贵州草海植被恢复区不同草本植物的土壤持水性能

侯春兰， 杨 瑞*， 刘 志， 杨秀忠， 瞿 爽， 王 勇，吴佳伟

(1.贵州大学 林学院， 贵州 贵阳550025； 2.威宁自治县农牧局， 贵州 威宁 553100)

草海自然保护区是中国西南重要的喀斯特高原湿地生态系统，近年来由于人为活动的干扰，区内植被破坏严重，水土流失面积占保护区总面积的32. 8%，湿地严重萎缩，生态环境遭到破坏[1]。土壤持水性能表征土壤涵蓄和保持水分的能力，是评价土壤层对水土保持功能的重要指标之一[2]。草海北坡是缓解草海生态问题的隔离廊道，分析草海北坡实施植被恢复工程对土壤持水性能的影响，对科学保护草海湿地生态具有重要意义。研究表明，土壤的抗冲性及水稳性团聚体随草地演替逐渐改善，种植草被物能有效缓解水土流失和草地因退化导致土壤持水能力下降的趋势[3-6]。自2017年贵州草海北坡面山植被恢复工程实施以来，草海北坡生态环境得到很大改善，随着人工促进草本植被天然更新，原裸露的地表被草本植物覆盖，为草海湿地建立起生态修复屏障，但针对草海北坡植被恢复工程区的土壤持水性能的科学评价至今未见报道，基于此，以草海自然保护区北坡面山植被恢复工程区为研究对象，分析不同草本植物的土壤持水性能及其物理特性，对不同草本植物的土壤持水性能进行综合评价，以期为威宁草海北坡植被恢复工程的持水效益评估提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为贵州省威宁县草海自然保护区，保护区地处N26°49′～26°53′、E104°12′～104°18′，平均海拔2 171.7 m，属云贵高原中部的乌蒙山脉腹地，是贵州最大的天然高原湿地淡水湖泊，国家级野生动物自然保护区[7]。草海水草鱼虾丰茂，是黑颈鹤等多种候鸟落脚栖息越冬之处[8]。草海保护区由中心湖区、沼泽草甸和草甸系统组成，属亚热带季风气候，大部分土壤为黄棕壤，呈酸性，具有相对湿度大、淋溶作用强及有机质含量高的特征，常年被湖水淹没的盆地淤泥地带则为泥炭化的沼泽土[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择 2018年8月在威宁草海自然保护区北坡面山植被恢复工程区内，根据研究区植被恢复类型，选择种植矮生百慕大草(Cynodondactylon×C.transadlensisTifdwarf)、白茅(Imperatacylindrica)、白花酢浆草(Oxalisacetosella)、大籽蒿(Artemisiasieversiana)和云南蓍(Achilleawilsoniana)5个单一草本植物群落地块，所选样地此前均为撂荒地。其中，矮生百慕大草为人工种植，其余均为人工促进天然更新，植被生长状况较好，植被恢复时间为1年，具体生境特征见表1。

1.2.2 样品采集 由于植被恢复初期草本植物根系主要分布在0～20 cm土层，因此仅对0～20 cm土层的土壤进行取样。在无降雨情况下，分别在草海北坡工程区5种单一草本植物群落内选择能反映群落基本特征、具有代表性的地段，在上、中、下3点挖取土壤剖面进行土壤样品采集，每种草本植物下的土壤样品取3个重复，保持土壤原有结构，带回实验室进行土壤持水性能及物理性质的测定与分析，每个指标测3个重复。

表1 不同草本植物生境基本情况

1.2.3 土壤指标测定 采用烘干法对土壤自然含水量进行测定，环刀法对土壤容重及土壤孔隙状况进行测定。

V1=0.1×C1×p土

V2=0.1×(Cmax-C1)×p土

V总=V1+V2

式中，V1、V2、V总分别为土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度(%)，p土为土壤容重(g/cm3)。

采用环刀法对土壤持水性能进行测定，将装有原状土壤的环刀在水中浸泡12 h称重，计算最大持水量，然后放置于干砂上2 h，此时土壤中的非毛管水已全部流出，称重，计算毛管持水量。

式中，Cmax为最大持水量(g/kg)，m0、m1、m2分别为环刀内土壤干重、浸泡12 h后的饱和重量和干砂上放置2 h后环刀内土壤湿重(g)，C1为毛管持水量(g/kg)，C2为土壤的非毛管持水量(g/kg)。

1.3 数据处理

采用Excel对试验数据进行统计整理，用SPSS进行方差分析及主成分分析，并对土壤含水量指标与物理性质进行相关性分析，利用Origin绘图。

2 结果与分析

2.1 不同草本植物的土壤物理性质

2.1.1 容重 土壤容重能够直观反映土壤的紧实状况，是土壤基本的物理性质之一，与植物的生长密切相关[10]，适宜植物生长的土壤容重范围一般在1.0～1.3 g/cm3。由图1看出，不同草本植物的土壤容重为1.11～1.27 g/cm3，表明不同草本植物的土壤疏松多孔，有利于植被生长及水分下渗。5个草本植物中，白花酢浆草的土壤容重最小，大籽蒿的土壤容重最大。

2.1.2 自然含水率 自然含水率是表征土壤瞬时水分状态的指标。由图1看出，不同草本植物的土壤自然含水率为22.20 %～30.61 %，其中，白花酢浆草下的土壤自然含水率最大，矮生百慕大草的土壤自然含水率最小。说明降雨时白花酢浆草的土壤瞬时持水量最大。

2.1.3 土壤孔隙 土壤孔隙是贮藏水分的重要场所，土壤孔隙通过影响土壤透水性从而决定其涵蓄和保持水分的能力[11]。从图2看出，土壤总孔隙度白花酢浆草的最大，达48.85%；白茅的最小，为40.03%。土壤毛管孔隙度矮生百慕大草的最大，达47.21%，白茅的最小，为37.88%。土壤非毛管孔隙度白花酢浆草的最大，为2.48 %，矮生百慕大草的最小，为1.64%。

图1 不同草本植物的土壤容重与自然含水率

图2 不同草本植物的土壤孔隙度

5个草本植物的土壤总孔隙度均大于40%，说明5个草本植物下的土壤物理结构均表现较好，有利于土壤水分的蓄集，在充足的时间内土壤可有效吸持大量降雨，以减少地表径流。总体看，白花酢浆草土壤孔隙状况表现最优，白茅的土壤孔隙状况表现相对较差。

2.2 不同草本植物的土壤持水特征

土壤饱和持水量反映土壤涵蓄和保持水分的潜在能力，是土壤毛管孔隙与非毛管孔隙的持水量达到饱和时的持水量[12]。由图3可知，土壤饱和持水量白花酢浆草的最大，达444.23 g/kg。云南蓍的最小，为344.56 g/kg。土壤毛管持水量白花酢浆草的最大，达421.32 g/kg；云南蓍的最小，为329.53 g/kg。土壤非毛管持水量白花酢浆草的最大，达22.91 g/kg；矮生百慕大草的最小，为14.65 g/kg。总体看，5个草本植物的土壤持水能力均较好，其土壤毛管水较充沛，可供植物生长吸收，但也容易通过蒸散发作用散失。从土壤饱和持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量3个指标综合分析，5个草本植物的土壤持水能力由强至弱依次为白花酢浆草、矮生百慕大草、白茅、大籽蒿和云南蓍。

2.3 土壤物理性质与持水性能指标的相关性

由表2可知，土壤持水性能指标与土壤容重呈极显著负相关，与土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈正相关。其中，土壤饱和持水量与土壤总孔隙度和毛管孔隙度均表现为极显著正相关，与土壤非毛管孔隙度表现为显著正相关；毛管持水量与土壤总孔隙度、毛管孔隙度表现为极显著正相关；非毛管持水量与土壤非毛管孔隙度表现为极显著正相关。土壤持水性能与土壤容重表现为极显著负相关，表明土壤容重越小，土壤持水量越大；土壤的持水性能与土壤本身的孔隙状况呈正相关，表明土壤总孔隙度和毛管孔隙度越大，土壤饱和持水量与毛管持水量越大，水分受土壤中毛管力的作用被土壤吸持达到持水效果；土壤非毛管孔隙度越大，饱和持水量与非毛管持水量也越大。

图3 不同草本植物的土壤持水量

表2 不同草本植物土壤物理指标与持水性能指标的相关性

注：*表示在0.05水平上的显著相关；**表示在0.01水平上的显著相关。

Note: * and ** indicate significance of difference atP< 0.05 andP< 0.01 level respectively.

3 结论与讨论

对贵州草海自然保护区北坡面山植被恢复区不同草本植物浅层土壤的持水性能研究表明，矮生百慕大草、白茅、白花酢浆草、大籽蒿和云南蓍的浅层土壤持水性能没有显著差异，5个草本植物的土壤持水能力均较好，表明植被恢复措施有利于改善土壤的持水性能，对稳定威宁草海湿地生态环境具有一定的价值。从土壤饱和持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量3个指标综合分析，5个草本植物的土壤持水能力由强至弱依次为白花酢浆草、矮生百慕大草、白茅、大籽蒿和云南蓍。

研究表明，土壤的持水性能与土壤物理性质显著相关。其中，土壤持水性能与土壤容重表现为极显著负相关，土壤容重越小，土壤持水量越大；与土壤本身的孔隙状况呈正相关，土壤总孔隙度和毛管孔隙度越大，土壤饱和持水量与毛管持水量越大，水分受土壤中毛管力的作用被土壤吸持达到持水效果；土壤非毛管孔隙度越大，饱和持水量与非毛管持水量也越大。

植被类型是影响土壤水分特征的重要因素之一，植物能够通过大量的须根进行土壤加固，其效果优于主根[13-16]。草本植物须根发达，其根系的生长可增加土壤孔隙，引导水分进入毛管孔隙，且种植草本植物改良后的土壤水稳性团聚体数量更多，从而达到增加土壤涵蓄土保持水分的能力，减少水分流失。草海北坡工程区内白花酢浆草的土壤持水性能表现最好，因为白花酢浆草属鳞茎类植物，地下根茎直径大，在土壤表层较密集，导致水分的下渗减缓，增加了土壤表层的蓄水能力。说明不同草本植物类型地下形态特征的差异性可能对土壤的持水性能具有一定的影响。

赵健等[17]研究发现，退耕还林可有效地防治水土流失，林草措施可有效提高水土保持效益。陈佐忠等[18]研究认为，草地在调节水分、保持水土等方面有重要的生态功能，这是由于种植草本植物可以改善土壤的自然容重，土壤容重降低，则土壤的紧实度也会随之降低，土壤孔隙的数量会随之增加，从而导致土壤的持水量提高，达到持水效能。研究表明，草海北坡工程区不同草本植物的土壤容重的变化范围在1.11～1.27 g/cm3，均小于1.3 g/cm3，土壤总孔隙度均大于40%，说明工程区不同草本植物的土壤物理结构较好，有利于土壤水分的蓄集，土壤持水性能表现较好，植被恢复措施有利于改良土壤持水效益，与前人的研究结果一致[19-20]。

枯落物与地被物可有效改良土壤的孔隙状况及有效蓄水量，且非毛管孔隙占20%～40%时，土壤的通气性、透水性和持水能力比较协调[21]。土壤的持水性能与土壤物理性质显著相关，但是5个草本植物类型的土壤持水性能没有显著差异，这可能是由于工程区植被恢复区域早前为撂荒地，持水性能较差，且植被恢复时间仅为1年，植被对土壤物理性质的改良效果不明显，故不同草本植物下土壤持水性能差异较小。非毛管持水量被称为土壤的有效蓄水量，研究中不同草本植物类型土壤的非毛管孔隙度及非毛管持水量均较小，在植被恢复过程中可在草坡上混植灌木及乔木，通过凋落枝叶及地下植物根系分布来增加土壤的非毛管孔隙度，提高土壤有效蓄水。