植被三维结构对水蚀红壤粒径分布及养分含量的作用

顾祝军 罗昊

摘要：基于福建省长汀县河田镇48个样区（15 m × 15 m）植被垂直分层类型，不同垂直层次的总体植被覆盖度、枯落物厚度、土壤粒径分布及养分含量3类土壤属性数据，分析植被特征与土壤属性间的相互关系，并比较不同侵蚀程度、不同垂直结构类型下植被覆盖度、枯落物厚度与土壤粒径分布及养分含量的差异。结果表明，植被覆盖度、枯落物厚度与侵蚀程度显著负相关，与土壤中有机质含量、全氮含量、全磷含量显著正相关，但与全钾含量差异不显著。当植被覆盖度达到50%、枯落物厚度达到20 mm时、可以有效保持水土，其中枯落物较上层植被的水土保持作用更明显。不同植被垂直结构组合中，选择林灌草、林灌、灌草、纯草均可以较好地促进植被生长、改良土壤结构、保持土壤肥力。

关键词：植被；土壤养分；三维结构；土壤侵蚀

中图分类号：S157.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0383-05

长期以来，我国南方红壤区由于降水量大，土壤淋溶作用强，加上不合理的土地利用方式，水土流失严重，严重制约了当地经济发展、社会进步，并威胁当地的生态平衡[1-3]。植被是治理水土流失的关键因子，植树造林一度成为治理水土流失的首要措施[4-5]。经过多年治理，我国南方红壤区的森林覆盖率已达50%以上，但由于林下普遍缺少灌木或草本植被覆盖，即林地结构不完整，水土流失问题仍然突出[6]。土壤结构、土壤肥力变化影响植被群落的发生、发育以及演替速度和方向[7-8]。对不同林地结构与土壤粒径分布和养分含量关系进行研究是水土保持理论研究的重要组成部分，也是治理“林下流”，保护生态环境的关键[9-11]。植被覆盖度（vegetation fractional coverage，VFC）主要反映植被水平结构信息。植被覆盖度是主要的减流减蚀因子，植被覆盖度与径流量、土壤流失量呈负相关[12-13]。即使在高植被覆盖地区，由于林下植被、枯落物缺乏，仍会发生中度甚至强度水土流失，即林下流问题十分严重[14-15]。林地植被地上部分一般可分为垂直的3个层次，即林冠层、灌草植被层、枯落物层，这3个作用层在水土调节中各有其重要作用[16-18]。植被覆盖度作为植被结构水平信息的表征值不能反映垂直层次的信息，所以具有明显的局限性。现阶段，能够表征植被垂直分布密度信息的叶面积指数（leaf area index，LAI）已得到了广泛运用，用叶面积指数评价植被对于水土流失作用的科学性已得到证实[19-20]。当植被覆盖度与产沙量无明显关系时，叶面积指数与产沙量也有很高的相关性[21]。但叶面积指数不能完整反映植被水平、垂直层次的结构，即三维结构。反映植被结构三维信息的生物量（biomass）、植被密度（density）、绿量（live vegetation volumn，LVV）已得到应用[22-24]。雷婉宁等比较了无草层次林地、采伐上层林、清除枯落物林地、完整层次林地的水土流失量，确定上林冠层、草被层、枯落物层对减少水土流失的权重因子，并据此权重在植被覆盖度的基礎上提出了结构化植被指数[25-26]。植被可以减少侵蚀、改良土壤结构、提高土壤肥力。范淑英等在江西省红壤坡地发现，植被覆盖能大大减少径流量、土壤侵蚀量，并有效改善土壤物理属性，增加土壤有机质、氮、磷、钾含量[27]。Zhang等研究指出，黄土中K含量与植被间关系不明显[28]。阔叶林土壤综合肥力高于针阔混交林，纯针叶林最差，自然恢复林高于人工植被[29]。纯乔、纯灌、纯草3类植被土壤中，全氮、全磷含量以纯乔最高，全钾含量以纯灌最高[30]。夏江宝等研究结果表明，植被能够改善土壤结构属性，针阔混交林土壤粒径分布结构最好，其次是纯林，纯针叶林好于纯经济林[31]。另有研究指出，提高土壤有机质含量是改善土壤结构状况的关键，通过增加土壤的植被枯落物或施加肥料也能达到增加土壤肥力、改良土壤结构的效果[7]。综上所述，有关植被结构、植被对土壤粒径分布和养分含量作用研究已取得诸多成果，但关于三维植被结构，即综合植被水平、垂直分层结构与粒径分布和养分含量之间关系的研究较少。笔者在野外选取48个不同侵蚀程度样方，调查各样方的植被垂直层次，计算不同垂直层次的总体植被覆盖度、地面枯落物厚度作为三维植被结构指标，研究三维植被结构与土壤属性间的关系及变化特征，并找出保持水土的最佳植被垂直层次组合，以期为“林下流”治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区介绍

研究区位于福建省长汀县河田镇（25°38′17.9″N，116°27′35.7″E）（图1），是福建省水土流失最严重的地区之一，地貌以丘陵为主，土壤为黑云母花岗岩风化形成的山地红壤，绝大部分山地土壤露出心土层（B层），有的甚至露出母质层（C层）、母岩层（D层），属中亚热带季风气候，年平均气温 18.3 ℃，年均降水量1 500～1 700 mm。该区地带性植被为中亚热带常绿阔叶林，由于历史上严重的毁林开荒，阔叶林已破坏殆尽，现有重建植被主要是马尾松（Pinus massoniana Lamb）林，林下灌草植被较少，在水土流失严重地段几近裸地，灌草覆盖度极低，“林下流”现象严重。

1.2 样本区选取与分类

2010年12月17—18日，在河田镇罗地草山、大路口风水林、张坑、露湖四处相邻山地（海拔200 m左右）选取48个样本区。样本区土壤皆为发育于花岗岩母质的山地红壤，坡面平整，坡度为10°～15°，西南坡，投影大小均为15 m×15 m。按坡地植被垂直层次样，本区可分为裸地、纯林区、纯草区、林灌区、林草区、灌草区、林灌草区。乔木以马尾松为主，另有少量木荷（Schima superba Gardn. et Champ.）、栗树（Castanea Mill.），灌木以油茶（Camellia oleifera Abel.）、甘松（ Nardostachys chinensis Batal.）、小叶赤楠（Syzygium buxifolium Hook. & Ar）居多，草本植被主要是笀萁[Dicranopteris dichotoma （Thunb.） Bernh.]、鹧鸪草（Eriachne pallescens R. Br.）、狗牙根[Cynodon dactylon （Linn.） Pers.]、茅草[Imperata cylindrica （Linn.） Beauv.]。根据SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》，按侵蚀土壤程度将样本区分为剧烈、强度、中度、轻度、无明显（微度）共5级侵蚀，并数值化为5、4、3、2、1。

1.3 数据观测与分析

每个样本区按图1所示采样，用数码照相法分别垂直向上、垂直向下拍摄每个子样本区的乔木、灌草相片，灌草难以区分，所以作为同一层看待。根据相片中植被、非植被像元的灰度值差异，多次计算后取平均值作为样本区乔木、灌草覆盖度，计算样本区不同垂直分层结构的总体覆盖度[32]：

TSG=T+SG-1.134×T×SG-0.025。

式中：TSG为总体覆盖度，T为乔木林冠覆盖度，SG为灌草覆盖度，当TSG<0时取值为0，TSG>1时取值为1。在每个子样本区中心位置选取1 m×1 m的小樣方收集枯落物，晾干后，在底面为1 m2、壁面平整光滑的柱形容器中平铺，测得厚度值，5个子样本值平均后得样本区枯落物厚度。在每个枯落物收集区内随机用20 mm直径的土样钻取器取3份0～ 5 cm 的表层土壤[28]，混合后，2 mm以下颗粒使用Beckman Coulter LS230激光粒度仪进行超声分散（160 W，10～15 min），以美国制粒径7级分级标准输出测试结果：2.00～1.00 mm；1.00～0.50 mm；0.50～0.25 mm；0.25～0.10 mm； 0.10～0.05 mm；0.050～0.002 mm；<0.002 mm，石砾（2～1 mm）、粗沙砾（1～0.25 mm）、细沙砾（0.25～0.05 mm）、粉黏粒（<0.05 mm）[31]。每个子样区混合土样取部分，测定全氮（全N）、有机质（OM）、全磷（全P）、全钾（全K）含量[33]，所有样本区的土壤理化属性均取5个子样本的平均值。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0统计软件中的one-way ANOVA、Peareson相关分析、Duncan's处理数据。

2 结果与分析

根据RUSLE（revised universal soil loss equation，修正通用土壤流失方程）所述[34]，侵蚀影响因子共有降水、土壤可蚀性、坡长和坡度、植被、人为措施五大类，由于样本区坡度、坡长、降水条件基本一致，土壤可蚀性为土壤本身属性，本研究暂不考虑人为措施，所以本研究主要分析植被与土壤属性的关系。

2.1 植被三维结构与土壤属性间的相关性

由表1可知，植被覆盖度、枯落物厚度均对侵蚀等级、N、OM、全P作用明显，除枯落物厚度对粗沙砾作用明显外，植被覆盖度、枯落物厚度对其他土壤组成粒径和全K作用不明显，说明植被对于土壤组成结构和钾素肥力的改良作用有限，这可能是红壤钾素主要受成土矿物类型、数量影响的缘故[35]。由表2可知，植被覆盖度、枯落物厚度均与侵蚀等级显著负相关，与N、OM、全P含量显著正相关，这表明植被覆盖度、枯落物厚度的增加能够显著减弱侵蚀，增强土壤N、OM、P肥力。侵蚀等级则与N、OM、全P显著负相关，这与植被与土壤N、OM、P肥力关系相反。除覆盖度与石砾含量显著负相关外，其他土壤组成粒径与植被、侵蚀等级间关系不显著，但不同土壤组成粒径之间相关值为0.50～0.85，其中粉黏粒含量与细沙砾含量正相关；粗沙砾含量与粉黏粒含量、细沙砾含量负相关，与石砾含量正相关。土壤中N、OM含量与粗沙砾含量显著正相关，全P含量则与石砾含量显著负相关，这说明N、OM与全P含量的增加能够促进水稳性大团聚体增强土壤的抗蚀性，这与已有研究结论[36]一致。文星跃等指出，植被是土壤粒径分布的影响因素之一，虽然植被覆盖度、枯落物厚度与土壤粒径分布关系基本不显著，但是植被覆盖度、枯落物厚度与N、OM含量呈显著正相关，说明植被可通过影响土壤养分来调整土壤粒径分布[37]。全K与小团聚体含量呈显著负相关，与大团聚体呈显著正相关，表明土壤大团聚体比例越多，抗蚀性越强，则土壤钾素肥力越高。

2.2 不同侵蚀程度下植被特征、土壤属性

如表3所示，48个样本区中，侵蚀程度为剧烈、强度、中度、轻度、微度分别有4、3、4、8、29个，微度侵蚀区占60%。样本区总平均植被覆盖度为53%，总平均枯落物厚度为 215 mm，总平均土壤粒径组成以细沙砾为主（47%），其次为粗沙砾（32%），粉黏粒（11%）与石砾（10%）较少，土壤总平

均N含量为1.39 g/kg，OM含量为43.74 g/kg，全P为 0.32 g/kg，全K为28.69 g/kg，总体来说，数据采集区内植被覆盖度、枯落物厚度较高，土壤组成结构、营养状况均较良好，水土保持情况整体较好。植被覆盖度达50%以上，枯落物厚度达20 mm时水蚀作用大大减弱[38-40]，本研究区的水土保持情况也印证了这一结论。植被覆盖度大体上与侵蚀强度呈负相关，但强度侵蚀下平均覆盖度（55%）明显高于中度侵蚀（36%）。平均枯落物厚度则随着侵蚀程度的减弱而明显增加，如中度侵蚀下平均枯落物厚度（3.0 mm）为强度侵蚀下平局枯落物厚度（0.5 mm）的6倍。另外剧烈侵蚀下植被覆盖度、枯落物厚度均明显区别于其他侵蚀情况，其他侵蚀程度下覆盖度差异不明显，强度、中度侵蚀下的枯落物明显区别于轻度、微度，这表明枯落物对于保持水土的重要性[25，41]。土壤粒径组成随侵蚀程度的加剧有所变化，强度侵蚀下的土壤粒径分布显著区别于其他侵蚀程度，除石砾外，其他粒径等级下各侵蚀程度粒径分布差异不显著，这说明较其他侵蚀程度而言，强度侵蚀下土壤粒径的分布变化极明显。无论侵蚀程度如何变化，当地土壤仍以细沙砾、粗沙砾为主。总体来看，粗沙砾、石砾更易受地表径流侵蚀，强度侵蚀下尤为明显。Ghadiri等指出，大粒径组分易受到侵蚀[42]。但这并不是一定的，土壤理化属性、气候条件、地形、试验措施等因素的变化能够改变这一现象。土壤中的N、OM、全P含量随侵蚀程度的加剧而减少，尤其轻度、中度侵蚀N、OM、全P含量下降极为明显。土壤中OM、N、全P含量在轻度和微度侵蚀之间、剧烈和强度侵蚀之间差异不明显。土壤中全K含量在中度侵蚀、轻度侵蚀、微度侵蚀间差异不明显。总体上，侵蚀由强度减弱到轻度时，土壤肥力元素均发生明显变化。水土流失严重时，须尽量降低侵蚀程度，防止土壤肥力明显变差。

2.3 不同垂直层次下的植被特征和土壤属性

48个样本区中，裸地4个，纯林、林灌区各3个，纯草区5个，灌草、林灌草区各6个，林草小区最多为21个。不同垂直层次组合下土壤粒径分布和养分含量有一定差异（表4）。裸地、纯林土壤中平均粉黏粒含量明显区别于其他垂直层次组合，以纯林土壤中粉黏粒含量最高（18.5%），其次为裸地（125%），其他垂直层次组合区差别不大。纯林土壤中细沙砾、粗沙砾平均含量明显区别于其他植被垂直层次组合区，纯林土壤细沙砾含量最高（68.2%），粗沙砾含量最低（120%）。纯林小区平均石砾含量最低（1.25%），灌草小区（15.48%）明显高于其他组合区。从水稳性大团聚颗粒含量，即细沙砾和粗沙砾之和来看，林灌（511%）、灌草区（501%）含量较高，纯林区（13.3%）最低，其他垂直层次组合区相差不大，可知林灌、灌草区土壤抗蚀性最强，纯林区最差，裸地抗蚀性比纯林区稳定可能是因为裸地表面易被侵蚀颗粒已被侵蚀耗尽[43]。土壤中平均N（0.22 g/kg）、OM（653 g/kg）、全P（0.14 g/kg）含量均以裸地最低，平均N、OM含量以纯草区、林灌草区较高，平均全P含量以林灌区（0.46 g/kg）、纯草区（0.41 g/kg）较高。各植被垂直层次组合区平均全K含量差异不显著，表明植被组合对土壤钾素肥力影响不显著。综合土壤粒径分布、养分来看，要通过增加植被增强土壤抗蚀性、肥力，选择林灌结合种植方式最适宜，其次为灌草、纯草、林灌草结合种植方式，纯种林木方式效果不佳。植被覆盖度、枯落物厚度与全N、OM、全P含量显著正相关，所以两者的增加能增强土壤中全N、OM與全P含量，并以此增加水稳性大团聚体比例，从而增强土壤肥力、抗蚀性。另外，本研究区枯落物厚度对水土保持的重要性超过覆盖度，所以应尽量提高覆盖度、枯落物厚度，尤其是枯落物厚度。由图2可见，纯林平均覆盖度最高（70%），但枯落物平均厚度最低（0 mm），这也是纯林水土保持效果不好的原因。林灌草区的枯落物平均厚度最高（29.2 mm），其平均覆盖度（60%）也只次于纯林、纯草，纯草的平均枯落物厚度（22.0 mm）高于林灌、纯林，但低于其他垂直层次组合区，所以采用林灌草结合种植的方式可增加枯落物厚度，并达到较高的植被覆盖度。结合前面植被垂直层次组合、土壤粒径分布、养分的分析可知，覆盖度低、枯落物厚度低的垂直层次组合类型水土保持效果不一定差，如林灌平均覆盖度、枯落物厚度均较低，但是土壤抗蚀性、肥力高，说明还有其他植被或非植被因素影响不同植被组合下的土壤属性，如根系、微生物、人为措施等[44]，须进一步研究（图2）。

3 结论

本研究基于福建省长汀县河田镇48个野外坡地样本区植被特征、土壤属性数据，对比分析不同侵蚀状况、不同植被垂直层次类型下植被与土壤的关系，结果表明，增加植被覆盖度、枯落物厚度能够显著减弱侵蚀，增强土壤N、OM、P肥力促进水稳性大团聚体增长，增强土壤的抗蚀性。K素肥力与植被、侵蚀关系不显著，但是与土壤中大团聚体呈显著正相关。植被覆盖度、枯落物厚度均需达到一定量才能有效保持水土，其中枯落物对于水土保持的重要性超过植被冠层覆盖度。不同侵蚀程度下，强度侵蚀下土壤粒径分布变化最明显。最大不同植被垂直层次组合中，选择林灌草、林灌、灌草、纯草均可以较好地增加植被生物量、防止水土流失、改良土壤。

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