大熊貓國(guó)家公園映秀鎮(zhèn)典型受損滑坡體土壤理化性質(zhì)與植被恢復(fù)初探

黃尤優(yōu)，杜雅莉，賀俊東，白文科，魏云鵬

(西華師范大學(xué) a.生命科學(xué)學(xué)院，b.生態(tài)研究院，四川 南充 637009)

“5·12”汶川特大地震以及震后山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害造成了大面積的森林植被被直接掩埋或摧毀，受災(zāi)總面積約5.0×105km2，造成包括汶川、平武和理縣等10個(gè)重災(zāi)縣(市)森林植被的極大破壞，受損林地面積高達(dá)946 km2，森林覆蓋率下降1.87%，顯著改變了大熊貓國(guó)家公園的地形地貌、植被演替進(jìn)程及土壤特性[1-2]。土壤作為植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，其特征及其演變規(guī)律是評(píng)判植被恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)的重要依據(jù)，植被與土壤之間的相互促進(jìn)與制約作用，決定著群落的發(fā)生、發(fā)育和群落演替的方向[3]，良好的土壤基礎(chǔ)是植被恢復(fù)的首要保障。同時(shí)，土壤理化性質(zhì)不僅直接影響著土壤的肥力狀況，而且在持續(xù)培肥土壤、提高土壤生產(chǎn)力、促進(jìn)植物的生長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)土壤資源可持續(xù)利用等方面均具有十分重要的意義[3-4]。因此，探討震后受損植物群落林下土壤理化性質(zhì)特征對(duì)于揭示植被的自然恢復(fù)機(jī)理具有重要意義，為建立和完善西南重災(zāi)區(qū)大熊貓棲息地恢復(fù)與重建、生物多樣性保護(hù)措施與對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)汶川震后受災(zāi)區(qū)域土壤理化性質(zhì)的研究逐漸重視，趙麗麗等[5]對(duì)四川理縣受災(zāi)區(qū)岷江柏人工林土壤理化性質(zhì)的研究表明，受震后山體崩塌、滑坡、泥石流、土體斷裂及掩埋等次生災(zāi)害影響，土壤均出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象。吳聰?shù)萚6]對(duì)震后四川龍門山地區(qū)土壤理化性質(zhì)的研究表明，地震對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響僅有氨態(tài)氮存在擾動(dòng)與空間區(qū)域的交互作用，地震有可能是通過(guò)對(duì)土壤剖面層次的破壞和擾動(dòng)進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)，生態(tài)氣候差異對(duì)于滑坡體土壤理化性質(zhì)的改變效應(yīng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。然而，震后森林土壤系統(tǒng)的變化研究大多集中在宏觀層面上對(duì)水土流失和植被恢復(fù)的過(guò)程和變化開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7-11]，對(duì)震后重災(zāi)區(qū)滑坡體土壤理化性質(zhì)的研究較為缺乏，特別是災(zāi)后滑坡體上植被恢復(fù)與土壤之間的關(guān)系少有報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)四川汶川縣映秀鎮(zhèn)典型受損滑坡體和未受損坡體的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查與樣品采集，結(jié)合室內(nèi)理化性質(zhì)測(cè)定與分析，探討地震及其次生災(zāi)害對(duì)于植被和土壤的影響以及大面積滑坡體上受損植物群落的自然恢復(fù)演替過(guò)程及機(jī)理，以期為震后西南重災(zāi)區(qū)大熊貓國(guó)家公園的植被恢復(fù)與生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

典型受損滑坡體(31°3′29.8′′N，103°29′34.5′′E)位于大熊貓國(guó)家公園汶川縣映秀鎮(zhèn)的紅椿溝溝口左側(cè)約780 m，整個(gè)滑坡體面積約27 375.63 m2，周長(zhǎng)約689.29 m，海拔880～1 210 m，是進(jìn)入紅椿溝的必經(jīng)之地。整個(gè)紅椿溝流域匯水面積5.90 km2，主溝縱長(zhǎng)3 600 m，最高點(diǎn)高程2 168.40 m，與岷江交匯處高程約880 m[12]。2010年繼“5·12”特大地震后再次爆發(fā)“8·14”特大泥石流，造成岷江堵塞、洪水泛濫。地震前該區(qū)有約22戶近80人居住，震后該村整體被后山崩塌而來(lái)的巨石破壞或掩埋，土石方量在1.0×106m3以上[13]。未受損坡體位于該典型受損滑坡體的右側(cè)，未受到地震及次生災(zāi)害的影響，植被保存完好。經(jīng)過(guò)前期野外實(shí)地考察，典型受損坡體上的植被多以自然恢復(fù)為主，屬于次生演替，植被演替進(jìn)展較為順利。

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集及測(cè)定

分別對(duì)紅椿溝典型受損滑坡體與未受損坡體進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查和土壤樣品采集，采樣點(diǎn)位置及植被概況詳見(jiàn)表1。采集樣品時(shí)去除其上層的枯枝落葉及樹根礫石等，利用環(huán)刀法取土，采集10 cm表土層土壤，編號(hào)裝入自封袋中，稱濕重并記錄。通過(guò)室內(nèi)自然風(fēng)干，稱其干重，研磨，分別過(guò)2 mm和0.25 mm尼龍篩以待測(cè)定。主要測(cè)試的物理指標(biāo)包括：土壤砂粒含量、含水量、土壤表層土厚度和土壤容重等共計(jì)4項(xiàng)，具體測(cè)試方法參見(jiàn)《土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法》[14]。化學(xué)指標(biāo)包括：土壤pH值、鹽度、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀和鎂濃度等共計(jì)7項(xiàng)，其中，土壤pH值采用酸度計(jì)(瑞士梅特勒)法測(cè)定[15]；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用燃燒法，用碳氮分析儀(Elementar Vario TOC)測(cè)定；全氮和全磷分別采用凱氏法和鉬藍(lán)法，用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(CleverChem200+)測(cè)定；速效鉀和鎂濃度使用島津原子吸收分光光度儀(SHIMADZU AA-7000)測(cè)定。

2.2 植物群落樣方調(diào)查

根據(jù)實(shí)際地形條件，分別對(duì)典型受損滑坡體和未受損坡體沿海拔從低至高依次設(shè)置水平樣帶，其中受損滑坡體7條，未受損坡體8條；同時(shí)在每條樣帶內(nèi)根據(jù)喬木、灌叢、草本的分布情況設(shè)置共39個(gè)樣方(表1)，具體布設(shè)方法參考Huang等[16]，分別記錄植物物種數(shù)、植被郁閉度等。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SPSS 22.0軟件對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，各林地采樣點(diǎn)的土壤理化性質(zhì)數(shù)值用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差[8]表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型受損滑坡體與未受損坡體土壤物理性質(zhì)分析

典型受損滑坡體與未受損坡體的土壤含水量、表層土厚度和土壤容重等物理指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果顯示(表2)：典型受損滑坡體土壤含水量為13.20%，僅為未受損坡體的59.46%；表層土厚度為15.82 cm，僅為未受損坡體的56.04%；土壤容重為0.93 g·cm-2，僅為未受損坡體的78.81%。典型受損滑坡體土壤含水量、表層土厚度和土壤容重均顯著低于未受損坡體(P<0.05)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，典型受損滑坡體下層土體中碎石、礫石含量很高，土壤中沙礫含量明顯高于未受損坡體。一方面由于地震擾動(dòng)導(dǎo)致粗骨土增加，另一方面受震后次生災(zāi)害泥石流、崩塌等影響，大量植被被破壞，導(dǎo)致水土保持能力不足，在降雨等情況下，土壤大量流失，土壤細(xì)顆粒物大量侵蝕，地表裸露，故土壤含水量和土壤容重大幅度降低。

表1 采樣點(diǎn)地理分布及植被概況

表2 不同坡體土壤物理性質(zhì)對(duì)比

3.2 典型受損滑坡體與未受損坡體土壤化學(xué)性質(zhì)分析

典型受損滑坡體與未受損坡體土壤全氮、全磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量等7項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果顯示(表3)：典型受損滑坡體全氮含量為1.172 g·kg-1，顯著低于未受損坡體；全磷含量為1.020 g·kg-1，顯著高于未受損坡體。根據(jù)野外實(shí)地勘察，可能由于滑坡體在恢復(fù)過(guò)程中受到了人類干預(yù)，大范圍人工栽植厚樸(Magnoliaofficinalis)，并伴有施加肥料等行為，造成了滑坡體的全磷含量顯著高于未受損坡體。速效鉀是土壤中容易為植物吸收利用的鉀素，速效鉀的含量與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)，但在兩個(gè)坡體上并無(wú)明顯的差異。同時(shí)，地震在很大程度上引起了土壤剖面擾動(dòng)，導(dǎo)致不同采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分含量出現(xiàn)較大波動(dòng)和明顯降低，導(dǎo)致受災(zāi)坡體土壤全氮含量出現(xiàn)顯著下降，與趙麗麗[8]對(duì)四川理縣典型受災(zāi)區(qū)土壤理化性質(zhì)的研究結(jié)果一致。由表3可知，典型受損滑坡體土壤pH值和鹽度分別為7.240和0.470 g·kg-1，顯著高于未受損坡體；而土壤鎂濃度為2.705 g·kg-1，顯著低于未受損坡體；有機(jī)質(zhì)含量差異不明顯。典型受損滑坡體pH值高于未受損坡體，可能是滑坡體碎石多、土壤少，鹽基成分含量高的巖石(如石灰?guī)r等)風(fēng)化后產(chǎn)生的大小顆粒中極細(xì)的土壤膠體吸附有氫、鈉、鉀、鈣、鎂等離子，與土壤溶液中的離子處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，影響了土壤酸堿性。結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該典型受損滑坡體土壤發(fā)育還處于初級(jí)階段，是由出露地表的砂巖母質(zhì)發(fā)育而來(lái)，砂巖中含的礦物質(zhì)和鹽分物質(zhì)較多，因而比未受損地區(qū)由植被枯落物腐殖質(zhì)形成的土壤鹽分高。典型受損滑坡體土壤的鎂濃度低于未受損坡體，與前人的研究結(jié)果一致[17-18]，主要是由于滑坡體植被稀少，對(duì)土壤的水分和養(yǎng)分的保持能力不足，造成鎂濃度明顯低于未受損坡體。有機(jī)質(zhì)含量在2個(gè)坡體變化不明顯，主要是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)以及次生災(zāi)害共同干預(yù)的結(jié)果。

表3 不同坡體土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)比

3.3 典型受損滑坡體與未受損坡體植被郁閉度與物種數(shù)分析

植物群落樣方調(diào)查結(jié)果顯示(表1和圖1)：典型受損滑坡體植被平均郁閉度顯著低于未受損坡體(P=0.042)，并且離散性很大；植物物種數(shù)也顯著低于未受損坡體(P<0.01)，主要原因是受震后滑坡、崩塌、泥石流等次生災(zāi)害的共同影響導(dǎo)致該區(qū)域的植被嚴(yán)重受損與植物物種數(shù)量的喪失。除人為因素的影響，未受損坡體的土壤條件更有利于植被的生長(zhǎng)發(fā)育。

4 討 論

汶川地震及震后次生災(zāi)害對(duì)大熊貓國(guó)家公園映秀鎮(zhèn)紅椿溝的典型受損滑坡體土壤理化性質(zhì)有強(qiáng)烈影響，山體滑坡不僅對(duì)植被造成嚴(yán)重破壞，而且還造成土壤養(yǎng)分的大量流失，土壤含水量、表層土厚度和容重明顯降低，土壤明顯退化；通過(guò)與相鄰未受損坡體土壤化學(xué)性質(zhì)的比較發(fā)現(xiàn)，典型受損滑坡體土壤的鎂濃度、全氮含量減少，而土壤pH值、全磷濃度增高。理論上，山體滑坡后土壤的速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全磷、鎂濃度、全氮濃度均應(yīng)減少[19-21]，然而紅椿溝典型受損滑坡體的有機(jī)質(zhì)、全磷和速效鉀的濃度并未減少，甚至全磷濃度顯著增加。結(jié)合長(zhǎng)期實(shí)地野外考察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，造成上述現(xiàn)象的原因很可能是震后經(jīng)過(guò)了幾年植被自然演替的同時(shí)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門增加了人工恢復(fù)過(guò)程，栽植大量厚樸等植物，可能存在人為施肥；同時(shí)，栽植植物的落葉逐漸形成腐質(zhì)層，提高了其土壤理化性質(zhì)的濃度，驅(qū)使其越來(lái)越接近未受損坡體的土壤。其次，本研究調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，典型受損滑坡體的下層土體中碎石、礫石含量很高，達(dá)10%～35%，并且地勢(shì)陡峭、地形復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)僅能采集到0～20 cm土層土壤開(kāi)展理化性質(zhì)分析，本研究中主要采集的是表層10 cm左右土層的土壤，未對(duì)20 cm以下土層用環(huán)刀精確地采集土壤樣品，全磷濃度的顯著增加也有可能與調(diào)查地土壤質(zhì)地粗、樣點(diǎn)數(shù)量少有關(guān)。受地震及次生災(zāi)害嚴(yán)重破壞，土壤的砂粒和粉粒含量明顯增多，黏粒含量急劇減少；同時(shí)，地震造成土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)體被破壞，導(dǎo)致土壤顆粒缺乏有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)，進(jìn)而土壤抗侵蝕能力減弱，發(fā)生黏粒淋失，土壤黏粒的減少直接導(dǎo)致土壤養(yǎng)分減少，如土壤全氮含量的明顯降低和鎂濃度的下降，與趙麗麗[8]、王文艷[22]、薛立等[23]的研究結(jié)果一致。

除此之外，紅椿溝典型受損滑坡體土壤肥力與含水量顯著低于未受損坡體，主要是震后山體崩塌、泥石流等次生災(zāi)害破壞了大量植被，嚴(yán)重影響了植被的保肥保水的能力[24-26]。同時(shí)，降雨影響下，滑坡體土壤流失嚴(yán)重，共同導(dǎo)致土壤的肥力和含水量的下降。建議應(yīng)加強(qiáng)大熊貓棲息地重災(zāi)區(qū)的植被恢復(fù)，在自然恢復(fù)的基礎(chǔ)上輔助栽培人工林，再通過(guò)增加土壤中的有機(jī)質(zhì)、速效鉀、全氮、全磷等含量來(lái)增強(qiáng)土壤肥力，共同加速植被恢復(fù)的演替進(jìn)程。同時(shí)，結(jié)合近10年野外實(shí)地勘察結(jié)果，大熊貓國(guó)家公園映秀鎮(zhèn)范圍內(nèi)大型滑坡體均可采用自然演替與人工栽培相結(jié)合的方式逐漸恢復(fù)本土植被。