衡陽紫色土丘陵坡地植被不同恢復階段土壤理化特征分析

楊 寧 ，鄒冬生 ，楊滿元 ，陳盛彬 ，陳志陽 ，林仲桂

（1.湖南環境生物職業技術學院，a.園林學院，b.實訓中心，湖南衡陽421005；2.湖南農業大學生科院，湖南長沙410128）

植被與土壤是一個相互作用、協調發展的統一體，植被的演替伴隨著土壤性狀的改變，土壤的分異導致植被的變化，植被的變化影響著土壤的發育。因此，關于植被與土壤環境之間的關系研究，一直是生態學研究的一個重要領域。近年來，有關這方面的研究取得了一定的研究成果，主要涉及到植物群落演替階段土壤特性的差異[1，2]；植物群落演替進程中土壤肥力變化綜合評價[3-5]；植物群落分布與土壤特征及土壤營養關系等方面[6-8]，盡管以上研究對群落演替過程中的土壤變化的研究取得了一定的成果，對于衡陽紫色土丘陵坡地的研究主要集中于對其土壤水分的研究，忽視了土壤理化因子的重要作用，而導致所采取的經營措施存在盲目性。

衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是湖南省環境最為惡劣的地區之一，該區域水土流失嚴重，植被稀疏，基巖裸露，有的區域幾乎沒有土壤發育層，生態環境十分惡劣，植被恢復十分困難[9，10]。為此，本研究以衡陽紫色土丘陵坡地為例，研究植被不同恢復階段土壤理化特征，旨在為衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復與重建提供科學依據，對其生態環境建設與可持續的生態農業發展，具有重大的理論與實踐意義。

1 研究區域概況

該區域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐標為110°32′16″-113°16′32″E，26°07′05″-27°28′24″N。屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18℃；極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-7.9℃，年平均降雨量1325 mm，年平均蒸發量1426.5 mm。平均相對濕度80%,全年無霜期286 d。地貌類型以丘崗為主，呈網狀集中分布于該區域中部海拔60 m-200 m的地帶，東起衡東縣霞流、大浦，西至祁東縣過水坪，北至衡陽縣演陂、渣江，南達常寧市官嶺、東山和耒陽市遙田、市爐一帶，以衡南、衡陽兩縣面積最大。

2 研究方法

2.1 樣地設置

結合當地記載的資料，采用空間代替時間的方法[11]，選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態因子基本一致的坡中下部沿等高線的裸荒地、草本群落、灌木群落和喬木群落四種類型表示演替的四個階段，分別用演替初期（Ⅰ）、演替中前期（Ⅱ）、演替中后期（Ⅲ）與演替后期（Ⅳ）表示（表1）。

2.2 樣品的采集與分析

在3個樣地中取面積400 m2（20m×20m）于春季（2010年 3月）、夏季（2010年 8月）、秋季（2010年 11月）與冬季（2011年1月）四季，采用S型或梅花型5點，且以0 cm-20cm（表層），20 cm-40 cm（亞表層）和 40 cm-60cm（下層）分 3層（分別用A、B、C層表示）混合取樣；按相同生境和層次的5個點的土樣等比例混合為一個混合樣，去掉土壤中可見植物根系和殘體，重復3次，編號，土壤風干后過篩，供測定土壤養分等。其中土壤容重、水分測定采用鋁盒烘干法（105℃，12h）[12]，團粒結構用環刀法制取[12]；有機質（SOM）采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[13]，全氮（TN）采用半微量開氏法測定[13]，速效磷（AP）采用NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測定[13]，速效鉀（AK）采用NH4Ac-原子吸收法測定[13]。

表1 樣地概況

3 結果與分析

3.1 不同植被恢復階段對土壤物理性質的影響

3.1.1 不同恢復階段對機械組成的影響 土壤質地直接影響土壤水、肥、氣、熱的保持與運動，與植物群落的演替有著密切關系。大量的研究表明，黏粒具有較大的表面積，粘結力很強，在水穩性團聚體形成過程中具有重要作用[14]，不同植被恢復階段土壤機械組成見（表2）。

由于紫色土成土母巖為紫色砂頁巖，主要以粗粉粒為主。隨著植被恢復的演替進行，黏粒總體含量也隨之增加，各級微團粒含量百分比差異很大，有的甚至達到顯著或極顯著水平（p＜0.05或p＜0.01）。其中表土層變化最顯著，在演替初期（Ⅰ），0 cm-20cm表層土壤大于0.1mm微團粒百分比大幅度增加，比演替中前期（Ⅱ）、演替中后期（Ⅲ）與演替后期（Ⅳ）分別增加17.86%、39.29%與57.14%。這是由于隨著植被恢復演替的進行，植被蓋度增加，減小雨滴對地面的直接擊濺侵蝕，降低徑流對土壤的沖刷，穩定了成土環境，使黏化作用增強，黏粒聚集明顯，粉粒、黏粒含量增加，砂粒含量減小，土壤抗蝕性與抗沖性提高，有效地減少了水土流失。

3.1.2 不同植被恢復階段對土壤容重的影響 土壤容重不僅直接影響到土壤空隙度的大小與空隙分配、土壤的穿透阻力及土壤水、肥、氣熱變化，也影響著土壤微生物活動和土壤酶活性的變化，其大小與土壤質地、結構、有機質含量、土壤堅實度等有關，可作為土壤肥力的指標之一。土壤容重愈小，表明土壤的結構性愈好，孔隙多，疏松，有利于土壤的氣體交換和滲透性的提高，反之，土壤容重愈大，表明結構性差，孔隙少，板結。

研究表明（表3），不同植被恢復階段土壤容重隨土壤深度的增加而增加，增加幅度最大的為演替初期（Ⅰ）的表層與亞表層，增加3.66%，同一層次在不同的演替階段，土壤容重隨著演替的進展土壤容重逐漸減小，且差異均達到顯著水平（p＜0.05），土壤容重最小的是演替后期的表層，為1.25 g/cm3，容重最大的為演替初期的底層，為1.75 g/cm3，其主要原因是隨著植被恢復的演替進行，植被蓋度增大，植物的枯枝落葉也相應增加，由于地表土壤豐富的養分條件，使根系的生物量的垂直分布隨土層深度的增加而呈下降趨勢，細根在表層土壤（0 cm-20cm）富集有關。

表3 不同植被恢復階段土壤容重的變化 （單位：g/cm3）

3.2 不同植被恢復階段的土壤化學性質的變化

土壤化學特性及其養分含量是土壤質量最為重要的表征指標，也是衡量土壤生產潛力的基本內容。在衡陽紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復演替的進行，土壤養分和化學性質也發生了變化。

3.2.1 土壤有機質變化 土壤有機質是土壤的重要組成部分，它含有植物生長所需要的各種營養物質，特別是氮、磷的重要來源，是提供微生物生命活動的能源，對土壤物理、化學和生物學性質都有著深刻的影響，在植被恢復過程中，它促進了植物的呼吸和新陳代謝，提高酶的活性，從而大大促進了植物的生長發育和養分吸收。

研究表明（表4），衡陽紫色土丘陵坡地不同植被恢復階段，土壤有機質的變化趨勢是一致的，其含量均隨土層深度的增加而遞減，表現出明顯的表聚性；在演替初期（Ⅰ）與演替中前期（Ⅱ），0 cm-40cm土層的有機質含量極其接近，由于在這兩個階段土壤表層的枯落物較少，形成上具有同源性；在演替中后期（Ⅲ），有機質含量的差異隨土層深度的增加而增大，在多數情況下，其差異達到顯著水平（p＜0.05），這是由于在此演替階段，植物枯落物及其根系主要集中在0 cm-40cm處，而40 cm-60cm處較少的原因。在演替后期（Ⅳ），由于地表枯落物及其殘根的增加，0 cm-20cm土層有機質含量增加幅度較大，比演替中后期（Ⅲ）同層次增加近50%。

表4 不同植被恢復階段土壤有機質的變化 （單位：g/kg）

3.2.2 土壤全氮的變化 氮素是植物生長的重要元素之一，植物中積累的氮素有50%左右來自于土壤，土壤全氮含量是土壤的基本性質之一。植被恢復改變了土壤特性，土壤物質輸入與支出發生改變，土壤全氮含量也會發生相應的改變。

研究表明（表5），植被恢復的不同演替階段，土壤全氮總體含量呈現上高下低的分布格局，這與土壤有機質含量的分布格局相似，也符合一般土壤氮素的分布格局。但進一步分析發現，由于植被狀況等生態因素的差異，相同層次土壤全氮存在一定的差異。在演替初期（Ⅰ），表層0 cm-20cm土壤的含氮量低于亞表層20 cm-40cm土壤的含氮量（p＞0.05），這可能與此階段的裸荒地水土流失帶走表層一部分氮素有關；在以后的演替階段，全氮的含量隨土層的變化規律與土壤有機質的含量相對應，上高下低，說明土壤中全氮的含量與有機質的含量具有極強的相關性[15]；但值得一提的是，盡管演替后期（Ⅳ）表層土壤全氮量大于演替中后期（Ⅲ）表層土壤全氮量，但在其他幾個下部層次上，演替后期（Ⅳ）土壤全氮量卻小于演替中后期（Ⅲ）土壤含氮量，這主要與演替后期（Ⅳ）喬木群落的生物量地上部分生物量大于演替中后期（Ⅲ）地上部分生物量，從地下主要根區（20 cm-60cm）吸收消耗的氮量必然較多。

表5 不同植被恢復階段土壤全氮的變化 （單位：g/kg）

3.2.3 土壤速效磷的變化 磷是植物生長必需的營養元素之一，速效磷易于在植被生長中被吸收利用，它既是構成植物體內重要有機化合物的組成部分，同時又以多種方式參與植物體內的生理過程，對植物生長發育和生理代謝起著重要的作用。

研究表明（表6），隨著植被恢復的演替進行，速效磷的含量在逐漸增加，這可能與隨著演替的進行，土壤中的有機質含量逐漸增加有關。在演替初期（Ⅰ）與演替中前期（Ⅱ）0 cm-60cm土壤速效磷變化幅度沒有達到顯著水平（p＞0.05），原因在于其土壤所含有機質較低，土壤容重較大，土壤速效磷的有效性與移動性較差；在演替中后期（Ⅲ）與演替后期（Ⅳ）0 cm-20cm表層速效磷反而比20 cm-40 cm亞表層速效磷低（p＜0.05），導致這種現象的原因可能是一方面表層土壤沙性較大，砂土對磷的吸附能力較弱[16]，另一原因是正磷酸鹽容易被還原致使速效磷易于被雨水淋失；四個演替階段40 cm-60cm底層土壤速效磷的變化幅度不大，其差異也沒有達到顯著水平（p＞0.05），一方面說明植物的根系主要分布于表層與亞表層，底層分布較少，另一方面說明植物生長所必需的磷幾乎全部由土壤供給，磷在土壤中的移動性與揮發性較小。

表6 不同植被恢復階段土壤速效磷的變化（單位：mg/kg）

3.2.4 土壤速效鉀的變化 鉀是植物生長所必須的營養元素，土壤有機質中吸附一定數量的鉀，使其免于流失，提高了它的有效性，因此，土壤有效鉀在植被恢復演替中有著十分重大的意義。

研究表明（表7），隨著植被恢復演替進行，在0 cm-20cm的表層，土壤速效鉀隨植被恢復的演替進行而增加顯著（p＜0.05），這與演替的進行中，表層枯落物逐漸增加有關；在Ⅰ-Ⅳ演替階段，20 cm-40 cm亞表層土壤速效鉀變化幅度不大（p＞0.05），其原因在于隨著演替的進展進行，枯枝落葉層腐殖化而增加的營養在表土層富集，而枯枝落葉的礦化難易程度與土壤的水分等環境條件有關，土壤養分向下淋溶需要時間的積累；40 cm-60 cm下層土壤速效鉀隨著演替的進展進行而逐漸下降，雖然差異不顯著（p＞0.05），這與隨著演替進行，植物生長需要大量的鉀元素，其根系逐漸向下擴展，而通過降水淋溶作用而到達下層的鉀元素低于植物生長吸收數量，以致于下層鉀元素處于下降的狀態。

表7 不同植被恢復階段土壤速效鉀的變化（單位：mg/kg）

3.3 土壤理化因子的主成分分析

為了更好地分析不同理化因子與土壤質量的關系，從而選擇用于衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復的評價指標，我們對所研究區域的土壤機械組成百分比、土壤容重、SOM、TN、AP與AK等6個指標進行了主成分分析（表8）。由于各理化因子之間有相互關系的原因，需要進行6個主成分才能解釋超過85%的信息。設α1表示SOM含量；α2表示土壤TN含量；α3表示土壤AP含量；α4表示土壤AK含量；α5表示土壤機械組成百分比的大小；α6表示土壤容重的大小。第一主成分解釋了SOM的信息，其貢獻率為39.153%，第二主成分解釋了TN的信息，其貢獻率為20.086%，第三主成分解釋了AP的信息，其貢獻率為8.984%，第四主成分解釋了AK的信息，其貢獻率為7.458%，第五主成分解釋了土壤機械百分比的信息，其貢獻率為6.427%，第六主成分解釋了土壤容重的信息，其貢獻率為4.004%。從評價土壤質量的角度看，土壤SOM、TN、AP、AK、土壤機械百分比、土壤容重可作為評價植被改善土地質量的標準。

表8 土壤理化因子的主成分貢獻率

4 結論與討論

4.1 結論

通過對衡陽紫色土丘陵坡地植被不同恢復階段土壤理化特征的分析，隨著植被恢復的演替進行，土壤質量具有明顯的差異，具體表現為：①隨著植被恢復的演替進行，土壤各層黏粒含量增加顯著（p＜0.01或p＜0.05），但隨土壤深度的增加，呈遞減趨勢，具體表現為：表層＞亞表層＞下層；土壤容重減小明顯（p＜0.05），隨土壤深度而呈遞增趨勢，具體表現為：表層＜亞表層＜下層；②土壤有機質逐漸增加（p＞0.05），隨土壤深度的增加呈遞減趨勢，表現出明顯的表聚性；③土壤全氮、速效磷和速效鉀含量均呈上升趨勢，由于植物根系及枯落物多少的差異，使得各營養成分的垂直分布各異；④主成分揭示出土壤理化特征可作為評價植被改善土地質量的標準。

4.2 討論

（1）土壤作為一個獨立的自然體，對水、肥、氣、熱及植物群落的演替具有重要的調節作用，同時又受植物群落結構差異的影響，使土壤理化性狀發生改變。在衡陽紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復的不斷進行，其理化因子的變化除了與成土母巖、氣候和自然理化性質有密切關系外，植被的作用也不可忽視。植物群落對土壤發育的作用，一是通過改變群落水熱環境直接影響土壤的發育條件，二是通過根系和枯落物回歸土壤而直接參與土壤的成土過程。

（2）在衡陽紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復的演替進行，土壤各層次土壤容重減小明顯（p＜0.05），黏粒含量總體增加顯著（p＜0.05或p＜0.01），土壤容重的減小主要是由土壤顆粒組成的不同而導致的，而黏粒含量的多少對土壤的通氣、水分狀況及抗蝕性及至植物根系的生長均有重大的影響，因此土壤容重的大小與土壤機械組成百分比之間有著緊密的聯系[17，18]。

（3）在衡陽紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復的不斷進行，植物蓋度上升，土壤容重減小，黏粒含量增加，孔隙度上升，有利于土壤微生物的生命活動[19]及酶的活性[20]，土壤理化特征趨于改善，為賴以生存的植物提供物質條件，但由于植物根系的空間格局的差異，枯落物回歸土壤的礦化與積累的速度的不同，從而造成土壤理化性質具有高度的空間異質性，因此，在衡陽紫色土植被恢復過程中，要因地制宜，合理搭配植物種類，加強管理。

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