太行山干瘠山地土壤厚度空間變異及草灌群落分布特征

高 峻,何春霞,張勁松,孟 平,*

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局林木培育重點實驗室,北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037

土壤厚度指土壤表面到土壤母質(zhì)層的垂直深度[1],是土壤理化性質(zhì)的基礎(chǔ)和植被生長的重要條件[2-3],可以表征土壤空間的大小、養(yǎng)分儲量及水分差異,直接影響植被的生長[4-6],也是土壤退化和生產(chǎn)力評價的一個重要指標[7-8]。在風(fēng)化、石漠化現(xiàn)象頻發(fā)的區(qū)域,植被恢復(fù)的困難程度與土壤厚度的分布特征密不可分[9]。已有學(xué)者針對土壤厚度對植被的空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響進行了研究[10-12]。在我國南方喀斯特地區(qū)和北方石質(zhì)山地等一些土壤瘠薄的困難立地也相應(yīng)開展了一些研究和造林實踐[5,8,13-15]。李程程等[4]研究了巖溶山區(qū)植被與土壤厚度的分布關(guān)系。尹亮等[8]通過實地調(diào)查土壤厚度,分析不同土地利用類型下土壤厚度的空間變異及其分布格局。曾憲勤等[15]研究了我國北方石質(zhì)山地土壤厚度的分布特點和影響因素等。

目前有關(guān)干瘠山地土壤厚度的研究較少,尤其是其空間異質(zhì)性和植物群落分布特征,作為水分和養(yǎng)分的空間載體,土壤厚度嚴重制約著干瘠山地植被構(gòu)建。本研究以太行山低山區(qū)干瘠山地為研究對象,采用地統(tǒng)計學(xué)研究方法探討土壤厚度的空間異質(zhì)性及其分布規(guī)律,并分析土壤厚度與植被群落分布之間的關(guān)系,以期為太行山低山區(qū)植被恢復(fù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

研究樣地設(shè)在國家林業(yè)局黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(34°58′—35°4′N,112°24′—112°32′E),該區(qū)地處太行山余脈的低山區(qū),海拔在500 m以下,地形由西向東逐漸降低,山脈多為南北走向。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候,年平均氣溫12.4—14.3℃,極端最低氣溫-20℃,極端最高氣溫43.4℃。年平均降水量641.7 mm,但年際變化較大,最多的年份達1012.7 mm,最少的年份只有376.6 mm。降水季節(jié)分布不均,7、8、9三個月降水較多,平均348.1 mm,占年降水量的54.4%。無霜期186d,年平均日照2375.4h,日照率54%,最高年份2602.1h,最少年份1948.5h,相差較大。巖石種類和土壤種類比較復(fù)雜,主要為石炭紀的頁巖和砂巖,成土母質(zhì)主要為頁巖和砂巖風(fēng)化后的殘積與坡積物,部分地區(qū)為第三紀紅土和第四紀黃土風(fēng)積物。土壤主要為褐土類的碳酸褐土和粗骨性褐土兩個亞類,土壤厚度多在50 cm以下。植被屬于暖溫帶落葉闊葉植被型,天然森林已破壞,現(xiàn)有植被主要是以刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)等為主的人工林；灌木有荊條(VitexnegundoL. var.heterophylla(Franch.) Rehd.)、酸棗(ZiziphusjujubaMill. var.spinosa(Bunge) Hu ex H.F.Chow.)和扁擔桿(GrewiabilobaG. Don)等；草本以狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、茜草(RubiacordifoliaL.)和茵陳蒿(ArtemisiacapillarisThunb)等為主。本研究選擇未進行人工造林的兩個坡面進行樣地設(shè)置與調(diào)查,現(xiàn)存植被多以灌草為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

土壤厚度測定與分級：分別選取東北向和西南向2個干瘠山地坡面,從坡頂?shù)狡碌撞荚O(shè)樣帶,將樣帶網(wǎng)格化為5 m×5 m的網(wǎng)格,在網(wǎng)線交叉點采用插釬法測定土壤厚度[8,16],并進行編號。由于調(diào)查區(qū)域的土壤土層薄,考慮到調(diào)查土壤厚度的代表性,每5 cm測一個厚度,按厚度每增加5 cm將土壤厚度進行分級。東北向坡寬度100m,從坡頂?shù)狡碌组L110 m,測點為483個；西南向坡寬度100m,從坡頂?shù)狡碌组L100 m,測點為441個。為了減少誤差,測定時在網(wǎng)格點周圍20 cm范圍內(nèi)隨機另測兩個點的土壤厚度,取3個測定點的平均值為網(wǎng)格點土壤厚度值。同時,測定坡面的坡向、坡度,在最低和最高測點處測定海拔高度等。

圖1 土壤厚度與群落調(diào)查示意圖(東北坡) Fig.1 Map of soil thickness and community investigation (Northeast slope)

群落調(diào)查：根據(jù)土壤厚度測定點數(shù)據(jù),每個土壤厚度的分級選擇3個測點,以測點為中心設(shè)置5 m×5 m樣方,在每個5 m×5 m樣方的四角和中心設(shè)置5個1 m×1 m 的小樣方,調(diào)查樣方中植物種類和蓋度。由于喬木數(shù)量少且較為矮小,喬木和小喬木均記為灌木；(調(diào)查位置見圖1)。蓋度采用目測法(利用鋼卷尺輔助)和蓋度框法,蓋度框大小1 m×1 m,框內(nèi)網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m,共計100個網(wǎng)格,測量時將蓋度框平鋪于樣方上。在5 m×5 m樣方內(nèi),采用目測法調(diào)查灌木的種蓋度和層蓋度,取參與調(diào)查的3人目測值的平均值；在1 m×1 m樣方內(nèi)利用蓋度框測定各草本的種蓋度和層蓋度。同一土壤厚度分級的蓋度為該土壤厚度分級3個樣方的平均值,同一土壤厚度分級的草本蓋度為該土壤厚度分級15個樣方的平均值。

2.2 空間變異分析

半方差函數(shù)：研究區(qū)域內(nèi)各樣點的土壤厚度是一種區(qū)域化變量,它既具有隨機性又具有結(jié)構(gòu)性,是空間距離的函數(shù)。因此,所有空間距離上土壤厚度的空間變異特征可用半方差函數(shù)進行描述[16-18],半方差函數(shù)的公式為：

(1)

式中,γ(h)是間距為h的半方差,其隨h的增加而增加；N(h)是距離等于h時的點對數(shù)；Z(xi)是樣點Z在位置xi的實測值；Z(xi+h)是與xi距離為h處樣點的值。本文利用GS+for windows軟件計算分析半方差函數(shù)。

Kriging插值：Kriging方法是利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性,對未采樣點的區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估值的一種方法。設(shè)在一區(qū)域內(nèi)位置x0處某一變量的估值Z*(x0),其周圍在相關(guān)范圍內(nèi)有n個已測定值Z(xi)(i=1,2,…,n),通過這n個測定值Z(xi)的線性組合來求估測值Z*(x0),公式為：

(2)

式中,λi是與Z(xi)位置有關(guān)的加權(quán)系數(shù)。本文利用GS+ for windows軟件的Kriging功能進行插值并繪制土壤厚度分布圖。

2.3 植物物種多樣性的計算

本研究采用4種常用的物種多樣性指數(shù)[19-21]：Margarlef豐富度指數(shù)(Ma)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)(H)、Simpson 多樣性指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(J),計算公式如下：

Ma=(S-1)/lnN

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,S為樣方內(nèi)物種種類數(shù)量,N為所有物種的蓋度和,Ni為物種i的蓋度,Pi為物種i的相對蓋度。

2.4 數(shù)據(jù)分析

運用SPSS 22. 0對土壤厚度與多樣性指數(shù)、蓋度進行單因素方差分析(One-way ANOVA)分析和Pearson 相關(guān)性分析,土壤厚度等級與累計百分比圖以及與植被覆蓋度的關(guān)系圖采用Excel軟件制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)地形特征

本研究選擇的坡面地形特征見表1。西南向和東北向坡的測點海拔分別在343 m—394 m和332 m—385 m間,坡度大約分別為20°和18°,兩坡面總體起伏不大,較為平坦。但坡面上仍存在大小不一的凸、凹坡形,凸形坡上部土壤較薄,下部土壤厚度較厚；凹形坡上部陡峭,下部平緩。總體而言,兩坡面的土壤土層很薄,主要呈斑塊狀分布,呈高度破碎形態(tài),地表并有部分巖石裸露。

表1 研究區(qū)地形特征

3.2 土壤厚度描述性統(tǒng)計分析

通過對兩個坡面測點土壤厚度值的描述統(tǒng)計學(xué)特征看(表2),研究區(qū)總體土壤厚度較薄,東北向和西南向2個坡面土壤平均厚度僅為11.69 cm和12.77 cm,土壤厚度分布在0.00—37.40 cm和0.00—49.60 cm之間,反映出土壤厚度空間分布不均,說明了太行山低山區(qū)干瘠山地土壤厚度波動較大的特點。東北向和西南向兩個坡面土壤厚度的變異系數(shù)分別為0.609和0.632,根據(jù)變異性等級劃分標準[22],0.1≤CV≤1,屬于中等偏強的空間變異。

表2 土壤厚度描述性統(tǒng)計

從土壤厚度等級百分比及其累計百分比圖(圖2)可知,土壤厚度主要集中在0—20 cm,東北向和西南向2個坡面分別占總數(shù)的88.82%和80.95%；厚度大于20 cm 的樣點分別占總數(shù)的11.18%和19.05%；土壤厚度大于30 cm的比例很小,所占比例僅分別為1.04%和2.27%。而在0—20cm土壤厚度內(nèi),分布在5—15 cm的比例較高,所占比例分別為53.42%和44.90%。

3.3 土壤厚度空間變異結(jié)構(gòu)特征

對區(qū)域化變量進行空間分析必須以空間數(shù)據(jù)的正態(tài)分布為前提,利用SPSS 19.0 軟件對兩個坡面測點的土壤厚度數(shù)據(jù)用單樣本Kolomogorov-Semirnov(K-S)方法進行正態(tài)分布檢驗,結(jié)果表明樣地土壤厚度呈正態(tài)分布,無須進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,滿足地統(tǒng)計學(xué)的要求。運用GS+ for windows軟件對研究區(qū)土壤厚度進行半方差函數(shù)模擬,根據(jù)決定系數(shù)(R2)最大,殘差平方和(RSS)最小的原則,研究區(qū)東北向和西南向坡面土壤厚度半方差理論模型均為球狀模型(圖3)。

圖2 土壤厚度等級與累計百分比Fig.2 Grades and accumulative perception of soil thickness

圖3 土壤厚度半方差函數(shù)理論模型Fig.3 Semivariogram of soil thickness

通過對土壤厚度半方差函數(shù)模型及參數(shù)分析(表3)表明,東北向和西南向2坡面土壤厚度空間變異結(jié)構(gòu)特征較為相似,東北向和西南向坡面的塊金值分別為0.1和1.9,基臺值分別為48.97和67.30,兩坡面土壤厚度的塊金系數(shù)很小,僅分別為0.002和0.0291。塊金效應(yīng)很小而基臺值相對較高,說明兩坡面的土壤厚度具有強烈的空間相關(guān)性[23-24],結(jié)構(gòu)性因素是造成土壤厚度空間變異的主導(dǎo)因子。

表3 土壤厚度半方差函數(shù)模型及參數(shù)

變程的大小表明土壤厚度空間連續(xù)性的好壞[23]。本研究中東北向和西南向兩坡面土壤厚度的變程分別為20.0 m和22.50 m,反映出太行山低山區(qū)的干瘠山地雖然微地形復(fù)雜,影響因素多樣,但土壤厚度仍然具有一定的空間連續(xù)性。一般認為在塊金效應(yīng)不大時,可以將變異函數(shù)變程的1/2作為取樣間隔的上限[25]。因此,本研究中所采用的5 m×5 m的采樣間隔可以滿足太行山低山區(qū)土壤厚度空間變異性分析的要求。

3.4 土壤厚度分布格局

在土壤厚度空間變異結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)半方差理論模型參數(shù),以土壤厚度為變量,采用普通Kriging方法對兩坡面進行空間插值分析,得到土壤厚度空間分布等值線圖(圖4)。從圖中可以看出,土壤厚度的空間分布格局支離破碎,明顯呈斑塊狀分布。由于研究區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū),水分匱乏、土壤貧瘠等因素,植被恢復(fù)很難達到理想的完全覆蓋狀態(tài),因此將會在空間上呈現(xiàn)裸地與不同植被類型斑塊鑲嵌的分布格局[26-27],這也是土壤厚度空間分布格局的反映。土壤淺薄的地方,植被稀少、矮小,易形成裸地斑塊,而裸地斑塊極易造成水土流失,具有不同植被覆蓋的林地斑塊則能有效的保持水土[28]。同時,土層淺薄、植被稀少,更增加了坡面受降雨侵蝕風(fēng)險,風(fēng)化殘余物質(zhì)在重力和降雨的作用下亦易滑向土壤較深、植被較多的地方[29-30]。

圖4 土壤厚度的空間分級圖Fig.4 Spatial classification of soil thickness

3.5 不同土壤厚度下的主要植物種類

由于兩坡面土壤厚度空間變異結(jié)構(gòu)特征相似(圖4),同時在進行土壤厚度和植被類型調(diào)查時發(fā)現(xiàn)兩坡面相同土壤厚度的植物種類基本一致,因此,將兩坡面土壤厚度與主要植物種類一并列出分析(表4)。調(diào)查結(jié)果表明,本研究所選取的坡面植物主要以草灌為主,共有22科33屬38種,其中草本13科21屬26種、灌木或小喬木9科12屬12種。總體上,太行山低山區(qū)干瘠山地植物群落結(jié)構(gòu)簡單,物種組成少,這與該地區(qū)季節(jié)性干旱、土壤淺薄的惡劣生境條件有關(guān)。在巖石裸露、土層淺薄(一般不足5 cm)的條件下,石縫和土壤集結(jié)處生長著瓦松、野韭菜、防風(fēng)等極為耐干瘠的草本植物,物種組成僅4、5 種；隨著土壤厚度的增加,草本物種數(shù)逐漸增加,也開始出現(xiàn)少量胡枝子等灌木；土層厚度在10—20 cm間時,物種數(shù)基本達到最大,物種組成12、13 種,同時,出現(xiàn)酸棗、荊條等灌木和小喬木山桃等,但灌木和小喬木比較低矮,樹高不超過50 cm,胡枝子為主要優(yōu)勢種；土層厚度超過20 cm后,植被以灌木為主,種類有荊條、酸棗、小葉鼠李、扁擔桿、構(gòu)樹、臭椿、苦楝等,荊條、酸棗為優(yōu)勢種,構(gòu)樹、臭椿和苦楝等較矮小和數(shù)量稀少,一些草本植物散生于灌木林隙間。

表4 不同土壤厚度的主要植物

3.6 不同土壤厚度下的物種多樣性指數(shù)

表5顯示了不同土壤厚度下的群落物種多樣性結(jié)果。分析可知,在土壤厚度小于15 cm時,隨著土壤厚度增加,物種數(shù)逐漸增加,物種豐富度上升,Margarlef指數(shù)(Ma)、Shannon-wiener指數(shù)(H)、Simpson指數(shù)(D)和Pielou指數(shù)(J)逐漸增大,物種多樣性有增強的趨勢,土壤厚度在10—15 cm時各指數(shù)達到最大。在土壤厚度介于15—35 cm時,各指數(shù)相對土壤厚度在10—15 cm時指數(shù)有所降低,變化趨于穩(wěn)定,物種多樣性和物種豐富度比較穩(wěn)定。在土壤厚度介于35—50 cm時,物種數(shù)減少,各指數(shù)逐漸降低,物種多樣性和物種豐富度有降低的趨勢。這也說明多樣性指數(shù)反映不同土壤厚度下植物群落間的差異性和群落內(nèi)物種組成。

表5 不同土壤厚度的物種多樣性

H：Shannon-wiener多樣性指數(shù) Shannon-wiener diversity index；J：Pielou均勻度指數(shù) Pielou evenness index；Ma：Margarlef豐富度指數(shù) Margarlef richness index；D：Simpson多樣性指數(shù) Simpson diversity index；同一列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)；同一列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

3.7 不同土壤厚度下的植被蓋度

由表6可知,隨著土壤厚度的增加,灌木層蓋度整體上均呈現(xiàn)隨之增高的趨勢。但草本層蓋度隨著土壤厚度的增加出現(xiàn)波動,西南坡草本層蓋度在土壤厚度在0—35 cm時逐漸增加,隨后逐漸降低；東北坡草本層蓋度在土壤厚度在0—15 cm時逐漸增加,隨后逐漸降低。表7顯示,西南坡和東北坡灌木層蓋度和土壤厚度在P<0.01水平上都存在極顯著正相關(guān),說明土壤厚度影響了植被蓋度的變化,土壤厚度增加,灌木層蓋度增加,而灌木層蓋度增加導(dǎo)致草本層蓋度有所降低。分析其原因,土壤越厚,其水熱環(huán)境越好,越適宜灌木生長故灌木層蓋度越高,而灌木層蓋度增加,導(dǎo)致了光熱條件的重新配置,使得草本層蓋度有所降低。

表6 不同土壤厚度的草灌植被蓋度

同一列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)；同一列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

表7 土壤厚度與蓋度相關(guān)性分析

*：表示差異顯著(P<0.05)；**：表示差異極顯著(P<0.01)

4 討論

通過對太行山低山區(qū)干瘠山地東北向和西南向兩個坡面的土壤厚度和草灌群落調(diào)查分析表明,研究區(qū)土壤厚度較薄,東北向和西南向2個坡面土壤平均厚度僅為11.69 cm和12.77 cm,土壤厚度主要集中在0—15 cm,東北向和西南向2個坡面分別占總數(shù)的71.43%和62.81%。從本研究結(jié)果與曾憲勤等[15]在北京市密云縣的北方石質(zhì)山區(qū)的研究結(jié)果比較來看,本研究區(qū)的土壤厚度更為瘠薄,兩個坡面土壤平均厚度均不到13 cm,80%的土壤厚度不足20 cm。土壤發(fā)生學(xué)理論指出,土壤的發(fā)育與形成受氣候、生物、地形、母質(zhì),成土?xí)r間以及人類活動的影響,在大尺度范圍內(nèi)氣候因素是影響土壤形成的主導(dǎo)因素,而對于小尺度,在土壤的發(fā)育、形成與分布過程中起重要作用的則是地形因素。本研究區(qū)屬于太行山南麓低山區(qū)干瘠山地,處于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,干濕明顯,全年降雨多集中在夏末秋初。這種干濕、寒熱交替的氣候特征,影響土壤微生物活動和植物生長發(fā)育以及土壤中各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與運行,使得該區(qū)域干瘠山地剝蝕侵蝕較重,土層較為瘠薄。

從空間變異特征分析結(jié)果來看,研究區(qū)域的土壤厚度空間分布極為不均。東北向和西南向兩坡面土壤厚度塊金效應(yīng)均很小,基臺值相對較高,說明兩坡面的土壤厚度具有強烈的空間相關(guān)性,結(jié)構(gòu)性因素是造成土壤厚度空間變異的主導(dǎo)因子。同時,兩坡面土壤厚度的變程分別達20.0 m和22.50 m,又說明土壤厚度仍然具有一定的空間連續(xù)性。這主要與該地區(qū)的地質(zhì)發(fā)育和地形地貌特征有關(guān),雖然本研究區(qū)域為相對平坦的坡面,但坡面上仍存在大小不一的凸、凹坡形,在土壤形成和發(fā)育的過程中由于重力作用,不同坡形和坡位的土壤侵蝕程度不同,導(dǎo)致了土壤的厚度不一樣。凸形坡上部受侵蝕程度較大,同時由于重力作用的影響,凸頂?shù)耐寥老蛳乱苿?使得凸形坡上部土壤較薄,下部土壤厚度較厚,在凸頂受侵蝕嚴重的地方即地表巖石部分裸露；凹形坡上部陡峭,下部平緩侵蝕較小,并有一定厚度的淤積土壤。

土層厚度是土壤的一個重要的基本特性,土層愈深厚,愈有利于植被根系的延伸,增大了植被根系的分布范圍,擴大了植被的營養(yǎng)攝取空間[31]。反過來,土壤厚度對植被的空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能也產(chǎn)生影響,植被冠層和地表覆蓋可以保護地表土壤免受雨滴直接打擊,減弱徑流沖刷作用,從而減少土壤侵蝕[29,32]。從本研究結(jié)果可知,土壤厚度影響著植物的分布和群落特征。當土壤厚度小于5 cm時,巖石裸露嚴重,植被稀少,多分布野韭菜等極耐干瘠的草本植物群落,物種多樣性和豐富度也較低；隨著土壤厚度增加,物種多樣性和豐富度也增加,逐漸有胡枝子、荊條等灌木分布；在土壤厚度大于35 cm時,由于灌木層蓋度增加,導(dǎo)致了光熱條件的重新配置,使得草本群落生長受到影響,物種多樣性和物種豐富度有降低的趨勢。總的來說,土壤厚度是太行山低山區(qū)干瘠山地草灌植物群落分布的主要限制因子,所以在太行山低山區(qū)植被恢復(fù)過程中,尤其是在干瘠山地土壤厚度不大的情況下,更要注重和分析土壤厚度與植被之間的關(guān)系。

5 結(jié)論

太行山低山區(qū)干瘠山地土層淺薄,土壤厚度呈斑塊狀分布,空間分布不均,主要集中于0—15 cm。地統(tǒng)計學(xué)分析表明土壤厚度呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性和強烈的空間相關(guān)性,結(jié)構(gòu)性因素是造成土壤厚度空間變異的主導(dǎo)因子。土壤厚度的空間異質(zhì)性也影響了植被的物種組成、物種多樣性和物種豐富度。土層淺薄的條件下,瓦松、野韭菜、防風(fēng)等極為耐干瘠的草本植物才能生長；隨著土壤厚度逐漸增加,逐漸有胡枝子、荊條等灌木分布,物種多樣性和物種豐富度也增加,說明較厚的土壤能為更多物種提供生長的環(huán)境條件。因此,在太行山低山區(qū)干瘠山地植被恢復(fù)過程中,要注重分析土壤厚度與植物之間的關(guān)系,選擇合適的物種或者利用魚鱗坑等工程措施增加土壤厚度等方式,才能使植被恢復(fù)工作更有科學(xué)性。