侯春蘭， 楊 瑞*， 劉 志， 楊秀忠， 瞿 爽， 王 勇，吳佳偉

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng)550025； 2.威寧自治縣農(nóng)牧局， 貴州 威寧 553100)

草海自然保護(hù)區(qū)是中國(guó)西南重要的喀斯特高原濕地生態(tài)系統(tǒng)，近年來由于人為活動(dòng)的干擾，區(qū)內(nèi)植被破壞嚴(yán)重，水土流失面積占保護(hù)區(qū)總面積的32. 8%，濕地嚴(yán)重萎縮，生態(tài)環(huán)境遭到破壞[1]。土壤持水性能表征土壤涵蓄和保持水分的能力，是評(píng)價(jià)土壤層對(duì)水土保持功能的重要指標(biāo)之一[2]。草海北坡是緩解草海生態(tài)問題的隔離廊道，分析草海北坡實(shí)施植被恢復(fù)工程對(duì)土壤持水性能的影響，對(duì)科學(xué)保護(hù)草海濕地生態(tài)具有重要意義。研究表明，土壤的抗沖性及水穩(wěn)性團(tuán)聚體隨草地演替逐漸改善，種植草被物能有效緩解水土流失和草地因退化導(dǎo)致土壤持水能力下降的趨勢(shì)[3-6]。自2017年貴州草海北坡面山植被恢復(fù)工程實(shí)施以來，草海北坡生態(tài)環(huán)境得到很大改善，隨著人工促進(jìn)草本植被天然更新，原裸露的地表被草本植物覆蓋，為草海濕地建立起生態(tài)修復(fù)屏障，但針對(duì)草海北坡植被恢復(fù)工程區(qū)的土壤持水性能的科學(xué)評(píng)價(jià)至今未見報(bào)道，基于此，以草海自然保護(hù)區(qū)北坡面山植被恢復(fù)工程區(qū)為研究對(duì)象，分析不同草本植物的土壤持水性能及其物理特性，對(duì)不同草本植物的土壤持水性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為威寧草海北坡植被恢復(fù)工程的持水效益評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為貴州省威寧縣草海自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)地處N26°49′～26°53′、E104°12′～104°18′，平均海拔2 171.7 m，屬云貴高原中部的烏蒙山脈腹地，是貴州最大的天然高原濕地淡水湖泊，國(guó)家級(jí)野生動(dòng)物自然保護(hù)區(qū)[7]。草海水草魚蝦豐茂，是黑頸鶴等多種候鳥落腳棲息越冬之處[8]。草海保護(hù)區(qū)由中心湖區(qū)、沼澤草甸和草甸系統(tǒng)組成，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，大部分土壤為黃棕壤，呈酸性，具有相對(duì)濕度大、淋溶作用強(qiáng)及有機(jī)質(zhì)含量高的特征，常年被湖水淹沒的盆地淤泥地帶則為泥炭化的沼澤土[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 2018年8月在威寧草海自然保護(hù)區(qū)北坡面山植被恢復(fù)工程區(qū)內(nèi)，根據(jù)研究區(qū)植被恢復(fù)類型，選擇種植矮生百慕大草(Cynodondactylon×C.transadlensisTifdwarf)、白茅(Imperatacylindrica)、白花酢漿草(Oxalisacetosella)、大籽蒿(Artemisiasieversiana)和云南蓍(Achilleawilsoniana)5個(gè)單一草本植物群落地塊，所選樣地此前均為撂荒地。其中，矮生百慕大草為人工種植，其余均為人工促進(jìn)天然更新，植被生長(zhǎng)狀況較好，植被恢復(fù)時(shí)間為1年，具體生境特征見表1。

1.2.2 樣品采集 由于植被恢復(fù)初期草本植物根系主要分布在0～20 cm土層，因此僅對(duì)0～20 cm土層的土壤進(jìn)行取樣。在無降雨情況下，分別在草海北坡工程區(qū)5種單一草本植物群落內(nèi)選擇能反映群落基本特征、具有代表性的地段，在上、中、下3點(diǎn)挖取土壤剖面進(jìn)行土壤樣品采集，每種草本植物下的土壤樣品取3個(gè)重復(fù)，保持土壤原有結(jié)構(gòu)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤持水性能及物理性質(zhì)的測(cè)定與分析，每個(gè)指標(biāo)測(cè)3個(gè)重復(fù)。

表1 不同草本植物生境基本情況

1.2.3 土壤指標(biāo)測(cè)定 采用烘干法對(duì)土壤自然含水量進(jìn)行測(cè)定，環(huán)刀法對(duì)土壤容重及土壤孔隙狀況進(jìn)行測(cè)定。

V1=0.1×C1×p土

V2=0.1×(Cmax-C1)×p土

V總=V1+V2

式中，V1、V2、V總分別為土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度(%)，p土為土壤容重(g/cm3)。

采用環(huán)刀法對(duì)土壤持水性能進(jìn)行測(cè)定，將裝有原狀土壤的環(huán)刀在水中浸泡12 h稱重，計(jì)算最大持水量，然后放置于干砂上2 h，此時(shí)土壤中的非毛管水已全部流出，稱重，計(jì)算毛管持水量。

式中，Cmax為最大持水量(g/kg)，m0、m1、m2分別為環(huán)刀內(nèi)土壤干重、浸泡12 h后的飽和重量和干砂上放置2 h后環(huán)刀內(nèi)土壤濕重(g)，C1為毛管持水量(g/kg)，C2為土壤的非毛管持水量(g/kg)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，用SPSS進(jìn)行方差分析及主成分分析，并對(duì)土壤含水量指標(biāo)與物理性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，利用Origin繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草本植物的土壤物理性質(zhì)

2.1.1 容重 土壤容重能夠直觀反映土壤的緊實(shí)狀況，是土壤基本的物理性質(zhì)之一，與植物的生長(zhǎng)密切相關(guān)[10]，適宜植物生長(zhǎng)的土壤容重范圍一般在1.0～1.3 g/cm3。由圖1看出，不同草本植物的土壤容重為1.11～1.27 g/cm3，表明不同草本植物的土壤疏松多孔，有利于植被生長(zhǎng)及水分下滲。5個(gè)草本植物中，白花酢漿草的土壤容重最小，大籽蒿的土壤容重最大。

2.1.2 自然含水率 自然含水率是表征土壤瞬時(shí)水分狀態(tài)的指標(biāo)。由圖1看出，不同草本植物的土壤自然含水率為22.20 %～30.61 %，其中，白花酢漿草下的土壤自然含水率最大，矮生百慕大草的土壤自然含水率最小。說明降雨時(shí)白花酢漿草的土壤瞬時(shí)持水量最大。

2.1.3 土壤孔隙 土壤孔隙是貯藏水分的重要場(chǎng)所，土壤孔隙通過影響土壤透水性從而決定其涵蓄和保持水分的能力[11]。從圖2看出，土壤總孔隙度白花酢漿草的最大，達(dá)48.85%；白茅的最小，為40.03%。土壤毛管孔隙度矮生百慕大草的最大，達(dá)47.21%，白茅的最小，為37.88%。土壤非毛管孔隙度白花酢漿草的最大，為2.48 %，矮生百慕大草的最小，為1.64%。

圖1 不同草本植物的土壤容重與自然含水率

圖2 不同草本植物的土壤孔隙度

5個(gè)草本植物的土壤總孔隙度均大于40%，說明5個(gè)草本植物下的土壤物理結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)較好，有利于土壤水分的蓄集，在充足的時(shí)間內(nèi)土壤可有效吸持大量降雨，以減少地表徑流?？傮w看，白花酢漿草土壤孔隙狀況表現(xiàn)最優(yōu)，白茅的土壤孔隙狀況表現(xiàn)相對(duì)較差。

2.2 不同草本植物的土壤持水特征

土壤飽和持水量反映土壤涵蓄和保持水分的潛在能力，是土壤毛管孔隙與非毛管孔隙的持水量達(dá)到飽和時(shí)的持水量[12]。由圖3可知，土壤飽和持水量白花酢漿草的最大，達(dá)444.23 g/kg。云南蓍的最小，為344.56 g/kg。土壤毛管持水量白花酢漿草的最大，達(dá)421.32 g/kg；云南蓍的最小，為329.53 g/kg。土壤非毛管持水量白花酢漿草的最大，達(dá)22.91 g/kg；矮生百慕大草的最小，為14.65 g/kg?？傮w看，5個(gè)草本植物的土壤持水能力均較好，其土壤毛管水較充沛，可供植物生長(zhǎng)吸收，但也容易通過蒸散發(fā)作用散失。從土壤飽和持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量3個(gè)指標(biāo)綜合分析，5個(gè)草本植物的土壤持水能力由強(qiáng)至弱依次為白花酢漿草、矮生百慕大草、白茅、大籽蒿和云南蓍。

2.3 土壤物理性質(zhì)與持水性能指標(biāo)的相關(guān)性

由表2可知，土壤持水性能指標(biāo)與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈正相關(guān)。其中，土壤飽和持水量與土壤總孔隙度和毛管孔隙度均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，與土壤非毛管孔隙度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)；毛管持水量與土壤總孔隙度、毛管孔隙度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；非毛管持水量與土壤非毛管孔隙度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。土壤持水性能與土壤容重表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤容重越小，土壤持水量越大；土壤的持水性能與土壤本身的孔隙狀況呈正相關(guān)，表明土壤總孔隙度和毛管孔隙度越大，土壤飽和持水量與毛管持水量越大，水分受土壤中毛管力的作用被土壤吸持達(dá)到持水效果；土壤非毛管孔隙度越大，飽和持水量與非毛管持水量也越大。

圖3 不同草本植物的土壤持水量

表2 不同草本植物土壤物理指標(biāo)與持水性能指標(biāo)的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上的顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上的顯著相關(guān)。

Note: * and ** indicate significance of difference atP< 0.05 andP< 0.01 level respectively.

3 結(jié)論與討論

對(duì)貴州草海自然保護(hù)區(qū)北坡面山植被恢復(fù)區(qū)不同草本植物淺層土壤的持水性能研究表明，矮生百慕大草、白茅、白花酢漿草、大籽蒿和云南蓍的淺層土壤持水性能沒有顯著差異，5個(gè)草本植物的土壤持水能力均較好，表明植被恢復(fù)措施有利于改善土壤的持水性能，對(duì)穩(wěn)定威寧草海濕地生態(tài)環(huán)境具有一定的價(jià)值。從土壤飽和持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量3個(gè)指標(biāo)綜合分析，5個(gè)草本植物的土壤持水能力由強(qiáng)至弱依次為白花酢漿草、矮生百慕大草、白茅、大籽蒿和云南蓍。

研究表明，土壤的持水性能與土壤物理性質(zhì)顯著相關(guān)。其中，土壤持水性能與土壤容重表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)，土壤容重越小，土壤持水量越大；與土壤本身的孔隙狀況呈正相關(guān)，土壤總孔隙度和毛管孔隙度越大，土壤飽和持水量與毛管持水量越大，水分受土壤中毛管力的作用被土壤吸持達(dá)到持水效果；土壤非毛管孔隙度越大，飽和持水量與非毛管持水量也越大。

植被類型是影響土壤水分特征的重要因素之一，植物能夠通過大量的須根進(jìn)行土壤加固，其效果優(yōu)于主根[13-16]。草本植物須根發(fā)達(dá)，其根系的生長(zhǎng)可增加土壤孔隙，引導(dǎo)水分進(jìn)入毛管孔隙，且種植草本植物改良后的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量更多，從而達(dá)到增加土壤涵蓄土保持水分的能力，減少水分流失。草海北坡工程區(qū)內(nèi)白花酢漿草的土壤持水性能表現(xiàn)最好，因?yàn)榘谆{草屬鱗莖類植物，地下根莖直徑大，在土壤表層較密集，導(dǎo)致水分的下滲減緩，增加了土壤表層的蓄水能力。說明不同草本植物類型地下形態(tài)特征的差異性可能對(duì)土壤的持水性能具有一定的影響。

趙健等[17]研究發(fā)現(xiàn)，退耕還林可有效地防治水土流失，林草措施可有效提高水土保持效益。陳佐忠等[18]研究認(rèn)為，草地在調(diào)節(jié)水分、保持水土等方面有重要的生態(tài)功能，這是由于種植草本植物可以改善土壤的自然容重，土壤容重降低，則土壤的緊實(shí)度也會(huì)隨之降低，土壤孔隙的數(shù)量會(huì)隨之增加，從而導(dǎo)致土壤的持水量提高，達(dá)到持水效能。研究表明，草海北坡工程區(qū)不同草本植物的土壤容重的變化范圍在1.11～1.27 g/cm3，均小于1.3 g/cm3，土壤總孔隙度均大于40%，說明工程區(qū)不同草本植物的土壤物理結(jié)構(gòu)較好，有利于土壤水分的蓄集，土壤持水性能表現(xiàn)較好，植被恢復(fù)措施有利于改良土壤持水效益，與前人的研究結(jié)果一致[19-20]。

枯落物與地被物可有效改良土壤的孔隙狀況及有效蓄水量，且非毛管孔隙占20%～40%時(shí)，土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)[21]。土壤的持水性能與土壤物理性質(zhì)顯著相關(guān)，但是5個(gè)草本植物類型的土壤持水性能沒有顯著差異，這可能是由于工程區(qū)植被恢復(fù)區(qū)域早前為撂荒地，持水性能較差，且植被恢復(fù)時(shí)間僅為1年，植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良效果不明顯，故不同草本植物下土壤持水性能差異較小。非毛管持水量被稱為土壤的有效蓄水量，研究中不同草本植物類型土壤的非毛管孔隙度及非毛管持水量均較小，在植被恢復(fù)過程中可在草坡上混植灌木及喬木，通過凋落枝葉及地下植物根系分布來增加土壤的非毛管孔隙度，提高土壤有效蓄水。