太行山片麻巖山區造地邊坡植被恢復過程中植物多樣性與土壤特性的演變

劉 洋,侯占山,趙 爽,齊國輝,*,張雪梅,郭素萍

1 河北農業大學林學院,保定 071000 2 河北省核桃工程技術研究中心,邢臺 054000 3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京 100081

太行山片麻巖山區是我國水土流失嚴重的地區之一,由于長期的人類活動,導致了該區域森林生態系統的嚴重退化和生物多樣性的嚴重喪失,部分森林已退化成灌叢和草坡,水土流失日趨嚴重,洪澇災害呈現增加的趨勢[1]。為提高該立地條件下的造林成活率、改善農民生活水平,近年來,人們通過機械整地的方式對太行山片麻巖山區進行治理,開發出高標準隔坡溝狀梯田,修造梯田式耕地,在田中配置核桃、蘋果、櫻桃等經濟樹種,在綠化荒山、充分利用土地資源的同時取得了較好的經濟效益,讓有限的土壤得到了充分的利用,大大提高了山區植被覆蓋率,極大地改善了當地百姓的生活水平。然而,修造梯田常伴隨大量邊坡的開挖,使原始坡面植被遭到破壞,產生大量的次生裸地,極易造成水土流失；操作不當,還會出現泥石流。隨著長期的自然沉降和植被恢復,坡面理化性質得到改善,群落結構漸趨合理,物種多樣性趨于穩定。

物種多樣性是退化生態系統恢復與重建的重要內容與標志,是衡量某一地區生物多樣性狀況和一個群落結構和功能復雜性的重要指標之一[2]。張繼義等[3]研究發現隨演替進展群落種類組成與物種多樣性增加,群落生態優勢度下降,而均勻度增加,群落趨向穩定。王費新等[4]發現選取適當樹種人工造林可以省略先鋒物種強陽生草本的發育時間,提早誘發灌木和草本植物發育,大大加速植被恢復演替過程。土壤是植物生長的重要物質基礎,土壤理化性質對植物的生長起著至關重要的作用,從而影響到物種多樣性[5]。有研究發現植被恢復不僅可以降低土壤容重,增加土壤總孔隙度、飽和導水率以及團聚體穩定性,改善土壤的物理性質[6],還可以顯著改善土壤有機質含量與速效磷、全氮、全磷含量,提高土壤養分[7]。坡面植被生長狀況和土壤改良效果是山區綜合治理生態評價的重要指標,但目前對片麻巖山地造地邊坡植被恢復與土壤特性的研究未見報道。本研究以太行山片麻巖山區造地邊坡為研究對象,通過對不同治理年限的坡面植被的調查,以及土壤理化性狀的分析,探討造地邊坡自然演替過程中植物物種組成、多樣性以及土壤養分變化規律,從而為片麻巖山地的合理開發、水土保持和生態系統恢復與重建提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河北省中部太行山東麓的平山縣葫蘆峪農業科技有限公司的生產基地。該地區所在地理位置為114°5′38″—114°7′33″E,38°26′5″—38°27′47″N,屬于暖溫帶半干旱大陸性季風氣候,夏季炎熱高溫,冬季寒冷干燥；降水量較少,多年平均降水量538.8 mm,雨量多集中于夏秋季節；多年平均氣溫13.2℃,多年平均日照時數為2611 h,多年平均太陽輻射總量為133—138 kCal/cm2,年有效積溫為4853.5℃,無霜期為140—180 d。自2009年開始,該公司對該區坡度小于25°的片麻巖山地逐年修造梯田式耕地[8]。造地后當年在坡面上均勻播撒苜蓿種子。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地植被調查及土壤樣品采集

2016年8月1日到8月5日在平山縣葫蘆峪農業科技有限公司的生產基地,對2014年(治理第2年)、2013年(治理第3年)、2012年(治理第4年)、2011年(治理第5年)、2010年(治理第6年)、2009年(治理第7年)治理的坡面進行調查取樣。每一年份均隨機選取3個20 m×5 m的典型坡面作為研究樣地,每個樣地采用等距取樣法設置3個1 m×1 m的樣方,在樣方的4個角和中心處設置5個采樣點。用環刀和自封袋采集坡面表層土壤帶回實驗室,用于測定土壤的理化指標。同時記錄每個樣方的植物種類、各種植物的個體數、蓋度、生物量等指標。

1.2.2 土壤理化性狀的測定

采用環刀稱重法測定土壤的容重、持水量和孔隙度；采用篩析法測定干土各粒組占該土總質量的百分數；電位計法測定土壤pH值；重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量；半微量凱氏定氮法測定土壤全氮含量,鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量,采用原子吸收分光光度法測定土壤全鉀含量；堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量；乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定速效鉀含量[9]。坡面植被生物量采用烘干稱重法。

1.2.3 植物多樣性的測定

植物多樣性測定采用Shannon多樣性指數、豐富度指數和Pielou均勻度指數[10]3個指標進行評價。計算公式如下:

豐富度指數：

R=S

式中,S為物種數目；Pi為第i種的相對個體數,即Ni/N,其中N為樣方內全部種的個體總數,Ni為第i種的個體數。

1.3 數據處理

利用Excel軟件計算物種多樣性指數,利用DPS進行不同治理年限坡面的植被蓋度、生物量、物種多樣性和土壤理化性狀的方差分析和多重比較；并采用CANOCO 4.5軟件的冗余分析(Redundancy analysis,RDA) 來研究植被物種多樣性和土壤理化性質的對應關系。

2 結果

2.1 不同治理年限坡面植被變化狀況

隨坡面治理年限的增加,坡面植被蓋度、地上生物量、植物種類均呈現出上升趨勢(表1)。坡面植被蓋度、地上生物量均在治理的第3年出現了顯著增長,在以后的各年份,二者增加速度變緩。坡面植物種類也在治理第3年出現明顯增加,相比第2年治理坡面增加了4個種；在第5年,植物種類相較前一年出現了小幅度的下降；其他各年份的植物物種數以每年1—2種的速度在增加。治理后的坡面隨年份的增加,其優勢種由苜蓿(MedicagosativaL.)變為狗尾草(Setariaviridis(L.)Beauv.)和馬唐(Digitariasanguinalis(L.)Scop.),苜蓿蓋度呈現出先增加后迅速減少的趨勢,而狗尾草、馬唐逐漸成為蓋度接近的優勢種。同時,葎草(Humulusscandens(Lour.)Merr.)等也有逐漸變為優勢種的趨勢。坡面植物物種數隨年份有小幅度增加,而且主要是以草本為主,只是零星分布少量的喬、灌木,且隨治理年限增加呈現出：先出現灌木,后出現喬木,先出現少數喬木與灌木種類,后出現多種喬木與灌木的局面,整體呈現出群落演替的趨勢,但就目前而言,出現的灌木和喬木種類恒定。

表1 不同治理年限坡面植被蓋度、地上生物量、植物種類變化

同列數字后不同小寫字母表示差異達0.05顯著水平

2.2 不同治理年限坡面植物物種多樣性比較

坡面植被的Shannon多樣性指數、豐富度指數和Pielou均勻度指數均隨坡面治理年限的增加而增加(表2)。Shannon指數和豐富度指數除了第3年的變動幅度顯著高于第2年外,其他相鄰年份間均沒有顯著差異；除第5年與第6年、第6年與第7年的Pielou指數之間存在顯著差異外,其他相鄰年份間均沒有顯著差異。

表2 不同治理年限坡面植物物種多樣性比較

2.3 不同治理年限坡面土壤物理性質變化狀況

隨治理年限增加,坡面土壤的總孔隙度呈現先升高后趨于穩定的趨勢(表3),從第2年的47.15%增加到了51.23%,之后穩定在51.42%—51.60%之間；毛管孔隙度一直呈現出穩步增加的趨勢,從第2年的30.71%增加到了32.91%,兩個相鄰年份之間的變化越來越小；非毛管孔隙度雖然在個別年份出現了下降,但整體上升的大趨勢沒有變,但各年份間變化不顯著。土壤容重整體呈現先下降后趨于穩定的趨勢,由第二年的1.40 g/cm3降低到了第5年的1.29 g/cm3,之后穩定在1.28—1.29 g/cm3之間。

表3 不同治理年限坡面土壤容重及孔隙度

隨治理年限的增加,坡面土壤的飽和持水量、毛管持水量、田間持水量整體上均呈現出上升趨勢,而且上升趨勢的變化大體一致(表4)。在治理前幾年里均呈現出緩慢上升趨勢,第5年均呈現出較大幅度的增加,飽和持水量由23.09%增加到了27.32%,毛管持水量由22.52%增加到了26.50%,田間持水量由21.93%增加到了25.57%,之后三者趨于穩定。其中,飽和持水量各年份整體增加幅度大于毛管持水量,而毛管持水量各年份整體增加幅度又遠大于田間持水量。

表4 不同治理年限坡面土壤的持水能力變化

圖1 不同治理年限坡面土壤顆粒組成的變化 Fig.1 Changes of soil particle composition on the hillslopes after reclaimed for different years

隨治理年限的增加,坡面土壤顆粒組成的變化整體趨勢為：粗顆粒減少,細顆粒增多(圖1)。其中,坡面土壤中直徑1—2 mm顆粒所占百分比一直呈現出緩慢下降趨勢,在治理第5年下降趨勢較其他年份明顯；坡面土壤中直徑小于0.25 mm顆粒所占百分比一直呈現出緩慢上升趨勢,也在治理第5年上升趨勢較其他年份明顯；直徑0.5—1 mm和直徑0.25—0.5 mm的土壤顆粒所占百分比變化不顯著,主要在于兩者在向著較細顆粒發展的同時,又有更大顆粒的土壤向其轉變。

2.4 不同治理年限坡面土壤化學性質變化狀況

隨治理年限的增加,坡面土壤的全氮、有機質含量整體呈現出上升趨勢,土壤全磷、全鉀含量整體呈現出下降的趨勢(表5)。坡面土壤全氮含量在治理后的前6年,呈現逐年上升的趨勢,且相隔兩年間的差異顯著,但在第7年卻顯著降低。坡面土壤全磷、全鉀的變化趨勢相似,整體呈現出隨年限增加穩步下降的趨勢,在第7年比第2年分別降低了16.67%和18.15%,全鉀各年份間的變化明顯大于全磷各年份間的變化。坡面土壤有機質含量整體呈穩步上升的趨勢。隨治理年限的增加,坡面土壤pH值整體變化趨勢為先上升后下降。總體來說,隨治理年限的增加坡面土壤養分狀況逐漸得到改善。

表5不同治理年限坡面土壤全氮、全磷、全鉀及有機質含量變化

Table5Changesoftotalnitrogen,totalphosphorus,totalpotassiumandorganicmattercontentsofthesoilonthehillslopesafterreclaimedfordifferentyears

治理年限Reclaimed years全氮含量Total nitrogen content/(g/kg)全磷含量Total phosphorus content/(g/kg)全鉀含量Total potassium content/(g/kg)有機質含量Organic matter content/(g/kg)pH第2年 2 years0.17±0.07e0.36±0.09a6.06±0.83a4.91±0.28d7.43±0.07b第3年 3 years0.28±0.05d0.34±0.03a5.59±0.81ab4.89±0.28d7.58±0.05a第4年 4 years0.44±0.07c0.30±0.05a5.01±0.71b5.81±0.57c7.59±0.03a第5年 5 years0.52±0.05b0.29±0.05a4.94±0.60b6.04±0.50bc7.34±0.10cd第6年 6 years0.61±0.05a0.32±0.07a5.69±0.64ab6.38±0.33b7.27±0.02d第7年 7 years0.50±0.02bc0.30±0.03a4.96±0.56b7.18±0.38a7.36±0.02c

在前6年隨治理年限的增加,坡面土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀含量整體均呈現出逐年上升趨勢,但在第7年卻出現了顯著降低(表6)。其中,堿解氮含量在各治理年限之間差異均達顯著水平；有磷鉀、速效鉀含量在各治理年限間差異只有少數年份達顯著水平。坡面土壤中這3種速效養分在各年份間的變化趨勢以堿解氮變化最為明顯,其次是有效磷和速效鉀。

表6不同治理年限坡面土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量變化

Table6Changesofalkali-hydrolyzablenitrogen,availablephosphorusandavailablepotassiumcontentsofthesoilonthehillslopesafterreclaimedfordifferentyears

治理年限Reclaimed years堿解氮含量Alkali-hydrolyzable nitrogen content/(mg/kg)有效磷含量Available phosphorus content/(mg/kg)速效鉀含量Available potassium content/(mg/kg)第2年 2 years16.10±2.42e1.89±0.47c26.58±3.25d第3年 3 years37.10±4.87d2.30±0.76bc39.70±13.98bc第4年 4 years44.45±2.36c2.90±0.62b45.68±13.28b第5年 5 years51.10±4.39b2.71±0.49b41.87±6.62b第6年 6 years62.18±2.66a4.80±0.76a57.40±6.20a第7年7 years37.80±3.28d1.70±0.47c30.90±2.98cd

2.5 物種多樣性與土壤理化性質的相關分析

應用RDA分析物種多樣性與土壤養分,得到物種多樣性-土壤養分因子的雙序圖(圖2)。RDA 排序的前 2 個軸保留了物種數據總方差的83.5%,其與環境因子的相關系數分別達0.9152和0.9377,且兩排序軸的相關性極小,僅為-0.0333,說明排序圖能夠反映物種多樣性沿著土壤因子的變化趨勢。在排序圖中,各多樣性指標點的位置反映其在環境因子梯度上取得高值的位置。指向諸環境因子的箭頭方向代表其與排序軸的正負相關性,長度反映環境因子與多樣性指數分布格局之間關系的強弱[11]。從表7 和圖 2 可看出,RDA第1主軸主要與有機質、全氮、堿解氮呈正相關關系,主要與全磷、全鉀、土壤容重呈負相關關系;而第2排序軸與毛管持水量、田間持水量、飽和持水量、總孔隙度呈正相關關系,主要與土壤容重、有效磷、速效鉀呈負相關關系。

由圖2可知,Shannon多樣性指數位于排序軸的右上方,主要與有機質、全氮、堿解氮等呈正相關關系,其最大值出現在環境因子最高的地方,主要與全磷、全鉀等呈負相關關系；Pielou均勻度指數和豐富度指數位于圖的右下方,主要與有機質、全氮、堿解氮等呈正相關關系,主要與全磷、全鉀等呈負相關關系。

圖2 土壤理化性質和物種多樣性關系的RDA雙序圖Fig.2 RDA biplot of the relationship between plant species diversity and soil physical and chemical factor

土壤理化因子Soil physical and chemical factors第一軸Axis 1第二軸Axis 2土壤理化因子Soil physical and chemical factors第一軸Axis 1第二軸Axis 2土壤容重 Soil bulk density-0.4859-0.5248有機質 Organic matter0.72370.0551總孔隙度 Total porosity0.48590.5248全氮 Total nitrogen0.6667-0.0348毛管孔隙度 Capillary porosity0.25280.2424全磷 Total phosphorus-0.29810.2138非毛管孔隙度 Non-capillary porosity0.33940.3864全鉀 Total potassium-0.30660.0319飽和持水量 Saturation moisture capacity0.52590.4591堿解氮 Alkali-hydrolyzable nitrogen0.55730.0067毛管持水量 Capillary moisture capacity0.47250.5068有效磷 Available phosphorus-0.074-0.3618田間持水量 Field water capacity0.43320.4886速效鉀 Available potassium-0.174-0.2939pH0.09550.1941

3 討論

3.1 坡面植被恢復過程中植物群落的變化

植被恢復與重建是人類治理退化生態系統的重要手段和內容。植被恢復過程中植物群落組成的監測有助于了解恢復的發生過程,對進一步了解干擾后植物群落的恢復機理提供更多的數據支持[12]。本試驗通過對不同治理年限的坡面植被的調查,發現隨年限增加,坡面植被覆蓋度和植被種類均逐年增多,并逐漸出現喬木物種,物種多樣性穩步提高。時連俊等[13]的研究也得出了相似的結論。原因在于隨著恢復年限的增加,土壤理化性質的改善影響植物的生長和種類組成,進而影響物種的多樣性指數。但曾歆花等[10]的研究卻發現植被恢復22年后,群落結構和物種組成發生了明顯的變化,群落逐漸由草本向喬灌木轉變,且草本植物的物種數顯著減少。原因可能在于曾歆花的試驗中灌木的蓋度和生物量顯著增加,引起灌下小環境的改變,不利于某些草本植物的生長,從而導致物種多樣性和豐富度指數降低。本試驗中苜蓿的覆蓋度在第7年出現了顯著下降。王書轉等[14]和劉增寶等[15]的研究也發現苜蓿人工草地會逐漸退化,被其他植物群落替代。

3.2 坡面植被恢復過程中土壤理化性質的變化

土壤結構與養分狀況對植物的生長起著關鍵性作用,直接影響植物群落的組成與生理活力,決定著生態系統的結構、功能和生產力水平,是度量退化生態系統生態功能恢復與維持的關鍵指標之一[16]。通過對所采集土壤樣本理化性質的測定發現,隨治理年限增加,土壤的理化性質得到有效改善,持水能力增強,養分含量增高。這種變化趨勢與Garcia等[17]和Gil-Sotress等[18]的研究結果基本一致。楊玉海等[19]研究認為隨種植苜蓿年限增加土壤pH逐漸增高,而楊恒山[20]研究結果與之相反。本研究結果表明：坡面土壤pH值變化趨勢與坡面土壤總孔隙度變化趨勢大體相似,但整體變化趨勢的波動性更強,變化趨勢為先下降,后逐步上升,再逐步下降,且不是像總孔隙度更趨于整體上升的趨勢。土壤顆粒整體向著細顆粒方向發展。影響土壤風化的主要有氣候、生物、母質、時間、人為等五大因素。片麻巖山地經過機械化整地后,由巖石變成了碎石粒,表面積顯著增大,容易受到水、空氣、CO2等化學物質作用而發生化學風化,而且種植苜蓿后,土壤理化性質逐步改善,土壤微生物[21]與土壤酶[22]的作用增強,這些因素都加速了土粒的風化程度。

3.3 植被群落與土壤理化性質的相關性分析

土壤作為植物生長環境的一部分,不僅影響著植物群落的發生、發育和演替的速度,而且決定著植物群落演替的方向[23]。本研究結果表明,植被恢復過程中,土壤質量得到不斷恢復提高,并能促進植被的生長繁衍,推動植被恢復演替進展,植被恢復健康和演替的同時,亦進一步推動土壤質量的改善提高,二者之間表現為正向協同效應。彭東海等[24]的研究也得出了相似的結論。王軼浩等[25]在研究三峽庫區紫色土植被恢復過程的土壤團粒組成及分形特征時發現,植被恢復能有效改善紫色土土壤團粒結構,且隨植被恢復年限增加而增強。植被恢復的過程中,不僅改善了土壤質量,同時也提高了土壤穩定性和抗蝕性。戴全厚等[26]和榮浩等[27]的研究也發現植被地上生物量和植被覆蓋度與關系密切,它們與表示土壤抗蝕性能的土壤團聚度、結構系數之間呈正相關,與土壤分散系數、結構體破壞率之間呈負相關。土壤容重與土壤大團聚體、水穩性團聚體含量之間呈負相關,土壤大團聚體含量與水穩性團聚體含量之間亦呈正相關。

4 結論

隨著治理年限延長,坡面植被覆蓋度和植被種類均顯著增加,群落逐漸出現喬木物種,物種多樣性穩步提高；

經過人工治理的坡面,隨治理年限的增加,坡面土壤多項理化性質得到改善,土壤有效養分增多,保水能力增強,適合越來越多植物的生存,坡面生態環境越來越好；

坡面植被群落覆蓋度和多樣性的改變可以改善土壤理化性質,坡面土壤理化性質的改善反過來也會影響坡面植物群落的種類和覆蓋度。