退耕還林恢復年限對巖溶槽谷區(qū)石漠化土壤物理性質的影響

李建明，王志剛，王愛娟，王家樂，王 可，劉晨曦，崔 豪，張平倉

退耕還林恢復年限對巖溶槽谷區(qū)石漠化土壤物理性質的影響

李建明1,2,4,5，王志剛1,2※，王愛娟3，王家樂1,2，王 可1,2，劉晨曦1,2，崔 豪1,2，張平倉1,2

（1. 長江水利委員會長江科學院，武漢 430010；2. 水利部山洪地質災害防治工程技術研究中心，武漢 430010；3. 水利部水土保持監(jiān)測中心，北京 100055；4. 中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，楊凌 712100；5. 中國科學院大學，北京 100049）

歷史上嚴重的植被破壞導致西南巖溶槽谷區(qū)水土流失/漏失和石漠化加重，制約喀斯特地區(qū)經濟和社會發(fā)展，而退耕還林等生態(tài)修復工程對于喀斯特地區(qū)植被恢復、生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。該研究在遙感解譯結合野外調查及采樣分析基礎上，重點分析了巖溶槽谷退耕后7個恢復年限（0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、45～50 a）土壤主要物理性質的演替規(guī)律，結果表明：1）退耕開始至15～20 a土壤尤其是表層土壤物理性質呈現(xiàn)惡化的趨勢，土壤表層平均含水率和總孔隙度分別減少12.28%～14.75%和8.79%～11.14%，而表層平均容重和緊實度則分別增大10.06%～13.82%和54.09%～58.43%，土壤-植被系統(tǒng)出現(xiàn)旱生化發(fā)展趨勢；2）退耕20～50 a表層土壤平均含水率和總孔隙度分別達到40.65%和60.38%，較退耕0~5a分別增加24.11%和9.06%，尤其是恢復45～50 a表層土壤平均容重和緊實度分別為0.93 g/cm3、7.57 kg/cm2，土壤基本性質的變化表明了生態(tài)系統(tǒng)質量的顯著提升；3）由于喀斯特地區(qū)土層薄且缺少過渡層，提出了喀斯特地區(qū)土壤“鐵板燒效應”，與植被在退耕15～20 a由灌草結構向喬灌草立體格局轉變的時間轉折點相符。該研究進一步闡明了喀斯特地區(qū)生態(tài)恢復對土壤系統(tǒng)演變的影響，并提出喀斯特地區(qū)尤其要注重對喬木樹種的種植和撫育工作，對于指導喀斯特地區(qū)生態(tài)修復具有重要的理論意義和實踐價值。

土壤；植被；恢復；退耕還林；巖溶槽谷

0 引 言

石漠化是中國西南喀斯特地區(qū)典型的土地退化類型，不僅導致土地生產力下降、破壞生態(tài)環(huán)境，更使得區(qū)域經濟受阻[1]。由于喀斯特地區(qū)特殊的地質地貌，受災承受能力低，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，目前，針對該區(qū)域土壤質量評價和生態(tài)系統(tǒng)修復已成為研究的熱點與難點[2]。而人類耕作尤其是陡坡開墾是導致喀斯特地區(qū)土壤流失/漏失及土地質量下降的主要原因，不僅使得土層變薄，地表出現(xiàn)類似荒漠化的退化，更重要方面是加劇人地尖銳矛盾[3]。且喀斯特地區(qū)由于存在地表和地下雙層結構，地下漏失及順逆層坡不同的侵蝕特征造成喀斯特地區(qū)水土流失治理及生態(tài)環(huán)境恢復更加復雜[4-6]。為恢復生態(tài)環(huán)境，中國開始實行退耕還林工程，不僅有效遏制喀斯特地區(qū)石漠化的快速發(fā)展也為當地經濟建設提供有力支撐[7-8]。截止目前，對于喀斯特地區(qū)退耕還林（草）措施對土壤質量，尤其是退耕后恢復年限對土壤物理性質變化影響的報道仍較少[9]。當前，采用“空間代替時間”的方法研究喀斯特地區(qū)土壤特性及其群落的發(fā)展已取得一定成果[10-11]。而耕作、植被類型對喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分特征及土壤質量的相關研究也受到了較為廣泛的關注[12-15]。在喀斯特區(qū)利用遙感影像解譯統(tǒng)計分析石漠化已有相關研究，多是從流域甚至是區(qū)域尺度上解決喀斯特地區(qū)石漠化治理問題的有效手段，陳飛等用改進后更為精確的遙感影像石漠化解譯方法及CA-Markov預測方法，研究喀斯特近30 a的石漠化時空演變呈現(xiàn)出先惡化再好轉的趨勢，并對其原因進行了分析，同時預測2016-2021年石漠化呈現(xiàn)好轉趨勢[16]，針對喀斯特地區(qū)石漠化及巖溶環(huán)境特征也有相關研究[17-18]，但目前仍缺少較為翔實及系統(tǒng)的研究成果。

本項目研究區(qū)域重慶市酉陽土家族苗族自治縣是國家級貧困縣，極端氣候及人地尖銳矛盾導致區(qū)域經濟落后，生態(tài)環(huán)境惡化，開展退耕還林等生態(tài)工程對區(qū)域土壤性質改良效果的深入研究，具有重要的社會、生態(tài)和經濟效益[19]。因此，本研究采用室內遙感影像解譯結合野外實地調查及采樣分析基礎上，研究喀斯特地區(qū)不同恢復年代土壤物理性質特征及其影響因素，為喀斯特地區(qū)進行土壤系統(tǒng)的恢復工作以及有效治理石漠化及水土流失問題提供科學指導。

1 研究區(qū)概況

本項目研究區(qū)域位于重慶市酉陽土家族苗族自治縣（簡稱酉陽縣，研究區(qū)域范圍108°56′53.20″～108°57′57.53″E，29°03′19.50″～29°06′43.38″N），地處武陵山區(qū)腹地，地貌區(qū)劃上屬鄂西黔北中山與低山區(qū)，平均海拔700 m，地形起伏較大，地貌分為中山區(qū)、低山區(qū)、槽谷和平壩區(qū)。大地構造上地處渝鄂湘黔隆起褶皺帶，主體構造是北、北東向大致平行的褶皺及與其伴生的縱、橫斷裂。區(qū)內巖溶地貌發(fā)育典型，地形多樣，包括高山、平壩和深丘。酉陽縣屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年降雨量在1 100 mm左右，年平均日照時數約為1 131 h，年平均氣溫由沿河地區(qū)的17 ℃遞減到中山區(qū)的11.8 ℃。區(qū)內土壤以碳酸鹽巖類巖石風化形成的如石灰?guī)r土為主，土層厚度淺薄，土壤不連續(xù)，自然肥力低。主要植被類型為亞熱帶常綠針葉林、亞熱帶常綠落葉闊葉混交林。受土地利用類型的影響，植被覆蓋較高的區(qū)域分布在槽谷兩側的槽壁上，基巖裸露率較高的區(qū)域分布在山嶺的頂部，地表水土流失較強的區(qū)域分布在槽谷兩側的槽壁上。

本次野外調查及采樣點分布在龍?zhí)恫酃?，位于重慶市渝東南桐麻嶺背斜南東翼，酉陽縣泔溪鎮(zhèn)至麻旺鎮(zhèn)一帶，槽谷延伸方向與構造線方向一致，呈NNE走向，長約35 km，屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)。巖性以中厚層狀白云質灰?guī)r和白云巖為主，槽谷兩側地區(qū)土層較薄，發(fā)育土壤為黃色石灰土，順層坡基巖裸露率較逆層坡高，坡麓崗地斷續(xù)分布，多為土石質坡地，植被以次生灌木、藤本、蕨類以及零稀的喬木為主[20-21]。

2 材料與方法

2.1 野外采樣選點依據

通過91衛(wèi)圖結合查詢的地質年代圖，解譯歷史遙感影像，選取38個野外測點（分別是恢復0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30和45～50 a，由于恢復30～45 a通過遙感解譯無法獲取，采樣時缺少該時段內的樣點），根據野外測點的坐標位置通過現(xiàn)場復核、入戶調查以及《酉陽縣志》等資料進一步確定退耕前為坡耕地后作為采樣點。為消除不同采樣點間的差異，各測點坡耕地的坡度確定在0～10°范圍內并在平地采樣，坡向均選擇土層薄、巖石裸露率高、水土流失嚴重的喀斯特典型順層坡，采樣點位于海拔400～900 m范圍內。各樣點實際退耕時間結合影像資料和現(xiàn)場復核確定，其中0～5 a的確定的退耕時間是2013－2019年，5～10、10～15、15～20、20～25、25～30 a分別是2011－2013年、2003－2011年、2000－2003年、1994－1999年、1990－1994年，而根據歷史資料、《酉陽縣志》及當地入戶調查資料均表明恢復45～50 a的喬木林是1972年飛播造林存活的林地。本次野外調查及樣品采集是在室內制定線路后將點位導出為KML文件，導入手機奧維互動地圖和戶外助手app客戶端，精準定位作為野外調查及采樣線路圖，研究區(qū)地理位置及樣點分布見圖1所示。采樣及室內試驗于2019年5－7月進行。

圖1 地理位置及采樣點布置圖

2.2 試驗過程及現(xiàn)場記錄

共計完成38處恢復點野外采樣，根據室內確定樣點的經緯度坐標，通過手機導航到樣點區(qū)域。各采樣點首先清除表層的枯枝落葉、植被、礫石等雜質，隨后挖一個30 cm深的剖面，分為兩層（表層0～15 cm和底層15～30 cm）。每層各取3個環(huán)刀樣品，用于計算容重、含水率、總孔隙度等指標。在取完環(huán)刀樣后取土樣500 g裝于密封袋中，帶回室內測定土壤的理化性質。在環(huán)刀和理化樣取樣之前，用土壤緊實度儀（南京土壤儀器廠生產）在每層選3個點位測定土壤緊實度并記錄數據[22]。各樣點完成測試及采樣后均覆土復原。每個恢復點共計6個環(huán)刀樣，2個理化樣?，F(xiàn)場記錄樣點的編號、經緯度坐標和天氣情況，并拍攝取樣點周邊自然概況，同時對采樣點植被進行詳細調查并記錄，重點記錄優(yōu)勢植物種的名稱、長勢等數據。

2.3 土壤理化性質分析

在野外將環(huán)刀中的土樣轉移至密封袋并在袋口涂抹一層凡士林，最大限度保證土樣含水率的真實性，試驗環(huán)刀體積是100 cm3。回到室內后，立即稱密封袋+濕土質量并做好記錄。待全部樣品采集完后將樣品運至實驗室，將密封袋中的土樣全部轉移至鋁盒（體積為300 cm3），采用烘干法測定土壤容重和含水率，將土壤樣品置于107 ℃下烘干24 h。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質，0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30和45～50 a表層土壤（0～15 cm）平均有機質質量分數分別為39.58、33.46、36.10、36.48、62.79、46.57、68.69 g/kg，底層（15～30 cm）分別為25.72、20.70、24.03、21.02、30.40、27.05、36.68 g/kg。

2.4 數據統(tǒng)計與分析

野外現(xiàn)場使用緊實度儀的刻度校準如表1所示，修正系數為0.8416，使用的鉆頭橫截面積為2 cm2，緊實度計算公式如下：

=0.8416/

式中為土壤緊實度，kg/cm2；為緊實度儀實際讀數值，kg；為鉆頭橫截面積，2 cm2。

表1 緊實度儀刻度校準表

采用SPSS16.0進行數據統(tǒng)計分析，差異顯著性檢驗采用LSD法確定（＜0.05，雙尾）。采用Origin9.0、Excel2007繪圖。

3 結果與分析

3.1 容重及總孔隙度

圖2a為平均容重隨恢復年限的變化。恢復初期（0～5 a）表層土壤的平均容重為1.18 g/cm3，隨恢復年限延長容重有增大的趨勢，其中恢復5～20 a平均容重達到1.32 g/cm3，從20a以后又開始下降，15～20 a的平均容重較0～5 a和5～10 a增加10.06%～13.82；20～50 a的平均容重為1.05 g/cm3，相較于0～20 a降低了18.34%，尤其在恢復45～50 a的容重僅為0.93 g/cm3，比退耕0～5 a減少了21.24%。單因素方差分析也表明恢復0～20 a的表層土壤容重無顯著性差異，而恢復20 a以上尤其是20～25 a和45～50 a容重存在顯著差異。

底層平均容重隨恢復年限總體呈先遞增后持續(xù)遞減的趨勢，其中5～10 a的容重達到最大為1.44 g/cm3，而恢復10～50 a的容重平均為1.30 g/cm3，底層容重的變化幅度為3.74%～12.19%。單因素方差分析結果表明，恢復5～10 a土壤容重與恢復15～20、20～25、25～30和45～50 a存在顯著差異，與0～5和10～15 a之間無顯著差異。從表觀上可知，恢復年限對底層容重的影響較表層小。因此，分析表層/底層土壤平均容重隨恢復年限變化，見圖2b所示，可知，7個恢復年限的表層容重均小于底層，在恢復15～20 a表層容重接近于底層，平均容重均為1.30 g/cm3。單因素方差分析也進一步表明15～20 a是土壤容重由大變小的一個轉折點。

造成退耕5～20 a內表層和底層容重比0～5 a增加的原因是退耕0～5 a內土壤前期尚未退耕，耕作層受人為翻耕擾動嚴重，使得土壤蓬松化，總孔隙度大，進而造成容重減小，但隨著恢復年限延長至5～20 a，整個土壤剖面長期未受人為翻耕等擾動，自然沉降導致容重增加。同時該時期內植被類型以灌草為主，根系類型以須根系為主且分布在土壤表層，根系對土壤結構的影響較小。而恢復20～50 a的土壤容重顯著遞減，主要是受植被演替作用影響，尤其是高大喬木根系發(fā)達，主根向下生長，側根發(fā)育迅速，根系的穿插增大了土壤總孔隙度，降低容重。且喬木林下地表大量枯枝落葉增加腐殖質含量，進而導致土壤有機質含量增大，也會進一步降低土壤容重，增加總孔隙度，土壤儲水空間進一步提升，最終也使得土壤含水率增大。另外，挖取土壤剖面過程，發(fā)現(xiàn)枯枝落葉層越厚，土壤動物（蚯蚓、螞蟻、千足蟲等）活動痕跡越明顯，土壤動物的擾動和孔穴進一步增加土壤孔隙，進而使得容重降低。

注：不同小寫字母表示同一指標不同恢復年限間差異顯著(P<0.05)。

土壤表層與底層平均總孔隙度隨恢復年限的變化趨勢總體呈現(xiàn)為先遞減后遞增，與容重的變化呈反向規(guī)律（圖3）。表層土壤除了5～10 a的平均總孔隙度為49.19%外，其余各恢復時段的總孔隙度均大于50%，且恢復20～50 a的總孔隙度（平均60.38%）大于0～20 a孔隙度（平均51.48%），較0～5 a增加9.06%。其中15～20 a的表層平均總孔隙較0～5 a、5～10 a減少8.79%～11.14%。而底層在0～5 a的平均總孔隙度為48.19%，而5～20 a的總孔隙度始終呈遞增趨勢，增幅為4.45%～11.04%，而20～50 a的總孔隙度維持在一個較高水平，平均總孔隙度達到52.16%。單因素方差分析也表明土壤總孔隙度在恢復15～20 a出現(xiàn)了轉折。對比分析土壤表層和底層平均總孔隙度，表明僅在15～20 a時段的表層總孔隙度（50.87%）接近底層（50.71%），其他條件下均呈現(xiàn)為表層孔隙度大于底層，也進一步證實了15～20 a土壤總孔隙度發(fā)生轉變。

圖3 總孔隙度隨恢復年限變化

3.2 緊實度

圖4為平均緊實度隨恢復年限的變化，表層緊實度隨恢復年限增大呈“遞增-相對穩(wěn)定-遞減”變化趨勢，恢復5～30 a的平均緊實度范圍為8.76～9.63 kg/cm2，變化幅度為2.46%～9.01%，恢復45～50和0～5 a的平均緊實度分別為7.57和5.93 kg/cm2，恢復0～20 a內由于長期處于自然沉降，加之雨水、植被、土壤生物等作用，使得土壤變得更加緊實，與土壤容重變化趨勢一致。15～20 a的平均緊實度較0～5 a和5～10 a增大54.09%～58.43%。在恢復20 a以后土壤緊實度開始下降，20～50 a的平均緊實度為8.65 kg/cm2小于5～20 a的9.23 kg/cm2。而恢復0～5 a的表層土壤，由于退耕初期受原來耕作影響，容重小、總孔隙度大，使得土壤緊實度較低；而恢復45～50 a的土壤經過多年恢復改良后，土壤理化性質得到改善，且表層腐殖質、根系的作用使得土層更加疏松，但仍大于剛退耕時期的緊實度，45～50 a的平均緊實度是0～5 a的1.28倍。

底層平均緊實度呈緩慢遞增隨后減小的趨勢，在15～20 a平均緊實度達到最大值為10.44 kg/cm2，恢復0～50 a土壤平均緊實度為10.03 kg/cm2，變化幅度為3.16%～6.75%，較表層幅度顯著減小。單因素方差分析也表明恢復年限對底層土壤緊實度影響不顯著，因此，分析表層與底層土壤緊實度比值能進一步深入探索恢復年限對緊實度的影響。結果表明，不同恢復年限下的平均緊實度均是表層緊實度小，底層緊實度大，且恢復0～5 a的表層緊實度僅為底層的59%，隨恢復年限延長，表層緊實度增大并接近底層緊實度，但隨后表層緊實度又顯著減少，進一步表明退耕對土壤理化性質尤其是表層的影響顯著。表層與底層平均緊實度的分析也表明15～20 a是土壤緊實度由大變小的一個轉折點。

圖4 緊實度隨恢復年限變化

3.3 含水率

圖5為平均含水率隨恢復年限的變化?；謴?～5 a的表層平均含水率為32.76%，隨恢復年限延長至15～20 a，表層含水率呈遞減趨勢，遞減幅度為8.07%～14.75%。而20～50 a尤其在20～25和45～50 a時的含水率顯著增大，達到40%以上，是退耕0～20 a內的1.08～1.63倍。單因素方差分析也進一步表明表層平均含水率5～20 a維持在一個較穩(wěn)定狀態(tài)，自20 a以后出現(xiàn)顯著遞增。20～50 a表層土壤含水率達40.65%，較退耕0～5 a增加24.11%。

圖5 含水率隨恢復年限變化

底層含水率與表層表觀上呈現(xiàn)相同規(guī)律，在恢復20～25 a時平均含水率達到最高值30.57%，底層平均含水率在27.23%～30.57%，變化幅度僅為2.48%～10.91%，即恢復年限對底層土壤含水率的影響較小。單因素方差分析也表明底層土壤含水率7個恢復年限間無差異，且標準差在1.42%～6.76%，可認為退耕措施對于底層土壤含水率影響不顯著，但對表層含水率有顯著影響。

采用表層含水率/底層含水率的比值更能真實的反映恢復年限對土壤含水率的影響，見圖5b所示，其變化也呈先遞減后增加趨勢。在恢復0～20 a內，生長的植被類型以低矮的灌草為主，無喬木生長，地表不存在或者只存在少量的枯枝落葉層，此時，土壤中的水分主要是供應灌草生長需要，同時蒸發(fā)也會導致土壤水分含量的減少。而退耕20 a以后，植被類型由灌、草逐步過渡到喬、灌、草立體格局，同時地表的枯枝落葉層增多，此時，高大的喬灌根系起到了涵養(yǎng)水源的作用，能夠有效儲蓄降水，同時根系增加了入滲量也使含水率增多，并能從地下深層吸水供植被生長所需。同時，喬木樹種的莖葉能夠阻擋光照減少了土壤表層水分蒸發(fā)，也能進一步提高土壤含水率。對比分析可知，7個恢復年限表層的含水率均大于底層，表現(xiàn)在各比值均大于1.0。分析表明，退耕0～20 a內土壤含水率逐漸降低，20 a以后土壤含水率開始增加并最終會高于初期含水率。造成退耕前期土壤含水率降低的另一個原因是由于土壤板結，喀斯特地區(qū)尤其在順層坡，土層較薄，在氣溫高時由于巖石吸熱升溫快，造成土壤干旱，而當降雨時，土壤團粒結構分散為復粒甚至是單粒，這種干濕交替導致了土壤的膨脹與收縮交替進行，逐步減少土壤中的孔隙，降低雨水入滲，板結層也增加地表徑流，且隨恢復年限延長，土壤自然沉降也會減少孔隙，導致含水率進一步降低。

3.4 土壤物理性質相關性分析

耕作對土壤的物理性質會產生較大的影響，主要體現(xiàn)在容重、緊實度、總孔隙度、含水率方面，本研究采用雙變量相關分析研究恢復年限對土壤相關因素的影響以及各影響因素之間的關系，見表2所示。結果表明，恢復年限與表層土壤含水率和緊實度呈顯著相關（<0.05），與總孔隙度呈極顯著相關（<0.01），與土壤容重呈極顯著負相關（<0.01）；而恢復年限與底層土壤容重呈極顯著負相關（<0.01），對總孔隙度呈極顯著相關（<0.01）。在土壤內部因素中，表層和底層的含水率與容重呈極顯著負相關，與總孔隙度呈極顯著相關（<0.01）；容重與總孔隙度呈極顯著負相關（<0.01）。即恢復年限對表層和底層的容重和總孔隙度的影響大于緊實度和含水率。

表2 不同恢復年限土壤物理性質相關性分析

注：*指0. 05 水平（雙側）上顯著相關；**指在0. 01 水平（雙側）上顯著相關，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.

分析不同恢復年限對土壤各因素表層/底層比值的影響，結果見表3所示。表明恢復年限與含水率和緊實度呈極顯著相關（<0.01）；土壤含水率與容重呈極顯著負相關（<0.01），與總孔隙度呈極顯著相關（<0.01）；容重與緊實度呈極顯著相關（<0.01），與總孔隙度呈極顯著負相關（<0.01）；土壤緊實度與總孔隙度也呈極顯著負相關（<0.01）。

為進一步分析土層深度對土壤性質的影響，見圖6所示，結果表明，除了緊實度相關性不顯著外（>0.05），含水率、容重和總孔隙度均呈極顯著相關，其相關系數分別為0.508、0.704和0.702（<0.01）。

表3 不同恢復年限表層/底層土壤物理性質相關性分析

圖6 不同土層深度各影響因素的相關性

4 討 論

4.1 土壤物理性質演變規(guī)律

本試驗結果表明，土壤容重和緊實度呈現(xiàn)為表層大于底層，容重分布在1.18～1.44 g/cm3，與張春麗、蘇程烜和張珍明等研究認為的喀斯特地區(qū)土層呈“上松下緊”平均容重分布范圍在1.17～1.41 g/cm3的結論一致[3,23-24]。表層和底層土壤的含水率均呈先遞減后增加趨勢且表層含水率達到底層的1.02～1.64倍。土壤含水率轉折點在恢復15～20 a左右，其中恢復0～5、45～50 a的含水率均較高，表層分別為32.76%和48.62%，而15～20 a平均含水率是30.11%，與Yang等[25-26]認為植被條件較好區(qū)域水分條件好且土層深度增大含水率降低的結果相近。

土壤容重、緊實度、總孔隙度和含水率的分析結果都表明，在恢復0～5 a內的土壤主要物理性質總體仍較好，受前期耕作影響，呈現(xiàn)出容重和緊實度低，而含水率和總孔隙度高的特點，而恢復5～20 a的土壤主要物理性質降低，表現(xiàn)為土壤容重和緊實度上升，含水率和總孔隙度下降。造成恢復5～20 a土壤主要物理性質下降的一個重要原因是土壤板結，造成土壤板結的原因包括：一是土壤自身物質基礎條件，喀斯特地區(qū)的土壤具有質地黏重、風化程度高、粘粒含量大等特點，甘鳳玲等[27]測得喀斯特典型黃壤的顆粒機械組成中<0.001 mm占比達到50.22%，游賢慧等[21]測得順層坡的粉粒及粘粒含量占90.19%；二是自然沉降，由于土壤長期未受人為擾動，在重力作用下沉降導致土壤更加緊實；三是喀斯特地區(qū)土層薄、巖石裸露率高，土壤受降雨、氣溫等影響，干濕交替嚴重，導致土壤孔隙減少，容重增加，馬璠等[28-29]研究也認為干濕交替會導致土壤顆粒內聚力增大，土壤容重增加且更加緊實；四是植被根系對土壤層產生擠壓作用，且恢復5～20 a內植被以旱生化類型為主，根系較淺，但植被的蒸騰及生長需要都會導致土壤含水率進一步減少。而當恢復20～50 a時，表層土壤平均含水率和總孔隙度分別比0～20 a增大36.04%和17.28%，平均容重減少18.34%，而平均緊實度差異較小，表明此階段之后，土壤主要物理性質得到恢復與改善，恢復45～50 a含水率和總孔隙度均高于0～5 a，容重小于退耕初期，與胡培雷等[30]研究獲得相似結果。

本研究所選樣點是耕地經過退耕后的植被恢復樣地，遙感影像、《酉陽縣志》及詢問調查等均證實了恢復45～50 a的喬木林是飛播造林存活，退耕后飛播造林形成的林地區(qū)域沒有經過人為擾動，也處于自然恢復中，形成典型的喬灌草立體植被格局，其灌草及大部分闊葉樹種均屬于自然恢復，與其他恢復年限區(qū)域處于相同的立地條件。分析結果表明，恢復45～50 a土壤的容重、總孔隙度和含水率與恢復20～25 a差異不顯著，與其他恢復年限存在顯著差異，也進一步得出恢復45～50 a的土壤物理性質恢復效果較好。

4.2 喀斯特地區(qū)土壤主要物理指標退耕后演變內在關系

本研究結果表明，表層土壤平均容重和緊實度均呈現(xiàn)為恢復0～5 a的處于較低值，隨后5～20 a顯著遞增，而20～50 a又顯著遞減，而土壤總孔隙度呈反向規(guī)律。在喀斯特地區(qū)，土壤容重增加導致緊實度增加，孔隙度降低，孔隙度降低會導致含水率降低，緊實度增加降雨入滲減少，地表徑流增加，間接導致土壤含水率降低。因此，土壤容重、緊實度和總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區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子，相關性分析也表明容重及總孔隙度與含水率之間呈顯著相關性（相關系數分別為0.772和0.671（<0.01）），而緊實度又與總孔隙度呈極顯著相關（相關系數為0.497（<0.01）），間接影響著土壤含水率。

針對容重、總孔隙度、緊實度以及含水率的分析均表明，恢復15～20 a是土壤主要物理性質向良性發(fā)展的轉折點，采用各因子表層/底層的比值作為分析。曲線估計可知（圖7），容重、緊實度、總孔隙度和土壤含水率的比值與恢復年限均呈二次函數關系（=Ax+B+C），以2.5、7.5、12.5、17.5、22.5、27.5和47.5分別代表不同恢復年限（0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30和45～50 a），擬合結果得出，含水率與總孔隙度對應的A、B、C分別為（0.000 3，?0.004 8，1.082 7）和（0.000 2，?0.007 9，1.143 2），容重和緊實度對應的分別為（?0.000 2，0.007 1，0.875 4）和（?0.000 5，0.024 6，0.630 4）。含水率和總孔隙度存在一個最小值，分別是（8.00，1.07）和（19.75，1.07）；而容重和緊實度隨恢復年限存在一個最大值，分別是（17.75，0.94）和（24.60，0.93）。含水率與恢復年限的擬合方程的決定系數（2）最大為0.82，顯著大于總孔隙度、容重和緊實度（2分別為0.57、0.65和0.64）。曲線分析進一步表明，恢復15～20 a是各指標發(fā)生顯著變化的轉折點，尤其在土壤容重和總孔隙度兩個指標高度相符，17.75和19.75均對應著恢復年限為15～20 a。同樣表明造成土壤各影響因素在15～20 a出現(xiàn)轉變的一個重要原因是植被演替導致的，植被由灌草向喬灌草發(fā)展的一個重要標志即是地表枯枝落葉層增加了有機質含量，試驗分析表明，表層土壤有機質在恢復0～20 a階段為33.46～39.58 g/kg，而20～50 a為46.57～68.69 g/kg，喬木開始發(fā)育后的有機質平均值可達前期的1.63倍，底層也達到1.37倍，土壤有機質的測定結果與游賢慧[21]的結果一致。

圖7 不同土層深度土壤性質之比隨恢復年限變化

4.3 喀斯特地區(qū)土壤系統(tǒng)“鐵板燒效應”

喀斯特槽谷區(qū)由于水土漏失/流失嚴重、土層薄，往往是在巖石突出的平臺殘留一抔土層，稱之為“雞窩土”，是植被發(fā)源地[31]，與文麗、Harper等研究認為喀斯特地區(qū)巖石附近形成窩窩土、凹面地形利于植物進入、定居和生長的結果一致[10,32-33]。但由于巖石裸露率高、土層薄，夏季白天氣溫高，巖石吸熱快并迅速傳導到土層，使得土壤膨脹，而夏季的傍晚及冬季，由于氣溫低且?guī)r石的降溫較土壤快得多導致土壤收縮，這種熱脹冷縮使得土壤間發(fā)生不斷的擠壓，導致了土壤容重及緊實度增大而含水率和孔隙度減少，稱喀斯特槽谷區(qū)退耕后土壤主要物理性質惡化的這種現(xiàn)象為“鐵板燒效應”。造成土壤“鐵板燒效應”的一個原因是喀斯特地區(qū)一般土層薄，土壤與母巖之間不存在過渡層，直接附著在巖石層上，在陽光照射下吸熱造成對土壤的“烘烤”使得水分蒸發(fā)，隨著巖石溫度的熱脹冷縮顯著，土壤易被侵蝕，一遇降雨激發(fā)極易產生順層滑動，都會導致土壤含水率和總孔隙度降低，容重和緊實度增加[1,19,21,24,34]。陸景岡、曹建華等[35-36]研究也表明干濕交替直接導致土壤脹縮、孔隙度收縮、土壤體積及裂縫發(fā)育，并認為是一種常年累月的總體結果，而非單次的特殊現(xiàn)象，且目前對西南喀斯特區(qū)的研究較少。而土壤質地對土壤水分具有顯著影響，土壤水分又是喀斯特地區(qū)土壤退化關鍵因子，與本研究土壤理化性質相關性分析結果具有一致性[37-38]。

造成土壤“鐵板燒效應”除了受土壤自身性質和氣候、降水影響外，植被也是另一個重要方面。恢復0～20 a的植被類型主要以灌、藤、草為主，植物生長需要大量的水分，造成土壤含水率降低，同時灌、藤、草的根系中須根系占比較大，且根系較短，而從草叢、灌叢等低級階段演替到喬叢群落需要時間長，導致了退耕還林初期植被生長緩慢，土壤質量降低[10]。在恢復20～50 a，植被格局由灌、草、藤過渡為喬、灌、草、藤、蕨、竹林，形成顯著立體垂直結構，高大喬木郁閉度高，一方面是能夠遮擋陽光，防止太陽對地表直射，進而降低林下溫度，減少了地表水分蒸發(fā)及植物蒸騰耗水；其次，喬木根系粗壯，主根伴隨著大量的側根的穿插進一步疏松土層，使得土壤容重和緊實度降低，孔隙度增加，喬木根系同時還能起到防治水土流失效果[11,23,39]，同時該時段土壤生物結殼的發(fā)育，有利于土壤改良[40]。龍明忠等研究也表明林-草結構的保土保水能力優(yōu)于單一林地的保土保水能力，土層根系量與侵蝕量呈負相關[41]。再者，由于立體結構的植被生長茂密，在林下散落有大量的枯枝落葉層，枯枝落葉層一方面具有儲藏水分，減少地表徑流，增加水分入滲的作用，另一方面，也進一步對表層土壤起到保護作用，防治土壤板結及流失，而枯枝落葉分解后的腐殖質含有豐富的養(yǎng)分元素，與土壤融合后能夠起到改良土壤的作用，枯枝落葉層也為土壤生物生活提供了良好物質基礎，進一步改良土壤，使得土壤向利好方向不斷改進[42]。通過對土壤理化性質及現(xiàn)場調查植被演替的綜合分析，在喀斯特地區(qū)喬木林對于改良土壤，恢復生態(tài)效果顯著，在進行退耕還林等生態(tài)工程時，尤其要注重對喬木的撫育，同時也要提高植物生長撫育和土壤管理水平[43]。早期石漠化治理需要選擇合適的先鋒樹種，但要完成喀斯特地區(qū)土壤及植被生態(tài)恢復，需要利用多層次多物種的植物群落，充分利用植物有機殘體與根系穿透力，促進土壤發(fā)育及熟化，形成多樣性生境，充分發(fā)揮喬木林根際效應[44]。

5 結 論

西南喀斯特地區(qū)巖石裸露率高，嚴重的植被破壞導致的石漠化是當地生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因，本研究通過遙感解譯結合野外實地調查及室內試驗，分析了巖溶槽谷7個恢復時段序列的土壤系統(tǒng)演變規(guī)律。結果表明喀斯特地區(qū)土壤含水率和總孔隙度在恢復15～20 a左右出現(xiàn)轉折，呈先遞增后減小變化，20～50 a的土壤表層平均含水率和總孔隙度比0～20 a增大36.04%和17.28%，容重減少18.34%。平均緊實度隨恢復年限也呈先增加后減少的變化，在恢復初期0～5 a內緊實度最低為5.93 kg/cm2，僅占其他恢復年限下的61.57%～78.35%。根據巖溶槽谷區(qū)石漠化區(qū)隨恢復年限延長，土壤物理性質先惡化后提升及植被旱生化演變的發(fā)展規(guī)律，提出了喀斯特地區(qū)特有的“鐵板燒效應”，并強調喀斯特地區(qū)植被恢復尤其要注重對喬木樹種的種植及撫育。本研究進一步明晰了喀斯特巖溶槽谷區(qū)生態(tài)恢復對土壤系統(tǒng)的影響，對該地區(qū)實施生態(tài)修復工程提供科學參考，具有重要的實踐價值。

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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，王志剛，王愛娟，王家樂，王 可，劉晨曦，崔 豪，張平倉. 退耕還林恢復年限對巖溶槽谷區(qū)石漠化土壤物理性質的影響[J]. 農業(yè)工程學報，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

國家重點研發(fā)計劃專項（2016YFC050230305、2016YFC0503705）；國家自然科學基金（41701316、41101191）；水利部技術示范項目（SF-201806）

李建明，博士生，主要從事工程土壤侵蝕過程研究。Email：hahalijianming@126.com

王志剛，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為土壤地理與土壤侵蝕研究。Email：371381624@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.012

S157.1

A

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