數據的采集

2.1.1 微地形的定義與分類 黃土丘陵溝壑區微地形主要是指淺溝、切溝、塌陷、緩臺、陡坎等五類大小不等、形狀各異的局部地形。其中，淺溝和切溝是黃土侵蝕溝發育過程的兩種初級狀態，由降雨形成的地面徑流在匯集過程中，集中股流沖刷下切而形成；塌陷是指坡面塌陷、集中股流溯源侵蝕等土壤侵蝕形成的凹陷狀地形；緩臺指坡面局部坡度明顯小于整個坡面平均坡度的平緩地段；陡坎是指坡面局部坡度明顯大于整個坡面平均坡度的陡峭地段。由于坡面造林植物種的配置是以米為單位設計的，因此本研究中的微地形是指坡面范圍內大小1m的局部地形狀態。微地形改變了整個坡面的承雨面和水分運移路徑，使坡面內的土壤水分等生境條件產生空間異質性。

2.1.2 數據的采集 本次研究選擇了陜西省吳起縣合家溝流域進行調查，該流域經過10余年的封育修復，植被群落類型和生長時間基本一致，調查坡面上坡度、坡向變化較小，樣方布置在坡面中部，能很好的消除其它地形地貌（坡度、坡向及坡位）因素及植被因素對于土壤水分在坡面上空間分布差異性的影響。測定時間選擇在7月初，之前一段時間并無明顯的降水，坡面土壤水分含量相對穩定。

采用樣方調查與隨機取樣結合的方法：樣地尺寸20m×20m，在樣地內以“對角線法”確定5個1m×1m的小樣方，同時選取一個能代表所研究坡面的典型樣方，利用小秤測定地上鮮生物量。由于研究區植被多為草本，其根系主要分布在0—60cm土層，該層土壤水分的多少決定了植被的生長狀況，因此用TRIME—EZ型號的探針式TDR（time—domain—reflectometry）分別測定每個采樣點0—20cm，20—40cm，40—60cm三層的土壤體積含水量，每一層測定3次，每次探針的方向旋轉120°，取3次的平均值作為該測點微地形根層的土壤含水量。本文中提到土壤含水量均為平均土壤體積含水量。

2.2 數據的處理

2.2.1 土壤水分差異顯著性檢驗 利用SPSS軟件對各樣方的土壤水分進行兩兩配對的Wilcoxon秩檢驗，揭示原狀坡與各類微地形不同土壤深度水分的差異性。Wilcoxon秩檢驗適用于配對資料的差異比較，如果計算結果中P值小于0.05、說明兩組數據存在統計學意義上的顯著差異，如果P值小于0.01、說明兩組數據存在統計學意義上的差異極顯著。

2.2.2 微地形土壤水分變異系數 變異系數（CV）表示土壤水分在空間變異的程度，是各層土壤水分標準差與均值的比值，它的大小反映了各層水分的穩定性。CV越大，說明樣點含水量變化越劇烈；CV值越小，土壤含水量越穩定。

3 結果與分析

3.1 微地形水分特征分析

3.1.1 土壤水分的空間差異性分析 利用SPSS軟件對各類微地形的數據進行兩兩配對樣本Wilcoxon秩檢驗，檢驗結果見表1。

由表1知，除淺溝外，其它四類微地形的土壤含水量均與原狀坡有顯著的差異性，因此在對坡面進行人工植被恢復建設時對淺溝植被配置模式應該與其所在原狀坡一樣。切溝、塌陷、緩臺和陡坎這4種微地形與各自所在的原狀坡土壤含水量有顯著差異，且切溝、陡坎的差異性極顯著。因此在進行人工植被恢復建設時可以考慮將這4種微地形區別對待，利用微地形所造成的生境差異配置適于該微地形的植被模式，從而打破以往沿等高線進行統一植被配置的模式，進一步提高“因地制宜，適地適樹”的精準度。

表1 土壤水分的差異性檢驗

3.1.2 不同類型微地形土壤體積含水量特征值 在Excel中統計不同類型的微地形各層土壤水分特征值。由表2可知，與原狀坡相比，除陡坎各層的土壤含水量均小于原狀坡外，其它四類微地形各層土壤含水量都比原狀坡的土壤含水量大；在0—20cm土層，各微地形土壤含水量的大小排序為切溝＞塌陷＞緩臺＞淺溝＞原狀坡＞陡坎，在20—40cm，40—60cm及0—60cm土層，各微地形土壤含水量的大小排序均為塌陷＞緩臺＞切溝＞淺溝＞原狀坡＞陡坎。

表2 不同類型微地形土壤含水量 %

從表2中也可知不同類型微地形的土壤含水量存在巨大的差異，最大的塌陷0—60cm土層土壤含水量為13.31%，而最小的陡坎的0—60cm土壤含水量僅為8.21%，前者約為后者的1.62倍，是原狀坡的1.4倍。

另外，由表1可知，塌陷、切溝與緩臺與原狀坡的土壤含水量存在顯著差異，結合表2，可知塌陷、切溝與緩臺的土壤水分條件優于原狀坡，而在黃土區，水分是制約植被生長的關鍵因素，不同的土壤含水量能夠支撐不同數量與不同類型的植被，因此塌陷、緩臺及切溝在植被配置時應選擇比原狀坡高一等級的植被配置模式；而淺溝的土壤含水量雖然大于原狀坡，卻沒有顯著的差異性，在植被配置時，應選擇與原狀坡同樣的植被配置模式；同樣，陡坎的土壤水分條件比原狀坡的差，應選擇比原狀坡低一等級的植被配置模式。這也為打破黃土區傳統的按照等高線進行植被配置的模式、更好地實現“因地制宜、適地適樹”提供了科學的參考依據。

3.1.3 不同類型微地形土壤水分的變異系數 經過計算，得到不同類型微地形各層土壤水分變異系數，見表3。

表3 不同類型微地形土壤水分變異系數 %

由表3可知，原狀坡及各類微地形的0—20cm土層土壤水分變異系數最大，表明在0—20cm層土壤水分變化最大。這是由于該層接近于地表，降雨時雨水首先進入該層，使其土壤水分含量迅速增加；而在黃土丘陵區，土壤水分下滲速度快、蒸發量大，導致雨后該層水分又急劇較少，使得0—20cm土層成為原狀坡及各類微地形土壤水分變化最活躍的土層。

隨著土層深度的增加，各類微地形土壤水分的變異系數有減小的趨勢。而土壤水分變異系數最小的土層為40—60cm土層，而且不同類型微地形的該層土壤水分變異系數大小近似。這是由于該層遠離地表，上層雨水下滲到該層需要很長時間、土壤水分蒸發量很小，使得該層的土壤水分相對穩定。

不同微地形各層的土壤水分變異系數從大到小的順序都不一樣，整體上各層土壤水分變異系數最大的為陡坎、切溝次之，而塌陷最小。這是由于陡坎水分條件最差，植被情況也相對比其它微地形差，而在黃土區，植被能夠很好的減小土壤表層的蒸發量，所以陡坎的土壤水分變化最為活躍，反之塌陷的植被生產狀況好，能夠減少其土壤表層蒸發量，水分變化比較小。

3.2 不同微地形的生物量分析

由圖1可知，不同微地形內生物量與原狀坡與較大差異，塌陷的生物量最大達263g／m2，而最小的陡坎為122g／m2，各類微地形及原狀坡內生物量從大到小的排序為塌陷＞切溝＞淺溝＞原狀坡＞緩臺＞陡坎，這與土壤含水量排序基本相似，也證明在黃土丘陵溝壑區，土壤含水量是影響植被生長的重要因素。而緩臺內生物量表現出不同的規律，在野外調查中發現，緩臺大多出現在上下兩塊坡耕地相交處等地形轉折的地方，一般寬度較小，而且上部坡面徑流在緩臺處沖刷力大，導致植被在緩臺處生長困難，因此在進行植被恢復時，需對緩臺處輔助適當的整地措施。

圖1 不同微地形生物量

圖2表明微地形生物量與0—60cm土層土壤水分變異系數呈負向相關性，這是由于植被一方面覆蓋在地表，減少了0—20cm土層中水分蒸發量，另一方面植被生長消耗了大量的水分，尤其是深層的土壤水分，所以植被能夠減小上下土層的水分差異。

圖2 微地形生物量與土壤水分變異系數相關性

4 結論

（1）與原狀坡相比，除陡坎各層的土壤含水量均小于原狀坡外，其它四類微地形各層土壤含水量都比原狀坡的土壤含水量大。整體來看，各類微地形與原狀坡的土壤水分含量從大到小排序為塌陷＞緩臺＞切溝＞淺溝＞原狀坡＞陡坎，土壤含水量最大的塌陷是含量最小陡坎的1.62倍，為原狀坡的1.4倍；塌陷、緩臺及切溝的水分條件明顯優于原狀坡，在植被配置時應選擇比原狀坡高一等級的植被配置模式，但緩臺在植被配置前需進行一定的整地措施，減少徑流對緩臺表面的沖刷；淺溝的水分條件與原狀坡相似，應選擇與原狀坡同等級的植被配置模式，陡坎的土壤水分條件比原狀坡的差，在植被配置時應選擇比原狀坡低一等級的植被配置模式。

（2）隨著土層深度的增加，各類土壤水分的變異系數有減小的趨勢，就各類微地形來說，各層土壤水分變異系數最大的為陡坎、切溝次之，而塌陷最小，這與它們的地表植被生長情況有關。

（3）不同類型與原狀坡的微地形生物量從大到小的排序為塌陷＞切溝＞淺溝＞原狀坡＞緩臺＞陡坎、并且微地形生物量與0—60cm土層土壤水分變異系數呈負相關性。微地形內土壤水分與植被相互影響，一方面土壤含水量越大，更有利于植被的生長，而植被消耗根層土壤水分，減少地表水分的蒸發，進而影響土壤水分在不同深度土層的分布。

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