植草恢復(fù)對(duì)侵蝕紅壤重組有機(jī)質(zhì)的影響*

羅旭輝,詹杰,李秀峰,鄭仲登,王義祥,黃毅斌

(1.福建省農(nóng)科院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/福建省山地草業(yè)工程技術(shù)研究中心,福州350013;2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福州350002)

我國(guó)亞熱帶山地丘陵紅壤區(qū)植被受人為破壞嚴(yán)重,表土易遭受侵蝕,是我國(guó)僅次于黃土高原的嚴(yán)重侵蝕區(qū)[1]。該區(qū)開(kāi)展了許多生態(tài)恢復(fù)與重建的研究與實(shí)踐,其中有關(guān)水土保持的研究主要集中于土壤基本理化性質(zhì)、土壤酶、土壤水分、土壤溫度等方面[2-8],但對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)尤其是重組有機(jī)質(zhì)的深入研究報(bào)道較少見(jiàn)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量與健康的重要指標(biāo),對(duì)維持土壤生產(chǎn)力具重要作用[1],利用密度分組技術(shù),將土壤有機(jī)質(zhì)分為輕組和重組,重組有機(jī)質(zhì)為主要存在于有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體中,主要成分是腐殖質(zhì),在土壤水分、養(yǎng)分的保持及供應(yīng)能力方面發(fā)揮重要的作用[9-10]。本文分析福建中亞熱帶紅壤侵蝕區(qū)人工植草與自然恢復(fù)11 a對(duì)土壤重組有機(jī)質(zhì)的變化,為生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1996年起在福建省尤溪縣西城鎮(zhèn)玉池村水土保持科教基地后山坡頂(北緯 26°25′,東經(jīng) 117°57′),分別設(shè)立人工植草、自然恢復(fù)樣地,人工植草樣地種植威恩圓葉決明(Chamaecrista rotundifolia cv.Wynn)+百喜草(Paspalum notatum),每年定期清除雜草,自然恢復(fù)樣地進(jìn)行封禁。試驗(yàn)區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,全年實(shí)有日照時(shí)間1 781.7 h,占全年可照時(shí)間的40%,年降雨量1 600～1 800 mm,年均溫19.2℃,7月均溫26.6～28.9℃,1月均溫 8.0～12.0℃,無(wú)霜期312 d以上。土壤為第四紀(jì)山地紅壤,質(zhì)地為黏土,樣地試驗(yàn)前為油茶(Camelia oleif era)林,樣地周邊植被類型主要有以馬尾松(Pinusmassoniana Lamb.)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata Hook.)為建群種的針葉林,針、闊、竹混交林,以及毛竹(Phyllostachysheterocycla cv.Pubescens)林。

1.2 取樣方法

2007年7月,在2個(gè)樣地開(kāi)挖土壤剖面,進(jìn)行剖面調(diào)查,人工恢復(fù)區(qū)A、B、C層分別為 0-15 cm、15-30 cm、30 cm 以下;自然恢復(fù)區(qū)A 、B、C層分別為0-10 cm、10-25 cm、25 cm以下土層。在A、B、C層取土壤環(huán)刀測(cè)定土壤容重、常規(guī)水分常數(shù),并取250 g以上土樣,帶回試驗(yàn)室,風(fēng)干、磨樣,一部分供基本理化性質(zhì)測(cè)定,另一部分供有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合狀況及腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定[11]土壤含水量用烘干法,土壤容重及其他常規(guī)水分常數(shù)用環(huán)刀法,堿解氮用堿解擴(kuò)散法,有效磷用鹽酸-鉬酸銨法,速效鉀用醋酸銨火焰光度計(jì)法,p H用pH計(jì)測(cè)定,有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法。

1.3.2 土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合狀況測(cè)定[12]采用傅積平修改法,首先測(cè)定全土有機(jī)碳含量,用密度為1.80的溴仿-乙醇混合液提取重組(分離2次),測(cè)定重組質(zhì)量及有機(jī)碳含量,項(xiàng)目測(cè)定設(shè)3個(gè)重復(fù)。土壤復(fù)合量及原土復(fù)合度分別通過(guò)(1)、(2)式計(jì)算而得：

式中：H C——重組有機(jī)碳含量(g/kg);HW——重組質(zhì)量(g);SC——全土有機(jī)碳含量(g/kg);SW——全土質(zhì)量(g)。

1.3.3 腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)測(cè)定[13]按1.3.2中分離所得重組,用0.1 mol/L的NaOH(pH=12.4)淋洗重組分離所得上清液為松結(jié)合態(tài)組分,用0.1 mol/L的Na4P2O7(p H=13.0)繼續(xù)淋洗所得上清液為穩(wěn)結(jié)合態(tài)組分,殘?jiān)鼮榫o結(jié)合態(tài)組分,最后用重鉻酸鉀氧化-外加熱法分別測(cè)定3個(gè)組分含碳量,項(xiàng)目測(cè)定設(shè)3個(gè)重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面及性質(zhì)

經(jīng)11 a恢復(fù),調(diào)查土壤剖面并測(cè)定部分理化性狀,結(jié)果表明(表1)：受定期除草的人工攏動(dòng)影響,人工植草區(qū)土壤的A、B、C層均較自然恢復(fù)區(qū)下降5 cm,與植被凋落物及其分解情況,土壤流失淋溶作用相關(guān)的土壤p H和有效養(yǎng)分的分析結(jié)果表明,有效磷基本為痕量,堿解氮、速效鉀含隨土層加深而減少,但p H則呈增加趨勢(shì)。不同恢復(fù)措施間比較,上述化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)無(wú)本質(zhì)區(qū)別。

表1 不同恢復(fù)措施土壤部分理化性狀

2.2 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合狀況

對(duì)試驗(yàn)樣地土壤剖面A、B、C層的土壤有機(jī)質(zhì)分析結(jié)果表明(表2-3),土壤有機(jī)質(zhì)呈明顯垂直差異,表現(xiàn)為A層＞B層＞C層,其中人工植草區(qū)的A層有機(jī)質(zhì)含量比自然恢復(fù)下降2.64 g/kg,差異極顯著(P＜0.01)。有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合狀況的分析結(jié)果表明,重組有機(jī)碳、土壤復(fù)合量亦表現(xiàn)為A層＞B層＞C層,原土復(fù)合度則呈相反變化趨勢(shì),這與表層、亞表層凋落物較多,尚未分解的有機(jī)物質(zhì)比例較高有關(guān)。

不同恢復(fù)措施間比較,人工植草區(qū)A、B、C層重組有機(jī)碳含量分別為18.19 g/kg、11.96 g/kg、7.11 g/kg,較自然恢復(fù)區(qū)無(wú)明顯差異;土壤復(fù)合量分別為17.58 g/kg 、11.71 g/kg 、6.84 g/kg,較后者略有提升,增幅為0.25～0.67 g/kg;原土復(fù)合度分別為85.93%、89.64%、95.09%,較后者提升 3.35～7.30%,但差異均未達(dá)顯著水平。

表2 不同恢復(fù)措施土壤有機(jī)碳含量

表3 不同恢復(fù)措施土壤復(fù)合量及原土復(fù)合度

2.3 腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)

分析測(cè)定試驗(yàn)樣地土壤剖面A、B、C層的松、穩(wěn)、緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的有機(jī)碳含量,用以表征有機(jī)質(zhì)與土壤黏粒的結(jié)合態(tài)情況,結(jié)果表明松、穩(wěn)、緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)有機(jī)碳含量呈明顯垂直差異,表現(xiàn)為A層＞B層＞C層,與原土、重組有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)一致?；诓煌謴?fù)措施的重組有機(jī)碳無(wú)差異(即腐殖質(zhì)總量無(wú)差異)為基礎(chǔ),進(jìn)行腐殖質(zhì)的不同結(jié)合態(tài)組成進(jìn)行比較,結(jié)果表明(表4),不同結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)所占比例存在差異,其中緊結(jié)合態(tài)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體比例最高,占總結(jié)合態(tài)的 46.26%～59.79%,松結(jié)合態(tài)次高,占30.88%～45.05%,穩(wěn)結(jié)合態(tài)最低,占 6.75%～11.61%;不同土層腐殖質(zhì)在不同結(jié)合態(tài)的分配也有所差異,與A、B層比較,C層的松結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)比例下降9.06%～14.17%,緊結(jié)合態(tài)則上升6.62%～13.53%,松緊比值下降0.292～0.457個(gè)單位,土壤腐殖質(zhì)呈松結(jié)合態(tài)向緊結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

不同恢復(fù)措施間差異則主要體現(xiàn)在B層腐殖質(zhì)不同結(jié)合態(tài)的變化以及C層腐殖質(zhì)由松結(jié)合態(tài)向緊結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變的幅度。在自然恢復(fù)區(qū)(表4),B層松結(jié)合態(tài)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體比例下降5.11%,穩(wěn)、緊結(jié)合態(tài)比例分別上升2.93%,2.18%,松/緊比值下降0.149個(gè)單位,而在人工植草區(qū)A、B土層有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體結(jié)合態(tài)組成則基本無(wú)變化。C層土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體松/緊比值在自然恢復(fù)區(qū)下降0.308～0.457個(gè)單位,在人工植草區(qū)則僅下降0.292～0.328個(gè)單位,表現(xiàn)為人工植草區(qū)優(yōu)于自然恢復(fù)區(qū)的趨勢(shì)。

表4 不同恢復(fù)措施的結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)百分比及其松/緊比值

3 結(jié)論與討論

(1)在福建中亞熱帶紅壤山地,將侵蝕經(jīng)濟(jì)林(油茶)改造成人工草地(人工植草)、封山育林(自然恢復(fù))進(jìn)行生態(tài)恢復(fù),11 a后,A-C層土壤pH值為4.30～4.84,堿解氮達(dá) 78.92～173.00 mg/kg、有效磷＜1.0 mg/kg、速效鉀為15.20～35.10 mg/kg,對(duì)照福建省園地土壤養(yǎng)分的分級(jí)指標(biāo)(試行)[13],磷、鉀素仍較缺乏,不同恢復(fù)措施基本無(wú)差異。土壤有機(jī)質(zhì)含量10.28～33.31 g/kg,重組有機(jī)碳含量6.27～18.19 g/kg,不同土層的土壤理化性質(zhì)、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合狀況呈明顯分異,其中速效養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)隨土層加深呈下降趨勢(shì),土壤復(fù)合量亦呈相同變化趨勢(shì),與史吉平等在旱地紅壤的研究結(jié)果相符[14],土壤原土復(fù)合度隨土層加深則呈上升趨勢(shì),與表層、亞表層凋落物較多,有機(jī)質(zhì)總量高且未分解或半分解的輕組有機(jī)質(zhì)比例較高有關(guān),與熊毅的“高復(fù)合度的土壤,其有機(jī)質(zhì)含量往往較低”觀點(diǎn)及彭新華等山地紅壤研究結(jié)果相符[15-16]。

(2)一般認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)的含量與土壤質(zhì)量存在正相關(guān),因此恢復(fù)措施對(duì)侵蝕地土壤質(zhì)量的影響也將反映土壤有機(jī)質(zhì)的水平與質(zhì)量。土壤有機(jī)質(zhì)包括腐殖質(zhì)類、非腐殖質(zhì)類、有機(jī)殘?bào)w、土壤微生物體,其中由漫長(zhǎng)的腐殖化過(guò)程而形成的土壤腐殖質(zhì)是作物吸收養(yǎng)分的主要來(lái)源,亦是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外土壤界研究重點(diǎn)[10]。研究表明長(zhǎng)期恢復(fù)措施對(duì)土壤的培肥效果在腐殖化程度的提高,以及松、穩(wěn)結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量的增加上均有所體現(xiàn)[2,17-18],但不同的恢復(fù)措施對(duì)上述指標(biāo)的貢獻(xiàn)有所差別,尤其是在有多種恢復(fù)措施可供選擇的熱帶、亞熱帶區(qū)。楊玉盛等[2]研究表明封禁育林措施較植草措施有利于侵蝕區(qū)土壤腐殖化程度提高,黃炎和等[18]研究表明,日本草(Borreria latisolia)等5種綠肥翻埋均可提高土壤腐殖質(zhì)松/緊結(jié)合態(tài)比值,其中日本草作用最大。在本試驗(yàn)中人工植草(圓葉決明+百喜草)與自然恢復(fù)(封禁)的土壤腐殖質(zhì)總量基本無(wú)差異,且前者B、C土層的松/緊結(jié)合態(tài)比值較后者分別提高 0.108,0.040個(gè)單位,這與楊玉盛等[2]研究結(jié)果不一致,與他們?cè)囼?yàn)中植草效果不佳有關(guān)?；謴?fù)過(guò)程中,植被凋落物是影響土壤腐殖化過(guò)程的重要因素,自然恢復(fù)區(qū)凋落物以芒萁(Dicranopteris d ichotoma(Thunb.)Bernh)、珍珠茅(Scleria hebecarpa Nees)枯枝落葉為主,輔以少量油茶枯枝落葉,生物量較大,木質(zhì)素含量較高;而人工植草區(qū)凋落物量主要為圓葉決明、百喜草枯枝落葉雖凋生物量較低,但其中易分解的纖維素、半纖維素含量較高,有利于加速其腐殖化過(guò)程。

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