石灰岩山地植被恢复对土壤水稳性团聚体的影响

孙 涛，刘艺杉，孙崇玉，郑爱辉

(1.淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北 235000； 2.克劳沃(北京)生态科技有限公司，北京 100029)

植被恢复的重要目标之一就是改善土壤物理特性，改良土壤质量，提高土壤肥力[1]。物理性质不仅是土壤质量评价的重要指标，也是土壤肥力的重要内涵。团粒结构作为土壤重要的物理因子，关系到土壤的孔隙、持水性和通透性，制约着水气、养分的供应与积累的协调，进而影响土壤肥力状况和植物生长[2]。土壤团聚体的组成、数量、分布及稳定性是评价土壤结构的重要指标，对于改善土壤孔隙性、通透性、保水性和抗蚀性等具有重要意义[3-4]。通过地表凋落物和地下有机物的输入，可增加表层养分富集，并显著降低土壤容重[5-6]，增强土壤水稳性团聚体的稳定性[7]，改善土壤持水能力和入渗性能[8]，进而改善土壤综合特性。

淮北石灰岩山地是安徽省内石灰岩主要分布区域之一，因自然立地条件恶劣,且在人为干扰及破坏等因素作用下，普遍存在基岩暴露、风化强烈、结构疏松、养分贫乏、植被稀少、荒山岩石裸露的情况，给该地区植被恢复和生态环境建设带来极大挑战，严重限制了该地区社会经济可持续发展。为解决这一难题，科技人员经过长期探索形成了一套适用于石质山植被恢复的技术体系，主要包括“炸穴挖坑、客土回填、壮苗栽植、多级提水、培大土堆、修鱼鳞坑”等方法。截止目前，已形成多种植被恢复群落，取得了良好的社会、生态效益。国内有学者对鲁中南和西南岩溶地区石灰岩山地的造林模式、植被恢复技术、水文效应、土壤分形特征及其与土壤性质的关系等开展了一系列研究[8-9]，对不同树种、不同林分密度和植被恢复模式的水土保持效益也作了初步探讨[10-11]。对黄淮区域石灰岩山地人工造林技术方案、人工林乔灌木种群的生态位特性、优势树种生理生态特性和叶片的结构特征等方面也有一定的报道[12-14]，但是针对皖北石灰岩地区有关植被恢复对土壤生态系统，特别是不同植被恢复模式对土壤物理特性影响的研究尚不深入。本研究以淮北石灰岩山地不同植被恢复群落土壤为研究对象，开展不同植被恢复模式下土壤物理特性演变过程，对比分析不同植被恢复下土壤团聚体稳定性的差异及其影响因素，探讨皖北石灰岩山地植被恢复模式与土壤物理性质改良的关系，旨为石灰岩山地植被恢复功效以及土壤质量的科学评价提供参考依据。

1　材料与方法

1.1　研究区域概况

研究区相山地处安徽北部(116.78° E，33.96° N)，系泰山经鲁南山地，自徐州向南蜿蜒延伸的余脉，为石灰岩质岛状剥蚀残丘。该区属大陆性气候与湿润气候之间的季风气候，气候温和，日照充足，四季分明，年平均气温为14.8 ℃。海拔150～320 m，无霜期203 d，年均相对湿度71%，年均日照时数2 315 h。年均降水量849 mm，集中在6-8月，占总降水量的62%。土壤为石灰土及淋溶褐土。主要植被人工恢复类型有侧柏(Platycladusorientalis)林，侧柏、构树(Broussonetiapapyrifera)混交林。酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)、牡荆(Vitexnegundovar.cannabifolia)、金色狗尾草(Setariaglauca)为优势种的灌丛或草灌丛。

1.2　样地设置及调查

在相山东南坡选择4种植被恢复模式下的土壤作为研究对象，比较不同恢复模式对土壤的改良效果。植被恢复模式依次为，Ⅰ：人工侧柏，侧柏占绝对优势，林下和林隙夹杂着一些酸枣、牡荆；Ⅱ：侧柏+构树混交林，侧柏的密度相对较小，构树、柘树(Cudraniatricuspidata)、酸枣、牡荆等阔叶树种占优势；Ⅲ：金色狗尾草+牡荆草灌丛，自然植被的草本层以金色狗尾草等禾本科植物占优势；Ⅳ：酸枣+牡荆灌丛，以酸枣、牡荆灌木占优势。2017年5月下旬，在研究区每个植被恢复模式典型样地设置20 m×20 m的样方3个，在每个样方内采取6个土样(0-30 cm)混合为一个混合样，挑出土壤中可见植物根系残体、石砾。土壤风干后过筛，用于测定土壤特性，分析土壤团粒结构。同时在各样地用环刀取原状土壤(0-20 cm)，带回实验室进行土壤容重、孔隙度的测定。

1.3　物理性状测定

土壤含水量采用烘干法测定(105 ℃，12 h)，容重、毛管孔隙度与非毛管孔隙度采用环刀法测定。土壤水稳性团聚体参照Sun等[15]的方法，具体操作：称取过10 mm筛的风干土壤样品50 g，通过真空蒸馏水慢速浸润装置浸润土壤样品，充分浸润2～4 min后，样品转移至团聚体分析仪套筛顶部(套筛孔径自上而下为5、2、1、0.5和0.25 mm)，蒸馏水浸泡8 min，垂直震荡2 min，每分钟循环30次，振动幅度3 cm。50 ℃烘干48 h至恒重，称重，计算团聚体的质量分数。土壤水稳性团聚体测定中，土样浸润方法对测定结果产生很大影响，本方法采用高真空慢速浸润法，主要通过毛细管进行慢速湿润，最大限度地减少和避免了土样在浸润过程产生的气爆和崩解，能有效降低大团聚体的破碎，减少误差，保证测定结果的可靠性[15]。利用各粒级团聚体数据分别按照公式(1)、(2)和(3)计算>0.25 mm团聚体的比例(R0.25)、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GWD)。

R0.25=Mr>0.25/MT。

(1)

式中：MT为团聚体总重量，Mr>0.25表示粒径大于0.25 mm的团聚体的重量。

(2)

式中：Xi是筛分出来的任一粒径范围团聚体的平均直径，Wi是任一粒径范围团聚体的总量占土壤样品干重的分数。

(3)

1.4　数据分析

采样SPSS 16.0统计软件对土壤各特性指标进行单因素方差分析和LSD比较不同数据间的差异。

2　结果与分析

2.1　不同植被恢复下土壤水稳性团聚体组成

从水稳性团聚体含量的统计结果来看(表1)，不同植被恢复下土壤水稳性团聚体的分布存在一定差异。4种植被恢复模式下，>5 mm的水稳性团聚体含量表现为人工侧柏>人工侧柏+构树混交林>金色狗尾草+牡荆草灌丛>酸枣+牡荆灌丛，且除金色狗尾草+牡荆草灌丛与酸枣+牡荆灌层差异不显著外，不同植被恢复模式之间差异均达到显著水平(P<0.05)。5～2和1～0.5 mm水稳性团聚体表现为金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛显著高于其他2种恢复模式，且这两种恢复模式中土壤1～0.5 mm水稳性团聚体高出侧伯和侧柏+构树混交林2倍以上；金色狗尾草+牡荆草灌丛0.5～0.25 mm粒径的水稳性团聚体的含量显著高于其他3种植被恢复模式。该结果表明，草灌丛植被恢复石灰岩山地土壤中土壤团聚体粒径分布中小粒径(<1 mm)所占比重逐渐增加(表1)。

2.2　不同植被恢复下土壤水稳性团聚体稳定性

一般土壤团粒结构体是指>0.25 mm粒径的团聚体，为土壤中最优的结构体，其数量与土壤肥力状况、土壤管理措施等密切相关。本研究用分析>0.25 mm粒径团聚体的比例(R0.25)来说明土壤团聚体的数量变化。金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛石灰岩土层中R0.25值显著高于人工侧柏和人工侧柏+构树混交林(表2)。其中酸枣+牡荆草灌丛的R0.25比人工侧柏和人工侧柏+构树混交林分别高出34.9%和40.2%。但金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛，及人工侧柏和人工侧柏+构树混交林之间R0.25值之间没有显著差异。

表1　不同植被恢复下土壤水稳性团聚体含量Table 1　Content of water stable aggregates under different vegetation restorations 　%

Ⅰ：人工侧柏，Ⅱ：侧柏+构树混交林，Ⅲ：金色狗尾草+牡荆草灌丛，Ⅳ：酸枣+牡荆灌丛；同列不同小写字母表示不同植被类型间差异显著(P<0.05)。下同。

Ⅰ:Platycladusorientalis, Ⅱ:Platycladusorientalis,Broussonetiapapyrifera, Ⅲ:Setariaglauca,Vitexnegundovar.cannabifolia, Ⅳ:Ziziphusjujubavar.spinosa,Vitexnegundovar.cannabifolia; Values with different lower-case letters indicate significant differences in the same column at the 0.05 level. The same convention is used for all subsequent Tables.

土壤团聚体MWD值以金色狗尾草+牡荆草灌丛最高，酸枣+牡荆灌丛次之，人工侧柏土层最低，且金色狗尾草+牡荆草灌丛MWD值显著高于其他植被恢复措施(表2)。说明不同植被恢复措施对土壤表层土壤团聚体状况的改善程度有所差异，低矮的草本和灌木类植被土壤表层团聚状况优于高大乔木植被。酸枣+牡荆灌丛土壤GMD值显著大于其他植被类型，金色狗尾草+牡荆草灌丛次之，人工侧柏和人工侧柏+构树混交林土壤GMD值较小，且两者之间没有显著差异(P>0.05)。

粒径>0.25 mm的土壤水稳性团聚体含量与土壤MWD和GMD之间达到显著正相关(P<0.05)(表3)。说明土壤中>0.25 mm的团聚体越多，MWD和GMD值越大。石灰岩山地土壤>0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量是影响土壤团聚特性和稳定性的主要因子。>0.5 mm粒径土壤水稳性团聚体含量与土壤GMD达到显著正相关(P<0.05)，与土壤MWD之间相关性差异不显著(P>0.05)。

2.3　不同植被恢复对土壤物理性质的影响

石灰岩山地不同植被恢复模式对土壤水分和孔隙状况有明显影响(表4)。人工侧柏林、侧柏+构树混交林土壤含水量和总孔隙度显著低于金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛(P<0.05)。土壤容重则表现为侧柏+构树混交林和人工侧柏林明显高于金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛(P<0.05)。说明不同植被恢复类型对土壤孔性和结构的影响有所不同，金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛土壤表层较为疏松、通气性好，地上部分持水量大，同时土壤也积累了一定的腐殖质，有较高的涵养水源和保持水土功能。

2.4　土壤物理性质对水稳性团聚体含量的影响

相关分析表明，土壤容重与>0.25 mm和>0.5 mm粒径的水稳性团聚体之间呈显著负相关(P<0.05)，>0.25 mm和>0.5 mm粒径的水稳性团聚体与土壤总孔隙度含量之间呈显著正相关(P<0.05)(表3)。表明>0.25 mm和>0.5 mm土壤水稳性团聚体对土壤孔隙度有重要影响。

表2　不同植被恢复下土壤水稳性团聚体稳定性Table 2　Stability of water stable aggregates in different vegetation restorations

R0.25指土壤中>0.25 mm粒径的团聚体数量。

R0.25, >0.25 mm water stable aggregate; MWD, mean weight diameter of soil; GMD, geometric weight diameter of soil. The same indications are used in all subsequent Tables.

表3　MWD、GMD和土壤物理性质与水稳性团聚体含量的相关性Table 3　Correlation of MWD， GMD and soil physical properties with content of water-stable aggregates

* 表示显著相关(P<0.05)。

* indicate correlation is significant at the 0.05 level.

表4　植被恢复对土壤物理特性的影响Table 4　Effect of vegetation restoration on the soil physical characteristics

3　讨论与结论

团聚体作为土壤结构的基本单元，影响到土壤的孔隙性、通透性、持水性和抗蚀性，是决定土壤侵蚀、压实、板结等物理过程的关键指标[16]。本研究中不同植被恢复模式下土壤水稳性团聚体大小分布及其稳定性有较大差异，金色狗尾草+牡荆草灌丛0.5～0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量高于其他植被恢复类型，且R0.25值远高于乔木人工侧伯和构树恢复模式。说明草灌植被组合更能有效促进土壤团聚体结构形成，尤其是大团聚体的形成。究其原因，可能与地表植物根系、凋落物数量和类型有关。草灌植被定植后，地表根系导致土壤理化性状发生改变，改善了土壤通透性，增加了入渗能力，降低了土壤抗冲性，引发土壤团聚体崩解，从大颗粒组向小颗粒组迁移。另外，土壤中根系和其分泌物能固结团聚土粒，形成稳定的团粒结构，进而影响到石灰岩山地土壤团聚体的形成、组成、数量、分布和稳定性。此外，不同植被恢复模式中植物类别有异，其凋落物数量、类型及其分解速率的不同导致土壤的有机质含量有所差异，而土壤有机质含量直接影响到土壤颗粒的凝聚和胶结，进而对其水稳性团聚体数量大小、分布和稳定性产生影响[17]。尽管本研究尚未对不同植被恢复措施下土壤有机质进行测定，但所选择供试植物的生活型、枯落物数量和质量有较大差异，其分解产生的有机质含量定有不同，作为土壤微生物及土壤动物的碳源，有机质使土壤微生物和土壤动物数量增加，进而产生黏合剂引起土壤团聚体的黏合，增加团聚体数量和稳定性[18]。

土壤水分、容重和孔隙状况作为土壤的基本物理性质和土壤肥力的指标，其变异在表征土壤结构中发挥重要作用，它不仅影响着土壤中供植物利用营养元素的有效性和供给能力，也决定了土壤中水、热、气和生物活性[19-20]。当前研究表明石灰岩山地不同植被恢复措施对土壤水分含量、孔隙状况和容重的影响存有差异。以乔木为主的侧柏林和侧伯+构树混交林土壤含水量和总孔隙度显著低于草灌丛，但侧柏+构树混交林和侧柏林的土壤容重则明显高于草灌丛。这与不同植物冠层特征、郁闭度、植被空间结构、调落物数量及其质量、根系分布等有关系。不同植被冠层因生活型的不同而呈较大差异，对降雨截留作用也有不同[10,13]，乔木郁闭度较大，冠层垂直空间分异明显，对降雨的拦截和分流作用导致到达地表的水分总量少，同时也呈现出较大的空间异质性，而草灌丛植被树干径流的分流作用很小，对降雨截留作用弱，而且降雨的空间分配较为均匀。因而，导致乔木林土壤含水量显著低于灌木和草本植物群落。不同植物群落组成和结构，导致地表凋落物的数量(厚度)和质量(营养组成)有很大差异，凋落物数量和质量的不同导致凋落物分解速率不同，进而影响土壤有机质含量。有研究表明，土壤有机碳含量与土壤容重呈极显著负相关关系[3]，而本研究草灌丛不仅凋落物数量远高于乔木林，而且其草本凋落物更容易分解，因此草灌丛土壤容重较小。此外，不同植被恢复类型间根系生物量、死活根比例以及空间分布也会导致土壤孔隙和容重在不同植被恢复模式间出现差异。生长过程中植物根系对土壤的穿插分割，使得土体碎裂，形成缝隙，以及根系死亡分解后形成的通道，均可增加土壤孔隙度，降低土壤容重，有利于改善土壤的孔隙状况和通气性能。本研究中，草灌植被地表根系分布密集、生物量高，这可能是导致其土壤容重较小和孔隙度较高的原因，类似研究在他人的研究中也有报道[12,17]。

本研究从石灰岩山地不同植被恢复模式下土壤物理特性入手，尤其是对不同植被恢复对土壤水稳性团聚体和及其影响因子影响进行对比分析，发现金色狗尾草+牡荆草灌丛0.5～0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量最高，而且具有较小的土壤容重和较高的孔隙度。说明石灰岩山地草本灌丛植被恢复有利于促进中小粒径(<1 mm)土壤水稳性团聚体的形成，金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛对改善土壤表层疏松度、通气性能均有较好的促进作用，同时也能增加土壤水分含量和孔隙度。本研究发现不同植物生活型、地上植物冠层特征、地表凋落物数量和质量、根系空间分布状况和生物量可能是影响石灰岩山地不同植被模式下土壤团聚体形成、数量和分布以及土壤结构分异的关键因子。本研究结果为石灰岩山地生态恢复功效以及土壤质量的科学评价提供参考依据。