金沙江干热河谷侵蚀陡坡植被恢复对土壤质量的影响

生态环境2008,17(4):[e-mail]基金项目：国家支撑计划课题（2006BAC01A11）；国家自然科学基金项目（40771027）；国家973项目（2007CB407206）作者简介：聂小军（1977－），男，博士研究生，主要从事土壤侵蚀与水土保持。E-mail:[e-mail]*通讯作者：张建辉，研究员，博士生导师，主要从事土壤侵蚀、土壤物理研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2008-03-13金沙江干热河谷侵蚀陡坡植被恢复对土壤质量的影响聂小军1,2，张建辉1*，刘刚才1，南岭1,2,苏正安1,21.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都610041；2.中国科学院研究生院，北京100049摘要：植被恢复关系到金沙江干热河谷陡坡冲沟侵蚀的发育，土壤质量的演化。文章以元谋干热河谷侵蚀陡坡为例，通过测定植被恢复地与侵蚀裸地的土壤质量，探讨了植被恢复对侵蚀陡坡土壤质量的影响。结果表明：侵蚀陡坡植被恢复有效地防止了土壤侵蚀的发生。与侵蚀裸地相比，植被恢复地土壤剖面层次保持完整，母质层以上有明显的A、B层，土壤厚度变异小且厚度大，物理性粘粒含量高，基本保持着母质为粘土层的变性燥红土质地粘重特征。植被恢复在3年多时间内对土壤紧实度尚没有起到明显改善作用，土壤容重依然偏大。植被恢复对雨季陡坡土壤水分的改善效果好，而在旱季改善效果不好。雨季，植被恢复地水分含量高，不同坡位土壤水分差异不明显。旱季，植被恢复地与侵蚀裸地土壤水分状况相似。两种类型的坡地土壤水分含量都很低，不同坡位土壤水分差异明显，而且土壤水分含量沿向下坡方向降低。植被恢复减弱了陡坡土壤侵蚀带来的有机质流失，促进了有机质的积累。因此，针对目前植被恢复的不足，采取有效的土壤改良措施，保土保水，提高土壤水分储量，减小土壤水分的时空差异，同时降低土壤紧实度，是今后侵蚀陡坡植被恢复值得考虑的一项工作。关键词：元谋干热河谷；土壤侵蚀；植被恢复；土壤质量中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：1672-2175（2008）04-1636-05金沙江干热河谷地区是我国植被环境脆弱地区之一，土壤侵蚀极其严重。侵蚀引起的土壤质量退化一直困扰着当地的社会可持续发展。围绕该区自然环境特征、土壤质量退化现状以及土壤质量退化过程与机理的研究成果已经很多[1-8]，在此基础上开展的水土保持措施也出现了很多,有效防止了侵蚀土壤的进一步退化，并取得了一定的社会经济效应。目前该区水土保持措施大多倾向于工程措施(主要指坡改梯、隔坡水平沟、隔坡水平阶、鱼鳞坑等)与植被恢复措施对侵蚀土壤水分的改善[9-14]，但很少关于它们在不同土壤景观位置的行为特征研究报道[15-17]。尤其，关于这些措施对冲沟侵蚀强烈的陡坡土壤质量影响的研究更少。据此，我们以云南元谋干热河谷苴林植被恢复技术示范基地为研究区，探讨植被恢复对侵蚀陡坡土壤质量变化的影响。1材料与方法1.1研究区概况本研究区地属金沙江下游干热亚区，位于东径101°48′48″~101°49′54″北纬25°50′30″~25°51′18″，海拔1067~1138m，气候干旱，年均温21.9℃，极端最高气温42℃，极端最低气温-2℃，≥12℃的持续天数349d，≥10℃积温7786℃；年降雨量630mm左右，集中在5—9月份，其他月份少雨或无雨，年蒸发量3911.2mm，蒸发量是降雨量的6倍,全年太阳总辐射量641.8KJ·cm-2，日照率62%；干燥度4.4(以Penman公式计算)[18]。研究区地形切割强烈，70％为落差0.5~1.8m的改造台地，5％为15°~35°坡地，25%为严重侵蚀冲沟。土壤因发育母质类型的多样性，主要有普通燥红土、表蚀燥红土、变性燥红土。植被类型为干旱稀树草丛。区内草本植物超过30种，总盖度为72.08%，优势种以扭黄茅（Heteropogon）和孔颖草(Botnrocholaportusa)居多；灌木和乔木主要有车桑子（Dodoneaevis-cosa），小桐子（Jatrophacurcas）、余甘子（Phyllanthusemblica）、合欢（Albiziajulibrissm）。1.2研究方法在研究区选择土壤类型为变性燥红土（pH7.0），坡度为10°的两块相邻陡坡地作为土样采集、测定区。两块陡坡地在2004年前背景情况一样，都为严重侵蚀的荒地，植被覆盖度很低（5%）。其中一块未经植被恢复，现已演变为侵蚀裸地（对照），一块为2004年在侵蚀荒地基础上采取植被恢复的坡地。被修复的坡地植被是新银合欢（Leucaenaleucocephala）树＋扭黄茅、孔颖草等土著先锋草种。新银合欢树株、行矩都为3m，株、行矩种草。现在，新银合欢树已经有3年多栽种历史，树高2米多，树径5cm左右。两块坡地坡脚接临侵蚀强烈的冲沟，现只有20m左右完整的坡长。土样采集方法为分别在这两块坡地上坡（0~5m）、中坡(5~15m)、下坡(15~20m)3个位置采集混聂小军等：金沙江干热河谷侵蚀陡坡植被恢复对土壤质量的影响1637合土样2个，待测土壤质地、有机质；容重样用100cm3环刀取原状土。同时，分别在这3个位置用TRIME-EZ便携式土壤水分速测仪（重复测量精度±0.3％，德国）测定土壤体积含水量。土样采集、水分测定深度为母质层以上的土壤厚度。土样采集时间为2007年9月，水分测定时间分两期：一期为2007年9月测定研究区雨季水分，一期为2007年12月测定研究区旱季水分。待测土样分析测定方法为：吸管法测定土壤颗粒组成；环刀法测定土壤容重；重铬酸钾容量法测定有机质。数据分析采用SPASS统计分析软件。2结果与讨论2.1土壤剖面（层次、厚度、质地、容重）两块坡地土壤剖面相比较具有明显的差别(p=0.033，n=6)。植被恢复地（经过植被恢复的陡坡地）母质层以上有明显的土壤A、B层，土壤厚度（母质层以上厚度）在22~30cm范围内（图1），变异系数CV=11%。侵蚀裸地（未经治理的陡坡地）母质层以上土壤A、B层不完整，除上坡位有完整的土壤A、B层外，中坡、下坡位母质层以上土壤A层缺失，仅有B层。而且，侵蚀裸地的土壤厚度变薄，厚度范围在8~20cm间，CV=29%。从不同坡位来看，上坡土壤侵蚀最小，中下坡土壤侵蚀明显，这符合标准水蚀模型。植被恢复地的上坡可以被认为没有发生侵蚀，水蚀对这个坡位的影响只可能为溅蚀，但是由于地表植被与栽植树木叶子对雨滴的阻挡、缓冲，表层土壤受到的侵蚀影响微乎其微，土壤厚度保持在30cm左右。侵蚀裸地的上坡位则不然，由于光秃的下垫面无法阻挡雨滴的击溅，使之这个坡位表层土壤的细颗粒溅离原位，土壤厚度变薄，厚度仅有20cm左右。由于地表径流的汇集，中下坡土壤受水蚀的影响表现为面蚀。侵蚀裸地受面蚀的影响很大，中坡、下坡位置的土壤A层被侵蚀掉，土壤厚度仅15cm、8cm左右。相对于侵蚀裸地，植被恢复地由于植被覆盖度好，面蚀对中坡、下坡的影响不大，土壤厚度分别为为25cm、22cm左右。两块坡地土壤层次、厚度的明显差异表明:经过植被恢复的坡地在2004年后3年多的时间内有效地防止了土壤侵蚀的发生。植被恢复对土壤剖面的影响还表现在土壤粒级组成、容重方面（表1、图2）。物理性粘粒是易被水分散悬移的主要土粒组分，它的含量高低能反映土壤的侵蚀强度。不同坡位母质层以上土壤的物理粘粒含量方面，植被恢复地均高于侵蚀裸地上坡位置，分别高出1％（上坡）、10％（中坡）、22％（下坡）。因此，从两块坡地的物理性粘粒含量来看，植被恢复地受土壤侵蚀影响小。上坡，植被恢复有效防止了溅蚀；中下坡，其有效防止了面蚀。两块坡地土壤受侵蚀程度的不同也表现出了不同的质地。植被恢复地土壤主要以粘质为主，基本保持着母质为粘土层的变性燥红土质地粘重特征；而侵蚀裸地土壤以粉质、砂质为主。土壤容重方面，植被恢复地稍小于侵蚀裸地，但总体上两块坡地不存在显著差异（p0.1，n=6），容重均大于1.50g·cm-3。而且，从不同坡位来看，两块坡地土壤容重的CV都很小。植被恢复地、侵蚀裸地的CV分别为4.2%、4.6％。因此，土壤容重的这种变化说明植被恢复目前还没有对变性燥红土土壤紧实化起到明显改善的作用。05101520253035上坡中坡下坡土壤厚度/cm侵蚀裸地生态恢复地图1侵蚀陡坡的土壤厚度分布Fig.1Thedistributionofsoildepthacrossanerodedhillslope图2侵蚀陡坡的土壤容重分布Fig.2Thedistributionofsoilbulkdensityacrossanerodedhillslope表1侵蚀陡坡的土壤颗粒组成及质地Table1Soilparticlecompositionandsoiltextureonanerodedhillslope坡地类型坡位砂粒2~0.05mm粉粒0.05~0.002mm粘粒0.002mm物理性粘粒0.02mm质地侵蚀裸地上坡(0~5m)中坡(5~15m)下坡(15~20m)6%70%57%47%12%19%44%17%23%78%23%34%粉粘土砂壤土砂粘壤植被恢复地上坡（0~5m）中坡(5~15m)下坡(15~20m)12%56%28%37%21%36%50%21%33%79%33%56%粘土砂粘壤粘壤1.401.451.501.551.601.651.701.751.80上坡中坡下坡容重/(g•cm-3)侵蚀裸地生态恢复地1638生态环境第17卷第4期（2008年7月）2.2土壤水分土壤水分是干热河谷土壤质量的限制性因子，它的好坏直接衡量着该研究区植被恢复的效果。图3是两块陡坡地雨季、旱季的土壤水分状况。雨季，植被恢复地与侵蚀裸地土壤水分差异明显（p=0.007，n=15），植被恢复地上的平均土壤含水量明显高于侵蚀裸地。植被恢复地的含水量变化幅度是44.0％±3.15％；而侵蚀裸地地上的含水量变化幅度是34.7％±8.33％。旱季，两块陡坡地的土壤水分差异不明显（p0.1，n=9），平均含水量在14.5％左右。从不同坡位来看：雨季，与侵蚀裸地不同坡位极其明显的土壤水分差异（p0.0001，n=15）相比，植被恢复地不同坡位土壤水分差异不明显（p0.05，n=15）；旱季，两块坡地的土壤水分差异都很明显（p0.001，n=9）。由此可见，该研究区侵蚀陡坡植被恢复对土壤水分的改善主要表现在雨季，而在旱季其改善效果不佳。另外，对比旱季不同坡位土壤水分含量，植被恢复地土壤水分含量沿下坡方向降低，这与许多研究结果不一致[19-26]。一般来说，下坡可能接受到上坡土壤水分的表面径流和壤中流的补充而表现出比上坡高的含水量。我们得出的这种不一致的结果归因于不同坡位土壤剖面厚度差异。在我们的研究结果中，植被恢复地中、下坡土壤厚度虽然仅比上坡分别小5cm、10cm，但正是这5cm、10cm的差异使得中、下坡土壤A层变薄，储水能力大幅降低，蒸发增强，因此经过相同干旱时间这些坡位的水分含量相对上坡小的多。可见，侵蚀土壤流失造成的土壤厚度差异是干热河谷土壤水分特性好坏的关键因子。综上，我们应在现有植被恢复的基础上通过采取科学保土措施才能保水，减小侵蚀土壤水分时空差异，提高其抗旱力。2.3土壤有机质土壤有机质是作物所需的氮、磷、硫、微量元素等各种养分的主要来源，而且它还能通过影响土壤物理、化学和生物学特性来改善土壤肥力。尤其，土壤有机质能改变粘土的坚韧大块结构，使土壤的透水性、蓄水性、通气性以及根系的生长环境有所改善；同时由于土壤孔隙结构得到改善，导致水的入渗速率加快，从而可以减少水土流失。这一点对于本研究区极低肥力的变性燥红土土壤质量改良有着关键的意义。如图4可知，植被恢复地的土壤有机质含量（平均6.5g·kg-1）总体上要高于侵蚀裸地（平均4.7g·kg-1），这个结果表明植被恢复