云南石林喀斯特露石径流输出及其影响因素探究

王庆贺 , 赵志猛, 沈有信 *

1)中国科学院西双版纳热带植物园 热带森林生态学重点实验室, 云南昆明 650000;

2)中国科学院大学, 北京 100049;

3)贵州师范学院地理与资源学院, 贵州贵阳 550018

喀斯特地貌约占全球陆地表面的12%～15%(Ford and Williams, 2013)。中国西南喀斯特区是世界三大喀斯特区之一, 地处典型的亚热带季风气候背景, 喀斯特发育强烈(李彬, 1997; 赵中秋等, 2006; 张华等, 2021)。地区内以碳酸盐岩为主的岩石易受水的溶蚀, 经过长期的差异性溶蚀作用,部分岩石裸露于地表, 称之为露石(梁福源等, 2002;沈有信等, 2018)。露石与周围的土壤斑块交错镶嵌,共同形成多样的异质生境, 为喀斯特植物的生长提供了重要基质(陈洪松等, 2013)。目前对露石上的生物殖居及其多样性已有较多研究(徐海清等, 2006;李冰和张朝晖, 2009; 朱习爱等, 2016), 但关于露石其它生态功能, 尤其是露石径流方面的研究仍然很少。

无论形态大小、是否与基岩相连, 生态系统中的露石均存在重要的生态功能, 对其所处环境的水文和地貌过程产生影响(沈有信等, 2018)。一般认为,与土壤斑块相交的露石具有负生态功能, 一方面挤占了土壤空间, 另一方面阻碍了土壤间水分、养分的移动, 使得地区内生物量的正常维持受到挑战(Wang et al., 2016a)。另外, 与土壤相比, 露石表面温度变化剧烈, 在极端干旱条件下可能使露石周围的土壤水分快速流失, 进而降低土壤含水量, 制约植物的水分获取(李生等, 2012; Li et al., 2014,2016)。更多研究则认为, 露石可扮演类似“漏斗”的功能, 将其承接的水分及营养物质通过石面径流输出到附近的土壤斑块, 提高邻近土斑的含水量和养分含量(张志才等, 2008; Göransson et al., 2014;Wang et al., 2016a, b), 因而造成土壤水分和养分在水平方向上的非均一性, 从而对生物多样性的维持产生重要影响(Clements et al., 2006; Shen et al.,2019)。然而, 关于露石径流输出及其影响因素至今尚未完全清楚。

露石径流与大气降水息息相关, 水的下降环是完整水循环不可缺少的部分(戈峰, 2002)。很多情况下, 降雨需要经过植物林冠再分配环节才能到达露石表面(张一平等, 2004)。林冠截流量可达降雨量的15%～30%, 树种组成、林分结构、降雨特征和冠层特征均会对其产生影响, 但绝大部分大气降水依旧能以穿透雨和滴落雨的林内降水形式降落至地表和露石表面(陈书军等, 2012; 袁一超等, 2013; 董玲玲等, 2018; 王琼等, 2019)。地表露石承接降水输入后,以径流的方式将其输出至土壤(王家文等, 2013), 有学者认为在这一过程中露石的理化性质及其生物学特征可能是影响径流输出的重要因素(沈有信等,2018; Zhao et al., 2020), 但却缺乏足够实验数据的支撑。

本研究选择云南石林地区的石漠化、人工林、原生林三种不同生态系统, 测定并对比不同降雨事件、不同植被覆盖类型、不同露石承接面积、不同露石粗糙度下的露石径流输出, 阐明影响喀斯特露石径流输出的因素, 为揭示喀斯特地区露石对生态系统的影响提供新视角, 同时为喀斯特地区生境多样性的成因提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省中部, 石林彝族自治县东南部的蓑衣山(24°63′—24°64′ N, 103°33′—103°34′ E),海拔 1776～1789 m, 属亚热带低纬度高原山地季风气候, 夏秋半年(5—10月)为雨季, 冬春半年(11—4月)为旱季, 年平均降雨量939.5 mm, 80%～88%降雨事件发生在雨季。区内年平均气温16.3 ℃, 每年3月是太阳辐射最大月, 月平均14.17 kcal/cm2, 最小月是11月, 月平均8.27 kcal/cm2。历年平均日照时数2318 h, 日照率53%, 无霜期254天。土壤类型以红壤和钙质土为主。我们选择了当地典型的三种生态系统(图1):

图1 研究区示意图(a)、石漠化生态系统径流收集装置(b)、人工林生态系统径流收集装置(c)和原生林生态系统径流收集装置(d)Fig. 1 Location of the study area (a), runoff water collection systems in rocky desertification ecosystem (b), runoff water collection systems in forest plantation ecosystem (c), and runoff water collection systems in primary forest ecosystem (d)

(1)石漠化生态系统。乔灌木被当地村民大量砍伐, 植被覆盖以扭黄茅(Heteropogon contortus)、鬼针草(Bidens pilosa)等草本植物及白刺花(Sophora viciifolia)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等灌木为主。露石表面光滑, 粗糙度低。

(2)人工林生态系统。人工种植的云南松(Pinus yunnensis)林, 植株高于露石, 栽植间距和林冠空隙较小, 林地郁闭度60%, 露石表面较为粗糙。

(3)原生林生态系统。受到良好保护的封闭的原生森林, 多为高大乔木, 主要树种以滇青冈(Cyclobalanopsis glaucoides), 清香木(Pistacia weinmannifolia), 黄连木(Pistacia chinensis)等为主,森林郁闭度在 90%以上, 林冠空隙小, 露石表面粗糙且多有苔藓植物附着生长。

1.2 日降雨量及露石径流量的测量

每个生态系统内, 随机选择 10个露石并安装自制的径流收集装置(赵志猛等, 2018), 在每个露石旁边设置直径为25 cm的漏斗收集降水, 换算出每次降雨后的露石承接降雨量, 石漠化生态系统的露石承接降雨量的平均值可视为研究地区的降雨量。在降雨充沛的 8月, 以日为单位收集并测量降雨及露石径流, 至9月初, 共记录10次降雨事件, 其中小雨(0～10 mm)3次, 中雨(10～25 mm)3次, 大雨(25～50 mm)3次, 暴雨(50～100 mm)1次。为方便统计分析, 用露石径流深R(mm)表示单位面积下的露石径流量, 公式如下:

R=W/10F

其中,W为径流总量(mL),F为露石承接面积(cm2)。

林内降雨量低于 3 mm时, 多个露石并没有检测到径流的存在, 意味着露石承接的降雨全部被其表面吸收。观测期间, 出现一次偶降暴雨(72.31 mm), 少量露石的实际径流量超过了试验预设的测量装置(10 L)量程, 只能按照最大量程记录露石径流量, 在计算平均值时, 可能低估。

1.3 露石特征的测量

1.3.1 露石承接面积的测量

使用坡度计测量露石坡度, 随后在露石旁设置标尺, 相机拍照收集框后用Image J软件处理图片,得到露石径流收集框的面积, 利用框架面积乘以所对应露石坡度的正弦值即可求得与该露石径流收集框相对应的承接(投影)面积。

1.3.2 露石粗糙度的测量

通过自制的表面轮廓曲线仪测量露石表面的粗糙度(杜时贵和葛军荣, 1999)。将轮廓曲线仪沿垂直方向固定放置, 使基准底座紧贴露石表面, 将触头匀速从仪器一端移动到另一端(取样长度20 cm),即可绘制露石粗糙度曲线, 取曲线的最高点与基准面差值作为粗糙度度量值。在露石径流收集框架的面积内沿横向纵向各进行3次取样, 取平均值。

1.3.3 降雨-露石径流转化系数的计算

降雨-露石径流转化系数为某一露石的径流输出量占其对应承接降雨量的比例, 具体计算如下:

1.4 数据分析

采用单因素方差分析和 LSD比较不同降雨量下、三种生态系统下、不同粗糙度下的露石径流量(深)差异, 对降雨量、露石的粗糙度与露石径流量(深)进行相关分析并进行显著性检验。所有数据运算和统计绘图均在Origin 2018和IBM SPSS 22.0中完成。

2 结果与分析

2.1 露石承接降雨量与露石径流量

露石承接降雨量的变化范围较大, 其最小值为20.36 mL, 最大值为30 670.26 mL; 露石径流量的最小值为0 mL, 最大值为10 000 mL, 露石径流量与其承接的降雨量两者间存在极显著的正相关关系(图 2,r=0.945,P＜0.01), 且二者均与露石承接面积高度相关(r＞0.8,P＜ 0.01)。因三类生态系统内的露石承接面积存在显著差异(图 3,F=28.91,P＜0.05),人工林生态系统内的露石承接面积显著大于石漠化生态系统和原生林生态系统, 但石漠化生态系统的露石承接面积与原生林生态系统的露石承接面积差异不显著。为了消除三类不同生态系统下露石承接面积的差异对结果的影响, 后文统一使用露石径流深R来表示露石径流输出。

图2 不同露石承接降雨量对应的露石径流量Fig. 2 Runoff of rock outcrops under different rainfalls received

图3 三类生态系统露石承接面积的差异(＊表示差异达到显著(P ＜ 0.05))Fig. 3 Differences of receiving area of rock outcrops in three types of ecosystems(＊indicates a significant difference (P ＜ 0.05))

2.2 露石径流输出的影响因素

2.2.1 降雨量对露石径流输出的影响

实验所记录的降雨量变动于 3.92 mm到72.31 mm之间, 而对应的平均露石径流深(n=30)于1.68 mm到24.35 mm之间。露石径流深随降雨则变动量的增加而显著增加(图4)。另外, 随着降雨量的增加, 露石径流深的误差有逐渐增大的趋势,露石径流深最小时对应的误差仅为 0.69 mm, 而最大径流深时误差则达到了6.23 mm。

图4 降雨量与露石径流深之间的关系(误差线表示露石径流深均值的标准差(±))Fig. 4 Relationship between rainfall and runoff depth of rock outcrops (Error bars indicate the standard deviation (±)of the mean value of runoff depth of rock outcrops)

2.2.2 林冠覆盖对露石承接降雨量及径流输出的影响

三类生态系统的露石承接降雨量存在显著差异(F=56.02 ,P＜0.05)。不同降雨量下, 三类生态系统内露石承接降雨量均表现为石漠化生态系统显著高于人工林及原生林, 而人工林的露石承接降雨量与原生林差异不显著。

三类生态系统的露石径流输出存在显著差异(F=21.362,P＜0.05)。不同降雨量下, 三类生态系统内露石径流输出均表现为石漠化生态系统显著高于人工林及原生林。中雨和大雨时, 人工林内露石径流输出与原生林内露石径流输出差异不显著; 而在小雨时, 人工林内露石径流输出与原生林内露石径流输出之间的差异显著(图5)。

图5 不同降雨量下三类生态系统露石承接降雨量及径流深差异(组内不同小写字母表示差异达到显著(P ＜ 0.05))Fig. 5 Differences in rainfall received by rock outcrops and rock outcrop runoff depths in three types of ecosystems under different rainfall (Different lowercase letters in a group indicate a significant difference (P ＜ 0.05))

2.2.3 露石的粗糙度对露石径流输出的影响

露石粗糙度与露石径流深之间存在显著的负相关关系(r= –0.581,P＜0.01), 即露石径流输出随着露石粗糙度的增加而减小(图6)。相较于石漠化生态系统, 两类林地生态系统的露石径流深变异更小, 但这两类林地生态系统的露石径流深变异差别不大。另外, 三类生态系统的粗糙度存在显著差异(F=81.41,P＜0.05), 原生林生态系统内平均露石粗糙度为2.891 cm, 显著高于人工林(1.211 cm)和石漠化生态系统(0.653 cm)平均值(图7)。

图6 露石粗糙度与露石径流深之间的关系(误差线表示露石径流深均值的标准差(±))Fig. 6 Relationship between roughness and runoff depth of rock outcrops (error bars indicate the standard deviation (±)of the mean value of runoff depth of rock outcrops)

图7 三类生态系统露石粗糙度的差异(不同小写字母表示差异达到显著(P ＜ 0.05))Fig. 7 Differences in roughness of rock outcrops in three types of ecosystems (Different lowercase letters indicate a significant difference (P ＜ 0.05))

2.3 降雨-露石径流的转换系数

三类生态系统中降雨-露石径流转换系数之间存在显著差异(F=3.58,P＜0.05)。石漠化生态系统的转换系数显著高于人工林和原生林。在多数情况下,人工林生态系统的降雨-露石径流转换系数与原生林差异不显著(表1)。但是, 在降雨量为小雨时, 人工林生态系统的降雨-露石径流转换系数与原生林之间的差异达到了显著水平。

表1 不同降雨量下三类生态系统的降雨-露石径流转换系数及其差异Table 1 Conversion coefficients of rainfall to runoff of rock outcrop and their differences in three types of ecosystems under different rainfall

3 讨论

喀斯特地貌是陆地生态系统的重要景观组分。其中, 水被认为是喀斯特的生命线, 是喀斯特地区丰富生物多样性的重要成因之一。在有露石的生态系统内, 降水除经林冠分配外, 还需经过露石的再分配才下落到地表, 深刻影响系统内的植物和土壤动物的生存与分布。林冠对降水再分配的影响研究已较多, 但露石对降水的再分配研究及其影响因子的关注还很少, 既限制了喀斯特石漠化形成机制的认识, 又制约着相应的植被恢复与生物多样性保护方略的制订。

降雨-露石径流转换系数是衡量降雨汇集为露石径流的指标, 其系数越大说明降雨转换为露石径流的比例越高。从平均值来看, 所研究的三类生态系统中的降雨-露石径流转换系数在0.35～0.50之间变动, 即只有约 40%左右的降水会以径流形式输出到地表, 其余的60%则以各种形式“损失”。不同降雨量下和不同生态系统间的降雨-露石径流转换系数会有一些差异(表 1), 高降雨量下的降雨-露石径流转换系数低于低降雨量下的降雨-露石径流转换系数, 林内的降雨-露石径流转换系数小于林外的降雨-露石径流转换系数。而赵志猛(2020)等认为林内林外的降雨-露石径流转换系数差异不大。这可能与计算的基数有关, 赵志猛等计算的是年度转化系数, 而我们计算的基数是单日降雨量, 时间跨度差异较大。

在露石承接大气降水或穿透雨并将其再分配于土壤的过程中, 受到诸多因素的影响。露石的承接面积(图 3), 降雨量的时空差异(图 4), 上覆植被(图 5), 露石的表面粗糙度(图 6)都将影响露石石面径流输出。因而相同的降水条件下, 可能推动了不同生态系统、不同大小, 不同石面特征的露石产生不同的石面径流过程和结果。同样, 不同的降水事件发生时, 将推动生态系统的单个露石或露石群体产生不同的石面径流及其生态水文效应, 从而对生态系统产生影响。

露石承接降雨并将其以径流形式输出, 既是喀斯特降水再分配过程的最后阶段, 也是控制其露石径流输出的最后一环。这些径流将推动地表的坡面水土流失(蒋若涵等, 2020), 形成优先流, 推动土壤斑块内的水分运移(Zhao et al., 2018); 同时, 径流中较高含量的有机碳和氮磷钾等内含物也随之移动(Wang et al., 2016b), 从而影响地表的土壤水分和养分的时空格局, 形成异质性斑块(Shen et al., 2019),这或许是喀斯特区域生境多样性形成的重要机制,将为更多的生物的存留、生存和繁育提供生境。我们的研究很好地解释了降水事件后的露石径流输出及其影响因素, 为进一步诠释露石在喀斯特生态系统中的功能奠定了基础。但喀斯特生态系统在全球的分布范围很广, 各区域在降水、生物和露石物理化学性质方面差异巨大。我们也只选取了部分降雨事件, 时间跨度有限, 并且仅考虑了露石的粗糙度,未涉及露石其它的物理、化学特征, 因此, 需要更多时间序列、大范围尺度的测量, 来揭示露石的径流规律和影响因子。

4 结论

本研究通过分析三类典型喀斯特生态系统在不同降雨事件下的降雨量和露石径流量, 探究影响露石径流输出的因素, 得到以下结论:

(1)露石承接降雨并输出到邻近的土壤斑块, 径流输出量与承接面积成正相关关系。

(2)降雨量与露石径流输出呈正相关关系, 决定露石径流输出上限; 有林冠覆盖露石的径流输出小于石漠化; 露石粗糙度与露石径流输出呈负相关关系。

(3)石漠化生态系统的降雨-露石径流转换系数显著大于两类林地生态系统, 两类林地生态系统的转换系数差异仅小雨时显著; 降雨量大小是影响降雨-露石径流转换系数的重要因素。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41671031), Chinese Academy of Sciences (No. 2017XTBG-F01), and National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFC0502503).