基于植被数量生态学的喀斯特山区坡面土壤水分空间变异特征

基于植被数量生态学的喀斯特山区坡面土壤水分空间变异特征

0土壤水分与环境因子的关系土壤作为退化生态结构和功能的重要因素，对整个生态系统的水热平衡和系统稳定性起着决定性作用。土壤水分具有空间异质性,其异质性的存在对各尺度的水文过程和土壤形成过程均具有显著影响。在坡面尺度上,对土壤水分变异的深入了解将有助于更好地理解坡面水文过程、生态过程和生物地球化学过程。而土壤水分变异与环境因子的关系,不仅能在一定程度上揭示研究区域内土壤水分分布的主导因素不同,而且能够反映出该主导因素在不同位置上影响程度的差异性。因此,要明确二者之间的关系,需要选择典型区域对主导土壤水分变异的具体过程及其环境因子进行详尽分析。中国西南喀斯特地区与黄土高原地区同为中国贫困与环境退化问题最为突出的地区,喀斯特地区脆弱的生态环境,已经成为制约西南地区可持续发展的严重环境问题。在喀斯特峰丛洼地中,由于复杂的地形地貌分异和二元空间结构,特殊地质条件决定了该地貌类型的环境容量小,抗干扰能力低,石漠化严重。而且由于以前的毁林开荒、陡坡种植,造成了当地水土流失状况和自然植被退化严重,土壤水分成为喀斯特退化生态系统植被恢复和生态重建过程的重要限制因子。选择峰丛洼地典型坡面研究土壤水分与环境因子的关系,不仅有助于了解坡地生态系统不同景观下影响土壤水分分布的主导因素及其生态过程,而且对于揭示坡地水土流失和石漠化发生机理,选择合理的植被恢复与生态重建模式具有重要指导。当前许多研究者已对喀斯特坡面土壤水分动态、变异特征及其影响因子做了较深入的探讨,这些工作加强了对喀斯特地区土壤水分变异产生的自然过程及其环境关系的综合理解,但大都仅考虑单个环境因子对土壤水分性质的影响,而坡地土壤特性往往受诸多环境因子的共同作用,目前开展土壤水分特征与多个环境因子之间数量关系的综合研究还少见报道。而且在土壤水分变异与环境因子相互关系的研究中多采用单因素方差分析、多重比较、相关及回归分析等方法,这些方法对土壤水分变异影响因子间的协同作用考虑不够,特别是在喀斯特地区,由于坡地微地貌景观非常破碎,各种环境因子之间存在复杂的相互关系,采用常规分析方法很难准确界定各因子的影响程度,同时难以有效地揭示不同影响因子间的相对重要性,为此我们采用植被数量生态学中常用的去趋势典范对应分析(detrendedcanonicalcorrespondenceanalysis,DCCA)方法,研究喀斯特典型坡面上土壤水分的变异特征与各环境因子之间的数量关系,旨在为喀斯特坡地生态系统水资源的分区管理、合理利用及生态重建过程提供参考。1研究领域的总结和研究方法1.1植物种类及生态习性研究区位于广西环江毛南族自治县下南乡古周村(24°50′N,107°55′E),属典型的喀斯特峰丛洼地景观,区内最低点海拔为376m,与最高点海拔相差440m。土地总面积186.7hm2,其中耕地17.3hm2,主要分布在洼地中,土层浅薄且土被很不连续,基岩广泛出露。特别是坡地平均裸岩率达80%以上,植被退化、水土流失状况较为严重,森林覆盖率仅有13%。研究区主要的土地利用方式有耕地、撂荒地、人工林、自然坡地和少量坡耕地,自然植被主要以撂荒草丛群落和次生灌木群落为主,多为喜钙、耐旱、耐瘠的先锋树种和草类。草丛主要有白茅(Imperatacylindrica)、类芦(Neyraudiareynaudiana)、五节芒(Miscanthusfloridulus)等;灌丛以灰毛浆果楝(Cipadessacinerascens)、盐肤木(Rhuschinensis)、聚果羊蹄甲(BauhiniabrachycarpaWall.exBenth.var.cavaleriei)等为主;小面积的次生乔木林主要集中在于当地的风水林区,优势种为聚果羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpavar.cavaleriei)、粉苹婆(Sterculiaeuosma)、密花树(Rapaneaneriifolia)等。该地区属亚热带季风气候区,年平均气温为19.9℃,太阳总辐射量3344~4134MJ/m2,年平均降雨量为1389.1mm,降水丰富但季节分配不均,雨季平均开始于4月下旬,结束于8月底或9月初,平均持续时间130~140d,常出现涝灾;9月底至次年3月为旱季,各月平均降水量在90mm以下,时常受到干旱威胁;土壤类型主要是碳酸盐岩发育的钙质湿润淋溶土,质地较黏重,阳离子交换量和盐基饱和度均较高,土体与基岩面过渡清晰,土壤肥力较为贫瘠。研究地区作为“中国西部重点脆弱生态区综合治理技术与示范”项目的移民迁出示范区,从1996年开始实施环境移民,同时实施“退耕还林还草”工程,在坡地生态系统恢复治理过程中,陡坡地实行退耕撂荒措施,缓坡地则种植牧草护坡并建立板栗-木豆生态经济林,洼地中也逐渐由单一玉米为主的种植方式改变为玉米、大豆、牧草、柑橘等复合种植制度。通过实施一系列环境治理措施后,该地区森林覆盖率不断提高,水土流失和石漠化状况得到不断改善。1.2学习方法1.2.1样品采集和测定方法根据研究区的地形和微地貌特征,在峰丛洼地中选择一个典型的坡面,其表层土壤的基本理化性状见表1。采用线状取样方式,沿坡面自左到右间隔150m依次选取a、b、c共3条纵向线,在纵向线上沿等高线每隔10m布设一个采样点,按照从左到右从下至上的顺序共布设采样点71个(图1)。喀斯特坡面上不仅土层浅薄、石漠化严重,而且土地利用结构复杂。纵向线a的土地利用方式从上到下依次是撂荒地—人工林—坡耕地。纵线b依次是自然植被—撂荒地—人工林,纵线c是坡耕地—自然植被—撂荒地—人工林—坡耕地,其中自然植被受人类影响较小,分布有大量乔木和灌草丛。撂荒地是以前的坡耕地于1996年弃耕而来,随先锋物种侵入已演替到草本及藤本群落阶段。人工林种植始于2000年,主要种植板栗、木豆等经济林木,当前尚处于幼龄期。坡耕地有多年耕作历史,主要种植作物为玉米和大豆。初次取样时用80cm长的竹签做好标记,在每个采样点上用内径3.5cm的土钻采集0~15cm的表层土样均匀装入铝盒,如果样点处于出露石块区,则在其周围采集3个样混匀后替代,采样频率约为2周1次。采样时间为2005年1月24日-9月3日,对应当地部分旱季和整个雨季时段(图2),在采样同时记录每个样点所在位置的土地利用方式、植被类型、裸岩率(在样点周围4m2范围内计算岩石裸露面积所占百分率)、土层深度(用土钻测深以触及底部岩石为止)等样点信息,用GPS和罗盘记录样点的经纬度、坡度、坡向和海拔高度等地形因子,取样完成后立即用105℃烘干法测定土壤质量含水率。在对2005年1月所取土壤样品的理化性质测定中,土壤全氮采用碳氮自动分析仪测定,土壤有机碳采用重络酸钾氧化-外加热法测定,土壤体积质量采用环刀法,土壤总孔隙度则用土壤体积质量和土壤相对密度通过计算得到。1.2.2环境法系样点的编码与环境因子DCCA排序是目前最先进的植被-环境关系多元分析技术之一。它是在去趋势对应分析(DCA)的基础上改进而来的,即在每一轮样方值-物种值的加权平均叠代运算后,用样方环境因子值与样方排序值做一次多元线性回归,用回归系数与环境因子原始值计算出样方分值再用于新一轮叠代计算,得出的排序轴代表环境因子的一种线性组合称之为环境约束的对应分析(CCA)。然后加入去趋势算法去掉因第1、第2排序轴间的相关性产生的“弓形效应”而成为DCCA。它因为结合物种构成和环境因子的信息计算样方排序轴,从而使结果更理想,并可以直观地把环境因子、物种、样方信息同时表达在排序轴的坐标平面上。由于其在分析植物群落时空分异类型与环境因子的关系方面独树一帜,成为20世纪90年代以来植被梯度分析与环境解释的趋势性方法。由于土壤属性的时空变异与植物群落时空分异具有高度相似性,因此许多研究都尝试应用植被数量生态学的方法来解释土壤性质变异与环境因子之间的数量关系。DCCA排序首先要求对定性数据在分析前进行编码处理。在本研究中,根据喀斯特坡面土地利用及植被分布情况将坡地分为自然植被、撂荒地、人工林、坡耕地等4种土地利用方式,在沿坡面自下而上的各土地利用中,以代码1表示坡耕地,2表示人工林,3表示撂荒地,4表示自然植被。同时对坡位进行编码,1表示坡脚,2表示下坡,3表示中坡,4表示上坡。坡度、海拔高度、裸岩率与土层深度等指标均以实测值表示。土壤有机碳和体积质量则以取样点上采集土壤的测定值表示。此外DCCA排序需要2个数据矩阵,一个是样点土壤水分数据矩阵,另一个是样点环境因子数据矩阵。土壤水分数据矩阵是P×N维,P为坡地土壤水分从2005-01-24到2005-09-03的采样,共13次。N为坡地取样点个数71个。环境因子数据矩阵同样为Q×N维,Q为待分析的环境因子数量,即前面提到的8个环境因子,N为取样点个数(71个)。本研究采用国际通用软件CANOCO4.5,将坡地土壤水分矩阵与环境因子矩阵进行DCCA排序过程,一次性给出样点与环境因子的前4个排序轴的坐标值,并以此作为进一步分析的基础。本研究中,所有数据的统计分析过程均在Excel2003和SPSS13.5统计软件包中实现。2结果与分析2.1土壤水分的季节变化坡面表层土壤水分的统计特征如表2所示,其中前期降雨量为每次采样前5d内的降雨量总和。从表中可以看出,在坡地各取样时段内,表层土壤含水率的均值介于21.36%~32.58%之间,具有明显的季节变化。在旱季降水量较少时土壤含水率较低但波动较大,雨季来临时降水丰富,土壤含水率较高同时波动平稳。土壤平均含水率与前期降雨量之间存在显著的正相关关系(R2=0.557,p<0.05)。从土壤水分的变异系数(CV)来看,各次采样的土壤水分均表现为中等变异(10%≤CV≤100%),这与该地区其他研究中,坡面土壤水分一般呈现中等变异相符合。此外,从土壤水分的K-S概率来看,除2005-06-15、2005-07-05、2005-08-08等3次测定数据呈正态分布外,其余均呈偏态分布。2.2不同坡耕地的土壤理化性质坡面土壤水分受气候、植被、地形、微地貌等诸多环境因素的影响而呈现出明显的季节变化,不同土地利用方式下的土壤平均含水率明显不同,但土壤水分的变化趋势一致(图3)。受前期降雨量的影响,坡面各土地利用方式下的土壤水分在研究时段内均呈明显的“四峰型”波动。虽然喀斯特坡地系统中整体生境干旱化突出,但仍然有许多土壤水分优越的局部环境存在,如撂荒地和自然植被所在的中、上坡位。由于喀斯特地区独特的岩溶作用,坡面石隙和石槽中广泛发育有“石隙土”、“石碗土”等土体形式,由于周围岩石的广泛分布,土壤水分的输入相对较高,水分再分布过程中由附近岩体表面带入的营养物质也较多。特别是在自然植被密集分布的上坡,石隙或石槽的土体中一般积累有大量的凋落物等植物残体,降水在冲刷岩面的过程中也将许多营养元素带入其中,再加上人为干扰少,使得土壤的供肥供水能力较强,这就造成了自然植被土壤表层的体积质量最小,有机质含量最高,而且总孔隙度也较其他土地利用方式高(表3),从而土壤的平均含水率最高(图3)。坡耕地弃耕8a以后形成的撂荒地中,土壤体积质量和孔隙度均得到一定程度改善,相对于坡耕地,其有机碳质量分数提高了41.3%,土壤平均含水率增加了16.4%,土壤的保水保肥能力明显改善。而坡耕地在退耕种植人工林后,土壤含水率则明显下降,这一方面与人工林尚处于幼林期,植被覆盖度较小,蒸腾蒸发量较大有关外;另一方面与强烈的人为干扰造成土壤理化性状变劣也有关系。由此可见,坡面不同土地利用方式下的样点特征揭示了土壤和植被所处恢复阶段的不同,自然恢复方式应当在喀斯特坡面退化生态系统治理中占据重要地位。2.3不同立地条件下土壤水分空间异质性的特征DCCA排序轴能同时结合各样点的土壤水分数据和环境因子,排序分析结果显示,只有前3个排序轴(排序轴3未显示在图中)是典范对应的,并且能够累计解释样点和环境因子间总方差的84.3%,因此能够较好地表达土壤水分受环境因子影响的具体信息。图4中箭头代表坡面各个环境因子,箭头所处的象限代表环境因子和排序轴间的正负相关性,箭头连线的长度表示环境因子与土壤水分变异的相关性大小,连线越长,说明相关性越大,反之则越小;箭头连线在排序轴上投影的长短则表示某个环境因子与排序轴之间相关性的大小,投影长度越长,则相关性越大。从该图中可以看出,第1排序轴与土层深度(R2=0.50,p<0.05)和土壤体积质量(R2=0.35,p<0.05)表现出显著的正相关(土层深度与体积质量也显著正相关),与土壤有机碳含量(R2=-0.72,p<0.05)、裸岩率(R2=-0.55,p<0.05)和土地利用方式(R2=-0.46,p<0.05)呈显著负相关,与其他环境因子也呈现一定的负相关。与此类似,第2排序轴也与土层深度(R2=0.73,p<0.05)和土壤体积质量(R2=0.42,p<0.05)表现出显著正相关,但仅与土地利用方式(R2=-0.55,p<0.05)和裸岩率(R2=-0.46,p<0.05)显著负相关,与其他因子的相关性不显著。这充分说明第1轴着重反映土壤有机碳梯度,第2轴则主要反映土层深度梯度。而且从图4中还可以看出,全部71个取样点可以分成4类,分别位于4个象限内,其中第Ⅰ象限内的样点,其土层深度较大,土壤有机碳含量较低,裸岩率较高,大部分是撂荒耕地;第Ⅱ象限内的样点,土层深度和体积质量都较大,裸岩率较低,土地利用方式多为坡耕地或人工林(表3)。第Ⅲ象限内的样点,岩石裸露率大,海拔较高,有机碳含量较高,土壤体积质量较小,土地利用方式多为自然植被(表3)。而位于第Ⅳ象限内的样点,土层深度相对较大,其他环境因子参数呈中等特征,没有表现出特别的主导因素。坡位和海拔高度在排序图中的连线较其它因素明显偏小,显示二者与土壤水分变异的相关关系最弱。究其原因,是由于喀斯特坡面地形和微地貌的复杂性,“石隙土”和“石碗土”在坡面上常呈鱼鳞形分布,这些部位的土壤相对较深厚,可以存蓄较多水分,特别是在降雨过后可以截获部分地表径流和侧向流,使得该部位土壤水分含量相对较高。因而在喀斯特典型坡面上,土壤水分变异受坡位和海拔高度的影响十分微弱,二者主要是通过影响其他环境因素从而对土壤水分变异起间接作用。从图5的排序图可以看出,土壤水分变异及其影响因素的季节变化大致可分为2种类型。位于排序图左侧第Ⅱ、Ⅲ象限内的6次测定结果均与土壤有机碳含量和土层深度具有较强相关性,特别是2005-04-09,2005-08-08和2005-08-193次测定数据与土壤有机质含量的相关性最明显。而位于排序轴右侧第Ⅰ、Ⅳ象限内的其余7次测定结果则与土地利用、土壤体积质量和土层深度等环境因子具有较强相关性。由此可见,在不同的取样时期,坡面土壤水分空间异质性的主导因素是不同的,这主要与喀斯特坡面特殊的土地利用结构、土壤、地貌及其覆被条件有关。由于DCCA排序可以直观地反映彼此关联的各种环境因子对土壤水分变异的影响程度。因此通过对排序图进行观察分析后可以看出,土层深度、有机质含量、土地利用方式和裸岩率对喀斯特坡面土壤水分变异及其季节变化的影响最为显著,土壤体积质量和坡度的影响次之,而坡位和海拔高度的影响最小。3土壤水分变异与环境因子的关系土壤水分变异的影响因素一般与不同尺度下控制土壤水分变异和分布的主导因素及过程有关。在流域尺度上,土地利用、地形因子及土壤类型对土壤水分变异具有重要影响,而且该尺度下环境因子与土壤水分的关系是土壤水分与水文模型及其尺度外推的重要参数;土地利用与地形的联合作用被认为是土壤水分时空分异的重要影响因素,而且研究土壤水分与土地利用及地形等因子的相互关系也是理解和预测土壤水分变异的有效方法。在坡面尺度上,有研究者认为土壤水分变异主要受地形和土壤特性的联合控制。实际上,土地利用、地形因子、土壤和植被等多种因素都对坡面尺度土壤水分变异具有重要影响。黄土丘陵区的研究表明,土壤水分的空间异质性是立地尺度(坡度)、坡地尺度(坡位与相对高度)和流域尺度(土地利用与降雨)等多重尺度上环境因子共同作用的结果。并且在坡地不同土地利用结构下,影响表层土壤水分变异的重要环境因子一般是坡度、土地利用、植被覆盖以及地表水的扩散特征等。环境因子对喀斯特坡面土壤水分的影响较为复杂,各环境要素(坡度、坡位、裸岩率、海拔、土层深度)之间往往具有一定的相关关系。如坡耕地和人工林地由于人为垒石积土、兴修梯田等措施往往造成坡面具有较小的坡度、较低的裸岩率及较厚的土层深度。而坡位较高的自然植被地往往具有较大的坡度和裸岩率以及较浅的土层深度(表3)。通过对喀斯特典型坡面土壤水分变异与环境因子数量关系的研究发现,土层深度、有机质含量、土地利用方式和裸岩率是坡地土壤水分变异的主要影响因素,与土壤水分呈显著的正或负相关。值得注意的是,本研究中海拔高度和坡位等对坡地土壤水分变异的影响最小,在整个喀斯特坡面上,由于碳酸盐岩的差异侵蚀和土壤丧失作用,使部分