衡阳紫色土丘陵坡地植被不同恢复阶段土壤理化特征分析

杨 宁 ，邹冬生 ，杨满元 ，陈盛彬 ，陈志阳 ，林仲桂

（1.湖南环境生物职业技术学院，a.园林学院，b.实训中心，湖南衡阳421005；2.湖南农业大学生科院，湖南长沙410128）

植被与土壤是一个相互作用、协调发展的统一体，植被的演替伴随着土壤性状的改变，土壤的分异导致植被的变化，植被的变化影响着土壤的发育。因此，关于植被与土壤环境之间的关系研究，一直是生态学研究的一个重要领域。近年来，有关这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阶段土壤特性的差异[1，2]；植物群落演替进程中土壤肥力变化综合评价[3-5]；植物群落分布与土壤特征及土壤营养关系等方面[6-8]，尽管以上研究对群落演替过程中的土壤变化的研究取得了一定的成果，对于衡阳紫色土丘陵坡地的研究主要集中于对其土壤水分的研究，忽视了土壤理化因子的重要作用，而导致所采取的经营措施存在盲目性。

衡阳紫色土丘陵坡地面积1.625×105hm2，是湖南省环境最为恶劣的地区之一，该区域水土流失严重，植被稀疏，基岩裸露，有的区域几乎没有土壤发育层，生态环境十分恶劣，植被恢复十分困难[9，10]。为此，本研究以衡阳紫色土丘陵坡地为例，研究植被不同恢复阶段土壤理化特征，旨在为衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复与重建提供科学依据，对其生态环境建设与可持续的生态农业发展，具有重大的理论与实践意义。

1 研究区域概况

该区域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐标为110°32′16″-113°16′32″E，26°07′05″-27°28′24″N。属亚热带季风湿润气候，年平均气温18℃；极端最高气温40.5℃，极端最低气温-7.9℃，年平均降雨量1325 mm，年平均蒸发量1426.5 mm。平均相对湿度80%,全年无霜期286 d。地貌类型以丘岗为主，呈网状集中分布于该区域中部海拔60 m-200 m的地带，东起衡东县霞流、大浦，西至祁东县过水坪，北至衡阳县演陂、渣江，南达常宁市官岭、东山和耒阳市遥田、市炉一带，以衡南、衡阳两县面积最大。

2 研究方法

2.1 样地设置

结合当地记载的资料，采用空间代替时间的方法[11]，选择坡度、坡向、坡位和裸岩率等生态因子基本一致的坡中下部沿等高线的裸荒地、草本群落、灌木群落和乔木群落四种类型表示演替的四个阶段，分别用演替初期（Ⅰ）、演替中前期（Ⅱ）、演替中后期（Ⅲ）与演替后期（Ⅳ）表示（表1）。

2.2 样品的采集与分析

在3个样地中取面积400 m2（20m×20m）于春季（2010年 3月）、夏季（2010年 8月）、秋季（2010年 11月）与冬季（2011年1月）四季，采用S型或梅花型5点，且以0 cm-20cm（表层），20 cm-40 cm（亚表层）和 40 cm-60cm（下层）分 3层（分别用A、B、C层表示）混合取样；按相同生境和层次的5个点的土样等比例混合为一个混合样，去掉土壤中可见植物根系和残体，重复3次，编号，土壤风干后过筛，供测定土壤养分等。其中土壤容重、水分测定采用铝盒烘干法（105℃，12h）[12]，团粒结构用环刀法制取[12]；有机质（SOM）采用重铬酸钾-外加热法测定[13]，全氮（TN）采用半微量开氏法测定[13]，速效磷（AP）采用NaHCO3提取-钼锑抗显色-紫外分光光度法测定[13]，速效钾（AK）采用NH4Ac-原子吸收法测定[13]。

表1 样地概况

3 结果与分析

3.1 不同植被恢复阶段对土壤物理性质的影响

3.1.1 不同恢复阶段对机械组成的影响 土壤质地直接影响土壤水、肥、气、热的保持与运动，与植物群落的演替有着密切关系。大量的研究表明，黏粒具有较大的表面积，粘结力很强，在水稳性团聚体形成过程中具有重要作用[14]，不同植被恢复阶段土壤机械组成见（表2）。

由于紫色土成土母岩为紫色砂页岩，主要以粗粉粒为主。随着植被恢复的演替进行，黏粒总体含量也随之增加，各级微团粒含量百分比差异很大，有的甚至达到显著或极显著水平（p＜0.05或p＜0.01）。其中表土层变化最显著，在演替初期（Ⅰ），0 cm-20cm表层土壤大于0.1mm微团粒百分比大幅度增加，比演替中前期（Ⅱ）、演替中后期（Ⅲ）与演替后期（Ⅳ）分别增加17.86%、39.29%与57.14%。这是由于随着植被恢复演替的进行，植被盖度增加，减小雨滴对地面的直接击溅侵蚀，降低径流对土壤的冲刷，稳定了成土环境，使黏化作用增强，黏粒聚集明显，粉粒、黏粒含量增加，砂粒含量减小，土壤抗蚀性与抗冲性提高，有效地减少了水土流失。

3.1.2 不同植被恢复阶段对土壤容重的影响 土壤容重不仅直接影响到土壤空隙度的大小与空隙分配、土壤的穿透阻力及土壤水、肥、气热变化，也影响着土壤微生物活动和土壤酶活性的变化，其大小与土壤质地、结构、有机质含量、土壤坚实度等有关，可作为土壤肥力的指标之一。土壤容重愈小，表明土壤的结构性愈好，孔隙多，疏松，有利于土壤的气体交换和渗透性的提高，反之，土壤容重愈大，表明结构性差，孔隙少，板结。

研究表明（表3），不同植被恢复阶段土壤容重随土壤深度的增加而增加，增加幅度最大的为演替初期（Ⅰ）的表层与亚表层，增加3.66%，同一层次在不同的演替阶段，土壤容重随着演替的进展土壤容重逐渐减小，且差异均达到显著水平（p＜0.05），土壤容重最小的是演替后期的表层，为1.25 g/cm3，容重最大的为演替初期的底层，为1.75 g/cm3，其主要原因是随着植被恢复的演替进行，植被盖度增大，植物的枯枝落叶也相应增加，由于地表土壤丰富的养分条件，使根系的生物量的垂直分布随土层深度的增加而呈下降趋势，细根在表层土壤（0 cm-20cm）富集有关。

表3 不同植被恢复阶段土壤容重的变化 （单位：g/cm3）

3.2 不同植被恢复阶段的土壤化学性质的变化

土壤化学特性及其养分含量是土壤质量最为重要的表征指标，也是衡量土壤生产潜力的基本内容。在衡阳紫色土丘陵坡地，随着植被恢复演替的进行，土壤养分和化学性质也发生了变化。

3.2.1 土壤有机质变化 土壤有机质是土壤的重要组成部分，它含有植物生长所需要的各种营养物质，特别是氮、磷的重要来源，是提供微生物生命活动的能源，对土壤物理、化学和生物学性质都有着深刻的影响，在植被恢复过程中，它促进了植物的呼吸和新陈代谢，提高酶的活性，从而大大促进了植物的生长发育和养分吸收。

研究表明（表4），衡阳紫色土丘陵坡地不同植被恢复阶段，土壤有机质的变化趋势是一致的，其含量均随土层深度的增加而递减，表现出明显的表聚性；在演替初期（Ⅰ）与演替中前期（Ⅱ），0 cm-40cm土层的有机质含量极其接近，由于在这两个阶段土壤表层的枯落物较少，形成上具有同源性；在演替中后期（Ⅲ），有机质含量的差异随土层深度的增加而增大，在多数情况下，其差异达到显著水平（p＜0.05），这是由于在此演替阶段，植物枯落物及其根系主要集中在0 cm-40cm处，而40 cm-60cm处较少的原因。在演替后期（Ⅳ），由于地表枯落物及其残根的增加，0 cm-20cm土层有机质含量增加幅度较大，比演替中后期（Ⅲ）同层次增加近50%。

表4 不同植被恢复阶段土壤有机质的变化 （单位：g/kg）

3.2.2 土壤全氮的变化 氮素是植物生长的重要元素之一，植物中积累的氮素有50%左右来自于土壤，土壤全氮含量是土壤的基本性质之一。植被恢复改变了土壤特性，土壤物质输入与支出发生改变，土壤全氮含量也会发生相应的改变。

研究表明（表5），植被恢复的不同演替阶段，土壤全氮总体含量呈现上高下低的分布格局，这与土壤有机质含量的分布格局相似，也符合一般土壤氮素的分布格局。但进一步分析发现，由于植被状况等生态因素的差异，相同层次土壤全氮存在一定的差异。在演替初期（Ⅰ），表层0 cm-20cm土壤的含氮量低于亚表层20 cm-40cm土壤的含氮量（p＞0.05），这可能与此阶段的裸荒地水土流失带走表层一部分氮素有关；在以后的演替阶段，全氮的含量随土层的变化规律与土壤有机质的含量相对应，上高下低，说明土壤中全氮的含量与有机质的含量具有极强的相关性[15]；但值得一提的是，尽管演替后期（Ⅳ）表层土壤全氮量大于演替中后期（Ⅲ）表层土壤全氮量，但在其他几个下部层次上，演替后期（Ⅳ）土壤全氮量却小于演替中后期（Ⅲ）土壤含氮量，这主要与演替后期（Ⅳ）乔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，从地下主要根区（20 cm-60cm）吸收消耗的氮量必然较多。

表5 不同植被恢复阶段土壤全氮的变化 （单位：g/kg）

3.2.3 土壤速效磷的变化 磷是植物生长必需的营养元素之一，速效磷易于在植被生长中被吸收利用，它既是构成植物体内重要有机化合物的组成部分，同时又以多种方式参与植物体内的生理过程，对植物生长发育和生理代谢起着重要的作用。

研究表明（表6），随着植被恢复的演替进行，速效磷的含量在逐渐增加，这可能与随着演替的进行，土壤中的有机质含量逐渐增加有关。在演替初期（Ⅰ）与演替中前期（Ⅱ）0 cm-60cm土壤速效磷变化幅度没有达到显著水平（p＞0.05），原因在于其土壤所含有机质较低，土壤容重较大，土壤速效磷的有效性与移动性较差；在演替中后期（Ⅲ）与演替后期（Ⅳ）0 cm-20cm表层速效磷反而比20 cm-40 cm亚表层速效磷低（p＜0.05），导致这种现象的原因可能是一方面表层土壤沙性较大，砂土对磷的吸附能力较弱[16]，另一原因是正磷酸盐容易被还原致使速效磷易于被雨水淋失；四个演替阶段40 cm-60cm底层土壤速效磷的变化幅度不大，其差异也没有达到显著水平（p＞0.05），一方面说明植物的根系主要分布于表层与亚表层，底层分布较少，另一方面说明植物生长所必需的磷几乎全部由土壤供给，磷在土壤中的移动性与挥发性较小。

表6 不同植被恢复阶段土壤速效磷的变化（单位：mg/kg）

3.2.4 土壤速效钾的变化 钾是植物生长所必须的营养元素，土壤有机质中吸附一定数量的钾，使其免于流失，提高了它的有效性，因此，土壤有效钾在植被恢复演替中有着十分重大的意义。

研究表明（表7），随着植被恢复演替进行，在0 cm-20cm的表层，土壤速效钾随植被恢复的演替进行而增加显著（p＜0.05），这与演替的进行中，表层枯落物逐渐增加有关；在Ⅰ-Ⅳ演替阶段，20 cm-40 cm亚表层土壤速效钾变化幅度不大（p＞0.05），其原因在于随着演替的进展进行，枯枝落叶层腐殖化而增加的营养在表土层富集，而枯枝落叶的矿化难易程度与土壤的水分等环境条件有关，土壤养分向下淋溶需要时间的积累；40 cm-60 cm下层土壤速效钾随着演替的进展进行而逐渐下降，虽然差异不显著（p＞0.05），这与随着演替进行，植物生长需要大量的钾元素，其根系逐渐向下扩展，而通过降水淋溶作用而到达下层的钾元素低于植物生长吸收数量，以致于下层钾元素处于下降的状态。

表7 不同植被恢复阶段土壤速效钾的变化（单位：mg/kg）

3.3 土壤理化因子的主成分分析

为了更好地分析不同理化因子与土壤质量的关系，从而选择用于衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复的评价指标，我们对所研究区域的土壤机械组成百分比、土壤容重、SOM、TN、AP与AK等6个指标进行了主成分分析（表8）。由于各理化因子之间有相互关系的原因，需要进行6个主成分才能解释超过85%的信息。设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表示土壤机械组成百分比的大小；α6表示土壤容重的大小。第一主成分解释了SOM的信息，其贡献率为39.153%，第二主成分解释了TN的信息，其贡献率为20.086%，第三主成分解释了AP的信息，其贡献率为8.984%，第四主成分解释了AK的信息，其贡献率为7.458%，第五主成分解释了土壤机械百分比的信息，其贡献率为6.427%，第六主成分解释了土壤容重的信息，其贡献率为4.004%。从评价土壤质量的角度看，土壤SOM、TN、AP、AK、土壤机械百分比、土壤容重可作为评价植被改善土地质量的标准。

表8 土壤理化因子的主成分贡献率

4 结论与讨论

4.1 结论

通过对衡阳紫色土丘陵坡地植被不同恢复阶段土壤理化特征的分析，随着植被恢复的演替进行，土壤质量具有明显的差异，具体表现为：①随着植被恢复的演替进行，土壤各层黏粒含量增加显著（p＜0.01或p＜0.05），但随土壤深度的增加，呈递减趋势，具体表现为：表层＞亚表层＞下层；土壤容重减小明显（p＜0.05），随土壤深度而呈递增趋势，具体表现为：表层＜亚表层＜下层；②土壤有机质逐渐增加（p＞0.05），随土壤深度的增加呈递减趋势，表现出明显的表聚性；③土壤全氮、速效磷和速效钾含量均呈上升趋势，由于植物根系及枯落物多少的差异，使得各营养成分的垂直分布各异；④主成分揭示出土壤理化特征可作为评价植被改善土地质量的标准。

4.2 讨论

（1）土壤作为一个独立的自然体，对水、肥、气、热及植物群落的演替具有重要的调节作用，同时又受植物群落结构差异的影响，使土壤理化性状发生改变。在衡阳紫色土丘陵坡地，随着植被恢复的不断进行，其理化因子的变化除了与成土母岩、气候和自然理化性质有密切关系外，植被的作用也不可忽视。植物群落对土壤发育的作用，一是通过改变群落水热环境直接影响土壤的发育条件，二是通过根系和枯落物回归土壤而直接参与土壤的成土过程。

（2）在衡阳紫色土丘陵坡地，随着植被恢复的演替进行，土壤各层次土壤容重减小明显（p＜0.05），黏粒含量总体增加显著（p＜0.05或p＜0.01），土壤容重的减小主要是由土壤颗粒组成的不同而导致的，而黏粒含量的多少对土壤的通气、水分状况及抗蚀性及至植物根系的生长均有重大的影响，因此土壤容重的大小与土壤机械组成百分比之间有着紧密的联系[17，18]。

（3）在衡阳紫色土丘陵坡地，随着植被恢复的不断进行，植物盖度上升，土壤容重减小，黏粒含量增加，孔隙度上升，有利于土壤微生物的生命活动[19]及酶的活性[20]，土壤理化特征趋于改善，为赖以生存的植物提供物质条件，但由于植物根系的空间格局的差异，枯落物回归土壤的矿化与积累的速度的不同，从而造成土壤理化性质具有高度的空间异质性，因此，在衡阳紫色土植被恢复过程中，要因地制宜，合理搭配植物种类，加强管理。

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