紫色土丘陵区生态恢复模式与土壤性质相关性分析

熊 伟，魏胜龙，陈志彪，陈志强

(1．福建省宁化县水土保持站，福建宁化365400;2．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州350007;3．福建师范大学地理研究所，福州350007)

紫色土是紫色母岩风化发育形成的初育土，矿质养分丰富，具有高母质肥力特性。但是紫色土尤其是侵蚀酸性紫色土土层浅薄，结构松散，保水保肥能力差，易造成水土流失，是一种具有强烈侵蚀性的土壤，其侵蚀程度仅次于黄土［1］。有研究表明，同一小流域在相同地貌特征和降水条件下，紫色土丘陵区的侵蚀模数高出红壤丘陵区侵蚀模数35%以上［2］。因此，如何快速、有效地恢复地表植被，减轻土壤侵蚀、改善土壤生态系统是开展水土保持的关键所在［3］。过去，国内学者对紫色土丘陵区土壤的可蚀性、土壤元素的迁移及其环境效应进行了深入研究［4-10］，不同土地利用和耕作模式对紫色土丘陵区土壤理化性质的变化、土壤养分流失也有一些的探讨［11-14］，对紫色土丘陵区下垫面产流产沙试验、径流泥沙SWAT模型模拟等方面也有一些报道［15-18］。但是针对水土流失严重的紫色土丘陵区在不同水土保持措施下植被恢复情况及其与土壤性质的相关性研究鲜见报道。本研究以野外实地调查和室内实验数据为基础，以福建省三明市宁化县紫色土丘陵区为对象，进行土壤侵蚀地植被恢复和土壤性质的相关性研究，对比分析不同水土保持措施下的植被恢复情况及土壤性质，探讨紫色丘陵水土流失区各水土保持措施的水土保持效应，为该地区水土流失综合治理提供依据。

1 研究区概况

宁化县位于福建省西部武夷山山麓 (116°22'～117°02'E，25°58'～26°40'N)，属于中亚热带季风气候区，多年平均气温17.8℃，≥10℃活动积温5 396.6℃，无霜期255 d，年降雨量1 769.3 mm，主要集中于2～9月份，约占全年降雨量的85%，其中2～6月为多雨季节，占全年降雨量的64%左右，7～9月多台风雷阵雨，占全年降雨量的21%左右。地貌类型以丘陵为主，石壁镇、淮土乡紫色土分布较广，有44%的紫色土发生强烈水土流失。近20多年来，通过各部门及广大群众的努力，水土流失治理取得一定成效。但是治理速度缓慢，同时“一方治理，多方破坏”的局面还没有根本扭转，使本来就脆弱的生态环境继续恶化。研究区主要木本植物有马尾松 (Pinus massoniana)、胡枝子 (Lespedeza bicolor)、油茶 (Camellia)、木荷 (Schima superba)等，主要草本植物有芒萁 (Dicranopteris diclotoma)、鹧鸪草(Graminea)、金茅 (Eulalia speciosa)、五节芒 (Miscanthus floridulus)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2013年7月，在福建省宁化县紫色土侵蚀丘陵区选择等高草带、乔灌草+水平条沟、乔灌草+台地、林草+封禁5种不同治理措施的林地类型，选择坡改梯、山边沟+鱼鳞坑、隔坡梯田、梯田+竹节沟、水平梯田5种不同治理措施的园地类型以及一个未治理对照区进行植被调查和土样采集工作。各治理类型实施前样地状态与对照地基本一致，样地选择在丘陵山坡中部位置，一般为南坡 (表1)。土壤为紫色母岩风化发育形成的初育土，园地以早期种植油茶为主，除种植初期有施肥外，没有进行其他有效的管理，植被覆盖较好。样地1有少量马尾松、油茶、鹧鸪草和纤毛鸭嘴草等;样地2以马尾松、油茶为主，林下有铺地暮、鹧鸪草、金茅等;样地3是马尾松林，胡枝子长势也较好;样地4主要树种为马尾松、黄栀子、木荷和油茶;样地5主要为马尾松、油茶、胡枝子、木荷、芒萁等;样地6主要为马尾松和轮叶赤楠，林下多小乔木和灌木，长势非常好;样地7为土坎梯田，种果树;样地8芒萁散布面积较大，金银花生长好;样地9主要植物为油茶;样地10梯壁种植百喜草，田埂种黄花菜，套种宽叶雀稗和圆叶决明;样地11为油茶林，林下为芒萁和草本。

2.2 样地调查及土壤样品的采集与分析

2.2.1 植物样方调查

样地植被采用样方法进行调查。乔木层样方大小为20 m×20 m，灌木层样方大小为5 m×5 m，草本层样方大小为2 m×2 m。在乔木层样方的对角设置2个灌木层样方，在灌木层样方的对角设置2个草本层样方。由于样地大小限制，11个样地共设置乔木样方11个，灌木样方22个，草本样方44个。

2.2.2 土壤调查与指标测定

取样时选取能够代表该样地整体状况的区域进行采样。每个样地选取采样点3个，每个采样点按5点法采集0～20 cm土层土样混合，将采集的混合土壤样品在自然条件下风干，研磨，分别过2 mm和0.149 mm筛，密封保存。土壤pH值采用玻璃电极法;有机碳和全氮采用碳氮元素分析仪测定;全磷采用浓硫酸－高氯酸消煮钼锑抗比色法;速效磷采用碳酸氢钠浸提法;全钾采用氢氧化钠碱熔－火焰光度法;速效钾采用乙酸浸提－火焰光度法。

表1 不同治理措施下的样地特征Table 1 Features of sample plots

2.3 数据处理

丰富度指数R采用Margalef指数:

式 (1)中，R是物种度指数;S是样本中观察到的物种数;N是样本中观察到的总个体数。均匀度指数采用Alatalo指数:

式 (2)中，Pi表示第i个物种的相对多度，即一个样地中第i个物种个体数占样地个体总数的比例。

优势度指数D采用Simpson指数:

式 (3)中，S和N分别为涉及的总物种数和总个体数，Ni为样地i中的个体数。

3 结果与分析

3.1 不同治理措施对植物多样性的影响

植物多样性的恢复是退化生态系统恢复与重建的重要内容与标志［19］。选择Margalef丰富度指数、Simpson多样性指数和Alatalo均匀度指数对不同治理措施下植物的多样性进行比较。由表2可知，林地上丰富度指数、多样性指数和均匀度指数总体表现为林草+封禁＞乔灌草＞等高草带＞对照区。林草+封禁治理区植被覆盖较高，该地马尾松长势较高，平均高度10 m以上，而且有阔叶树种的出现，但较矮小。与林地相比，园地上植物多样性指数和均匀度指数差异较小，在本底情况较为一致的园地上，发育相近的植物群落其组成和结构较为相似。梯田+竹节沟的丰富度指数、多样性指数明显高于其他治理措施，由于10号样地梯壁种植有百喜草，田埂种黄花菜，套种宽叶雀稗、圆叶决明等。

3.2 不同治理措施对土壤性质的影响

3.2.1 不同治理措施对土壤碳氮含量的影响

土壤中有机碳含量的变化可以反映土壤有机质的变化规律［20］。图1表明，林地上不同治理措施下土壤有机碳含量都有较大提高，且林草+封禁＞乔灌草＞等高草带＞对照区，不同治理措施差异明显 (P＜0.01)。由于植被恢复可以增加地表覆盖物与枯枝落叶量，腐殖质的分解转化提高了土壤有机质的含量，即有机碳的含量增加，土壤肥力得到一定程度的恢复。

土壤碳氮比是反映土壤质量变化的重要指标［21］。土壤碳氮比的高低反映了陆地生态系统中土壤微生物的群落结构特征。一般情况下生态系统的碳氮比相对稳定，但植被或管理措施变化会影响土壤碳氮含量［22］。

3.2.2 不同治理措施对土壤全量养分的影响

图2可知，不同治理措施下林地土壤全氮含量都有较大提高，且差异显著 (P＜0.01)。全氮含量由大到小依次为林草+封禁、等高草带、乔灌草、对照区。土壤中氮含量的变化主要是生物作用的结果，并对土壤肥力产生深刻影响［23］。这可能与固氮植物胡枝子、黄檀等的生长有关。与林地土壤相比，园地土壤全氮含量相差不大，变化范围为1.04～1.43 g·kg－1。宁化县紫色土成土母质为紫红色或紫色砂岩、砂砾岩、砾岩等风化物，富含K素，缺乏磷素。由图2可知，不同治理措施下林地和园地土壤全钾变化均不是很明显，钾含量在土壤和植物间的转换达到动态的平衡。林地土壤全磷含量具有显著差异性 (P＜0.01)，表现为林草+封禁＞等高草带＞乔灌草＞对照区，地上植物枯死后归还于土壤，导致表层土壤全磷的积累。

3.2.3 不同治理措施对土壤速效养分的影响

对土壤速效养分进行比较分析，由图3可知，速效养分含量明显增加，不同治理措施下土壤速效养分含量都有较大提高，且差异明显 (P＜0.01)。对照区裸地的速效钾含量为36.73 mg·kg－1，治理后土壤速效钾含量最高为164.40 mg·kg－1，大部分在80 mg·kg－1左右。林地上速效钾平均含量为林草+封禁＞乔灌草＞等高草带＞对照区，说明植被的恢复对土壤速效钾含量有显著的影响。速效磷治理前为0.61 mg·kg－1，治理后最高为 6.4 mg·kg－1，大部分在 3～4 mg·kg－1之间。从改良速效磷来看园地效果要好于林地效果，以山边沟+鱼鳞坑效果最好，这可能跟人为因素的影响有关。

图2 不同治理措施对土壤全量养分的影响Figure 2 Effects of different patterns on soil total nutrient

图3 不同治理措施对土壤速效养分的影响Figure 3 Effects of different patterns on soil available nutrient

3.3 土壤性质与植物多样性之间的相关性

由表3可知，土壤性质与植物多样性之间存在明显的相关关系，土壤性质发生着与植物群落物种多样性等特征相关的变化。土壤有机碳与丰富度指数和均匀度指数均存在极显著的正相关关系，与多样性指数存在显著正相关关系;土壤的总氮与丰富度指数、多样性指数、均匀度指数均存在显著正相关关系;土壤全钾和多样性指数存在显著正相关关系;土壤速效钾与丰富度指数、多样性指数、均匀度指数存在极显著正相关关系。说明随着植被的恢复与演替，土壤的肥力有明显的改善。

表3 土壤性质和植物多样性间的关系Table 3 The relationship between soil properties and plant diversity

4 结论与讨论

建立稳定的植物群落才能彻底地改善土壤水土流失和土地退化状况［24］，因此，水土流失、土地退化区生态恢复的主要任务是植被恢复。物种多样性是植物群落稳定的主要指标之一，而土壤性质的改善是植被恢复效果的标志之一［25］。研究结果表明，几种治理措施均可以明显提高植物多样性，改善土壤性质，但不同治理措施下植被恢复的效果和土壤性质改善的效果不同。

林地上，不同治理措施下植被恢复和土壤性质呈现林草+封禁＞乔灌草＞等高草带＞裸地，林草+封禁治理措施下丰富度指数、多样性指数和均匀度指数最大，土壤性质改良作用也最明显。可见，林草措施使植被恢复到一定程度后，停止人为干预，采取封禁，依靠植物生态系统演替的自然恢复力可以自行恢复。乔灌草相结合的恢复模式操作简单，也广为熟知，易于推广。但是如何进行乔灌草的合理配置，是亟待解决的关键问题。只有因地制宜的解决乔木、灌木和草本植物的搭配比例和空间分布问题，才能带来良好的生态效益和经济效益。

园地中，不管是水平梯田、隔坡梯田、坡改梯还是鱼鳞坑措施都对土地进行整平，坡面呈梯形结构，可以发挥其蓄水、保土、保肥的正向功能，提高土地生产力。梯形改造破坏了山体局部生境条件，其土壤性质没有表现出明显的变化规律。总体而言，园地紫色土壤的磷、钾元素含量都要高于林地，有工程措施的效果，但人类活动对园地的影响更大。本研究所选园地处于水土流失严重的紫色土丘陵区，油茶种植在考虑经济效益的同时也兼顾生态恢复效益。即此处园地没有进行规范化管理，园中各树种、杂草与油茶混杂，物种较丰富，园地进行的生物多样性调查仅做参考。

土壤有机碳的含量与植物丰富度指数、多样性指数、均匀度指数呈现极显著或显著的正相关，原因是土壤有机质主要的来自植物根系分泌物与地上凋落物。侵蚀酸性紫色土由于土层松散，结持性差，植被受破坏严重，土壤侵蚀严重，疏松腐殖质层多被侵蚀，母质层裸露，有机质很低。在合理的治理措施下，地表植被恢复后，一方面植物根系的分泌物中含有有机质;另一方面植物多样性的提高能够带动其他生物物种多样性的增加，大量的生物残体使土壤有机质显著提高。已有研究表明，植物凋落物量对土壤速效钾含量有重要影响，本研究也表明两者呈极显著的正相关。

不管是林草+封禁、乔灌草、等高草带这样的林草措施，还是像坡改梯、鱼鳞坑、竹节沟等这些工程措施，对紫色土丘陵区的植被恢复、土壤改良都有显著的效果，因此，在治理水土流失、恢复生态环境时，结合林草措施和工程措施才能产生更好的生态效益和经济效益。

［1］Liu Gang-cai，You Xiang，Zhang Jian-hui，et al．The effects of integrated countermeasures on soil and water conservation of the small watershed in hilly area of Sichuan Basin［J］．Journal of Mountain Science，2008，25(5):590-595．［刘刚才，游翔，张建辉，等．紫色土丘陵区小流域综合治理对水土保持的作用 ［J］．山地学报，2008，25(5):590-595．］

［2］ Liu Gang-cai，You Xiang，Zhang Jian-hui，et al．The primitive study on the adaptability of soil and water conservation measures on barren land in hilly area of Sichuan Basin ［J］．Journal of Mountain Science，2008，26(6):714-720．［刘刚才，游翔，张建辉，等．紫色土丘陵区陡坡荒地水土保持措施的适宜性初探 ［J］．山地学报，2008，26(6):714-720．］

［3］ Zhu Zhen-da．The status and prospect desertification in China［J］．Journal of Geographical Sciences，1994，49(1):650-659．［朱震达．中国荒漠化问题研究的现状与展望 ［J］．地理学报，1994，49(1):650-659．］

［4］ Jiang Rui，Zhu Bo，Tang Jia-liang，et al．Transportation processes and loss fluxes of nitrogen and phosphorous through storm run of in a typical small watershed in the hilly area of purple soil［J］．Hydraulic Engineering，2009，39(6):659-666．［蒋锐，朱波，唐家良，等．紫色丘陵区典型小流域暴雨径流氮磷迁移过程与通量［J］．水利学报，2009，39(6):659-666．］

［5］ Liao Chao-lin，Shi Yu，Wang Cui-hong，et al．Study on nutrient characteristics of erosive soil in purple hilly area of central Hunan Province［J］．Research of Soil and Water Conservation，2009，16(3):110-113．［廖超林，石宇，王翠红，等．湘中紫色丘陵区侵蚀性土体养分特征研究 ［J］．水土保持研究，2009，16(3):110-113．］

［6］ Shi Dong-mei，Chen Zheng-fa，Jiang Guang-yi，et al．Comparative study on estimation methods for soil erodibility K in purple hilly area［J］．Journal of Beijing Forestry University，2012，34(1):32-38．［史东梅，陈正发，蒋光毅，等．紫色丘陵区几种土壤可蚀性 K值估算方法的比较 ［J］．北京林业大学学报，2012，34(1):32-38．］

［7］ Wang San-shu，Shi Dong-mei，Jiang Guang-yi，et al．Analysis of soil structure stability and corrosion resistance of slop land bio-bank in purple hilly area［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2012，26(6):31-35．［汪三树，史东梅，蒋光毅，等．紫色丘陵区坡耕地生物埂的土壤结构稳定性与抗蚀性分析 ［J］．水土保持学报，2012，26(6):31-35．］

［8］ Yang Wen-yuan，Zhang Qi．Study on soil anti-scourability in purple hilly area［J］．Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation，1997，3(2):22-28．［杨文元，张奇．紫色丘陵区土壤抗冲性研究 ［J］．土壤侵蚀与水土保持学报，1997，3(2):22-28．］

［9］ Zhang Bing，Jiang Guang-yi，Chen Zheng-fa，et al．Factors of soil erodibility of purplish soil in hilly region［J］．Acta Pedologica Sinica，2010(2):354-358．［张兵，蒋光毅，陈正发，等．紫色丘陵区土壤可蚀性因子研究 ［J］．土壤学报，2010(2):354-358．］

［10］ Zhu Bo，Wang Tao，Xu Tai-ping，et al．Non-point-source nitrogen movement and its environmental effects in a small watershed in hilly area of purple soil［J］．Journal of Mountain Science，2006，24(5):601-606．［朱波，汪涛，徐泰平，等．紫色丘陵区典型小流域氮素迁移及其环境效应 ［J］．山地学报，2006，24(5):601-606．］

［11］ Ji Yi-qun，Wang Zi-fang，Gao Ming，et al．Fractal features of soil aggregate under different land-use types in purple hilly area［J］．Chinese Journal of Soil Science，2009，40(2):221-225．［季轶群，王子芳，高明，等．紫色丘陵区不同土地利用方式下土壤团粒的分形特征 ［J］．土壤通报，2009，40(2):221-225．］

［12］ Lin Chao-wen，Luo Chun-yuan，Pang Liang-yu，et al．Effects of different cultivation and mulching methods on soil erosion and nutrient losses from a purple soil of sloping land［J］．Acta Ecologica Sinica，2010，30(22):6091-6101．［林超文，罗春燕，庞良玉，等．不同耕作和覆盖方式对紫色丘陵区坡耕地水土及养分流失的影响 ［J］．生态学报，2010，30(22):6091-6101．］

［13］ Luo Yi，Wu Fu-zhong，Yang Wan-qin，et al．N losses from different cropping modes in the purple hilly region of the Si-chuan Basin［J］．Acta Scientiae Circumstantiae，2010，30(11):2221-2228．［罗艺，吴福忠，杨万勤，等．四川盆地紫色丘陵区不同种植模式下氮流失特征 ［J］．环境科学学报，2010，30(11):2221-2228．］

［14］ Yang Hao-yu，Zhao Xiao-rong，Zeng Xiang-zhong，et al．Effects of different farming systems on nitrogen and phosphorus loss from surface runoff in purple hilly region in Sichuan ［J］．Ecology and Environmental Sciences，2009，18(6):2344-2348．［杨皓宇，赵小蓉，曾祥忠．等．不同农作制对四川紫色丘陵区地表径流氮，磷流失的影响［J］．生态环境学报，2009，18(6):2344-2348．］

［15］ Gao Mei-rong，Liu Gang-cai，Zhu Bo．Study on process of runoff in different three tillage systems in hilly area，Sichuan Province［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2000，14(5):118-121．［高美荣，刘刚才，朱波．四川紫色土丘陵区不同耕作制的产流过程初步分析 ［J］．水土保持学报，2000，14(5):118-121．］

［16］ Gao Xu-biao，Sun Hou-cai，Zhao Yong-jun，et al．Sediment delivery ratio and spatial scale effect of small watershed in the hilly area of central Sichuan Province［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，27(6):130-133．［高旭彪，孙厚才，赵永军，等．长江上游川中紫色土丘陵区小流域泥沙输移比空间尺度效应研究［J］．水土保持通报，27(6):130-133．］

［17］ Peng Xu-dong，Jiang Dong，Shi Dong-mei，et al．Experimental study on water runoff and sediment yield of different underlying surfaces of waste soil and residue in purple hilly area ［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2013，27(3):9-13．［彭旭东，江东，史东梅，等．紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面产流产沙试验研究 ［J］．水土保持学报，2013，27(3):9-13．］

［18］ Zeng Yun，Wei Lin．Runoff and sediment simulation in purple hilly area based on SWAT model［J］．Journal of Geo-information Science，2013，15(3):401-407．［曾赟，魏琳．川中紫色丘陵区径流泥沙SWAT模型的模拟应用分析 ［J］．地球信息科学学报，2013，15(3):401-407．］

［19］ Li Yu-yuan，Shao Ming-an．The change of plant diversity during natural recovery process of vegetation in Ziwuling area［J］．Acta Ecologica Sinica，2004，24(2):252-260．［李裕元，邵明安．子午岭植被自然恢复过程中植物多样性的变化 ［J］．生态学报，2004，24(2):252-260．］

［20］ Guo Tian，He Bing-hui，Jiang Xian-jun，et al．Effect of Leucaena leucocephala on soil organic carbon conservation on slope in the purple soil area［J］．Acta Ecologica Sinica，2012，32(1):190-197．［郭甜，何丙辉，蒋先军，等．新银合欢篱对紫色土坡地土壤有机碳固持的作用 ［J］．生态学报，2012，32(1):190-197．］

［21］ Zhang Chun-hua，Wang Zong-ming，Ju Wei-min，et al．Spatial and temporal variability of soil C/N ratio in Songnen Plain Maize Belt［J］．Environmental Science，2011，32(5):1407-1414．［张春华，王宗明，居为民，等．松嫩平原玉米带土壤碳氮比的时空变异特征 ［J］．环境科学，2011，32(5):1407-1414．］

［22］ Zhang Yan-jun，Guo Sheng-li，Nan Ya-fang，et al．The changes and influencing factors of soil C ∶N ratio in small watershed of hilly region of Loess Plateau［J］．Journal of Natural Resources，2012(7):1214-1223．［张彦军，郭胜利，南雅芳，等．黄土丘陵区小流域土壤碳氮比的变化及其影响因素 ［J］．自然资源学报，2012(7):1214-1223．］

［23］ Wang Guo-liang，Liu Guo-bin，Xu Ming-xiang．Effect of vegetation restoration on soil nutrient changes in Zhifanggou Watershed of loess hilly region［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，2002，22(1):1-5．［王国梁，刘国彬，许明祥．黄土丘陵区纸坊沟流域植被恢复的土壤养分效应 ［J］．水土保持通报，2002，22(1):1-5．］

［24］ Zuo Chang-qing，Xie Song-hua．Effects of soil and water conservation plant community structure on soil properties in eroded red soil region of south China［J］．Subtropical Soil and Water Conservation，2005，17(2):1-5．［左长清，谢颂华．南方红壤侵蚀区水土保持，植物群落结构对土壤性状的影响［J］．亚热带水土保持，2005，17(2):1-5．］

［25］ Jin Yu，Pan Cun-de，Wang Mei，et al．Plant community species diversity and comparison of its indices in arid desert land［J］．Arid Land Geography，2005，28(1):113-119．［晋瑜，潘存德，王梅，等．荒漠植物群落物种多样性及其测度指标比较 ［J］．干旱区地理，2005，28(1):113-119．］