董亞輝,戴全厚,鄧伊晗,周 濤
(貴州大學(xué)林學(xué)院,貴州貴陽550025)
石漠化問題是喀斯特巖溶地區(qū)最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一,由于人口的增長,土地嚴(yán)重超載,土壤侵蝕加劇,土地退化,植被破壞,基巖大面積裸露,形成類似荒漠化的景觀[1]。近年來,隨著國家退耕還林還草工程、珠治工程等的實(shí)施,該區(qū)也出現(xiàn)了大量的退耕還林地及植被自然恢復(fù)地。這些地類在生態(tài)恢復(fù)建設(shè)過程中,土壤抗蝕性等特性的演變規(guī)律,及與土壤養(yǎng)分的協(xié)調(diào)效應(yīng)關(guān)系等都是亟需探討的問題[2]。大量研究[3-4]結(jié)果表明土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是土壤質(zhì)量敏感性重要的理化指標(biāo)。前人對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成機(jī)制、土壤微團(tuán)聚體與土壤的能量變化、土壤團(tuán)聚體的抗蝕性、土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性和抗蝕性的指標(biāo)、撂荒地水穩(wěn)性團(tuán)聚體演變特征及養(yǎng)分效應(yīng)等都有較多研究[5-9],且多集中在黃土高原、黑土地等常態(tài)地貌地區(qū),而對喀斯特地區(qū)退耕地中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的演變特征及其土壤養(yǎng)分效應(yīng)的研究較少。本研究以喀斯特山區(qū)不同年限退耕還林地為研究對象,分析喀斯特山區(qū)退耕還林過程中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的演變規(guī)律,以期限為喀斯特山區(qū)優(yōu)化退耕還林模式和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)地處貴州省六盤水市鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)竹林河小流域(104°30′—105°10′E;26°26′—26°53′N),該區(qū)山高陡峭,切割縱深,基巖裸露面積大,土層瘠薄,地形破碎,地形相對高差大,海拔在1 450~2 900 m之間,年均氣溫12.5℃~13.1℃,年降雨量1 170 mm,年日照時(shí)數(shù)1 415~1 556 h,屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),森林覆蓋率33.3%。土壤以山地灌叢草甸土、山地黃棕壤土、石灰土、潮土、水稻土為主,土壤多呈中性、微酸性,pH 值為5.5~7.5,耕作層厚20 cm左右。研究區(qū)有典型的喀斯特石漠化類型和多時(shí)相不同退耕方式的土地,是珠江流域的峰叢谷地輕、中度石漠化生態(tài)修復(fù)與農(nóng)田基本建設(shè)導(dǎo)向型綜合治理小區(qū)。
在研究區(qū)分別選取立地條件基本相似不同年限(5~8 a)的退耕還林地,退耕模式一致(柳杉Cryptomeria f ortunei),土壤和成土母質(zhì)類型相同的林地為樣地,選取中度石漠化樣地及自然恢復(fù)松林作為對照樣地。樣地基本特征見表1。
表1 樣地概況
2008年7月,在各試驗(yàn)樣地多點(diǎn)(4~6點(diǎn))采集0—20 cm表層有代表性的原狀土樣,運(yùn)回室內(nèi),沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕剝開,剝成直徑為10~20 mm的小土塊,并剔去粗根和小石塊,在室溫下風(fēng)干后,用干篩法和濕篩法分別測定的各級風(fēng)干團(tuán)聚體(沙維諾夫法)和水穩(wěn)定聚體含量(約得法)[10]。同時(shí)在樣地按“S”型選取多點(diǎn),用土鉆法取0—20 cm混合土樣裝袋,3次重復(fù),室內(nèi)自然風(fēng)干后過1和0.25 mm 篩后測定土壤基本理化性質(zhì)[11]。土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化外加熱法;全氮用高氯酸—硫酸消化法、堿解氮用擴(kuò)散吸收法、全磷用高氯酸—硫酸酸融—鉬銻抗比色法、速效磷用碳酸氫鈉法、全鉀用高氯酸—硫酸消化—火焰光度計(jì)法、速效鉀用火焰光度計(jì)法、pH值用PHS-3S型pH計(jì)測定[11]
坡耕地退耕還林后,隨著土壤有機(jī)質(zhì)的增加,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量也有一定程度的增加(表2),同時(shí),隨著退耕年限的延長,土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量呈增加趨勢,經(jīng)過退耕3~5 a土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體快速增長期后,5~8 a增長幅度變緩[14],水穩(wěn)性團(tuán)聚體由小粒徑向大粒徑的轉(zhuǎn)化趨勢明顯。人為耕作活動(dòng)對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響,最為明顯的是大粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體[15]。>5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體與退耕年限具有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù) R>0.95,表明喀斯特山區(qū)退耕5 a后,之前人為耕作對土壤的破壞影響正在逐漸減弱,同時(shí)由于林下植被的恢復(fù),增加了土壤膠結(jié)物質(zhì)源,利于土壤有機(jī)碳庫的儲(chǔ)存,沒有人為耕作活動(dòng)的影響,土壤的膠結(jié)團(tuán)聚過程增加,從而使團(tuán)聚體數(shù)量增加。當(dāng)小粒徑團(tuán)聚體增加到一定程度時(shí),將趨于穩(wěn)定(表2)。0.5~0.25 mm,1~0.5 mm及2~1 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)體在連續(xù)4 a中變化已不明顯。連續(xù)退耕5~8 a后,水穩(wěn)性團(tuán)聚體多集中在5~2 mm粒徑,且>5 mm的團(tuán)聚體呈現(xiàn)出明顯的逐年增加狀態(tài),可以推斷出退耕地在今后幾年,還將處于中粒徑向大粒徑轉(zhuǎn)化狀態(tài)。
表2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量 %
喀斯特山區(qū)坡耕地退耕還林連續(xù)5~8 a后,還林地的土壤理化性狀得到明顯改善,表現(xiàn)為碳、氮、磷、鉀的整體提高,以退耕5 a樣地為例,相比于石漠化樣地,有機(jī)質(zhì)含量增加了69%,全氮增加了9%,堿解氮含量增加了107%,全磷增加了176%,速效鉀增加了161%,全鉀則有所減少,減少了43%,而退耕其它年份亦有明顯增加(表3)。從表中還可以看出,自然松林樣地的養(yǎng)分狀況均低于退耕地,這主要是由于自然松林的立木已經(jīng)處于壯年期(均胸徑6.2 cm),且種植較集中(10 m×10 m樣地中有42株),其對土壤養(yǎng)分的需求量大;另一方面,松林下幾乎沒有草本植物(松林蓋度95%),限制了土壤養(yǎng)分庫源的供給,雖然沒有人為干擾,但土壤的養(yǎng)分補(bǔ)給不足。從而導(dǎo)致自然松林的土壤養(yǎng)分狀況整體低于退耕地,但均高于石漠化地區(qū)。
據(jù)研究表明[9],侵蝕環(huán)境中土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切,土壤中的大團(tuán)聚體能夠合理調(diào)節(jié)土壤的通氣性與持水性,調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的保持與釋放間的矛盾[16-17]。對喀斯特山區(qū)連續(xù)退耕5~8 a樣地的水穩(wěn)性團(tuán)聚體及土壤養(yǎng)分主要性狀因子進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明,水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀及速效鉀具有顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R分別達(dá)到 0.97,0.70,0.93,0.88;與堿解氮 、全磷的相關(guān)性不明顯。
表3 退耕地土壤養(yǎng)分狀況
2.3.1 喀斯特山區(qū)退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)等因素的關(guān)系 水穩(wěn)性團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮相關(guān)分析表明,水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)(R>0.97)、全氮(R>0.70)的相關(guān)性顯著,與堿解氮的相關(guān)性不顯著。由坡耕地退耕后,消除了人為耕作活動(dòng)對土壤結(jié)構(gòu)的破壞,植被由單一的農(nóng)作物變成豐富的林下雜草,在貴州濕潤氣候條件下,這些豐富的林下植物,更易腐化分解,逐漸形成土壤有機(jī)質(zhì),為水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成提供條件,二者表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性。連續(xù)退耕5~8 a后,林下分解和半分解植物體的有機(jī)碳持續(xù)增加,這些年輕的有機(jī)碳更容易形成穩(wěn)定大團(tuán)聚體[18],與退耕5~8 a后水穩(wěn)性團(tuán)聚體向大粒徑轉(zhuǎn)化趨勢一致。水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和堿解氮的相關(guān)性不明顯,一是因?yàn)榭λ固氐貐^(qū)土壤普遍缺乏氮素[19],喀斯特特殊的地形及坡耕地形式不利于氮的積累;二是速效堿解氮的積累受人為施肥活動(dòng)影響明顯,退耕地由完全人為干擾生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]的生態(tài)系統(tǒng),在退耕還林的近幾年,植被與土壤間的氮素供求還處于一種協(xié)調(diào)階段,穩(wěn)定性不明顯。適當(dāng)補(bǔ)充土壤中的有效氮元素,以利于植被的健康生長及土壤質(zhì)量的提高。
2.3.2 喀斯特山區(qū)退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體與全磷、全鉀及速效鉀的關(guān)系 喀斯特山區(qū)退耕地在連續(xù)退耕5~8 a后,>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤全磷全鉀(R>0.93)、速效鉀(R>0.88)具有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了極顯著(R>0.88)水平,而與全磷的相關(guān)性不顯著。在退耕5~8 a后,林下豐富的雜草植被在枯落后,為土壤積累了大量的腐殖質(zhì),增加土壤形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體的所需膠結(jié)源的同時(shí)也利于了土壤鉀元素與植被間的循環(huán),使二者具有很好的相關(guān)性。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和磷元素的不相關(guān)性,說明磷元素對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成作用不明顯,另外也不排除之前的耕作措施對樣地的干擾因素依然存在。磷和鉀元素是植物生長必不可少的元素,且受人工施肥活動(dòng)影響明顯,考慮到初期退耕林木的生長需求,在條件允許的情況下,可適當(dāng)人為增加土壤磷鉀元素的補(bǔ)給。同時(shí)嚴(yán)禁人為對林下植被的破環(huán),確保林下植物對土壤養(yǎng)分元素的返還。
土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元,團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的中心調(diào)節(jié)器,影響著土壤的空隙性持水性通透性和抗蝕性,團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性是土壤質(zhì)量的敏感性物理指標(biāo)[12],可以用來反映生態(tài)恢復(fù)過程土壤質(zhì)量的演變過程[9]。在水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成過程中,有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用是形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要因素[13]??λ固厣絽^(qū)土層淺薄,一旦山坡被開墾為耕地后,土壤有機(jī)質(zhì)氧化分解,土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重,土壤膠結(jié)物質(zhì)減少,使大團(tuán)聚體分解降為小粒徑團(tuán)聚體,加之耕作對土壤結(jié)構(gòu)的破壞,使土壤團(tuán)聚體急劇減少,人為耕作尤其對>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響明顯[14]。
從以上結(jié)果分析可以看出,坡耕地退耕5~8 a后,土壤大粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有明顯增長趨勢,說明之前人為耕作活動(dòng)對土壤的機(jī)械破壞作用的影響正在消除。退耕地中植被恢復(fù)與土壤間的水穩(wěn)性團(tuán)聚體及養(yǎng)分狀況正處于一種協(xié)調(diào)促進(jìn)狀態(tài),對于退耕還林地到什么階段土壤各質(zhì)量因子及植被將達(dá)到穩(wěn)定現(xiàn)在還不十分清楚。這也為下一步工作設(shè)想提供了思路,本研究由于受客觀條件限制,只能夠選取5~8 a的退耕地進(jìn)行研究,研究結(jié)果具有一定的局限性,今后可以選擇更多退耕年限的樣地進(jìn)行跟蹤研究,同時(shí)也有必要對退耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及植被恢復(fù)質(zhì)量等方面進(jìn)行研究比較,以對喀斯特地區(qū)實(shí)施退耕還林工程的效益評價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。
(1)喀斯特山區(qū)退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體隨退耕年限延長有明顯增加,退耕5 a后,小粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增長已趨于穩(wěn)定和平緩,多集中于5~2 mm粒徑,向大粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化趨勢明顯,>5 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與退耕年限相關(guān)性極顯著,擬合曲線顯示,今后一段時(shí)間內(nèi),還將延續(xù)這種趨勢。
(2)退耕地退耕5~8 a后土壤養(yǎng)分的各項(xiàng)因子比石漠化樣地有了顯著提高,土壤質(zhì)量得到明顯改善,水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、速效鉀呈極顯著相關(guān)。與土壤堿解氮氮、全磷相關(guān)性不顯著。
(3)喀斯特山區(qū)實(shí)施退耕還林工程及石漠化治理工程中,應(yīng)避免植被的人為破壞,確保林下植被對土壤的營養(yǎng)返還。同時(shí),還應(yīng)對退耕還林地林木及其它植被狀況進(jìn)行長期監(jiān)測,積累土壤及植被特征時(shí)空資料,開展對退耕還林地的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的準(zhǔn)確評估,為喀斯特山區(qū)的退耕還林工作提供科學(xué)指導(dǎo)。
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