孫 濤，劉藝杉，孫崇玉，鄭愛輝

(1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000； 2.克勞沃(北京)生態(tài)科技有限公司，北京 100029)

植被恢復(fù)的重要目標(biāo)之一就是改善土壤物理特性，改良土壤質(zhì)量，提高土壤肥力[1]。物理性質(zhì)不僅是土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)，也是土壤肥力的重要內(nèi)涵。團粒結(jié)構(gòu)作為土壤重要的物理因子，關(guān)系到土壤的孔隙、持水性和通透性，制約著水氣、養(yǎng)分的供應(yīng)與積累的協(xié)調(diào)，進而影響土壤肥力狀況和植物生長[2]。土壤團聚體的組成、數(shù)量、分布及穩(wěn)定性是評價土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，對于改善土壤孔隙性、通透性、保水性和抗蝕性等具有重要意義[3-4]。通過地表凋落物和地下有機物的輸入，可增加表層養(yǎng)分富集，并顯著降低土壤容重[5-6]，增強土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性[7]，改善土壤持水能力和入滲性能[8]，進而改善土壤綜合特性。

淮北石灰?guī)r山地是安徽省內(nèi)石灰?guī)r主要分布區(qū)域之一，因自然立地條件惡劣,且在人為干擾及破壞等因素作用下，普遍存在基巖暴露、風(fēng)化強烈、結(jié)構(gòu)疏松、養(yǎng)分貧乏、植被稀少、荒山巖石裸露的情況，給該地區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)帶來極大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了該地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。為解決這一難題，科技人員經(jīng)過長期探索形成了一套適用于石質(zhì)山植被恢復(fù)的技術(shù)體系，主要包括“炸穴挖坑、客土回填、壯苗栽植、多級提水、培大土堆、修魚鱗坑”等方法。截止目前，已形成多種植被恢復(fù)群落，取得了良好的社會、生態(tài)效益。國內(nèi)有學(xué)者對魯中南和西南巖溶地區(qū)石灰?guī)r山地的造林模式、植被恢復(fù)技術(shù)、水文效應(yīng)、土壤分形特征及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系等開展了一系列研究[8-9]，對不同樹種、不同林分密度和植被恢復(fù)模式的水土保持效益也作了初步探討[10-11]。對黃淮區(qū)域石灰?guī)r山地人工造林技術(shù)方案、人工林喬灌木種群的生態(tài)位特性、優(yōu)勢樹種生理生態(tài)特性和葉片的結(jié)構(gòu)特征等方面也有一定的報道[12-14]，但是針對皖北石灰?guī)r地區(qū)有關(guān)植被恢復(fù)對土壤生態(tài)系統(tǒng)，特別是不同植被恢復(fù)模式對土壤物理特性影響的研究尚不深入。本研究以淮北石灰?guī)r山地不同植被恢復(fù)群落土壤為研究對象，開展不同植被恢復(fù)模式下土壤物理特性演變過程，對比分析不同植被恢復(fù)下土壤團聚體穩(wěn)定性的差異及其影響因素，探討皖北石灰?guī)r山地植被恢復(fù)模式與土壤物理性質(zhì)改良的關(guān)系，旨為石灰?guī)r山地植被恢復(fù)功效以及土壤質(zhì)量的科學(xué)評價提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)域概況

研究區(qū)相山地處安徽北部(116.78° E，33.96° N)，系泰山經(jīng)魯南山地，自徐州向南蜿蜒延伸的余脈，為石灰?guī)r質(zhì)島狀剝蝕殘丘。該區(qū)屬大陸性氣候與濕潤氣候之間的季風(fēng)氣候，氣候溫和，日照充足，四季分明，年平均氣溫為14.8 ℃。海拔150～320 m，無霜期203 d，年均相對濕度71%，年均日照時數(shù)2 315 h。年均降水量849 mm，集中在6-8月，占總降水量的62%。土壤為石灰土及淋溶褐土。主要植被人工恢復(fù)類型有側(cè)柏(Platycladusorientalis)林，側(cè)柏、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)混交林。酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、牡荊(Vitexnegundovar.cannabifolia)、金色狗尾草(Setariaglauca)為優(yōu)勢種的灌叢或草灌叢。

1.2　樣地設(shè)置及調(diào)查

在相山東南坡選擇4種植被恢復(fù)模式下的土壤作為研究對象，比較不同恢復(fù)模式對土壤的改良效果。植被恢復(fù)模式依次為，Ⅰ：人工側(cè)柏，側(cè)柏占絕對優(yōu)勢，林下和林隙夾雜著一些酸棗、牡荊；Ⅱ：側(cè)柏+構(gòu)樹混交林，側(cè)柏的密度相對較小，構(gòu)樹、柘樹(Cudraniatricuspidata)、酸棗、牡荊等闊葉樹種占優(yōu)勢；Ⅲ：金色狗尾草+牡荊草灌叢，自然植被的草本層以金色狗尾草等禾本科植物占優(yōu)勢；Ⅳ：酸棗+牡荊灌叢，以酸棗、牡荊灌木占優(yōu)勢。2017年5月下旬，在研究區(qū)每個植被恢復(fù)模式典型樣地設(shè)置20 m×20 m的樣方3個，在每個樣方內(nèi)采取6個土樣(0-30 cm)混合為一個混合樣，挑出土壤中可見植物根系殘體、石礫。土壤風(fēng)干后過篩，用于測定土壤特性，分析土壤團粒結(jié)構(gòu)。同時在各樣地用環(huán)刀取原狀土壤(0-20 cm)，帶回實驗室進行土壤容重、孔隙度的測定。

1.3　物理性狀測定

土壤含水量采用烘干法測定(105 ℃，12 h)，容重、毛管孔隙度與非毛管孔隙度采用環(huán)刀法測定。土壤水穩(wěn)性團聚體參照Sun等[15]的方法，具體操作：稱取過10 mm篩的風(fēng)干土壤樣品50 g，通過真空蒸餾水慢速浸潤裝置浸潤土壤樣品，充分浸潤2～4 min后，樣品轉(zhuǎn)移至團聚體分析儀套篩頂部(套篩孔徑自上而下為5、2、1、0.5和0.25 mm)，蒸餾水浸泡8 min，垂直震蕩2 min，每分鐘循環(huán)30次，振動幅度3 cm。50 ℃烘干48 h至恒重，稱重，計算團聚體的質(zhì)量分數(shù)。土壤水穩(wěn)性團聚體測定中，土樣浸潤方法對測定結(jié)果產(chǎn)生很大影響，本方法采用高真空慢速浸潤法，主要通過毛細管進行慢速濕潤，最大限度地減少和避免了土樣在浸潤過程產(chǎn)生的氣爆和崩解，能有效降低大團聚體的破碎，減少誤差，保證測定結(jié)果的可靠性[15]。利用各粒級團聚體數(shù)據(jù)分別按照公式(1)、(2)和(3)計算>0.25 mm團聚體的比例(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GWD)。

R0.25=Mr>0.25/MT。

(1)

式中：MT為團聚體總重量，Mr>0.25表示粒徑大于0.25 mm的團聚體的重量。

(2)

式中：Xi是篩分出來的任一粒徑范圍團聚體的平均直徑，Wi是任一粒徑范圍團聚體的總量占土壤樣品干重的分數(shù)。

(3)

1.4　數(shù)據(jù)分析

采樣SPSS 16.0統(tǒng)計軟件對土壤各特性指標(biāo)進行單因素方差分析和LSD比較不同數(shù)據(jù)間的差異。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同植被恢復(fù)下土壤水穩(wěn)性團聚體組成

從水穩(wěn)性團聚體含量的統(tǒng)計結(jié)果來看(表1)，不同植被恢復(fù)下土壤水穩(wěn)性團聚體的分布存在一定差異。4種植被恢復(fù)模式下，>5 mm的水穩(wěn)性團聚體含量表現(xiàn)為人工側(cè)柏>人工側(cè)柏+構(gòu)樹混交林>金色狗尾草+牡荊草灌叢>酸棗+牡荊灌叢，且除金色狗尾草+牡荊草灌叢與酸棗+牡荊灌層差異不顯著外，不同植被恢復(fù)模式之間差異均達到顯著水平(P<0.05)。5～2和1～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體表現(xiàn)為金色狗尾草+牡荊草灌叢和酸棗+牡荊灌叢顯著高于其他2種恢復(fù)模式，且這兩種恢復(fù)模式中土壤1～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體高出側(cè)伯和側(cè)柏+構(gòu)樹混交林2倍以上；金色狗尾草+牡荊草灌叢0.5～0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體的含量顯著高于其他3種植被恢復(fù)模式。該結(jié)果表明，草灌叢植被恢復(fù)石灰?guī)r山地土壤中土壤團聚體粒徑分布中小粒徑(<1 mm)所占比重逐漸增加(表1)。

2.2　不同植被恢復(fù)下土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性

一般土壤團粒結(jié)構(gòu)體是指>0.25 mm粒徑的團聚體，為土壤中最優(yōu)的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤肥力狀況、土壤管理措施等密切相關(guān)。本研究用分析>0.25 mm粒徑團聚體的比例(R0.25)來說明土壤團聚體的數(shù)量變化。金色狗尾草+牡荊草灌叢和酸棗+牡荊灌叢石灰?guī)r土層中R0.25值顯著高于人工側(cè)柏和人工側(cè)柏+構(gòu)樹混交林(表2)。其中酸棗+牡荊草灌叢的R0.25比人工側(cè)柏和人工側(cè)柏+構(gòu)樹混交林分別高出34.9%和40.2%。但金色狗尾草+牡荊草灌叢和酸棗+牡荊灌叢，及人工側(cè)柏和人工側(cè)柏+構(gòu)樹混交林之間R0.25值之間沒有顯著差異。

表1　不同植被恢復(fù)下土壤水穩(wěn)性團聚體含量Table 1　Content of water stable aggregates under different vegetation restorations 　%

Ⅰ：人工側(cè)柏，Ⅱ：側(cè)柏+構(gòu)樹混交林，Ⅲ：金色狗尾草+牡荊草灌叢，Ⅳ：酸棗+牡荊灌叢；同列不同小寫字母表示不同植被類型間差異顯著(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.

土壤團聚體MWD值以金色狗尾草+牡荊草灌叢最高，酸棗+牡荊灌叢次之，人工側(cè)柏土層最低，且金色狗尾草+牡荊草灌叢MWD值顯著高于其他植被恢復(fù)措施(表2)。說明不同植被恢復(fù)措施對土壤表層土壤團聚體狀況的改善程度有所差異，低矮的草本和灌木類植被土壤表層團聚狀況優(yōu)于高大喬木植被。酸棗+牡荊灌叢土壤GMD值顯著大于其他植被類型，金色狗尾草+牡荊草灌叢次之，人工側(cè)柏和人工側(cè)柏+構(gòu)樹混交林土壤GMD值較小，且兩者之間沒有顯著差異(P>0.05)。

粒徑>0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體含量與土壤MWD和GMD之間達到顯著正相關(guān)(P<0.05)(表3)。說明土壤中>0.25 mm的團聚體越多，MWD和GMD值越大。石灰?guī)r山地土壤>0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量是影響土壤團聚特性和穩(wěn)定性的主要因子。>0.5 mm粒徑土壤水穩(wěn)性團聚體含量與土壤GMD達到顯著正相關(guān)(P<0.05)，與土壤MWD之間相關(guān)性差異不顯著(P>0.05)。

2.3　不同植被恢復(fù)對土壤物理性質(zhì)的影響

石灰?guī)r山地不同植被恢復(fù)模式對土壤水分和孔隙狀況有明顯影響(表4)。人工側(cè)柏林、側(cè)柏+構(gòu)樹混交林土壤含水量和總孔隙度顯著低于金色狗尾草+牡荊草灌叢和酸棗+牡荊灌叢(P<0.05)。土壤容重則表現(xiàn)為側(cè)柏+構(gòu)樹混交林和人工側(cè)柏林明顯高于金色狗尾草+牡荊草灌叢和酸棗+牡荊灌叢(P<0.05)。說明不同植被恢復(fù)類型對土壤孔性和結(jié)構(gòu)的影響有所不同，金色狗尾草+牡荊草灌叢和酸棗+牡荊灌叢土壤表層較為疏松、通氣性好，地上部分持水量大，同時土壤也積累了一定的腐殖質(zhì)，有較高的涵養(yǎng)水源和保持水土功能。

2.4　土壤物理性質(zhì)對水穩(wěn)性團聚體含量的影響

相關(guān)分析表明，土壤容重與>0.25 mm和>0.5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體之間呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，>0.25 mm和>0.5 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體與土壤總孔隙度含量之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)(表3)。表明>0.25 mm和>0.5 mm土壤水穩(wěn)性團聚體對土壤孔隙度有重要影響。

表2　不同植被恢復(fù)下土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性Table 2　Stability of water stable aggregates in different vegetation restorations

R0.25指土壤中>0.25 mm粒徑的團聚體數(shù)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和土壤物理性質(zhì)與水穩(wěn)性團聚體含量的相關(guān)性Table 3　Correlation of MWD， GMD and soil physical properties with content of water-stable aggregates

* 表示顯著相關(guān)(P<0.05)。

* indicate correlation is significant at the 0.05 level.

表4　植被恢復(fù)對土壤物理特性的影響Table 4　Effect of vegetation restoration on the soil physical characteristics

3　討論與結(jié)論

團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，影響到土壤的孔隙性、通透性、持水性和抗蝕性，是決定土壤侵蝕、壓實、板結(jié)等物理過程的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。本研究中不同植被恢復(fù)模式下土壤水穩(wěn)性團聚體大小分布及其穩(wěn)定性有較大差異，金色狗尾草+牡荊草灌叢0.5～0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量高于其他植被恢復(fù)類型，且R0.25值遠高于喬木人工側(cè)伯和構(gòu)樹恢復(fù)模式。說明草灌植被組合更能有效促進土壤團聚體結(jié)構(gòu)形成，尤其是大團聚體的形成。究其原因，可能與地表植物根系、凋落物數(shù)量和類型有關(guān)。草灌植被定植后，地表根系導(dǎo)致土壤理化性狀發(fā)生改變，改善了土壤通透性，增加了入滲能力，降低了土壤抗沖性，引發(fā)土壤團聚體崩解，從大顆粒組向小顆粒組遷移。另外，土壤中根系和其分泌物能固結(jié)團聚土粒，形成穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)，進而影響到石灰?guī)r山地土壤團聚體的形成、組成、數(shù)量、分布和穩(wěn)定性。此外，不同植被恢復(fù)模式中植物類別有異，其凋落物數(shù)量、類型及其分解速率的不同導(dǎo)致土壤的有機質(zhì)含量有所差異，而土壤有機質(zhì)含量直接影響到土壤顆粒的凝聚和膠結(jié)，進而對其水穩(wěn)性團聚體數(shù)量大小、分布和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[17]。盡管本研究尚未對不同植被恢復(fù)措施下土壤有機質(zhì)進行測定，但所選擇供試植物的生活型、枯落物數(shù)量和質(zhì)量有較大差異，其分解產(chǎn)生的有機質(zhì)含量定有不同，作為土壤微生物及土壤動物的碳源，有機質(zhì)使土壤微生物和土壤動物數(shù)量增加，進而產(chǎn)生黏合劑引起土壤團聚體的黏合，增加團聚體數(shù)量和穩(wěn)定性[18]。

土壤水分、容重和孔隙狀況作為土壤的基本物理性質(zhì)和土壤肥力的指標(biāo)，其變異在表征土壤結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用，它不僅影響著土壤中供植物利用營養(yǎng)元素的有效性和供給能力，也決定了土壤中水、熱、氣和生物活性[19-20]。當(dāng)前研究表明石灰?guī)r山地不同植被恢復(fù)措施對土壤水分含量、孔隙狀況和容重的影響存有差異。以喬木為主的側(cè)柏林和側(cè)伯+構(gòu)樹混交林土壤含水量和總孔隙度顯著低于草灌叢，但側(cè)柏+構(gòu)樹混交林和側(cè)柏林的土壤容重則明顯高于草灌叢。這與不同植物冠層特征、郁閉度、植被空間結(jié)構(gòu)、調(diào)落物數(shù)量及其質(zhì)量、根系分布等有關(guān)系。不同植被冠層因生活型的不同而呈較大差異，對降雨截留作用也有不同[10,13]，喬木郁閉度較大，冠層垂直空間分異明顯，對降雨的攔截和分流作用導(dǎo)致到達地表的水分總量少，同時也呈現(xiàn)出較大的空間異質(zhì)性，而草灌叢植被樹干徑流的分流作用很小，對降雨截留作用弱，而且降雨的空間分配較為均勻。因而，導(dǎo)致喬木林土壤含水量顯著低于灌木和草本植物群落。不同植物群落組成和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地表凋落物的數(shù)量(厚度)和質(zhì)量(營養(yǎng)組成)有很大差異，凋落物數(shù)量和質(zhì)量的不同導(dǎo)致凋落物分解速率不同，進而影響土壤有機質(zhì)含量。有研究表明，土壤有機碳含量與土壤容重呈極顯著負相關(guān)關(guān)系[3]，而本研究草灌叢不僅凋落物數(shù)量遠高于喬木林，而且其草本凋落物更容易分解，因此草灌叢土壤容重較小。此外，不同植被恢復(fù)類型間根系生物量、死活根比例以及空間分布也會導(dǎo)致土壤孔隙和容重在不同植被恢復(fù)模式間出現(xiàn)差異。生長過程中植物根系對土壤的穿插分割，使得土體碎裂，形成縫隙，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狀況和通氣性能。本研究中，草灌植被地表根系分布密集、生物量高，這可能是導(dǎo)致其土壤容重較小和孔隙度較高的原因，類似研究在他人的研究中也有報道[12,17]。

本研究從石灰?guī)r山地不同植被恢復(fù)模式下土壤物理特性入手，尤其是對不同植被恢復(fù)對土壤水穩(wěn)性團聚體和及其影響因子影響進行對比分析，發(fā)現(xiàn)金色狗尾草+牡荊草灌叢0.5～0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量最高，而且具有較小的土壤容重和較高的孔隙度。說明石灰?guī)r山地草本灌叢植被恢復(fù)有利于促進中小粒徑(<1 mm)土壤水穩(wěn)性團聚體的形成，金色狗尾草+牡荊草灌叢和酸棗+牡荊灌叢對改善土壤表層疏松度、通氣性能均有較好的促進作用，同時也能增加土壤水分含量和孔隙度。本研究發(fā)現(xiàn)不同植物生活型、地上植物冠層特征、地表凋落物數(shù)量和質(zhì)量、根系空間分布狀況和生物量可能是影響石灰?guī)r山地不同植被模式下土壤團聚體形成、數(shù)量和分布以及土壤結(jié)構(gòu)分異的關(guān)鍵因子。本研究結(jié)果為石灰?guī)r山地生態(tài)恢復(fù)功效以及土壤質(zhì)量的科學(xué)評價提供參考依據(jù)。