元謀干熱河谷侵蝕溝不同部位土壤含水量與植物多樣性關系研究

茍嘉皓，吳世祥，何 聰，胡翠華，楊 丹,2，劉守江,2,3

(1.西華師范大學國土資源學院，四川 南充 637009；2.四川省干旱河谷土壤侵蝕監測與控制工程實驗室，四川 南充 637009；3.西華師范大學嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

【研究意義】元謀干熱河谷位于我國西南地區，該地區侵蝕溝充分發育，大面積發生溝蝕崩塌，水土流失嚴重。并且該地區氣候干燥，降雨少且年降雨量分配不均，蒸發量大，土壤水分較低。植物生長與土壤情況密切相關，而土壤水分是影響植物生長發育的重要因素之一，尤其在干熱河谷地區，土壤水分是制約當地植被恢復的主要限制因子[1]，在侵蝕溝發育的元謀干熱河谷地區，植被恢復[2]和生態保護對治理當地水土流失、恢復當地生態環境尤為重要，故對當地土壤含水量與植被關系的研究顯得非常必要。【前人研究進展】從文獻查詢結果看，元謀干熱河谷針對土壤部分主要集中在土壤質量評價[3]、土壤機械組成[4]、土壤水分研究[5-6]等方面，在植被方面主要有沖溝形態[7-8]、微地形[9]等因素的影響。而對于該區土壤水分與植物多樣性的關系研究較少。【本研究切入點】本研究從元謀干熱河谷典型侵蝕溝的土壤水分情況入手，分析土壤含水量對植物生長的反饋，研究該區不同部位土壤含水量與植物多樣性關系，為元謀干熱河谷的生態恢復與水土保持工作提供參考和借鑒。【擬解決的關鍵問題】通過元謀干熱河谷不同部位土壤含水量與植物多樣性指數之間的相關性，以分析當地水分對植物群落的影響程度，為侵蝕溝內植被恢復與沖溝有效治理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

元謀干熱河谷位于滇中高原北部的金沙江一級支流一龍川江下游，介于東經101°35′～102°05′、北緯25°25′～26°07′，海拔位置980～1400 m。研究區選取的是云南省楚雄自治州元謀縣沙地村、金雷村、小雷宰3個樣區。樣區多年平均氣溫21.9 ℃，最冷月(12月)均溫15.4 ℃，最熱月(5月)均溫27.2 ℃，日照時數2550～2744 h，日照百分率為60%，光照充足，熱量條件好且蒸發量大；年降雨量600.9 mm，表現為夏季降雨少而集中，氣候炎熱干燥。自然植被方面為稀樹灌草叢，禾草為主，喬木稀少，灌木草本發育較好，喬木以桉樹(EucalyptusrobustaSmith)為主，灌木以車桑子[Dodonaeaviscosa(L.)Jacq.]、銀合歡[Leucaenaleucocephala(Lam.)de Wit.]和小桐子(JatrophacarcasL.)為主，草本主要為扭黃茅[Heteropogoncontortus(L.)Beauv.]、茅草[Imperatacylindrica(L.)Beauv.]和孔穎草[Bothriochloapertusa(L.)A.camus.]等[10]。土壤以燥紅土和變性土為主[9]。

1.2 研究方法

樣方設置與數據采集,研究樣區位于元謀干熱河谷侵蝕溝發育較為典型的沙地村、金雷村、小雷宰，根據研究樣區侵蝕溝與植被的實際狀況，于2019年7月中旬進行了為期10 d的野外調查與數據收集。分別在沙地村、金雷村和小雷宰地區選取4、3和5條典型侵蝕溝作為土壤和植被的采樣區。其中，植被數據通過樣方法進行采集，在每條侵蝕溝內設置10 m×10 m的喬木樣方1個，并在每個喬木樣方內設置5 m×5 m的灌木樣方2個，然后在每個灌木樣方內設置以1 m×1 m草本樣方2個，3個樣區共計設置了72個植物樣方，統計其植物物種數、各物種的株數，并對植物蓋度、高度等指標進行觀測和記錄，研究區植被基本情況如表1所示。為了提高土壤數據可靠性和精度，利用環刀在每條侵蝕溝的集水區、溝頭、溝床分別各采集2個表層土壤，其中1個用于重復實驗，每條侵蝕溝共計6個環刀土樣，3個樣區共計72個土樣。將采集的土壤帶至室內，在土壤實驗室內采用烘干法進行土樣處理，獲得土壤的干重，計算出每個樣地對應不同部位的土壤含水量。

表1 研究區植被基本情況

1.3 計算公式

植物多樣性指數可用來反映植物物種豐富程度和植物的生長狀況，其中主要有Margalef豐富度指數Ma、香濃維納指數H′、辛普森指數D、Pielou均勻度指數E等[11]。

Margalef豐富度指：

Ma=(S-1)/lnN

(1)

Shannon-Wiener指數：

H′=-∑(PilnPi)

(2)

Simpson指數：

(3)

Pielou 均勻度指數：

E=H/Hmax

(4)

式中，Pi為第i種個體數占群落中總個體數的比例，S為群落中物種總數，N為觀察到的個體數，H為實際觀察的物種多樣性指數，Hmax為最大的物種多樣性指數。

土壤含水量(%)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100%= 水重/烘干土重×100%

采用Excel軟件對所獲取的野外數據進行處理，并使用OriginPro 9擬合趨勢線，運用SPSS22.0軟件對數據進行相關性分析，為元謀干熱河谷植物多樣性與土壤含水量之間的關系研究提供參考。

2 結果與分析

2.1 侵蝕溝不同部位土壤含水量與植物多樣性指數基本情況

由表2可知，研究樣區侵蝕溝集水區的土壤含水量在4.49%～18.59%；溝頭土壤含水量在3.69%～17.36%；溝床土壤含水量在2.51%～20.96%；土壤總體平均含水量在4.33%～17.29%。由此可見，研究樣區集水區、溝頭、溝床、總體平均含水量均在25%以下，表明研究樣區土壤較為干旱，說明水分成為植物分布和生長的限制因子，對植物生長發育具有重要的影響。

表2 各侵蝕溝不同部位土壤含水量基本情況

由圖1可知，3個樣區中，小雷宰的總體土壤含水量大大低于沙地村與金雷村，可能是因為小雷宰地區植被蓋度較大，生長發育較好，植被對土壤水分有更多的需求，土壤含水量也就更低；沙地村的土壤含水量大于小雷宰，可能是因為沙地村位于城郊且靠近龍川江，由此獲得的降雨量和水分均大于小雷宰；但沙地村的土壤含水量較金雷村相比要低，可能是因為沙地村植被物種較金雷村豐富，沙地村主要以燥紅土為主，而金雷村為變性土，燥紅土比變性土更有利于植被的生長[9]，因此植被生長發育較好，尤其是有桉樹等需水量較大的植被生長，土壤中的水分可能被植被吸收較多，導致該地區土壤含水量不及金雷村，所以沙地村土壤含水量<金雷村土壤含水量。在總體上，侵蝕溝各部位的平均含水量情況：溝床(12%)>溝頭(11%)>集水區(10%)，這與吳漢[5]等前人的研究不完全一致，原因可能是調查期間剛好是雨季，溝床積水偏多，土壤含水量總體提高所致。

圖1 侵蝕溝不同部位平均含水量區域分異

研究區共調查到36種植物，每個樣方調查到的植物物種數在10～14，平均每個樣方約有12個物種；研究區調查到喬木、灌木、草本植物共計1132株，每個樣方株樹數在56～125，平均每個樣方約有94株，最高最低差69株。研究區侵蝕溝植物多樣性指數基本情況見表3所示。研究區的豐富度指數Ma數值范圍為1.890～3.040，平均值為2.470，極差值為1.150；香濃維納指數H′范圍為1.841～2.289，平均值為2.094，極差值為0.448；辛普森指數D范圍為0.787～0.870，平均值為0.836，極差值為0.083；Pielou均勻度指數E范圍為0.794～0.904，平均值為0.840，極差值為0.110。由此可見，研究區植物物種總體較少，而且分布較為不均衡，侵蝕溝生境較為脆弱，受到外界因素影響較大，侵蝕溝生態環境亟待恢復與治理。在3個樣區中，沙地村的香濃維納指數H′、辛普森指數D、Pielou均勻度指數E的平均值均優于其他兩地，原因在于沙地村相對金雷村和小雷宰而言，獲取龍川江的水分更為容易，植物群落喬灌草層較為完整，植物群落更為穩定。小雷宰豐富度指數Ma、香濃維納指數H′的極差值均為最大，說明該區植物物種數目分布不均衡、群落結構復雜程度差異較大。

表3 植物多樣性指數基本情況

2.2 不同部位土壤含水量與植物多樣性指數相關分析

利用SPSS22.0分析軟件，在數據基本符合正態分布的前提下，對侵蝕溝不同部位含水量與植物的多樣性指數進行相關分析，分析其間的關系。從表4可知，在所選樣區，土壤含水量與植物多樣性的相關性總體趨勢上以正相關為主，表明土壤含水量越高有助于當地植物物種的分布和生長發育，但顯著性較低，可能是由于調查時間在雨季，侵蝕溝水土流失較為嚴重，地形和降水對植被的影響更為顯著。通過各多樣性指數與不同部位含水量相關系數可看出，溝床含水量與豐富度指數Ma的相關性呈負相關(-0.146)，這可能是因為豐富度指數Ma反映的是植被的組成，與物種數成正比，與個體分布情況無關[12]，溝床含水量較其他部位高，植物優勢種對水的利用更為有效，生長更為迅速，從而占據了其他物種的生境條件；溝頭含水量與均勻度指數E的相關性也呈現負相關(-0.164)，可能是因為均勻度指數反映物種個體的相對豐富度，溝頭區域灌草生長較好，土壤含水量的增大加劇了種間競爭，從而使物種間個體所占比例下降。總體上，研究樣區土壤含水量對植被多樣性具有一定影響，但影響較小，從中找出相對影響較大的部位，加強對該部位的后續研究。

表4 侵蝕溝不同部位含水量與多樣性指數Pearson相關性

2.3 趨勢擬合分析

對樣區不同部位土壤含水量與植物多樣性進行趨勢擬合分析，從圖2可知，在集水區與溝床區域，豐富度指數Ma、香濃維納指數H′、均勻度指數E以及辛普森指數D均隨土壤含水量的增加呈現上升的趨勢，原因可能是集水區與溝床相對溝頭地勢平緩，植物對水分的有效利用有助于植物的生長；在溝頭區域，豐富度指數Ma、香濃維納指數H′、辛普森指數D隨含水量的增加呈現上升的趨勢，而均勻度指數E呈現下降的趨勢。總體上看，多樣性指數的變化趨勢并不明顯，這說明在濕季，樣地區域內土壤水分對植被的生長有一定的促進作用，但是土壤水分并非影響植被生長的關鍵因素，地形因素占據一部分。在濕季，降雨會造成對土壤的沖刷，發生侵蝕溝的側蝕以及溯源侵蝕，都一定程度上影響著植被的生境。通過比較侵蝕溝3個不同部位與植物多樣性的相關關系，以正相關為主，集水區部位的土壤含水量與植物多樣性指數的相關性最為強烈，表明集水區部位的土壤含水量變化可能對植物物種的生長發育影響較大，需加強對集水區部位土壤含水量變化的關注。

圖2 不同部位含水量與植物多樣性指數的關系

2.4 各樣地不同部位含水量與植物多樣性指數相關分析

對樣區總體上進行了不同部位含水量與植被多樣性的相關分析，得出土壤含水量在時間空間的限制下對植被多樣性影響較小。現從各樣地之間進行土壤含水量與植被多樣性的相關分析來探究不同部位在各地的影響，各部位含水量于各地植被多樣性指數相關性如表5所示，對集水區部位來說，植物多樣性總體上與各樣地間呈正相關的關系，甚至均勻度指數E與小雷宰集水區土壤含水量呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數為0.941，這說明集水區的含水量對植物生長有一定促進作用，在金雷村地區，采集的數據表明其土壤含水量為最高，其表現作用也更強。在溝頭與溝床部位，金雷村的多樣性指數與土壤含水量均呈負相關關系，金雷村含水量最高，溝頭、溝床植被蓋度雖大，但優勢種對水分的利用也最強，種間斗爭明顯，最終表現為整體植物多樣性并不明顯。而在小雷宰的溝頭區域，香濃維納指數H′、辛普森指數D、Pielou均勻度指數E與含水量呈負相關關系，小雷宰含水量低，溝頭部位大多長有喬木、灌木等植被，草本對水的利用情況不及喬灌，因此顯現出植物多樣性不強。在沙地村的溝床區域，豐富度指數Ma與含水量呈顯著負相關(-0.982)，溝床對水的截留較多，土壤含水量較高，當地的優勢種生長茂盛，導致樣地溝床植物種類豐富度程度不夠。從整體上看，不同部位的土壤含水量與樣地植被多樣性大多呈不顯著相關。通過分樣地對總體情況的驗證，由此可見，僅從土壤含水量的角度來看，對植物多樣性的影響還是較小且有限的。

表5 各部位含水量與各地植被多樣性指數Pearson相關性

3 結 論

通過對3個樣地的36個樣方的調查結果，以及從整體和區域性的對侵蝕溝不同部位土壤含水量與植物多樣性指數之間的相關性分析，得出以下結論。

不同部位土壤含水量分別為集水區(9.59%)、溝頭(10.11%)、溝床(11.31%)，研究樣區土壤較為干旱。

研究樣區的豐富度指數Ma數值平均值為2.470；香濃維納指數H′平均值為2.094；辛普森指數D平均值為0.836；Pielou均勻度指數E平均值為0.840。研究樣區植物物種較少，分布不均，生態較為脆弱。

在雨季，從總體趨勢上看，集水區、溝頭、溝床含水量與豐富度指數Ma、香濃維納指數H′、辛普森指數D、Pielou均勻度指數E均為不顯著相關，大多呈正相關，從影響程度上看，可以加強對集水區部位土壤含水量的關注。從各樣地情況來看，僅沙地村溝床與豐富度指數Ma、小雷宰集水區與Pielou均勻度指數E呈現顯著相關，其余皆為不顯著相關。表明各樣地之間，不同部位含水量對植物多樣性影響較小的。

此次研究不足之處限于時間空間及人力，調查起來較為困難，沒有對元謀干熱河谷整體上做詳盡的調查，且土壤樣方顯得頗少。針對元謀干熱河谷地區，侵蝕溝內部地形破碎，地勢條件也尤為復雜[7]，植被的研究對于當地生態恢復有重大意義。植被的恢復情況有助于減緩侵蝕溝的水土流失，從不同部位的土壤水分著手來研究植物多樣性情況，利于人工恢復植被對種植植被的把控，為其研究提供參考。