喀斯特地區(qū)小氣候與土壤理化性質(zhì)的耦合關(guān)系

檀迪+熊康寧

摘要：通過典型樣地觀測，對貴州省畢節(jié)高原山地5種石漠化等級樣地的小氣候進行常規(guī)監(jiān)測，對比分析其氣溫、光照度、相對濕度和5、10、15、20 cm處土壤溫度的分布狀況和日變化動態(tài)。結(jié)果表明，不同等級石漠化地區(qū)由于植被數(shù)量和組成結(jié)構(gòu)存在差異，其樣地小氣候也表現(xiàn)出不同的特征。夏季，隨著石漠化等級的提高，石漠化樣地內(nèi)的光照度與氣溫逐漸降低，降幅趨緩，峰值出現(xiàn)時間也滯后；冬季，由于人為干擾，光照度變幅表現(xiàn)為ST（強度）>SL（輕度）>M（中度）>L（潛在）>N（無），氣溫變幅表現(xiàn)為ST>SL>L>M>N；相對濕度變幅在夏季表現(xiàn)出與石漠化等級相吻合的現(xiàn)象，冬天則表現(xiàn)為M>ST>L>N>SL。與其他研究不同，本研究中出現(xiàn)了下層土壤溫度高于上層土壤的獨特現(xiàn)象。各樣地光照度、氣溫和土壤溫度之間呈正相關(guān)，三者均與空氣相對濕度呈負相關(guān)?？傮w來說，無石漠化、潛在石漠化樣地環(huán)境趨于涼濕化，小氣候條件最佳；而中度、強度石漠化樣地環(huán)境趨于干熱化，小氣候條件較差，有待于經(jīng)歷較長時間的演替改善。

關(guān)鍵詞：畢節(jié)高原山地；小氣候；石漠化等級；熱量收支；日變化動態(tài)

中圖分類號： S162.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0301-07

在大氣候條件相同的局限范圍內(nèi)，由于下墊面組成和性質(zhì)差異引起的水熱條件變化，使得近地層形成了不同的小氣候。小氣候不僅會影響生物的生長發(fā)育，也是人類生產(chǎn)生活活動決策的重要依據(jù)[1]。

喀斯特石漠化在20世紀90年代末受到普遍重視[2-3]。我國是世界上喀斯特分布面積最大的國家，僅由碳酸鹽類巖石發(fā)育的喀斯特面積就達130萬km2，約占全國陸地面積的1/7[4]。石漠化已對我國社會和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生嚴重危害，因而石漠化的治理成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項重要目標。研究和實踐表明，雖然石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境條件惡劣，治理難度大，但通過合理的治理方針和正確的恢復模式，石漠化仍有恢復的可能性[5-6]。

喀斯特地區(qū)植被的自然演替過程一直是喀斯特地區(qū)的重要研究內(nèi)容。近年來，國內(nèi)外學者對草原、農(nóng)田、沙漠等下墊面的小氣候進行了許多研究[7-12]，也有部分學者對喀斯特不同自然環(huán)境下小氣候特征進行研究，但將喀斯特自然環(huán)境與植被自然演替階段以及土壤理化性質(zhì)相結(jié)合研究較少。對不同植被演替階段小氣候特征的研究，對于深入了解喀斯特地區(qū)的植被恢復過程以及植被演替對于小氣候改善的作用，具有十分重要的意義。因此本研究以喀斯特石漠化區(qū)具有代表意義的喀斯特峽谷區(qū)為背景，對畢節(jié)撒拉溪小流域5種石漠化等級中的小氣候要素進行了觀測，以便為深入研究喀斯特石漠化景觀生態(tài)恢復與環(huán)境小氣候的關(guān)系提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

畢節(jié)撒拉溪示范區(qū)，地處滇東高原向黔中高原過渡的東斜坡地帶，地層出露較齊全，地質(zhì)構(gòu)造復雜，地勢起伏大，最高海拔1 742.3 m，最低海拔1 400 m，相對高差為 342.3 m，地貌類型為典型的喀斯特高原山地?？偯娣e為 41.5 km2，其中喀斯特面積為26.3 km2，占示范區(qū)總面積的63.37%。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，流域內(nèi)年平均氣溫14.03 ℃，年均降水量863 mm，主要集中在7—9月，占全年總降水量的52.4%。巖石以石灰?guī)r及紫色砂頁巖為主。受成土母質(zhì)影響，一般分布黃壤土及紫沙土，在巖溶洼地和山間平地有水源的地方分布少量水稻土，坡耕地一般分布巖泥土，林地、灌草叢為石灰土。野生植被是以大白杜鵑（Rhododendron decorum）、小果十大功勞（Mahonia bodinieri）、來江藤（Brandisia hancei）、金絲桃（Hypericum monogynum）等為主的藤、刺、灌叢，以及零星分布的青岡（Cyclobalanopsis glauca）、核桃（Juglans regia）、通脫木（Rice-paper plant）等。

1.2研究方法

本研究通過對小流域地形地貌的踏勘、勾繪，結(jié)合小流域內(nèi)植被及土被分布情況，劃分4種石漠化強度類型：強度石漠化（strong，ST）、中度石漠化（medium，M）、輕度石漠化（slight，SL）和潛在石漠化（latent，L），并設(shè)置無石漠化對照樣地（non，N），等級的劃分標準如表1所示。選取15個20 m×10 m 的固定樣地（表2）于2013年9、12月選擇典型天氣（晴天）測定樣地內(nèi)離地面1.5 m處的光照度和空氣溫濕度，不同深度（5、10、15、20 cm）的土壤溫度。其中，用ZDS-10照度計測定光照度，阿斯曼通風干濕度計測定氣溫和相對濕度。

3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行方差分析、差異顯著性檢驗和相關(guān)分析，圖表制作在Excel 2003中完成。

2結(jié)果與分析

2.1光照度變化特征

由表3可知，8月份各個等級石漠化樣地光照度差異顯著（P<0.05），其中強度石漠化樣地光照度顯著高于潛在、無石漠化樣地（P<0.05），無石漠化樣地光照度顯著低于強度、中度、輕度石漠化樣地（P<0.05），而中度、輕度、潛在石漠化樣地之間光照度差異不顯著（P>0.05）；12月份光照度表現(xiàn)為無石漠化地區(qū)光照度顯著低于強度、中度和輕度石漠化地區(qū)（P<0.05），總體呈現(xiàn)出SL>ST>M>L>N。

研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同等級石漠化地區(qū)的光照度總體表現(xiàn)為中午高、早晚低的單峰曲線，但峰值出現(xiàn)時間卻略有差異。中度石漠化地區(qū)光照度峰值出現(xiàn)在13：00，強度石漠化地區(qū)峰值出現(xiàn)在14：00，而石漠化等級較低的地區(qū)光照度峰值多出現(xiàn)在11：00—12：00之間（圖2）。同時，由表3可知，隨著石漠化等級的提高，光照度的日均總量和變化幅度總體上呈現(xiàn)出增大的趨勢。8月份隨著石漠化程度的提高，光照度日較差明顯增大，而12月份光照度的日較差表現(xiàn)為

可以看出，不同等級石漠化地區(qū)氣溫日動態(tài)與光照度日動態(tài)類似，都呈現(xiàn)出早晚低、中午高的單峰曲線。強度石漠化地區(qū)氣溫峰值約出現(xiàn)在14：00，中度石漠化地區(qū)氣溫峰值出現(xiàn)在13：00，而石漠化程度較低的地區(qū)氣溫峰值出現(xiàn)在12：00—13：00之間，與光照度峰值出現(xiàn)時間相吻合。由表4可知，隨著石漠化等級降低，氣溫日較差總體上呈現(xiàn)出減小的趨勢。在12月，氣溫變化規(guī)律不明顯，表現(xiàn)為L>ST>SL>M>N。這是由于潛在、輕度石漠化地區(qū)多為落葉樹種，加之人類活動強烈，致使12月潛在、輕度石漠化地區(qū)氣溫日較差較大。[FL）]

[FK（W8][HT6H][STHZ][JZ]表4不同等級石漠化樣地大氣溫度

2.4土壤溫度變化特征

由表6可知，8月份各個等級石漠化樣地5 cm處土壤溫度無顯著差異（P>0.05），表現(xiàn)為M>ST>SL>L>N；12月各個等級石漠化樣地5 cm處土壤溫度無顯著差異（P>005）。8月份各個等級石漠化樣地10 cm處土壤溫度無顯著差異（P>0.05），表現(xiàn)為M>ST>SL>L>N；12月各個等級石漠化樣地10 cm處土壤溫度無顯著差異（P>0.05）。8月份各個等級石漠化樣地15 cm處土壤溫度差異顯著，表現(xiàn)為無石漠化樣地顯著低于其他等級石漠化地區(qū)（P<0.05）。強度、中度、輕度、潛在石漠化地區(qū)差異不顯著（P>0.05）；12月各個等級石漠化樣地15 cm處土壤溫度無顯著差異（P>0.05）。8月份各個等級石漠化樣地20 cm處土壤溫度差異顯著，表現(xiàn)為無石漠化樣地顯著低于其他等級石漠化地區(qū)（P<0.05）。強度、中度、輕度、潛在石漠化地區(qū)差異不顯著（P>0.05）；12月各個等級石漠化樣地20 cm處土壤溫度無顯著差異（P>0.05）。

土壤溫度是土壤系統(tǒng)的一個重要指標，對土壤中發(fā)生的物理和化學過程有重要的影響。土壤溫度的變化，既影響土壤水分的蒸發(fā)，又制約著植物的蒸騰和植被生境特征，進而影響植被的生長狀況。從時間上來看，在8月份相同時間、相同深度的土壤溫度總體上是隨石漠化程度升高而升高的。在12月份相同時間、相同深度的土壤溫度隨石漠化等級的降低有增長的趨勢（圖5）。

從空間上來看（表6），不同等級石漠化地區(qū)土壤溫度都表現(xiàn)為先增長后減小至穩(wěn)定的現(xiàn)象，且除了無石漠化地區(qū)，其他等級石漠化地區(qū)深度土壤的溫度往往要高于上層土壤。結(jié)合部分土壤物理性質(zhì)（表7）得出其原因在于：（1）地面熱量收支。白天，地面吸收的太陽輻射能超過了地面有效輻射，所以輻射差額為正值。輻射通過轉(zhuǎn)化成熱能傳遞給土壤使土壤升溫。喀斯特地區(qū)土壤瘠薄，植物根系較淺，所以表層土壤要消耗部分熱量以供植物和土壤的水分蒸發(fā)。在夜間表層地面有效輻射強烈，會消耗表層土壤的熱量。（2）土壤熱容量和導熱率。土壤熱容量與土壤濕度成正比，與土壤孔隙度成反比，上層土壤的孔隙度大于下層土壤，同時土壤濕度要小于下層土壤，因而下層土壤的土壤熱容量大。而土壤的導熱率與土壤的熱容量成反比。白天表層土壤吸收的熱量多，使得上層土壤溫度瞬時高于下層土壤，當物質(zhì)不同部位之間存在溫差時，會借助于分子傳導產(chǎn)生熱量的傳遞，熱流的方向總是由高溫指向低溫，這時溫度由上層傳到下層，導熱率高，溫度傳遞速度快，下層土壤的熱容量大，會儲存大量熱能，溫度上升。夜間熱量會由下層土壤傳遞到上層，但是由于導熱率低，上層土壤熱容量小，因而下層土壤儲存的熱能要高于上層土壤，所以造成了上述現(xiàn)象。從土壤溫度日較差來看，大體表現(xiàn)為M>ST>SL>L>N。

2.5土壤物理性質(zhì)及植物多樣性變化特征

2.5.1土壤物理性質(zhì)變化特征

土壤的物理特性是土壤肥力的一個重要方面，它對土壤的通氣、透水、導熱等功能有一定[CM（25]程度的影響。土生植被的變化，治理方式和土地利用類型[CM）][FL）]

隨著植被覆蓋度提高，植物根系對土壤的改造作用更加強烈，土壤總孔隙度和土壤容重呈良性化發(fā)展（表7）。其中，無石漠化環(huán)境土壤容重顯著小于其他類型石漠化樣地，而其土壤總孔隙度顯著大于其他石漠化樣地（P<0.05）。不同程度石漠化環(huán)境土壤含水量表現(xiàn)混亂，無明顯規(guī)律，可能與喀斯特地區(qū)多短時間、突發(fā)性天氣現(xiàn)象有關(guān)。

2.5.2植物多樣性變化特征

植被種類和數(shù)量是一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境條件優(yōu)劣的基本標志。近年來，貴州喀斯特地區(qū)退耕地采取了不同的植被恢復方式來改良和恢復天然植被，其中人工恢復方式最主要的措施是植樹種草，自然恢復方式的措施有封山禁牧、自然撂荒等。由表8可知，隨演替階段上升，植物生長更旺盛，群落更穩(wěn)定，小氣候條件逐漸得到改良，證明了植被對改良氣候、涵養(yǎng)水源、防風固沙、改良土壤等方面的積極作用。

[HTK]2.6各因素相關(guān)性分析[HT]

對不同程度石漠化環(huán)境的光照度、大氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度、土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水量、植被豐富度、多樣性、均勻度和優(yōu)勢度進行相關(guān)性分析（表9）發(fā)現(xiàn)：8月份，大氣溫度和表層（5 cm）[JP3]土壤溫度呈顯著正相關(guān)（P<005），與植被豐富度、多樣性和優(yōu)勢度呈顯著負相關(guān)

表示在0.01水平上顯著相關(guān)。[HT][FK）]

[FL（2K2]光照度與土壤溫度和土壤容重呈顯著正相關(guān)（P<005），與土壤孔隙度、植被豐富度呈顯著負相關(guān)（P<005）。表層（5 cm）土壤溫度與大氣溫度和光照度呈顯著正相關(guān)（P<005），與植被豐富度和多樣性呈顯著負相關(guān)（P<005），10 cm 處土壤溫度與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)（P<001）。深層土壤溫度與光照度、表層土壤溫度和土壤含水量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與植被多樣性和豐富度呈顯著負相關(guān)（P<0.05）。

12月份，由于植被自身的枯萎與人為干擾的影響，植被在調(diào)蓄樣地小氣候中所發(fā)揮的作用被大打折扣，因此相關(guān)性不是很明顯，大氣溫度和相對濕度呈顯著負相關(guān)（P<0.05），相對濕度與植被均勻度呈顯著正相關(guān)（P<0.05），光照度與植被豐富度呈顯著負相關(guān)（P<0.05），10 cm與15 cm處土壤溫度、15 cm與20 cm處土壤溫度呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

對喀斯特石漠化的治理是通過植被恢復使樣地小氣候由干熱化向涼濕化轉(zhuǎn)變，使樣地植被結(jié)構(gòu)更加有序，小氣候更加溫和，通過對比植被的豐富度、多樣性、均勻度和優(yōu)勢度指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同季節(jié)（尤其是濕熱季節(jié)），除了8月份溫度與植被優(yōu)勢度相關(guān)性顯著并且相關(guān)性系數(shù)較大（-0.934）之外，其余各項小氣候因子在向良性方向轉(zhuǎn)變時，均與植被的豐富度、多樣性和均勻度指數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系并且顯著性系數(shù)較大，這說明在石漠化治理過程中，除了要注意種植植被的數(shù)量之外，不同類型植被的補植也是十分有必要的。

3結(jié)論與討論

濕熱季節(jié)（8月）光照度和氣溫表現(xiàn)出隨石漠化程度的增加而升高的趨勢，變化幅度大，與石漠化等級相吻合。而峰值出現(xiàn)時間隨石漠化程度的提高出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。在干冷季節(jié)（12月），氣溫隨石漠化等級變化幅度不大，說明石漠化程度較輕地區(qū)植被覆蓋率高，在保溫方面體現(xiàn)出了一定作用。輕度石漠化地區(qū)光照和氣溫日較差最大；相對濕度在干冷季節(jié)同樣表現(xiàn)出了一定的異質(zhì)性。在干冷季節(jié)，石漠化程度較重的地區(qū)往往相對濕度的日均值也較高。而日較差表現(xiàn)混亂，無規(guī)律可言。產(chǎn)生以上結(jié)果的原因，其一是部分潛在、輕度石漠化環(huán)境地區(qū)立地條件好、土壤肥沃，主要指被類型以經(jīng)濟價值高的花椒、砂仁、構(gòu)樹等落葉木本植物為主，雖然覆蓋率較高，但群落配置簡單，在干冷季節(jié)對小氣候的改良作用隨著枝葉的掉落而降低；其二是該類型石漠化地區(qū)為保證樹種存活經(jīng)常會進行人為的除草除葉、剪枝、清除其他樹種等活動，受人為干擾較多；其三是強度石漠化由于立地條件差、環(huán)境惡劣，又因隨著石漠化治理時間的增加，適用于改良不同等級石漠化地區(qū)的植物已被熟知，通過自然演替、人為補植種草以及較少的人為干擾，部分環(huán)境因子得到改善。

通過研究發(fā)現(xiàn)，示范區(qū)樣地土壤溫度的日較差雖然整體隨著土層深度的增加而減小，但卻表現(xiàn)出深層土壤溫度高于表層土壤溫度的獨特現(xiàn)象。原因其一在于示范區(qū)不同深度土壤的孔隙度和土壤含水量的差異導致土壤的熱容量和導熱率表現(xiàn)出不同特征。其二在于地面熱量收支的差異。但是，本研究只局限于畢節(jié)示范區(qū)部分樣地，這種特征是否是喀斯特地區(qū)土壤的一般特征還需要進行更加深入的研究。

綜合觀察各石漠化等級樣地間小氣候指標，光照度、氣溫、濕度除受石漠化等級影響外，同樣會受到坡向的影響。無石漠化、潛在石漠化地區(qū)小氣候指標由于植被郁閉度高，緩沖作用大而變化較小外，其他石漠化地區(qū)的小氣候指標與坡向的關(guān)系是極其明顯的，如輕度石漠化樣地由于其坡向基本上以東南方向為主，為陽坡，日照時間長且正午前后太陽輻射最強；而中強度石漠化地區(qū)多為西北坡向，為陰坡，日照時間相對較短且日照強度應以正午之后1～2 h最強。所以除了植被配置結(jié)構(gòu)和覆蓋度之外，坡向也是造成不同等級石漠化樣地光照度和氣溫峰值差異的一個原因。因此，除受當?shù)亟邓?、土壤質(zhì)地和小地形影響更為顯著的土壤濕度外，在探討小氣候?qū)κ荻鹊捻憫獣r，其余各指標也應對坡向問題進行討論。

總的來說，不同等級石漠化地區(qū)小氣候差異很大，尤其以濕熱季節(jié)最為典型。通過本研究發(fā)現(xiàn)，在石漠化治理過程中，環(huán)境因子質(zhì)量并不是隨石漠化程度增加而直線下降，而是存在一個先退化后改善的過程，潛在、輕度石漠化由于在長期的石漠化治理過程中受人為干擾，小氣候變化特征相對紊亂，質(zhì)量不高甚至存在低于中強度石漠化現(xiàn)象。因此在進行石漠化綜合治理過程中，不能忽視人為活動方式對植被恢復過程的影響。由上分析可知，植被生長過程中應盡量減少對灌木及林下草被的破壞，防止由于系統(tǒng)開放性增大而導致的過多熱量滲入植被根部裸土區(qū)域，從而減少空氣水分和土壤水分的散失。同時在石漠化治理過程中不能把著眼點僅放在先鋒種和優(yōu)勢種上，而應增加樣地內(nèi)植被種類，使植被結(jié)構(gòu)更加完善，從而使得石漠化治理效果更加理想化。

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