喀斯特石漠化治理不同水土保持模式的生態(tài)效應(yīng)研究

顏　萍，熊康寧*，檀　迪，郭　杰，陳　航，胡晚枚

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院,貴州 貴陽　550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽　550001)

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喀斯特石漠化治理不同水土保持模式的生態(tài)效應(yīng)研究

顏萍1,2，熊康寧1,2*，檀迪1,2，郭杰1,2，陳航1,2，胡晚枚1,2

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院,貴州 貴陽550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽550001)

摘要：以畢節(jié)市撒拉溪鎮(zhèn)喀斯特高原山地潛在-輕度石漠化綜合防治示范區(qū)為研究單元，運(yùn)用野外取樣調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析方法，研究喀斯特石漠化治理區(qū)封山育林(模式I)、人工種草(模式II)、經(jīng)果林治理(模式III)和農(nóng)林混合(模式IV) 4種不同水土保持模式，與對照組(原生樣地)在不同季節(jié)的土壤效應(yīng)、植被效應(yīng)和小氣候效應(yīng)，旨在為喀斯特石漠化地區(qū)的水土保持治理和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建提供理論支撐。研究結(jié)果表明：4種水土保持模式的土壤含水量、田間持水量和毛管持水量在4月、8月、12月差異性顯著 (P<0.05)，均有對照組<模式I<模式II<模式III<模式IV的變化規(guī)律；不同水土保持模式的土壤全氮、全磷和全鉀在4月和8月無差異性顯著(P>0.05)；植被多樣性指數(shù)偏低，但均高于對照組，小氣候效應(yīng)優(yōu)于對照組。研究結(jié)果以期為對喀斯特石漠化地區(qū)的水土保持治理和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建研究提供參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)效應(yīng)；水土保持模式；石漠化治理；喀斯特

喀斯特石漠化(Karst rocky desertification)是土地荒漠化的主要類型之一，與北方的荒漠、黃土和凍土并稱為中國的4大環(huán)境脆弱帶[1]。國外最早的喀斯特研究以歐洲占主導(dǎo)地位，最初的研究只限于喀斯特的地質(zhì)成因、水文特征、喀斯特發(fā)育、喀斯特洞穴等方面[2]。直到1973年Legrand對喀斯特地區(qū)地面塌陷、森林退化、水土流失、石漠化等生態(tài)問題研究[3]，開始引起人們重視[4,5]。近年來，我國學(xué)者對喀斯特山區(qū)石漠化治理進(jìn)行了大量研究，熊康寧[6]等提出喀斯特地區(qū)水土保持應(yīng)以小流域?yàn)閱卧M(jìn)行綜合治理，以治理水土流失、防治石漠化水土保持為重點(diǎn)。高貴龍[7]等提出“三改一配套”工程，豐富了水土保持模式的治理技術(shù)。梅再美[8]以貴州清鎮(zhèn)退耕還林(草)示范區(qū)為例，研究喀斯特地區(qū)水土流失動態(tài)特征及生態(tài)效益。陳洪云[9]選取花江石漠化示范區(qū)，對比分析石漠化治理前后不同等級石漠化的生態(tài)效應(yīng)規(guī)律。常黎[10]通過對不同喀斯特地貌、流域、生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)的石漠化治理的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行長期的動態(tài)監(jiān)測、評價(jià)和分析，得到治理石漠化的一些規(guī)律。但如何將不同水土保持模式下的生態(tài)效應(yīng)和石漠化生態(tài)治理結(jié)合起來指導(dǎo)喀斯特地區(qū)石漠化治理過程中的合理保護(hù)與植被恢復(fù)還需深入研究。

喀斯特石漠化是喀斯特石質(zhì)山區(qū)坡耕地或植被剝離后，坡面在水力作用下，土壤被搬運(yùn)、流失后基巖逐步凸現(xiàn)和裸露的現(xiàn)象[9-11]?？刂剖陌l(fā)展，實(shí)質(zhì)上就是喀斯特山區(qū)的水土保持問題。目前，喀斯特地區(qū)石漠化治理的生態(tài)效應(yīng)已有大量研究[12-17]，但針對不同等級石漠化的氣候條件、地貌條件、土壤條件，匹配適宜的水土保持模式技術(shù)的相關(guān)研究報(bào)道較少。研究以畢節(jié)市撒拉溪鎮(zhèn)喀斯特高原山地潛在-輕度石漠化綜合防治示范區(qū)為研究對象，通過對喀斯特地區(qū)不同等級石漠化的水土保持模式的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行研究，為有效治理喀斯特地區(qū)石漠化水土保持治理和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1示范區(qū)概況

畢節(jié)市撒拉溪鎮(zhèn)喀斯特高原山地潛在-輕度石漠化綜合防治示范區(qū)，地處貴州省西北部、畢節(jié)市西部六沖河流域支流區(qū)，簡稱“畢節(jié)撒拉溪示范區(qū)”，是典型的喀斯特高原山地地貌，石漠化面積5 593.11km2，其中潛在、輕度、中度和強(qiáng)度石漠化分別占30.91%、22.26%、8.57%和3.09%；示范區(qū)海拔在1 600～2 000m左右；屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，冬春溫涼干旱，夏秋溫潤濕熱，多年平均氣溫12.8℃，1月平均氣溫2.3℃，7月平均氣溫21.2℃，極端最高氣溫33.8℃，極端最低氣溫-7℃，≥10℃年積溫3 717℃，平均無霜期258d，年平均日照時(shí)數(shù)1 218h，多年平均降水量在984.40mm，降水時(shí)空分布不均，主要集中于夏季7～9月，占年降水量的52.6%左右；地帶性土壤是黃壤，部分地區(qū)有山地黃棕壤和石灰土；植被以青岡(Cyclobalanopsisglauca)、火棘(Pyracanthafortuneana)等雜灌為主，零星分布云南松(Pinusyunnanensis)、馬尾松(Pinusmassoniana)為主的疏殘林。

在示范區(qū)選擇封山育林模式(模式I)、人工種草模式(模式II)、經(jīng)果林治理模式(模式III)、農(nóng)林混合模式(模式IV)4種不同水土保持模式，對照組為原生樣地，進(jìn)行生態(tài)效應(yīng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)(每種水土保持模式選擇3個(gè)20m×20m典型樣地，共計(jì)15個(gè)樣地)，分類標(biāo)準(zhǔn)參照國家林業(yè)局防治荒漠化管理中心關(guān)于石漠化綜合治理模式[18]和熊康寧等關(guān)于貴州石漠化防治技術(shù)與模式[19]。示范區(qū)樣地基本信息見表1。

表1　示范區(qū)樣地基本信息

2材料與方法

2.1樣品采集

為監(jiān)測不同水土保持模式的土壤效應(yīng)，2014年選取雨季前(4月)，雨季(8月)和雨季后(12月)定期對4種不同水土保持模式土壤進(jìn)行樣品采集，對照組的樣地按照隨機(jī)、等量、多點(diǎn)混合的原則，采用蛇形布點(diǎn)，使用取土環(huán)刀取土，各取土點(diǎn)間距約2.5m，采樣深度為0～20cm，用于測定物理指標(biāo)。同時(shí)，每一樣地采集3～5個(gè)表層土0～20cm的混合土樣，混合均勻后按四分法取1kg，共計(jì)45個(gè)土樣，將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，在室內(nèi)剔除石塊、植物殘?jiān)入s質(zhì)，用瑪瑙研缽研磨，并過孔徑為0.149mm的土壤篩，用于測定化學(xué)指標(biāo)。

2.1.1土壤理化性質(zhì)測定方法

用環(huán)刀法測定土壤水分含量、土壤容重、田間持水量、毛管持水量和孔隙度等物理性質(zhì)指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法(國標(biāo)GB7857-87)；全氮采用半微量開氏法(國標(biāo)GB7173-87)；全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法(國標(biāo)GB7852-87)；全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法(國標(biāo) GB7854-87)；水解氮采用FeSO4-Zn還原堿解擴(kuò)散法(國標(biāo)GB7849-87)；土壤有效磷采用0.05mol/L HCL-0.025mol/L的1/2H2SO4溶液浸提土壤樣品(國標(biāo) GB7853-87)；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法(國標(biāo)GB7856-87)[20-23]。

2.1.2植物多樣性測定方法

在15個(gè)樣地監(jiān)測植物群落的密度(株/m2)、蓋度(%)、平均高度(m/株)、平均冠幅(m2/株)、平均胸徑(cm/株)等指標(biāo)計(jì)算群落多樣性，其相關(guān)指標(biāo)及計(jì)算方法如下：

(1)

2)Pielou均勻度指數(shù)：E=H/lnS

(2)

(3)

在(1)～(3)式中，H為多樣性指數(shù)，E為均勻度指數(shù)，D為優(yōu)勢度指數(shù)，S為群落的總種數(shù)，Pi為種i的個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例，即Pi=Ni/N，Ni為種i的個(gè)體數(shù)，N為觀察到的個(gè)體總數(shù)[24]。

2.1.3小氣候測定方法

采用美國制造的4301電子溫濕度計(jì)，測定大氣溫度和相對濕度；用3415FQF光量子雙輻射計(jì)測定光照強(qiáng)度；用TM-902C針式數(shù)字溫度計(jì)測定不同深度5、10、15、20cm的土壤溫度。從早上8∶00至下午18∶00間隔2h觀測1次，每個(gè)指標(biāo)分別選擇3個(gè)典型樣點(diǎn)，取平均值，中午13∶00和下午15∶00各加密監(jiān)測1次[25-27]。

2.2數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003軟件進(jìn)行圖表統(tǒng)計(jì)，利用SPSS19.0軟件用T檢驗(yàn)完成組間成對均值的比較和單因素方差分析的最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行顯著性檢測。用Origin8.5軟件進(jìn)行繪圖分析。

3結(jié)果與分析

3.1不同水土保持模式的土壤效應(yīng)

3.1.1土壤物理性質(zhì)

土壤物理性質(zhì)是影響植被生長、微生物活動以及土壤中空氣、水分和養(yǎng)分協(xié)調(diào)的重要因素[23]。4種水土保持模式的土壤物理性質(zhì)在不同的季節(jié)有明顯差異(見表2)。土壤含水量、田間持水量和毛管持水量在4、8、12月差異性顯著(P<0.05)，均具有模式I<模式II<模式III<模式IV的變化規(guī)律。相比對照組4月的土壤含水量，模式I、模式II、模式III、模式IV分別增加了30.15%、36.28%、67.94%、86.53%，可見，4種水土保持模式的土壤持水情況均高于對照組，其中模式IV的土壤持水能力最好。4種水土保持模式的土壤容重在4月和8月的差異性顯著(P<0.05)，在12月無顯著性差異(P>0.05)，容重的變化情況與土壤含水量、田間持水量和毛管持水量呈負(fù)相關(guān)，容重大小順序?yàn)槟Ｊ絀>模式II>模式III>模式IV，說明模式IV土壤疏松多孔，土壤通氣性好，有利于植物生長發(fā)育和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)換。4種水土保持模式土壤的總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度在4、12月無顯著性差異(P>0.05)，8月的非毛管孔隙度也無差異性顯著(P>0.05)，而總孔隙度和毛管孔隙度差異性顯著(P<0.05)，且有模式IV的總孔隙度和毛管孔隙度顯著高于其他模式(P<0.05)。說明示范區(qū)不同水土保持模式土壤孔隙度在不同季節(jié)變化不明顯。

表2　不同水土保持模式的土壤物理指標(biāo)

注：表中數(shù)據(jù)為不同水土保持模式相同季節(jié)下土壤物理指標(biāo)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)據(jù)后不同字母表示同一組數(shù)據(jù)在0.05水平上差異顯著，下同。

3.1.2土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤化學(xué)性質(zhì)主要包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷、速效鉀等指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成物質(zhì)，也是土壤固相中較為活躍的部分[20]。通過分析，研究區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)詳見表3，結(jié)果顯示：4種水土保持模式的土壤有機(jī)質(zhì)在4、8、12月差異性顯著(P<0.05)，模式III、模式IV顯著高于模式I和模式II，4種水土保持模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于對照組。土壤中的氮素、磷素和鉀素是植物重要的營養(yǎng)元素，其含量的大小可以表明土壤氮素、磷素和鉀素的供應(yīng)能力，為合理施肥提供依據(jù)[23]。4種水土保持模式的土壤全氮、全磷和全鉀在4月和8月差異性不顯著(P>0.05)；12月，模式IV的全氮、全鉀顯著高于模式I、模式II和模式III(P<0.05)。說明模式IV土壤的全氮和全鉀供應(yīng)能力高于模式I、模式II和模式III。水解氮在4、8、12月變化大小均有對照組<模式I<模式II<模式III<模式IV的規(guī)律。有效磷和速效鉀在4月也有對照組<模式I<模式II<模式III<模式IV的規(guī)律，但在8月和12月沒有規(guī)律性的變化。

3.2不同水土保持模式的植被效應(yīng)

植被群落的基本特征主要指種類組成、種類的數(shù)量特征、外貌和結(jié)構(gòu)等[10]。通過調(diào)查，分析示范區(qū)植物群落作綜合，研究植被群落的特征與水土保持模式治理的關(guān)系，詳見表4。研究顯示：研究區(qū)的4種水土保持模式的植被多樣性指數(shù)均偏低，4種水土保持模式植被多樣性指數(shù)在4、8、12月差異性顯著(P<0.05)，大小順序?yàn)槟Ｊ絀<模式II<模式III<模式IV，均顯著高于對照組(P<0.05)；均勻度指數(shù)在4、8、12月無差異性顯著(P>0.05)；優(yōu)勢度指數(shù)在4、8月差異性顯著(P<0.05)，其中4月，模式I顯著高于模式II、III、IV(P<0.05)，8月模式I和模式IV顯著高于模式II和模式III，12月優(yōu)勢度指數(shù)無差異性顯著(P>0.05)，4種模式的均勻度指數(shù)在不同的季節(jié)均高于對照組。

表3　不同水土保持模式的土壤化學(xué)指標(biāo)

表4　不同水土保持模式的植被多樣性變化

3.3不同水土保持模式的小氣候效應(yīng)

統(tǒng)計(jì)示范區(qū)4種不同水土保持模式大氣溫度、光照強(qiáng)度、相對濕度在4、8、12月不同季節(jié)的小氣候的變化情況，見圖1所示。

3.3.1大氣溫度

不同水土保持模式下大氣溫度表現(xiàn)出一定的差異。分析圖1可知，4種不同水土保持模式的大氣溫度在4、8、12月均呈現(xiàn)倒U型曲線規(guī)律，顯著低于對照組(P<0.05)。從8∶00開始，4種不同水土保持模式的大氣溫度值都慢慢升高，到12∶00～14∶00左右達(dá)到最高值，其變化順序?yàn)閷φ战M>模式I>模式II>模式III>模式IV，到14∶00以后，大氣溫度均呈下降趨勢。8月，模式IV的大氣溫度顯著低于模式I、模式II和模式III(P<0.05)，這是因?yàn)檗r(nóng)林混合模式受人為因素較大，人工對其進(jìn)行灌溉管理、農(nóng)作物施肥等措施，相比其他模式，其植被覆蓋度也相對較高，植被的蒸騰作用也較大，使得周圍氣溫降低。

3.3.2光照強(qiáng)度

光照強(qiáng)度對植物生長有著重要的意義，同時(shí)植被覆蓋是影響光照強(qiáng)度的直接因素，由于植被覆蓋不同，光照強(qiáng)度在不同水土保持模式之間表現(xiàn)出差異。分析圖1，研究區(qū)4種不同水土保持模式的光照強(qiáng)度在4、8、12月均呈現(xiàn)倒V型曲線規(guī)律，日變化規(guī)律與大氣溫度相似，最高值出現(xiàn)在14∶00左右，而且14∶00附近的曲線變化幅度較大。4月，模式I的光照強(qiáng)度顯著高于模式II、模式III、模式IV(P<0.05)，4種水土保持模式在8月和12月的大小規(guī)律變化類似，12月的日變幅大小變化順序?yàn)閷φ战M>模式I>模式II>模式III>模式IV，說明模式IV的植被覆蓋率叫其他模式高，光照直接進(jìn)入林內(nèi)的強(qiáng)度低，使得光照強(qiáng)度低于其他模式。

3.3.3相對濕度

空氣相對濕度可以反映一定時(shí)間一定區(qū)域的小氣候特點(diǎn)[25]。4種不同水土保持模式的相對濕度在4、8、12月均呈現(xiàn)V型曲線規(guī)律，從8∶00開始，隨著太陽光照的加強(qiáng)，4種不同水土保持模式相對濕度的值都降低，到12∶00～14∶00左右達(dá)到最低值，這一變化規(guī)律與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。4種水土保持模式相對濕度大小順序：8月>12月>4月，相對濕度日變幅的季節(jié)變化大小順序?yàn)閷φ战M<模式I<模式II<模式III<模式IV，這是由于植被覆蓋度越高的模式，植被的呼吸作用和蒸騰作用排出的水分也較多，相對濕度較高。

圖1　不同水土保持模式的大氣溫度、光照強(qiáng)度、相對濕度不同季節(jié)的變化Fig.1　Changes of atmosphere temperature, light intensity, relative humidity of different soil and water conservation modes in different seasons

4結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

研究表明：喀斯特石漠化治理區(qū)這4種水土保持模式的生態(tài)效應(yīng)有明顯差異。土壤的理化性質(zhì)狀況均優(yōu)于對照組，有機(jī)質(zhì)含量在不同季節(jié)呈現(xiàn)對照組<封山育林(模式I)<人工種草(模式II)<經(jīng)果林治理(模式III)<農(nóng)林混合(模式IV)的規(guī)律，植被多樣性指數(shù)偏低，但均高于對照組，小氣候效應(yīng)也優(yōu)于對照組，治理效果最好的是農(nóng)林混合模式。該結(jié)論為喀斯特石漠化治理區(qū)的生態(tài)效應(yīng)的后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2建議

1)根據(jù)不同水土保持模式的生態(tài)效益特征，優(yōu)化不同的水土保持模式，提高不同水土保持模式治理下的土壤效應(yīng)、植被效應(yīng)和小氣候效應(yīng)。

2)研究區(qū)的4種不同水土保持模式中，農(nóng)林混合模式所匹配的水土保持治理模式的生態(tài)效應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)都較好。因此，針對喀斯特石漠化治理區(qū)特殊的地理環(huán)境，在未來的建設(shè)中可通過混農(nóng)林業(yè)復(fù)合經(jīng)營，進(jìn)行水土保持及土地整理、農(nóng)作物的品種改良、名特優(yōu)果樹和藥材生態(tài)產(chǎn)業(yè)的培植、耕作制度的革新等技術(shù)開發(fā)示范，從而帶動當(dāng)?shù)匕傩盏慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

3)由于研究只選取了4種典型的水土保持模式，不能全面反映喀斯特石漠化治理區(qū)復(fù)雜的水土保持治理的生態(tài)效應(yīng)響應(yīng)機(jī)制，應(yīng)多開展不同喀斯特地貌和喀斯特流域，不同的水土保持模式、石漠化等級的生態(tài)效應(yīng)研究，建立喀斯特石漠化治理區(qū)不同水土保持模式的生態(tài)效應(yīng)模擬試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析模擬的定量研究，從而提出具體的喀斯特石漠化治理的水土保持模式技術(shù)與體系。

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文章編號：1004—5570(2016)01-0001-07

收稿日期：2015-08-27

基金項(xiàng)目：貴州師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(研創(chuàng)[2014]24)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃重大課題(2011BAC09B01)；貴州省科技計(jì)劃重大專項(xiàng)(黔科合重大專項(xiàng)字[2014]6007號)

作者簡介：顏萍(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：喀斯特地貌與洞穴、石漠化治理，E-mail:yanping1989lm@163.com. *通訊作者：熊康寧(1958-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：喀斯特地貌與洞穴、世界遺產(chǎn)、石漠化治理，E-mail:xiongkn@163.com.

中圖分類號：X171.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Ecological effects of different soil and water conservation modes in Karst rocky desertification control

YAN Ping1,2,XIONG Kangning1,2*,TAN Di1,2,GUO Jie1,2,CHEN Hang1,2,HU Wanmei1,2

(1.School of Karst Science,Guizhou Normal University,Guiyang,Guizhou 550001,China; 2.State Engineering Technology Institute for Karst Desertification Control,Guiyang,Guizhou 550001,China)

Abstract:Using the regular field sampling survey and laboratory experiments analysis methods, Karst plateaus in Salaxi town of Bijie city was taken as study unit, which was the prevention and control demonstration area of potential and mild rocky desertification. In order to provide theoretical support to the soil and water conservation control and ecosystem restoration in Karst rocky desertification control area, this paper selected 4 kinds of different soil and water conservation modes that including forest conservation mode(mode I), artificial grass planting mode(mode II), economic fruit forest control mode(mode III) and agriculture and forestry mixed mode(mode IV), which compared with the control group (primary plot) to research the soil effects, vegetation effects and microclimate effects in different seasons. The results showed that soil moisture, field moisture and capillary water capacity had significant differences in the four kinds of soil and water conservation modes in April, August and December (P<0.05), both were in order of the control group< mode I 0.05); And vegetation diversity index was low, but the four kinds of soil and water conservation modes were higher than the control group, and the microclimate effects was better than the control group. The results will provide reference data for the soil and water conservation control and ecosystem restoration study in Karst rocky desertification area.

Key words:ecological effects; soil and water conservation modes; rocky desertification control; Karst