擾動邊坡植被恢復過程中的土壤性質演變

趙自超，夏振堯，熊詩源，吳 彬，許文年

（1.三峽大學 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 化學與生命科學學院，湖北 宜昌443002；3.湖北中孚化工集團，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)境條件和物質基礎［1］。土壤作為植物生長的基質和環(huán)境，一方面對植物起固著作用，另一方面為植物的生長提供水、熱、氣、肥等條件。土壤的物理、化學性質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 態(tài)［2－3］，影 響 著 植 被 結 構［4］和植被生產力［5］。土壤的生物性質在土壤中的各種生態(tài)系統(tǒng)服務中發(fā)揮著重要作用［6－7］。

工程擾動導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，為了加速擾動區(qū)域的生態(tài)恢復，研究開發(fā)了一系列的工程擾動區(qū)植被恢復技術［8－10］。目前工程擾動區(qū)植被恢復技術，考慮較多的是修復基材在擾動坡體上的穩(wěn)定性、先鋒物種在修復基材中的適應性等方面，側重于對修復基材配合比研制和施工工藝改進等方面的工程技術研究［11－14］。而對工程擾動區(qū)生態(tài)恢復不同階段的土壤性質變化規(guī)律研究較少。本研究以工程擾動邊坡植被恢復為研究對象，采用“空間代替時間的方法”選取不同類型的群落來代表不同的恢復階段，從而建立時間演替序列，通過對這些代表不同恢復階段的土壤因子進行較為系統(tǒng)的測定，從而確定植被恢復過程中土壤性質的演變規(guī)律以探求人工植被的恢復機理，同時也為人工加快植被恢復進程和實現工程擾動區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供科學的依據。

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、鄂西秦巴山脈和武陵山脈向江漢平原的過渡地帶，地理坐標為東經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間演替順序，選取8個樣地分別代表群落演替的各個階段，各樣地的土壤均為黃壤。樣地情況如表1所示。每個樣地設置5個2m×2m樣方，分別在每個樣地的樣方內用土鉆隨機取0—20cm土層的土樣各5個，混合為一個土樣。迅速撿去枯枝落葉后分為兩部分，一部分自然風干用于土壤物理化學特性的分析，另一部分在低溫的條件下運到實驗室內過2mm的篩后裝在密閉容器內，放置在0～4℃的冰箱內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，有機質用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定，全氮和堿解氮利用擴散吸收法測定，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，土壤基礎呼吸采用室內恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測定。數據先用 WPS 2010表格統(tǒng)計，然后用SPSS 17.0數據分析和統(tǒng)計軟件分析。

表1 樣地基本情況

2 結果與討論

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，養(yǎng)分的分解轉化以及土壤中許多物理、化學、生物學過程。所以調節(jié)土壤水分狀況，?？墒狗?、氣、熱狀況同時得到調節(jié)，了解邊坡植被演替過程中土壤水分狀況的變化規(guī)律，對邊坡植被恢復具有重要意義。由表2可知，擾動邊坡植被恢復演替過程中，土壤含水量呈現先上升，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期邊坡土壤含水量在時空上的不同。

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構、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之一。土壤容重越小，說明熟化程度較高，土壤結構、透氣透水性能越好土壤容重越小，說明熟化程度較高，土壤結構、透氣透水性能越好。由表2可知，在邊坡植被恢復過程中，土壤容重隨著植被恢復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量和構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，均表現出了對土壤容重明顯的改良作用。

2.2 群落演替各階段土壤化學性質變化

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

表3 群落演替各階段土壤pH值和養(yǎng)分

土壤有機碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉化的核心［15］，植被恢復時間直接影響地表和地下生物量的積累，影響土壤有機物質的輸入與輸出。從表3可知，土壤有機碳隨植被恢復時間的推移增加趨勢十分明顯，不同植被演替階段土壤有機質有差異。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增多，地表枯枝落葉層增加，土壤有機碳礦化加速，土壤有機碳增加幅度較大；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，有機碳出現下降趨勢；SP3到SP5階段，有機碳含量重新呈現上升趨勢；SP5到SP6階段，有機碳含量呈下降趨勢，但變化趨勢平緩，植被由灌草群落向喬木群落演替，物種數減少，地面覆蓋度降，土壤有機質的積累較少，有機質呈下降趨勢；SP7到SP8階段，植被群落向喬灌草頂級群落演替，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)分的積累與轉化，土壤有機質增加，土壤微生物活動加劇，有機碳增長趨勢加劇。

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基礎之一。土壤氮密度是土壤氮儲量的一個重要指標，其高低反映了某一區(qū)域上土壤氮儲量的大小［16］。由表3可知，土壤全氮含量的變化趨勢和土壤有機質變化趨勢一致，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，表征土壤肥力質量的主要指標之一。植被自然恢復過程中，土壤堿解氮含量呈波動性上升趨勢。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的較好指標。擾動邊坡植被恢復過程中，土壤速效磷含量的變化與有機質、全氮、堿解氮等的變化不同，植被恢復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年限的增加，呈現先上升后下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢。SP1到SP3階段，因為植被生長所需要的磷是由植物凋落物和土壤有機質分解提供，隨著植被恢復的推進，地面覆蓋物增加，加速了礦物質的分解和養(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明顯下降趨勢。隨著植被恢復演替，擾動邊坡土壤的全鉀含量呈現波動性變化趨勢，各階段之間差異不顯著，速效鉀含量隨著植被恢復的演替呈現先增加后降低的趨勢。這是因為土壤中的鉀是由植物凋落物和土壤有機質分解提供，隨著植被恢復的推進，地面覆蓋物增加，加速了礦物質的分解和養(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，研究微生物量碳對于了解土壤養(yǎng)分轉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演替呈波動性上升趨勢，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，對研究生態(tài)系統(tǒng)中氮的植物有效利用性有重要意義。在植被自然恢復過程中，土壤微生物量氮含量隨著植被恢復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物的分解和土壤養(yǎng)分的轉化程度，其主要是指土壤微生物呼吸作用。土壤呼吸速率隨培養(yǎng)時間的變化反映了土壤有機質的礦化速率，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年限的增加呈上升趨勢，SP1階段土壤呼吸強度最低，SP8階段最高。自然恢復后，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；隨著植被的進一步演替，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，是基礎呼吸量與微生物量碳之間的比值，一直被認為是生態(tài)系統(tǒng)干擾和演化的指標，是衡量微生物對土壤碳利用效率的一個重要依據［18］。在邊坡植被恢復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，這是微生物應對植被環(huán)境驟變的一種抗逆境反應；SP5到SP8階段，土壤呼吸熵減小，植被群落向喬灌草頂級群落演替，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 結論

擾動邊坡植被恢復過程中，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，土壤物理性質逐漸改良；土壤有機質、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演替在前期呈現增加的趨勢，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年限的增加呈上升趨勢。隨著植被恢復向喬灌草頂級群落演替，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。說明植被在恢復過程中，土壤的熟化程度越來越高。

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