岩溶山地不同植被恢复模式和年限土壤养分的变化

2018-04-25常恩福李品荣侬时增刘永国

西南林业大学学报 2018年2期

常恩福李娅李品荣侬时增刘永国王竣

(1. 云南省林业科学院，云南昆明 650201；2. 云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站，云南红河 654399；3. 文山州林业科学研究所，云南文山 666300)

滇东南岩溶山原地貌区是云南岩溶地貌最典型、分布最集中的区域，岩溶面积达36 697.49 km2，占土地总面积的51.78%，属典型的岩溶生态脆弱环境区。在岩溶石山地区，土地退化日益严重，石漠化快速扩张，制约着这一地区社会经济的持续发展[1]。在岩溶生态系统中，土壤既是物理基础，又是生态系统物质和能量流通的媒介和动力，是生态系统中生命支持系统的根本依托。岩溶生态系统的退化与恢复的评价不但应该着重考察土壤的自然存在 (是否剥蚀及其程度)，而且应该考察土壤作为生命支持系统的功能是否存在和变化[2]。因此，土壤作为植被恢复的基础及影响岩溶生态系统退化和石漠化发展的主要因素，近年来受到了众多研究者的关注。土壤退化是石漠化的本质，主要表现为理化性质的劣化[3]。针对喀斯特石漠化地区的土壤性质已有大量研究，主要围绕石漠化过程中土壤性质变化，不同程度石漠化土壤理化性质及不同退耕模式对土壤肥力的影响[4-8]。司彬等[9]则针对石漠化后喀斯特植被自然恢复演替过程中土壤性质的变化进行了研究，揭示了黔中喀斯特植被自然恢复过程中土壤特性的变化规律。云南省针对岩溶地区生态恢复的研究主要集中在造林物种及造林模式筛选、石漠化综合治理技术及植被恢复技术等方面，而对植被恢复进程中土壤肥力的研究也仅限于植被恢复的初期。本研究在李品荣等[10]及张云等[11]2002年设置的11种造林模式下林地土壤肥力早期变化进行研究的基础上，通过对固定样地土壤养分的连续测定及分析，以探寻并揭示滇东南岩溶山地不同人工造林模式植被恢复进程中土壤养分变化的特征及规律，从而为云南岩溶地区造林物种及造林模式的选择、生态修复提供科学依据。

1 研究区概况

研究区为云南省文山壮族苗族自治州西畴县东北部的法斗乡，海拔1 350～1 673 m，地形为典型的滇东南岩溶山地。该区地处亚热带湿润季风气候区，年均温14.8～17.6 ℃，最热月均温19.6～22.3 ℃，极端最低温-4.3 ℃，年降雨量1 075.7～1 615.3 mm，空气相对湿度82%，年日照时数1 500～1 600 h。无霜期350～360 d。虽然雨量充沛，但降水分布不均匀，80%以上的降水集中在6—9月，且降水多由岩隙渗入地下，区域内人畜饮水和农业用水十分困难。研究区土壤为石灰岩发育形成的石灰土和黄壤，地带性植被为以壳斗科 (Fagaceae)、樟科 (Lauraceae)、木兰科 (Magnoliaceae) 等科的树种为主组成的亚热带季风常绿阔叶林。其耕地的农作物以玉米(Zeamays) 为主[11-12]。

2 材料与方法

2.1 植物配置模式

本研究所采用的树 (草) 种、配置模式和造林方法详见张云等[11]及陈强等[12]的研究。11种人工植被恢复模式见表 1。

2.2 土壤样品采集及测定

2002年、2005年、2009年和2016年8月，分别在11块植被恢复模式固定样地的上、中、下部位设置6个样点，每个样点挖1个30 cm深的土壤剖面，取10 cm土层的土样250 g左右，将6个样点的土样 (共计1.5 kg左右) 放入袋中，然后混合均匀带回实验室测定。

土壤样品由文山州土壤肥料测试中心进行测定，土壤化学指标含量测定方法如下：速效N采用碱解扩散法；土壤pH、有机质含量、速效P含量和速效K含量分别按NY/T 1377.8—2007、NY/T 1121.6—2006、GB 1229—90及NY/T 889—2004标准进行测定。

2.3 数据处理与分析

应用Excel、DPS 7.05软件进行统计分析与试验数据处理。

3 结果与分析

3.1 植被恢复年限与土壤化学指标含量的相关性分析

对恢复年限及所测定的5个土壤化学指标含量进行相关分析，结果见表2。恢复年限与土壤pH值呈极显著 (P< 0.01) 负相关，与土壤速效P含量、有机质含量分别呈显著 (P< 0.05) 和极显著 (P< 0.01) 正相关。土壤pH值与有机质含量呈显著 (P< 0.05) 负相关，土壤有机质含量与速效N、速效P、速效K含量均呈极显著 (P< 0.01) 正相关，速效N含量与速效P、速效K含量分别呈显著 (P< 0.05) 和极显著 (P< 0.01) 正相关。此结果与张云等[11]对植被恢复后0～7 a土壤养分含量间的相关性分析结果一致，在无人为抚育施肥，人工植被处于自然生长的状况下，林地土壤有机质含量是影响土壤肥力的主要因素，同时会影响土壤的其他养分含量。

表1 植被恢复模式Table 1 Vegetation restoration models

表2 恢复年限及土壤养分含量指标间的相关性Table 2 Correlation between restoration time and soil nutrients content

注：**表示极显著相关，*表示显著相关。

3.2 土壤有机质含量的变化特征

土壤有机质是植物矿质营养和有机营养的源泉，其含量是土壤肥力高低的重要指标之一，对土壤肥力具有重要影响[13-14]。11种植被恢复模式下土壤有机质含量的差异显著性分析结果 (表3) 表明，模式7与6的有机质含量差异极显著 (P< 0.01)，模式7与9、模式6与3、4的有机质含量差异显著 (P< 0.05)。

不同恢复年限下土壤有机质含量的差异显著性分析结果 (表4) 表明，在不同的恢复年限下，林地土壤有机质含量在植被恢复后0～3 a无显著差异；3 a后其增速加快，7 a时较恢复前有明显的增加且差异显著 (P< 0.05)，但与恢复3 a时相比无显著差异；14 a时土壤有机质含量与恢复前及恢复3 a、7 a时相比，差异均极显著 (P< 0.01)，较恢复前增加了52%，达5.229 1%，处于丰富状态。这表明，人工植被随着恢复时间推移，林地生物量不断增加，地表的枯落物不断累积提高，且随着其分解，根系分泌物和微生物的增加，丰富了有机物来源，从而使林地的有机质含量得到有效补充和提高。这与向志勇等[15]、樊文华等[16]、王友生等[17]在不同区域、不同立地条件下研究得出的土壤有机质含量变化规律一致。

表3 11种植被恢复模式土壤有机质含量差异Table 3 Differences of 11 vegetation restoration patterns and soil organic matter contents under different restoration years

注：不同小写字母表示差异显著，不同大写字母表示差异极显著。

表4 不同恢复年限下土壤有机质含量差异Table 4 Differences of soil organic matter content under different restoration years

注：不同小写字母表示差异显著，不同大写字母表示差异极显著。

3.3 土壤速效N、速效P及速效K含量的变化特征

N、P、K是土壤的3种大量元素，是植物生长所必须的3大营养元素，速效N、速效P及速效K则是最易被吸收利用的有效养分。11种植被恢复模式和不同恢复年限下土壤速效N、速效P及速效K含量差异显著性分析结果分别见表5～6。

表5 11种植被恢复模式土壤速效N、速效P及速效K含量差异显著性Table 5 Differences of 11 kinds of vegetation restoration model soil available N, available P and available K content

注：不同小写字母表示差异显著，不同大写字母表示差异极显著。

表6 不同恢复年限下土壤速效N、速效P及速效K含量差异显著性Table 6 Differences of soil available N, available P and available K under different restoration years

注：不同小写字母表示差异显著，不同大写字母表示差异极显著。

3.3.1土壤速效N含量的变化特征

11种植被恢复模式下土壤速效N的差异显著性分析结果 (表5) 表明，模式7的速效N含量分别与模式6、9的差异显著 (P< 0.05)，模式4的速效N含量分别与模式6、9的差异显著 (P< 0.05)，其余模式之间差异均不显著。这主要与树 (草) 种配置及恢复前土壤自身速效N的含量差异有关。

不同恢复年限下土壤速效N含量的差异显著性分析结果 (表6) 表明，在不同恢复年限下，林地土壤速效N含量呈缓慢增加之势且无显著差异，恢复14 a后土壤速效N平均含量由159.302 7 mg/kg提高至176.727 3 mg/kg，增加了11%。说明植被的恢复使林地土壤速效N含量得到增加，而在无人为外来N源补充的条件下，还能满足林木生长吸收消耗的需求并维持在丰富的状态，表明林地土壤速效N也可得到有效的恢复。这与任京辰等[2]所研究的岩溶土壤经过3～5 a以上的人工或自然植被的恢复，土壤速效N含量也可以得到较快的恢复的结论一致。

3.3.2土壤速效P含量的变化特征

11种植被恢复模式下土壤速效P的差异显著性分析结果 (表5) 表明，模式7的速效P含量分别与模式3、4、5、9、11的差异极显著 (P< 0.01)，模式7的速效P含量分别与模式1、2、6、8、10的差异显著 (P< 0.05)。

不同恢复年限下土壤速效P含量的差异显著性分析结果 (表6) 表明，在植被恢复后3～7 a，其土壤速P的含量快速增加，至第7年达到峰值，相较于恢复前增加了116%，速效P的平均含量达6.636 4 mg/kg。这可能是由于人工植被在3～7 a处于生长旺盛期，林木和土壤微生物为适应这种低P生境，通过形成菌根和分泌根系分泌物等方式提高对土壤P素的利用率，从而表现为土壤P素有效性的提高[7]；7 a后逐步下降，14 a时土壤速效P平均含量为4.727 3 mg/kg，分别与恢复前、恢复后3 a相比差异显著 (P< 0.05)，但与恢复前一样仍处于缺P状态。这说明植被恢复后土壤速效P含量虽有一定的增加，但并没有得到明显提高，土壤缺P的状况并未得到明显改善。这与任京辰等[2]对岩溶土壤研究的结论一致，其原因是岩溶土壤中P素的存在状况具有一定的特殊性，石灰岩发育的土壤缺P，P有效性较低[2]，植物和微生物的生长和活动也受到P素限制[18]。土壤速效P含量变化的总体趋势呈 “缓增 (0～3 a)-急增 (3～7 a)-缓降 (7～14 a)” 的变化规律。

3.3.3土壤速效K含量的变化特征

11种植被恢复模式下土壤速效K的差异显著性分析结果 (表5) 表明，模式7的速效K含量与模式2、6、8、9、10的差异极显著 (P< 0.01)，模式7与模式1、3、4、5、11的速效K含量差异显著 (P< 0.05)。

不同恢复年限下土壤速效K含量的差异显著性分析结果 (表6) 表明，在植被恢复后的3～7 a，其土壤速效K含量显著下降，至第7年达到最低值并较恢复前差异极显著 (P< 0.01)，土壤速效K平均含量较恢复前下降了26%，其含量仅为57.509 1 mg/kg，这主要是林木生长吸收土壤中大量的速效K所致。 7 a后逐步增加，第14年土壤速效K的含量较第7年增加了24%，含量为71.363 6 mg/kg则是因有机质逐渐积累，使得土壤有机质含量大幅提高，从而使岩石中结晶K释放多，提高了速效K含量[14]，但其含量仍与恢复前相当，处于稍缺状态，这也说明植被的恢复对土壤速效K的恢复效果并不明显。而魏媛等[13]的研究表明，不同树种配置模式对喀斯特山地土壤K含量的改善效果较小。主要原因是K素受成土母质制约较大，迁移能力不强，K素是主要养分限制因子[19-21]。土壤速效K含量变化的总体趋势呈 “缓降 (0～3 a)-急降 (3～7 a)-缓增 (7～14 a)”的变化趋势。

3.4 土壤pH的变化特征

11种植被恢复模式和不同恢复年限下土壤pH差异显著性分析见表7～8。

表7 11种植被恢复模式土壤pH差异显著性Table 7 Differences of 11 vegetation restoration patterns and soil pH differences under different restoration years

注：不同小写字母表示差异显著，不同大写字母表示差异极显著。

表8 不同恢复年限下土壤有机质含量差异显著性Table 8 Differences of soil organic matter content under different restoration years

注：不同小写字母表示差异显著，不同大写字母表示差异极显著。

土壤pH值直接影响着土壤酶活性和土壤微生物数量等，从而影响土壤腐殖质的形成与分解，以及养分矿质化和土壤养分的积累，进而影响土壤肥力[22]。从表7～8可以看出，11种植被恢复模式下林地土壤pH值在0～7 a无明显变化，7 a后呈明显的下降趋势，第14年的土壤pH值分别与恢复前及恢复后3、7 a相比差异极显著 (P< 0.01)。由此表明，人工植被随着恢复时间的推移，能有效降低土壤pH值。而司彬等[9]、崔晓晓等[14]、昊海勇等[23]的研究结果也表明，随着喀斯特植被自然恢复进程的发展，土壤pH值逐渐降低。究其原因，主要是地表枯落物不断累积及分解，导致土壤有机质含量提高并释放大量酸性物质进入土壤。

4 结论和讨论

1) 土壤有机质是影响土壤有效养分的主要因素，会影响土壤的其他养分含量及土壤的pH值，植被恢复时间长短，对土壤pH、有机质及速效P含量的变化具有明显影响。人工植被的恢复可使岩溶地区有机质含量得到有效增加及提高。

2) 11种植被恢复模式下的岩溶区林地14 a后土壤有效养分变化的研究结果表明：土壤速效N的含量得到明显的恢复；土壤速效P的含量呈 “缓增-急增-缓降” 的变化规律，岩溶山地人工植被未能使土壤速效P的含量得到明显恢复，土壤缺P的状况并未得到明显改善；土壤速效K含量呈现出 “缓降-急降-缓增” 的变化规律，植被的恢复对土壤速效K的恢复效果并不明显。因此，在人工植被恢复的进程中，选择适当的时机人为施用适量P肥和K肥，以加快土壤有效养分库N、P、K的恢复。

3) 岩溶山地的人工植被随着恢复时间的推移，能有效降低土壤pH值。

11种植被恢复模式间的土壤有机质、速效N、速效P 及速效K的含量存在一定差异，主要与树 (草) 种配置及恢复前土壤自身的含量差异有关；而土壤限制性养分速效P及速效K的恢复明显滞后于有机质及速效N的恢复，说明岩溶山地土壤限制性养分要得到明显的恢复需要更长的时间。基于植被恢复进程中土壤养分变化及恢复状况，建议选择模式7 (香木莲 + 墨西哥柏木 + 清香木)、3 (墨西哥柏木)、4 (川滇桤木 + 清香木 + 苦刺)、1 (墨西哥柏木 + 苦刺 + 紫花苜蓿)、5 (川滇桤木)、11 (川滇桤木 + 栾树) 6种植被恢复模式作为云南岩溶山地人工植被恢复的优化模式。鉴于岩溶地区生态环境地质分异、植被退化和石漠化严重等问题，着眼于生态系统功能提升，应深入开展植被退化与恢复生态学机制、耐旱耐瘠薄乡土植物材料的筛选、人工林草植物群落构建技术以及仿自然植物群落优化配置技术等方面的研究，以期为云南岩溶地区生态恢复提供理论和技术支撑。

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