植被恢复模式对紫色土团聚体分布及稳定性的影响

黄雍容，黄石德，3，叶功富，黄龙为，陈 杰，欧阳亚群

(1.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012； 2.木麻黄工程技术研究中心，福建 福州 350012；3.南京林业大学，江苏 南京 210037； 4.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

植被恢复模式对紫色土团聚体分布及稳定性的影响

黄雍容1，2，黄石德1，2，3，叶功富1，2，黄龙为4，陈 杰1，2，欧阳亚群1，2

(1.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012； 2.木麻黄工程技术研究中心，福建 福州 350012；3.南京林业大学，江苏 南京 210037； 4.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

以宁化县紫色土侵蚀区3种植被恢复模式(林果草模式、油茶模式、乔灌草模式)为研究对象，以未治理的裸露荒地(CK2)、无明显水土流失的林分(CK1)作为恢复前后的参照，研究土壤团聚体和理化性质的变化，分析3种植被恢复模式的优劣。结果表明：与CK2相比，3种植被恢复模式>0.25 mm水稳性团聚体含量均显著提高，促进土壤从微小团聚体向大团聚体转变，土壤容重降低，孔隙度增加，土壤有机碳含量提高，以乔灌草和林果草模式为最优，但这2种模式差异不明显；植被恢复后的紫色土团聚体破坏率(PAD)和分形维数(D)值均有降低，团聚体平均重量直径(MWD)值明显增加，以乔灌草模式的变化幅度最大，表明该模式改善土壤结构的效果优于其它模式，其土壤结构较为稳定。相关分析表明，水稳性团聚体稳定性与土壤粒径、容重及孔隙度有显著相关性。

植被恢复模式；紫色土；团聚体；稳定性

土壤团聚体是指由土粒以及有机物质胶结而形成的直径在10～0.25 mm区间的结构单位，是土壤保水保肥的基础。土壤团聚体的大小、形状和稳定性与土壤的水、气息息相关，土壤孔隙的分布也因其大小、形状和稳定性而不同，并进一步影响土壤的理化性质，进而间接影响作物生长。众多研究结果显示，不同植被恢复模式对土壤理化性质、水稳性团聚体的改良有一定的成效，可有效减缓和防止水土流失[1-7]，但有关植被恢复过程中土壤团聚体的形成机制、新有机碳的形成与团聚体的关系以及新碳形成的生态学意义等方面的研究少见报道。

宁化县是福建省典型的紫色土水土流失区，该紫色土侵蚀区退化严重，山体裸露，几乎无植被被覆盖。水土流失导致土壤肥力急剧下降，生态环境受到严重破坏，影响当地人民的日常生活[8]。20世纪80年代，政府引入马尾松(PinusmassonianaLamb.)作为先锋树种改善水土流失情况，取得了一定的成效。但由于紫色土自身肥力差、结构不稳定，导致马尾松多成为老头林，生态恢复功能没有达到预期效果[9]。目前福建有关紫色土的研究主要集中于植被恢复的碳库及碳吸存能力[10]、群落恢复特征、不同治理措施土壤特性[8]、土壤侵蚀的动态变化[11]以及不同治理模式综合效应评价[9]，而针对经果林型或林果草型等兼顾生态和经济效益的恢复模式的恢复效果研究未见报道。本文吸取前人治理经验，根据宁化县实际情况，选取林果草、油茶、乔灌草3种植被恢复模式作为研究对象，以未治理的裸露荒地(CK2)和周边无明显水土流失的林分(主要为马尾松林)(CK1)为恢复前后的参照，比较分析不同植被恢复模式下土壤团聚体含量、分布以及稳定性的变化，评价3种植被恢复模式的优劣，为植被对紫色土质量的改良作用提供基础数据，为筛选紫色土侵蚀区生态及经济效益兼顾的植被恢复模式提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验点位于福建省宁化县石壁镇的水保科教园(26°14′12″N、116°27′37″E)，属中亚热带季风气候，年均气温18.1 ℃，最热月(7月)极端最高气温38.3 ℃，最冷月(1月)极端最低气温-11 ℃。试验点所在区域为丘陵地貌，海拔355～465 m之间。土壤以紫色土为主，水土流失严重，土层浅薄，甚至基岩裸露，呈酸性，pH值在4.5～5.2之间。试验区主要植被有：马尾松、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、木荷(SchimasuperbaGardn.et Champ.)、板栗(Castaneamollissima)、杨梅(Myricarubra(Lour.) S.et Zucc.)、香樟(Cinnamomumcamphora(L.) Presl.)、大叶女贞(Ligustrumcompactum(Wall.ex G.Don) Hook.f.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、宽叶雀稗(PaspalumwettsteiniiHackel.)、百喜草(Paspalumnatatu)、芒萁(Dicranopterisdichotoma(Thunb.)Bernh)等(表1)。

表1 不同植被恢复模式样地的基本概况

1.2 试验设计

于2012年3月，采用林果草模式(林果草+水平沟，C1)、油茶模式(油茶+等高草带，C2)、乔灌草模式(乔灌草+竹节沟，C3)3种措施对紫色土侵蚀区进行生态恢复，以提高该紫色土侵蚀区的生态经济效益。具体措施为C1：每隔6 m沿等高线开挖水平沟，同时在沟间配套鱼鳞坑，在鱼鳞坑内种植锥栗(Castaneahenryi)、杨梅等果树以及木荷等乔木，株行距为2 m×3 m，在水平沟的沟内、沟壁点播宽叶雀稗和百喜草，恢复面积5.2 hm2；C2：沿坡面每隔5～6 m开挖1条1.2 m的等高草带，草带间采取水平带整地，在水平带上种植油茶，株行距为2 m×2.2 m，等高草带上种植百喜草，恢复面积14.9 hm2；C3：每隔3 m沿等高线开挖水平竹节沟，同时在沟间配套鱼鳞坑，在竹节沟内种植胡枝子等灌木以及点播宽叶雀稗，在鱼鳞坑内种植香樟、桂花(Osmanthusfragrans)等乔木，株行距3 m×3 m，恢复面积5.9 hm2；CK1：选择周边无明显水土流失的林分(主要为马尾松林)作为恢复后的参照，面积达6 hm2；CK2：以未治理的裸露荒地作为对照，面积达2 hm2。

1.3 样品的采集与测定分析

于2014年10月，每种模式分别设置3个20 m×20 m标准样地，每个标准地间隔20 m以内，共设置15个标准样地。在每个标准样地内分别随机选取3个采样点挖取土壤剖面，采集0～20 cm、20～40 cm土层原状土壤，用环刀法测定土壤水分物理性质。

将带回实验室的土壤样品剔除石砾、动物残体和植物根系等残渣，风干过程中，沿自然结构掰成1 cm的团粒。风干后的土样依次通过孔径为5、2、1、0.5、0.25 mm的套筛，分别称重，计算出各径级干筛团聚体所占比例，并按干筛的比例配成50 g土样。将配好的土样放在套筛上，在水中浸泡5 min后，用振荡式机械筛分仪(振荡频率为30次·min-1)筛5 min，分离出>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、<0.25 mm的水稳性团聚体，在50 ℃下烘至恒重。将全土和不同径级土壤团聚体研磨，过100目筛，用EA 3000元素分析仪测定有机碳含量。计算>0.25 mm水稳性团聚体(WSA)含量，>0.25 mm 团聚体的破坏率(PAD)以及水稳性团聚体平均重量直径(MWD)[12]。分形维数(D)的计算采用刘爱霞等[13]方法进行计算。

(1)

(2)

式中：ri为第i个筛子孔径(mm)；n为径级的数量；mi为第i个筛子的水稳性团聚体的重量百分比[14]。

1.4 统计分析

采用Excel 2007软件对数据进行统计，采用IBM SPSS Statistics 19.0软件对不同恢复模式各土层的有机碳含量及稳定性指标进行方差分析(One-way ANOVA)，并用Pearson相关系数评价团聚体指标与土壤稳定性的相关关系。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复模式土壤团聚体的分布

>0.25 mm水稳性团聚体含量是表征土壤结构特征的重要指标，其含量越高，土壤结构越稳定。由表2可知，3种植被恢复模式不同土层深度>0.25 mm水稳性团聚体含量存在差异，C3模式与CK1相似，0～20 cm土层>20～40 cm土层，C1模式、C2模式与CK2相似；同一土壤深度的不同植被恢复模式>0.25 mm水稳性团聚体含量也存在差异，0～20 cm土层表现为：C3>CK1>C1>C2>CK2；20～40 cm土层表现为：C1>C3>C2>CK1>CK2。表明植被恢复能够明显提高紫色土中大团聚体(>0.25 mm)的含量，其中C3模式提高表层土壤大团聚体含量的效果最为明显。

CK2不同土层深度土壤干筛>0.25 mm粒径团聚体占供试土壤重量的90%以上，湿筛后各级水稳性团聚体数量减少，>0.25 mm水稳性团聚体含量降至50%～60%。植被恢复后，C1、C2、C3模式>0.25 mm水稳性团聚体含量0～20 cm土层分别是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土层分别是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 不同植被恢复模式土壤孔隙度和有机碳含量特征

土壤容重大小反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，容重越小，土壤的通气透水性越好[15]。由表3可知，CK2的容重最大，CK1的容重最小。植被恢复能够显著降低土壤容重，其大小顺序为C1

表2 不同粒径团聚体的分布

*：分子为干筛，分母为湿筛；不同小写字母为不同植被恢复类型0～20 cm土层差异显著；不同大写字母为不同恢复类型20～40 cm土层差异显著(P<0.05)。下同。

表3 不同恢复模式紫色土壤物理性质

植被恢复显著增加土壤有机碳含量，对不同土层各粒径土壤有机碳含量有显著的影响(表4)。CK2<0.25 cm粒径团聚体有机碳含量与全土含量接近，其它粒径团聚体有机碳的含量均略高于全土含量。CK1全土及各粒径团聚体有机碳含量均显著高于CK2。植被恢复后，土壤有机碳含量均显著增加，不同恢复模式下土壤有机碳含量有较大差异。全土有机碳含量，以CK1最高，随着粒径的增大，团聚体中有机碳含量增加。0～20 cm土层，C1模式全土及各粒径团聚体的有机碳含量显著高于C2模式，C3模式与其接近；20～40 cm土层，C3模式各粒径水稳性团聚体有机碳含量均显著高于C1、C2模式，全土含量与C1模式相接近。

表4 不同粒径水稳性团聚体有机碳含量

2.3 不同植被恢复模式对土壤水稳性团聚体稳定性的影响

采用3个指标即团聚体破坏率(PAD)、平均重量直径(MWD)、水稳性团聚体分形维数(D)指示团聚体稳定性(表5)。CK2中0～20 cm、20～40 cm土层的PAD和D值均最大，分别达到36%～40%和2.8，MWD值最小，约为2.0 cm；CK1中0～20 cm、20～40 cm土层的PAD和D值较小，分别是16%～19%和2.6，MWD值较大，约为2.4 cm。植被恢复后，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下降幅度较大，降至2.5～2.6。结果表明，C3模式降低团聚体破坏率和分形维数的结果均显著优于CK1，其改善土壤结构的效果优于其它模式，其土壤结构稳定。

表5 不同植被恢复模式下紫色土结构稳定性

2.4 紫色土水稳性团聚体结构特征与其稳定性的相关分析

由表6可知，紫色土PAD与MWD和总孔隙度分别有极显著和显著负相关性，与D和<0.25 mm粒径的团聚体呈极显著正相关；而MWD与>5 mm粒径团聚体呈极显著正相关，与D和<0.25 mm粒径的团聚体分别呈显著和极显著负相关。表明越小粒径水稳性团聚体增加会提高紫色土破坏率，降低其团聚度和稳定性；而大粒径水稳性团聚体的增加能够提高紫色土团聚度，进而提高其稳定性。

D与1～2 mm粒径水稳性团聚体和总孔隙度呈极显著负相关，与<0.25 mm粒径的团聚体和容重呈极显著和显著正相关。表明大粒径水稳性团聚体数量增加，土壤空隙越大，D越小，土壤结构越稳定；小粒径水稳性团聚数量减少，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强，土壤结构越稳定。

表6 土壤水稳性团聚体各参数间的相关性

3 讨论

大量研究表明，>0.25 mm水稳性团聚体是评价土壤生态效应的重要指标，其含量越高，土壤的生态功能越好[16-17]，而土地利用方式不同对土壤水稳性团聚体含量有较大影响[18]。林培松等[19]对紫色土的研究结果表明，受人为扰动的农耕地的土壤团聚体水稳性比园地、林地差，特别表现于>0.25 mm团聚体含量的减少。本研究发现，植被恢复能够提高紫色土>0.25 mm水稳性团聚体含量，但不同植被恢复模式对土壤的改良效果不同。C3模式改善表土层大团聚体的含量效果明显优于其它模式，C1和C2模式的乔木层主要是经济树种，其在经营过程中人为扰动较频繁，C2模式树种较为单一，林下植被少，这一研究结果与前人的研究结果一致。土壤水稳性大团聚体形成主要靠有机质的胶结作用[20]。骆东奇等[21]研究表明利用方式不同、土壤管理差异等因素会影响紫色土有机质的积累和保持，进而影响团聚体的质量，人为干扰最大的耕地土壤团聚体水稳性最差、结构破坏率最高。吴承祯等[22]研究认为混交林经营模式土壤的水稳性大团聚体含量较大，土壤具有良好的结构与稳定性。本研究中，C1和C3模式均能明显改善紫色土的土壤容重及孔隙状况，显著增加土壤有机碳含量，结果与其相似。究其原因，一方面混交林经营模式，冠层郁闭度不至于过高，保障了林下植被的生长和生存空间，林下地表枯落物和植物根系增多，增加了土壤中有机碳来源；另一方面，C1和C3模式，地表覆盖物能减少降雨和地表径流对大团聚体的冲刷和破坏，且这2种经营模式能有效的减少人为扰动。

PAD表征团聚体对水的稳定性，团聚体破坏率越小，土壤结构越稳定；MWD是反映土壤团粒结构大小分布状况的指标，其值越大表明团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强；分形维数D是反映土壤团聚体结构几何形状的参数，分形维数越小，土壤结构越稳定[23-25]。本研究发现，与裸露荒地比较，3种植被恢复模式的土壤PAD和D值均有下降，MWD值大幅上升，其中以C3模式的变化幅度最大，表明C3模式改善土壤结构的效果优于其它模式，其土壤结构较为稳定。这是因为植被恢复后，土壤中大团聚体含量增加，小团聚体含量减少，土壤中植物根系增多，孔隙度增大，容重减小，有机碳含量增加，土壤的理化性质得到改良。相关分析结果也表明，水稳性团聚体稳定性指标与团聚体粒径、容重和孔隙度等有显著的相关性。C3模式改良土壤结构效果较优的原因，可能与植物配置有关，谢锦升等[26]认为土壤团聚体稳定性与植被类型有关，有机碳源不同影响有机介质持久性，从而影响团聚体的水稳性。王轶浩等[18]对三峡库区的紫色土植被恢复的土壤团聚体的研究结果表明，植被恢复过程中根据植被冠层郁闭度及乔-灌-草结构特征进行适当的抚育经营措施，可以促进土壤结构的改善和充分发挥土壤的生态服务功能，与本研究结果相似。本研究中C1和C3模式改良紫色土土壤结构，其中C1模式还能满足当地民众的经济需求[9]，土壤性质的变化是一个长期且复杂的过程，紫色土又是非常脆弱且不稳定的，土壤作为一种非再生资源，受植被生长和群落的演替影响很大，建议建立长期的监测机制，在原有林果草模式的基础上，深入研究，探索一个平衡经济效应和生态效益的紫色土植被恢复模式。

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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，Fuzhou350012，Fujian，China；2.CasuarinaResearchCenterofEngineeringandTechnology，Fuzhou350012，Fujian，China；3.NanjingForestryUniversity，Nanjing210037，Jiangsu，China；4.CollegeofForestry，FujianAgricultureandForestryUniversity，Fuzhou350002，Fujian，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

国家科技支撑计划课题(2014BAD15B01)；国家林业局行业科研专项(201304303)；福建省科技重大专项(2012NZ0002-1-5-2)；福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室资助项目

黄雍容(1983—)，女，福建南安人，福建省林业科学研究院工程师，硕士，从事植物生理及森林碳汇研究。E-mail：yongrong1224@126.com。

黄石德(1982—)，男，福建省林业科学研究院高级工程师，博士研究生，从事生态恢复研究。E-mail：hsd9876@126.com。

S152.4；S157.1

A

1002-7351(2016)04-0001-07