衡陽紫色土丘陵坡地自然恢復(fù)過程中植被與土壤特性變化

顏衡祁, 楊 寧

(1.湖南省祁陽縣大江林場,湖南祁陽426131;2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院,湖南衡陽421005)

衡陽紫色土丘陵坡地自然恢復(fù)過程中植被與土壤特性變化

顏衡祁1, 楊 寧2

(1.湖南省祁陽縣大江林場,湖南祁陽426131;2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院,湖南衡陽421005)

采用“空間序列代替時間序列”的方法,對衡陽紫色土丘陵坡地植被自然恢復(fù)過程中植被與土壤特性的變化進行研究.結(jié)果表明:(1)隨著植被恢復(fù)的進行,土壤種子庫密度顯著增加(P＜0.05),土壤種子庫的Patrick豐富度指數(shù)(R)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)顯著提高(P＜0.05),土壤種子庫的Simpson多樣性指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(E)顯著降低(P＜0.05);(2)隨著植被恢復(fù)的進行,植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的改變,植被密度顯著增加(P＜0.05),植物的Patrick豐富度指數(shù)(R)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)的大小順序均為:恢復(fù)階段(Ⅲ)＞恢復(fù)階段(Ⅳ)＞恢復(fù)階段(Ⅱ)＞恢復(fù)階段(Ⅰ)(P＜0.05);(3)隨著植被恢復(fù)的進行,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm各土層的土壤含水量、土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷發(fā)生明顯的變化(P＜0.05),速效鉀含量的變化不明顯(P＞0.05),其變化范圍為259.55～368.32 mg·kg-1.研究表明:衡陽紫色土丘陵坡地植被自然恢復(fù)有利于改善植被與土壤特性.表4,參21.

自然恢復(fù);土壤種子庫;群落結(jié)構(gòu);土壤性質(zhì);衡陽

在退化生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)和重建過程中,自然恢復(fù)已成為退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要措施之一,已被世界廣為采用[1-2].目前,國內(nèi)外學(xué)者已對退化生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)過程中物種性與土壤種子庫多樣性的變化[3-4],土壤性質(zhì)的變化[5-11],以及植被特征[12-14]等方面開展了大量的研究.但自然恢復(fù)對于退化生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤性質(zhì)的影響缺乏系統(tǒng)性研究,而開展退化生態(tài)系統(tǒng)的植被與土壤性質(zhì)系統(tǒng)的研究將有助于更好地了解退化生態(tài)環(huán)境的自然恢復(fù)后的植被與土壤恢復(fù)的過程.

衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2,是湖南省生態(tài)環(huán)境最為惡劣的地區(qū)之一,也是中國南方極具代表性的生態(tài)災(zāi)害易發(fā)地區(qū),為了遏制該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化,廣大科研工作者開展了大量的工作,并已取得一系列的研究成果[15,16],該文以研究區(qū)域自然恢復(fù)不同階段為研究對象,采用“空間序列代替時間序列”的方法[17-18],對比分析不同自然恢復(fù)階段植被特征(包括地下土壤種子庫特征和地上植被特征兩個方面),土壤理化性質(zhì)的變化以及土壤水分的變化動態(tài),較系統(tǒng)地研究自然恢復(fù)對土壤性質(zhì)與植被的影響,旨在探討衡陽紫色土丘陵坡地自然恢復(fù)過程中植被與土壤的變化特征,以期為該區(qū)域退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建提供依據(jù).

1 試驗地概況與研究方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于湖南省省衡南縣譚子山鎮(zhèn)蓮塘村、工聯(lián)村、水井村和長龍村(地理坐標為:111°32＇19″-111°35＇30″E,27°17＇35″-27°26＇24″N),是典型的紫色土丘陵地區(qū),土層淺薄(一般≤10 cm),部分基巖裸露,植被蓋度≤15%,植物種類稀少,木本植物主要有牡荊(Vitex negundo var.cannabifolia)、糯米條(Abelia chinensis)、六月雪(Serissa japonica)、紫薇(Lagerstroemia indica)、馬桑(Coriaria nepalensis)、白樺(Betula platyphylla)和剛毛忍冬(Lonicera hispida)等,草本植物主要有禾本科的狗尾草(Setaria viridis)、狗芽根(Cynodon dactylon)、過路黃(Lysimachia christinae)和菊科的野菊花(Dedranthema indicum)、田邊菊(Kalimeris indica)、繡線菊(Spiraea fritschiana)和土莊繡線菊(Spiraea pubescens)等.該地區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L濕潤氣候,20 a來的年平均氣溫為18.1℃(20 a中的極端最高溫度為40.2℃,極端最低氣溫為-9.8℃),雨季集中(5～7月份的降雨約占全年的60%以上),伏秋干旱嚴重,20 a來的年均降水量1 269.0 mm,蒸發(fā)量大于降水量,為1 397.6 mm,平均相對濕度80%(最大相對濕度為92%,最小60%),全年無霜期287 d.

1.2 樣地設(shè)置與取樣

結(jié)合當?shù)赜涊d資料,選擇坡度、坡向、坡位、海拔和裸巖率等生態(tài)因子大致相同的相互毗鄰的坡中下部沿等高線的有代表性的、按照自然恢復(fù)階段從低至高分別為(表1):Ⅰ.狗尾草群落階段(0～2 a),Ⅱ.狗尾草+野菊花群落階段(4～6 a),Ⅲ.牡荊+紫薇-狗尾草階段(18～24 a),Ⅳ.楓香(Liquidamdar formosana)+白樺-牡荊+馬桑-過路黃階段(≈50 a),代表不同的自然恢復(fù)階段.土壤種子庫的取樣于2011年3月5～8日進行,分別在每個樣地中平行設(shè)置100 m2(10 m×10 m)5個樣地,樣地間隔15 m,然后用自制的土壤種子庫采樣器(10 cm ×10 cm×10 cm)在樣地的四角和中心5點取樣,然后混合成一樣品,帶回實驗室陰干、過10 mm篩,用TTC法測種子活力[19],并計測其相應(yīng)的指標(包括種子密度(粒/m2)和多樣性指數(shù)),并于2011年8～9月份地上生物量最大時調(diào)查樣地的植被狀況(包括植物的種類、多度、胸徑、基徑和蓋度等),并計測植被密度(株/m2),蓋度(%)與多樣性等指數(shù).

為了排除植被根系與石塊對取樣的影響,在每個樣方內(nèi)根據(jù)樣點的生境情況采用多點取樣法(至少10點),且在每點取0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm 3層土樣,然后將相同樣點和相同土層的土樣進行充分混合,裝入塑料袋,貼上標簽,帶回實驗室.

表1 樣地基本情況Tab.1 Characteristic of sample plots

1.3 土壤理化指標的測定

將用塑料袋帶帶回的土樣分開充分風干后供測土壤的理化指標.其中:土壤含水量(Soil water content,SWC)(w/%):鋁盒烘干法(105℃,12 h);土壤有機質(zhì)(Soil organic matter,SOM)(w/g· kg-1):K2Cr2O7-濃硫酸外加熱法;全氮(Total nitrogen,TN)(w/g·kg-1):半微量凱氏法;堿解氮(Alkali-hydrolyzed nitrogen,AN)(w/mg·kg-1):擴散吸收法;速效磷(Available phosphorus,AP)(w/mg· kg-1):NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法;速效鉀(Available potassium,AK)(w/mg· kg-1):NH4Ac浸提-原子吸收法[20].

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Patrick豐富度指數(shù)(R)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)進行土壤種子庫和物種多樣性的計測,其計測方法參照文獻[3,4,21].

采用SPSS13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析.采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)間的差異,表中的所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)階段土壤種子庫特征

研究表明(表2),隨著植被恢復(fù)的進行,土壤種子庫密度顯著增加(P＜0.05),與恢復(fù)階段(Ⅰ)相比,恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ)的土壤種子庫密度提高 225.51%、411.59%和441.74%;土壤種子庫的Patrick豐富度指數(shù)(R)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)顯著提高(P＜0.05),恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ)的土壤種子庫Patrick豐富度指數(shù)(R)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)分別為恢復(fù)階段(Ⅰ)的1.38倍、1.50倍、1.88倍和1.11倍、1.51倍、1.71倍;土壤種子庫的Simpson多樣性指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(E)顯著降低(P＜0.05),與恢復(fù)階段(Ⅰ)相比,恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ)的Simpson多樣性指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(E)的土壤種子庫分別降低8.29%、33.66%、48.78%和9.20%、34.48%、54.02%.

表2 不同恢復(fù)階段的土壤種子庫特征Tab.2 The properties of soil seed bank in differentre-vegetation stages

2.2 不同恢復(fù)階段植物群落特征

研究表明(表3),隨著植被恢復(fù)的進行,植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的改變,植被密度顯著增加(P＜0.05),與恢復(fù)階段(Ⅰ)相比,恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ)的植被密度分別增加276.23%、436.86%和501.83%;Patrick豐富度指數(shù)(R)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)的大小順序均為:恢復(fù)階段(Ⅲ)(R,D,H,E)(23,0.88,2.44, 0.70)＞恢復(fù)階段(Ⅳ)(R,D,H,E)(19,0.76, 2.06,0.66)＞恢復(fù)階段(Ⅱ)(R,D,H,E)(14, 0.74,1.65,0.63)＞恢復(fù)階段(Ⅰ)(R,D,H,E) (11,0.69,1.40,0.60)(P＜0.05).

表3 不同恢復(fù)階段植被群落特征Tab.3 The properties of vegetation population indifferent re-vegetation stages

2.3 不同恢復(fù)階段土壤理化性質(zhì)

研究表明(表4),相同土層,恢復(fù)階段(Ⅰ)的土壤含水量顯著低于恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ)的土壤含水量(P＜0.05);恢復(fù)階段(Ⅰ),隨著土層深度的增加,土壤含水量顯著增加(P＜0.05),恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ),隨著土層深度的增加,土壤含水量顯著減小(P＜0.05).

表4 不同恢復(fù)階段土壤理化特征Tab.4 The soil physio-chemical properties in different re-vegetation stages

土壤有機質(zhì)、全氮和堿解氮呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,相同土層,隨著恢復(fù)的進行而顯著增加(P＜0.05),恢復(fù)階段(Ⅰ),隨著土層深度的增加,他們的含量顯著提高(P＜0.05),恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ),隨著土層深度的增加,其含量顯著減小(P＜0.05).

0～10 cm和20～30 cm土層,隨著恢復(fù)的進行,土壤速效磷顯著增加(P＜0.05),10～20 cm土層,各恢復(fù)階段差異明顯(P＞0.05);在恢復(fù)階段(Ⅰ)、恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ),20～30 cm土層的速效磷含量顯著低于0～10 cm和10～20 cm土層的速效磷含量(P＜0.05).

隨著恢復(fù)的進行和土層深度的增加,速效鉀含量的變化不明顯,其變化范圍為259.55～368.32 mg/kg.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

1)隨著植被恢復(fù)的進行,土壤種子庫密度顯著增加,土壤種子庫的Patrick豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)顯著增加,但Simpson多樣性指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(E)顯著減小(表2),造成這種現(xiàn)象的原因與土壤種子庫中單一優(yōu)勢種占較大比例,物種間的個體分布不均有關(guān);在植物群落特征中,恢復(fù)階段(Ⅲ)的Patrick豐富度指數(shù)(R)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)最大(表3),主要是因為自然恢復(fù)抑制了較強優(yōu)勢物種的生長,物種個體分布不均所致,符合“中等干擾假說”[12];

2)植被的恢復(fù)、蓋度的增加,減少了風蝕與水蝕,使土壤中的有機質(zhì)和N素得以增加,同時,由于凋落物的分解,P素也得以相應(yīng)的增加;植物的生長需要大量的C、N、P,恢復(fù)階段(Ⅰ),草本植物的根系較淺,分布于表層,所以表層的C、N和P低于土壤下層,恢復(fù)階段(Ⅱ)、恢復(fù)階段(Ⅲ)和恢復(fù)階段(Ⅳ),灌木和喬木的根系較深,消耗了下層土壤的C、N和P,所以下層土壤的C、N和P低于表層,且隨著植被恢復(fù)的向前推進,減少幅度越大;由于衡陽紫色土含有豐富的正長石等礦物,其風化后保留了相當數(shù)量的K,所以速效鉀處于259.55～368.32 mg/kg之間,差異變化不大[5].

3.2 結(jié)論

采用“空間序列代替時間序列”的方法,對衡陽紫色土丘陵坡地植被自然恢復(fù)過程中植被與土壤特性的變化進行研究,得出以下結(jié)論:

1)隨著植被恢復(fù)的進行,土壤種子庫密度顯著增加(P＜0.05),土壤種子庫的Patrick豐富度指數(shù)(R)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)顯著提高(P＜0.05),土壤種子庫的Simpson多樣性指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(E)顯著降低(P＜0.05).

2)隨著植被恢復(fù)的進行,植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的改變,植被密度顯著增加(P＜0.05),植物的Patrick豐富度指數(shù)(R)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(E)的大小順序均為:恢復(fù)階段(Ⅲ)＞恢復(fù)階段(Ⅳ)＞恢復(fù)階段(Ⅱ)＞恢復(fù)階段(Ⅰ)(P＜0.05).

3)隨著植被恢復(fù)的進行,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm各土層的土壤含水量、土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷發(fā)生明顯的變化(P＜0.05),速效鉀含量的變化不明顯,其變化范圍為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

國家“十五”農(nóng)業(yè)科技重大專項(編號:2001BA507A)

顏衡祁(1974-),男,湖南祁陽人,工程師,研究方向:園林園藝.

Biography:YAN Heng-qi,male,born in 1974,engineer,engaged in the research and popularization of the gardening plants and gardening technology.