不同活動(dòng)狀況崩崗崩壁土壤及芒萁的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)

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(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007)

崩崗侵蝕是我國(guó)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(guó)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(lái)，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(lái)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(guò)多年對(duì)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(duì)于南方紅壤區(qū)崩崗治理的效益研究多采用選取評(píng)價(jià)因子、建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的方法開(kāi)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(píng)價(jià)[8-11]。而對(duì)于植被自然恢復(fù)過(guò)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(jiàn)報(bào)道。

福建省是我國(guó)南方紅壤區(qū)崩崗侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一，尤以長(zhǎng)汀縣、安溪縣最為嚴(yán)重。本研究以福建省長(zhǎng)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(duì)象，開(kāi)展對(duì)不同活動(dòng)狀況崩崗在植被自然恢復(fù)過(guò)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(duì)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(zhǎng)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?rùn)，年均氣溫18.5℃，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(lái)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(zhǎng)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(duì)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(jiàn)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(guò)60目篩用于全C、全N和全P測(cè)定；植物全C含量采用重鉻酸鉀容重-外加熱法測(cè)定，全N含量采用凱氏定氮法測(cè)定，全P含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定[13]。不同深度的土壤樣品自然風(fēng)干后研磨，過(guò)0.149 mm篩的土樣用于有機(jī)C、全N、全P含量的測(cè)定。土壤有機(jī)C、全N采用德國(guó)Elemantar vario max碳氮元素分析儀測(cè)定；全P用硫酸-高氯酸消煮提取待測(cè)液后，采用荷蘭Skalar san++連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2019軟件對(duì)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(duì)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(guò)方差齊次檢驗(yàn)，使用非參數(shù)分析過(guò)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(xiě)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(lái)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(shuō)，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(guò)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(lái)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(wú)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(wú)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(xiě)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(xiě)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(guò)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(duì)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(guó)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(guó)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(lái)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(guò)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(lái)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(guó)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(guó)亞熱帶地區(qū)的古老蕨類植物，具有喜陽(yáng)、喜酸、耐貧瘠、耐旱的特點(diǎn)[21]，是紅壤地區(qū)生態(tài)退化過(guò)程中最后退出，生態(tài)恢復(fù)過(guò)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(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)需要維持較低的元素含量來(lái)提高其對(duì)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(yíng)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(wú)機(jī)鹽和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，莖是植物體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向上向下運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，葉片是植物進(jìn)行光合作用的最重要場(chǎng)所，是植物體的同化器官，也是植物重要的養(yǎng)分儲(chǔ)存器官[17]。因而，導(dǎo)致芒萁三大營(yíng)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(duì)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(duì)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(duì)穩(wěn)定，未達(dá)到顯著差異(p>0.05)。N和P元素受到來(lái)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(kù)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(duì)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(yíng)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(zhǎng)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(guó)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(duì)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(guó)土壤肥力的平均水平相比，仍處于極度低下?tīng)顟B(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(guò)程中，隨著先鋒植物芒萁的入侵并成功生存以及生長(zhǎng)，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(lái)的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)也更為顯著。