胡 陽, 鄧 艷, 蔣忠誠, 馬祖陸, 羅為群, 朱 鑫,4

(1.桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院, 廣西 桂林 541004 ; 2.中國地質科學院 巖溶地質研究所, 廣西 桂林 541004;

3.國土資源部 巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室, 廣西 桂林 541004; 4.桂林理工大學 土木與建筑工程學院, 廣西 桂林 541004)

典型巖溶山區(qū)植被恢復對土壤團聚體分布及穩(wěn)定性的影響

胡 陽1,2,3, 鄧 艷2,3, 蔣忠誠2,3, 馬祖陸2,3, 羅為群2,3, 朱 鑫2,3,4

(1.桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院, 廣西 桂林 541004 ; 2.中國地質科學院 巖溶地質研究所, 廣西 桂林 541004;

3.國土資源部 巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室, 廣西 桂林 541004; 4.桂林理工大學 土木與建筑工程學院, 廣西 桂林 541004)

摘要：[目的] 了解巖溶山區(qū)植被恢復對土壤團聚體分布及穩(wěn)定性的影響。[方法] 通過野外調查與室內分析，研究了廣西壯族自治區(qū)平果縣果化鎮(zhèn)典型巖溶峰叢洼地荒地、草地、灌叢、林灌4種不同植被覆蓋下土壤的基本理化性質、團聚體的分布及穩(wěn)定性特征。[結果] (1) 土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量與土壤的容重顯著負相關，與全土有機碳含量極顯著正相關； (2) 土壤水穩(wěn)性團聚體以2~1，1~0.5和<0.25 mm粒級的含量居多。>0.25 mm粒級的團聚體，在草地、灌叢和林灌中明顯高于荒地，在表層土中明顯高于下層土；(3) 隨土層深度的增加，土壤團聚體的破壞率增大；土壤團聚體的破壞率：草地<灌叢<林灌<荒地，草地和灌叢的平均重量直徑和幾何平均直徑明顯高于荒地和林灌。[結論] 植被的恢復提高了團聚體的穩(wěn)定性，且草地和灌叢土壤的團聚體穩(wěn)定性更高，更有利于水土保持，可以作為該區(qū)域水土保持的主要植被類型。

關鍵詞：團聚體分布; 團聚體穩(wěn)定性; 巖溶山區(qū); 植被恢復; 機械組成

由于受地理位置、地形地貌、氣候、土壤結構及人類活動等多種因素的影響，西南巖溶區(qū)一直是中國水土流失最為嚴重，生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一[1]。通過植被恢復增加土壤有機碳，促進土壤大小團聚體的形成，進而改善土壤環(huán)境，提高土壤生態(tài)功能是解決水土流失等脆弱生態(tài)環(huán)境問題的有效途徑[2]。

土壤團聚體即土壤結構，是指土壤所含的大小不同，形狀不一，有不同孔隙度、機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性的團聚體總和。它是由膠體的凝聚、膠結和黏結作用而相互聯(lián)結形成的土壤原生顆粒組成的。其數量分布和空間排列方式決定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進而決定了土壤的水力性質，影響土壤生物的活動[3]。同時，水穩(wěn)性團聚體的數量和分布狀況反映了土壤結構的穩(wěn)定性、持水性、通透性和抗侵蝕的能力[4]。因此，水穩(wěn)性團聚體的研究對植被土壤的水土保持和水源涵養(yǎng)能力的評價意義重大。

目前，國內外學者對土壤團聚體的形成理論，影響團聚體穩(wěn)定性的有機質、土壤微生物、土地利用方式等影響因子，以及土壤團聚體的具體研究方法等都做了大量研究[5]，但主要集中于成土條件較好的區(qū)域，對成土條件極差的巖溶山區(qū)石灰土團聚體特征研究還較少。段正鋒等[6]研究發(fā)現巖溶區(qū)土地利用方式強烈影響土壤有機碳的分布及團聚體的穩(wěn)定性；董亞輝等[7]研究認為巖溶山區(qū)退耕還林過程中種植對土壤磷素返還作用明顯的植物(避免人為干擾)，有利于退耕地林木的健康生長。俞月鳳等[8]發(fā)現喀斯特森林石灰土有機碳的貯量主要分布在粗團聚體中，沿擾動遞減梯度，土壤全體、各粒徑團聚體有機碳含量及貯量均明顯增加。李娟等[9]的研究表明團聚體活性有機碳可以有效衡量喀斯特山區(qū)土壤團聚體有機碳的動態(tài)。

本文以廣西壯族自治區(qū)平果縣果化鎮(zhèn)典型巖溶峰叢洼地的荒地，退耕后的草地、灌叢、林灌土壤為研究對象，研究不同深度下的土壤機械組成、水穩(wěn)性團聚體和有機碳特征，以期闡述巖溶山區(qū)植被恢復對土壤團聚體分布及穩(wěn)定性的影響，為深入研究石漠化山區(qū)不同退耕模式的水土保持和水源涵養(yǎng)能力提供理論依據。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)平果縣果化鎮(zhèn)西南的果化生態(tài)重建示范區(qū)，地理坐標為東經107°23′30″，北緯23°23′00″，屬于南亞熱帶季風氣候區(qū)(表1)。年均氣溫21 ℃，年均降雨量1 500 mm，每年5—9月為豐水期，4，10和11月為平水期，12月至次年4月為枯水期。該地區(qū)屬典型的巖溶峰叢洼地地貌，洼地底部海拔150~400 m，峰頂海拔可達500 m，地表水系不發(fā)育。洼底主要為耕地，種植有玉米、花生、火龍果等，峰叢有少量坡耕地，植被以灌草叢為主，間有任豆、李果、扁桃等喬木。研究區(qū)巖性以純灰?guī)r為主，夾有少量白云巖，主要發(fā)育棕色、黃棕色和棕紅色石灰土，土層淺薄，多石礫，且不連續(xù)。從洼底到峰頂土層厚度呈減小趨勢，一般洼地、谷地土層較厚，多在40—60 cm之間，坡中、坡麓土層厚度多在20—40 cm之間。

2研究方法

2.1　土壤樣品采集及處理

2013年5月，根據典型性和代表性原則，在研究區(qū)選擇2組氣候條件基本一致的荒地、草地、灌叢和林灌4種植被覆蓋類型的樣地。采樣時，在每個樣地中隨機分散設置3個采樣點，除去土壤表層枯枝落葉，按0—10，10—20，20—30，30—45和>45 cm分層采集。注意不要使土塊受擠壓，以保持原來的結構狀態(tài)。剝去土塊外面直接與土鍬接觸而變形的土壤，均勻地取內部未變形的，對應層次混合置于硬質塑料盒內，運回實驗室備用。將帶回的土壤沿自然結構面輕輕剝成10~12 mm直徑的小土塊，棄去粗根和小石塊。剝樣時應沿土壤的自然結構面輕輕剝開，避免受機械壓力而變形，然后將樣品放置風干。

2.2　測定方法

采用干篩法[10]分離出>7，7~4，4~2，2~1，1~0.5，0.5~0.25和<0.25 mm共7級土壤風干團聚體；用濕篩法[10]分離出>4，4~2，2~1，1~0.5，0.5~0.25和<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體；用比重計法[11]測定機械組成；用環(huán)刀法[12]測定容重；用低溫外熱重鉻酸鉀氧化—比色法[12]測定有機碳。

2.3　數據處理

團聚體的平均重量直徑(MMD)和幾何平均直徑(GWD)的計算公式[13]為：

(1)

(2)

式中：Ri——某級團聚體平均直徑(mm)； wi——不同土壤粒級團聚體占總團聚體的比例。

土壤團聚體破壞率的計算公式[13]：

團聚體破壞率=〔(>0.25mm風干團聚體)-(>0.25mm水穩(wěn)性團聚體)〕/(>0.25mm風干團聚體)×100%

表1　樣地自然概況

2.4　數據分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 18.0軟件對數據進行處理，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)對不同數據組間進行差異顯著性比較，用Pearson相關系數評價不同因子間的相關關系，顯著性水平設定為α=0.05。

3結果與分析

3.1　土壤基本理化性質

由表2可知，同一土層深度下，草地、灌叢、林灌的有機碳含量明顯高于荒地，且隨土層深度增加，有機碳含量逐漸降低。因為隨著植被的正向演替，生物量逐漸增多，回歸到地表的枯落物的量增大，使得草地、灌叢和林灌土壤的有機碳含量明顯高于植被覆蓋率低的荒地。而受地表枯落物的影響，表層土的有機碳含量顯然會高于下層土。

研究區(qū)土壤以黏土和粉(砂)質黏土為主，土壤粉粒和黏粒含量較高，粉粒含量在30%以上，黏粒含量在50%以上。不同植被類型間的土壤機械組成差異不明顯，但隨著植被的正向演替和土層深度的增加，土壤黏粒含量逐漸減小，粉粒含量逐漸增加。因為植被覆蓋率低的荒地和表層土易受雨水濺蝕和流水侵蝕，加上人為活動的干擾，土壤侵蝕更嚴重，使得粒徑較小的黏粒容易流失，所以黏粒含量更低。

3.2　土壤團聚體與基本理化性質的相關關系

由表3可知，土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體與土壤容重顯著負相關，與全土有機碳極顯著正相關(p<0.01)，說明土壤容重越小，有機碳含量越高，土壤水穩(wěn)性團聚體越多。

>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量與土壤砂粒含量極顯著正相關，與黏粒含量顯著負相關，這是因為>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量與全土有機碳極顯著正相關，而土壤砂粒含量和全土有機碳均隨土層深度增加而降低，從而呈現出水穩(wěn)性團聚體含量隨砂粒含量增加而增加的趨勢。

為了弱化團聚體直徑的影響，量化研究土壤團聚體的特征，我們對團聚體直徑取對數加權求和，引入了平均重量直徑(mean mass diameter，MMD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)[14-15]的概念，從而提高團聚體含量在評價指標體系中的影響份額。MMD和GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強[16]。由表3可知，平均重量直徑和幾何平均直徑與土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體極顯著正相關。說明土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量越高，土壤團聚體的穩(wěn)定性越強。另外，MMD和GMD值與土壤中>2 mm的水穩(wěn)性團聚體極顯著正相關，與<1 mm的水穩(wěn)性團聚體極顯著負相關，表明>2 mm的大顆粒水穩(wěn)性團聚體是提高團聚體穩(wěn)定性的主要組成部分，而<1 mm的小團聚體則嚴重制約團聚體的穩(wěn)定性。

此外，MMD和GMD值與土層深度顯著負相關，與全土有機碳、黏粒含量極顯著正相關，即土層越深，全土有機碳含量越低，MMD和GMD值越小，土壤穩(wěn)定性越差。

表2　樣地土壤基本理化性質

表3　土壤團聚體與基本理化性質的相關系數

注：*為 0. 05 水平上顯著相關； **為 0. 01 水平上顯著相關； MMD表示平均重量直徑； GMD表示幾何平均直徑

3.3　土壤團聚體的分布特征

由表4可知，不同植被類型間，在0—10 cm土層，灌叢中>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量顯著高于荒地、草地和林灌，草地、灌叢、林灌中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體明顯高于荒地，且差異顯著，說明植被恢復有助于提高表層土壤水穩(wěn)性大團聚體的含量。而其他各土層中不同植被類型的土壤水穩(wěn)性團聚體含量差異均不顯著。這可能是因為這些樣地的退耕年限較短，植被恢復對下層土壤水穩(wěn)性團聚體含量影響不明顯。

表4　樣地土壤各粒級水穩(wěn)性團聚體百分含量

注：同列同一土層深度不同小寫字母表示同一土層深度下不同植被類型間差異顯著(p<0.05)； 同列同一植被類型不同大寫字母表示同一植被類型下不同土層深度間差異顯著(p<0.05)； 同行括號內不同小寫字母表示不同粒級間差異顯著(p<0.05)。

同一植被類型下，在灌叢中，0—10 cm土層>4 mm的水穩(wěn)性團聚體含量顯著高于其他各土層，10—20 cm土層中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量與0—10 cm，20—30 cm土層差異不顯著，與30—45 cm,>45 cm土層差異顯著。不同粒級間，以2~1 mm，1~0.5 mm和<0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量居多，4~2 mm和0.5~0.25 mm其次，>4 mm的最少。

3.4　土壤團聚體的穩(wěn)定性特征

土壤團聚體的穩(wěn)定性對土壤肥力、土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤的可持續(xù)利用有很大的影響[17]。由圖1可知，4種植被類型中，草地土壤團聚體的破壞率最低，穩(wěn)定性最好，其次是灌叢和林灌，荒地的破壞率最大。同一土層深度下，草地、灌叢和林灌土壤團聚體的破壞率都明顯低于荒地。說明植被的恢復提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性。同一植被類型下，表層土團聚體的破壞率總體上都低于下層土，即土層越深，團聚體破壞率越大，越不穩(wěn)定。

圖1　不同植被類型樣地各層土壤團聚體的破壞率

由圖2—3可知，同一土層深度下，草地和灌叢的MMD和GMD明顯高于荒地和林灌；而同一植被類型下，表層土的MMD和GMD明顯高于下層土。表明草地和灌叢土壤團聚體的穩(wěn)定性比荒地和林灌高，表層土團聚體的穩(wěn)定性比下層土高。

圖2　不同植被類型樣地各層土壤團聚體平均重量直徑

圖3　不同植被類型樣地各層土壤團聚體的幾何平均直徑

4討 論

4.1　植被恢復對土壤團聚體分布的影響

不同植被類型中，土壤水穩(wěn)性團聚體均以2~1 mm，1~0.5 mm和<0.25 mm粒級的含量居多，4~2 mm和0.5~0.25 mm其次，>4 mm的最少。草地和灌叢中>2 mm的水穩(wěn)性團聚體明顯高于荒地和林灌，而<1 mm的水穩(wěn)性團聚體則低于荒地和林灌。草地、灌叢和林灌中>0.25 mm粒級的含量也明顯高于荒地。根據相關性分析可知，土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體，MMD，GMD與全土有機碳均呈極顯著正相關(p<0.01)。表明草地、灌叢和林灌土壤團聚體的穩(wěn)定性要高于荒地，植被的恢復有助于提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。因為隨著植被群落的發(fā)展壯大，地表枯落物增多，土壤有機碳含量逐漸增加，促進了團聚體的形成，提高了團聚體的穩(wěn)定性。劉艷等[18]研究也發(fā)現，油松林地由于地表枯落物儲量較多，增加了土壤有機質含量，促進了團聚體的形成。

同一植被類型下，表層土中>2 mm，>0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量明顯高于下層土，<1 mm粒級的含量則低于下層土，團聚體的穩(wěn)定性與土層深度呈現較好的負相關系。說明隨土層深度的增加，土壤團聚體的穩(wěn)定性逐漸降低。這是因為地表枯落物較多，有機碳含量較高，促進了大團聚體的形成，下層土壤的有機碳含量相對較低，土壤大團聚體形成量則較少，使得團聚體穩(wěn)定性降低。董莉麗等[19]研究也認為，表層(0—10 cm)土壤MMD和GMD一般較大，主要是由于表層土壤有機質含量高。

4.2　植被恢復對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

不同植被類型中，草地土壤團聚體的破壞率最低，穩(wěn)定性最好，其次是灌叢和林灌，荒地的破壞率最大。同一土層深度下，草地、灌叢和林灌土壤團聚體的破壞率都明顯低于荒地。說明植被的恢復提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性。因為隨著植被的恢復，土壤有機碳含量不斷增加，促進了團聚體的形成。而草地土壤團聚體的破壞率低于灌叢和林灌，可能是因為該巖溶山區(qū)土層淺薄，土壤零星分布，喬木、灌木種類單一，植被覆蓋率偏低，而以雜草為主的草地，植被覆蓋率高，更有利于土壤有機碳的積累。同一植被類型下，表層土壤團聚體的破壞率總體上都低于下層土。這是受地表枯落物和植物根系的影響，表層土有機碳含量普遍高于下層土的原因。

同一土層深度下，草地和灌叢的MMD和GMD明顯高于荒地和林灌；而同一植被類型下，表層土的MMD和GMD明顯高于下層土。表明草地和灌叢土壤團聚體的穩(wěn)定性比荒地和林灌高，表層土團聚體的穩(wěn)定性比下層土高。這與土壤團聚體破壞率的規(guī)律一致，因為草地和灌叢土壤有機碳含量比荒地和林灌的高，表層土有機碳含量比下層土有機碳含量高。

5結 論

(1) 土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量與土壤容重、黏粒含量顯著負相關，與全土有機碳、土壤砂礫含量極顯著正相關。

(2) 不同植被覆蓋下，土壤水穩(wěn)性團聚體均以2~1 mm，1~0.5 mm和<0.25 mm粒級的含量居多，4~2 mm和0.5~0.25 mm其次，>4 mm的最少。草地、灌叢和林灌中>0.25 mm粒級團聚體明顯高于荒地，表層土中>0.25 mm粒級團聚體明顯高于下層土。

(3) 隨土層深度的增加，土壤團聚體的破壞率增大，穩(wěn)定性降低。不同植被覆蓋下，土壤團聚體的破壞率：草地<灌叢<林灌<荒地，草地和灌叢的MMD和GMD明顯高于荒地和林灌。說明植被的恢復降低了土壤團聚體的破壞率，提高了團聚體的穩(wěn)定性，且草地和灌叢土壤的團聚體穩(wěn)定性更高，更有利于水土保持，可以作為巖溶山區(qū)水土保持的主要植被類型。

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Effects of Vegetation Restoration on Distribution and Stability of Soil Aggregate in Typical Karst Mountains

HU Yang1,2,3, DENG Yan2,3, JIANG Zhongcheng2,3,

MA Zulu2,3, LUO Weiqun2,3, ZHU Xin2,3,4

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,

Guilin,Guangxi541004,China; 2.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China;

3.KeyLaboratoryofKarstEcosystemandRockyDesertificationControl,MinistryofLandandResources,Guilin,Guangxi

541004,China; 4.CivilandArchitecturalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004,China)

Abstract：[Objective] To understand the influence of vegetation restoration on the distribution and stability of the soil aggregate in karst mountains.[Methods] Based on the field survey and laboratory analysis， we studied the basic physical and chemical properties of the soil, the distribution and stability of the soil aggregate from wasteland, grassland, bushwood, forest-shrub under four different vegetation coverages in typical karst mountains in Guohua Town, Pinguo County, Guangxi Zhuang Autonomous Region.[Results] (1) The water-stable soil aggregate of diameter >0.25 mm was significantly negative with soil bulk density and significantly positive with soil organic carbon; (2) The water-stable soil aggregate was mainly in diameter in diameter of 2~1 mm, 1~0.5 mm and <0.25 mm，and the water-stable soil aggregate of diameter >0.25 mm in grassland, bushwood and forest-shrub is obviously higher than in wasteland, while the topsoil is higher than the subsoil; (3) With the increase of soil depths, the destruction rate of the soil aggregate increases; the destruction rate order of the soil aggregate was: grassland < bushwood < forest-shrub < wasteland, the mean mass diameter and gemetric mean diameter of grassland and bushwood is significantly higher than wasteland and forest-shrub.[Conclusion] The vegetation restoration increases the stability of the soil aggregate, and the soil aggregate stability of grassland and bushwood are more higher, which are more conducive to soil and water conservation, and can be used as the main vegetation types for soil and water conservation in this area.

Keywords:aggregate distribution; aggregate stability; karst mountains; vegetation restoration; mechanical composition

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0061-07

中圖分類號：S152.4> S152.4

通信作者：鄧艷(1978—),女(漢族),廣西省貴港市人,碩士,副研究員,主要從事巖溶生態(tài)學和石漠化治理研究。E-mail:dydesk@karst.ac.cn。

收稿日期：2013-12-15修回日期：2014-01-13

資助項目：國家自然科學青年基金項目“巖溶峰叢洼地表層巖溶泉域植被生態(tài)需水量研究”(40902074)； 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金(YWF201401)； 國土資源地質大調查(1212011220958)； 廣西科學研究與技術開發(fā)計劃項目(桂科轉10124005)； 南寧市科學研究與技術開發(fā)項目(201102079C)

第一作者：胡陽(1986—),男(漢族),湖北省隨州市人,碩士研究生,研究方向為水文生態(tài)學和土壤物理。E-mail:hy512713127@126.com。