退耕还林恢复年限对岩溶槽谷区石漠化土壤物理性质的影响

李建明，王志刚，王爱娟，王家乐，王 可，刘晨曦，崔 豪，张平仓

退耕还林恢复年限对岩溶槽谷区石漠化土壤物理性质的影响

李建明1,2,4,5，王志刚1,2※，王爱娟3，王家乐1,2，王 可1,2，刘晨曦1,2，崔 豪1,2，张平仓1,2

（1. 长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；2. 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3. 水利部水土保持监测中心，北京 100055；4. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，杨凌 712100；5. 中国科学院大学，北京 100049）

历史上严重的植被破坏导致西南岩溶槽谷区水土流失/漏失和石漠化加重，制约喀斯特地区经济和社会发展，而退耕还林等生态修复工程对于喀斯特地区植被恢复、生态环境改善具有重要意义。该研究在遥感解译结合野外调查及采样分析基础上，重点分析了岩溶槽谷退耕后7个恢复年限（0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、45～50 a）土壤主要物理性质的演替规律，结果表明：1）退耕开始至15～20 a土壤尤其是表层土壤物理性质呈现恶化的趋势，土壤表层平均含水率和总孔隙度分别减少12.28%～14.75%和8.79%～11.14%，而表层平均容重和紧实度则分别增大10.06%～13.82%和54.09%～58.43%，土壤-植被系统出现旱生化发展趋势；2）退耕20～50 a表层土壤平均含水率和总孔隙度分别达到40.65%和60.38%，较退耕0~5a分别增加24.11%和9.06%，尤其是恢复45～50 a表层土壤平均容重和紧实度分别为0.93 g/cm3、7.57 kg/cm2，土壤基本性质的变化表明了生态系统质量的显著提升；3）由于喀斯特地区土层薄且缺少过渡层，提出了喀斯特地区土壤“铁板烧效应”，与植被在退耕15～20 a由灌草结构向乔灌草立体格局转变的时间转折点相符。该研究进一步阐明了喀斯特地区生态恢复对土壤系统演变的影响，并提出喀斯特地区尤其要注重对乔木树种的种植和抚育工作，对于指导喀斯特地区生态修复具有重要的理论意义和实践价值。

土壤；植被；恢复；退耕还林；岩溶槽谷

0 引 言

石漠化是中国西南喀斯特地区典型的土地退化类型，不仅导致土地生产力下降、破坏生态环境，更使得区域经济受阻[1]。由于喀斯特地区特殊的地质地貌，受灾承受能力低，是典型的生态脆弱区，目前，针对该区域土壤质量评价和生态系统修复已成为研究的热点与难点[2]。而人类耕作尤其是陡坡开垦是导致喀斯特地区土壤流失/漏失及土地质量下降的主要原因，不仅使得土层变薄，地表出现类似荒漠化的退化，更重要方面是加剧人地尖锐矛盾[3]。且喀斯特地区由于存在地表和地下双层结构，地下漏失及顺逆层坡不同的侵蚀特征造成喀斯特地区水土流失治理及生态环境恢复更加复杂[4-6]。为恢复生态环境，中国开始实行退耕还林工程，不仅有效遏制喀斯特地区石漠化的快速发展也为当地经济建设提供有力支撑[7-8]。截止目前，对于喀斯特地区退耕还林（草）措施对土壤质量，尤其是退耕后恢复年限对土壤物理性质变化影响的报道仍较少[9]。当前，采用“空间代替时间”的方法研究喀斯特地区土壤特性及其群落的发展已取得一定成果[10-11]。而耕作、植被类型对喀斯特地区土壤养分特征及土壤质量的相关研究也受到了较为广泛的关注[12-15]。在喀斯特区利用遥感影像解译统计分析石漠化已有相关研究，多是从流域甚至是区域尺度上解决喀斯特地区石漠化治理问题的有效手段，陈飞等用改进后更为精确的遥感影像石漠化解译方法及CA-Markov预测方法，研究喀斯特近30 a的石漠化时空演变呈现出先恶化再好转的趋势，并对其原因进行了分析，同时预测2016-2021年石漠化呈现好转趋势[16]，针对喀斯特地区石漠化及岩溶环境特征也有相关研究[17-18]，但目前仍缺少较为翔实及系统的研究成果。

本项目研究区域重庆市酉阳土家族苗族自治县是国家级贫困县，极端气候及人地尖锐矛盾导致区域经济落后，生态环境恶化，开展退耕还林等生态工程对区域土壤性质改良效果的深入研究，具有重要的社会、生态和经济效益[19]。因此，本研究采用室内遥感影像解译结合野外实地调查及采样分析基础上，研究喀斯特地区不同恢复年代土壤物理性质特征及其影响因素，为喀斯特地区进行土壤系统的恢复工作以及有效治理石漠化及水土流失问题提供科学指导。

1 研究区概况

本项目研究区域位于重庆市酉阳土家族苗族自治县（简称酉阳县，研究区域范围108°56′53.20″～108°57′57.53″E，29°03′19.50″～29°06′43.38″N），地处武陵山区腹地，地貌区划上属鄂西黔北中山与低山区，平均海拔700 m，地形起伏较大，地貌分为中山区、低山区、槽谷和平坝区。大地构造上地处渝鄂湘黔隆起褶皱带，主体构造是北、北东向大致平行的褶皱及与其伴生的纵、横断裂。区内岩溶地貌发育典型，地形多样，包括高山、平坝和深丘。酉阳县属亚热带湿润季风气候区，年降雨量在1 100 mm左右，年平均日照时数约为1 131 h，年平均气温由沿河地区的17 ℃递减到中山区的11.8 ℃。区内土壤以碳酸盐岩类岩石风化形成的如石灰岩土为主，土层厚度浅薄，土壤不连续，自然肥力低。主要植被类型为亚热带常绿针叶林、亚热带常绿落叶阔叶混交林。受土地利用类型的影响，植被覆盖较高的区域分布在槽谷两侧的槽壁上，基岩裸露率较高的区域分布在山岭的顶部，地表水土流失较强的区域分布在槽谷两侧的槽壁上。

本次野外调查及采样点分布在龙潭槽谷，位于重庆市渝东南桐麻岭背斜南东翼，酉阳县泔溪镇至麻旺镇一带，槽谷延伸方向与构造线方向一致，呈NNE走向，长约35 km，属亚热带湿润季风气候区。岩性以中厚层状白云质灰岩和白云岩为主，槽谷两侧地区土层较薄，发育土壤为黄色石灰土，顺层坡基岩裸露率较逆层坡高，坡麓岗地断续分布，多为土石质坡地，植被以次生灌木、藤本、蕨类以及零稀的乔木为主[20-21]。

2 材料与方法

2.1 野外采样选点依据

通过91卫图结合查询的地质年代图，解译历史遥感影像，选取38个野外测点（分别是恢复0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30和45～50 a，由于恢复30～45 a通过遥感解译无法获取，采样时缺少该时段内的样点），根据野外测点的坐标位置通过现场复核、入户调查以及《酉阳县志》等资料进一步确定退耕前为坡耕地后作为采样点。为消除不同采样点间的差异，各测点坡耕地的坡度确定在0～10°范围内并在平地采样，坡向均选择土层薄、岩石裸露率高、水土流失严重的喀斯特典型顺层坡，采样点位于海拔400～900 m范围内。各样点实际退耕时间结合影像资料和现场复核确定，其中0～5 a的确定的退耕时间是2013－2019年，5～10、10～15、15～20、20～25、25～30 a分别是2011－2013年、2003－2011年、2000－2003年、1994－1999年、1990－1994年，而根据历史资料、《酉阳县志》及当地入户调查资料均表明恢复45～50 a的乔木林是1972年飞播造林存活的林地。本次野外调查及样品采集是在室内制定线路后将点位导出为KML文件，导入手机奥维互动地图和户外助手app客户端，精准定位作为野外调查及采样线路图，研究区地理位置及样点分布见图1所示。采样及室内试验于2019年5－7月进行。

图1 地理位置及采样点布置图

2.2 试验过程及现场记录

共计完成38处恢复点野外采样，根据室内确定样点的经纬度坐标，通过手机导航到样点区域。各采样点首先清除表层的枯枝落叶、植被、砾石等杂质，随后挖一个30 cm深的剖面，分为两层（表层0～15 cm和底层15～30 cm）。每层各取3个环刀样品，用于计算容重、含水率、总孔隙度等指标。在取完环刀样后取土样500 g装于密封袋中，带回室内测定土壤的理化性质。在环刀和理化样取样之前，用土壤紧实度仪（南京土壤仪器厂生产）在每层选3个点位测定土壤紧实度并记录数据[22]。各样点完成测试及采样后均覆土复原。每个恢复点共计6个环刀样，2个理化样。现场记录样点的编号、经纬度坐标和天气情况，并拍摄取样点周边自然概况，同时对采样点植被进行详细调查并记录，重点记录优势植物种的名称、长势等数据。

2.3 土壤理化性质分析

在野外将环刀中的土样转移至密封袋并在袋口涂抹一层凡士林，最大限度保证土样含水率的真实性，试验环刀体积是100 cm3。回到室内后，立即称密封袋+湿土质量并做好记录。待全部样品采集完后将样品运至实验室，将密封袋中的土样全部转移至铝盒（体积为300 cm3），采用烘干法测定土壤容重和含水率，将土壤样品置于107 ℃下烘干24 h。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质，0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30和45～50 a表层土壤（0～15 cm）平均有机质质量分数分别为39.58、33.46、36.10、36.48、62.79、46.57、68.69 g/kg，底层（15～30 cm）分别为25.72、20.70、24.03、21.02、30.40、27.05、36.68 g/kg。

2.4 数据统计与分析

野外现场使用紧实度仪的刻度校准如表1所示，修正系数为0.8416，使用的钻头横截面积为2 cm2，紧实度计算公式如下：

=0.8416/

式中为土壤紧实度，kg/cm2；为紧实度仪实际读数值，kg；为钻头横截面积，2 cm2。

表1 紧实度仪刻度校准表

采用SPSS16.0进行数据统计分析，差异显著性检验采用LSD法确定（＜0.05，双尾）。采用Origin9.0、Excel2007绘图。

3 结果与分析

3.1 容重及总孔隙度

图2a为平均容重随恢复年限的变化。恢复初期（0～5 a）表层土壤的平均容重为1.18 g/cm3，随恢复年限延长容重有增大的趋势，其中恢复5～20 a平均容重达到1.32 g/cm3，从20a以后又开始下降，15～20 a的平均容重较0～5 a和5～10 a增加10.06%～13.82；20～50 a的平均容重为1.05 g/cm3，相较于0～20 a降低了18.34%，尤其在恢复45～50 a的容重仅为0.93 g/cm3，比退耕0～5 a减少了21.24%。单因素方差分析也表明恢复0～20 a的表层土壤容重无显著性差异，而恢复20 a以上尤其是20～25 a和45～50 a容重存在显著差异。

底层平均容重随恢复年限总体呈先递增后持续递减的趋势，其中5～10 a的容重达到最大为1.44 g/cm3，而恢复10～50 a的容重平均为1.30 g/cm3，底层容重的变化幅度为3.74%～12.19%。单因素方差分析结果表明，恢复5～10 a土壤容重与恢复15～20、20～25、25～30和45～50 a存在显著差异，与0～5和10～15 a之间无显著差异。从表观上可知，恢复年限对底层容重的影响较表层小。因此，分析表层/底层土壤平均容重随恢复年限变化，见图2b所示，可知，7个恢复年限的表层容重均小于底层，在恢复15～20 a表层容重接近于底层，平均容重均为1.30 g/cm3。单因素方差分析也进一步表明15～20 a是土壤容重由大变小的一个转折点。

造成退耕5～20 a内表层和底层容重比0～5 a增加的原因是退耕0～5 a内土壤前期尚未退耕，耕作层受人为翻耕扰动严重，使得土壤蓬松化，总孔隙度大，进而造成容重减小，但随着恢复年限延长至5～20 a，整个土壤剖面长期未受人为翻耕等扰动，自然沉降导致容重增加。同时该时期内植被类型以灌草为主，根系类型以须根系为主且分布在土壤表层，根系对土壤结构的影响较小。而恢复20～50 a的土壤容重显著递减，主要是受植被演替作用影响，尤其是高大乔木根系发达，主根向下生长，侧根发育迅速，根系的穿插增大了土壤总孔隙度，降低容重。且乔木林下地表大量枯枝落叶增加腐殖质含量，进而导致土壤有机质含量增大，也会进一步降低土壤容重，增加总孔隙度，土壤储水空间进一步提升，最终也使得土壤含水率增大。另外，挖取土壤剖面过程，发现枯枝落叶层越厚，土壤动物（蚯蚓、蚂蚁、千足虫等）活动痕迹越明显，土壤动物的扰动和孔穴进一步增加土壤孔隙，进而使得容重降低。

注：不同小写字母表示同一指标不同恢复年限间差异显著(P<0.05)。

土壤表层与底层平均总孔隙度随恢复年限的变化趋势总体呈现为先递减后递增，与容重的变化呈反向规律（图3）。表层土壤除了5～10 a的平均总孔隙度为49.19%外，其余各恢复时段的总孔隙度均大于50%，且恢复20～50 a的总孔隙度（平均60.38%）大于0～20 a孔隙度（平均51.48%），较0～5 a增加9.06%。其中15～20 a的表层平均总孔隙较0～5 a、5～10 a减少8.79%～11.14%。而底层在0～5 a的平均总孔隙度为48.19%，而5～20 a的总孔隙度始终呈递增趋势，增幅为4.45%～11.04%，而20～50 a的总孔隙度维持在一个较高水平，平均总孔隙度达到52.16%。单因素方差分析也表明土壤总孔隙度在恢复15～20 a出现了转折。对比分析土壤表层和底层平均总孔隙度，表明仅在15～20 a时段的表层总孔隙度（50.87%）接近底层（50.71%），其他条件下均呈现为表层孔隙度大于底层，也进一步证实了15～20 a土壤总孔隙度发生转变。

图3 总孔隙度随恢复年限变化

3.2 紧实度

图4为平均紧实度随恢复年限的变化，表层紧实度随恢复年限增大呈“递增-相对稳定-递减”变化趋势，恢复5～30 a的平均紧实度范围为8.76～9.63 kg/cm2，变化幅度为2.46%～9.01%，恢复45～50和0～5 a的平均紧实度分别为7.57和5.93 kg/cm2，恢复0～20 a内由于长期处于自然沉降，加之雨水、植被、土壤生物等作用，使得土壤变得更加紧实，与土壤容重变化趋势一致。15～20 a的平均紧实度较0～5 a和5～10 a增大54.09%～58.43%。在恢复20 a以后土壤紧实度开始下降，20～50 a的平均紧实度为8.65 kg/cm2小于5～20 a的9.23 kg/cm2。而恢复0～5 a的表层土壤，由于退耕初期受原来耕作影响，容重小、总孔隙度大，使得土壤紧实度较低；而恢复45～50 a的土壤经过多年恢复改良后，土壤理化性质得到改善，且表层腐殖质、根系的作用使得土层更加疏松，但仍大于刚退耕时期的紧实度，45～50 a的平均紧实度是0～5 a的1.28倍。

底层平均紧实度呈缓慢递增随后减小的趋势，在15～20 a平均紧实度达到最大值为10.44 kg/cm2，恢复0～50 a土壤平均紧实度为10.03 kg/cm2，变化幅度为3.16%～6.75%，较表层幅度显著减小。单因素方差分析也表明恢复年限对底层土壤紧实度影响不显著，因此，分析表层与底层土壤紧实度比值能进一步深入探索恢复年限对紧实度的影响。结果表明，不同恢复年限下的平均紧实度均是表层紧实度小，底层紧实度大，且恢复0～5 a的表层紧实度仅为底层的59%，随恢复年限延长，表层紧实度增大并接近底层紧实度，但随后表层紧实度又显著减少，进一步表明退耕对土壤理化性质尤其是表层的影响显著。表层与底层平均紧实度的分析也表明15～20 a是土壤紧实度由大变小的一个转折点。

图4 紧实度随恢复年限变化

3.3 含水率

图5为平均含水率随恢复年限的变化。恢复0～5 a的表层平均含水率为32.76%，随恢复年限延长至15～20 a，表层含水率呈递减趋势，递减幅度为8.07%～14.75%。而20～50 a尤其在20～25和45～50 a时的含水率显著增大，达到40%以上，是退耕0～20 a内的1.08～1.63倍。单因素方差分析也进一步表明表层平均含水率5～20 a维持在一个较稳定状态，自20 a以后出现显著递增。20～50 a表层土壤含水率达40.65%，较退耕0～5 a增加24.11%。

图5 含水率随恢复年限变化

底层含水率与表层表观上呈现相同规律，在恢复20～25 a时平均含水率达到最高值30.57%，底层平均含水率在27.23%～30.57%，变化幅度仅为2.48%～10.91%，即恢复年限对底层土壤含水率的影响较小。单因素方差分析也表明底层土壤含水率7个恢复年限间无差异，且标准差在1.42%～6.76%，可认为退耕措施对于底层土壤含水率影响不显著，但对表层含水率有显著影响。

采用表层含水率/底层含水率的比值更能真实的反映恢复年限对土壤含水率的影响，见图5b所示，其变化也呈先递减后增加趋势。在恢复0～20 a内，生长的植被类型以低矮的灌草为主，无乔木生长，地表不存在或者只存在少量的枯枝落叶层，此时，土壤中的水分主要是供应灌草生长需要，同时蒸发也会导致土壤水分含量的减少。而退耕20 a以后，植被类型由灌、草逐步过渡到乔、灌、草立体格局，同时地表的枯枝落叶层增多，此时，高大的乔灌根系起到了涵养水源的作用，能够有效储蓄降水，同时根系增加了入渗量也使含水率增多，并能从地下深层吸水供植被生长所需。同时，乔木树种的茎叶能够阻挡光照减少了土壤表层水分蒸发，也能进一步提高土壤含水率。对比分析可知，7个恢复年限表层的含水率均大于底层，表现在各比值均大于1.0。分析表明，退耕0～20 a内土壤含水率逐渐降低，20 a以后土壤含水率开始增加并最终会高于初期含水率。造成退耕前期土壤含水率降低的另一个原因是由于土壤板结，喀斯特地区尤其在顺层坡，土层较薄，在气温高时由于岩石吸热升温快，造成土壤干旱，而当降雨时，土壤团粒结构分散为复粒甚至是单粒，这种干湿交替导致了土壤的膨胀与收缩交替进行，逐步减少土壤中的孔隙，降低雨水入渗，板结层也增加地表径流，且随恢复年限延长，土壤自然沉降也会减少孔隙，导致含水率进一步降低。

3.4 土壤物理性质相关性分析

耕作对土壤的物理性质会产生较大的影响，主要体现在容重、紧实度、总孔隙度、含水率方面，本研究采用双变量相关分析研究恢复年限对土壤相关因素的影响以及各影响因素之间的关系，见表2所示。结果表明，恢复年限与表层土壤含水率和紧实度呈显著相关（<0.05），与总孔隙度呈极显著相关（<0.01），与土壤容重呈极显著负相关（<0.01）；而恢复年限与底层土壤容重呈极显著负相关（<0.01），对总孔隙度呈极显著相关（<0.01）。在土壤内部因素中，表层和底层的含水率与容重呈极显著负相关，与总孔隙度呈极显著相关（<0.01）；容重与总孔隙度呈极显著负相关（<0.01）。即恢复年限对表层和底层的容重和总孔隙度的影响大于紧实度和含水率。

表2 不同恢复年限土壤物理性质相关性分析

注：*指0. 05 水平（双侧）上显著相关；**指在0. 01 水平（双侧）上显著相关，下同。

Note:*means significant correlation at the 0. 05 level (both sides);**means significant correlation at the 0. 01 level (both sides), the same below.

分析不同恢复年限对土壤各因素表层/底层比值的影响，结果见表3所示。表明恢复年限与含水率和紧实度呈极显著相关（<0.01）；土壤含水率与容重呈极显著负相关（<0.01），与总孔隙度呈极显著相关（<0.01）；容重与紧实度呈极显著相关（<0.01），与总孔隙度呈极显著负相关（<0.01）；土壤紧实度与总孔隙度也呈极显著负相关（<0.01）。

为进一步分析土层深度对土壤性质的影响，见图6所示，结果表明，除了紧实度相关性不显著外（>0.05），含水率、容重和总孔隙度均呈极显著相关，其相关系数分别为0.508、0.704和0.702（<0.01）。

表3 不同恢复年限表层/底层土壤物理性质相关性分析

图6 不同土层深度各影响因素的相关性

4 讨 论

4.1 土壤物理性质演变规律

本试验结果表明，土壤容重和紧实度呈现为表层大于底层，容重分布在1.18～1.44 g/cm3，与张春丽、苏程烜和张珍明等研究认为的喀斯特地区土层呈“上松下紧”平均容重分布范围在1.17～1.41 g/cm3的结论一致[3,23-24]。表层和底层土壤的含水率均呈先递减后增加趋势且表层含水率达到底层的1.02～1.64倍。土壤含水率转折点在恢复15～20 a左右，其中恢复0～5、45～50 a的含水率均较高，表层分别为32.76%和48.62%，而15～20 a平均含水率是30.11%，与Yang等[25-26]认为植被条件较好区域水分条件好且土层深度增大含水率降低的结果相近。

土壤容重、紧实度、总孔隙度和含水率的分析结果都表明，在恢复0～5 a内的土壤主要物理性质总体仍较好，受前期耕作影响，呈现出容重和紧实度低，而含水率和总孔隙度高的特点，而恢复5～20 a的土壤主要物理性质降低，表现为土壤容重和紧实度上升，含水率和总孔隙度下降。造成恢复5～20 a土壤主要物理性质下降的一个重要原因是土壤板结，造成土壤板结的原因包括：一是土壤自身物质基础条件，喀斯特地区的土壤具有质地黏重、风化程度高、粘粒含量大等特点，甘凤玲等[27]测得喀斯特典型黄壤的颗粒机械组成中<0.001 mm占比达到50.22%，游贤慧等[21]测得顺层坡的粉粒及粘粒含量占90.19%；二是自然沉降，由于土壤长期未受人为扰动，在重力作用下沉降导致土壤更加紧实；三是喀斯特地区土层薄、岩石裸露率高，土壤受降雨、气温等影响，干湿交替严重，导致土壤孔隙减少，容重增加，马璠等[28-29]研究也认为干湿交替会导致土壤颗粒内聚力增大，土壤容重增加且更加紧实；四是植被根系对土壤层产生挤压作用，且恢复5～20 a内植被以旱生化类型为主，根系较浅，但植被的蒸腾及生长需要都会导致土壤含水率进一步减少。而当恢复20～50 a时，表层土壤平均含水率和总孔隙度分别比0～20 a增大36.04%和17.28%，平均容重减少18.34%，而平均紧实度差异较小，表明此阶段之后，土壤主要物理性质得到恢复与改善，恢复45～50 a含水率和总孔隙度均高于0～5 a，容重小于退耕初期，与胡培雷等[30]研究获得相似结果。

本研究所选样点是耕地经过退耕后的植被恢复样地，遥感影像、《酉阳县志》及询问调查等均证实了恢复45～50 a的乔木林是飞播造林存活，退耕后飞播造林形成的林地区域没有经过人为扰动，也处于自然恢复中，形成典型的乔灌草立体植被格局，其灌草及大部分阔叶树种均属于自然恢复，与其他恢复年限区域处于相同的立地条件。分析结果表明，恢复45～50 a土壤的容重、总孔隙度和含水率与恢复20～25 a差异不显著，与其他恢复年限存在显著差异，也进一步得出恢复45～50 a的土壤物理性质恢复效果较好。

4.2 喀斯特地区土壤主要物理指标退耕后演变内在关系

本研究结果表明，表层土壤平均容重和紧实度均呈现为恢复0～5 a的处于较低值，随后5～20 a显著递增，而20～50 a又显著递减，而土壤总孔隙度呈反向规律。在喀斯特地区，土壤容重增加导致紧实度增加，孔隙度降低，孔隙度降低会导致含水率降低，紧实度增加降雨入渗减少，地表径流增加，间接导致土壤含水率降低。因此，土壤容重、紧实度和总孔隙度均是造成土壤含水率降低的重要原因，而含水率又是喀斯特石漠化区生态系统的主要限制因子，相关性分析也表明容重及总孔隙度与含水率之间呈显著相关性（相关系数分别为0.772和0.671（<0.01）），而紧实度又与总孔隙度呈极显著相关（相关系数为0.497（<0.01）），间接影响着土壤含水率。

针对容重、总孔隙度、紧实度以及含水率的分析均表明，恢复15～20 a是土壤主要物理性质向良性发展的转折点，采用各因子表层/底层的比值作为分析。曲线估计可知（图7），容重、紧实度、总孔隙度和土壤含水率的比值与恢复年限均呈二次函数关系（=Ax+B+C），以2.5、7.5、12.5、17.5、22.5、27.5和47.5分别代表不同恢复年限（0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30和45～50 a），拟合结果得出，含水率与总孔隙度对应的A、B、C分别为（0.000 3，−0.004 8，1.082 7）和（0.000 2，−0.007 9，1.143 2），容重和紧实度对应的分别为（−0.000 2，0.007 1，0.875 4）和（−0.000 5，0.024 6，0.630 4）。含水率和总孔隙度存在一个最小值，分别是（8.00，1.07）和（19.75，1.07）；而容重和紧实度随恢复年限存在一个最大值，分别是（17.75，0.94）和（24.60，0.93）。含水率与恢复年限的拟合方程的决定系数（2）最大为0.82，显著大于总孔隙度、容重和紧实度（2分别为0.57、0.65和0.64）。曲线分析进一步表明，恢复15～20 a是各指标发生显著变化的转折点，尤其在土壤容重和总孔隙度两个指标高度相符，17.75和19.75均对应着恢复年限为15～20 a。同样表明造成土壤各影响因素在15～20 a出现转变的一个重要原因是植被演替导致的，植被由灌草向乔灌草发展的一个重要标志即是地表枯枝落叶层增加了有机质含量，试验分析表明，表层土壤有机质在恢复0～20 a阶段为33.46～39.58 g/kg，而20～50 a为46.57～68.69 g/kg，乔木开始发育后的有机质平均值可达前期的1.63倍，底层也达到1.37倍，土壤有机质的测定结果与游贤慧[21]的结果一致。

图7 不同土层深度土壤性质之比随恢复年限变化

4.3 喀斯特地区土壤系统“铁板烧效应”

喀斯特槽谷区由于水土漏失/流失严重、土层薄，往往是在岩石突出的平台残留一抔土层，称之为“鸡窝土”，是植被发源地[31]，与文丽、Harper等研究认为喀斯特地区岩石附近形成窝窝土、凹面地形利于植物进入、定居和生长的结果一致[10,32-33]。但由于岩石裸露率高、土层薄，夏季白天气温高，岩石吸热快并迅速传导到土层，使得土壤膨胀，而夏季的傍晚及冬季，由于气温低且岩石的降温较土壤快得多导致土壤收缩，这种热胀冷缩使得土壤间发生不断的挤压，导致了土壤容重及紧实度增大而含水率和孔隙度减少，称喀斯特槽谷区退耕后土壤主要物理性质恶化的这种现象为“铁板烧效应”。造成土壤“铁板烧效应”的一个原因是喀斯特地区一般土层薄，土壤与母岩之间不存在过渡层，直接附着在岩石层上，在阳光照射下吸热造成对土壤的“烘烤”使得水分蒸发，随着岩石温度的热胀冷缩显著，土壤易被侵蚀，一遇降雨激发极易产生顺层滑动，都会导致土壤含水率和总孔隙度降低，容重和紧实度增加[1,19,21,24,34]。陆景冈、曹建华等[35-36]研究也表明干湿交替直接导致土壤胀缩、孔隙度收缩、土壤体积及裂缝发育，并认为是一种常年累月的总体结果，而非单次的特殊现象，且目前对西南喀斯特区的研究较少。而土壤质地对土壤水分具有显著影响，土壤水分又是喀斯特地区土壤退化关键因子，与本研究土壤理化性质相关性分析结果具有一致性[37-38]。

造成土壤“铁板烧效应”除了受土壤自身性质和气候、降水影响外，植被也是另一个重要方面。恢复0～20 a的植被类型主要以灌、藤、草为主，植物生长需要大量的水分，造成土壤含水率降低，同时灌、藤、草的根系中须根系占比较大，且根系较短，而从草丛、灌丛等低级阶段演替到乔丛群落需要时间长，导致了退耕还林初期植被生长缓慢，土壤质量降低[10]。在恢复20～50 a，植被格局由灌、草、藤过渡为乔、灌、草、藤、蕨、竹林，形成显著立体垂直结构，高大乔木郁闭度高，一方面是能够遮挡阳光，防止太阳对地表直射，进而降低林下温度，减少了地表水分蒸发及植物蒸腾耗水；其次，乔木根系粗壮，主根伴随着大量的侧根的穿插进一步疏松土层，使得土壤容重和紧实度降低，孔隙度增加，乔木根系同时还能起到防治水土流失效果[11,23,39]，同时该时段土壤生物结壳的发育，有利于土壤改良[40]。龙明忠等研究也表明林-草结构的保土保水能力优于单一林地的保土保水能力，土层根系量与侵蚀量呈负相关[41]。再者，由于立体结构的植被生长茂密，在林下散落有大量的枯枝落叶层，枯枝落叶层一方面具有储藏水分，减少地表径流，增加水分入渗的作用，另一方面，也进一步对表层土壤起到保护作用，防治土壤板结及流失，而枯枝落叶分解后的腐殖质含有丰富的养分元素，与土壤融合后能够起到改良土壤的作用，枯枝落叶层也为土壤生物生活提供了良好物质基础，进一步改良土壤，使得土壤向利好方向不断改进[42]。通过对土壤理化性质及现场调查植被演替的综合分析，在喀斯特地区乔木林对于改良土壤，恢复生态效果显著，在进行退耕还林等生态工程时，尤其要注重对乔木的抚育，同时也要提高植物生长抚育和土壤管理水平[43]。早期石漠化治理需要选择合适的先锋树种，但要完成喀斯特地区土壤及植被生态恢复，需要利用多层次多物种的植物群落，充分利用植物有机残体与根系穿透力，促进土壤发育及熟化，形成多样性生境，充分发挥乔木林根际效应[44]。

5 结 论

西南喀斯特地区岩石裸露率高，严重的植被破坏导致的石漠化是当地生态系统退化的主要原因，本研究通过遥感解译结合野外实地调查及室内试验，分析了岩溶槽谷7个恢复时段序列的土壤系统演变规律。结果表明喀斯特地区土壤含水率和总孔隙度在恢复15～20 a左右出现转折，呈先递增后减小变化，20～50 a的土壤表层平均含水率和总孔隙度比0～20 a增大36.04%和17.28%，容重减少18.34%。平均紧实度随恢复年限也呈先增加后减少的变化，在恢复初期0～5 a内紧实度最低为5.93 kg/cm2，仅占其他恢复年限下的61.57%～78.35%。根据岩溶槽谷区石漠化区随恢复年限延长，土壤物理性质先恶化后提升及植被旱生化演变的发展规律，提出了喀斯特地区特有的“铁板烧效应”，并强调喀斯特地区植被恢复尤其要注重对乔木树种的种植及抚育。本研究进一步明晰了喀斯特岩溶槽谷区生态恢复对土壤系统的影响，对该地区实施生态修复工程提供科学参考，具有重要的实践价值。

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Effects of land restoration years on physical properties of rocky desertified soil in trough valley of the southeast China karst region

Li Jianming1,2,4,5, Wang Zhigang1,2※, Wang Aijuan3, Wang Jiale1,2, Wang Ke1,2, Liu Chenxi1,2, Cui Hao1,2, Zhang Pingcang1,2

(1.430010; 2.,430010; 3.,100055,; 4.,,712100,;5.100049)

Severe deforestation has caused the water loss, soil erosion (including underground leakage), and rocky desertification in the trough valleys of the southeast China Karst region, limiting local social and economic developments. Land restoration projects, such as the Grain for Green project initiated in 1999 in China, become important to improve the local ecological environment and restore vegetation. In order to evaluate the soil quality that improved by land restoration, it is necessary to examine some physical properties of the soils (such as bulk density, compactness, porosity and water content) after the periods of restoration. Here, 38 sampling sites were selected in the range of 0-10° on the bedding slopes based on the remote-sensing image analysis, field investigation, and in-home personal interviews at the trough valley. The soil with thin layers on these slopes become venerable to erosion in this case. These sampling sites were divided into seven groups according to the years after the land restoration (0-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, 25-30, 45-50 a). In each sampling site, a examining pit with the depth of 30cm was dug to establish a soil profile align to the cross-section of the soil layers during the examination test. According to the depth range of the soil layer, each soil profile was divided into two layers, 0-15 and 15-30 cm. In these two layers, the compactness of soils was measured by a compaction meter before soil sampling. Soil samples were then collected from both layers by sampling rings in order to measure some physical properties of soils, such as the bulk density, porosity and water content, after field investigations. Vegetation and landforms around the sampling sites were also noted during the samples collection. This study also proposed a feasible mechanism of land restoration to promote the local environment of sampling sites in the through valley of this Karst region. Three main findings can be made from these examined results. 1) Physical properties, especially in the shallow layer of soils, were still deteriorated from the start of land restoration to the period of 15-20 a. The water contents and porosities of the soils in the shallow layer were reduced by 12.28%-14.75% and 8.79%-11.14%, respectively, whereas the bulk densities and compactness were increased by 10.06%-13.82% and 54.09%-58.43%, respectively. 2) In the period of 20-50 a, the water content and porosity of soils in the shallow layer reached 40.65% to 60.38%, respectively, indicating an increase by 24.11% to 9.06% compared with those in the period of 0-5a. In the period of 45-50 a, the bulk density and compactness of soils were 0.93 g/cm3and 7.57 kg/cm2, indicating much higher soil quality of the ecological system than that of other short periods after land restoration. The low-growing plants, such as grasses and shrubs, were dominant in the period of 0-20 a after land restoration, as well as there was no litter biomass layer on the ground surface of the soil. But in the long run, the planting species then gradually changed to an arbor-shrub-grass type. Arboreal plants flourished and the litter biomass layer appeared in the period of 40-50 a, indicating an obvious improvement of the water-retaining capacity and fertility of the soils. 3) As the soil layers in the Karst region were quite thin, there was no transition interlayer. A new methodological concept, “roasted effect”, was therefore proposed in this study based on the traits of the quite thin soil layers, and it agrees with the transformation pattern of vegetation species from the shrub-grass to the arbor-shrub-grass type that occurred in the restoration period of 15-20 a. This study also demonstrates the combined effects of the ecological restoration on the dynamics mechanism of physical properties in the soil layers, particularly emphasis on the significance of the arboreal plant breeding in the entire restoration process. These findings can provide a potential theoretical guideline for further application of the ecological restoration at Karst regions in the southeast of China.

soils; vegetation; restoration; grain for green project;trough rally ofkarst region

李建明，王志刚，王爱娟，王家乐，王 可，刘晨曦，崔 豪，张平仓. 退耕还林恢复年限对岩溶槽谷区石漠化土壤物理性质的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：99－108.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.012 http://www.tcsae.org

Li Jianming, Wang Zhigang, Wang Aijuan, Wang Jiale, Wang Ke, Liu Chenxi, Cui Hao, Zhang Pingcang. Effects of land restoration years on physical properties of rocky desertified soil in trough valley of the southeast China karst region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 99－108. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.012 http://www.tcsae.org

2019-08-20

2019-10-11

国家重点研发计划专项（2016YFC050230305、2016YFC0503705）；国家自然科学基金（41701316、41101191）；水利部技术示范项目（SF-201806）

李建明，博士生，主要从事工程土壤侵蚀过程研究。Email：hahalijianming@126.com

王志刚，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为土壤地理与土壤侵蚀研究。Email：371381624@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.012

S157.1

A

1002-6819(2020)-01-0099-10