扭黄茅+三芒草群落对干热河谷区雨后径流的再分配作用

杨淏舟，王艳丹，岳学文，余建琳，史亮涛，冉 林，何光熊

(1.云南省农业科学院 热区生态农业研究所，云南 元谋 651300； 2.云南省元谋金雷水土保持科技示范园，云南 元谋 651300；3.元谋县水土保持生态环境监测站，云南 元谋 651300)

金沙江干热河谷是我国西南一类特殊的生态系统，主要分布于云南、四川境内，地处长江上游，其水量充沛，落差势能大，成为我国水利水电工程建设的战略区域[1]。区内气候异常干旱炎热，土壤干旱瘠薄，水土流失严重，生态环境异常脆弱，生态恢复极度困难[2-3]，是我国西南地区典型的生态脆弱区，也是我国植被恢复和生态治理极为困难的区域[4]。干热河谷植被多为稀树灌木草丛，以禾草草丛为背景构成大片萨瓦纳(Savanna)草被[5-7]，因而草被系统在干热河谷地区具有重要地位。

干热河谷区内植物长期遭受干热胁迫，一年生、多年生禾草资源丰富，两者共同作用成为干热河谷萨瓦纳草被生态系统水土保持功能的重要承担者。扭黄茅(Heteropogoncontortus)为世界温热地区多年生丛生草本，分布于我国长江以南各省区，是海拔100～2 300 m地段干热河谷及干燥山坡草地常见植物；三芒草(Aristidaadscensionis)为全球热带至温带一年生或短暂多年生草本，分布于我国云南、四川、河南、山东海拔400～1 800 m的山坡灌丛、道旁或田野间。两种牧草均为我国西南干热河谷常见优势禾本科物种，然而，对它们在干热河谷草地水土保持功能中的作用尚缺乏深入认识。本研究采用干热河谷干热胁迫条件下典型多年生植物扭黄茅和一年生植物三芒草在标准径流观测小区按不同比例构建植被群落，通过观测两种禾草不同构建比例群落的径流量、土壤侵蚀量等水土保持功能特征，探讨一年生、多年生两种功能型禾本科牧草在干热河谷萨瓦纳草被生态系统中的水土保持功能，为通过功能型物种配置实现特定生态系统功能修复或选择生态恢复模式提供理论支撑，同时为水土保持型功能群落的构建探索可能的途径。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

干热河谷是在地理位置、地貌地势、气候条件、人为干扰等多方面因素的作用下形成的。这一特殊生态系统的突出特点是热量充足、年蒸发量大于降水量、冬春特别干旱。试验选择金沙江干热河谷典型区元谋段不同比例扭黄茅+三芒草群落为研究对象。区内多点气象监测数据显示，元谋干热河谷内多年平均降水量为680.7 mm，5—10月雨季降水量占全年降水量的85%以上，多年平均水面蒸发量为3 215.0 mm，水热矛盾突出，全年土壤含水量处于植物凋萎湿度以下时间长达7～8个月。海拔1 600 m以下的干热河谷自然植被为孑遗的萨瓦纳稀树灌草丛，以禾草为主，杂以灌木，乔木零星分布，主要物种为扭黄茅、三芒草、橘草(Cymbopogongoeringii)、拟金茅(Eulaliopsisbinata)、孔颖草(Bothriochloapertusa)、双花草(Dichanthiumannulatum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等。

1.2 标准径流小区修建及扭黄茅+三芒草植被构建

试验设置2.5 m×10 m标准小区6个，坡度为10°，按刘刚才等发明的“薄坡地水土流失观测小区的修建方法及观测小区的构造”方法构建标准小区，具体包括：在小区坡脚隔墙内壁底部母岩上平行修筑壤中流收集槽和界面流收集槽，且壤中流收集槽位置上筑有其外侧覆盖有尼龙网的粗砂砾石墙，界面流收集槽内填装粗砂砾石，其上覆盖尼龙网；坡脚隔墙外修筑有地表径流收集槽，以及相应的界面流收集池、壤中流收集池和地表径流收集池，且三个收集池与对应的收集槽分别采用导管连通，分别收集界面流、壤中流及地表径流。

小区建成后，在元谋干热河谷选择典型紫色土，经混凝土搅拌机混匀后按刘刚才等[8]的方法装填。完成后采用移栽法均匀种植扭黄茅，待其群落基本稳定后通过人工修剪或移除控制盖度，雨季来临前人工播撒三芒草种子，构建5种群落：群落1中扭黄茅盖度为100%，三芒草盖度为0；群落2中扭黄茅盖度为70%，三芒草盖度为30%；群落3中扭黄茅盖度为50%，三芒草盖度为50%；群落4中扭黄茅盖度为30%，三芒草盖度为70%；群落5中扭黄茅盖度为0，三芒草盖度为100%。在栽种扭黄茅的同时撒播扭黄茅、橘草、孔颖草、双花草、白羊草及三芒草种子构建混合群落Mix 1作为对照。待群落生长稳定1年后，于2017年5—11月降雨后收集单位面积地表径流、土壤侵蚀、壤中流、界面流数据。

1.3 数据分析

采用Excel 2016整理数据并绘制图表，SPSS 19.0进行方差分析。

2 结果与讨论

2.1 降雨特征与不同植被群落小区产流关系

统计结果表明，2017年1—12月期间元谋干热河谷降雨617.4 mm，降雨主要集中在7—8月，期间共发生降雨69次。以任意试验小区产生径流为标志对数据进行筛选，共获得有效产流记录20次。分析发现，小区侵蚀性降雨平均降雨量为25.85 mm，平均雨强为4.17 mm/h，平均历时约328 min，主要为短历时强降雨。

由图1可知，径流量与降雨强度存在较好的线性关系，回归系数达到0.86，而径流量与降雨量回归系数仅达到0.635 5，说明径流量和降雨量相关系数不高，但径流量与降雨强度关系密切。这是由干热河谷地区的降雨特点造成的，元谋干热河谷地区降雨历时短、强度大，对地表易造成击溅侵蚀，因此草被覆盖有利于降低降雨动能，增加下垫面抗蚀能力，有效减少水土流失。

图1 构建群落的水土保持功能特性

由于不同物种在形态结构和功能上具有差异，不同植被覆盖会导致群落整体林冠截留、蒸散发、穿透雨量、径流等过程特征产生差异，加之不同植物生长与土壤间反馈-负反馈作用造成土壤入渗速率等差异，会对径流的发生过程产生重要影响。研究发现(表1)，群落的径流系数随着一年生三芒草的减少及多年生扭黄茅的增加表现出先减少再增加的特点，当一年生三芒草及多年生扭黄茅盖度比达1∶1时，群落的径流系数达到最小，为0.08±0.06；同时，由扭黄茅50%+三芒草50%构成的群落3与撒播扭黄茅、橘草、孔颖草、双花草、白羊草及三芒草种子构建的混合群落Mix 1具有较为相近的径流系数，并维持在0.07～0.08之间，提示混合群落的径流调节功能可能主要来源于一年生及多年生禾草的混合适应机制。

表1 不同群落类型的径流系数

2.2 不同群落对小区径流及土壤侵蚀量的影响

以盖度作为两种功能型植物性状分布格局的控制指标，由多年生扭黄茅及一年生三芒草按不同比例构建的5种群落，其地表径流、壤中流、界面流均呈现显著差异(P<0.05)；5种群落中，群落3的地表径流量及土壤侵蚀量均最小，而群落5的地表径流量及土壤侵蚀量均最大，群落1、2、4则介于前两者之间(图2)。这一结果表明，以盖度表征的两类功能型物种的功能性状达到均衡时(即盖度相当时)，群落水土保持功能达到最大。同时，试验结果显示，群落1地表径流量及土壤侵蚀量大于群落2、3，小于群落4、5，表明单一扭黄茅群落对地表径流量及土壤侵蚀量的控制作用好于单一三芒草群落，以扭黄茅为代表的多年生植物具有主要调节作用，而以三芒草为代表的一年生植物可能在特定阶段发挥特殊作用。由于多年生及一年生植物在生存对策上具有显著差别，推测这种调节作用的差别可能与物种生存生长引起的群落动态变化有关。

图2 构建群落的水土保持功能特性

群落3与优势物种组成的混合群落Mix 1的地表径流量及土壤侵蚀量差异较小，均优于其他群落。这一结果表明，一年生和多年生植物两类功能型物种盖度相当时，与当地优势植物组成的典型植被相比其群落水土保持功能具有相似的功能特征，表明从水土保持的视角看，干热河谷地区乡土草被的自然构建模式中，共存物种在功能特性上有向多年生或一年生特性两个极端过渡的趋势，即干热河谷植物可能通过在多年生或一年生的功能轴上相互适应的策略，共存于干热河谷典型萨瓦纳草被中。

研究表明，在干旱和半干旱的草地中，通过增加群落的功能多样性能显著提高植被的抗土壤侵蚀能力[9]，在这个过程中，一年生植被为土壤增加碳源，形成水稳定性团聚体，是增加土壤入渗(壤中流)、减少地表径流、提高植被水土保持效率的重要途径，而多年生植物的大量根系与土壤形成复合体，可增加土壤抗侵蚀能力，有效减少土壤流失。因此，在干热河谷通过功能型物种配置(如一年生三芒草50%和多年生扭黄茅50%撒播)实现植被恢复及萨瓦纳草被水土保持功能重建具有重要的理论及实践意义。

群落中植物与土壤的相互作用除影响地表径流的特征外，还表现在对部分降雨的蓄存。对由多年生扭黄茅及一年生三芒草按不同比例构建的5种群落壤中流及界面流的观测结果显示(图2)：5种不同比例扭黄茅+三芒草构建的群落中，群落3形成的壤中流最小、界面流最大。这一结果显示，群落3有助于土壤的表层水向土壤深层传递，这可能是群落3能最大限度减少地表径流的最主要途径。

对构建的6种群落的泥沙量与径流量进行回归分析，结果见表2。由表2可知，群落5的泥沙量和径流量相关性最高，R2达到0.727；群落3的泥沙量与径流量相关性最低，R2仅为0.413。这表明群落3的地表植被对径流和泥沙有较明显的调控作用。5种不同比例扭黄茅+三芒草群落中泥沙量与径流量的相关性随扭黄茅在群落中的占比减少呈现先减弱再增强的趋势，这表明扭黄茅+三芒草共同构建的群落在干热河谷水土保持功能中体现出较单一群落更为明显的优势。不同的群落模式对径流泥沙的调控程度不一，但均通过地上、地下部分拦蓄、疏导降水，参与径流的再分配过程，从而减少水土流失。

表2 构建群落的泥沙量与径流量关系

目前，对于水土保持型植被构建的研究主要集中在植被冠层[10-12]、地被物层[13]和根系土壤层[14]对降水的截持和吸收等水土保持机理的构建[15]，以及水土保持型物种的筛选和对不同植被水土保持功能的评价上[16]。扭黄茅是干热河谷萨瓦纳群落最重要的物种之一，本研究中，群落1单位面积产生的壤中流及界面流在数值上具有近似的特征，表明扭黄茅有促进水分在土壤层均匀分布的作用，这主要是由于根系与土壤形成了较为匀质松散的复合体，增加土壤入渗的同时提高了土壤涵养水源的能力。同时这一结果也表明，在干热河谷区域，在群落功能的发挥上多年生植物的作用要大于一年生植物。因此，在后期的研究中应重视以扭黄茅为代表的多年生物种对土壤水分条件改善方面的功能研究。

3 结 论

(1)不同群落覆盖后小区发生侵蚀性降雨的平均降雨量为25.85 mm，平均雨强为4.17，平均历时约328 min，主要为短历时的强降雨，径流量与降雨强度存在较好的线性关系，回归系数达到0.86，而径流量与降雨量回归系数仅达到0.636，说明径流量和降雨量相关系数不高，但径流量与降雨强度关系密切。

(2)多年生扭黄茅及一年生三芒草盖度比为1∶1的群落3的泥沙量与径流量相关性最低，R2仅为0.413，表明群落3的地表植被对径流和泥沙有较明显的调控作用。多年生扭黄茅与一年生三芒草组成的混合群落的径流调节功能可能主要来源于一年生及多年生禾草的混合适应机制，其中，多年生与一年生植物具有不同的地位和作用，以扭黄茅为代表的多年生植物具有主要调节作用，而以三芒草为代表的一年生植物可能在特定阶段发挥特殊作用。这种调节作用的差别与干热河谷区物种生存生长引起的群落动态变化有关。

(3)扭黄茅有促进水分在土壤层均匀分布的作用，在群落功能的发挥上多年生植物的作用要大于一年生植物。因此，在后期的研究中应重视以扭黄茅为代表的多年生物种对土壤水分条件改善方面的功能性研究。