梁美霞,陳志彪,陳志強(qiáng),劉雅慧,姜 超,區(qū)曉琳

(1.泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,福建 泉州 362000;2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007;3.福建師范大學(xué) 濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007)

崩崗侵蝕是我國南方紅壤地區(qū)危害最大、最為典型的土壤侵蝕方式，其形成的崩崗地貌被形象地稱為南方紅壤區(qū)的“生態(tài)潰瘍”[1]。早在1960年，曾昭璇等[2]首次將“崩崗”作為中國特色的地貌學(xué)名稱引入地貌學(xué)研究中。早期的崩崗研究多涉及崩崗基本概念、侵蝕影響因素、侵蝕機(jī)理方面[3-4]；近些年來，隨著崩崗被列為南方紅壤區(qū)的重點(diǎn)治理項(xiàng)目，相關(guān)研究越來越關(guān)注崩崗系統(tǒng)不同部位理化性狀的試驗(yàn)研究以及崩崗治理的效益研究等[5-7]。經(jīng)過多年對崩崗的試驗(yàn)和治理研究，已探索出了多種有效的治理措施，并取得了良好的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)。目前對于南方紅壤區(qū)崩崗治理的效益研究多采用選取評價(jià)因子、建立評價(jià)指標(biāo)體系的方法開展不同治理模式下或不同侵蝕強(qiáng)度下崩崗治理的綜合效益定性或定量評價(jià)[8-11]。而對于植被自然恢復(fù)過程中不同活動(dòng)狀態(tài)下崩崗系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)研究則鮮見報(bào)道。

福建省是我國南方紅壤區(qū)崩崗侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一，尤以長汀縣、安溪縣最為嚴(yán)重。本研究以福建省長汀縣濯田鎮(zhèn)黃泥坑崩崗群中3種不同活動(dòng)狀況崩崗類型為研究對象，開展對不同活動(dòng)狀況崩崗在植被自然恢復(fù)過程中，崩壁區(qū)土壤養(yǎng)分和植物養(yǎng)分含量的變化及二者之間的關(guān)系，旨在研究崩崗侵蝕區(qū)治理的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)，揭示崩崗區(qū)土壤養(yǎng)分的循環(huán)和限制狀況以及植物的生態(tài)指示作用，以期對極度退化生態(tài)系統(tǒng)崩崗的生態(tài)修復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選取了福建省長汀縣濯田鎮(zhèn)西南部的黃泥坑崩崗群(116°16′52″E，25°31′49″N)。該區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，境內(nèi)陡坡、山地和丘陵多，氣候溫?zé)釢駶?，年均氣?8.5℃，年均降雨量1 710 mm，為典型的中亞熱帶季風(fēng)性氣候。土壤為粗晶花崗巖巖性風(fēng)化發(fā)育而成的侵蝕性紅壤，其抗侵蝕性能較差，保水保肥的能力也較弱。加上當(dāng)?shù)鼐用竦幕顒?dòng)干擾，大量植被遭受破壞，使得山體裸露，強(qiáng)降雨下，山體表層土被雨水沖刷侵蝕下切至砂土層，切溝發(fā)育。由于砂土土體疏松、抗蝕性差，在跌水與重力復(fù)合交替侵蝕作用下崩塌形成崩壁，沖刷下來的泥沙堆積在崩壁底部而形成崩積體，崩積體表層土體隨徑流往下游搬運(yùn)，形成了獨(dú)特的崩崗地貌。該區(qū)共分布有崩崗34條，侵蝕面積約37 500 m2，主溝長度達(dá)200.34 m，寬度為4.87～12.10 m。

本研究依據(jù)陳志彪等[12]對崩崗活動(dòng)狀況類型的劃分，遵循典型性和代表性原則，于2014年7月選取黃泥坑崩崗群中同一集水區(qū)域內(nèi)的3條不同活動(dòng)狀況典型崩崗樣地，植被和土壤環(huán)境特征見表1，3處崩壁侵蝕皆接近山體分水嶺，均屬于崩崗發(fā)育的后期，以坡面侵蝕溝匯水特征的差異為劃分依據(jù)，崩崗Ⅰ崩壁受跌水作用強(qiáng)烈，處于活動(dòng)狀態(tài)，崩壁高度達(dá)9.43 m，寬度3.55～5.09 m，其上遍布白色粗粒的石英顆粒，表層土呈赤褐色；崩崗Ⅱ崩壁受間歇性跌水作用，處于半穩(wěn)定狀態(tài)，崩壁高度達(dá)11.80 m，寬度4.62～6.02 m，表層土呈深紅色，質(zhì)地疏松；崩崗Ⅲ崩壁不受跌水作用，處于穩(wěn)定狀態(tài)，崩壁高度達(dá)6.30 m，寬度2.70～3.42 m，其上有部分土體露出；3處典型崩崗崩壁部位均分布有芒萁植物種。

表1 3種不同活動(dòng)狀況崩崗的基本情況

1.2 樣品采集與分析

于每條崩崗的崩壁區(qū)部位按頂部、中部和底部依次設(shè)置采樣地，頂部為集水坡面與崩壁的交界區(qū)域，底部則為崩壁與崩積體的交界地帶。每一處樣地采用多點(diǎn)混合重復(fù)取樣3次，分別采集芒萁植物的葉、莖和根以及0—30 cm土壤樣品，并裝入標(biāo)記自封袋內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將芒萁植物的葉、莖和根85℃烘干到恒重，然后研磨過60目篩用于全C、全N和全P測定；植物全C含量采用重鉻酸鉀容重-外加熱法測定，全N含量采用凱氏定氮法測定，全P含量采用鉬銻抗比色法測定[13]。不同深度的土壤樣品自然風(fēng)干后研磨，過0.149 mm篩的土樣用于有機(jī)C、全N、全P含量的測定。土壤有機(jī)C、全N采用德國Elemantar vario max碳氮元素分析儀測定；全P用硫酸-高氯酸消煮提取待測液后，采用荷蘭Skalar san++連續(xù)流動(dòng)分析儀測定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2019軟件對試驗(yàn)所得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及圖形的繪制，采用SPSS 22進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先，分析樣本數(shù)據(jù)平均含量的表示法，若服從正態(tài)分布用算術(shù)平均值表示；服從對數(shù)正態(tài)分布用幾何平均值表示；若兩者都不服從用中位數(shù)表示。然后，進(jìn)行樣本之間的顯著性差異檢驗(yàn)。若符合正態(tài)分布，且滿足方差齊次檢驗(yàn)，用One-Way ANOVA單因素方差及LSD多重比較顯著性檢驗(yàn)。若不符合正態(tài)分布或未能通過方差齊次檢驗(yàn)，使用非參數(shù)分析過程Kruskal Wallis秩和檢驗(yàn)方法。各指標(biāo)之間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)系數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 崩崗崩壁區(qū)土壤養(yǎng)分含量變化

2.1.1 同一活動(dòng)狀況下崩壁不同部位土壤養(yǎng)分含量變化 同一活動(dòng)狀況下，崩壁不同部位0—30 cm深度土壤中所含的養(yǎng)分除了崩崗Ⅰ土壤有機(jī)碳含量以外，其他部位養(yǎng)分含量均達(dá)到顯著性差異(p<0.05)。如圖1所示，有機(jī)碳和全氮含量均在Ⅰ區(qū)頂部、Ⅱ區(qū)底部、Ⅲ區(qū)中部含量最高，而全磷含量則在Ⅰ區(qū)底部、Ⅱ區(qū)頂部、Ⅲ區(qū)底部含量最高。

注：Ⅰ中有機(jī)碳含量和全磷含量、Ⅲ中全磷含量用算數(shù)平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示；Ⅱ中有機(jī)碳含量和全氮含量用幾何均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示；Ⅰ和Ⅲ中全氮含量、Ⅱ中全磷含量、Ⅲ中有機(jī)氮含量用中位數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。不同大寫字母表示在同一活動(dòng)狀況不同部位間差異顯著(p<0.05)。

2.1.2 不同活動(dòng)狀況下崩崗崩壁土壤養(yǎng)分含量變化由表2可知，從樣本數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果來看，隨著植被覆蓋度的提高，崩崗活動(dòng)狀況逐漸穩(wěn)定，3種不同活動(dòng)狀況的崩崗區(qū)中，崩壁土壤中有機(jī)碳、全氮的含量逐漸增加，表現(xiàn)為Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ，全磷的含量有所波動(dòng)，表現(xiàn)為Ⅱ<Ⅰ<Ⅲ。從總體上說，崩崗?fù)寥鲤B(yǎng)分含量變化幅度的大小為全磷<全氮<有機(jī)碳。通過SPSS的單因素方差分析，結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳含量在崩崗Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中存在顯著差異(p<0.05)，崩崗Ⅲ的土壤全氮含量與崩崗Ⅰ和Ⅱ存在顯著差異(p<0.05)，崩崗Ⅱ全磷含量與崩崗Ⅰ和Ⅲ存在顯著差異(p<0.05)。

表2 3種不同活動(dòng)狀況崩崗?fù)寥鲤B(yǎng)分含量 g/kg

2.2 崩崗崩壁區(qū)芒萁植物養(yǎng)分含量變化

2.2.1 同一活動(dòng)狀況下崩崗崩壁區(qū)芒萁植物不同器官養(yǎng)分含量變化 由圖2可知，從樣本數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果來看，同一活動(dòng)狀況的崩壁區(qū)芒萁植物不同器官中所含的養(yǎng)分有所差異。崩崗Ⅰ和Ⅱ中芒萁C含量表現(xiàn)為根<葉<莖，崩崗Ⅲ中則為根<莖<葉；芒萁N和P含量均表現(xiàn)為莖<根<葉。根據(jù)方差分析可知，除了崩崗Ⅰ中的芒萁C和N含量、崩崗Ⅱ中的芒萁C含量以外，同一活動(dòng)狀況下芒萁其他植物養(yǎng)分在三大器官間普遍存在顯著差異(p<0.05)。

2.2.2 不同活動(dòng)狀況下崩崗崩壁區(qū)芒萁植物養(yǎng)分含量變化 從圖2可以看出，隨著崩崗活動(dòng)狀況的逐漸穩(wěn)定，植被覆蓋度的提高，崩壁區(qū)芒萁葉中全C的含量表現(xiàn)為Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ，在崩崗Ⅲ中含量達(dá)最大值，且呈現(xiàn)出崩崗Ⅲ，Ⅱ與崩崗Ⅰ間存在顯著差異(p<0.05)，芒萁莖和根在3種不同活動(dòng)狀況崩崗間均無顯著差異；芒萁葉、莖中全N的含量均表現(xiàn)出崩崗Ⅲ與崩崗Ⅱ，Ⅰ間存在顯著差異(p<0.05)，根則無顯著差異；芒萁莖和根中的全P的含量也均呈現(xiàn)出崩崗Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ間存在顯著差異(p<0.05)。

2.3 芒萁植物與崩壁表層土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

由表3可知，除了Ⅰ莖的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表層土壤的有機(jī)氮呈正相關(guān)(p<0.05)，Ⅱ根的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)和表層土壤呈負(fù)相關(guān)以外，其余的植物不同器官養(yǎng)分含量與相應(yīng)的表土養(yǎng)分含量相關(guān)性不顯著(p<0.05)。

注：植物全碳含量用算術(shù)平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，全氮和全磷含量用中位數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示;不同大寫字母表示植物體內(nèi)養(yǎng)分在同一活動(dòng)狀況下不同器官之間存在的差異顯著(p<0.05);不同小寫字母表示植物體內(nèi)養(yǎng)分在同一器官不同活動(dòng)狀況下存在的差異顯著(p<0.05)。

表3 不同活動(dòng)狀況崩崗中芒萁植物各器官與0-10 cm土壤 C，N，P相關(guān)性

3 討 論

3.1 崩崗崩壁區(qū)土壤養(yǎng)分含量特征

崩崗侵蝕導(dǎo)致了土壤肥力急劇下降，生態(tài)環(huán)境惡化，本研究發(fā)現(xiàn)，崩崗的不同活動(dòng)狀況影響土壤養(yǎng)分的高低，在植被自然恢復(fù)過程中，隨著地表植被蓋度的提高，崩崗活動(dòng)狀況逐漸趨于穩(wěn)定，崩崗崩壁部位跌水作用依次減弱直至消失，水流對于地表的沖刷逐漸減緩，使得地表植物凋落物增多，其土壤中有機(jī)碳、全氮和全磷含量均在崩崗Ⅲ(穩(wěn)定型)達(dá)最大值，崩崗Ⅲ與崩崗Ⅰ、崩崗Ⅱ普遍存在顯著差異(p<0.05)，可知隨著崩崗穩(wěn)定性的提高，土壤肥力也得到一定程度提高，但是3種不同活動(dòng)狀況崩崗系統(tǒng)崩壁部位土壤有機(jī)碳、全氮、全磷平均含量分別僅為1.58，0.33，0.06 g/kg，即使是植被覆蓋度最高、活動(dòng)狀態(tài)最穩(wěn)定的崩崗Ⅲ土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量也僅有3.88，0.44，0.06 g/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國土壤養(yǎng)分平均含量[15](有機(jī)碳平均含量11.12 g/kg，全氮平均含量1.06 g/kg，全磷平均含量0.65 g/kg)，僅與塔里木沙漠腹地[16]土壤養(yǎng)分含量大致相等，處于極度低下水平，這主要與崩崗?fù)寥捞匦杂嘘P(guān)，呈現(xiàn)土壤有機(jī)碳、全氮和全磷表現(xiàn)出“協(xié)同缺乏”特征[17]，從而證實(shí)了崩崗是我國南方紅壤侵蝕區(qū)最嚴(yán)重的退化生態(tài)系統(tǒng)類型，其土壤結(jié)構(gòu)差，缺乏養(yǎng)分，肥力低下。

土壤中的有機(jī)碳和氮主要來源于土壤植物殘?bào)w分解與合成所形成的有機(jī)質(zhì)[18]，受到植物、水分、溫度和土壤母質(zhì)等因素的影響較大[19]。崩崗在形成過程中受到水流沖刷和重力侵蝕的交替作用，原坡面土體崩塌坍落形成崩壁，崩壁裸露，植物凋落物少，輸送到崩壁中不同部位的有機(jī)質(zhì)含量不同，導(dǎo)致同一活動(dòng)狀態(tài)下，崩壁不同部位土壤中所含有機(jī)碳和全氮含量普遍存在顯著性差異(p<0.05)。而土壤中磷是一種沉積性元素，來源于巖石分化，土壤中全磷的含量極低，可能與研究區(qū)的氣候條件、土壤侵蝕的強(qiáng)度和植物吸收利用有關(guān)，這與我國低緯度土壤全磷含量普遍較低的地理分布格局相一致[20]。

3.2 崩崗崩壁部位芒萁植物養(yǎng)分含量特征

芒萁是一種廣泛分布于我國亞熱帶地區(qū)的古老蕨類植物，具有喜陽、喜酸、耐貧瘠、耐旱的特點(diǎn)[21]，是紅壤地區(qū)生態(tài)退化過程中最后退出，生態(tài)恢復(fù)過程中最早進(jìn)入的草本植物之一[22]，不僅防止水土流失效果好，還能夠提高土壤有機(jī)碳和氮素含量。本研究發(fā)現(xiàn)，崩崗系統(tǒng)崩壁部位的芒萁葉C，N，P含量分別為481.54，6.63，0.20 mg/g。與全球或全國平均水平比，芒萁植物葉中C的平均含量高于全球平均水平(461.6 mg/g)，表明芒萁植物合成有機(jī)物質(zhì)的含量較高，而N，P的平均含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我國植物葉片N，P的平均含量水平(19.09，1.56 mg/g)[23]，也低于中國東部南北樣帶的蕨類植物葉片的N，P平均含量(11.25，0.88 mg/g)[24]?？赡苁怯捎谕嘶鷳B(tài)系統(tǒng)的土壤環(huán)境中，原生礦物逐漸減少，土壤肥力下降，有機(jī)礦物形式的磷酸鹽轉(zhuǎn)化為閉蓄態(tài)和有機(jī)結(jié)合的形式，難被芒萁吸收利用[25]，植物體的生長需要維持較低的元素含量來提高其對土壤元素的利用效率。

同一種活動(dòng)狀況的崩崗，植物體三大營養(yǎng)器官分別執(zhí)行不同的生理功能，根與土壤、微生物相互作用，吸收土壤中的無機(jī)鹽和營養(yǎng)物質(zhì)，莖是植物體營養(yǎng)物質(zhì)向上向下運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃~片是植物進(jìn)行光合作用的最重要場所，是植物體的同化器官，也是植物重要的養(yǎng)分儲存器官[17]。因而，導(dǎo)致芒萁三大營養(yǎng)器官的 C，N，P普遍存在顯著差異(p<0.05)，葉的C，N，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于莖和根。

植物體內(nèi)一般包括結(jié)構(gòu)性、功能性和貯藏性3種物質(zhì)。通常，C是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，受環(huán)境影響較小，含量相對較穩(wěn)定，而N和P是功能性物質(zhì)，受環(huán)境影響較大，含量相對不穩(wěn)定[26]。不同活動(dòng)狀況下，隨著崩崗穩(wěn)定性的提高，植被覆蓋度提高，芒萁葉中C的含量表現(xiàn)為Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ，表明完全暴露于空氣中的芒萁植物葉片光合作用強(qiáng)，其合成有機(jī)物質(zhì)的含量逐步提高，而芒萁的根狀莖和根受環(huán)境影響較小，芒萁莖和根的C含量相對穩(wěn)定，未達(dá)到顯著差異(p>0.05)。N和P元素受到來自于土壤環(huán)境輸入途徑的深刻影響，因此，隨著崩崗穩(wěn)定性的升高，芒萁植物N和P含量普遍存在顯著差異，可能與土壤養(yǎng)分庫存之間有關(guān)系，在退化生態(tài)系統(tǒng)中，芒萁生存環(huán)境惡劣，根莖對外界土壤環(huán)境所供給的養(yǎng)分吸收和利用的效率有所不同。

3.3 崩崗崩壁表層土壤養(yǎng)分與芒萁植物養(yǎng)分間的關(guān)聯(lián)性及生態(tài)指示意義

植物與環(huán)境之間的相互作用方式受到植物本身以及環(huán)境中營養(yǎng)元素供應(yīng)情況兩面的影響[27]。處在退化系統(tǒng)環(huán)境中的芒萁，其養(yǎng)分的吸收受到外界養(yǎng)分供應(yīng)條件的影響，在一定程度上能夠反映出芒萁與土壤的關(guān)系以及土壤的生長狀況。

本研究中，芒萁植物各器官(除了Ⅰ莖的N含量和Ⅱ根的N含量以外)的養(yǎng)分含量與各活動(dòng)狀況的崩崗表層土壤之間相關(guān)性不顯著(p>0.05)，從側(cè)面可以反映出芒萁體內(nèi)養(yǎng)分含量的多少與其自身發(fā)育節(jié)律、遺傳特性有關(guān)，并不主要受土壤養(yǎng)分含量多少的限制。鄧恢等[28]指出芒萁植物本身的耐酸性、縱橫交錯(cuò)的地下莖及龐大的根系使得它是根治南方紅壌侵蝕區(qū)強(qiáng)度、極強(qiáng)度水土區(qū)的唯一草本植物。崩崗作為我國南方紅壤侵蝕區(qū)典型的退化生態(tài)系統(tǒng)之一，本地草本植物芒萁是最早侵入該系統(tǒng)的草本植物，也是惡劣的環(huán)境中最后退出退化生態(tài)系統(tǒng)的草本植物，當(dāng)生存環(huán)境惡劣時(shí)，耐瘠性極強(qiáng)的芒萁體現(xiàn)出對于惡劣環(huán)境的適應(yīng)。

4 結(jié) 論

(1)隨著植被覆蓋度的提高，崩崗的活動(dòng)狀況逐漸穩(wěn)定，崩壁土壤養(yǎng)分含量有所增加。但與全國土壤肥力的平均水平相比，仍處于極度低下狀態(tài)，需進(jìn)一步加強(qiáng)崩崗?fù)寥赖纳鷳B(tài)修復(fù)。

(2)崩崗崩壁部位芒萁植物體的養(yǎng)分含量與表層土壤養(yǎng)分含量相關(guān)性不大，表明芒萁植物受土壤養(yǎng)分的影響較小，且在惡劣環(huán)境下進(jìn)化形成自身防御和適應(yīng)，并可作為改善南方紅壤侵蝕區(qū)崩崗系統(tǒng)土壤肥力的重要措施。

在崩崗系統(tǒng)植被自然恢復(fù)過程中，隨著先鋒植物芒萁的入侵并成功生存以及生長，植被狀況得到改善，崩崗系統(tǒng)受侵蝕的現(xiàn)象得到一定遏制，活動(dòng)狀況逐漸趨于穩(wěn)定，一定程度上改良了土壤的性狀，提高了土壤的肥力，植物的生存條件也進(jìn)一步得到優(yōu)化，崩崗治理所帶來的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)也更為顯著。