拉萨半干旱河谷区宜林地土壤水分影响因子分析

李永霞,邱邦桂,杨小林

(西藏农牧学院,西藏 林芝 860000)

拉萨半干旱河谷区宜林地土壤水分影响因子分析

李永霞,邱邦桂,杨小林

(西藏农牧学院,西藏 林芝 860000)

土壤水分是植被成活的主要限制因子之一,探究拉萨半干旱河谷宜林地土壤水分影响因子,可为区域植被恢复提供理论依据。选取了河滩地、阶地和坡麓地3种地类7个典型宜林地立地类型,通过实地调查,选择土壤性状、地形地貌、植被类型三大类环境要素10个土壤水分影响因子,采用相关性和主成分分析方法探讨土壤水分的主导因素及其相互关系。研究结果表明:3种地类土壤水分环境影响因子关系存在一定差别,河滩地、阶地表现基本一致,土壤含水量与环境因子之间相关性不显著,环境因子之间相关显著；坡麓地土壤水分与环境因子显著相关,环境因子间相关性也明显。影响河滩地、阶地土壤水分的主要因子为土壤性状、其次为植被类型；影响坡麓地土壤水分因子地形地貌最强、植被类型次之、最后为土壤性状。土壤水分是多因素共同作用的结果,3种地类主成分明确,对土壤水分解释明显,地形、植被、土壤是影响拉萨半干旱河谷土壤水分的主要因子。

土壤水分；环境因子；相关性；主成分分析；拉萨半干旱河谷

土壤水分是陆面生态系统水循环体系的重要组成部分,作为植物生长发育的基础条件,是研究植物水分胁迫、进行植被恢复等相关研究的重要指标之一[1-4]。土壤水分动态变化受多种环境因素影响,这是非常复杂和动态的,主要环境影响因子为:土壤因子(土壤类型、土壤密度、孔隙度等)、气象因子(降水、气温、蒸发和太阳辐射等)、地形因子(坡向、坡位、坡度和海拔等)、植被因子(植被类型、盖度等)及土地利用方式[5-6]。土壤水分受生境条件及其相互作用的共同影响,同时,地表植被类型、覆盖范围和生长量在一定程度上影响土壤含水量的变化。不同地区的研究结果有的相同,也有不同甚至相反,同一地区的不同时间段也是不同的[7-8]。因此,研究不同环境因子与土壤水分之间的关系,探讨土壤水分变化的驱动机制,掌握土壤水分变化规律,才能采取相应的节水措施,满足人工植被对水的需求,提高天然降水利用效率。

拉萨半干旱河谷地区是西藏“一江两河”的重点区域,长期以来由于特殊的自然地理条件及人为活动的过度干扰,生态问题日益突出,植被恢复困难。目前对拉萨半干旱河谷植被恢复的研究主要集中在立地类型划分、植被生态特征及退化程度的分析[9-11]等方面,缺乏土壤水分特征及其影响因子相互关系的探讨。针对拉萨河谷宜林地植被恢复的土壤水分主导因素尚不清晰以及植被建设中遇到的适宜性选择问题,本文以拉萨半干旱河谷宜林地7个典型立地类型的土壤水分影响因子为对象,探讨土壤水分特征,选取土壤厚度、土壤含水量、坡向等环境因子,利用相关性分析和主成分分析方法,阐明影响土壤水分的主导因素与相互关系,以期为区域生态建设和植被恢复提供理论依据。

1 研究区自然概况

研究区选择在拉萨河中下游河谷地带(29°36′45″N,91°06′28″E),海拔3 650～3 800m,属高原温带半干旱季风气候。最高气温29.6℃,最低气温-16.5℃,年平均气温7.4℃；全年日照时间3 000h以上；年降水量为200～500(510)mm,集中在6—9月份；年相对湿度30%～50%,年蒸发量2 076.4～2 438.0mm,干湿指数3～7,年无霜期100～120d。属于雅鲁藏布江中游谷地亚高山灌丛、草原亚区植被区[12]。

研究区域宜林地立地按照河滩地、阶地、山麓坡地3种地类,划分为河滩地(高水位、低水位)厚土层砂砾土、阶地厚土层棕壤、阴坡(上部、下部)厚土层棕壤、阳坡(上部、下部)厚土层砂壤等7个立地类型[11]。土壤主要为河滩地砂砾土、阶地棕壤土、坡地砂壤土。河滩地、阶地以杨树(Populusspp.)、柳树(Salixspp.)为主组成的人工林群落,坡麓地主要分布以架棚(Ceratostigmaminus)、砂生槐(Sophoramoorcroftiana)为主组成的落叶灌丛。

2 材料与方法

2.1试验方法

每个宜林地立地类型设置20m×20m的典型样地,每个样地内分别设置5个灌木和5个草本样方,灌木5m×5m、草本1m×1m,共得到7个典型样地、35个灌木样方、35个草本样方。调查内容包括地形、土壤、植被类型等,样地基本情况如表1所示。每个样地设一个采样点,在采样点按不同土层深度(0～20cm,20～40cm,40～60cm)采用便携式时域反射仪(TDR)对土壤含水量进行实时监控,为期1年。样地内随机采集3份0～60cm的土壤样品,混合采用四分法取部分土壤样品带回实验室,环刀法测定土壤容重和总孔隙度等物理性质,烘干法测定土壤含水率,重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量[13]。

表1 研究区典型样地

注:表中数据来源于文献[14]。

2.2影响因子的选择与量化

调查区域位于高原半干旱河谷地,考虑到其地域的特殊性,以及选择的因子要易于调查、具有稳定性,且对土壤水分能起到决定性的作用。河滩地、阶地虽属不同的地类,但在高海拔的拉萨半干旱河谷地带宜林地区域,二者植被类型基本相似。因此,将河滩地、阶地归为一类进行分析,3种地类选择调查因子:1)河滩地与阶地选择土壤含水量(X1)、土壤厚度(X2)、土壤容重(X3)、土壤总孔隙度(X4)、植被类型(X5)、石砾含量(X6)、有机质含量(X7)；2)坡麓地选择土壤厚度、土壤含水量、土壤容重、土壤总孔隙度、植被类型、石砾含量、有机质含量、坡向(X8)、坡度(X9)、坡位(X10)。

对于定性指标,在做分析前必须对它们赋值量化。试验区的气候条件一致,因此没有考虑气候因子。

2.3水分因子的分级赋值标准

采用定性与定量相结合的方法,对土壤影响因子进行了量化和分级处理,对统一量化的因子进行相关性与主成分分析。采用经验法和专家咨询法确定土壤影响因子分级赋值标准[15-16],其中数值型评价因子采用0—10标准化处理赋值,阈值型影响因子则具体分级后再作阈值处理(表2)。

表2 因子分级赋值

2.4数据处理

采用Excel 2013及SPSS 23软件进行数据处理。

3 结果与分析

3.1土壤影响因子相关性分析

土壤水分影响因子概括为3类环境要素,即:土壤性状(土壤厚度、土壤容重、土壤总孔隙度、石砾含量、有机质)、地形地貌(坡向、坡度、坡位)和植被类型(灌丛、人工林、裸地)。按3类要素对各因子与样地土壤含水量进行相关性分析[17](表3、表4)。

3.1.1河滩地 阶地土壤水分影响因子的相关性

表3表明,河滩地、阶地土壤水分各影响因子之间有些是正相关,有些是负相关。土壤含水量与植被类型、石砾含量、有机质含量呈正相关,与土壤厚度、土壤总孔隙度呈负相关,但相关性不显著。表明研究区此地类的土壤水分与土壤性状、植被类型均无显著相关性。这可能与本地干旱少雨,蒸发量大,导致本地区土壤水分严重不足有关。

土壤有机质与土壤厚度、总孔隙度和植被类型呈极显著正相关,与土壤容重和石砾含量呈极显著负相关,与土壤含水量不相关,预示土壤肥力很大程度上能反映出土壤物理性质。土壤容重与总孔隙度和植被类型呈显著负相关,与石砾含量正相关,原因可能是植被能改善土壤结构。

3.1.2坡麓地土壤水分影响因子的相关性

由表4可知,坡麓地土壤水分影响因子中,土壤水分:与植被类型、土壤容重和坡位呈极显著正相关,相关系数分别为0.905,0.853,0.853；与有机质、坡向显著正相关；与土壤总孔隙度和土壤厚度呈负相关；与石砾含量和坡度有一定的相关性。表明研究区此地类的土壤水分与植被类型、土壤性状、地形地貌均存在显著相关性,土壤水分含量是多因素共同作用的结果。

表3 河滩地、阶地土壤水分影响因子相关性分析

注:“*”表示显著相关(P<0.05)；“**”表示极显著相关(P<0.01)。

表4 坡麓地土壤水分影响因子相关性分析

注:“*”表示显著相关(P<0.05)；“**”表示极显著相关(P<0.01)。

坡向与土壤容重、植被类型、有机质含量及坡位呈显著正相关,与土壤孔隙度呈极显著负相关,说明坡向与土壤水分蒸发有直接关系；土壤厚度与土壤容重、石砾含量、坡度及坡位呈极显著负相关,原因是坡度受自身重力和雨水侵蚀作用,土壤厚度减少,容易形成水土流失；土壤总孔隙度与植被类型、石砾含量、有机质、坡向、坡度及坡位呈负相关,说明土壤理化性质受地形等环境因子影响很大。

3.2土壤水分影响因子主成分分析

通过对土壤水分影响因子的相关性分析可知,影响因子的相互作用存在一定的差异,通过主成分分析,找出影响土壤水分的主导因子(表5)。

表5 影响因子的主成分分析

3.2.1河滩地 阶地水分影响因子主成分分析

由表5可知,河滩地、阶地类,前2个主成分的累积贡献率达到98.217%,主成分突出。其中,主成分Ⅰ贡献率为71.776%,可以认为第Ⅰ主成分承载了大部分因子的负荷系数,土壤厚度、土壤总孔隙度、有机质含量因子负荷量较大,有机质含量最大为0.27；第Ⅱ主成分中,石砾含量、植被类型2个因子的负荷系数较高。总体看来,第Ⅰ主成分承载了3个因子的负荷系数,第Ⅱ主成分承载了2个,在6个因子中的这5个主成分因子是土壤性状与植被类型的负荷系数,对生境解释明显,主要影响河滩地、阶地土壤水分含量。

综合分析表明,影响拉萨半干旱河谷河滩地、阶地土壤水分主要因子为土壤性状、其次为植被类型。

3.2.2坡麓地土壤水分影响因子主成分分析

表5表明,坡麓地土壤水分影响因子主成分前2个的累积贡献率为96.469%,主成分明确。其中主成分Ⅰ贡献率59.295%,主成分Ⅱ贡献率为37.175%,第Ⅰ主成分中土壤容重、坡位、坡度、石砾含量、植被类型、坡向因子的负荷系数较大；第Ⅱ主成分中有机质、植被类型、坡向、土壤厚度的负荷系数较大,以有机质含量负荷系数最大,为0.29。综合第Ⅰ主成分6个因子和第Ⅱ主成分4个因子负荷系数,坡向、植被类型在两个主成分中都有较高的负荷系数,可以认为地形地貌与植被类型决定了坡麓地土壤水分状况,同时与土壤性状有很大关系。

综合分析表明,影响拉萨半干旱河谷坡麓地土壤水分因子地形地貌最强,植被类型次之,最后为土壤性状。

4 结论

拉萨半干旱河谷河滩地、阶地类宜林地土壤含水量与环境因子存在不显著相关性；坡麓地土壤水分与环境因子存在显著相关性。

河滩地、阶地与坡麓地土壤水分影响因子主成分明确,对生境解释明显。该区河滩地、阶地土壤水分主要影响因子为土壤性状、其次为植被类型；坡麓地土壤水分主要影响因子为地形地貌最强,植被类型次之,最后为土壤性状。

本地区土壤水分主要来源于降水,土壤水分的存蓄受蒸发影响很大。黄录基等[18]的研究表明,地形地貌影响太阳辐射,不同坡面之间土壤水分存储量差异明显,干季蒸发量相差1mm/d,南坡(阴坡)水分亏缺比北坡(阳坡)约大100mm。森林植被具有减弱地形影响太阳辐射的性能,使蒸发随着地形的不同产生差异,这也可能是出现不同地类水分影响因子相关性差别的主要原因之一。

本研究表明,地势比较平坦的河滩地与阶地,土壤水分的空间变化与环境因子没有显著相关性,可能既与本地区干旱少雨,蒸发量大有关,也与土壤发育不完全,土层薄、粗骨性[19]有关,结果导致本地区土壤水分严重亏损,但环境因子影响不明显。而坡麓地则不同,土壤水分的空间变化与环境因子表现出了显著相关性,这可能与坡麓地土壤水分的变化直接受地形和植被的影响有关。

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SoilMoistureAffectingFactorsinSemi-aridValleyForestlandofLhasa

LI Yongxia,QIU Banggui,YANG Xiaolin

(XizangAgricultureandAnimalHusbandryCollege,Xizang860000,China)

Soil moisture is one of the main limiting factors in vegetation survival.The objective of this study is to provide a theoretical basis for vegetation restoration in semi-arid valley area in Lhasa by studying environmental factors that affected soil moisture.In this study,three land types(flood land,terrace and footslope)including 7 typical forestland sites were selected.In field investigation,a survey of 10 environmental factors that were classified into soil properties,topography and geomorphology,and vegetation types,was conducted.The major factors affecting soil moisture and relationship among factors were analyzed with correlation analysis and principal component analysis.The results showed that the relationships between soil moisture and environmental factors were inconsistent among 3 different land types,whereas the same relationship was found between flood land and terrace.There was a non-significant positive or negative correlation between soil moisture and environmental factors.However,significant positive correlations were found among environmental factors.In footslope area,the soil moisture was significantly related to the environmental factors,and the correlation between environmental factors was significant as well.The key factor affecting the soil moisture in flood land and terrace was soil properties first,followed by vegetation types.The strongest factors affecting soil moisture in footslope area were topography and geomorphology,and the vegetation type was next.The soil properties had the weakest influence.Soil moisture was the result of the effects of a number of environmental factors.For each land type,the principal components were definite,which had a clearly explanation for soil moisture.The topography,vegetation and soil type were major factors that affected soil moisture in semi-arid valley of Lhasa.

soil moisture,environmental factors,correlation,principal component analysis,semi-arid valley of Lhasa

S152.7

A

1002-6622(2017)05-0061-05

2017-07-11；

2017-08-25

国家科技支撑项目(2013BAC04B01)

李永霞(1982-),女,山东济宁人,讲师,硕士,主要从事森林培育研究。Email:759451613@qq.com

杨小林(1971-),男,甘肃秦安人,教授,博士,主要从事森林培育、生物多样性保护研究。

Email:382965037@qq.com

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.011