祁連山區典型草地生態系統土壤抗沖性影響因子

王雅瓊,張建軍,*,李 梁,周宇鵬,張守紅,陳寶強,趙榮瑋,孫若修,茹 豪

1 北京林業大學水土保持學院, 北京 100083 2 山西省林業科學研究院, 太原 030012

祁連山是我國三大內陸河石羊河、黑河和疏勒河的發源地[1],地處青藏、蒙新和黃土三大高原的交匯處,在自然氣候分區上起著非常重要的作用[2]。區內水源涵養功能突出,旅游資源豐富,是西北地區重要的生態區。祁連山區具有“高、寒、旱”的特點,其生態系統結構簡單,功能單一,是我國典型的生態脆弱區[3],是高寒干旱區水土保持和植被恢復研究的焦點。祁連山區草地面積約占全區總面積的58%,是主要的生態系統,對防治水土流失具有重要作用。

土壤抗沖性指的是土壤抵抗徑流對其機械破壞的性能,是評定土壤抗侵蝕能力的重要指標[4]。近年來土壤抗沖性已成為水土保持研究的重點之一,周佩華等[5]對土壤抗沖性的測定方法及評價指標進行了探討,得出實地放水沖刷試驗法可較準確地測定土壤抗沖性；張建軍、伏耀龍、任樂等[6-8]采用野外實地放水法分析了不同地形、土地利用方式和植被條件下的土壤抗沖性,表明坡度、地表覆蓋物和土壤質地等對土壤抗沖性有顯著影響；李勇等[9-10]對黃土高原土壤抗沖性的作用機理及影響因素進行了初步研究,得出土壤砂粒與粗粉粒含量、緊實度以及植物根系等是影響黃土高原土壤抗沖性的主導因素?，F有研究及成果多集中于西北高原地區,而在祁連山這種典型生態脆弱區開展的相關研究鮮有報道。

通徑分析(Path Analysis)是研究變量間相互關系、自變量對因變量的作用方式和相對重要程度的多元統計分析技術,可將自變量與因變量間的相互關系分解為直接作用與間接作用,并找出與其他自變量相關性很強而引起多重共線性的變量,從而較準確地表現自變量對因變量的影響效應[11-12]。已有許多研究利用通徑分析對研究對象的影響因素進行了討論[11-15]。為此,本文對祁連山區典型草地生態系統的地形、植被、土壤等因素進行綜合調查,利用相關性分析、通徑分析和回歸分析等方法,研究影響祁連山區典型草地生態系統土壤抗沖性的主導因素以及各因素對土壤抗沖性的影響效應,以期為祁連山區土壤侵蝕研究和生態效益評價提供參考。

1 研究區概況

研究區為地處祁連山南麓中段的祁連縣,位于青海省海北藏族自治州北部,地理位置為37°25′16″—39°05′48″E,98°05″35″—101°02′06″N。祁連縣地處高寒山區,屬典型的高原大陸性氣候,平均海拔3500 m,年日照時數為2530—3100 h,溫度和降水垂直變化明顯[16],年均氣溫約為-1.8℃,年降水量為270—600 mm,主要集中在6—8月份,相對濕度約為53%,年均蒸散發量約為1529.8 mm[17-18]。分布有高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、黑鈣土、栗鈣土等多種土壤類型,其中高山草甸土面積最大,約占全區面積的45%[16]。天然草地以禾本科、菊科、毛茛科、莎草科、豆科、薔薇科植物為主,主要物種包括：金露梅(Potentillafruticosa)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、早熟禾(Poaannua)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、狼毒(Stellerachamaejasme)、高原毛茛(Ranunculustanguticus)、高山豆(Tibetiahimalaica)等。

本研究于2015年7—8月份,在祁連縣八寶鎮周邊的天然草地中共布設73個采樣點進行實地調查,采樣點所處海拔為2600—3300 m,坡度為8°—28°。

2 研究方法

2.1 野外實地放水沖刷實驗

圖1 野外實地放水沖刷實驗設備Fig.1 Artificial flume experiment in field

采用張建軍等設計的野外實地放水沖刷法[19],以一定體積的沖刷水流所含泥沙量作為表征土壤抗沖性的指標,沖刷水流含沙量越小,表示土壤抗沖性越強。該實驗裝置由供水系統、溢流箱、隔水板和集水槽四部分組成(圖1)。在試驗樣地選擇具有代表性的平整坡地,沿坡面將2塊長1 m、寬0.15 m的薄鐵板相距10 cm后插入土中固定,盡量避免擾動土壤,圍成一個長1 m、寬0.1 m的沖刷坡面。在沖刷區上、下位置分別安置溢流箱與集水槽,溢流箱的導流板應與坡面土壤密切接觸。供水系統是馬里奧托瓶,該裝置可保證放水流量穩定并可通過閥門控制流量大小。實驗前,用灑水壺向坡面均勻灑水,使表層土壤水分達到飽和,避免實驗過程中沖刷水流下滲。參考伏耀龍等[7]、李強等[20]的研究,以約4 L/min的流量放水沖刷3 min[7,20],每個樣地重復布設3個小區。開始放水后,水進入溢流箱,待溢流箱集滿,水流沿導流板均勻流向坡面,最后由集水槽將挾有泥沙的水收集起來。待全部水經過坡面后,將集水槽中收集到的水樣攪拌均勻,從中取出500 mL裝入樣品瓶帶回實驗室,過濾烘干后測定水樣中的泥沙含量。

2.2 各項因子指標測定方法

用GPS儀測定采樣點的地理坐標和海拔,用羅盤儀測定坡度。在0—10 cm土層取200 g左右土壤裝入塑封袋帶回實驗室,用M3501-XB激光粒度分析儀測定土壤粒徑分布,每個樣品做3次重復。在研究樣地隨機設置5—8個0.3 m×0.3 m的樣方,調查樣方內植物的高度以及種類、數量、密度、蓋度等多樣性指標。植被覆蓋度采用照相法獲取,在每個樣方的正上方用數碼相機拍照,之后利用Photoshop軟件對照片進行裁剪、調色等處理增強植被的清晰度,分別提取圖像中植被所占的像素值和整個圖像的像素值,植被所占像素值與整個圖像的像素值之比即為植被覆蓋度。將各樣方內的植物全部齊地面剪下裝入塑封袋中,稱量后得該樣方植物地上部分鮮重；按植物種類挑取約100 g左右樣品帶回實驗室,在65℃恒溫下烘干后稱重,得到干鮮重之比,以此計算樣方內植物的地上干生物量。在樣方中心用直徑為10 cm的根鉆,取10 cm土層內的根系帶回實驗室,用清水將根洗凈后于65℃恒溫下烘干稱重,得到根系干重,計算樣方內植物的根系密度。

2.3 通徑分析

2.3.1 通徑系數

某一自變量xi與因變量y之間的相關系數(ryi)是xi與y的直接作用和所有xi與y的間接作用之和。xi對y的直接作用采用直接通徑系數(pyi)表示,即通過多元線性回歸分析得到的自變量xi的標準化偏回歸系數；xi通過其余自變量xj對y所起到的間接作用采用間接通徑系數(pyirij)表示,為xi與xj之間的相關系數(rij)和xj與y的直接通徑系數(pyj)的乘積。通徑分析過程中,將表征土壤抗沖性的沖刷水流含沙量作為因變量,將海拔、坡度、植被平均高度、植被覆蓋度、地上生物量、根系密度、物種豐富度、土壤砂粒(0.05—2 mm)體積分數和土壤粉粒(0.002—0.05 mm)體積分數作為自變量。首先通過相關性分析得出各影響因子與徑流含沙量的相關系數以及影響因子之間的相關系數；然后采用逐步回歸法剔除一些影響不顯著或存在多重共線性的影響因子,得出最優回歸模型,從而得到影響土壤抗沖性的主導因素；最后,將主導因素的回歸系數進行標準化得到標準化偏回歸系數,即直接通徑系數,再利用相關系數與直接通徑系數計算得出間接通徑系數,從而得到各因素對土壤抗沖性的相對重要性。剩余項的通徑系數一般若pey較大,則表明誤差較大或者還有其他的重要因素未考慮在內。

2.3.2 決定系數

決定系數表示自變量對因變量的相對決定程度。某一變量對因變量的決定系數dy·xi=pyi2(i,j=1,2…k)；兩相關變量共同對因變量的相對決定系數dy·xi·xj=2pyi·pyj·rij(i≠j,i,j=1,2…k)；xi對回歸R2的總貢獻為直接通徑系數pyi與相關系數ryi的乘積。決定系數和對R2的總貢獻值越大,表明該影響因素對土壤抗沖性的作用越強。

2.4 數據統計與分析

采用Excel整理統計數據,用Photoshop軟件處理樣方照片獲取植被覆蓋度,用SPSS軟件進行相關性分析與通徑分析,用Origin軟件繪圖并進行線性回歸。

3 結果與分析

對采樣點的海拔、坡度、植被覆蓋度、地上生物量、根系密度、物種豐富度、土壤砂粒體積分數和土壤粉粒體積分數進行調查測定,結果見圖2。

圖2 采樣點的各項影響因子指標Fig.2 The indexes of influence factors in sample plots

3.1 土壤抗沖性的相關性分析

為綜合研究各項因子對祁連山區典型草地生態系統土壤抗沖性的影響程度,利用9項指標與徑流含沙量作相關性分析。對數據進行正態轉換并檢驗,K-S正態檢驗結果顯示各組數據均近似服從正態分布,可進行相關性分析,相關性分析結果見表1。由表1可知：土壤抗沖性與海拔、坡度、植被覆蓋度、根系密度、土壤砂粒體積分數和粉粒體積分數間存在極顯著相關關系(P<0.01),其中,與海拔、植被覆蓋度、根系密度和土壤砂粒體積分數呈正相關,而與坡度和土壤粉粒體積分數呈負相關；土壤抗沖性與地上生物量和物種豐富度間存在顯著的正相關關系(P<0.05)?？梢?祁連山區典型草地生態系統的土壤抗沖性隨著海拔、植被覆蓋度、根系密度、地上生物量、物種豐富度和土壤砂粒體積分數的增加而增強,隨著坡度和土壤粉粒體積分數的增加而減弱。植被覆蓋度與徑流含沙量的相關系數為-0.735,明顯大于其他因子,表明植被覆蓋度對土壤抗沖性的影響作用尤為顯著。

由于土壤抗沖性的各影響因子之間也具有一定的線性相關性,且某些因子間的相關性非常顯著,這說明影響因素間存在多重共線性,對土壤抗沖性的影響效果交錯重疊,所以為了消除多重共線性,進一步獲取影響土壤抗沖性的主導因素,需采用通徑分析法研究。

3.2 土壤抗沖性的通徑分析

以海拔x1、坡度x2、植被平均高度x3、植被覆蓋度x4、地上生物量x5、根系密度x6、物種豐富度x7、土壤砂粒體積分數x8和土壤粉粒體積分數x9為自變量,以徑流含沙量為因變量y。通徑分析過程中剔除了影響不顯著或存在多重共線性的變量,變量x1、x2、x3、x5、x7、x8、x9被移除而變量x4、x6被選入?？梢?在9項影響因素中,植被覆蓋度x4、根系密度x6對徑流含沙量有較為直接且顯著的作用,是影響土壤抗沖性的主導因素。表2為植被覆蓋度和根系密度與徑流含沙量的通徑系數,由表2可知：植被覆蓋度x4、根系密度x6與徑流含沙量y的直接通徑系數分別為-0.660、-0.286,間接通徑系數分別為-0.075、-0.174,可見植被覆蓋度x4對土壤抗沖性的直接作用大于根系密度x6,而對土壤抗沖性的間接作用小于根系密度x6,并且植被覆蓋度x4對土壤抗沖性的直接作用遠大于間接作用,這表明植被覆蓋度對土壤抗沖性的影響主要表現為強烈的直接作用,而根系密度對土壤抗沖性的直接作用相對較小,有較大一部分表現為間接作用。根系密度與植物數量和種類,以及土壤水分、養分和溫度等條件相關,這些因素能夠直接或間接地影響植被覆蓋度,從而間接影響土壤抗沖性。

表1 各項影響因子與徑流含沙量間的相關系數Table 1 Correlation coefficients (Pearson) among sediment yield of surface runoff and impacting factors

**表示相關性在0.01水平上顯著；*表示相關性在0.05水平上顯著

由相關性分析可知,海拔與土壤抗沖性具有極顯著的相關性且相關系數較大,而通徑分析結果顯示海拔不是影響土壤抗沖性的關鍵因子,原因可能是海拔與其他因子間存在較強的共線性。由表1可知,海拔與植被覆蓋度、根系密度和土壤質地間具有顯著或極顯著的相關性,尤其與植被覆蓋度的相關系數高達0.611,說明在祁連山區,海拔作為重要的環境因素,主要通過影響植被、土壤等因子間接作用于土壤抗沖性,所以不被認為是直接作用于土壤抗沖性的關鍵因子。

將決定系數按絕對值大小進行排序,結果見表3。從表3可以看出：植被覆蓋度x4對土壤抗沖性的決定系數dy.x4(0.436)遠大于另外兩項居首位,其次是植被覆蓋度x4與根系密度x6共同對土壤抗沖性的相對決定系數dy.x4.x6(0.099),根系密度x6對土壤抗沖性的決定系數dy.x6(0.082)最小；植被覆蓋度x4對R2的總貢獻大于根系密度x6對R2的總貢獻。由此表明,植被覆蓋度是影響祁連山區典型草地生態系統土壤抗沖性的最重要指標,提高植被覆蓋度可有效增強土壤抗沖性,而在提高植被覆蓋度的同時,還應注意植物根系密度的大小,若植物根系密度較大,土壤抗沖性也會增強。

表2 植被覆蓋度和根系密度對徑流含沙量的通徑系數Table 2 Path coefficients between sediment yield of surface runoff and vegetation coverage, root density

表3 各變量對徑流含沙量的決定系數和對R2的總貢獻排序Table 3 Determination coefficient of each variable and its contribution to the R2 for sediment yield of surface runoff

3.3 植被覆蓋度對土壤抗沖性的影響

利用采樣點的植被覆蓋度與徑流含沙量進行回歸分析得出：徑流含沙量隨著植被覆蓋度的增加而明顯減少,即土壤抗沖性隨著植被覆蓋度的增加而明顯增強,二者的關系可用指數或對數形式表達 (圖3)。指數關系可用公式y=19.73e-0.02x-3.12 (R2=0.57,P<0.001)表達,對數關系可用公式y=-9.52ln(x+22.12)+46.14(R2=0.56,P<0.001)表達,兩式中：y為徑流含沙量,g/L；x為植被覆蓋度,%。兩個回歸模型的顯著性都很強,均可在一定程度上顯示土壤抗沖性隨植被覆蓋度的變化趨勢,但相比之下,指數形式表達式的擬合度稍高,對兩者的關系表達較優。

3.4 根系密度對土壤抗沖性的影響

因植被覆蓋度會對土壤抗沖性產生顯著的作用,為避免植被覆蓋度的變化干擾根系密度對土壤抗沖性的影響,在圖3基礎上選取了具有相同植被覆蓋度的采樣點,利用根系密度和徑流含沙量進行回歸分析。結果顯示：徑流含沙量隨著根系密度的增加明顯減少,即土壤抗沖性隨著根系密度的增加明顯增強,二者的關系可用指數函數y=11.15e-191.57x+0.8(R2=0.69,P<0.001)表達,式中：y為徑流含沙量,g/L；x為根系密度,g/cm3(圖4)。由圖4可知,當根系密度小于0.02 g/cm3時,徑流含沙量隨著根系密度的增加迅速降低,當根系密度大于0.02 g/cm3時,徑流含沙量的降低速率減緩并趨于平穩,即土壤抗沖性達到相對穩定的狀況。

圖3 植被覆蓋度與土壤抗沖性的關系Fig.3 The relation between soil anti-scourability and vegetation coverage

圖4 根系密度與土壤抗沖性的關系Fig.4 The relation between soil anti-scourability and root density

4 討論

4.1 植被覆蓋度和根系密度對土壤抗沖性的影響作用

植被在防治水土流失方面扮演著重要角色,主要表現為植被地上部分對降雨和徑流的阻截作用以及地下部分對土壤的固持和改良作用兩方面[21],眾多學者對此進行過廣泛研究[22-23]。張素等[24]提出較高的植被覆蓋度可增強土壤抵抗徑流沖刷的能力；Durán-Zuazo等[25]得出植被覆蓋度與土壤侵蝕量和地表徑流量呈顯著負相關,較高的覆被率可明顯降低降雨侵蝕；Nunes等[26]得出植被覆蓋度與土壤侵蝕之間呈顯著的指數函數相關性；孫美佳等[27]研究表明植被覆蓋度越高,坡面流流態越穩定,坡面產沙率越小。本文的研究結果與前人結論相符。植被覆蓋度對土壤抗沖性的增強作用主要體現在植物的莖葉能對徑流沖刷起到阻礙作用,減緩徑流速度,從而抑止土壤侵蝕,所以植被越密集,土壤抗沖刷能力越強[28]。草地生態系統中植物的株高和冠幅小,較高的植被覆蓋度往往代表著密集的植株,因此植被覆蓋度對土壤抗沖性的影響作用顯得尤為突出,提高植被覆蓋度是增強草地生態系統土壤抗沖性的最有效手段。另外,植物莖葉對徑流的阻礙作用也與莖的粗細以及植株的抗倒伏能力有關,根據Gyssels等[28]研究,粗矮的植物可能阻礙徑流沖刷的作用更強,且本文研究得出土壤抗沖性與植被高度的相關性并不顯著,這就導致了與植物高度密切相關的地上生物量對土壤抗沖性的影響顯著性較低。

關于植物根系與土壤抗沖性關系的研究目前已有很多,大量研究表明,植物根系對土壤抗沖性有顯著提高作用。宋坤等[29]研究發現草本植物根系生物量與土壤抗沖性呈顯著正相關關系；李勇等[9]分析了植物固沙作用與根系密度的關系,表明固沙作用隨著根系密度的增加呈現快-緩-極緩的增加趨勢；Gyssels等[28]研究得出土壤侵蝕強度與根系密度間呈指數增長形式。本文研究結果與前人結論相似。植物根系對土壤具有機械固持、改良土壤結構和改善土壤結構的功能,能有效抑制土壤侵蝕[20,30-35]。祁連山區的高寒草原和草甸植物根系發達,極大地固持住土壤并促進土壤改良,增強了土壤抗沖性,所以根系密度應作為研究祁連山區草地植被對土壤侵蝕的作用以及探索土壤侵蝕防治方法的一項重要因素。然而,植物根系對土壤抗沖性的作用不僅與根系密度有關,可能還與根系類型、根徑、根表面積、根系分布等[32,36-37]因素有關,本文現只對根系密度進行了研究,未考慮其他根系因素,所以有待進一步補充完善。

4.2 其他因子對土壤抗沖性的影響作用

受青藏高原影響,祁連山呈現出典型的高寒生態系統特征,隨著海拔的升高,土壤和植被的垂直分異特征明顯[1],而土壤質地和植被對土壤抗沖性有著顯著的影響,因此與其他地區相比,海拔對土壤抗沖性的間接影響作用就較為明顯。當海拔升高時,溫度下降、蒸發量減少、降水量增大,植物可用水量增大,植被覆蓋度和根系密度增大,對土壤的改良作用增強,并且海拔越高的地方,細碎土壤被強風侵蝕流失,土壤顆粒平均粒徑越大,越不易被徑流侵蝕,從而使得土壤抗沖性增強。另外,值得注意的是在極高海拔地區,如海拔3500 m以上的區域,可能由于低溫、大風等惡劣氣候影響,凍融侵蝕程度與地表徑流侵蝕相比更加嚴重,因此高海拔地區需要開展關于土壤抗蝕性的凍融侵蝕研究。

土壤自身的特性對抗沖性也有較大影響,本文得出土壤抗沖性隨著土壤砂粒體積分數的增加而增強,隨著土壤粉粒體積分數的增加而減弱,與伏耀龍等[7]、李勇等[10]的研究結果相似。其原因可能是砂粒粒徑大,在一定徑流量下,不易被搬運侵蝕,而粉粒的粒徑較小,穩固性較低,易被沖走。另一方面,本研究得出祁連山區土壤的砂粒粒徑集中分布在0.1—0.5 mm之間,其含量越高,土壤的透水、通氣性就越強[38],能有效促進該區耐寒耐旱草地植被的生長,進而提高土壤抗沖性。

本研究得出坡度與土壤抗沖性間存在極顯著相關性,土壤抗沖性隨坡度的增大而減弱,但二者的相關系數較低,低于植被覆蓋度、根系密度和土壤顆粒分布等因子,這與張建軍、李陽芳、張建輝等人[6,36,39]的研究結果不盡相同。筆者推斷這是因為祁連山區草地植被多屬高寒草甸,草甸植物的根系發達,能在近地表結成一張密集的根系網絡[40-41],相比于晉西黃土區等地的植物,對土壤的影響作用更突出,使得徑流含沙量對坡度變化的敏感度相對減弱,這也反映出祁連山區典型草地生態系統較強的抗侵蝕功能。

多樣性是植被因素中的一項重要指標,眾多研究表明,土壤抗沖性會隨著物種多樣性的增加而增強[25,42-44],本文的研究結果與前人結論相似。當生物多樣性增大時,由于植物種類增多,植被群落穩定性增強,具有不同葉片形態的植物種交錯重疊分布,植被覆蓋度增大,土壤抗沖性隨之增強,所以生物多樣性可能也在很大程度上通過植被覆蓋度等植被因素影響土壤抗沖性。根據實地調查結果,在祁連山區,莎草科、豆科、毛茛科和蓼科植物,如高山嵩草(Kobresiapygmaea)、高山豆(Tibetiahimalaica)、高原毛茛(Ranunculustanguticus)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)等可有效提高土壤抗沖性。

4.3 問題與分析

根據通徑分析得出,剩余項的通徑系數約為0.619,這表明實驗存在一定誤差或是存在其他對祁連山區草地生態系統的土壤抗沖性影響較大的因素在本次研究中未被考慮。根據前人研究可知,土壤抗沖性可能還受到土壤團聚體結構[39,45]、微生物、植物根徑、根系分布[36,46]等因素的影響。另外,祁連山區草地地表大多有枯草殘茬,這些殘茬覆蓋在地表,對徑流沖刷也應有較強的阻緩作用。因此研究有待對其他可能因素進行調查研究,進一步完善結論。本研究采用實地放水沖刷法測定土壤抗沖性,該法最大程度地減少了土壤擾動,保證了徑流沖刷過程與實際情況相似,但其缺陷在于實際操作較難控制,實際沖刷流量與設計流量仍有出入且難以穩定,存在試驗誤差。不過,本研究布設了大量調查樣點,通過對大樣本數據進行統計分析研究,可有效減少誤差,在一定程度上彌補了實驗操作中造成的精度損失。

5 結論

1)祁連山區典型草地生態系統土壤抗沖性與海拔、坡度、植被覆蓋度、地上生物量、根系密度、生物多樣性和土壤質地均有密切關系。土壤抗沖性與海拔、植被覆蓋度、根系密度和土壤砂粒體積分數呈極顯著正相關(P<0.01),其中與植被覆蓋度的相關性最強；與坡度和土壤粉粒體積分數呈極顯著負相關(P<0.01)；與地上生物量和物種豐富度呈顯著正相關(P<0.05)。

2)植被覆蓋度和根系密度是影響祁連山區典型草地生態系統土壤抗沖性的關鍵因素。其中,植被覆蓋度對土壤抗沖性的影響主要表現為強烈的直接作用,而根系密度對土壤抗沖性的直接作用相對較小,有較大一部分影響表現為間接作用。植被覆蓋度與徑流含沙量間的關系可用對數和指數形式表達,根系密度與徑流含沙量間的關系可用指數形式表達。

3)在祁連山區典型草地生態系統中,與海拔、坡度、地上生物量、植物多樣性、土壤質地等影響因素相比,植被覆蓋度和根系密度對土壤抗沖性的作用效果更明顯。因此,在保護現有植被的基礎上,通過人工播撒根系發達植物的種子擴大草場面積,提高植被覆蓋度與根系密度,可有效防治水土流失。

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