太行山干瘠山地土壤厚度空间变异及草灌群落分布特征

高 峻,何春霞,张劲松,孟 平,*

1 中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京 100091 2 南京林业大学南方现代林业协同创新中心,南京 210037

土壤厚度指土壤表面到土壤母质层的垂直深度[1],是土壤理化性质的基础和植被生长的重要条件[2-3],可以表征土壤空间的大小、养分储量及水分差异,直接影响植被的生长[4-6],也是土壤退化和生产力评价的一个重要指标[7-8]。在风化、石漠化现象频发的区域,植被恢复的困难程度与土壤厚度的分布特征密不可分[9]。已有学者针对土壤厚度对植被的空间结构和生态系统功能的影响进行了研究[10-12]。在我国南方喀斯特地区和北方石质山地等一些土壤瘠薄的困难立地也相应开展了一些研究和造林实践[5,8,13-15]。李程程等[4]研究了岩溶山区植被与土壤厚度的分布关系。尹亮等[8]通过实地调查土壤厚度,分析不同土地利用类型下土壤厚度的空间变异及其分布格局。曾宪勤等[15]研究了我国北方石质山地土壤厚度的分布特点和影响因素等。

目前有关干瘠山地土壤厚度的研究较少,尤其是其空间异质性和植物群落分布特征,作为水分和养分的空间载体,土壤厚度严重制约着干瘠山地植被构建。本研究以太行山低山区干瘠山地为研究对象,采用地统计学研究方法探讨土壤厚度的空间异质性及其分布规律,并分析土壤厚度与植被群落分布之间的关系,以期为太行山低山区植被恢复提供科学参考。

1 研究区概况

研究样地设在国家林业局黄河小浪底森林生态系统定位研究站(34°58′—35°4′N,112°24′—112°32′E),该区地处太行山余脉的低山区,海拔在500 m以下,地形由西向东逐渐降低,山脉多为南北走向。属暖温带大陆性季风型气候,年平均气温12.4—14.3℃,极端最低气温-20℃,极端最高气温43.4℃。年平均降水量641.7 mm,但年际变化较大,最多的年份达1012.7 mm,最少的年份只有376.6 mm。降水季节分布不均,7、8、9三个月降水较多,平均348.1 mm,占年降水量的54.4%。无霜期186d,年平均日照2375.4h,日照率54%,最高年份2602.1h,最少年份1948.5h,相差较大。岩石种类和土壤种类比较复杂,主要为石炭纪的页岩和砂岩,成土母质主要为页岩和砂岩风化后的残积与坡积物,部分地区为第三纪红土和第四纪黄土风积物。土壤主要为褐土类的碳酸褐土和粗骨性褐土两个亚类,土壤厚度多在50 cm以下。植被属于暖温带落叶阔叶植被型,天然森林已破坏,现有植被主要是以刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、侧柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)、栓皮栎(QuercusvariabilisBl.)等为主的人工林；灌木有荆条(VitexnegundoL. var.heterophylla(Franch.) Rehd.)、酸枣(ZiziphusjujubaMill. var.spinosa(Bunge) Hu ex H.F.Chow.)和扁担杆(GrewiabilobaG. Don)等；草本以狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、茜草(RubiacordifoliaL.)和茵陈蒿(ArtemisiacapillarisThunb)等为主。本研究选择未进行人工造林的两个坡面进行样地设置与调查,现存植被多以灌草为主。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

土壤厚度测定与分级：分别选取东北向和西南向2个干瘠山地坡面,从坡顶到坡底布设样带,将样带网格化为5 m×5 m的网格,在网线交叉点采用插钎法测定土壤厚度[8,16],并进行编号。由于调查区域的土壤土层薄,考虑到调查土壤厚度的代表性,每5 cm测一个厚度,按厚度每增加5 cm将土壤厚度进行分级。东北向坡宽度100m,从坡顶到坡底长110 m,测点为483个；西南向坡宽度100m,从坡顶到坡底长100 m,测点为441个。为了减少误差,测定时在网格点周围20 cm范围内随机另测两个点的土壤厚度,取3个测定点的平均值为网格点土壤厚度值。同时,测定坡面的坡向、坡度,在最低和最高测点处测定海拔高度等。

图1 土壤厚度与群落调查示意图(东北坡) Fig.1 Map of soil thickness and community investigation (Northeast slope)

群落调查：根据土壤厚度测定点数据,每个土壤厚度的分级选择3个测点,以测点为中心设置5 m×5 m样方,在每个5 m×5 m样方的四角和中心设置5个1 m×1 m 的小样方,调查样方中植物种类和盖度。由于乔木数量少且较为矮小,乔木和小乔木均记为灌木；(调查位置见图1)。盖度采用目测法(利用钢卷尺辅助)和盖度框法,盖度框大小1 m×1 m,框内网格尺寸为0.1 m×0.1 m,共计100个网格,测量时将盖度框平铺于样方上。在5 m×5 m样方内,采用目测法调查灌木的种盖度和层盖度,取参与调查的3人目测值的平均值；在1 m×1 m样方内利用盖度框测定各草本的种盖度和层盖度。同一土壤厚度分级的盖度为该土壤厚度分级3个样方的平均值,同一土壤厚度分级的草本盖度为该土壤厚度分级15个样方的平均值。

2.2 空间变异分析

半方差函数：研究区域内各样点的土壤厚度是一种区域化变量,它既具有随机性又具有结构性,是空间距离的函数。因此,所有空间距离上土壤厚度的空间变异特征可用半方差函数进行描述[16-18],半方差函数的公式为：

(1)

式中,γ(h)是间距为h的半方差,其随h的增加而增加；N(h)是距离等于h时的点对数；Z(xi)是样点Z在位置xi的实测值；Z(xi+h)是与xi距离为h处样点的值。本文利用GS+for windows软件计算分析半方差函数。

Kriging插值：Kriging方法是利用原始数据和半方差函数的结构性,对未采样点的区域化变量进行无偏最优估值的一种方法。设在一区域内位置x0处某一变量的估值Z*(x0),其周围在相关范围内有n个已测定值Z(xi)(i=1,2,…,n),通过这n个测定值Z(xi)的线性组合来求估测值Z*(x0),公式为：

(2)

式中,λi是与Z(xi)位置有关的加权系数。本文利用GS+ for windows软件的Kriging功能进行插值并绘制土壤厚度分布图。

2.3 植物物种多样性的计算

本研究采用4种常用的物种多样性指数[19-21]：Margarlef丰富度指数(Ma)、Shannon-wiener多样性指数(H)、Simpson 多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(J),计算公式如下：

Ma=(S-1)/lnN

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,S为样方内物种种类数量,N为所有物种的盖度和,Ni为物种i的盖度,Pi为物种i的相对盖度。

2.4 数据分析

运用SPSS 22. 0对土壤厚度与多样性指数、盖度进行单因素方差分析(One-way ANOVA)分析和Pearson 相关性分析,土壤厚度等级与累计百分比图以及与植被覆盖度的关系图采用Excel软件制作。

3 结果与分析

3.1 研究区地形特征

本研究选择的坡面地形特征见表1。西南向和东北向坡的测点海拔分别在343 m—394 m和332 m—385 m间,坡度大约分别为20°和18°,两坡面总体起伏不大,较为平坦。但坡面上仍存在大小不一的凸、凹坡形,凸形坡上部土壤较薄,下部土壤厚度较厚；凹形坡上部陡峭,下部平缓。总体而言,两坡面的土壤土层很薄,主要呈斑块状分布,呈高度破碎形态,地表并有部分岩石裸露。

表1 研究区地形特征

3.2 土壤厚度描述性统计分析

通过对两个坡面测点土壤厚度值的描述统计学特征看(表2),研究区总体土壤厚度较薄,东北向和西南向2个坡面土壤平均厚度仅为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之间,反映出土壤厚度空间分布不均,说明了太行山低山区干瘠山地土壤厚度波动较大的特点。东北向和西南向两个坡面土壤厚度的变异系数分别为0.609和0.632,根据变异性等级划分标准[22],0.1≤CV≤1,属于中等偏强的空间变异。

表2 土壤厚度描述性统计

从土壤厚度等级百分比及其累计百分比图(图2)可知,土壤厚度主要集中在0—20 cm,东北向和西南向2个坡面分别占总数的88.82%和80.95%；厚度大于20 cm 的样点分别占总数的11.18%和19.05%；土壤厚度大于30 cm的比例很小,所占比例仅分别为1.04%和2.27%。而在0—20cm土壤厚度内,分布在5—15 cm的比例较高,所占比例分别为53.42%和44.90%。

3.3 土壤厚度空间变异结构特征

对区域化变量进行空间分析必须以空间数据的正态分布为前提,利用SPSS 19.0 软件对两个坡面测点的土壤厚度数据用单样本Kolomogorov-Semirnov(K-S)方法进行正态分布检验,结果表明样地土壤厚度呈正态分布,无须进行数据转换,满足地统计学的要求。运用GS+ for windows软件对研究区土壤厚度进行半方差函数模拟,根据决定系数(R2)最大,残差平方和(RSS)最小的原则,研究区东北向和西南向坡面土壤厚度半方差理论模型均为球状模型(图3)。

图2 土壤厚度等级与累计百分比Fig.2 Grades and accumulative perception of soil thickness

图3 土壤厚度半方差函数理论模型Fig.3 Semivariogram of soil thickness

通过对土壤厚度半方差函数模型及参数分析(表3)表明,东北向和西南向2坡面土壤厚度空间变异结构特征较为相似,东北向和西南向坡面的块金值分别为0.1和1.9,基台值分别为48.97和67.30,两坡面土壤厚度的块金系数很小,仅分别为0.002和0.0291。块金效应很小而基台值相对较高,说明两坡面的土壤厚度具有强烈的空间相关性[23-24],结构性因素是造成土壤厚度空间变异的主导因子。

表3 土壤厚度半方差函数模型及参数

变程的大小表明土壤厚度空间连续性的好坏[23]。本研究中东北向和西南向两坡面土壤厚度的变程分别为20.0 m和22.50 m,反映出太行山低山区的干瘠山地虽然微地形复杂,影响因素多样,但土壤厚度仍然具有一定的空间连续性。一般认为在块金效应不大时,可以将变异函数变程的1/2作为取样间隔的上限[25]。因此,本研究中所采用的5 m×5 m的采样间隔可以满足太行山低山区土壤厚度空间变异性分析的要求。

3.4 土壤厚度分布格局

在土壤厚度空间变异结构特征分析的基础上,根据半方差理论模型参数,以土壤厚度为变量,采用普通Kriging方法对两坡面进行空间插值分析,得到土壤厚度空间分布等值线图(图4)。从图中可以看出,土壤厚度的空间分布格局支离破碎,明显呈斑块状分布。由于研究区属于干旱半干旱地区,水分匮乏、土壤贫瘠等因素,植被恢复很难达到理想的完全覆盖状态,因此将会在空间上呈现裸地与不同植被类型斑块镶嵌的分布格局[26-27],这也是土壤厚度空间分布格局的反映。土壤浅薄的地方,植被稀少、矮小,易形成裸地斑块,而裸地斑块极易造成水土流失,具有不同植被覆盖的林地斑块则能有效的保持水土[28]。同时,土层浅薄、植被稀少,更增加了坡面受降雨侵蚀风险,风化残余物质在重力和降雨的作用下亦易滑向土壤较深、植被较多的地方[29-30]。

图4 土壤厚度的空间分级图Fig.4 Spatial classification of soil thickness

3.5 不同土壤厚度下的主要植物种类

由于两坡面土壤厚度空间变异结构特征相似(图4),同时在进行土壤厚度和植被类型调查时发现两坡面相同土壤厚度的植物种类基本一致,因此,将两坡面土壤厚度与主要植物种类一并列出分析(表4)。调查结果表明,本研究所选取的坡面植物主要以草灌为主,共有22科33属38种,其中草本13科21属26种、灌木或小乔木9科12属12种。总体上,太行山低山区干瘠山地植物群落结构简单,物种组成少,这与该地区季节性干旱、土壤浅薄的恶劣生境条件有关。在岩石裸露、土层浅薄(一般不足5 cm)的条件下,石缝和土壤集结处生长着瓦松、野韭菜、防风等极为耐干瘠的草本植物,物种组成仅4、5 种；随着土壤厚度的增加,草本物种数逐渐增加,也开始出现少量胡枝子等灌木；土层厚度在10—20 cm间时,物种数基本达到最大,物种组成12、13 种,同时,出现酸枣、荆条等灌木和小乔木山桃等,但灌木和小乔木比较低矮,树高不超过50 cm,胡枝子为主要优势种；土层厚度超过20 cm后,植被以灌木为主,种类有荆条、酸枣、小叶鼠李、扁担杆、构树、臭椿、苦楝等,荆条、酸枣为优势种,构树、臭椿和苦楝等较矮小和数量稀少,一些草本植物散生于灌木林隙间。

表4 不同土壤厚度的主要植物

3.6 不同土壤厚度下的物种多样性指数

表5显示了不同土壤厚度下的群落物种多样性结果。分析可知,在土壤厚度小于15 cm时,随着土壤厚度增加,物种数逐渐增加,物种丰富度上升,Margarlef指数(Ma)、Shannon-wiener指数(H)、Simpson指数(D)和Pielou指数(J)逐渐增大,物种多样性有增强的趋势,土壤厚度在10—15 cm时各指数达到最大。在土壤厚度介于15—35 cm时,各指数相对土壤厚度在10—15 cm时指数有所降低,变化趋于稳定,物种多样性和物种丰富度比较稳定。在土壤厚度介于35—50 cm时,物种数减少,各指数逐渐降低,物种多样性和物种丰富度有降低的趋势。这也说明多样性指数反映不同土壤厚度下植物群落间的差异性和群落内物种组成。

表5 不同土壤厚度的物种多样性

H：Shannon-wiener多样性指数 Shannon-wiener diversity index；J：Pielou均匀度指数 Pielou evenness index；Ma：Margarlef丰富度指数 Margarlef richness index；D：Simpson多样性指数 Simpson diversity index；同一列不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)；同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

3.7 不同土壤厚度下的植被盖度

由表6可知,随着土壤厚度的增加,灌木层盖度整体上均呈现随之增高的趋势。但草本层盖度随着土壤厚度的增加出现波动,西南坡草本层盖度在土壤厚度在0—35 cm时逐渐增加,随后逐渐降低；东北坡草本层盖度在土壤厚度在0—15 cm时逐渐增加,随后逐渐降低。表7显示,西南坡和东北坡灌木层盖度和土壤厚度在P<0.01水平上都存在极显著正相关,说明土壤厚度影响了植被盖度的变化,土壤厚度增加,灌木层盖度增加,而灌木层盖度增加导致草本层盖度有所降低。分析其原因,土壤越厚,其水热环境越好,越适宜灌木生长故灌木层盖度越高,而灌木层盖度增加,导致了光热条件的重新配置,使得草本层盖度有所降低。

表6 不同土壤厚度的草灌植被盖度

同一列不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)；同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

表7 土壤厚度与盖度相关性分析

*：表示差异显著(P<0.05)；**：表示差异极显著(P<0.01)

4 讨论

通过对太行山低山区干瘠山地东北向和西南向两个坡面的土壤厚度和草灌群落调查分析表明,研究区土壤厚度较薄,东北向和西南向2个坡面土壤平均厚度仅为11.69 cm和12.77 cm,土壤厚度主要集中在0—15 cm,东北向和西南向2个坡面分别占总数的71.43%和62.81%。从本研究结果与曾宪勤等[15]在北京市密云县的北方石质山区的研究结果比较来看,本研究区的土壤厚度更为瘠薄,两个坡面土壤平均厚度均不到13 cm,80%的土壤厚度不足20 cm。土壤发生学理论指出,土壤的发育与形成受气候、生物、地形、母质,成土时间以及人类活动的影响,在大尺度范围内气候因素是影响土壤形成的主导因素,而对于小尺度,在土壤的发育、形成与分布过程中起重要作用的则是地形因素。本研究区属于太行山南麓低山区干瘠山地,处于暖温带大陆性季风气候区,四季分明,干湿明显,全年降雨多集中在夏末秋初。这种干湿、寒热交替的气候特征,影响土壤微生物活动和植物生长发育以及土壤中各种物质的转化与运行,使得该区域干瘠山地剥蚀侵蚀较重,土层较为瘠薄。

从空间变异特征分析结果来看,研究区域的土壤厚度空间分布极为不均。东北向和西南向两坡面土壤厚度块金效应均很小,基台值相对较高,说明两坡面的土壤厚度具有强烈的空间相关性,结构性因素是造成土壤厚度空间变异的主导因子。同时,两坡面土壤厚度的变程分别达20.0 m和22.50 m,又说明土壤厚度仍然具有一定的空间连续性。这主要与该地区的地质发育和地形地貌特征有关,虽然本研究区域为相对平坦的坡面,但坡面上仍存在大小不一的凸、凹坡形,在土壤形成和发育的过程中由于重力作用,不同坡形和坡位的土壤侵蚀程度不同,导致了土壤的厚度不一样。凸形坡上部受侵蚀程度较大,同时由于重力作用的影响,凸顶的土壤向下移动,使得凸形坡上部土壤较薄,下部土壤厚度较厚,在凸顶受侵蚀严重的地方即地表岩石部分裸露；凹形坡上部陡峭,下部平缓侵蚀较小,并有一定厚度的淤积土壤。

土层厚度是土壤的一个重要的基本特性,土层愈深厚,愈有利于植被根系的延伸,增大了植被根系的分布范围,扩大了植被的营养摄取空间[31]。反过来,土壤厚度对植被的空间结构和生态系统功能也产生影响,植被冠层和地表覆盖可以保护地表土壤免受雨滴直接打击,减弱径流冲刷作用,从而减少土壤侵蚀[29,32]。从本研究结果可知,土壤厚度影响着植物的分布和群落特征。当土壤厚度小于5 cm时,岩石裸露严重,植被稀少,多分布野韭菜等极耐干瘠的草本植物群落,物种多样性和丰富度也较低；随着土壤厚度增加,物种多样性和丰富度也增加,逐渐有胡枝子、荆条等灌木分布；在土壤厚度大于35 cm时,由于灌木层盖度增加,导致了光热条件的重新配置,使得草本群落生长受到影响,物种多样性和物种丰富度有降低的趋势。总的来说,土壤厚度是太行山低山区干瘠山地草灌植物群落分布的主要限制因子,所以在太行山低山区植被恢复过程中,尤其是在干瘠山地土壤厚度不大的情况下,更要注重和分析土壤厚度与植被之间的关系。

5 结论

太行山低山区干瘠山地土层浅薄,土壤厚度呈斑块状分布,空间分布不均,主要集中于0—15 cm。地统计学分析表明土壤厚度呈现显著的空间异质性和强烈的空间相关性,结构性因素是造成土壤厚度空间变异的主导因子。土壤厚度的空间异质性也影响了植被的物种组成、物种多样性和物种丰富度。土层浅薄的条件下,瓦松、野韭菜、防风等极为耐干瘠的草本植物才能生长；随着土壤厚度逐渐增加,逐渐有胡枝子、荆条等灌木分布,物种多样性和物种丰富度也增加,说明较厚的土壤能为更多物种提供生长的环境条件。因此,在太行山低山区干瘠山地植被恢复过程中,要注重分析土壤厚度与植物之间的关系,选择合适的物种或者利用鱼鳞坑等工程措施增加土壤厚度等方式,才能使植被恢复工作更有科学性。