黃雍容，黃石德，3，葉功富，黃龍為，陳 杰，歐陽亞群

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012； 2.木麻黃工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350012；3.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037； 4.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

植被恢復(fù)模式對紫色土團聚體分布及穩(wěn)定性的影響

黃雍容1，2，黃石德1，2，3，葉功富1，2，黃龍為4，陳 杰1，2，歐陽亞群1，2

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012； 2.木麻黃工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350012；3.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037； 4.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

以寧化縣紫色土侵蝕區(qū)3種植被恢復(fù)模式(林果草模式、油茶模式、喬灌草模式)為研究對象，以未治理的裸露荒地(CK2)、無明顯水土流失的林分(CK1)作為恢復(fù)前后的參照，研究土壤團聚體和理化性質(zhì)的變化，分析3種植被恢復(fù)模式的優(yōu)劣。結(jié)果表明：與CK2相比，3種植被恢復(fù)模式>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量均顯著提高，促進土壤從微小團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)變，土壤容重降低，孔隙度增加，土壤有機碳含量提高，以喬灌草和林果草模式為最優(yōu)，但這2種模式差異不明顯；植被恢復(fù)后的紫色土團聚體破壞率(PAD)和分形維數(shù)(D)值均有降低，團聚體平均重量直徑(MWD)值明顯增加，以喬灌草模式的變化幅度最大，表明該模式改善土壤結(jié)構(gòu)的效果優(yōu)于其它模式，其土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。相關(guān)分析表明，水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性與土壤粒徑、容重及孔隙度有顯著相關(guān)性。

植被恢復(fù)模式；紫色土；團聚體；穩(wěn)定性

土壤團聚體是指由土粒以及有機物質(zhì)膠結(jié)而形成的直徑在10～0.25 mm區(qū)間的結(jié)構(gòu)單位，是土壤保水保肥的基礎(chǔ)。土壤團聚體的大小、形狀和穩(wěn)定性與土壤的水、氣息息相關(guān)，土壤孔隙的分布也因其大小、形狀和穩(wěn)定性而不同，并進一步影響土壤的理化性質(zhì)，進而間接影響作物生長。眾多研究結(jié)果顯示，不同植被恢復(fù)模式對土壤理化性質(zhì)、水穩(wěn)性團聚體的改良有一定的成效，可有效減緩和防止水土流失[1-7]，但有關(guān)植被恢復(fù)過程中土壤團聚體的形成機制、新有機碳的形成與團聚體的關(guān)系以及新碳形成的生態(tài)學(xué)意義等方面的研究少見報道。

寧化縣是福建省典型的紫色土水土流失區(qū)，該紫色土侵蝕區(qū)退化嚴重，山體裸露，幾乎無植被被覆蓋。水土流失導(dǎo)致土壤肥力急劇下降，生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞，影響當(dāng)?shù)厝嗣竦娜粘Ｉ頪8]。20世紀80年代，政府引入馬尾松(PinusmassonianaLamb.)作為先鋒樹種改善水土流失情況，取得了一定的成效。但由于紫色土自身肥力差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致馬尾松多成為老頭林，生態(tài)恢復(fù)功能沒有達到預(yù)期效果[9]。目前福建有關(guān)紫色土的研究主要集中于植被恢復(fù)的碳庫及碳吸存能力[10]、群落恢復(fù)特征、不同治理措施土壤特性[8]、土壤侵蝕的動態(tài)變化[11]以及不同治理模式綜合效應(yīng)評價[9]，而針對經(jīng)果林型或林果草型等兼顧生態(tài)和經(jīng)濟效益的恢復(fù)模式的恢復(fù)效果研究未見報道。本文吸取前人治理經(jīng)驗，根據(jù)寧化縣實際情況，選取林果草、油茶、喬灌草3種植被恢復(fù)模式作為研究對象，以未治理的裸露荒地(CK2)和周邊無明顯水土流失的林分(主要為馬尾松林)(CK1)為恢復(fù)前后的參照，比較分析不同植被恢復(fù)模式下土壤團聚體含量、分布以及穩(wěn)定性的變化，評價3種植被恢復(fù)模式的優(yōu)劣，為植被對紫色土質(zhì)量的改良作用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為篩選紫色土侵蝕區(qū)生態(tài)及經(jīng)濟效益兼顧的植被恢復(fù)模式提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗點位于福建省寧化縣石壁鎮(zhèn)的水?？平虉@(26°14′12″N、116°27′37″E)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫18.1 ℃，最熱月(7月)極端最高氣溫38.3 ℃，最冷月(1月)極端最低氣溫-11 ℃。試驗點所在區(qū)域為丘陵地貌，海拔355～465 m之間。土壤以紫色土為主，水土流失嚴重，土層淺薄，甚至基巖裸露，呈酸性，pH值在4.5～5.2之間。試驗區(qū)主要植被有：馬尾松、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、木荷(SchimasuperbaGardn.et Champ.)、板栗(Castaneamollissima)、楊梅(Myricarubra(Lour.) S.et Zucc.)、香樟(Cinnamomumcamphora(L.) Presl.)、大葉女貞(Ligustrumcompactum(Wall.ex G.Don) Hook.f.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、寬葉雀稗(PaspalumwettsteiniiHackel.)、百喜草(Paspalumnatatu)、芒萁(Dicranopterisdichotoma(Thunb.)Bernh)等(表1)。

表1 不同植被恢復(fù)模式樣地的基本概況

1.2 試驗設(shè)計

于2012年3月，采用林果草模式(林果草+水平溝，C1)、油茶模式(油茶+等高草帶，C2)、喬灌草模式(喬灌草+竹節(jié)溝，C3)3種措施對紫色土侵蝕區(qū)進行生態(tài)恢復(fù)，以提高該紫色土侵蝕區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟效益。具體措施為C1：每隔6 m沿等高線開挖水平溝，同時在溝間配套魚鱗坑，在魚鱗坑內(nèi)種植錐栗(Castaneahenryi)、楊梅等果樹以及木荷等喬木，株行距為2 m×3 m，在水平溝的溝內(nèi)、溝壁點播寬葉雀稗和百喜草，恢復(fù)面積5.2 hm2；C2：沿坡面每隔5～6 m開挖1條1.2 m的等高草帶，草帶間采取水平帶整地，在水平帶上種植油茶，株行距為2 m×2.2 m，等高草帶上種植百喜草，恢復(fù)面積14.9 hm2；C3：每隔3 m沿等高線開挖水平竹節(jié)溝，同時在溝間配套魚鱗坑，在竹節(jié)溝內(nèi)種植胡枝子等灌木以及點播寬葉雀稗，在魚鱗坑內(nèi)種植香樟、桂花(Osmanthusfragrans)等喬木，株行距3 m×3 m，恢復(fù)面積5.9 hm2；CK1：選擇周邊無明顯水土流失的林分(主要為馬尾松林)作為恢復(fù)后的參照，面積達6 hm2；CK2：以未治理的裸露荒地作為對照，面積達2 hm2。

1.3 樣品的采集與測定分析

于2014年10月，每種模式分別設(shè)置3個20 m×20 m標(biāo)準樣地，每個標(biāo)準地間隔20 m以內(nèi)，共設(shè)置15個標(biāo)準樣地。在每個標(biāo)準樣地內(nèi)分別隨機選取3個采樣點挖取土壤剖面，采集0～20 cm、20～40 cm土層原狀土壤，用環(huán)刀法測定土壤水分物理性質(zhì)。

將帶回實驗室的土壤樣品剔除石礫、動物殘體和植物根系等殘渣，風(fēng)干過程中，沿自然結(jié)構(gòu)掰成1 cm的團粒。風(fēng)干后的土樣依次通過孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，分別稱重，計算出各徑級干篩團聚體所占比例，并按干篩的比例配成50 g土樣。將配好的土樣放在套篩上，在水中浸泡5 min后，用振蕩式機械篩分儀(振蕩頻率為30次·min-1)篩5 min，分離出>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、<0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體，在50 ℃下烘至恒重。將全土和不同徑級土壤團聚體研磨，過100目篩，用EA 3000元素分析儀測定有機碳含量。計算>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體(WSA)含量，>0.25 mm 團聚體的破壞率(PAD)以及水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(MWD)[12]。分形維數(shù)(D)的計算采用劉愛霞等[13]方法進行計算。

(1)

(2)

式中：ri為第i個篩子孔徑(mm)；n為徑級的數(shù)量；mi為第i個篩子的水穩(wěn)性團聚體的重量百分比[14]。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件對不同恢復(fù)模式各土層的有機碳含量及穩(wěn)定性指標(biāo)進行方差分析(One-way ANOVA)，并用Pearson相關(guān)系數(shù)評價團聚體指標(biāo)與土壤穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)模式土壤團聚體的分布

>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量是表征土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由表2可知，3種植被恢復(fù)模式不同土層深度>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量存在差異，C3模式與CK1相似，0～20 cm土層>20～40 cm土層，C1模式、C2模式與CK2相似；同一土壤深度的不同植被恢復(fù)模式>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量也存在差異，0～20 cm土層表現(xiàn)為：C3>CK1>C1>C2>CK2；20～40 cm土層表現(xiàn)為：C1>C3>C2>CK1>CK2。表明植被恢復(fù)能夠明顯提高紫色土中大團聚體(>0.25 mm)的含量，其中C3模式提高表層土壤大團聚體含量的效果最為明顯。

CK2不同土層深度土壤干篩>0.25 mm粒徑團聚體占供試土壤重量的90%以上，濕篩后各級水穩(wěn)性團聚體數(shù)量減少，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量降至50%～60%。植被恢復(fù)后，C1、C2、C3模式>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量0～20 cm土層分別是CK2的1.34倍、1.30倍、1.45倍，是CK1的0.97倍、0.94倍、1.05倍；20～40 cm土層分別是CK2的1.35倍、1.28倍、1.32倍，是CK1的1.07倍、1.01倍、1.05倍。

2.2 不同植被恢復(fù)模式土壤孔隙度和有機碳含量特征

土壤容重大小反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，容重越小，土壤的通氣透水性越好[15]。由表3可知，CK2的容重最大，CK1的容重最小。植被恢復(fù)能夠顯著降低土壤容重，其大小順序為C1

表2 不同粒徑團聚體的分布

*：分子為干篩，分母為濕篩；不同小寫字母為不同植被恢復(fù)類型0～20 cm土層差異顯著；不同大寫字母為不同恢復(fù)類型20～40 cm土層差異顯著(P<0.05)。下同。

表3 不同恢復(fù)模式紫色土壤物理性質(zhì)

植被恢復(fù)顯著增加土壤有機碳含量，對不同土層各粒徑土壤有機碳含量有顯著的影響(表4)。CK2<0.25 cm粒徑團聚體有機碳含量與全土含量接近，其它粒徑團聚體有機碳的含量均略高于全土含量。CK1全土及各粒徑團聚體有機碳含量均顯著高于CK2。植被恢復(fù)后，土壤有機碳含量均顯著增加，不同恢復(fù)模式下土壤有機碳含量有較大差異。全土有機碳含量，以CK1最高，隨著粒徑的增大，團聚體中有機碳含量增加。0～20 cm土層，C1模式全土及各粒徑團聚體的有機碳含量顯著高于C2模式，C3模式與其接近；20～40 cm土層，C3模式各粒徑水穩(wěn)性團聚體有機碳含量均顯著高于C1、C2模式，全土含量與C1模式相接近。

表4 不同粒徑水穩(wěn)性團聚體有機碳含量

2.3 不同植被恢復(fù)模式對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

采用3個指標(biāo)即團聚體破壞率(PAD)、平均重量直徑(MWD)、水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)(D)指示團聚體穩(wěn)定性(表5)。CK2中0～20 cm、20～40 cm土層的PAD和D值均最大，分別達到36%～40%和2.8，MWD值最小，約為2.0 cm；CK1中0～20 cm、20～40 cm土層的PAD和D值較小，分別是16%～19%和2.6，MWD值較大，約為2.4 cm。植被恢復(fù)后，C1、C2和C3的PAD均有下降，其中C3模式下降幅度最大；C1、C2和C3的MWD均有大幅上升，其中C1模式上升幅度最大；C1、C2和C3的D值均略有下降，其中C3下降幅度較大，降至2.5～2.6。結(jié)果表明，C3模式降低團聚體破壞率和分形維數(shù)的結(jié)果均顯著優(yōu)于CK1，其改善土壤結(jié)構(gòu)的效果優(yōu)于其它模式，其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

表5 不同植被恢復(fù)模式下紫色土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

2.4 紫色土水穩(wěn)性團聚體結(jié)構(gòu)特征與其穩(wěn)定性的相關(guān)分析

由表6可知，紫色土PAD與MWD和總孔隙度分別有極顯著和顯著負相關(guān)性，與D和<0.25 mm粒徑的團聚體呈極顯著正相關(guān)；而MWD與>5 mm粒徑團聚體呈極顯著正相關(guān)，與D和<0.25 mm粒徑的團聚體分別呈顯著和極顯著負相關(guān)。表明越小粒徑水穩(wěn)性團聚體增加會提高紫色土破壞率，降低其團聚度和穩(wěn)定性；而大粒徑水穩(wěn)性團聚體的增加能夠提高紫色土團聚度，進而提高其穩(wěn)定性。

D與1～2 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體和總孔隙度呈極顯著負相關(guān)，與<0.25 mm粒徑的團聚體和容重呈極顯著和顯著正相關(guān)。表明大粒徑水穩(wěn)性團聚體數(shù)量增加，土壤空隙越大，D越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；小粒徑水穩(wěn)性團聚數(shù)量減少，土壤容重越小，D越小，土壤越疏松，土壤含蓄水分保持水土的功能越強，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

表6 土壤水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)間的相關(guān)性

3 討論

大量研究表明，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體是評價土壤生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)，其含量越高，土壤的生態(tài)功能越好[16-17]，而土地利用方式不同對土壤水穩(wěn)性團聚體含量有較大影響[18]。林培松等[19]對紫色土的研究結(jié)果表明，受人為擾動的農(nóng)耕地的土壤團聚體水穩(wěn)性比園地、林地差，特別表現(xiàn)于>0.25 mm團聚體含量的減少。本研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)能夠提高紫色土>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，但不同植被恢復(fù)模式對土壤的改良效果不同。C3模式改善表土層大團聚體的含量效果明顯優(yōu)于其它模式，C1和C2模式的喬木層主要是經(jīng)濟樹種，其在經(jīng)營過程中人為擾動較頻繁，C2模式樹種較為單一，林下植被少，這一研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致。土壤水穩(wěn)性大團聚體形成主要靠有機質(zhì)的膠結(jié)作用[20]。駱東奇等[21]研究表明利用方式不同、土壤管理差異等因素會影響紫色土有機質(zhì)的積累和保持，進而影響團聚體的質(zhì)量，人為干擾最大的耕地土壤團聚體水穩(wěn)性最差、結(jié)構(gòu)破壞率最高。吳承禎等[22]研究認為混交林經(jīng)營模式土壤的水穩(wěn)性大團聚體含量較大，土壤具有良好的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性。本研究中，C1和C3模式均能明顯改善紫色土的土壤容重及孔隙狀況，顯著增加土壤有機碳含量，結(jié)果與其相似。究其原因，一方面混交林經(jīng)營模式，冠層郁閉度不至于過高，保障了林下植被的生長和生存空間，林下地表枯落物和植物根系增多，增加了土壤中有機碳來源；另一方面，C1和C3模式，地表覆蓋物能減少降雨和地表徑流對大團聚體的沖刷和破壞，且這2種經(jīng)營模式能有效的減少人為擾動。

PAD表征團聚體對水的穩(wěn)定性，團聚體破壞率越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；MWD是反映土壤團粒結(jié)構(gòu)大小分布狀況的指標(biāo)，其值越大表明團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強；分形維數(shù)D是反映土壤團聚體結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)，分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[23-25]。本研究發(fā)現(xiàn)，與裸露荒地比較，3種植被恢復(fù)模式的土壤PAD和D值均有下降，MWD值大幅上升，其中以C3模式的變化幅度最大，表明C3模式改善土壤結(jié)構(gòu)的效果優(yōu)于其它模式，其土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。這是因為植被恢復(fù)后，土壤中大團聚體含量增加，小團聚體含量減少，土壤中植物根系增多，孔隙度增大，容重減小，有機碳含量增加，土壤的理化性質(zhì)得到改良。相關(guān)分析結(jié)果也表明，水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與團聚體粒徑、容重和孔隙度等有顯著的相關(guān)性。C3模式改良土壤結(jié)構(gòu)效果較優(yōu)的原因，可能與植物配置有關(guān)，謝錦升等[26]認為土壤團聚體穩(wěn)定性與植被類型有關(guān)，有機碳源不同影響有機介質(zhì)持久性，從而影響團聚體的水穩(wěn)性。王軼浩等[18]對三峽庫區(qū)的紫色土植被恢復(fù)的土壤團聚體的研究結(jié)果表明，植被恢復(fù)過程中根據(jù)植被冠層郁閉度及喬-灌-草結(jié)構(gòu)特征進行適當(dāng)?shù)膿嵊?jīng)營措施，可以促進土壤結(jié)構(gòu)的改善和充分發(fā)揮土壤的生態(tài)服務(wù)功能，與本研究結(jié)果相似。本研究中C1和C3模式改良紫色土土壤結(jié)構(gòu)，其中C1模式還能滿足當(dāng)?shù)孛癖姷慕?jīng)濟需求[9]，土壤性質(zhì)的變化是一個長期且復(fù)雜的過程，紫色土又是非常脆弱且不穩(wěn)定的，土壤作為一種非再生資源，受植被生長和群落的演替影響很大，建議建立長期的監(jiān)測機制，在原有林果草模式的基礎(chǔ)上，深入研究，探索一個平衡經(jīng)濟效應(yīng)和生態(tài)效益的紫色土植被恢復(fù)模式。

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Effects of Vegetation Restoration Patterns on Soil Aggregate Distribution and Stability in Purple Soil

HUANG Yongrong1，2，HUANG Shide1，2，3，YE Gongfu1，2，HUANG Longwei4，CHEN Jie1，2，OUYANG Yaqun1，2

(1.FujianAcademyofForestry，F(xiàn)uzhou350012，F(xiàn)ujian，China；2.CasuarinaResearchCenterofEngineeringandTechnology，F(xiàn)uzhou350012，F(xiàn)ujian，China；3.NanjingForestryUniversity，Nanjing210037，Jiangsu，China；4.CollegeofForestry，F(xiàn)ujianAgricultureandForestryUniversity，F(xiàn)uzhou350002，F(xiàn)ujian，China)

The differences of aggregates and physicochemical properties in purple soil erosion area in Ninghua County of Fujian Province were studied to select a better pattern among the three vegetation restoration patterns.Three kinds of vegetation restoration patterns (forest-garden-grass pattern，Camellia oleifera pattern and arbor-shrub-grass pattern) were selected as the research object，the uncovered wasteland(CK2) and the stand which have no significantly soil erosion(CK1) were selected as reference before and after recovering.The results show that the water stable soil aggregates (>0.25 mm) among all vegetation restoration patterns were obviously increased compared with CK2，which could lead to transfer from micro-aggregates changed into macro-aggregates，decreased in the soil bulk density and increased in porosity and soil organic carbon.The restoration effects of forest-garden-grass and arbor-shrub-grass pattern were better than Camellia oleifera pattern，the differences between the two patterns were no obvious.The percentage of aggregate disruption (PAD) and fractal dimension (D) were decreased，while mean weight diameter (MWD) significantly increased after vegetation restoration.The forest-garden-grass pattern had the largest variation range，which is a best pattern among three vegetation restoration patterns in improving soil structure.Correlation analysis showed that there were significant correlations between water stable soil aggregates and soil particle size，and between the soil bulk density and porosiuy.

vegetation restoration patterns；purple soil；soil aggregates；stability

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.04.001

2016-05-16；

2016-06-24

國家科技支撐計劃課題(2014BAD15B01)；國家林業(yè)局行業(yè)科研專項(201304303)；福建省科技重大專項(2012NZ0002-1-5-2)；福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點實驗室資助項目

黃雍容(1983—)，女，福建南安人，福建省林業(yè)科學(xué)研究院工程師，碩士，從事植物生理及森林碳匯研究。E-mail：yongrong1224@126.com。

黃石德(1982—)，男，福建省林業(yè)科學(xué)研究院高級工程師，博士研究生，從事生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail：hsd9876@126.com。

S152.4；S157.1

A

1002-7351(2016)04-0001-07