扭黃茅+三芒草群落對干熱河谷區(qū)雨后徑流的再分配作用

楊淏舟，王艷丹，岳學文，余建琳，史亮濤，冉 林，何光熊

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀 651300； 2.云南省元謀金雷水土保持科技示范園，云南 元謀 651300；3.元謀縣水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，云南 元謀 651300)

金沙江干熱河谷是我國西南一類特殊的生態(tài)系統(tǒng)，主要分布于云南、四川境內(nèi)，地處長江上游，其水量充沛，落差勢能大，成為我國水利水電工程建設的戰(zhàn)略區(qū)域[1]。區(qū)內(nèi)氣候異常干旱炎熱，土壤干旱瘠薄，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境異常脆弱，生態(tài)恢復極度困難[2-3]，是我國西南地區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)，也是我國植被恢復和生態(tài)治理極為困難的區(qū)域[4]。干熱河谷植被多為稀樹灌木草叢，以禾草草叢為背景構成大片薩瓦納(Savanna)草被[5-7]，因而草被系統(tǒng)在干熱河谷地區(qū)具有重要地位。

干熱河谷區(qū)內(nèi)植物長期遭受干熱脅迫，一年生、多年生禾草資源豐富，兩者共同作用成為干熱河谷薩瓦納草被生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能的重要承擔者。扭黃茅(Heteropogoncontortus)為世界溫熱地區(qū)多年生叢生草本，分布于我國長江以南各省區(qū)，是海拔100～2 300 m地段干熱河谷及干燥山坡草地常見植物；三芒草(Aristidaadscensionis)為全球熱帶至溫帶一年生或短暫多年生草本，分布于我國云南、四川、河南、山東海拔400～1 800 m的山坡灌叢、道旁或田野間。兩種牧草均為我國西南干熱河谷常見優(yōu)勢禾本科物種，然而，對它們在干熱河谷草地水土保持功能中的作用尚缺乏深入認識。本研究采用干熱河谷干熱脅迫條件下典型多年生植物扭黃茅和一年生植物三芒草在標準徑流觀測小區(qū)按不同比例構建植被群落，通過觀測兩種禾草不同構建比例群落的徑流量、土壤侵蝕量等水土保持功能特征，探討一年生、多年生兩種功能型禾本科牧草在干熱河谷薩瓦納草被生態(tài)系統(tǒng)中的水土保持功能，為通過功能型物種配置實現(xiàn)特定生態(tài)系統(tǒng)功能修復或選擇生態(tài)恢復模式提供理論支撐，同時為水土保持型功能群落的構建探索可能的途徑。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

干熱河谷是在地理位置、地貌地勢、氣候條件、人為干擾等多方面因素的作用下形成的。這一特殊生態(tài)系統(tǒng)的突出特點是熱量充足、年蒸發(fā)量大于降水量、冬春特別干旱。試驗選擇金沙江干熱河谷典型區(qū)元謀段不同比例扭黃茅+三芒草群落為研究對象。區(qū)內(nèi)多點氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，元謀干熱河谷內(nèi)多年平均降水量為680.7 mm，5—10月雨季降水量占全年降水量的85%以上，多年平均水面蒸發(fā)量為3 215.0 mm，水熱矛盾突出，全年土壤含水量處于植物凋萎濕度以下時間長達7～8個月。海拔1 600 m以下的干熱河谷自然植被為孑遺的薩瓦納稀樹灌草叢，以禾草為主，雜以灌木，喬木零星分布，主要物種為扭黃茅、三芒草、橘草(Cymbopogongoeringii)、擬金茅(Eulaliopsisbinata)、孔穎草(Bothriochloapertusa)、雙花草(Dichanthiumannulatum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等。

1.2 標準徑流小區(qū)修建及扭黃茅+三芒草植被構建

試驗設置2.5 m×10 m標準小區(qū)6個，坡度為10°，按劉剛才等發(fā)明的“薄坡地水土流失觀測小區(qū)的修建方法及觀測小區(qū)的構造”方法構建標準小區(qū)，具體包括：在小區(qū)坡腳隔墻內(nèi)壁底部母巖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側覆蓋有尼龍網(wǎng)的粗砂礫石墻，界面流收集槽內(nèi)填裝粗砂礫石，其上覆蓋尼龍網(wǎng)；坡腳隔墻外修筑有地表徑流收集槽，以及相應的界面流收集池、壤中流收集池和地表徑流收集池，且三個收集池與對應的收集槽分別采用導管連通，分別收集界面流、壤中流及地表徑流。

小區(qū)建成后，在元謀干熱河谷選擇典型紫色土，經(jīng)混凝土攪拌機混勻后按劉剛才等[8]的方法裝填。完成后采用移栽法均勻種植扭黃茅，待其群落基本穩(wěn)定后通過人工修剪或移除控制蓋度，雨季來臨前人工播撒三芒草種子，構建5種群落：群落1中扭黃茅蓋度為100%，三芒草蓋度為0；群落2中扭黃茅蓋度為70%，三芒草蓋度為30%；群落3中扭黃茅蓋度為50%，三芒草蓋度為50%；群落4中扭黃茅蓋度為30%，三芒草蓋度為70%；群落5中扭黃茅蓋度為0，三芒草蓋度為100%。在栽種扭黃茅的同時撒播扭黃茅、橘草、孔穎草、雙花草、白羊草及三芒草種子構建混合群落Mix 1作為對照。待群落生長穩(wěn)定1年后，于2017年5—11月降雨后收集單位面積地表徑流、土壤侵蝕、壤中流、界面流數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016整理數(shù)據(jù)并繪制圖表，SPSS 19.0進行方差分析。

2 結果與討論

2.1 降雨特征與不同植被群落小區(qū)產(chǎn)流關系

統(tǒng)計結果表明，2017年1—12月期間元謀干熱河谷降雨617.4 mm，降雨主要集中在7—8月，期間共發(fā)生降雨69次。以任意試驗小區(qū)產(chǎn)生徑流為標志對數(shù)據(jù)進行篩選，共獲得有效產(chǎn)流記錄20次。分析發(fā)現(xiàn)，小區(qū)侵蝕性降雨平均降雨量為25.85 mm，平均雨強為4.17 mm/h，平均歷時約328 min，主要為短歷時強降雨。

由圖1可知，徑流量與降雨強度存在較好的線性關系，回歸系數(shù)達到0.86，而徑流量與降雨量回歸系數(shù)僅達到0.635 5，說明徑流量和降雨量相關系數(shù)不高，但徑流量與降雨強度關系密切。這是由干熱河谷地區(qū)的降雨特點造成的，元謀干熱河谷地區(qū)降雨歷時短、強度大，對地表易造成擊濺侵蝕，因此草被覆蓋有利于降低降雨動能，增加下墊面抗蝕能力，有效減少水土流失。

圖1 構建群落的水土保持功能特性

由于不同物種在形態(tài)結構和功能上具有差異，不同植被覆蓋會導致群落整體林冠截留、蒸散發(fā)、穿透雨量、徑流等過程特征產(chǎn)生差異，加之不同植物生長與土壤間反饋-負反饋作用造成土壤入滲速率等差異，會對徑流的發(fā)生過程產(chǎn)生重要影響。研究發(fā)現(xiàn)(表1)，群落的徑流系數(shù)隨著一年生三芒草的減少及多年生扭黃茅的增加表現(xiàn)出先減少再增加的特點，當一年生三芒草及多年生扭黃茅蓋度比達1∶1時，群落的徑流系數(shù)達到最小，為0.08±0.06；同時，由扭黃茅50%+三芒草50%構成的群落3與撒播扭黃茅、橘草、孔穎草、雙花草、白羊草及三芒草種子構建的混合群落Mix 1具有較為相近的徑流系數(shù)，并維持在0.07～0.08之間，提示混合群落的徑流調(diào)節(jié)功能可能主要來源于一年生及多年生禾草的混合適應機制。

表1 不同群落類型的徑流系數(shù)

2.2 不同群落對小區(qū)徑流及土壤侵蝕量的影響

以蓋度作為兩種功能型植物性狀分布格局的控制指標，由多年生扭黃茅及一年生三芒草按不同比例構建的5種群落，其地表徑流、壤中流、界面流均呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)；5種群落中，群落3的地表徑流量及土壤侵蝕量均最小，而群落5的地表徑流量及土壤侵蝕量均最大，群落1、2、4則介于前兩者之間(圖2)。這一結果表明，以蓋度表征的兩類功能型物種的功能性狀達到均衡時(即蓋度相當時)，群落水土保持功能達到最大。同時，試驗結果顯示，群落1地表徑流量及土壤侵蝕量大于群落2、3，小于群落4、5，表明單一扭黃茅群落對地表徑流量及土壤侵蝕量的控制作用好于單一三芒草群落，以扭黃茅為代表的多年生植物具有主要調(diào)節(jié)作用，而以三芒草為代表的一年生植物可能在特定階段發(fā)揮特殊作用。由于多年生及一年生植物在生存對策上具有顯著差別，推測這種調(diào)節(jié)作用的差別可能與物種生存生長引起的群落動態(tài)變化有關。

圖2 構建群落的水土保持功能特性

群落3與優(yōu)勢物種組成的混合群落Mix 1的地表徑流量及土壤侵蝕量差異較小，均優(yōu)于其他群落。這一結果表明，一年生和多年生植物兩類功能型物種蓋度相當時，與當?shù)貎?yōu)勢植物組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，表明從水土保持的視角看，干熱河谷地區(qū)鄉(xiāng)土草被的自然構建模式中，共存物種在功能特性上有向多年生或一年生特性兩個極端過渡的趨勢，即干熱河谷植物可能通過在多年生或一年生的功能軸上相互適應的策略，共存于干熱河谷典型薩瓦納草被中。

研究表明，在干旱和半干旱的草地中，通過增加群落的功能多樣性能顯著提高植被的抗土壤侵蝕能力[9]，在這個過程中，一年生植被為土壤增加碳源，形成水穩(wěn)定性團聚體，是增加土壤入滲(壤中流)、減少地表徑流、提高植被水土保持效率的重要途徑，而多年生植物的大量根系與土壤形成復合體，可增加土壤抗侵蝕能力，有效減少土壤流失。因此，在干熱河谷通過功能型物種配置(如一年生三芒草50%和多年生扭黃茅50%撒播)實現(xiàn)植被恢復及薩瓦納草被水土保持功能重建具有重要的理論及實踐意義。

群落中植物與土壤的相互作用除影響地表徑流的特征外，還表現(xiàn)在對部分降雨的蓄存。對由多年生扭黃茅及一年生三芒草按不同比例構建的5種群落壤中流及界面流的觀測結果顯示(圖2)：5種不同比例扭黃茅+三芒草構建的群落中，群落3形成的壤中流最小、界面流最大。這一結果顯示，群落3有助于土壤的表層水向土壤深層傳遞，這可能是群落3能最大限度減少地表徑流的最主要途徑。

對構建的6種群落的泥沙量與徑流量進行回歸分析，結果見表2。由表2可知，群落5的泥沙量和徑流量相關性最高，R2達到0.727；群落3的泥沙量與徑流量相關性最低，R2僅為0.413。這表明群落3的地表植被對徑流和泥沙有較明顯的調(diào)控作用。5種不同比例扭黃茅+三芒草群落中泥沙量與徑流量的相關性隨扭黃茅在群落中的占比減少呈現(xiàn)先減弱再增強的趨勢，這表明扭黃茅+三芒草共同構建的群落在干熱河谷水土保持功能中體現(xiàn)出較單一群落更為明顯的優(yōu)勢。不同的群落模式對徑流泥沙的調(diào)控程度不一，但均通過地上、地下部分攔蓄、疏導降水，參與徑流的再分配過程，從而減少水土流失。

表2 構建群落的泥沙量與徑流量關系

目前，對于水土保持型植被構建的研究主要集中在植被冠層[10-12]、地被物層[13]和根系土壤層[14]對降水的截持和吸收等水土保持機理的構建[15]，以及水土保持型物種的篩選和對不同植被水土保持功能的評價上[16]。扭黃茅是干熱河谷薩瓦納群落最重要的物種之一，本研究中，群落1單位面積產(chǎn)生的壤中流及界面流在數(shù)值上具有近似的特征，表明扭黃茅有促進水分在土壤層均勻分布的作用，這主要是由于根系與土壤形成了較為勻質松散的復合體，增加土壤入滲的同時提高了土壤涵養(yǎng)水源的能力。同時這一結果也表明，在干熱河谷區(qū)域，在群落功能的發(fā)揮上多年生植物的作用要大于一年生植物。因此，在后期的研究中應重視以扭黃茅為代表的多年生物種對土壤水分條件改善方面的功能研究。

3 結 論

(1)不同群落覆蓋后小區(qū)發(fā)生侵蝕性降雨的平均降雨量為25.85 mm，平均雨強為4.17，平均歷時約328 min，主要為短歷時的強降雨，徑流量與降雨強度存在較好的線性關系，回歸系數(shù)達到0.86，而徑流量與降雨量回歸系數(shù)僅達到0.636，說明徑流量和降雨量相關系數(shù)不高，但徑流量與降雨強度關系密切。

(2)多年生扭黃茅及一年生三芒草蓋度比為1∶1的群落3的泥沙量與徑流量相關性最低，R2僅為0.413，表明群落3的地表植被對徑流和泥沙有較明顯的調(diào)控作用。多年生扭黃茅與一年生三芒草組成的混合群落的徑流調(diào)節(jié)功能可能主要來源于一年生及多年生禾草的混合適應機制，其中，多年生與一年生植物具有不同的地位和作用，以扭黃茅為代表的多年生植物具有主要調(diào)節(jié)作用，而以三芒草為代表的一年生植物可能在特定階段發(fā)揮特殊作用。這種調(diào)節(jié)作用的差別與干熱河谷區(qū)物種生存生長引起的群落動態(tài)變化有關。

(3)扭黃茅有促進水分在土壤層均勻分布的作用，在群落功能的發(fā)揮上多年生植物的作用要大于一年生植物。因此，在后期的研究中應重視以扭黃茅為代表的多年生物種對土壤水分條件改善方面的功能性研究。