颜衡祁, 杨 宁
(1.湖南省祁阳县大江林场,湖南祁阳426131;2.湖南环境生物职业技术学院园林学院,湖南衡阳421005)
衡阳紫色土丘陵坡地自然恢复过程中植被与土壤特性变化
颜衡祁1, 杨 宁2
(1.湖南省祁阳县大江林场,湖南祁阳426131;2.湖南环境生物职业技术学院园林学院,湖南衡阳421005)
采用“空间序列代替时间序列”的方法,对衡阳紫色土丘陵坡地植被自然恢复过程中植被与土壤特性的变化进行研究.结果表明:(1)随着植被恢复的进行,土壤种子库密度显著增加(P<0.05),土壤种子库的Patrick丰富度指数(R)和Shannon-Wiener多样性指数(H)显著提高(P<0.05),土壤种子库的Simpson多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(E)显著降低(P<0.05);(2)随着植被恢复的进行,植物的群落结构发生明显的改变,植被密度显著增加(P<0.05),植物的Patrick丰富度指数(R)、Simpson多样性指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)的大小顺序均为:恢复阶段(Ⅲ)>恢复阶段(Ⅳ)>恢复阶段(Ⅱ)>恢复阶段(Ⅰ)(P<0.05);(3)随着植被恢复的进行,0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm各土层的土壤含水量、土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷发生明显的变化(P<0.05),速效钾含量的变化不明显(P>0.05),其变化范围为259.55~368.32 mg·kg-1.研究表明:衡阳紫色土丘陵坡地植被自然恢复有利于改善植被与土壤特性.表4,参21.
自然恢复;土壤种子库;群落结构;土壤性质;衡阳
在退化生态系统的植被恢复和重建过程中,自然恢复已成为退化生态系统恢复的重要措施之一,已被世界广为采用[1-2].目前,国内外学者已对退化生态系统自然恢复过程中物种性与土壤种子库多样性的变化[3-4],土壤性质的变化[5-11],以及植被特征[12-14]等方面开展了大量的研究.但自然恢复对于退化生态系统植被和土壤性质的影响缺乏系统性研究,而开展退化生态系统的植被与土壤性质系统的研究将有助于更好地了解退化生态环境的自然恢复后的植被与土壤恢复的过程.
衡阳紫色土丘陵坡地面积1.625×105hm2,是湖南省生态环境最为恶劣的地区之一,也是中国南方极具代表性的生态灾害易发地区,为了遏制该区域生态环境的恶化,广大科研工作者开展了大量的工作,并已取得一系列的研究成果[15,16],该文以研究区域自然恢复不同阶段为研究对象,采用“空间序列代替时间序列”的方法[17-18],对比分析不同自然恢复阶段植被特征(包括地下土壤种子库特征和地上植被特征两个方面),土壤理化性质的变化以及土壤水分的变化动态,较系统地研究自然恢复对土壤性质与植被的影响,旨在探讨衡阳紫色土丘陵坡地自然恢复过程中植被与土壤的变化特征,以期为该区域退化生态系统的恢复与重建提供依据.
1.1 试验地概况
研究区位于湖南省省衡南县谭子山镇莲塘村、工联村、水井村和长龙村(地理坐标为:111°32'19″-111°35'30″E,27°17'35″-27°26'24″N),是典型的紫色土丘陵地区,土层浅薄(一般≤10 cm),部分基岩裸露,植被盖度≤15%,植物种类稀少,木本植物主要有牡荆(Vitex negundo var.cannabifolia)、糯米条(Abelia chinensis)、六月雪(Serissa japonica)、紫薇(Lagerstroemia indica)、马桑(Coriaria nepalensis)、白桦(Betula platyphylla)和刚毛忍冬(Lonicera hispida)等,草本植物主要有禾本科的狗尾草(Setaria viridis)、狗芽根(Cynodon dactylon)、过路黄(Lysimachia christinae)和菊科的野菊花(Dedranthema indicum)、田边菊(Kalimeris indica)、绣线菊(Spiraea fritschiana)和土庄绣线菊(Spiraea pubescens)等.该地区气候属于亚热带季风湿润气候,20 a来的年平均气温为18.1℃(20 a中的极端最高温度为40.2℃,极端最低气温为-9.8℃),雨季集中(5~7月份的降雨约占全年的60%以上),伏秋干旱严重,20 a来的年均降水量1 269.0 mm,蒸发量大于降水量,为1 397.6 mm,平均相对湿度80%(最大相对湿度为92%,最小60%),全年无霜期287 d.
1.2 样地设置与取样
结合当地记载资料,选择坡度、坡向、坡位、海拔和裸岩率等生态因子大致相同的相互毗邻的坡中下部沿等高线的有代表性的、按照自然恢复阶段从低至高分别为(表1):Ⅰ.狗尾草群落阶段(0~2 a),Ⅱ.狗尾草+野菊花群落阶段(4~6 a),Ⅲ.牡荆+紫薇-狗尾草阶段(18~24 a),Ⅳ.枫香(Liquidamdar formosana)+白桦-牡荆+马桑-过路黄阶段(≈50 a),代表不同的自然恢复阶段.土壤种子库的取样于2011年3月5~8日进行,分别在每个样地中平行设置100 m2(10 m×10 m)5个样地,样地间隔15 m,然后用自制的土壤种子库采样器(10 cm ×10 cm×10 cm)在样地的四角和中心5点取样,然后混合成一样品,带回实验室阴干、过10 mm筛,用TTC法测种子活力[19],并计测其相应的指标(包括种子密度(粒/m2)和多样性指数),并于2011年8~9月份地上生物量最大时调查样地的植被状况(包括植物的种类、多度、胸径、基径和盖度等),并计测植被密度(株/m2),盖度(%)与多样性等指数.
为了排除植被根系与石块对取样的影响,在每个样方内根据样点的生境情况采用多点取样法(至少10点),且在每点取0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm 3层土样,然后将相同样点和相同土层的土样进行充分混合,装入塑料袋,贴上标签,带回实验室.
表1 样地基本情况Tab.1 Characteristic of sample plots
1.3 土壤理化指标的测定
将用塑料袋带带回的土样分开充分风干后供测土壤的理化指标.其中:土壤含水量(Soil water content,SWC)(w/%):铝盒烘干法(105℃,12 h);土壤有机质(Soil organic matter,SOM)(w/g· kg-1):K2Cr2O7-浓硫酸外加热法;全氮(Total nitrogen,TN)(w/g·kg-1):半微量凯氏法;碱解氮(Alkali-hydrolyzed nitrogen,AN)(w/mg·kg-1):扩散吸收法;速效磷(Available phosphorus,AP)(w/mg· kg-1):NaHCO3提取-钼锑抗显色-紫外分光光度法;速效钾(Available potassium,AK)(w/mg· kg-1):NH4Ac浸提-原子吸收法[20].
1.4 数据处理
采用Patrick丰富度指数(R)、Simpson多样性指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)进行土壤种子库和物种多样性的计测,其计测方法参照文献[3,4,21].
采用SPSS13.0软件进行数据处理与统计分析.采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据间的差异,表中的所有数据均为3次重复平均值.
2.1 不同恢复阶段土壤种子库特征
研究表明(表2),随着植被恢复的进行,土壤种子库密度显著增加(P<0.05),与恢复阶段(Ⅰ)相比,恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ)的土壤种子库密度提高 225.51%、411.59%和441.74%;土壤种子库的Patrick丰富度指数(R)和Shannon-Wiener多样性指数(H)显著提高(P<0.05),恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ)的土壤种子库Patrick丰富度指数(R)和Shannon-Wiener多样性指数(H)分别为恢复阶段(Ⅰ)的1.38倍、1.50倍、1.88倍和1.11倍、1.51倍、1.71倍;土壤种子库的Simpson多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(E)显著降低(P<0.05),与恢复阶段(Ⅰ)相比,恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ)的Simpson多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(E)的土壤种子库分别降低8.29%、33.66%、48.78%和9.20%、34.48%、54.02%.
表2 不同恢复阶段的土壤种子库特征Tab.2 The properties of soil seed bank in differentre-vegetation stages
2.2 不同恢复阶段植物群落特征
研究表明(表3),随着植被恢复的进行,植物的群落结构发生明显的改变,植被密度显著增加(P<0.05),与恢复阶段(Ⅰ)相比,恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ)的植被密度分别增加276.23%、436.86%和501.83%;Patrick丰富度指数(R)、Simpson多样性指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)的大小顺序均为:恢复阶段(Ⅲ)(R,D,H,E)(23,0.88,2.44, 0.70)>恢复阶段(Ⅳ)(R,D,H,E)(19,0.76, 2.06,0.66)>恢复阶段(Ⅱ)(R,D,H,E)(14, 0.74,1.65,0.63)>恢复阶段(Ⅰ)(R,D,H,E) (11,0.69,1.40,0.60)(P<0.05).
表3 不同恢复阶段植被群落特征Tab.3 The properties of vegetation population indifferent re-vegetation stages
2.3 不同恢复阶段土壤理化性质
研究表明(表4),相同土层,恢复阶段(Ⅰ)的土壤含水量显著低于恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ)的土壤含水量(P<0.05);恢复阶段(Ⅰ),随着土层深度的增加,土壤含水量显著增加(P<0.05),恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ),随着土层深度的增加,土壤含水量显著减小(P<0.05).
表4 不同恢复阶段土壤理化特征Tab.4 The soil physio-chemical properties in different re-vegetation stages
土壤有机质、全氮和碱解氮呈现相同的变化规律,相同土层,随着恢复的进行而显著增加(P<0.05),恢复阶段(Ⅰ),随着土层深度的增加,他们的含量显著提高(P<0.05),恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ),随着土层深度的增加,其含量显著减小(P<0.05).
0~10 cm和20~30 cm土层,随着恢复的进行,土壤速效磷显著增加(P<0.05),10~20 cm土层,各恢复阶段差异明显(P>0.05);在恢复阶段(Ⅰ)、恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ),20~30 cm土层的速效磷含量显著低于0~10 cm和10~20 cm土层的速效磷含量(P<0.05).
随着恢复的进行和土层深度的增加,速效钾含量的变化不明显,其变化范围为259.55~368.32 mg/kg.
3.1 讨论
1)随着植被恢复的进行,土壤种子库密度显著增加,土壤种子库的Patrick丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)显著增加,但Simpson多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(E)显著减小(表2),造成这种现象的原因与土壤种子库中单一优势种占较大比例,物种间的个体分布不均有关;在植物群落特征中,恢复阶段(Ⅲ)的Patrick丰富度指数(R)、Simpson多样性指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)最大(表3),主要是因为自然恢复抑制了较强优势物种的生长,物种个体分布不均所致,符合“中等干扰假说”[12];
2)植被的恢复、盖度的增加,减少了风蚀与水蚀,使土壤中的有机质和N素得以增加,同时,由于凋落物的分解,P素也得以相应的增加;植物的生长需要大量的C、N、P,恢复阶段(Ⅰ),草本植物的根系较浅,分布于表层,所以表层的C、N和P低于土壤下层,恢复阶段(Ⅱ)、恢复阶段(Ⅲ)和恢复阶段(Ⅳ),灌木和乔木的根系较深,消耗了下层土壤的C、N和P,所以下层土壤的C、N和P低于表层,且随着植被恢复的向前推进,减少幅度越大;由于衡阳紫色土含有丰富的正长石等矿物,其风化后保留了相当数量的K,所以速效钾处于259.55~368.32 mg/kg之间,差异变化不大[5].
3.2 结论
采用“空间序列代替时间序列”的方法,对衡阳紫色土丘陵坡地植被自然恢复过程中植被与土壤特性的变化进行研究,得出以下结论:
1)随着植被恢复的进行,土壤种子库密度显著增加(P<0.05),土壤种子库的Patrick丰富度指数(R)和Shannon-Wiener多样性指数(H)显著提高(P<0.05),土壤种子库的Simpson多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(E)显著降低(P<0.05).
2)随着植被恢复的进行,植物的群落结构发生明显的改变,植被密度显著增加(P<0.05),植物的Patrick丰富度指数(R)、Simpson多样性指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)的大小顺序均为:恢复阶段(Ⅲ)>恢复阶段(Ⅳ)>恢复阶段(Ⅱ)>恢复阶段(Ⅰ)(P<0.05).
3)随着植被恢复的进行,0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm各土层的土壤含水量、土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷发生明显的变化(P<0.05),速效钾含量的变化不明显,其变化范围为259.55~368.32 mg/kg.
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Variations of vegetation and soil properties in the process of natural re-vegetation on sloping-land w ith purp le soils in Hengyang
YAN Heng-qi1, YANG Ning2
(1.Qiyang County Dajiang Forest Farm,Qiyang 426131,China;2.College of Landscape Architecture,Hunan Polytechnic of Environment-Biology,Hengyang 421005,China)
Variations of vegetation and soil properties in the process of natural re-vegetation on sloping-land with purple soils in Hengyang were studied with the method of space for time.The results showed that:(1)In the process of natural re-vegetation,the density of soil seed bank significantly increased(P<0.05),R(Patrick richness index)and H(Shannon-Wiener index)of soil seed bank significantly increased(P<0.05),D(Simpson index)and E(Pielou evenness index)of soil seed bank significantly decreased(P<0.05);(2)There was obvious changes of re-vegetation structure,plant density significantly increased in the process of natural re-vegetation(P<0.05),and R,D,H,E were followed the order as re-vegetation stage(Ⅲ>re-vegetation stage(Ⅳ)>re-vegetation stage(Ⅱ)>re-vegetation stage(Ⅰ)(P<0.05);(3)There were obvious changes of the content of SWC(Soil water content), SOM(Soil organic matter),TN(Total nitrogen),AN(Alkali-hydrolyzed nitrogen)and AP(Available phosphorus)in 0~10 cm,10~20 cm and 20~30 cm soil layers in the process of re-vegetation(P<0.05),but the content of AK(Available potassium)was not obvious(P>0.05),varying in the range of 259.55~368.32 mg.kg-1.All the results indicated the natural re-vegetation could improve vegetation and soil properties on sloping-land with purple soils.4tabs.,21refs.
Natural re-vegetation;Soil seed bank;Community structure;Soil properties;Hengyang,Hunan Province
Q948
A
2095-7300(2015)03-012-06
2015-03-29
国家“十五”农业科技重大专项(编号:2001BA507A)
颜衡祁(1974-),男,湖南祁阳人,工程师,研究方向:园林园艺.
Biography:YAN Heng-qi,male,born in 1974,engineer,engaged in the research and popularization of the gardening plants and gardening technology.