中亚热带植被恢复过程中崩岗土壤性质分异特征

区晓琳,陈志彪,*,陈志强,姜 超,梁美霞,陈海滨

1 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福州 3500072 福建师范大学地理科学学院,福州 350007

“崩岗(Collapse mound or Benggang)”,用于描述一类“红壤丘陵坡地侵蚀沟沟头由于水力和重力的复合作用发生坍塌、陷蚀形成的深围椅状崩口地貌”[1],是沟谷发育的高级阶段,为区域生态系统退化的最高形式[2-3],沿径流方向可分为集水坡面、崩壁、崩积体、沟道和冲积扇等子系统[4]。崩岗集中分布于我国长江流域、珠江流域以及东南沿海诸河流域花岗岩红壤丘陵山区,崩塌面积≥60 m2达23.9万处,侵蚀面积约1200 km2,年侵蚀总量6000万t以上,平均侵蚀模数高达5.9万t km-2a[5]；崩岗侵蚀具有发展迅速、突发性强,侵蚀模数大、危害严重的特点。其危害仅次于泥石流和滑坡,因侵蚀产生大量泥沙掩埋农田,淤积河道,使土地资源受损,甚至对区内防洪安全、粮食安全及人民生命财产安全构成潜在威胁,崩岗侵蚀是导致区域生态环境恶化的重要因素。

因此,探讨崩岗侵蚀发生机理与治理措施已成为研究崩岗的核心问题。刘希林等[6-7]运用三维激光扫描技术对广东省五华县莲塘岗崩岗降雨侵蚀水文过程展开监测,发现崩岗侵蚀主要发生在崩壁、崩积体及两者侧向的区域,且在24 h内≥100 mm暴雨对崩岗侵蚀量的贡献最为显著。邓羽松等[8-9]对湖北省通城县杨垄和五里崩岗剖面土壤水分特征调查得出,不同空间层次土壤容重、含水量、水吸力、颗粒组成及孔隙分布分异明显。蒋芳市等[10]通过人工降雨模拟探讨不同坡度和雨强下福建省安溪县洋坑崩岗崩积体泥沙颗粒输移规律；林金石等[11]分别采用直接剪切和三轴剪切试验对崩岗红土层土壤抗剪强度与含水率的关系进行分析。上述研究侧重于崩岗崩壁以及风化壳不同层次岩土含水状况、颗粒组成和物理机械性能等物理特性差异和崩积体与崩岗降雨-侵蚀过程观测与模拟等方面。由于崩岗系统各部位侵蚀特征不同,集水坡面、崩壁、崩积体及沟道等崩岗系统内土壤性质存在差异,但对其主要理化指标空间分布的分析相对薄弱,且植被侵入与生长过程对崩岗系统土壤性质的影响特征亦有待进一步深入探讨。

植被恢复是退化生态系统修复的核心,植被恢复中土壤特性是评价退化生态系统状况的重要指标,是定量反映植被恢复与土壤环境的响应规律[12-16]。植被恢复显著提高表层土壤养分含量,尤其是有机碳储量明显增加,从而影响植物生长生理过程[15,17-18]。福建省长汀县境内丘陵分布广泛,土壤抗蚀性极差,且因过度的农林资源利用以及当地居民生活生产的严重干扰,植被破坏引起严重的水土流失,植被自然恢复较为困难,因而,该地区成为我国中亚热带花岗岩红壤生态系统脆弱区的典型代表[19]。长期以来,对于植被恢复过程中崩岗土壤理化性质空间分异规律的认识比较模糊。为此,本文以福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群内3处不同植被盖度的崩岗为研究对象,分析崩岗系统不同侵蚀部位土壤理化指标的分异特征,揭示崩岗侵蚀部位土壤性质与植被恢复的响应规律,以期深化对崩岗侵蚀区土壤生态效应与物质循环机制的理解,并为指导崩岗治理实践与恢复成效评价提供理论依据。

1 研究区概况

长汀县位于福建省西南部,属中亚热带季风气候,年均气温18.5℃,年均降雨量1710 mm,年均相对湿度80%,年均蒸发量1403 mm,年均无霜期260 d,≥10℃积温4100—4650℃；历史上该区域植被的严重破坏,山体坡面在强降雨条件下,集水坡面汇集的径流对表土冲蚀下切至砂土层,形成切沟。由于砂土层土体松散,抗蚀性差,加之跌水作用形成悬空临界面(崩壁),坍塌的土体在崩壁底部形成崩积体,崩积体在降雨径流冲刷下土体再侵蚀随径流通过沟道迁移到下游。全县崩岗总计3583条,占福建省崩岗总数的13.77%,侵蚀面积7.28 km2,占全省崩岗侵蚀总面积的11.36%。黄泥坑崩岗群(25°31′49″ N,116°16′52″ E)位于濯田镇西南部,205省道边的牛坑头村段西侧约1 km处,分布崩岗共34条,侵蚀面积约37500 m2。该处崩岗群区域内,大多数崩岗表土近乎裸露,由于植被的缺乏,侵蚀严重,土壤理化性质总体下降到极低水平。

2 试验设计

2.1 样地确定与采集

根据典型性和代表性的原则,课题组于2014年7月份在黄泥坑崩岗群同一集水区域内选取了3条崩岗(崩壁侵蚀皆接近山体分水岭,均属于崩岗发育的后期),但由于坡面的3条侵蚀沟汇水特征的变化。其中崩岗Ⅰ的崩壁继续受跌水影响,处于活跃状态,崩岗内白色粗粒石英颗粒随处可见,形成高约1 cm的微土柱,有2 mm物理结皮覆盖,崩积堆有新土堆积,在崩壁下部和崩积体生长着零星芒萁(Dicranopterisdichotoma)散布,长势极差,植被覆盖度仅2%(裸露崩岗)；崩岗Ⅱ的崩壁处于间歇性跌水(因降水强度大小而异),处于半稳定状态,崩岗内赤褐色表土裸露,质地疏松,约5 mm物理结皮覆盖,有部分植物侵入,主要植被有马尾松幼树(Pinusmassoniana)、岗松(Baeckeafrutescens)、乌毛蕨(Blechnumorientale)和芒萁,主要稀疏散布在崩壁下部以及崩积体部位,植被枝干矮小,植被覆盖度约20%(低覆盖崩岗)；崩岗Ⅲ由于崩壁跌水消失,处于稳定状态植物侵入后,除了崩壁有部分土体出露,其余部位均有植被覆盖,地表凋落物的厚度5 cm以上；灌木植被以毛冬青(Ilexpubescens)、轮叶蒲桃(Syzygiumgrijsii)及岗松为主,草本有五节芒(Miscanthusfloridulus)、黑莎草(Gahniatristis)和芒萁等,植被覆盖度达95%(高覆盖崩岗)。崩岗Ⅱ位于Ⅰ西侧约5 m处,崩岗Ⅲ位于Ⅱ西南方向约10 m处。崩岗具体信息见表1。

表1 试验崩岗基本情况

图1 崩岗侵蚀采样分布图Fig.1 Sites for soil sampling in collapse mounds UC:集水坡面,Upper catchment；WT:崩壁顶部,Top collapsing wall；WM:崩壁中部,Middle collapsing wall；WB:崩壁底部,Bottle collapsing wall； DU:崩积体上部,Upper colluvial deposit；DL:崩积体下部,Lower colluvial deposit；CO:沟道出口 Channel outlet

根据崩岗侵蚀土体的迁移过程和崩岗各部位的长度或高差的实际情况,按径流方向从上到下将崩岗划分为7个部位,分别为集水坡面(UC)、崩壁顶部(WT)、崩壁中部(WM)、崩壁底部(WB)、崩积体上部(DU)、崩积体下部(DL)和沟道出口(CO)。在以上7个部位的中轴线位置布设7个样点(相邻样点间距4—7 m),采集其0—20 cm表层土壤。用环刀-铝盒采集各样点原状土1份；同时,每一样点中在2 m×2 m的小型样方内按“梅花形”5点采样混合均匀成1个混合样(重量约1 kg),装入聚乙烯自封袋内,并编号贴上标签；另外,于各样点等高位置距中轴线两侧1.5—2 m处设置2个重复,土样共63份。采样点分布图见图1。

2.2 样品处理与测定

因铵态氮和硝态氮含量测定需要鲜土,土样迅速带回实验室,取适量鲜土样,用2 mol/L的KCl浸提,过滤,采用连续流动分析仪(Skalar san++,荷兰)测定；土壤容重采用标准环刀称重法。其余土样待自然风干后,挑除枝叶等杂物后,四分法混合均匀后研磨过筛,用于各土壤指标测定,包括：颗粒组成、pH、有机碳、全氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾。土壤颗粒组成采用粒径分析系统(SEDIMAT4-12,德国)测定；pH按照水土比为2.5∶1,采用便携式酸度计(STARTER 300,中国)测定；有机碳和全氮采用碳氮元素分析仪(Elemantar vario MAX,德国)测定；全磷用硫酸-高氯酸消煮定容及过滤,提取待测液后,采用连续流动分析仪(Skalar san++,荷兰)测定；全钾用氢氟酸-高氯酸消煮定容及过滤,提取待测液,采用火焰分光光度仪测定(FP 6140,中国)；速效磷用Mehlich3法浸提后,采用连续流动分析仪((Skalar san++,荷兰)测定；速效钾用1 mol/L NH4OAc浸提后,采用火焰光度计法测定。

2.3 数据处理

数据经Excel软件初步整理后,采用SPSS 19.0进行统计分析。利用单因素方差分析(One-Way ANOVA)确定不同植被恢复和崩岗侵蚀部位对土壤性质的影响,显著性检验采用Duncan新复极差方法(显著性水平设为α=0.05),利用Pearson相关系数和因子分析评价崩岗系统土壤性质间相关程度,图表制作通过Origin 9.0完成。

3 结果与分析

3.1 崩岗系统土壤物理性质空间分布特征

土壤容重是表征土壤紧实程度的敏感指标,影响土壤中水分、气体及养分的蓄存及输移[20]。由表2得知,各崩岗土壤容重变化范围为1.17—1.63 g/cm3,崩岗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤容重均值分别为1.41 g/cm3、1.42 g/cm3和1.29 g/cm3,其变异系数表现为崩岗Ⅲ(11.05%)>Ⅱ(10.67%)>Ⅰ(6.06%)。从Ⅰ到Ⅱ,土壤容重变化较小；从崩岗Ⅱ到崩岗Ⅲ,土壤容重下降10.1%。在崩岗各部位中,3条崩岗的土壤容重呈先增加后减少再增加的趋势,沟道出口的容重高于其他部位。另外,崩岗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的pH分别为5.14、5.13、4.86,其变异系数分别为3.2%、3.73%和5.11%。崩岗Ⅰ、Ⅱ的pH在各部位的变化趋势相似,集水坡面最低(分别为4.93和4.89),沟道最高(分别为5.24、5.51)。崩岗Ⅲ的pH变化表现为沿径流方向(集水坡面→崩壁→崩积体→沟道出口,下同)呈增加→减少→增加趋势,崩壁顶部和沟道的值最高(5.19、5.25)。造成3条pH的差异可能由于1、2号植被稀疏,3号植被覆盖较为完好,在马尾松芒萁等枯落物分解过程中产生大量酸性成分,导致pH下降。

表2 不同部位崩岗土壤容重与pH(平均值±标准差)

不同小写字母表示不同部位间差异达到显著水平 (P<0.05)

土壤颗粒组成反映土壤矿物组分的大小、数量及比例,决定土壤容重、质地等重要物理特性,并导致养分赋存形态的差异[21]。3处崩岗不同部位土壤颗粒组成特征如表3所示,崩岗侵蚀区土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分别介于34.43%—73.51%、11.89%—33.82%、11.90%—28.85%。崩岗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ砂粒含量均值分别54.27%、54.47%和50.27%,粉粒含量均值分别为27.15%、26.99%和27.21%,黏粒含量均值分别为19.06%、18.54%和22.52%。土壤砂粒含量的变异系数表现为崩岗Ⅲ(23.50%)>Ⅰ(18.38%)>Ⅱ(16.76%),粉粒含量的变异系数表现为崩岗Ⅰ(27.78%)>Ⅲ(25.36%)>Ⅱ(24.80%),黏粒含量的变异系数表现为崩岗Ⅱ(23.76%)>Ⅲ(23.67%)>Ⅰ(20.31%)。3条崩岗中,崩岗Ⅰ和Ⅱ的土壤机械组成含量差异较小,从崩岗Ⅱ到Ⅲ砂粒含量降低了8.35%,粉粒和黏粒含量分别增加了0.81%和17.67%。从崩岗各部位来分析,崩岗Ⅰ、Ⅱ从集水坡面到崩积体下部的砂粒含量逐渐增加,而沟口处砂粒含量达到最高值,且显著高于其他部位(P<0.05)。崩岗Ⅲ各部位砂粒含量总体上相对低于崩岗Ⅰ、Ⅱ的各部位,主要表现为集水坡面到沟道出口呈显著的增加趋势(崩壁顶部和崩积体下部除外)。崩岗Ⅰ、Ⅱ的粉粒含量从集水区至崩积体下部逐渐减少,沟道出口处的粉粒含量迅速降低。崩岗Ⅲ除崩积体下部的粉粒含量较高外,从崩壁顶部到沟道出口呈降低趋势。黏粒表现为先减少后增加,在沟道出口处最少的变化趋势。

表3 不同部位崩岗土壤颗粒组成(平均值±标准差)

不同小写字母表示不同部位间差异达显著水平(P<0.05)

3.2 崩岗系统土壤养分含量空间分布特征

为阐明侵蚀部位对崩岗系统土壤主要化学性质的影响,对不同植被覆盖度下崩岗土壤养分含量空间分异特征进行分析。如图2所示,不同植被覆盖的崩岗系统不同部位土壤全量养分含量存在明显空间差异。崩岗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤有机碳和全氮含量分别为0.71、0.90、5.84 g/kg和0.21、0.21、0.59 g/kg。崩岗Ⅲ各部位的有机碳全氮含量均明显高于崩岗Ⅰ和崩岗Ⅱ。崩岗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤全磷和全钾含量分别为0.056、0.053、0.070 g/kg和4.22、4.49、5.78 g/kg,崩岗Ⅲ全磷和全钾含量总体上略高崩岗Ⅰ和崩岗Ⅱ,即随植被覆盖度的增加,崩岗土壤中的有机碳、全氮、全磷和全钾含量呈增加的趋势。就崩岗各部位来看,崩岗Ⅰ、Ⅱ各部位土壤有机碳和全氮的变化趋势一致,均沿径流方向呈减少→增加→减少的变化趋势,且集水坡面高于其他部位,崩岗Ⅱ的有机碳和全氮含量稍略高Ⅰ。崩岗Ⅲ崩壁顶部的有机碳和全氮含量出现低峰,这可能由于崩壁顶部无植被覆盖的缘故,沟道出口处的有机碳和全氮含量最低(0.94 g/kg和0.26 g/kg)。

崩岗Ⅰ、Ⅱ中集水坡面和崩积体(上部和下部)的全磷含量相当,崩岗Ⅰ的崩壁(顶部、中部和底部)高于崩岗Ⅱ。崩岗Ⅰ沿径流方向呈减少到增加的趋势,在沟道出口处全磷含量为最高。崩岗Ⅱ沿径流方向呈增加到减少的趋势。崩岗Ⅲ从沿径流方向呈减少→增加→减少的趋势,崩积体上部的全磷含量最高(0.092 g/kg),崩壁顶部和沟道出口最低(0.052 g/kg、0.059 g/kg)。崩岗Ⅱ、Ⅲ各部位的土壤全钾含量的变化趋势相似,但崩岗Ⅲ的全钾含量高于崩岗Ⅱ。崩岗Ⅰ除崩壁中部和崩积体上部的全钾含量略高(分别为5.96 g/kg和5.36 g/kg),其他部位的全钾含量沿径流方向呈现下降的趋势,沟道出口处的全钾含量最低,为1.98 g/kg。崩岗Ⅱ、Ⅲ从集水坡面到崩壁中部全钾含量变化不大,从崩壁中部→崩积体上部→沟道出口呈先增加后减少趋势,崩积体上部全钾含量最高(分别为6.64、8.70 g/kg)。总之,崩岗系统土壤全量养分含量总体上沿径流方向表现出减少、增加再减少的波动变化规律。

图2 崩岗不同部位土壤有机碳及全量养分含量特征Fig.2 Characteristics of soil organic carbon and total nutrient content in the areas of collapse mounds under different sites

相对于全量养分,不同植被覆盖度的崩岗系统土壤各速效养分含量基本呈现出相反的空间分布特征(图3)。崩岗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤铵态氮和硝态氮含量分别为10.95、6.16、7.26 mg/kg和1.48、0.98、0.86 mg/kg。崩岗Ⅰ、Ⅱ的土壤铵态氮和硝态氮沿着径流方向呈增加→减少→增加→减少的波动变化趋势,崩壁顶部的铵态氮含量最高(分别为16.70 mg/kg和13.40 mg/kg),崩积体上部的硝态氮含量最高(分别为2.59 mg/kg和2.02 mg/kg)。崩岗Ⅲ土壤铵态氮含量的变化趋势与有机碳和全氮的变化趋势相似,表现为沿径流方向呈减少→增加→减少的变化趋势。土壤硝态氮含量变化从集水坡面到沟道出口表现为平缓的下降趋势。

崩岗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的土壤速效磷和速效钾含量分别为0.66、0.61、0.33 mg/kg和23.24、30.59、19.32 mg/kg。崩岗Ⅰ的土壤速效磷含量沿径流方向呈增加趋势,沟道处速效磷含量最高,为0.91 mg/kg。崩岗Ⅱ的土壤速效磷含量从集水坡面到崩壁底部无明显变化,最低值在崩积体上部(0.30 mg/kg),从崩积体上部到沟道出口呈明显的增加趋势。崩岗Ⅲ速效磷含量呈“W”变化趋势,崩壁底部和崩积体下部为最低点(分别为0.16 mg/kg和0.20 mg/kg)。崩岗Ⅰ中从集水坡面到崩壁底部土壤速效钾含量呈降低趋势(31.18 mg/kg→13.91 mg/kg),到沟道出口处速效含量为28.48 mg/kg。崩岗Ⅱ从集水区到崩积体上部速效钾含量呈降低趋势(41.62 mg/kg→14.99 mg/kg),此后的部位略有增加。崩岗Ⅲ径流方向呈现增加→下降→增加的变化特点,崩壁底部的速效钾含量最低(38.72 mg/kg),三者总体上呈“V”形变化态势。

图3 崩岗不同部位土壤速效养分含量特征Fig.3 Characteristics of the soil available nutrient content in the areas of collapse mounds under different sites

3.3 崩岗系统土壤理化性质间的相关程度

为进一步了解各植被盖度崩岗土壤性质间的相互影响,对崩岗系统土壤基本理化指标进行相关性分析(表4)。结果表明,土壤容重与pH、速效磷含量呈极显著正相关,与硝态氮含量达到显著正相关水平,与有机碳、全氮含量呈极显著负相关,与全钾含量达到显著负相关水平。以上结果表明崩岗土壤养分含量分异很大程度受到土壤容重的影响。土壤颗粒组成除了与pH、速效磷含量具有极显著相关性以外,与其余指标均无明显相关关系,这是由于植被恢复过程中崩岗土壤机械组成无显著差异,物理结构尚无明显改善,因而对土壤养分含量的影响相对较小。与此同时,pH与绝大多数指标具有显著甚至极显著相关关系,表明pH对崩岗土壤物理环境及调节土壤养分平衡具有重要作用。有机碳含量除了受到土壤容重、颗粒组成、pH的显著影响外,与全氮、全磷、全钾含量呈极显著正相关,与速效磷、速效钾含量呈极显著负相关,说明植被恢复对崩岗土壤全量养分含量的影响可能具有同质效应,而速效养分受到植被利用吸收和地表径流侵蚀的交互影响,可能表现出与全量养分含量迥异的特征。另外,硝态氮和铵态氮含量与其他土壤性质指标相关性较低,说明强度侵蚀环境(崩岗)土壤矿质化氮的转化受理化性质的影响较小。

表4 崩岗土壤理化性质的相关性分析

**表示在P<0.01水平下相关性达到极显著；*表示P<0.05水平下相关性达到显著

4 讨论

4.1 植被恢复过程中崩岗系统土壤物理性质的空间分异

崩岗侵蚀过程可概括为：在植被严重破坏后,土壤沿集水坡面(汇水)→崩壁(坍塌)→崩积体(堆积后再侵蚀)→沟道(搬移)→洪积扇(堆积)的空间输移过程[7,22-23]。由于土体结构不同的破坏程度,使崩岗各部位的土壤特性空间分布存在一定的差异。随着崩岗侵蚀程度下降甚至崩岗发育终止,随之先锋植物逐渐侵入、存活、生长与繁殖,崩岗内植被盖度明显增加。在降雨过程中,通过植被冠层截留,降雨动能得以极大程度消减,枯枝落叶层的覆盖也使表土侵蚀得以有效控制。植被产生凋落物经腐化分解增加地表土壤有机质养分,而地下根系更是直接参与土壤系统养分循环过程。植被状况影响着侵蚀退化地土壤性质的空间差异性[12-13]。

从不同植被覆盖度来看,植被覆盖为2%和20%的崩岗Ⅰ、Ⅱ的土壤容重、pH和土壤颗粒组成含量以及变化趋势相似(见表5)。崩岗Ⅰ、Ⅱ除了黏粒含量低于覆盖度为95%的崩岗Ⅲ,其他物理指标均高于崩岗Ⅲ。造成这结果可能由于崩岗发育后土壤物理结构均遭严重破坏,而崩岗Ⅲ植被覆盖度相对较高,对土壤容重和土壤颗粒组成有一定的改善,但由于前期亦遭受崩岗侵蚀,土壤理化性质尚未得到根本的改善。总体上,崩岗侵蚀区域土壤物理性质均较差,植被恢复过程中崩岗土壤物理性质虽然稍有改善,但剧烈的侵蚀作用对土壤物理结构的破坏效应在短期年限内难以根本恢复,需要更长的恢复年限。本研究结果与Vallauri等[12]和唐国勇等[24]分别在阿尔卑斯山南麓侵蚀劣地植林120 a和我国金沙江流域干热河谷植林22 a后土壤物理性状的研究结果基本一致。在剧烈的崩岗侵蚀环境下土壤物理结构表现出明显的同质效应[25],印证了崩岗侵蚀作为南方红壤丘陵山地最为严重的侵蚀类型对土壤结构破坏作用的严重性[4,26]。

崩岗侵蚀导致其土壤物理性质空间分异,崩岗从集水坡面至沟道出口土壤容重总体呈先升高后降低再升高趋势。其中,在崩积体处的土壤容重低于崩壁,这主要由于崩积体是由崩壁土体发生崩塌坠落形成,其土质松散。集水坡面地处崩岗系统后缘部分,土壤侵蚀以面蚀为主,侵蚀强度较低,土壤容重较其他部位偏低。土壤颗粒组成的部位分异主要受强烈的侵蚀作用所致,崩岗的砂粒含量占50%以上,其空间分布特征与土壤容重基本类似,尤其沟道出口是崩岗系统泥沙输移的通道,受径流冲刷作用,随着径流路径的逐渐延长,细小颗粒组分被搬运至洪积扇甚至下游农田,而粗大颗粒单元逐渐在沟道沉积下来[23,25],沟道出口处的砂粒比例高达70%以上,显著高于其他部位。粉粒和黏粒含量的空间变化趋势与砂粒基本相反。总体而言,沟道出口与其他部位间土壤物理性质差异明显,而集水坡面、崩壁及崩积体等区域土壤物理性质空间差异较小,这一分异特征与崩岗侵蚀过程与机制的复杂性有关[6-7,22-23]。

表5 植被恢复对崩岗土壤物理性质的影响(平均值±标准差)

不同小写字母表示不同植被覆盖度间达显著差异水平(P<0.05)

4.2 植被恢复过程中崩岗系统土壤养分的空间分异

崩岗植被恢复对调控退化生态系统土壤养分循环,改善肥力状况具有重要影响[15]。本研究中,不同植被覆盖度下崩岗土壤养分含量呈现出更加明显分异规律(表6)。植被覆盖度达95%的崩岗Ⅲ各部位有机碳和全氮含量均明显高于低覆盖的崩岗Ⅰ、Ⅱ。而土壤崩岗Ⅱ除有机碳含量略高于崩岗Ⅰ外,全氮含量相对一致,这主要是由于极度侵蚀退化区凋落物的矿化分解归所致[27]。随着植被盖度的逐渐升高,土壤有机碳和全氮含量明显增加,崩岗Ⅲ的土壤全磷和全钾含量高于崩岗Ⅰ、Ⅱ,但崩岗系统内的土壤全磷、全钾含量普遍低下,这是由于研究区地处中亚热带湿润区,受气候条件、成土母质、土壤侵蚀及植被生长等因素影响,导致磷素出现普遍流失[28],但枯枝落叶的增加在一定程度上提高了全磷和全钾的含量。

土壤速效养分含量反映土壤养分有效性,是养分循环中分解归还与淋溶流失过程动态平衡的结果,其含量的高低主要受植被吸收、地表侵蚀、微生物活动、土壤水热条件等诸多因素的交互影响[29-30]。在崩岗中,土壤铵态氮和硝态氮含量随植被盖度提高基本呈减少态势(表6),植被盖度较高的崩岗Ⅲ地表凋落物较为丰富,其层厚度达到5 cm以上,对土壤温湿度和通气性产生一定影响,加之植物生长消耗导致该崩岗的无机氮含量有所降低。土壤速效磷和速效钾含量从崩岗Ⅰ到Ⅲ有所减少,可能与基岩风化特征与植被吸收利用有关,而pH随植被覆盖增加而降低主要原因是由于凋落物分解过程中产生大量单宁等酸性成分所致。植被恢复显著提升崩岗土壤养分含量(以有机碳和全氮含量的提升尤为明显),说明对土壤化学性质的影响大于物理性质,与前人类似研究结论一致[12-13,16,24]。

由于崩岗侵蚀导致输移物质沿径流方向发生剥蚀、搬运及沉积,土壤养分随之流失,在后续植被自然恢复过程中表现出明显的部位差异(图2)。崩岗Ⅰ、Ⅱ各养分含量在各崩岗部位的变化趋势基本相似,而崩岗Ⅲ与其他两个崩岗的变化趋势有较大差异,这与植被恢复程度关系密切。在崩系统各部位内,崩壁底部至崩积体下部,土壤全量养分含量明显较高,而崩壁的养分含量偏低,其原因可能是崩壁陡峭,植物侵入十分困难。崩壁侵蚀的土体坠落至崩壁下方堆积成崩积体。由于崩积体坡度相对平缓(20°—40°)[10],土壤结构、养分状况和植被条件均远好于崩壁,因此,崩积体土壤全量养分含量高于崩壁,且植被恢复程度越高,土壤养分含量差异越明显。从崩积体上部至沟道出口,各全量养分含量普遍逐渐降低,这与径流侵蚀导致的物质迁移和地形差异有关[6-7]。

在崩岗系统中,崩岗Ⅰ、Ⅱ沿径流方向,其土壤速效养分变化趋势具有相似性。主要表现为硝态氮和铵态氮含量基本上呈先增加后减少的趋势,速效磷含量呈增加趋势,速效钾含量先减少后略有增加(图3)。由于崩岗Ⅰ、Ⅱ的崩壁处土体裸露,但表土水热条件相对较好,有利于微生物的矿化分解,因而铵态氮和硝态氮含量相对高于集水坡面。在崩积体至沟道,受到径流冲刷及化学淋溶影响,铵态氮、硝态氮含量从崩积体至沟道出口逐渐减少。崩岗Ⅲ各部位的速效养分总体低于崩岗Ⅰ、Ⅱ,这主要是崩岗Ⅲ以马尾松+芒萁为代表的植物群落生长较好,对速效养分需求相对较高,加之凋落物对速效养分含量变化的影响相对较小[31]。崩岗中速效磷含量与土壤容重、砂粒含量呈极显著正相关(表4),可能与土壤颗粒的赋存特征有关[28]。速效钾含量与土壤全磷养分的相关性均达到显著或极显著负相关,可能与母质成土风化过程有关[32]。另外,从集水坡面至沟道出口,pH呈明显增加态势,这主要是土壤侵蚀、植物根系及微生物活动对土壤物理化学性质交互影响的结果。

表6 植被恢复对崩岗土壤养分含量的影响(平均值±标准差)

不同小写字母表示不同植被覆盖度间达显著差异水平(P<0.05)

4.3 植被恢复对崩岗土壤性质的影响

生物地球化学循环差异是造成土壤特性时空异质性的重要基础,土壤性质的演变很大程度上除了受崩岗侵蚀制约外,植被恢复的影响亦尤为重要。在崩岗植被恢复过程中土壤容重与土壤养分间存在负相关关系(特别是与有机碳和全氮含量),崩岗内部土壤结构紧实在一定程度上抑制了土壤碳氮循环。pH与土壤其他指标均存在一定的相关性(铵态氮及硝态氮除外),表明崩岗土壤性质普遍受到pH的影响,适宜的土壤酸碱环境对养分固持、酶活性及微生物活动至关重要[33]。土壤有机碳与其他全量养分均呈极显著相关,与速效磷和速效钾含量呈显著负相关,说明植被恢复是崩岗土壤全量养分的主要来源,而速效养分则受植物生长消耗、径流淋溶流失等因素综合影响。我们还发现不同植被盖度崩岗其养分含量处于极低水平,参照全国第二次土壤普查养分推荐分级标准[34],崩岗土壤有机质、全磷、速效氮和速效磷含量均处于6级(最低等级),全氮、全钾和速效钾含量处于5级以下。综上所述,随着自然植被恢复过程中植被覆盖度的提高使土壤物理结构和养分含量得到一定程度的改善,但受制于崩岗侵蚀过程的剧烈影响,仍未能达到侵蚀坡面植被未破坏前基本水平[35],土壤退化特征仍旧较为明显。因此,适当的人工恢复措施对促进崩岗土壤修复至关重要。

5 结论

本研究经过3个不同植被覆盖度崩岗研究表明,植被覆盖度提高使崩岗土壤容重,粉粒、pH、速效养分的值降低,明显提高了土壤有机碳、全氮、全磷和全钾的养分含量,植被自然恢复过程对崩岗土壤特性有一定的改良效应。沿着崩岗径流方向,土壤容重和砂粒含量呈增加→减少→增加态势,粉粒和黏粒含量则呈降低趋势。土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量在集水坡面和崩积体高于其他部位,在崩壁顶部及沟道出口其含量最低。铵态氮和硝态氮含量沿崩岗径流方向呈先增加后减少的态势,速效钾含量呈“V”型变化态势,速效磷和pH呈增加态势,崩岗各部位因不同侵蚀程度以及植被恢复程度土壤性质有明显的空间差异,且不同土壤理化性质间具有一定的耦合关系。总体上,崩岗系统内土壤物理结构较差,养分含量较低,植被恢复对土壤性质有一定改善,但自然修复过程迟缓。开展植被恢复过程对崩岗土壤理化性质的定量分析,有助于理解崩岗的发生机制及生态效应,为崩岗发育地区生态恢复措施的制定提供科学依据。