不同生態經濟恢復模式對退化紅壤區水穩性團聚體的影響

李建民 黃石德,2 王姿燕 林 捷 游惠明 卓 輝 湯行昊

(1.福建省林業科學研究院，福建 福州 350012；2.南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037； 3.福建農林大學東方學院，福建 福州 350017)

?

不同生態經濟恢復模式對退化紅壤區水穩性團聚體的影響

李建民1黃石德1,2王姿燕3林 捷1游惠明1卓 輝1湯行昊1

(1.福建省林業科學研究院，福建 福州 350012；2.南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037； 3.福建農林大學東方學院，福建 福州 350017)

以長汀縣河田鎮紅壤侵蝕區不同生態經濟恢復模式作為研究對象，分析不同生態經濟恢復模式對土壤容重、孔隙結構、水穩性團聚體特征及有機碳分布的影響。結果表明，不同生態經濟恢復模式的施用顯著改善了土壤容重和土壤孔隙度狀況，但與封禁生態恢復模式相比，其改善的作用較為有限。未治理模式<0.25 mm水穩性團聚體含量為62.89%，隨著生態經濟恢復模式的實施，土壤微團聚體逐漸向>5.00 mm和5.00～2.00 mm的大團聚體轉變；不同生態經濟模式土壤水穩性團聚體穩定性的變化為楊梅模式>板栗模式>封禁生態恢復模式>林下套種油茶模式>油茶模式>未治理模式，施用年限較短的生態經濟恢復模式土壤團聚體穩定性較差，表明其實施的年限也是影響土壤水穩性團聚體穩定性的一個重要因素；不同生態經濟恢復模式土壤團聚體的有機碳主要分布在>5.00 mm和5.00～2.00 mm的較大徑級的團聚體中，同時隨著土壤團聚體徑級的減少，其有機碳含量呈逐漸減少的趨勢。

生態經濟；恢復模式；水穩性；團聚體；紅壤侵蝕區；有機碳

土壤團聚體是土壤結構最基本的單元，是土壤的重要組成部分[1-3]。植被的恢復通過凋落物和根系的作用增加有機碳的輸入，改良土壤結構，提高土壤團聚體的穩定性和增加土壤有機碳[4-5]。土壤有機碳與水穩性團聚體關系密切，是土壤水穩性團聚體形成的主要膠結物質，對土壤水穩性團聚體大小分布有重要的影響，同時團聚體的形成過程反過來也影響土壤有機碳的分解[5-6]。長汀縣河田鎮是我國南方丘陵紅壤地帶典型的強度土壤侵蝕區，早在20世紀40年代就開始了水土流失的治理，目前對其強度土壤侵蝕區的恢復模式從以往封禁為主的生態恢復模式逐漸向以開發促治理的生態經濟恢復模式轉變[7]。生態經濟恢復模式的施用既能改善生態環境，又能增加林農收益，但同時也明顯增強了對土壤的干擾強度，這是否改變紅壤侵蝕區水穩性團聚體的組成及碳分布的變化特征，從而導致紅壤侵蝕區產生新的水土流失，成為地方政府亟需弄清的關鍵問題。鑒于此，本研究選擇了當地目前廣泛栽培的馬尾松(Pinusmassoniana)，楊梅(Myricarubra)、板栗(Castaneamollissima)、馬尾松林下套種油茶(Camelliaoleifera)和油茶純林等5種生態經濟恢復模式作為研究對象，并以封禁的生態恢復模式和未治理的侵蝕裸地作為對照，分析不同生態經濟恢復模式對土壤孔隙結構、水穩性團聚體及碳分布的影響，為該區域水土流失的治理提供理論依據。

1 研究方法

研究區地處福建省長汀縣河田鎮，位于東經116°18′～116°31′，北緯25°33′～25°48′，屬中亞熱帶氣候區，年均氣溫17.5～18.8 ℃，年均降雨量 1 737 mm，平均無霜期260 d。該區屬山地紅壤，雖然土層深厚，但由于其土層是由粗晶花崗巖風化形成，粒徑較大，含砂量高，結構疏松，抗蝕能力差，極易發生侵蝕，是南方水土流失最為嚴重的區域之一[8]。

1.1 試驗方法

本試驗選擇不同生態經濟恢復模式作為研究對象，包括封禁模式(C0)、楊梅模式(C1)、板栗模式(C2)、馬尾松林下套種油茶模式(C3)和油茶模式(C4)5種不同生態經濟恢復模式，封禁模式(C0)為鄰近區域進行封育措施的樣地，即以“生態恢復”優先的模式，對照(CK)為裸露坡地。其中C0、C1、C2、C3和C4恢復前均為強度侵蝕區，C0模式于2003年飛播馬尾松種子，進行封育措施；C1模式于2003年種植楊梅，種植密度為5 m×5 m；C2模式于2003年種植，種植密度為5 m×5 m；C3和C4模式均于2003年飛播馬尾松種子，形成馬尾松“小老頭林”群落，其中C3模式于2012年在林下套種油茶，栽植密度為2.0 m ×3.2 m，C4模式于2012年對馬尾松殘次林進行采伐后種植油茶，栽植密度為2.0 m ×3.2 m。不同生態經濟恢復模式試驗地基本概況見表1。

表1 不同生態經濟恢復模式試驗地基本概況

1.2 樣品采集方法

于2014年1月在每種模式樣地內按“S”形布設采樣點，分別布設5個采樣點，采樣時需先將土壤表面的植被和枯落物清除，采樣深度為0～10 cm，每份土樣采集1 kg。在土樣采集過程中，應盡量避免擠壓，保持原狀土壤結構，每個采樣點的原狀土樣分別裝入硬質塑料盒中供試驗用。在采集原狀土的同時，在同樣深度的土壤取環刀帶回實驗室，測定土壤水分物理性質。

1.3 測定及分析方法

將土壤樣品中的石礫、動物殘體和植物根系撿除，并在風干過程中沿自然結構掰成1 cm的團粒。將風干后的土樣依次通過孔徑為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的套篩，分別稱質量計算出各徑級干篩團聚體所占比例，并按干篩的比例配成50 g土樣。將配好的土樣放在套篩上，在水中浸泡5 min，后用振蕩式機械篩分儀(振蕩頻率為30次/min)篩5 min，分離出不同粒徑的水穩性團聚體，將留在每個篩子上的土壤沖洗至鋁盒，在50 ℃溫度下烘至恒質量[9]。將分離的各粒級土壤團聚體磨碎過0.25 mm篩，利用碳氮元素分析儀(EA3000)測定各級團聚體中的有機碳含量。計算>0.25 mm的水穩性團聚體(WSA)含量和團聚體的破壞率(PAD)及水穩性團聚體平均質量直徑(MWD)[10]。

采用Excel 2003軟件對數據進行統計分析和作圖，運用SPSS 17.0軟件進行Duncan多重比較和Person相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同生態經濟恢復模式對土壤水分物理性質的影響

不同生態經濟恢復模式土壤水分物理性狀指標測定結果見表2。

表2 不同生態經濟恢復模式土壤水分物理性質

由表2可知，CK模式的土壤容重最高，采取不同生態經濟恢復模式后，土壤容重均顯著減少(P<0.05)，然而，與采取生態恢復的C0模式相比，不同生態經濟恢復模式的土壤容重僅表現為略有減少，未達到顯著水平(P>0.05)。CK模式有最小的非毛管孔隙度，采取不同生態恢復模式后，除C2模式與CK差異不顯著外，其他模式非毛管孔隙度均比CK顯著增加(P<0.05)，與C0模式相比，C3和C4模式無顯著差異，C1和C2模式差異顯著。與此類似，CK模式的毛管孔隙度也最小，采取不同生態經濟模式后，毛管孔隙度顯著增加47.29%～117.74%(P<0.05)，而與C0模式相比，除C3模式增加11.04%，其他模式顯著減少21.08%～24.74%(P<0.05)。不同生態經濟恢復模式土壤總孔隙度的大小順序為：C3>C0>C1>C4>C2>CK。

2.2 不同生態經濟恢復模式對土壤水穩性團聚體含量的影響

不同生態經濟恢復模式土壤水穩性團聚體含量見表3。

表3 不同生態經濟恢復模式土壤水穩性團聚體含量

由表3可知，不同生態經濟恢復模式均表現為<0.25 mm的土壤水穩性團聚體含量最高，C0、C1、C2、C3、C4和CK模式<0.25 mm的土壤水穩性團聚體含量分別為40.81%、39.22%、47.32%、39.27%、42.44%和62.89%。與CK模式相比，采用不同的生態經濟恢復模式后，>5.00 mm、5.00～2.00 mm和2.00～1.00 mm的土壤水穩性團聚體含量均顯著提高(P<0.05)，而<0.25 mm的土壤水穩性團聚體含量均顯著減少(P<0.05)，表明采取生態經濟模式后，<0.25 mm的土壤微團聚體向>0.25 mm的土壤大團聚體轉變。>5.00 mm的土壤水穩性團聚體含量主要與人為活動的強度有關[11]，與C0模式相比，人為干擾強度大的C3和C4模式>5.00 mm的土壤水穩性團聚體含量顯著減少(P<0.05)，而恢復時間較長且人為干擾較小的C1和C2模式表現為差異不顯著(P>0.05)。

2.3 不同生態經濟恢復模式對土壤水穩性團聚體穩定性的影響

土壤水穩性團聚體的平均質量直徑(MWD)、>0.25 mm土壤水穩性團聚體(WSA)含量和>0.25 mm土壤團聚體的破壞率(PAD)常被用來反映土壤水穩性團聚體的穩定性。不同生態經濟恢復模式的土壤水穩性團聚體的穩定性見表4。

由表4可知，CK模式土壤水穩性團聚體MWD僅為0.50 mm，采用不同生態經濟恢復模式，土壤水穩性團聚體的MWD均顯著增加(P<0.05)，C1、C2、C3和C4模式的土壤水穩性團聚體MWD分別為1.84、1.65、1.41 mm和1.31 mm，分別為CK模式的3.71、3.31、2.83倍和2.64倍。土壤水穩性團聚體MWD與>0.25 mm WSA含量呈顯著正相關關系(P<0.01，R2=0.860 9)，而與>0.25 mm的PAD呈顯著負相關關系(P<0.01，R2=0.855 7)。因此，水穩性團聚體MWD可作為反映水穩性團聚體的穩定性指標，不同生態經濟模式土壤水穩性團聚體穩定性的變化趨勢為：C1>C2>C0>C3>C4>CK。

表4 不同生態經濟恢復模式土壤水穩性團聚體穩定性

2.4 不同生態經濟恢復模式對土壤水穩性團聚體有機碳含量的影響

不同生態經濟恢復模式土壤水穩性團聚體有機碳含量見表5。

表5 不同生態經濟恢復模式水穩性團聚體的有機碳含量

由表5可知，不同生態經濟恢復模式土壤水穩性團聚體的有機碳主要分布在>5.00 mm和5.00～2.00 mm的較大徑級的團聚體中，同時隨著徑級的減少，團聚體中有機碳含量呈逐漸減少的趨勢。CK模式的全土有機碳含量僅為2.05 g/kg，采取不同生態經濟恢復模式后，C1、C2、C3和C4模式全土的有機碳含量均顯著增加(P<0.05)，分別為CK模式的8.23、3.23、1.94倍和3.99倍。與采取生態恢復模式的C0相比，C1、C2和C4模式均顯著增加，而C3模式表現為略為減少。

3 結論與討論

1) 在紅壤侵蝕區采用不同的生態經濟恢復模式后，土壤容重和土壤孔隙狀況得到明顯的改善，但與采取封禁恢復模式相比，其土壤容重和土壤孔隙狀況的改善效果較為有限。

2) <0.25 mm的土壤水穩性團聚體含量裸露坡地(對照)最高，均顯著高于不同生態經濟恢復模式，這可能是由于對照模式表層土壤長期裸露無植被覆蓋，土壤中幾乎沒有植物根系和菌絲存在，無法形成穩定的大團聚體結構[12]，使得土壤水穩性團聚體的數量主要表現為微小團聚體占絕對優勢。生態經濟恢復模式的施用促使土壤微團聚體逐漸向>5.00 mm和5.00～2.00 mm的大團聚體轉變,這主要是由于植被的恢復使土壤中富含植物殘體和根系，形成有機無機復合體，使土壤顆粒更有利于粘結成大團聚體[13]。

3) 水穩性團聚體MWD與>0.25 mm的WSA含量呈顯著正相關，而與>0.25 mm的PAD呈顯著負相關，這與張錦娟等[14]研究得出的結論一致。研究結果表明，不同生態經濟恢復模式顯著提高了土壤的水穩性團聚體的穩定性，但在生態經濟恢復模式實施早期，由于耕作措施的施用會削弱水穩性團聚體的穩定性，待恢復達到一定年限時，生態經濟模式有效提高了水穩性團聚體的穩定性。

4) 不同生態經濟恢復模式團聚體的有機碳主要分布在>5.00 mm和5.00～2.00 mm較大經級的土壤團聚體中，同時隨著徑級的減少，團聚體有機碳含量呈逐漸減少的趨勢，這與劉曉利等研究的結果一致，認為小顆粒團聚體通過膠結有機物質形成大顆粒團聚體，大團聚體有機碳含量一般大于微團聚體[11]，表明大團聚體對土壤有機碳有一定的富集作用。與采取禁封生態恢復模式的C0相比，C1、C2和C4模式土壤有機碳均顯著增加，而C3模式表現為略為減少，這可能是由于近期的耕作措施促使土壤有機碳的流失有關。

[1] 史奕，陳欣，沈善敏. 土壤團聚體的穩定機制及人類活動的影響[J]. 應用生態學報，2002，13(11)：1491-1494.

[2] 王清奎，汪思龍. 土壤團聚體形成與穩定機制及影響因素[J]. 土壤通報，2005，36(3)：415-421.

[3] 何淑勤，鄭子成，楊玉梅. 茶園土壤團聚體分布特征及其對有機碳含量影響的研究[J]. 水土保持學報，2009，23(5)：187-191.

[4] 彭新華，張斌，趙其國. 紅壤侵蝕裸地植被恢復及土壤有機碳對團聚體穩定性的影響[J]. 生態學報，2003，23(10)：2176-2183.

[5] 蘇靜，趙世偉. 植被恢復對土壤團聚體分布及有機碳、全氮含量的影響[J]. 水土保持研究，2005，12(3)：44-46.

[6] 謝錦升，楊玉盛，陳光水，等. 植被恢復對退化紅壤團聚體穩定性及碳分布的影響[J]. 生態學報，2008，28(2)：702-709.

[7] 陳志彪，陳志強，岳輝. 花崗巖紅壤侵蝕區水土保持綜合研究:以福建省長汀朱溪小流域為例[M]. 北京：科學出版社. 2013.

[8] 葉功富，黃石德，楊智粟，等. 水土保持措施對板栗林土壤呼吸的影響[J]. 中國水土保持科學，2013，11(1)：59-64.

[9] 毛艷玲，楊玉盛，刑世和，等. 土地利用變化對土壤水穩性團聚體輕組有機碳的影響[J]. 福建農林大學學報(自然科學版)，2008，37(5)：532-538.

[10] Haynes R J. Interactions between soil organic matter status, cropping history, method of quantification and sample pretreatment and their effects on measured aggregate stability[J]. Biology Fertility Soils, 2000, 30: 270-275.

[11] 劉曉利，何園球，李成亮，等. 不同利用方式旱地紅壤水穩性團聚體及其碳、氮、磷分布特征[J]. 土壤學報，46(2)：255-262.

[12] Jastrow J D, Miller R M, Lusenhop J. Contributions of interacting biological mechanisms to soil aggregate stabilization in restored prairie[J]．Soil Biology Biochemisty, 1998, 30(7)：905-916.

[13] 楊瑩瑩，魏兆猛，黃麗，等. 不同修復措施下紅壤水穩性團聚體中有機質分布特征[J]. 水土保持學報，2012,26(3)：154-158.

[14] 張錦娟，李鋼，陸芳春，等. 板栗林地水土保持截水工程措施對土壤特性的影響[J]. 中國水土保持科學，2013，11(6)：105-109.

(責任編輯 韓明躍)

Effects of Different Ecological-Economic Restoration Modes on the Water-Stable Aggregates in Eroded Red Soil

LI Jian-min1,HUANG Shi-de1,2,WANG Zi-yan3,LIN Jie1,YOU Hui-ming1,ZHUO Hui1,TANG Xing-hao1

(1.Fujian Academy of Forestry,Fuzhou Fujian 350012,China; 2.College of Biological and Environmental Sciences,Nanjing Forestry University,Nanjing Jiangsu 210037,China; 3.Dong Fang College,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou Fujian 350017,China)

The research was selected different ecological-economic restoration modes as the object in Hetian Town Changting Country,and then analyzed the influence of these modes on soil bulk density, pore structure,characteristic and organic carbon distribution of the water-stable aggregates.The results indicated that different ecological-economic restoration modes adoption significantly improved soil density and soil pore status,but the improved effect was limited compared with ecological restoration mode.In without management modes,the content of water-stable aggregates which size less 0.25 mm was 62.89%.With the implementation of ecological-economic restoration modes,soil micro aggregates gradually transform to macro aggregate,which size was more than 5 mm and 5-2 mm.The order of soil water-stable aggregates stability in different ecological-economic restoration modes from high to low wasMyricarubramode,Castaneamollissimamode,ecological restoration mode,interplantationCamelliaoleiferamode inPinusmassoniana,Camelliaoleiferamode and without management mode.For Ecological-economic restoration mode,the shorter it was implemented,the less water-stable aggregates stability,which indicated that implementation duration was an important factor on water-stable aggregates stability.Soil organic carbon was dominated in those water-stable aggregates which size was more than 5 mm and 5-2 mm for different ecological-economic restoration modes.Meanwhile,the content of organic carbon in soil aggregate tended to be reducing with the decrease of soil aggregate diameter class.

ecological-economic;restoration modes;water-stable;aggregates;eroded red soil;organic carbon

2014-06-26

國家林業局行業公益類重大專項(201304303)資助；福建省屬公益類項目(閩林研[2012]3號)資助；福建省森林培育與林產品加工利用重點實驗室資助項目。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.01.001

S714.2

A

2095-1914(2015)01-0001-05

第1作者：李建民(1960—)，男，碩士，教授級高級工程師。研究方向：森林培育。Email:lijmlky@126.com。