貴州石漠化地區不同能源草對土壤理化性質的影響

蘇生　黃瑞　韓永芬

摘要：以貴州省安順能源草實驗點7種能源草為研究對象，采用野外調查與室內分析相結合的方法，對能源草對土壤滲透性、含水量、有機質、容重的影響進行研究。結果表明，能源草所對應土壤滲透性為香根草>皇草>柳枝稷>五節芒>斑茅>象草>紫色象草>CK；能源草所對應土壤的含水量為皇草>香根草>柳枝稷>紫色象草>甘蔗屬的斑茅>芒屬的五節芒=象草>CK；能源草所對應土壤有機質含量為皇草>柳枝稷>紫色象草>香根草>甘蔗屬的斑茅>象草>芒屬的五節芒>CK；能源草所對應土壤容重為CK>芒屬的五節芒>甘蔗屬的斑茅=象草>香根草>紫色象草=柳枝稷>皇草。不同能源草對土壤理化性質的影響不同，其中紫色象草與土壤容重呈顯著正相關；皇草與土壤含水量呈顯著正相關；香根草與土壤含水量和有機質含量呈顯著正相關；其他能源草與土壤理化性質大都呈中度相關且不顯著。

關鍵詞：貴州；石漠化；能源草；土壤理化性質

中圖分類號： S151.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0206-04

石漠化是指在脆弱喀斯特生態環境下人類不合理的社會經濟活動造成人地矛盾突出、植被破壞、水土流失、巖石逐漸裸露、土地生產力衰退甚至喪失，地表呈現類似于荒漠化景觀的演變過程或結果[1-3]。貴州位于我國西南喀斯特地區的主要地帶，是我國喀斯特地貌分布最廣泛的省份之一，少數民族眾多，貧困人口密集，人地矛盾突出，坡地生態脆弱，一旦破壞，極易加劇侵蝕作用，流失薄土層，造成嚴重的石漠化[4]。石漠化已成為制約貴州人民富裕、社會發展、生態建設的一大問題。但目前貴州石漠化治理成效并不明顯，且存在治理模式單一、經濟投入量大、治理效果不穩定、管理困難等問題[2]。

土壤是生態系統的重要組成部分，是生態系統諸多生態過程的載體，是研究喀斯特石漠化演變的核心[5]。能源草植株高大、生長迅速、根系發達，生物產量高，可直接作燃料及用于生產生物質能源，多為兩年或多年生[6-7]。能源草根系發達，生長迅速，能在較短時間內形成須根網絡，須根由地下莖節長出。擴展范圍可達1～2 m，抗早能力強，是優良的水土保持植物，對防止水土流失、綠化荒山荒坡、在河流兩岸及水庫周邊固沙都具有良好的作用[8]。但到目前為止，國外對纖維類能源草的研究集中在種質資源的探索和開發、品種改良、生態效益、能源轉化經濟效益等方面[9]；國內對能源草的開發利用主要集中在水土保持、造紙原料和動物飼料等方面[10]。如解新明等認為，多年生能源禾草具有較好的產能效益和生態效益，是較為理想的能源植物[7]。寧祖林等對8種高大纖維禾草的熱值和灰分動態變化進行了研究[11]。在喀斯特石漠化治理中，能源草與土壤理化性質的關系缺乏深入研究。因此，本研究以貴州石漠化地區能源草為研究對象，研究不同種類能源草的土壤理化性質特征及相關性，探討不同種類能源草對土壤理化性質的影響機理以及土壤理化性質的變化特征，為科學有效地開發利用能源草，保障貴州石漠化地區水土環境，確定能源草對石漠化地區土壤的影響提供科學理論參考。

1材料與方法

1.1試驗樣地自然概況

試驗點位于貴州省安順市。安順地處105°13′～106°34′E、25°21′～26°38′N之間，長江水系烏江流域和珠江水系北盤江流域的分水嶺地帶。安順平均海拔高度為1 102～1 694 m 之間，全境海拔高度為560～1 500 m，年平均降水量 1 360 mm，年平均氣溫為14 ℃，是世界上典型的喀斯特地貌集中地區，是研究石漠化的理想區域。

1.2試驗設計和樣品采集

試驗以象草[Pennisetum purpureum （L.）Schum.]、皇草（Pennisetum sinese Roxb）、香根草（Vetiveria zizanioides L.）、紫色象草（Pennisetum purpureum Schumab cv. Purple）、五節芒（Miscanthus floridulu）、斑茅（Sacchamm arundinaceum）、柳枝稷（Panicum virgatum）7種能源草為對象。于2015年6月安順能源草試驗點，將各個能源草分區編號，分別為A、B、C、D、E、F、G，對照為CK，選擇普通草地。分別從A至CK，按照“S”型曲線進行采樣，用環刀采集0～15 cm的表層土，采土的同時，用鋁盒采樣，測定土壤自然含水量，每個小區采10個土樣，2個重復，共記96個土樣。將采集的每個土壤用四分法取500 g左右帶回實驗室，用于測定土壤的理化性質（表1）。

1.3樣品的測定與分析

土壤容重采用環刀法測定；土壤含水量采用鋁盒法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；土壤滲透率采用雙環刀法[12-14]測定，描述滲透性各指標計算的方法為初滲率=最初入滲時段內滲透量/入滲時間，本研究取最初入滲時間為3 min；平均滲透速率=達穩滲時的滲透總量/達穩滲時[CM（25]的時間；穩滲率為單位時間內的滲透量趨于穩定時的滲透速率；因所有土樣滲透速率在1.5 h前已達穩定，為了便于比較，滲透總量統一取前1.5 h內的滲透量。為了方便比較，用滲透系數的大小表示滲透性的強弱，一般用K表示經驗滲透系數，數值相當于第1個時段內的平均入滲率（mm/min）[15]。

采用Excel 2010進行數據處理和作圖，能源草與土壤理化性質的關系采用SPSS Statistics 19.0 pearson相關系數法。

2結果與分析

2.1不同能源草的土壤滲透性分析

水分入滲過程是一個復雜的水文過程，與土壤結構、根系分布、土壤孔隙、有機質含量及水穩性團聚體等密切相關。在研究土壤滲透性時，常采用的幾個指標是初始入滲率、穩滲率、平均滲透速率和滲透總量[16]。由圖1可知，初始滲透率的大小為香根草>柳枝稷>紫色象草>皇草>象草>斑茅>五節芒>CK；穩滲率指標大小表現為香根草>皇草>柳枝稷>五節芒>斑茅>象草>紫色象草>CK；平均滲透率和滲

透[CM（25]總量的規律一致，為香根草>皇草>五節芒>柳枝稷>斑茅>象草>紫色象草。初始滲透率、穩滲率、平均滲透率、滲透總量最小值都是CK（對照組），其值分別為4.18 mm/min、1.76 mm/min、1.43 mm/min、132 mL/cm2。無論初始滲透率還是穩滲率、平均滲透率，香根草都表現最好，其值分別為694、5.26、4.32 mm/min。這可能與香根草發達的根系有關，使其在土壤滲透方面表現突出。由初始滲透率中可以看出，剛開始能源草對土壤滲透性的影響較小，但隨著時間的延長，水分入滲達到穩定后，能源草對土壤滲透性的影響逐漸增加，土壤的滲透性逐步得到提升。

2.2不同能源草的土壤有機質分析

土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，盡管土壤有機質的含量只占土壤總量的很小一部分，但它對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面都有著極其重要的作用。能源草生長迅速，植株高大，生物量大，對土壤有機質影響巨大。由圖2可知，不同能源草的土壤有機質含量大小為皇草>柳枝稷>紫色象草>香根草>斑茅>象草>五節芒>CK。其中皇草和柳枝稷土壤有機質含量最豐富，分別為14.21和13.32 g/kg。對照組和芒屬的五節芒土壤有機質含量最低，分別為10.62和10.74 g/kg。由于貴州溫度適宜，降水充沛，草本植物生長旺盛，能源草與對照組差別較小，但總體上對土壤有機質含量有所提升。

2.3不同能源草土壤容重與含水量分析

土壤容重是土壤肥瘦和耕作質量的重要指標，土壤容重高說明土壤緊實，孔隙數量少，土壤的水分、空氣、熱量狀況較差等，了解土壤容重對判斷土壤質量有著重要意義。由圖3可知，試驗組與對照組的容重大小關系為CK>五節芒>斑茅=象草>香根草>紫色象草=柳枝稷>皇草。其中對照組的容重最大，為1.53 g/cm3；皇草容重最小，為 1.42 g/cm3。相對普通草而言，能源草對土壤容重有所改善，相對于其他能源草而言，皇草對土壤容重的改變效果最明顯。

土壤含水量是農業生產中一項重要參數，土壤含水量的多少，直接影響土壤的固、液、氣三相比，以及土壤的適耕性和作物的生長發育。由圖3可知，土壤含水量的大小關系為皇草>香根草>柳枝稷>紫色象草>斑茅>五節芒=象草>CK。其中皇草和香根草的土壤含水量較高，為28%和27%；CK、象草、芒屬的五節芒的土壤含水量相對較低，分別為21%、22%、22%。能源草對土壤含水量的影響差別不大，但總體優于對照組。

2.4不同能源草與土壤性質的相關性分析

表2結果顯示，不同能源草對土壤理化性質的影響不同，其中影響較明顯的有：紫色象草與土壤容重呈顯著正相關（r=0.895，P=0.035）；皇草與土壤含水量呈顯著正相關（r=0.901，P=0.014），香根草與土壤含水量呈顯著正相關（r=0.985，P=0.012），香根草與土壤有機質含量呈顯著正相關（r=0.936，P=0.017）。其中除表現較為優秀的香根草外，其他能源草與土壤理化性質大都呈中度相關且不顯著。這可能與貴州豐富的植物種類有關，因為在對土壤性質的影響上，林地>灌木>草，貴州樹林相對較多，且灌木叢生，對能源草相關性分析有一定的影響，且能源草要與本土優勢草類進行競爭，所以能源草在對土壤理化性質影響上與對照組相差不大。皇草、紫色象草、香根草相對表現較佳，可能是因為這些能源草對貴州石漠化地區土壤適應性優于其他能源草。

3討論

我國的植被水土保持功能研究主要可以分3個部分：植被水土保持功能的對比研究、植被水土保持的機理研究、植被水土保持功能的評價研究[10]。本研究是對植被水土保持功能的對比研究。結果表明，7種能源草與對照組（普通草）4種理化性質的對比，在土壤滲透性方面香根草土壤的滲透性最強，CK的土壤滲透性最差；容重方面CK的容重最大，皇草所對應的土壤容重最小；含水量方面皇草的土壤含水量最大，CK的土壤含水量最小；有機質含量方面皇草的土壤有機質含量最高，CK的土壤有機質含量最低。對照組選取的是貴州本地雜草，其生長能力、根系密度、生物量等方面均略差于能源草，所以CK組在滲透性、含水量、有機質含量方面都差于能源草。土壤容重是指單位容積原狀土壤干土的質量，通常以g/cm3表示。土壤容重的大小受密度和孔隙2個方面的影響，土壤疏松多孔的容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多，反之則大[17]。土壤容重是土壤重要屬性之一，反映草地土質狀況和孔隙度等整體性質[18]。能源草往往根系發達，使土壤疏松多孔，相較于對照組，能源草的土壤容重均小于對照組。含水量經常與容重一起研究，且含水量與容重呈明顯負相關，即容重越大，土壤越緊致，孔隙越少，含水量也越少；反之，容重越小，土壤疏松，孔隙越多，含水量也越高。

不同能源草與土壤性質相關性分析表明，雖然能源草的各項指標均優于CK（對照組），但相關性大多屬于中度相關且大都不顯著。其中皇草、紫色象草、香根草相較于其他能源草效果明顯。皇草與土壤含水量呈顯著正相關，紫色象草與土壤容重呈顯著正相關，香根草與土壤含水量和有機質含量呈顯著正相關。雖然這些能源草在某些方面呈現顯著相關性，但水土保持、石漠化治理需要綜合指標和綜合土壤性質的提升才能完成，所以將來種植能源草治理貴州喀斯特地區石漠化，可將皇草、紫色象草、香根草有選擇地按比例套種，實現土壤性質的綜合提升。其他能源草對土壤性質的影響雖然相關但不顯著。這可能由于植被的水土保持功能呈現出林>灌>草的規律，人工植被水土保持功能的發揮受到多種因素的影響，呈現出較復雜的情況。因此在未來的研究中，能源草關于水土保持方面需要進一步地深入研究。

4結論

貴州石漠化地區不同能源草土壤滲透性的大小為香根草>皇草>柳枝稷>五節芒>斑茅>象草>紫色象草>CK；土壤容重的大小為CK>五節芒>甘蔗屬的斑茅=象草>香根草>紫色象草=柳枝稷>皇草；土壤含水量大小為皇草>柳枝稷>紫色象草>香根草>斑茅>象草>五節芒>CK；土壤有機質含量大小為皇草>柳枝稷>紫色象草>香根草>斑茅>象草>五節芒>CK。

貴州石漠化地區能源草對土壤性質的影響，除皇草、紫色象草、香根草分別在某些性質上呈顯著相關外，其他能源草對土壤性質的影響均呈中度相關且不顯著。其中皇草對土壤含水量呈顯著正相關（r=0.901，P=0.014）；紫色象草對土壤容重呈顯著正相關（r=0.895，P=0.035）；香根草對土壤含水量和土壤有機質含量呈顯著正相關（r=0.985，P=0.012；r=0.936，P=0.017）。

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