中亞熱帶植被恢復(fù)過程中崩崗?fù)寥佬再|(zhì)分異特征

區(qū)曉琳,陳志彪,*,陳志強,姜 超,梁美霞,陳海濱

1 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地,福州 3500072 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007

“崩崗(Collapse mound or Benggang)”,用于描述一類“紅壤丘陵坡地侵蝕溝溝頭由于水力和重力的復(fù)合作用發(fā)生坍塌、陷蝕形成的深圍椅狀崩口地貌”[1],是溝谷發(fā)育的高級階段,為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化的最高形式[2-3],沿徑流方向可分為集水坡面、崩壁、崩積體、溝道和沖積扇等子系統(tǒng)[4]。崩崗集中分布于我國長江流域、珠江流域以及東南沿海諸河流域花崗巖紅壤丘陵山區(qū),崩塌面積≥60 m2達23.9萬處,侵蝕面積約1200 km2,年侵蝕總量6000萬t以上,平均侵蝕模數(shù)高達5.9萬t km-2a[5]；崩崗侵蝕具有發(fā)展迅速、突發(fā)性強,侵蝕模數(shù)大、危害嚴重的特點。其危害僅次于泥石流和滑坡,因侵蝕產(chǎn)生大量泥沙掩埋農(nóng)田,淤積河道,使土地資源受損,甚至對區(qū)內(nèi)防洪安全、糧食安全及人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成潛在威脅,崩崗侵蝕是導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素。

因此,探討崩崗侵蝕發(fā)生機理與治理措施已成為研究崩崗的核心問題。劉希林等[6-7]運用三維激光掃描技術(shù)對廣東省五華縣蓮塘崗崩崗降雨侵蝕水文過程展開監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)崩崗侵蝕主要發(fā)生在崩壁、崩積體及兩者側(cè)向的區(qū)域,且在24 h內(nèi)≥100 mm暴雨對崩崗侵蝕量的貢獻最為顯著。鄧羽松等[8-9]對湖北省通城縣楊壟和五里崩崗剖面土壤水分特征調(diào)查得出,不同空間層次土壤容重、含水量、水吸力、顆粒組成及孔隙分布分異明顯。蔣芳市等[10]通過人工降雨模擬探討不同坡度和雨強下福建省安溪縣洋坑崩崗崩積體泥沙顆粒輸移規(guī)律；林金石等[11]分別采用直接剪切和三軸剪切試驗對崩崗紅土層土壤抗剪強度與含水率的關(guān)系進行分析。上述研究側(cè)重于崩崗崩壁以及風(fēng)化殼不同層次巖土含水狀況、顆粒組成和物理機械性能等物理特性差異和崩積體與崩崗降雨-侵蝕過程觀測與模擬等方面。由于崩崗系統(tǒng)各部位侵蝕特征不同,集水坡面、崩壁、崩積體及溝道等崩崗系統(tǒng)內(nèi)土壤性質(zhì)存在差異,但對其主要理化指標(biāo)空間分布的分析相對薄弱,且植被侵入與生長過程對崩崗系統(tǒng)土壤性質(zhì)的影響特征亦有待進一步深入探討。

植被恢復(fù)是退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的核心,植被恢復(fù)中土壤特性是評價退化生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指標(biāo),是定量反映植被恢復(fù)與土壤環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律[12-16]。植被恢復(fù)顯著提高表層土壤養(yǎng)分含量,尤其是有機碳儲量明顯增加,從而影響植物生長生理過程[15,17-18]。福建省長汀縣境內(nèi)丘陵分布廣泛,土壤抗蝕性極差,且因過度的農(nóng)林資源利用以及當(dāng)?shù)鼐用裆钌a(chǎn)的嚴重干擾,植被破壞引起嚴重的水土流失,植被自然恢復(fù)較為困難,因而,該地區(qū)成為我國中亞熱帶花崗巖紅壤生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)的典型代表[19]。長期以來,對于植被恢復(fù)過程中崩崗?fù)寥览砘再|(zhì)空間分異規(guī)律的認識比較模糊。為此,本文以福建省長汀縣濯田鎮(zhèn)黃泥坑崩崗群內(nèi)3處不同植被蓋度的崩崗為研究對象,分析崩崗系統(tǒng)不同侵蝕部位土壤理化指標(biāo)的分異特征,揭示崩崗侵蝕部位土壤性質(zhì)與植被恢復(fù)的響應(yīng)規(guī)律,以期深化對崩崗侵蝕區(qū)土壤生態(tài)效應(yīng)與物質(zhì)循環(huán)機制的理解,并為指導(dǎo)崩崗治理實踐與恢復(fù)成效評價提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長汀縣位于福建省西南部,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫18.5℃,年均降雨量1710 mm,年均相對濕度80%,年均蒸發(fā)量1403 mm,年均無霜期260 d,≥10℃積溫4100—4650℃；歷史上該區(qū)域植被的嚴重破壞,山體坡面在強降雨條件下,集水坡面匯集的徑流對表土沖蝕下切至砂土層,形成切溝。由于砂土層土體松散,抗蝕性差,加之跌水作用形成懸空臨界面(崩壁),坍塌的土體在崩壁底部形成崩積體,崩積體在降雨徑流沖刷下土體再侵蝕隨徑流通過溝道遷移到下游。全縣崩崗總計3583條,占福建省崩崗總數(shù)的13.77%,侵蝕面積7.28 km2,占全省崩崗侵蝕總面積的11.36%。黃泥坑崩崗群(25°31′49″ N,116°16′52″ E)位于濯田鎮(zhèn)西南部,205省道邊的?？宇^村段西側(cè)約1 km處,分布崩崗共34條,侵蝕面積約37500 m2。該處崩崗群區(qū)域內(nèi),大多數(shù)崩崗表土近乎裸露,由于植被的缺乏,侵蝕嚴重,土壤理化性質(zhì)總體下降到極低水平。

2 試驗設(shè)計

2.1 樣地確定與采集

根據(jù)典型性和代表性的原則,課題組于2014年7月份在黃泥坑崩崗群同一集水區(qū)域內(nèi)選取了3條崩崗(崩壁侵蝕皆接近山體分水嶺,均屬于崩崗發(fā)育的后期),但由于坡面的3條侵蝕溝匯水特征的變化。其中崩崗Ⅰ的崩壁繼續(xù)受跌水影響,處于活躍狀態(tài),崩崗內(nèi)白色粗粒石英顆粒隨處可見,形成高約1 cm的微土柱,有2 mm物理結(jié)皮覆蓋,崩積堆有新土堆積,在崩壁下部和崩積體生長著零星芒萁(Dicranopterisdichotoma)散布,長勢極差,植被覆蓋度僅2%(裸露崩崗)；崩崗Ⅱ的崩壁處于間歇性跌水(因降水強度大小而異),處于半穩(wěn)定狀態(tài),崩崗內(nèi)赤褐色表土裸露,質(zhì)地疏松,約5 mm物理結(jié)皮覆蓋,有部分植物侵入,主要植被有馬尾松幼樹(Pinusmassoniana)、崗松(Baeckeafrutescens)、烏毛蕨(Blechnumorientale)和芒萁,主要稀疏散布在崩壁下部以及崩積體部位,植被枝干矮小,植被覆蓋度約20%(低覆蓋崩崗)；崩崗Ⅲ由于崩壁跌水消失,處于穩(wěn)定狀態(tài)植物侵入后,除了崩壁有部分土體出露,其余部位均有植被覆蓋,地表凋落物的厚度5 cm以上；灌木植被以毛冬青(Ilexpubescens)、輪葉蒲桃(Syzygiumgrijsii)及崗松為主,草本有五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、黑莎草(Gahniatristis)和芒萁等,植被覆蓋度達95%(高覆蓋崩崗)。崩崗Ⅱ位于Ⅰ西側(cè)約5 m處,崩崗Ⅲ位于Ⅱ西南方向約10 m處。崩崗具體信息見表1。

表1 試驗崩崗基本情況

圖1 崩崗侵蝕采樣分布圖Fig.1 Sites for soil sampling in collapse mounds UC:集水坡面,Upper catchment；WT:崩壁頂部,Top collapsing wall；WM:崩壁中部,Middle collapsing wall；WB:崩壁底部,Bottle collapsing wall； DU:崩積體上部,Upper colluvial deposit；DL:崩積體下部,Lower colluvial deposit；CO:溝道出口 Channel outlet

根據(jù)崩崗侵蝕土體的遷移過程和崩崗各部位的長度或高差的實際情況,按徑流方向從上到下將崩崗劃分為7個部位,分別為集水坡面(UC)、崩壁頂部(WT)、崩壁中部(WM)、崩壁底部(WB)、崩積體上部(DU)、崩積體下部(DL)和溝道出口(CO)。在以上7個部位的中軸線位置布設(shè)7個樣點(相鄰樣點間距4—7 m),采集其0—20 cm表層土壤。用環(huán)刀-鋁盒采集各樣點原狀土1份；同時,每一樣點中在2 m×2 m的小型樣方內(nèi)按“梅花形”5點采樣混合均勻成1個混合樣(重量約1 kg),裝入聚乙烯自封袋內(nèi),并編號貼上標(biāo)簽；另外,于各樣點等高位置距中軸線兩側(cè)1.5—2 m處設(shè)置2個重復(fù),土樣共63份。采樣點分布圖見圖1。

2.2 樣品處理與測定

因銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量測定需要鮮土,土樣迅速帶回實驗室,取適量鮮土樣,用2 mol/L的KCl浸提,過濾,采用連續(xù)流動分析儀(Skalar san++,荷蘭)測定；土壤容重采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀稱重法。其余土樣待自然風(fēng)干后,挑除枝葉等雜物后,四分法混合均勻后研磨過篩,用于各土壤指標(biāo)測定,包括：顆粒組成、pH、有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀。土壤顆粒組成采用粒徑分析系統(tǒng)(SEDIMAT4-12,德國)測定；pH按照水土比為2.5∶1,采用便攜式酸度計(STARTER 300,中國)測定；有機碳和全氮采用碳氮元素分析儀(Elemantar vario MAX,德國)測定；全磷用硫酸-高氯酸消煮定容及過濾,提取待測液后,采用連續(xù)流動分析儀(Skalar san++,荷蘭)測定；全鉀用氫氟酸-高氯酸消煮定容及過濾,提取待測液,采用火焰分光光度儀測定(FP 6140,中國)；速效磷用Mehlich3法浸提后,采用連續(xù)流動分析儀((Skalar san++,荷蘭)測定；速效鉀用1 mol/L NH4OAc浸提后,采用火焰光度計法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel軟件初步整理后,采用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析。利用單因素方差分析(One-Way ANOVA)確定不同植被恢復(fù)和崩崗侵蝕部位對土壤性質(zhì)的影響,顯著性檢驗采用Duncan新復(fù)極差方法(顯著性水平設(shè)為α=0.05),利用Pearson相關(guān)系數(shù)和因子分析評價崩崗系統(tǒng)土壤性質(zhì)間相關(guān)程度,圖表制作通過Origin 9.0完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 崩崗系統(tǒng)土壤物理性質(zhì)空間分布特征

土壤容重是表征土壤緊實程度的敏感指標(biāo),影響土壤中水分、氣體及養(yǎng)分的蓄存及輸移[20]。由表2得知,各崩崗?fù)寥廊葜刈兓秶鸀?.17—1.63 g/cm3,崩崗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤容重均值分別為1.41 g/cm3、1.42 g/cm3和1.29 g/cm3,其變異系數(shù)表現(xiàn)為崩崗Ⅲ(11.05%)>Ⅱ(10.67%)>Ⅰ(6.06%)。從Ⅰ到Ⅱ,土壤容重變化較?。粡谋缻彚虻奖缻彚?土壤容重下降10.1%。在崩崗各部位中,3條崩崗的土壤容重呈先增加后減少再增加的趨勢,溝道出口的容重高于其他部位。另外,崩崗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的pH分別為5.14、5.13、4.86,其變異系數(shù)分別為3.2%、3.73%和5.11%。崩崗Ⅰ、Ⅱ的pH在各部位的變化趨勢相似,集水坡面最低(分別為4.93和4.89),溝道最高(分別為5.24、5.51)。崩崗Ⅲ的pH變化表現(xiàn)為沿徑流方向(集水坡面→崩壁→崩積體→溝道出口,下同)呈增加→減少→增加趨勢,崩壁頂部和溝道的值最高(5.19、5.25)。造成3條pH的差異可能由于1、2號植被稀疏,3號植被覆蓋較為完好,在馬尾松芒萁等枯落物分解過程中產(chǎn)生大量酸性成分,導(dǎo)致pH下降。

表2 不同部位崩崗?fù)寥廊葜嘏cpH(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

不同小寫字母表示不同部位間差異達到顯著水平 (P<0.05)

土壤顆粒組成反映土壤礦物組分的大小、數(shù)量及比例,決定土壤容重、質(zhì)地等重要物理特性,并導(dǎo)致養(yǎng)分賦存形態(tài)的差異[21]。3處崩崗不同部位土壤顆粒組成特征如表3所示,崩崗侵蝕區(qū)土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別介于34.43%—73.51%、11.89%—33.82%、11.90%—28.85%。崩崗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ砂粒含量均值分別54.27%、54.47%和50.27%,粉粒含量均值分別為27.15%、26.99%和27.21%,黏粒含量均值分別為19.06%、18.54%和22.52%。土壤砂粒含量的變異系數(shù)表現(xiàn)為崩崗Ⅲ(23.50%)>Ⅰ(18.38%)>Ⅱ(16.76%),粉粒含量的變異系數(shù)表現(xiàn)為崩崗Ⅰ(27.78%)>Ⅲ(25.36%)>Ⅱ(24.80%),黏粒含量的變異系數(shù)表現(xiàn)為崩崗Ⅱ(23.76%)>Ⅲ(23.67%)>Ⅰ(20.31%)。3條崩崗中,崩崗Ⅰ和Ⅱ的土壤機械組成含量差異較小,從崩崗Ⅱ到Ⅲ砂粒含量降低了8.35%,粉粒和黏粒含量分別增加了0.81%和17.67%。從崩崗各部位來分析,崩崗Ⅰ、Ⅱ從集水坡面到崩積體下部的砂粒含量逐漸增加,而溝口處砂粒含量達到最高值,且顯著高于其他部位(P<0.05)。崩崗Ⅲ各部位砂粒含量總體上相對低于崩崗Ⅰ、Ⅱ的各部位,主要表現(xiàn)為集水坡面到溝道出口呈顯著的增加趨勢(崩壁頂部和崩積體下部除外)。崩崗Ⅰ、Ⅱ的粉粒含量從集水區(qū)至崩積體下部逐漸減少,溝道出口處的粉粒含量迅速降低。崩崗Ⅲ除崩積體下部的粉粒含量較高外,從崩壁頂部到溝道出口呈降低趨勢。黏粒表現(xiàn)為先減少后增加,在溝道出口處最少的變化趨勢。

表3 不同部位崩崗?fù)寥李w粒組成(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

不同小寫字母表示不同部位間差異達顯著水平(P<0.05)

3.2 崩崗系統(tǒng)土壤養(yǎng)分含量空間分布特征

為闡明侵蝕部位對崩崗系統(tǒng)土壤主要化學(xué)性質(zhì)的影響,對不同植被覆蓋度下崩崗?fù)寥鲤B(yǎng)分含量空間分異特征進行分析。如圖2所示,不同植被覆蓋的崩崗系統(tǒng)不同部位土壤全量養(yǎng)分含量存在明顯空間差異。崩崗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤有機碳和全氮含量分別為0.71、0.90、5.84 g/kg和0.21、0.21、0.59 g/kg。崩崗Ⅲ各部位的有機碳全氮含量均明顯高于崩崗Ⅰ和崩崗Ⅱ。崩崗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤全磷和全鉀含量分別為0.056、0.053、0.070 g/kg和4.22、4.49、5.78 g/kg,崩崗Ⅲ全磷和全鉀含量總體上略高崩崗Ⅰ和崩崗Ⅱ,即隨植被覆蓋度的增加,崩崗?fù)寥乐械挠袡C碳、全氮、全磷和全鉀含量呈增加的趨勢。就崩崗各部位來看,崩崗Ⅰ、Ⅱ各部位土壤有機碳和全氮的變化趨勢一致,均沿徑流方向呈減少→增加→減少的變化趨勢,且集水坡面高于其他部位,崩崗Ⅱ的有機碳和全氮含量稍略高Ⅰ。崩崗Ⅲ崩壁頂部的有機碳和全氮含量出現(xiàn)低峰,這可能由于崩壁頂部無植被覆蓋的緣故,溝道出口處的有機碳和全氮含量最低(0.94 g/kg和0.26 g/kg)。

崩崗Ⅰ、Ⅱ中集水坡面和崩積體(上部和下部)的全磷含量相當(dāng),崩崗Ⅰ的崩壁(頂部、中部和底部)高于崩崗Ⅱ。崩崗Ⅰ沿徑流方向呈減少到增加的趨勢,在溝道出口處全磷含量為最高。崩崗Ⅱ沿徑流方向呈增加到減少的趨勢。崩崗Ⅲ從沿徑流方向呈減少→增加→減少的趨勢,崩積體上部的全磷含量最高(0.092 g/kg),崩壁頂部和溝道出口最低(0.052 g/kg、0.059 g/kg)。崩崗Ⅱ、Ⅲ各部位的土壤全鉀含量的變化趨勢相似,但崩崗Ⅲ的全鉀含量高于崩崗Ⅱ。崩崗Ⅰ除崩壁中部和崩積體上部的全鉀含量略高(分別為5.96 g/kg和5.36 g/kg),其他部位的全鉀含量沿徑流方向呈現(xiàn)下降的趨勢,溝道出口處的全鉀含量最低,為1.98 g/kg。崩崗Ⅱ、Ⅲ從集水坡面到崩壁中部全鉀含量變化不大,從崩壁中部→崩積體上部→溝道出口呈先增加后減少趨勢,崩積體上部全鉀含量最高(分別為6.64、8.70 g/kg)?？傊?崩崗系統(tǒng)土壤全量養(yǎng)分含量總體上沿徑流方向表現(xiàn)出減少、增加再減少的波動變化規(guī)律。

圖2 崩崗不同部位土壤有機碳及全量養(yǎng)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

相對于全量養(yǎng)分,不同植被覆蓋度的崩崗系統(tǒng)土壤各速效養(yǎng)分含量基本呈現(xiàn)出相反的空間分布特征(圖3)。崩崗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為10.95、6.16、7.26 mg/kg和1.48、0.98、0.86 mg/kg。崩崗Ⅰ、Ⅱ的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮沿著徑流方向呈增加→減少→增加→減少的波動變化趨勢,崩壁頂部的銨態(tài)氮含量最高(分別為16.70 mg/kg和13.40 mg/kg),崩積體上部的硝態(tài)氮含量最高(分別為2.59 mg/kg和2.02 mg/kg)。崩崗Ⅲ土壤銨態(tài)氮含量的變化趨勢與有機碳和全氮的變化趨勢相似,表現(xiàn)為沿徑流方向呈減少→增加→減少的變化趨勢。土壤硝態(tài)氮含量變化從集水坡面到溝道出口表現(xiàn)為平緩的下降趨勢。

崩崗Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的土壤速效磷和速效鉀含量分別為0.66、0.61、0.33 mg/kg和23.24、30.59、19.32 mg/kg。崩崗Ⅰ的土壤速效磷含量沿徑流方向呈增加趨勢,溝道處速效磷含量最高,為0.91 mg/kg。崩崗Ⅱ的土壤速效磷含量從集水坡面到崩壁底部無明顯變化,最低值在崩積體上部(0.30 mg/kg),從崩積體上部到溝道出口呈明顯的增加趨勢。崩崗Ⅲ速效磷含量呈“W”變化趨勢,崩壁底部和崩積體下部為最低點(分別為0.16 mg/kg和0.20 mg/kg)。崩崗Ⅰ中從集水坡面到崩壁底部土壤速效鉀含量呈降低趨勢(31.18 mg/kg→13.91 mg/kg),到溝道出口處速效含量為28.48 mg/kg。崩崗Ⅱ從集水區(qū)到崩積體上部速效鉀含量呈降低趨勢(41.62 mg/kg→14.99 mg/kg),此后的部位略有增加。崩崗Ⅲ徑流方向呈現(xiàn)增加→下降→增加的變化特點,崩壁底部的速效鉀含量最低(38.72 mg/kg),三者總體上呈“V”形變化態(tài)勢。

圖3 崩崗不同部位土壤速效養(yǎng)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 崩崗系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)程度

為進一步了解各植被蓋度崩崗?fù)寥佬再|(zhì)間的相互影響,對崩崗系統(tǒng)土壤基本理化指標(biāo)進行相關(guān)性分析(表4)。結(jié)果表明,土壤容重與pH、速效磷含量呈極顯著正相關(guān),與硝態(tài)氮含量達到顯著正相關(guān)水平,與有機碳、全氮含量呈極顯著負相關(guān),與全鉀含量達到顯著負相關(guān)水平。以上結(jié)果表明崩崗?fù)寥鲤B(yǎng)分含量分異很大程度受到土壤容重的影響。土壤顆粒組成除了與pH、速效磷含量具有極顯著相關(guān)性以外,與其余指標(biāo)均無明顯相關(guān)關(guān)系,這是由于植被恢復(fù)過程中崩崗?fù)寥罊C械組成無顯著差異,物理結(jié)構(gòu)尚無明顯改善,因而對土壤養(yǎng)分含量的影響相對較小。與此同時,pH與絕大多數(shù)指標(biāo)具有顯著甚至極顯著相關(guān)關(guān)系,表明pH對崩崗?fù)寥牢锢憝h(huán)境及調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡具有重要作用。有機碳含量除了受到土壤容重、顆粒組成、pH的顯著影響外,與全氮、全磷、全鉀含量呈極顯著正相關(guān),與速效磷、速效鉀含量呈極顯著負相關(guān),說明植被恢復(fù)對崩崗?fù)寥廊筐B(yǎng)分含量的影響可能具有同質(zhì)效應(yīng),而速效養(yǎng)分受到植被利用吸收和地表徑流侵蝕的交互影響,可能表現(xiàn)出與全量養(yǎng)分含量迥異的特征。另外,硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量與其他土壤性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性較低,說明強度侵蝕環(huán)境(崩崗)土壤礦質(zhì)化氮的轉(zhuǎn)化受理化性質(zhì)的影響較小。

表4 崩崗?fù)寥览砘再|(zhì)的相關(guān)性分析

**表示在P<0.01水平下相關(guān)性達到極顯著；*表示P<0.05水平下相關(guān)性達到顯著

4 討論

4.1 植被恢復(fù)過程中崩崗系統(tǒng)土壤物理性質(zhì)的空間分異

崩崗侵蝕過程可概括為：在植被嚴重破壞后,土壤沿集水坡面(匯水)→崩壁(坍塌)→崩積體(堆積后再侵蝕)→溝道(搬移)→洪積扇(堆積)的空間輸移過程[7,22-23]。由于土體結(jié)構(gòu)不同的破壞程度,使崩崗各部位的土壤特性空間分布存在一定的差異。隨著崩崗侵蝕程度下降甚至崩崗發(fā)育終止,隨之先鋒植物逐漸侵入、存活、生長與繁殖,崩崗內(nèi)植被蓋度明顯增加。在降雨過程中,通過植被冠層截留,降雨動能得以極大程度消減,枯枝落葉層的覆蓋也使表土侵蝕得以有效控制。植被產(chǎn)生凋落物經(jīng)腐化分解增加地表土壤有機質(zhì)養(yǎng)分,而地下根系更是直接參與土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程。植被狀況影響著侵蝕退化地土壤性質(zhì)的空間差異性[12-13]。

從不同植被覆蓋度來看,植被覆蓋為2%和20%的崩崗Ⅰ、Ⅱ的土壤容重、pH和土壤顆粒組成含量以及變化趨勢相似(見表5)。崩崗Ⅰ、Ⅱ除了黏粒含量低于覆蓋度為95%的崩崗Ⅲ,其他物理指標(biāo)均高于崩崗Ⅲ。造成這結(jié)果可能由于崩崗發(fā)育后土壤物理結(jié)構(gòu)均遭嚴重破壞,而崩崗Ⅲ植被覆蓋度相對較高,對土壤容重和土壤顆粒組成有一定的改善,但由于前期亦遭受崩崗侵蝕,土壤理化性質(zhì)尚未得到根本的改善?？傮w上,崩崗侵蝕區(qū)域土壤物理性質(zhì)均較差,植被恢復(fù)過程中崩崗?fù)寥牢锢硇再|(zhì)雖然稍有改善,但劇烈的侵蝕作用對土壤物理結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)在短期年限內(nèi)難以根本恢復(fù),需要更長的恢復(fù)年限。本研究結(jié)果與Vallauri等[12]和唐國勇等[24]分別在阿爾卑斯山南麓侵蝕劣地植林120 a和我國金沙江流域干熱河谷植林22 a后土壤物理性狀的研究結(jié)果基本一致。在劇烈的崩崗侵蝕環(huán)境下土壤物理結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的同質(zhì)效應(yīng)[25],印證了崩崗侵蝕作為南方紅壤丘陵山地最為嚴重的侵蝕類型對土壤結(jié)構(gòu)破壞作用的嚴重性[4,26]。

崩崗侵蝕導(dǎo)致其土壤物理性質(zhì)空間分異,崩崗從集水坡面至溝道出口土壤容重總體呈先升高后降低再升高趨勢。其中,在崩積體處的土壤容重低于崩壁,這主要由于崩積體是由崩壁土體發(fā)生崩塌墜落形成,其土質(zhì)松散。集水坡面地處崩崗系統(tǒng)后緣部分,土壤侵蝕以面蝕為主,侵蝕強度較低,土壤容重較其他部位偏低。土壤顆粒組成的部位分異主要受強烈的侵蝕作用所致,崩崗的砂粒含量占50%以上,其空間分布特征與土壤容重基本類似,尤其溝道出口是崩崗系統(tǒng)泥沙輸移的通道,受徑流沖刷作用,隨著徑流路徑的逐漸延長,細小顆粒組分被搬運至洪積扇甚至下游農(nóng)田,而粗大顆粒單元逐漸在溝道沉積下來[23,25],溝道出口處的砂粒比例高達70%以上,顯著高于其他部位。粉粒和黏粒含量的空間變化趨勢與砂?；鞠喾?。總體而言,溝道出口與其他部位間土壤物理性質(zhì)差異明顯,而集水坡面、崩壁及崩積體等區(qū)域土壤物理性質(zhì)空間差異較小,這一分異特征與崩崗侵蝕過程與機制的復(fù)雜性有關(guān)[6-7,22-23]。

表5 植被恢復(fù)對崩崗?fù)寥牢锢硇再|(zhì)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

不同小寫字母表示不同植被覆蓋度間達顯著差異水平(P<0.05)

4.2 植被恢復(fù)過程中崩崗系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的空間分異

崩崗植被恢復(fù)對調(diào)控退化生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán),改善肥力狀況具有重要影響[15]。本研究中,不同植被覆蓋度下崩崗?fù)寥鲤B(yǎng)分含量呈現(xiàn)出更加明顯分異規(guī)律(表6)。植被覆蓋度達95%的崩崗Ⅲ各部位有機碳和全氮含量均明顯高于低覆蓋的崩崗Ⅰ、Ⅱ。而土壤崩崗Ⅱ除有機碳含量略高于崩崗Ⅰ外,全氮含量相對一致,這主要是由于極度侵蝕退化區(qū)凋落物的礦化分解歸所致[27]。隨著植被蓋度的逐漸升高,土壤有機碳和全氮含量明顯增加,崩崗Ⅲ的土壤全磷和全鉀含量高于崩崗Ⅰ、Ⅱ,但崩崗系統(tǒng)內(nèi)的土壤全磷、全鉀含量普遍低下,這是由于研究區(qū)地處中亞熱帶濕潤區(qū),受氣候條件、成土母質(zhì)、土壤侵蝕及植被生長等因素影響,導(dǎo)致磷素出現(xiàn)普遍流失[28],但枯枝落葉的增加在一定程度上提高了全磷和全鉀的含量。

土壤速效養(yǎng)分含量反映土壤養(yǎng)分有效性,是養(yǎng)分循環(huán)中分解歸還與淋溶流失過程動態(tài)平衡的結(jié)果,其含量的高低主要受植被吸收、地表侵蝕、微生物活動、土壤水熱條件等諸多因素的交互影響[29-30]。在崩崗中,土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨植被蓋度提高基本呈減少態(tài)勢(表6),植被蓋度較高的崩崗Ⅲ地表凋落物較為豐富,其層厚度達到5 cm以上,對土壤溫濕度和通氣性產(chǎn)生一定影響,加之植物生長消耗導(dǎo)致該崩崗的無機氮含量有所降低。土壤速效磷和速效鉀含量從崩崗Ⅰ到Ⅲ有所減少,可能與基巖風(fēng)化特征與植被吸收利用有關(guān),而pH隨植被覆蓋增加而降低主要原因是由于凋落物分解過程中產(chǎn)生大量單寧等酸性成分所致。植被恢復(fù)顯著提升崩崗?fù)寥鲤B(yǎng)分含量(以有機碳和全氮含量的提升尤為明顯),說明對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響大于物理性質(zhì),與前人類似研究結(jié)論一致[12-13,16,24]。

由于崩崗侵蝕導(dǎo)致輸移物質(zhì)沿徑流方向發(fā)生剝蝕、搬運及沉積,土壤養(yǎng)分隨之流失,在后續(xù)植被自然恢復(fù)過程中表現(xiàn)出明顯的部位差異(圖2)。崩崗Ⅰ、Ⅱ各養(yǎng)分含量在各崩崗部位的變化趨勢基本相似,而崩崗Ⅲ與其他兩個崩崗的變化趨勢有較大差異,這與植被恢復(fù)程度關(guān)系密切。在崩系統(tǒng)各部位內(nèi),崩壁底部至崩積體下部,土壤全量養(yǎng)分含量明顯較高,而崩壁的養(yǎng)分含量偏低,其原因可能是崩壁陡峭,植物侵入十分困難。崩壁侵蝕的土體墜落至崩壁下方堆積成崩積體。由于崩積體坡度相對平緩(20°—40°)[10],土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況和植被條件均遠好于崩壁,因此,崩積體土壤全量養(yǎng)分含量高于崩壁,且植被恢復(fù)程度越高,土壤養(yǎng)分含量差異越明顯。從崩積體上部至溝道出口,各全量養(yǎng)分含量普遍逐漸降低,這與徑流侵蝕導(dǎo)致的物質(zhì)遷移和地形差異有關(guān)[6-7]。

在崩崗系統(tǒng)中,崩崗Ⅰ、Ⅱ沿徑流方向,其土壤速效養(yǎng)分變化趨勢具有相似性。主要表現(xiàn)為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量基本上呈先增加后減少的趨勢,速效磷含量呈增加趨勢,速效鉀含量先減少后略有增加(圖3)。由于崩崗Ⅰ、Ⅱ的崩壁處土體裸露,但表土水熱條件相對較好,有利于微生物的礦化分解,因而銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量相對高于集水坡面。在崩積體至溝道,受到徑流沖刷及化學(xué)淋溶影響,銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量從崩積體至溝道出口逐漸減少。崩崗Ⅲ各部位的速效養(yǎng)分總體低于崩崗Ⅰ、Ⅱ,這主要是崩崗Ⅲ以馬尾松+芒萁為代表的植物群落生長較好,對速效養(yǎng)分需求相對較高,加之凋落物對速效養(yǎng)分含量變化的影響相對較小[31]。崩崗中速效磷含量與土壤容重、砂粒含量呈極顯著正相關(guān)(表4),可能與土壤顆粒的賦存特征有關(guān)[28]。速效鉀含量與土壤全磷養(yǎng)分的相關(guān)性均達到顯著或極顯著負相關(guān),可能與母質(zhì)成土風(fēng)化過程有關(guān)[32]。另外,從集水坡面至溝道出口,pH呈明顯增加態(tài)勢,這主要是土壤侵蝕、植物根系及微生物活動對土壤物理化學(xué)性質(zhì)交互影響的結(jié)果。

表6 植被恢復(fù)對崩崗?fù)寥鲤B(yǎng)分含量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

不同小寫字母表示不同植被覆蓋度間達顯著差異水平(P<0.05)

4.3 植被恢復(fù)對崩崗?fù)寥佬再|(zhì)的影響

生物地球化學(xué)循環(huán)差異是造成土壤特性時空異質(zhì)性的重要基礎(chǔ),土壤性質(zhì)的演變很大程度上除了受崩崗侵蝕制約外,植被恢復(fù)的影響亦尤為重要。在崩崗植被恢復(fù)過程中土壤容重與土壤養(yǎng)分間存在負相關(guān)關(guān)系(特別是與有機碳和全氮含量),崩崗內(nèi)部土壤結(jié)構(gòu)緊實在一定程度上抑制了土壤碳氮循環(huán)。pH與土壤其他指標(biāo)均存在一定的相關(guān)性(銨態(tài)氮及硝態(tài)氮除外),表明崩崗?fù)寥佬再|(zhì)普遍受到pH的影響,適宜的土壤酸堿環(huán)境對養(yǎng)分固持、酶活性及微生物活動至關(guān)重要[33]。土壤有機碳與其他全量養(yǎng)分均呈極顯著相關(guān),與速效磷和速效鉀含量呈顯著負相關(guān),說明植被恢復(fù)是崩崗?fù)寥廊筐B(yǎng)分的主要來源,而速效養(yǎng)分則受植物生長消耗、徑流淋溶流失等因素綜合影響。我們還發(fā)現(xiàn)不同植被蓋度崩崗其養(yǎng)分含量處于極低水平,參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分推薦分級標(biāo)準(zhǔn)[34],崩崗?fù)寥烙袡C質(zhì)、全磷、速效氮和速效磷含量均處于6級(最低等級),全氮、全鉀和速效鉀含量處于5級以下。綜上所述,隨著自然植被恢復(fù)過程中植被覆蓋度的提高使土壤物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分含量得到一定程度的改善,但受制于崩崗侵蝕過程的劇烈影響,仍未能達到侵蝕坡面植被未破壞前基本水平[35],土壤退化特征仍舊較為明顯。因此,適當(dāng)?shù)娜斯せ謴?fù)措施對促進崩崗?fù)寥佬迯?fù)至關(guān)重要。

5 結(jié)論

本研究經(jīng)過3個不同植被覆蓋度崩崗研究表明,植被覆蓋度提高使崩崗?fù)寥廊葜?粉粒、pH、速效養(yǎng)分的值降低,明顯提高了土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀的養(yǎng)分含量,植被自然恢復(fù)過程對崩崗?fù)寥捞匦杂幸欢ǖ母牧夹?yīng)。沿著崩崗徑流方向,土壤容重和砂粒含量呈增加→減少→增加態(tài)勢,粉粒和黏粒含量則呈降低趨勢。土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀含量在集水坡面和崩積體高于其他部位,在崩壁頂部及溝道出口其含量最低。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量沿崩崗徑流方向呈先增加后減少的態(tài)勢,速效鉀含量呈“V”型變化態(tài)勢,速效磷和pH呈增加態(tài)勢,崩崗各部位因不同侵蝕程度以及植被恢復(fù)程度土壤性質(zhì)有明顯的空間差異,且不同土壤理化性質(zhì)間具有一定的耦合關(guān)系。總體上,崩崗系統(tǒng)內(nèi)土壤物理結(jié)構(gòu)較差,養(yǎng)分含量較低,植被恢復(fù)對土壤性質(zhì)有一定改善,但自然修復(fù)過程遲緩。開展植被恢復(fù)過程對崩崗?fù)寥览砘再|(zhì)的定量分析,有助于理解崩崗的發(fā)生機制及生態(tài)效應(yīng),為崩崗發(fā)育地區(qū)生態(tài)恢復(fù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。