伊宁县低山区草地覆盖主控立地因子研究

苏 悦,武红旗,张文太

(新疆农业大学 a.新疆土壤与植物生态过程实验室；b.草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)

新疆是我国五大牧区之一，是重要的畜牧业基地，天然草地面积约5.73×107hm2，占新疆土地总面积的34.4%[1]。由于气候变化和过度放牧等原因，新疆草地逐渐退化，水土流失日益加重。在新疆7个水土保持区中，伊犁河谷区水土流失总面积、侵蚀强烈以上等级的面积均为最大[2]。因此，亟需从水土流失防治的角度，开展伊犁河谷退化草地的生态恢复研究。

草地覆盖度是国家土壤侵蚀分类分级和指示生态系统变化的重要指标[3-4]。有研究表明，地形、土壤等立地因子中坡向主要影响草地覆盖度[5]，相同坡位阴坡草地覆盖度大于阳坡[6]，草地覆盖度与坡度呈正相关，与土壤含水量呈负相关[7]。但也有研究指出，草地覆盖度与坡度、黏粒含量呈负相关，与土壤含水量呈正相关，草本数量特征与土壤因子相关性较大[8-9]。不同学者研究结论相异，且先前研究多集中于黄土高原、内蒙古高原等半干旱地区，有关新疆牧区草地覆盖度与立地环境因子之间关系的研究较少。本文以新疆水土流失较为严重的伊宁县为研究对象，综合探讨草地覆盖度与土壤、地形等立地环境因子之间的相关性，并找出影响草地覆盖度的主控因素。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为伊宁县低山区(E81°17′～E81°35′，N44°2′～N44°10′)，总面积2.64×105hm2，海拔在700～1 500 m。该区属中温带干旱型内陆山地气候，年均温度9℃，多年平均日照时数约2 900 h，年均降水量340 mm，年均蒸发量1 621 mm，无霜期185 d[10]。土壤类型主要有栗钙土、灰钙土和草甸土。草地类型主要为温性荒漠类、温性荒漠草原类和温性草甸草原类。伊宁县40%～50%的草地已出现不同程度的退化，中度退化草地占全县可利用草地的15%，重度退化草地占9.7%，已严重影响伊宁县经济发展[11]。

1.2 野外样点调查

基于数字化的1∶100万新疆草地类型图和土壤类型图，以草地类型、土壤类型及坡向(阴坡、阳坡)的空间分布为依据，结合道路交通情况，按海拔由低至高布设样地。为使调查样地包含不同的立地因子组合，按西南-西北-东北-东南方向，布设了3条调查路线：路线1(1～15号样地)、路线2(16～24号样地)和路线3(25～32号样地)的调查直线距离分别为14.8、9.34和5.87 km。在各样地典型地段内选取扰动较少的坡面设置1 m×1 m草地样方，共布设32个样方(图1)。实际样点调查时，尽可能考虑不同的坡度、坡位，使得32个调查样方总体上可以反映研究区多样的立地因子组合。2017年4月下旬进行野外调查。

图1 研究区调查样点空间分布图

用GPS测定样点的经纬度和海拔，用坡度仪测定样点的坡度、坡向并记录坡位。按顺时针方向计算坡向值，正北方向为0°，范围为0°～360°。依据坡向与环境因子的关系，将样点坡向划分为4个级别，分别为阴坡(0°～67.5°，337.5°～360°)，对应北、东北向；半阴坡(67.5°～112.5°，292.5°～337.5°)，对应东、西北向；半阳坡(112.5°～157.5°，247.5°～292.5°)，对应西、东南向；以及阳坡(157.5°～247.5°)，对应南、西南向[12]。

用数码相机对草地样方进行垂直拍摄，用ENVI5.1软件和遥感监督分类中的最大似然法提取草地覆盖度[13]。

1.3 土壤样品采集与实验室分析

每个样点用环刀采集表层土壤，用烘干法测定土壤容重和土壤含水量。采集0～20 cm土层土样约1 kg，带回实验室过2 mm筛。对大于2 mm的砾石，用称重法测定砾石含量[14]。土壤有机质用重铬酸钾法测定[15]。用湿筛-吸管法测定土壤颗粒组成[16]，即砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)的含量。

1.4 数据统计方法

用SPSS 17.0对各样点基础数据进行描述统计，并对数据进行K-S正态分布检验。用单因素方差分析和多重比较，探讨不同地形因子之间土壤因子和草地覆盖度的差异。用Pearson检验草地覆盖度与立地环境因子的相关性，用逐步回归法判定影响草地覆盖度的主控因子。各统计分析F检验均采用α=0.05的显著水平。用Sigmaplot 10.0绘图。

2 结果与分析

2.1 研究区草地土壤侵蚀程度

由于气候变化、放牧、人为干扰等原因，已造成草地土壤发生不同程度的侵蚀。依据土壤侵蚀强度面蚀分级标准[4]，研究的32个调查样点中，轻度侵蚀样点有15个，见图2(a)；中度侵蚀样点有14个，见图2(b)；强烈侵蚀样点有3个，见图2(c)，对比侵蚀强度可知低盖度草地水土保持效果较差。

图2 不同草地土壤侵蚀等级的照片

2.2 土壤、地形和草地覆盖度的统计描述

调查样地基础数据描述性统计表明(表1)，除地形因子，有机质极大值与极小值间相差最大，说明数据分布较为离散。用变异系数描述离散程度，依据变异程度进行分级[7]。土壤容重和海拔变异系数较低(<15%)属弱变异，粉粒和坡度变异系数适中(15%～35%)属中等变异，土壤含水量、有机质、砂粒、黏粒和草地覆盖度变异系数较高(35%～100%)属强变异，砾石含量变异系数最高(>100%)属极强变异。K-S正态性检验可知，所有因子中只有砾石、黏粒含量不符合正态分布，因此进行单因素方差分析和回归分析时需进行对数转换。总体而言，本研究调查的32个样方的立地因子大部分属于中度变异或强变异，反映出调查样方的景观多样性和代表不同的立地条件。

表1 基础数据描述统计

2.3 地形对土壤含水量与草地覆盖度的影响

单因素方差分析显示，土壤含水量在不同坡向与坡位之间存在极显著差异，草地覆盖度在不同坡度等级之间存在极显著差异，其余因子在不同地形因子之间均不存在极显著差异。多重比较结果进一步显示，阴坡和坡底土壤含水量最高，阳坡和坡顶土壤含水量最低，4者对应的土壤含水量平均值分别为23.1%、17.9%、10.1%和8.55%，见图3(a)、图3(b)。阴坡土壤含水量是阳坡的2.29倍，坡底土壤含水量是坡顶的2.09倍。此外，缓坡(5°～8°)草地覆盖度最高，陡坡(15°～25°)草地覆盖度最低，其对应的草地覆盖度的平均值分别为62.3%和26.2%，见图3(c)，缓坡(5°～8°)对应的草地覆盖度是陡坡(15°～25°)的2.37倍。

图3 地形对土壤含水量与草地覆盖度的影响

2.4 草地覆盖度与立地因子的相关性

草地覆盖度与坡度呈极显著负相关(表2)，与黏粒含量呈显著负相关，表明随坡度不断变陡或表层土壤黏粒含量的增加，草地覆盖度将不断下降。有机质与海拔呈显著正相关。此外，草地土壤含水量与土壤容重和砂粒含量之间分别呈极显著负相关和显著负相关，与有机质呈显著正相关，表明随着土壤变紧实与有机质含量下降，土壤含水量随之降低。土壤容重与砂粒呈显著正相关，与有机质呈显著负相关，表明表层土壤中砂粒含量越高，土壤容重越大，则有机质含量就越低。综上可知，草地覆盖度同时受地形因子和土壤因子变化的影响。土壤因子的变化不但与地形变化有关，同时不同土壤因子间也存在相互作用。

表2 草地覆盖度与立地因子的相关系数矩阵

2.5 草地覆盖度的主控立地因子

草地覆盖度受地形和土壤因子的影响较为复杂。分析不同立地条件对草地覆盖度的影响，逐步剔除对草地覆盖度影响较小的因子，从而得到影响草地覆盖度的主控因子。当土壤、地形因子同时作用于草地覆盖度时，只有砾石含量和坡度因子被保留，其通径系数分别为-0.297和-0.561(表3)，表明坡度变陡和砾石含量增加是导致草地覆盖度下降的主要原因。同时，通径系数表明坡度是影响草地覆盖度的主控因子，砾石含量次之。当土壤因子单独作用于草地覆盖度时，只有黏粒因子被保留，其通径系数为-0.352，即表层黏粒含量增加是导致草地覆盖度下降的主控因子。对于地形因子，筛选后坡度因子被保留，其通径系数为-0.587，即坡度是影响草地覆盖度的主控因子。当地形、土壤因子同时作用于草地覆盖度时，方程拟合系数最高(表3)，表明草地覆盖度受地形、土壤因子共同影响。

表3 用土壤和地形因子预测草地覆盖度

3 讨 论

不同立地环境因子对草地覆盖度的影响不同。草地覆盖度与坡度呈极显著负相关，原因在于在坡面生长的草本植物根系，一般不随重力方向往下伸长生长而向两侧生长。随坡度变陡，草本植物的根系形态从立体结构变为平面结构，根系分布层变薄，即使在土壤疏松的坡面上，根系也难以侵入土壤深处，难以固定土层。当坡面表层土壤缺水时，将造成非耐旱草本植物死亡[17]。同时，坡度越大，降雨后形成的地表径流的冲刷力越大，从而导致土层变薄，土壤保水保肥能力下降[18]，草地覆盖度随之降低。草地覆盖度与黏粒呈显著负相关，这是由于黏粒增加导致土壤存在大量非活性孔隙，阻止毛管水移动，使得雨水难以下渗，易在黏粒积聚层形成上层滞水，影响草地植物根系向下生长[19]。

土壤性质间相互作用也会影响草地覆盖度。土壤含水量与砂粒含量和土壤容重之间分别呈显著负相关和极显著负相关，这是由于砂粒自身粒间孔隙大，降雨后易入渗，内部排水快，但蓄水少蒸发强烈，导致土表水汽由大孔隙散失。此外，容重增加，土壤孔隙度减小，渗透阻力加大致使土壤蓄水能力下降，土壤含水量相应减少[20]。土壤容重与有机质呈显著负相关，是由于有机质本身是多孔体，土壤中有机质含量越高，土壤总孔隙度就越大，土壤越疏松多孔，容重就越低[19]。土壤容重与砂粒呈显著正相关，原因在于降雨后地表径流首先冲刷侵蚀坡面细颗粒土壤，留下粗颗粒土壤，因此表层土壤中砂粒含量较高；其次调查样点砾石较多，砾石的存在使得土壤容重总体提高[14]。总体而言，土壤容重增加，表层土壤含水量、有机质降低，草地覆盖度随之下降。

地形因子中，海拔、坡向、坡位也通过影响土壤变化进而影响草地覆盖度的变化。海拔变化较大，会引起光、热、水、土的分配不同，海拔越高，气温越低，空气湿度越大，土壤中水分蒸发量越小，含水量就越高[21]，表层土壤中有机质分解越缓慢，地表枯落物不易分解，有机质较为容易积累，使得表层土壤有机质随海拔升高而增加[22]。此外，由于坡向不同，日射强度和时间有较大差异，导致土壤温度和蒸发均不相同。阳坡为迎风坡，由于太阳直射时间长，受热量大，土壤温度高，水分蒸发快，且研究区调查样点多为砂质土，粒间孔隙大，水分蒸发快，草地覆盖度相对较低。阴坡为背风坡与阳坡正好相反，则草地覆盖度相对较高。坡底由于地势低，容易汇集地表径流，土壤含水量较高，草地覆盖度也相对较高[23]。

不同立地条件下环境因子对草地覆盖度的影响，既有土壤和地形的单独作用，也有二者间的相互作用。地形因子虽不是影响草地覆盖度的直接因素，但会影响土壤因子的变化，进而引起草地覆盖度的变化[24-25]。土壤、地形、草地覆盖度三者之间的响应反馈关系：随海拔降低与土壤容重增大，土壤含水量和有机质随之减少，见图4。草地覆盖度随坡度和表层黏粒的增加而降低，进而引起水土流失。

图4 土壤、地形和草地覆盖度之间的反馈

4 结 论

1) 随海拔降低与土壤容重增大，土壤含水量和有机质随之减少。草地覆盖度随坡度和表层黏粒的增加而降低，进而引起水土流失。

2) 当土壤和地形因子共同作用于草地覆盖度时，坡度和砾石含量是影响草地覆盖度的主控因子。

3) 研究区各样点草地均发生不同程度的土壤侵蚀和草地退化现象，有9.4%的调查样地可划分为土壤侵蚀强烈的草地。每年春季正值草地生长恢复期，此时应减少放牧，对草地退化和土壤侵蚀较严重的地区实行禁牧或围栏封育，实现草牧业的可持续发展。