楊 寧 ，鄒冬生 ，楊滿元 ，陳盛彬 ，陳志陽(yáng) ，林仲桂

（1.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，a.園林學(xué)院，b.實(shí)訓(xùn)中心，湖南衡陽(yáng)421005；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生科院，湖南長(zhǎng)沙410128）

植被與土壤是一個(gè)相互作用、協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一體，植被的演替伴隨著土壤性狀的改變，土壤的分異導(dǎo)致植被的變化，植被的變化影響著土壤的發(fā)育。因此，關(guān)于植被與土壤環(huán)境之間的關(guān)系研究，一直是生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來(lái)，有關(guān)這方面的研究取得了一定的研究成果，主要涉及到植物群落演替階段土壤特性的差異[1，2]；植物群落演替進(jìn)程中土壤肥力變化綜合評(píng)價(jià)[3-5]；植物群落分布與土壤特征及土壤營(yíng)養(yǎng)關(guān)系等方面[6-8]，盡管以上研究對(duì)群落演替過(guò)程中的土壤變化的研究取得了一定的成果，對(duì)于衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地的研究主要集中于對(duì)其土壤水分的研究，忽視了土壤理化因子的重要作用，而導(dǎo)致所采取的經(jīng)營(yíng)措施存在盲目性。

衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是湖南省環(huán)境最為惡劣的地區(qū)之一，該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，植被稀疏，基巖裸露，有的區(qū)域幾乎沒(méi)有土壤發(fā)育層，生態(tài)環(huán)境十分惡劣，植被恢復(fù)十分困難[9，10]。為此，本研究以衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地為例，研究植被不同恢復(fù)階段土壤理化特征，旨在為衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)其生態(tài)環(huán)境建設(shè)與可持續(xù)的生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，具有重大的理論與實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)域概況

該區(qū)域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐標(biāo)為110°32′16″-113°16′32″E，26°07′05″-27°28′24″N。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫18℃；極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-7.9℃，年平均降雨量1325 mm，年平均蒸發(fā)量1426.5 mm。平均相對(duì)濕度80%,全年無(wú)霜期286 d。地貌類型以丘崗為主，呈網(wǎng)狀集中分布于該區(qū)域中部海拔60 m-200 m的地帶，東起衡東縣霞流、大浦，西至祁東縣過(guò)水坪，北至衡陽(yáng)縣演陂、渣江，南達(dá)常寧市官嶺、東山和耒陽(yáng)市遙田、市爐一帶，以衡南、衡陽(yáng)兩縣面積最大。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

結(jié)合當(dāng)?shù)赜涊d的資料，采用空間代替時(shí)間的方法[11]，選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態(tài)因子基本一致的坡中下部沿等高線的裸荒地、草本群落、灌木群落和喬木群落四種類型表示演替的四個(gè)階段，分別用演替初期（Ⅰ）、演替中前期（Ⅱ）、演替中后期（Ⅲ）與演替后期（Ⅳ）表示（表1）。

2.2 樣品的采集與分析

在3個(gè)樣地中取面積400 m2（20m×20m）于春季（2010年 3月）、夏季（2010年 8月）、秋季（2010年 11月）與冬季（2011年1月）四季，采用S型或梅花型5點(diǎn)，且以0 cm-20cm（表層），20 cm-40 cm（亞表層）和 40 cm-60cm（下層）分 3層（分別用A、B、C層表示）混合取樣；按相同生境和層次的5個(gè)點(diǎn)的土樣等比例混合為一個(gè)混合樣，去掉土壤中可見植物根系和殘?bào)w，重復(fù)3次，編號(hào)，土壤風(fēng)干后過(guò)篩，供測(cè)定土壤養(yǎng)分等。其中土壤容重、水分測(cè)定采用鋁盒烘干法（105℃，12h）[12]，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)用環(huán)刀法制取[12]；有機(jī)質(zhì)（SOM）采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[13]，全氮（TN）采用半微量開氏法測(cè)定[13]，速效磷（AP）采用NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測(cè)定[13]，速效鉀（AK）采用NH4Ac-原子吸收法測(cè)定[13]。

表1 樣地概況

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被恢復(fù)階段對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

3.1.1 不同恢復(fù)階段對(duì)機(jī)械組成的影響 土壤質(zhì)地直接影響土壤水、肥、氣、熱的保持與運(yùn)動(dòng)，與植物群落的演替有著密切關(guān)系。大量的研究表明，黏粒具有較大的表面積，粘結(jié)力很強(qiáng)，在水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成過(guò)程中具有重要作用[14]，不同植被恢復(fù)階段土壤機(jī)械組成見（表2）。

由于紫色土成土母巖為紫色砂頁(yè)巖，主要以粗粉粒為主。隨著植被恢復(fù)的演替進(jìn)行，黏?？傮w含量也隨之增加，各級(jí)微團(tuán)粒含量百分比差異很大，有的甚至達(dá)到顯著或極顯著水平（p＜0.05或p＜0.01）。其中表土層變化最顯著，在演替初期（Ⅰ），0 cm-20cm表層土壤大于0.1mm微團(tuán)粒百分比大幅度增加，比演替中前期（Ⅱ）、演替中后期（Ⅲ）與演替后期（Ⅳ）分別增加17.86%、39.29%與57.14%。這是由于隨著植被恢復(fù)演替的進(jìn)行，植被蓋度增加，減小雨滴對(duì)地面的直接擊濺侵蝕，降低徑流對(duì)土壤的沖刷，穩(wěn)定了成土環(huán)境，使黏化作用增強(qiáng)，黏粒聚集明顯，粉粒、黏粒含量增加，砂粒含量減小，土壤抗蝕性與抗沖性提高，有效地減少了水土流失。

3.1.2 不同植被恢復(fù)階段對(duì)土壤容重的影響 土壤容重不僅直接影響到土壤空隙度的大小與空隙分配、土壤的穿透阻力及土壤水、肥、氣熱變化，也影響著土壤微生物活動(dòng)和土壤酶活性的變化，其大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤堅(jiān)實(shí)度等有關(guān)，可作為土壤肥力的指標(biāo)之一。土壤容重愈小，表明土壤的結(jié)構(gòu)性愈好，孔隙多，疏松，有利于土壤的氣體交換和滲透性的提高，反之，土壤容重愈大，表明結(jié)構(gòu)性差，孔隙少，板結(jié)。

研究表明（表3），不同植被恢復(fù)階段土壤容重隨土壤深度的增加而增加，增加幅度最大的為演替初期（Ⅰ）的表層與亞表層，增加3.66%，同一層次在不同的演替階段，土壤容重隨著演替的進(jìn)展土壤容重逐漸減小，且差異均達(dá)到顯著水平（p＜0.05），土壤容重最小的是演替后期的表層，為1.25 g/cm3，容重最大的為演替初期的底層，為1.75 g/cm3，其主要原因是隨著植被恢復(fù)的演替進(jìn)行，植被蓋度增大，植物的枯枝落葉也相應(yīng)增加，由于地表土壤豐富的養(yǎng)分條件，使根系的生物量的垂直分布隨土層深度的增加而呈下降趨勢(shì)，細(xì)根在表層土壤（0 cm-20cm）富集有關(guān)。

表3 不同植被恢復(fù)階段土壤容重的變化 （單位：g/cm3）

3.2 不同植被恢復(fù)階段的土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

土壤化學(xué)特性及其養(yǎng)分含量是土壤質(zhì)量最為重要的表征指標(biāo)，也是衡量土壤生產(chǎn)潛力的基本內(nèi)容。在衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復(fù)演替的進(jìn)行，土壤養(yǎng)分和化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了變化。

3.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)變化 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，它含有植物生長(zhǎng)所需要的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，特別是氮、磷的重要來(lái)源，是提供微生物生命活動(dòng)的能源，對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)都有著深刻的影響，在植被恢復(fù)過(guò)程中，它促進(jìn)了植物的呼吸和新陳代謝，提高酶的活性，從而大大促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)分吸收。

研究表明（表4），衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地不同植被恢復(fù)階段，土壤有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)是一致的，其含量均隨土層深度的增加而遞減，表現(xiàn)出明顯的表聚性；在演替初期（Ⅰ）與演替中前期（Ⅱ），0 cm-40cm土層的有機(jī)質(zhì)含量極其接近，由于在這兩個(gè)階段土壤表層的枯落物較少，形成上具有同源性；在演替中后期（Ⅲ），有機(jī)質(zhì)含量的差異隨土層深度的增加而增大，在多數(shù)情況下，其差異達(dá)到顯著水平（p＜0.05），這是由于在此演替階段，植物枯落物及其根系主要集中在0 cm-40cm處，而40 cm-60cm處較少的原因。在演替后期（Ⅳ），由于地表枯落物及其殘根的增加，0 cm-20cm土層有機(jī)質(zhì)含量增加幅度較大，比演替中后期（Ⅲ）同層次增加近50%。

表4 不同植被恢復(fù)階段土壤有機(jī)質(zhì)的變化 （單位：g/kg）

3.2.2 土壤全氮的變化 氮素是植物生長(zhǎng)的重要元素之一，植物中積累的氮素有50%左右來(lái)自于土壤，土壤全氮含量是土壤的基本性質(zhì)之一。植被恢復(fù)改變了土壤特性，土壤物質(zhì)輸入與支出發(fā)生改變，土壤全氮含量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

研究表明（表5），植被恢復(fù)的不同演替階段，土壤全氮總體含量呈現(xiàn)上高下低的分布格局，這與土壤有機(jī)質(zhì)含量的分布格局相似，也符合一般土壤氮素的分布格局。但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，由于植被狀況等生態(tài)因素的差異，相同層次土壤全氮存在一定的差異。在演替初期（Ⅰ），表層0 cm-20cm土壤的含氮量低于亞表層20 cm-40cm土壤的含氮量（p＞0.05），這可能與此階段的裸荒地水土流失帶走表層一部分氮素有關(guān)；在以后的演替階段，全氮的含量隨土層的變化規(guī)律與土壤有機(jī)質(zhì)的含量相對(duì)應(yīng)，上高下低，說(shuō)明土壤中全氮的含量與有機(jī)質(zhì)的含量具有極強(qiáng)的相關(guān)性[15]；但值得一提的是，盡管演替后期（Ⅳ）表層土壤全氮量大于演替中后期（Ⅲ）表層土壤全氮量，但在其他幾個(gè)下部層次上，演替后期（Ⅳ）土壤全氮量卻小于演替中后期（Ⅲ）土壤含氮量，這主要與演替后期（Ⅳ）喬木群落的生物量地上部分生物量大于演替中后期（Ⅲ）地上部分生物量，從地下主要根區(qū)（20 cm-60cm）吸收消耗的氮量必然較多。

表5 不同植被恢復(fù)階段土壤全氮的變化 （單位：g/kg）

3.2.3 土壤速效磷的變化 磷是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，速效磷易于在植被生長(zhǎng)中被吸收利用，它既是構(gòu)成植物體內(nèi)重要有機(jī)化合物的組成部分，同時(shí)又以多種方式參與植物體內(nèi)的生理過(guò)程，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝起著重要的作用。

研究表明（表6），隨著植被恢復(fù)的演替進(jìn)行，速效磷的含量在逐漸增加，這可能與隨著演替的進(jìn)行，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加有關(guān)。在演替初期（Ⅰ）與演替中前期（Ⅱ）0 cm-60cm土壤速效磷變化幅度沒(méi)有達(dá)到顯著水平（p＞0.05），原因在于其土壤所含有機(jī)質(zhì)較低，土壤容重較大，土壤速效磷的有效性與移動(dòng)性較差；在演替中后期（Ⅲ）與演替后期（Ⅳ）0 cm-20cm表層速效磷反而比20 cm-40 cm亞表層速效磷低（p＜0.05），導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是一方面表層土壤沙性較大，砂土對(duì)磷的吸附能力較弱[16]，另一原因是正磷酸鹽容易被還原致使速效磷易于被雨水淋失；四個(gè)演替階段40 cm-60cm底層土壤速效磷的變化幅度不大，其差異也沒(méi)有達(dá)到顯著水平（p＞0.05），一方面說(shuō)明植物的根系主要分布于表層與亞表層，底層分布較少，另一方面說(shuō)明植物生長(zhǎng)所必需的磷幾乎全部由土壤供給，磷在土壤中的移動(dòng)性與揮發(fā)性較小。

表6 不同植被恢復(fù)階段土壤速效磷的變化（單位：mg/kg）

3.2.4 土壤速效鉀的變化 鉀是植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，土壤有機(jī)質(zhì)中吸附一定數(shù)量的鉀，使其免于流失，提高了它的有效性，因此，土壤有效鉀在植被恢復(fù)演替中有著十分重大的意義。

研究表明（表7），隨著植被恢復(fù)演替進(jìn)行，在0 cm-20cm的表層，土壤速效鉀隨植被恢復(fù)的演替進(jìn)行而增加顯著（p＜0.05），這與演替的進(jìn)行中，表層枯落物逐漸增加有關(guān)；在Ⅰ-Ⅳ演替階段，20 cm-40 cm亞表層土壤速效鉀變化幅度不大（p＞0.05），其原因在于隨著演替的進(jìn)展進(jìn)行，枯枝落葉層腐殖化而增加的營(yíng)養(yǎng)在表土層富集，而枯枝落葉的礦化難易程度與土壤的水分等環(huán)境條件有關(guān)，土壤養(yǎng)分向下淋溶需要時(shí)間的積累；40 cm-60 cm下層土壤速效鉀隨著演替的進(jìn)展進(jìn)行而逐漸下降，雖然差異不顯著（p＞0.05），這與隨著演替進(jìn)行，植物生長(zhǎng)需要大量的鉀元素，其根系逐漸向下擴(kuò)展，而通過(guò)降水淋溶作用而到達(dá)下層的鉀元素低于植物生長(zhǎng)吸收數(shù)量，以致于下層鉀元素處于下降的狀態(tài)。

表7 不同植被恢復(fù)階段土壤速效鉀的變化（單位：mg/kg）

3.3 土壤理化因子的主成分分析

為了更好地分析不同理化因子與土壤質(zhì)量的關(guān)系，從而選擇用于衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，我們對(duì)所研究區(qū)域的土壤機(jī)械組成百分比、土壤容重、SOM、TN、AP與AK等6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析（表8）。由于各理化因子之間有相互關(guān)系的原因，需要進(jìn)行6個(gè)主成分才能解釋超過(guò)85%的信息。設(shè)α1表示SOM含量；α2表示土壤TN含量；α3表示土壤AP含量；α4表示土壤AK含量；α5表示土壤機(jī)械組成百分比的大??；α6表示土壤容重的大小。第一主成分解釋了SOM的信息，其貢獻(xiàn)率為39.153%，第二主成分解釋了TN的信息，其貢獻(xiàn)率為20.086%，第三主成分解釋了AP的信息，其貢獻(xiàn)率為8.984%，第四主成分解釋了AK的信息，其貢獻(xiàn)率為7.458%，第五主成分解釋了土壤機(jī)械百分比的信息，其貢獻(xiàn)率為6.427%，第六主成分解釋了土壤容重的信息，其貢獻(xiàn)率為4.004%。從評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的角度看，土壤SOM、TN、AP、AK、土壤機(jī)械百分比、土壤容重可作為評(píng)價(jià)植被改善土地質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

表8 土壤理化因子的主成分貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被不同恢復(fù)階段土壤理化特征的分析，隨著植被恢復(fù)的演替進(jìn)行，土壤質(zhì)量具有明顯的差異，具體表現(xiàn)為：①隨著植被恢復(fù)的演替進(jìn)行，土壤各層黏粒含量增加顯著（p＜0.01或p＜0.05），但隨土壤深度的增加，呈遞減趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：表層＞亞表層＞下層；土壤容重減小明顯（p＜0.05），隨土壤深度而呈遞增趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：表層＜亞表層＜下層；②土壤有機(jī)質(zhì)逐漸增加（p＞0.05），隨土壤深度的增加呈遞減趨勢(shì)，表現(xiàn)出明顯的表聚性；③土壤全氮、速效磷和速效鉀含量均呈上升趨勢(shì)，由于植物根系及枯落物多少的差異，使得各營(yíng)養(yǎng)成分的垂直分布各異；④主成分揭示出土壤理化特征可作為評(píng)價(jià)植被改善土地質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 討論

（1）土壤作為一個(gè)獨(dú)立的自然體，對(duì)水、肥、氣、熱及植物群落的演替具有重要的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)又受植物群落結(jié)構(gòu)差異的影響，使土壤理化性狀發(fā)生改變。在衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復(fù)的不斷進(jìn)行，其理化因子的變化除了與成土母巖、氣候和自然理化性質(zhì)有密切關(guān)系外，植被的作用也不可忽視。植物群落對(duì)土壤發(fā)育的作用，一是通過(guò)改變?nèi)郝渌疅岘h(huán)境直接影響土壤的發(fā)育條件，二是通過(guò)根系和枯落物回歸土壤而直接參與土壤的成土過(guò)程。

（2）在衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復(fù)的演替進(jìn)行，土壤各層次土壤容重減小明顯（p＜0.05），黏粒含量總體增加顯著（p＜0.05或p＜0.01），土壤容重的減小主要是由土壤顆粒組成的不同而導(dǎo)致的，而黏粒含量的多少對(duì)土壤的通氣、水分狀況及抗蝕性及至植物根系的生長(zhǎng)均有重大的影響，因此土壤容重的大小與土壤機(jī)械組成百分比之間有著緊密的聯(lián)系[17，18]。

（3）在衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復(fù)的不斷進(jìn)行，植物蓋度上升，土壤容重減小，黏粒含量增加，孔隙度上升，有利于土壤微生物的生命活動(dòng)[19]及酶的活性[20]，土壤理化特征趨于改善，為賴以生存的植物提供物質(zhì)條件，但由于植物根系的空間格局的差異，枯落物回歸土壤的礦化與積累的速度的不同，從而造成土壤理化性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性，因此，在衡陽(yáng)紫色土植被恢復(fù)過(guò)程中，要因地制宜，合理搭配植物種類，加強(qiáng)管理。

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