趙自超，夏振堯，熊詩源，吳 彬，許文年

（1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌443002；2.三峽大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 宜昌443002；3.湖北中孚化工集團(tuán)，湖北 宜昌443002）

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，而且還是重要的生態(tài)因子，為生態(tài)系統(tǒng)中生物的生長發(fā)育、生存和繁殖提供最基本的環(huán)境條件和物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。土壤作為植物生長的基質(zhì)和環(huán)境，一方面對(duì)植物起固著作用，另一方面為植物的生長提供水、熱、氣、肥等條件。土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)及演化趨勢直接影響著植物的生長發(fā)育和群 落 的演 替 動(dòng) 態(tài)［2－3］，影 響 著 植 被 結(jié) 構(gòu)［4］和植被生產(chǎn)力［5］。土壤的生物性質(zhì)在土壤中的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中發(fā)揮著重要作用［6－7］。

工程擾動(dòng)導(dǎo)致自然生境大量喪失，植物賴以生存土壤和環(huán)境遭到破壞，為了加速擾動(dòng)區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)，研究開發(fā)了一系列的工程擾動(dòng)區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)［8－10］。目前工程擾動(dòng)區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)，考慮較多的是修復(fù)基材在擾動(dòng)坡體上的穩(wěn)定性、先鋒物種在修復(fù)基材中的適應(yīng)性等方面，側(cè)重于對(duì)修復(fù)基材配合比研制和施工工藝改進(jìn)等方面的工程技術(shù)研究［11－14］。而對(duì)工程擾動(dòng)區(qū)生態(tài)恢復(fù)不同階段的土壤性質(zhì)變化規(guī)律研究較少。本研究以工程擾動(dòng)邊坡植被恢復(fù)為研究對(duì)象，采用“空間代替時(shí)間的方法”選取不同類型的群落來代表不同的恢復(fù)階段，從而建立時(shí)間演替序列，通過對(duì)這些代表不同恢復(fù)階段的土壤因子進(jìn)行較為系統(tǒng)的測定，從而確定植被恢復(fù)過程中土壤性質(zhì)的演變規(guī)律以探求人工植被的恢復(fù)機(jī)理，同時(shí)也為人工加快植被恢復(fù)進(jìn)程和實(shí)現(xiàn)工程擾動(dòng)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

宜昌市，長江中游的起點(diǎn)、鄂西秦巴山脈和武陵山脈向江漢平原的過渡地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°15′—112°04′，北緯29°56′—31°34′。全區(qū)四季分明，春秋較長，年平均降水量為992.1～1 404.1mm，雨水豐沛，多在夏季6—7月。雨熱同期，全年積溫較高，無霜期較長，年平均氣溫為13.1～18℃。境內(nèi)的土壤主要是黃壤。

1.2 研究方法

采取植被演替空間排列順序推斷時(shí)間演替順序，選取8個(gè)樣地分別代表群落演替的各個(gè)階段，各樣地的土壤均為黃壤。樣地情況如表1所示。每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)2m×2m樣方，分別在每個(gè)樣地的樣方內(nèi)用土鉆隨機(jī)取0—20cm土層的土樣各5個(gè)，混合為一個(gè)土樣。迅速撿去枯枝落葉后分為兩部分，一部分自然風(fēng)干用于土壤物理化學(xué)特性的分析，另一部分在低溫的條件下運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)過2mm的篩后裝在密閉容器內(nèi)，放置在0～4℃的冰箱內(nèi)保存用于土壤微生物量的分析。

土壤容重用環(huán)刀法測定，酸堿度采用電位法測定，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定，全氮和堿解氮利用擴(kuò)散吸收法測定，速效磷采用0.5mol／L NaHCO3溶液浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度法測定，土壤微生物碳和氮采用氯仿熏蒸浸提法測定，土壤基礎(chǔ)呼吸采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測定。數(shù)據(jù)先用 WPS 2010表格統(tǒng)計(jì)，然后用SPSS 17.0數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)軟件分析。

表1 樣地基本情況

2 結(jié)果與討論

2.1 群落演替各階段土壤水分和容重變化

土壤水分是土壤的重要組成部分，對(duì)植被的生長發(fā)育起著重要作用，水是土壤肥力諸因素中最活躍的因素，它除提供植物直接吸收利用外，還影響微生物的生命活動(dòng)，養(yǎng)分的分解轉(zhuǎn)化以及土壤中許多物理、化學(xué)、生物學(xué)過程。所以調(diào)節(jié)土壤水分狀況，?？墒狗?、氣、熱狀況同時(shí)得到調(diào)節(jié)，了解邊坡植被演替過程中土壤水分狀況的變化規(guī)律，對(duì)邊坡植被恢復(fù)具有重要意義。由表2可知，擾動(dòng)邊坡植被恢復(fù)演替過程中，土壤含水量呈現(xiàn)先上升，后下降再上升的趨勢?？赡苁怯捎诓煌闹脖簧L狀況、覆蓋度的變化、土壤表層水土流失程度致使在不同演替時(shí)期邊坡土壤含水量在時(shí)空上的不同。

表2 群落演替各階段土壤水分和容重

土壤容重大小反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，也可作為土壤熟化程度指標(biāo)之一。土壤容重越小，說明熟化程度較高，土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好土壤容重越小，說明熟化程度較高，土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好。由表2可知，在邊坡植被恢復(fù)過程中，土壤容重隨著植被恢復(fù)演替呈逐漸下降趨勢，不同的演替類型，其表層狀況如枯落物的數(shù)量和構(gòu)成以及植物根系的生長發(fā)育特征不同，造成了不同的治理類型土壤物理性狀的差異。隨著演替梯度的變化，各樣地土壤特性呈現(xiàn)有規(guī)律的良性發(fā)展的趨勢，即土壤容重逐漸減小，均表現(xiàn)出了對(duì)土壤容重明顯的改良作用。

2.2 群落演替各階段土壤化學(xué)性質(zhì)變化

土壤pH值對(duì)土壤肥力性質(zhì)有較大影響，土壤微生物的活動(dòng)，土壤有機(jī)質(zhì)的分解，土壤營養(yǎng)元素的釋放與轉(zhuǎn)化等過程都與土壤pH值有關(guān)。從表3中可以看出，SP1到SP7階段，為偏堿性范疇，整體變動(dòng)幅度不大，各樣地之間差異不顯著，呈現(xiàn)波動(dòng)平穩(wěn)的趨勢，SP8階段pH值為7.40，屬于中性范疇土壤，隨著時(shí)間的演替，有機(jī)凋落物大量增加，分解產(chǎn)生的有機(jī)酸對(duì)土壤酸度產(chǎn)生影響。

表3 群落演替各階段土壤pH值和養(yǎng)分

土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心［15］，植被恢復(fù)時(shí)間直接影響地表和地下生物量的積累，影響土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入與輸出。從表3可知，土壤有機(jī)碳隨植被恢復(fù)時(shí)間的推移增加趨勢十分明顯，不同植被演替階段土壤有機(jī)質(zhì)有差異。從SP1到SP2階段增加幅度較大，演替處于一年生草本向多年生草本的演替階段，植被覆蓋度及物種數(shù)增多，地表枯枝落葉層增加，土壤有機(jī)碳礦化加速，土壤有機(jī)碳增加幅度較大；SP2到SP3階段，隨著大量新的植物物種的侵入，使得群落各種間發(fā)生新的生存競爭，物種多樣性下降，有機(jī)碳出現(xiàn)下降趨勢；SP3到SP5階段，有機(jī)碳含量重新呈現(xiàn)上升趨勢；SP5到SP6階段，有機(jī)碳含量呈下降趨勢，但變化趨勢平緩，植被由灌草群落向喬木群落演替，物種數(shù)減少，地面覆蓋度降，土壤有機(jī)質(zhì)的積累較少，有機(jī)質(zhì)呈下降趨勢；SP7到SP8階段，植被群落向喬灌草頂級(jí)群落演替，由于林地的郁閉度較高，且林間可形成灌草群落，有利于土壤養(yǎng)分的積累與轉(zhuǎn)化，土壤有機(jī)質(zhì)增加，土壤微生物活動(dòng)加劇，有機(jī)碳增長趨勢加劇。

土壤氮素是植物必須的營養(yǎng)元素，是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。土壤氮密度是土壤氮儲(chǔ)量的一個(gè)重要指標(biāo)，其高低反映了某一區(qū)域上土壤氮儲(chǔ)量的大?。?6］。由表3可知，土壤全氮含量的變化趨勢和土壤有機(jī)質(zhì)變化趨勢一致，不同演替階段土壤全氮含量之間有差異。土壤堿解氮是土壤中有效態(tài)氮的主要形式，是土壤中有效氮的主要形式，表征土壤肥力質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。植被自然恢復(fù)過程中，土壤堿解氮含量呈波動(dòng)性上升趨勢。地上植被覆蓋度增加，其凋落物礦化后釋放大量的銨態(tài)氮及硝態(tài)氮，且土壤全氮的增加也導(dǎo)致土壤堿解氮的增加。

土壤磷素是土壤肥力的重要組成因子，是植物生長不可缺少的大量營養(yǎng)元素，是一種沉積性的礦物。土壤速效磷是衡量土壤磷素有效供應(yīng)的較好指標(biāo)。擾動(dòng)邊坡植被恢復(fù)過程中，土壤速效磷含量的變化與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等的變化不同，植被恢復(fù)使土壤速效磷的增加非常有限。由表3可知，土壤全磷和速效磷含量隨著恢復(fù)年限的增加，呈現(xiàn)先上升后下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢。SP1到SP3階段，因?yàn)橹脖簧L所需要的磷是由植物凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解提供，隨著植被恢復(fù)的推進(jìn)，地面覆蓋物增加，加速了礦物質(zhì)的分解和養(yǎng)分的積累，從而提高了速效磷含量；SP3到SP5階段，隨著地面植被的繁殖、生長消耗了大量的速效P，此階段速效磷含量呈現(xiàn)明顯下降趨勢。隨著植被恢復(fù)演替，擾動(dòng)邊坡土壤的全鉀含量呈現(xiàn)波動(dòng)性變化趨勢，各階段之間差異不顯著，速效鉀含量隨著植被恢復(fù)的演替呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這是因?yàn)橥寥乐械拟浭怯芍参锏蚵湮锖屯寥烙袡C(jī)質(zhì)分解提供，隨著植被恢復(fù)的推進(jìn)，地面覆蓋物增加，加速了礦物質(zhì)的分解和養(yǎng)分的積累，從而提高了速效鉀含量。

2.3 群落演替各階段土壤微生物量的變化

微生物量碳是植物營養(yǎng)的活性有效庫，它的變化可以更靈敏地反映土壤耕作制度和土壤肥力的變化，研究微生物量碳對(duì)于了解土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程都具有重要的意義［17］。由表4可見，微生物量碳隨植被恢復(fù)演替呈波動(dòng)性上升趨勢，SP1到SP3階段，土壤微生物碳呈上升趨勢，這是由于草本根系生物量及根系分泌物，促進(jìn)了微生物生長；SP3到SP5階段，微生物量碳含量變化不大，各樣地之間差異不顯著；SP5到SP8階段，微生物碳含量呈上升趨勢。

微生物量氮可作為反映土壤微生物同化—礦化活性的重要指標(biāo)，對(duì)研究生態(tài)系統(tǒng)中氮的植物有效利用性有重要意義。在植被自然恢復(fù)過程中，土壤微生物量氮含量隨著植被恢復(fù)年限的增加呈上升趨勢（表4）。

表4 群落演替各階段土壤微生物特性

土壤呼吸作用可用來反映土壤有機(jī)物的分解和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化程度，其主要是指土壤微生物呼吸作用。土壤呼吸速率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化反映了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率，可用來判斷微生物活性大小。土壤微生物呼吸速率隨著植被恢復(fù)年限的增加呈上升趨勢，SP1階段土壤呼吸強(qiáng)度最低，SP8階段最高。自然恢復(fù)后，地面植被覆蓋度增加，地表富集大量枯枝落葉層，有利于微生物的繁殖，土壤呼吸作用加強(qiáng)；隨著植被的進(jìn)一步演替，土壤微生物呼吸作用逐漸趨于穩(wěn)定。

呼吸熵（qCO2）又稱代謝熵，是基礎(chǔ)呼吸量與微生物量碳之間的比值，一直被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)干擾和演化的指標(biāo)，是衡量微生物對(duì)土壤碳利用效率的一個(gè)重要依據(jù)［18］。在邊坡植被恢復(fù)過程中土壤呼吸熵變化（表4），SP1到SP3階段，土壤呼吸熵減小，土壤熟化程度較好；SP3到SP5階段，土壤呼吸熵增大，植被恢復(fù)期間，植被向喬灌木方向演替，土壤水分匱乏，植被覆蓋度降低，微生物對(duì)土壤中碳的利用降低，土壤呼吸熵呈上升趨勢，這是微生物應(yīng)對(duì)植被環(huán)境驟變的一種抗逆境反應(yīng)；SP5到SP8階段，土壤呼吸熵減小，植被群落向喬灌草頂級(jí)群落演替，逐漸趨于穩(wěn)定，土壤微生物活性升高，利用碳的效率變高。

3 結(jié)論

擾動(dòng)邊坡植被恢復(fù)過程中，土壤含水量呈上升趨勢，土壤容重呈下降趨勢，總的來說，隨著植被恢復(fù)，土壤物理性質(zhì)逐漸改良；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、微生物量碳、微生物量氮、土壤呼吸呈上升趨勢。全磷和全鉀變化趨于穩(wěn)定，速效磷和速效鉀隨著植被恢復(fù)演替在前期呈現(xiàn)增加的趨勢，后又降低最后趨于穩(wěn)定。土壤微生物呼吸速率隨著植被恢復(fù)年限的增加呈上升趨勢。隨著植被恢復(fù)向喬灌草頂級(jí)群落演替，逐漸趨于穩(wěn)定，土壤微生物活性升高，利用碳的效率變高土壤呼吸熵減小。說明植被在恢復(fù)過程中，土壤的熟化程度越來越高。

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