植被恢复对喀斯特地区土壤质量的影响研究

2023-08-29王维

河南水利与南水北调 2023年7期

关键词：土壤有机人工林耕地

王维

（贵州建工北盘江建设工程有限公司，贵州六盘水 553000）

1 引言

中国西南地区由于其特殊的地质条件和脆弱的生态系统，喀斯特地区特别易受到严重的土壤侵蚀从而引起土壤退化。为了改善土壤状况和恢复生态系统，通常可在喀斯特山区采取一系列有效措施以提高当地土地的资源生态承载力。

2 材料和方法

2.1 研究区域

研究区位于中国贵州省典型的峰丛洼地，该地区属亚热带季风气候，年平均气温19.20℃，年平均降雨量1 421 mm，降雨多集中在5-9 月，旱季在10-3 月。试验所在区域地形均为四面高、中间低，土壤为钙质，大部分由白云岩和石灰岩发育而成。天然植被主要为灌木和草地，2000 年以来逐渐种植了人工林和草地。设置原生林为试验对照组，对照组土壤主要由可溶性和多孔石灰岩组成，以亚热带物种为主，属于亚热带常绿落叶阔叶混交林，森林覆盖率达90%以上。

2.2 试验设计

文章共选择了5个具有典型植被类型的采样点，峰丛洼地4 个采样点，自2008 年起恢复，以及对照原生林1 个采样点。2020年7月进行了土壤采样，所有重复地块均在每个场地内随机建立，任意两个地块之间的距离为100 m，在每个地块的不同深度处采集土壤样本，土壤取样后进行实验室分析，具体指标见表1 所示，其中土壤有机碳通过重铬酸盐氧化法测定，总氮用燃烧法氮全自动分析仪进行测量。总磷和总钾分别通过氢氧化钠湿消化和火焰光度计测定。

表1 采样点信息及不同植被类型的土壤分析表

2.3 土壤质量指标评价

土壤质量指数（SQI）被广泛用于评估土壤质量，将土壤指标转换为0至1的评分。具体通过下列公式（1）计算：

式中：S是土壤指标得分；a是最大值，为1；x是各土壤指标的值；x0是各土壤指标的平均值；b是方程斜率。

通过指标得分及其权重值，用公式（2）计算SQI值：

式中：Wi是选定土壤指标的权重值，Si是公式（1）计算的指标得分。

3 试验结果

3.1 不同植被恢复类型下的土壤物理指标

由上文表1 可知，在所有植被类型中，原生林的含砂量最大，不同深度的土壤含沙量为32.56%～55.42%，粘土含量最低，为4.82%～10.30%。人工草地的粘土含量和粉土含量显著高于其他植被类型，砂含量在不同土壤深度处均最低，为6.09%～13.58%。在相同土壤深度下，耕地的粘土含量显著低于其他植被类型，为10.68%～15.96%。

图1 为不同植被恢复类型下的土壤堆积密度。随着土壤深度的增加，土壤堆积密度也随之增加。耕地土壤的堆积密度相对高于其他植被类型，为1.42～1.53 g/cm3。作为对照组的原生林在相同土壤深度情况下的堆积密度最低，为0.84～1.17 g/cm3。自然恢复灌丛、人工林地和人工草地之间没有显著差异，堆积密度较为相似。人工草地随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，堆积密度较5～15 cm 深度处分别增加了9.52%和14.29%。

图1 土壤堆积密度图

图2 为不同植被恢复类型下的土壤含水量。自然恢复灌丛的5～15 cm 深度的表层土壤的土壤含水量显著高于其他植被类型，为0.52%。原生林的土壤含水量随着土层深度的增加而逐渐减小，原生林随着土壤深度增加为15～25 cm和25～35 cm，堆积密度较5～15 cm深度处分别减小10.2%和17.4%。人工林地在15～25 cm深度处的土壤含水量较5～15 cm和25～35 cm处的土壤含水量小，但人工草地和耕地的土壤含水量在15～25 cm最大。

图2 土壤含水量图

3.2 不同植被恢复类型下的土壤化学指标

土壤有机碳随土壤深度增加而显著降低，不同土壤深度的原生林土壤有机碳最高，为27.55～65.87 g/kg，耕地最低，为7.64～12.67 g/kg。除原生林和耕地外，自然恢复灌丛的表层土壤有机碳含量最高，为38.16 g/kg，其次是人工林地和人工草地，分别为36.48 g/kg、26.94 g/kg。原生林随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，土壤有机碳较5～15 cm 深度处分别减小30.77%～58.46%。人工林地随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，土壤有机碳较5～15 cm 深度处分别减小15.89%～36.84%。耕地随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，土壤有机碳较5～15 cm 深度处分别减小16.67%～41.31%。

随着土壤深度的增加，土壤总氮含量随之下降。整体来说，原生林的土壤总氮含量相对较高，为4.32～1.85 g/kg，耕地最低，为1.24～1.47 g/kg。除原生林和耕地外，自然恢复灌丛的表层土壤总氮含量最高，为2.66 g/kg，其次是人工林地和人工草地，分别为2.31 g/kg、1.94 g/kg。不同植被恢复类型下的总氮含量呈现出与土壤有机碳相似的结果。原生林随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，总氮含量较5～15 cm 深度处分别减小37.21%～58.14%。人工林地随着土壤深度增加为15～25 cm和25～35 cm，土壤总氮含量较5～15 cm深度处分别减小8.69%～26.08%。耕地随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，土壤总氮含量较5～15 cm深度处分别减小3.57%～14.29%。

不同深度处地表土壤中总磷含量，与总氮含量呈现出不同的变化规律。原生林中的总磷含量显著高于其他植被类型，其次人工草地＞人工林地＞自然恢复灌丛＞耕地。人工林地在土壤深度为15～25 cm时，总磷含量最高为0.85 g/kg，较土壤深度为5～15 cm 和25～35 cm 时高6.25%和41.67%。耕地在土壤深度为5～15 cm 时，总磷含量最高为0.51 g/kg，土壤深度为15～25 cm和25～35 cm时总磷含量分别为0.45 g/kg和0.48 g/kg。

原生林中的总钾含量显著高于其他植被类型，不同土壤深度处为16.32～18.57 g/kg。在所有植被类型中，人工林地的浅层土壤5～15 cm处的土壤总钾含量最低，为6.11 g/kg。

3.3 土壤质量指数评估

通常，每种植被类型的土壤质量指数均随土壤深度增加而降低，但不同植被类型的土壤质量指数仍存在一定差异，如图3 所示。原生林随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，土壤质量指数较5～15 cm 深度处分别减小154.63%和29.27%。耕地随着土壤深度增加为15～25 cm 和25～35 cm，土壤质量指数较5～15 cm 深度处分别减小6.25%和12.50%。自然恢复灌丛的土壤质量指数随土壤深度增加而产生大幅度地下降，随着土壤深度增加为15～25 cm和25～35 cm，土壤质量指数较5～15 cm深度处分别减小37.29%和40.68%。原生林的三种土壤深度的土壤质量指数平均值为0.58～0.82，显著高于其他植被类型，耕地的土壤质量指数平均值在植被类型中最低，为0.28～0.32。对于5～15 cm 的表层土壤，自然恢复灌丛、人工林地和人工草地的土壤质量指数分别为0.59、0.56 和0.54，无较显著差异。在15～25 cm 的土壤深度处，人工林地和人工草地的土壤质量指数分别为0.51 和0.52，土壤质量指数较相似，并显著高于自然恢复灌丛的土壤质量指数。

图3 土壤质量指数图

4 试验结果分析

不同植被类型之间的土壤指标差异显著，表明植被类型对土壤性质起着重要影响作用。原生林由于其增强了土壤养分，其土壤性质指标与其他植被类型存在显著差异。通常，耕作等人类活动会直接改变土壤结构，降低土壤团聚体和稳定性，可能导致土壤养分的分解和损失。植被恢复类型的大多数土壤养分显著高于耕地，表明植被恢复可以改善土壤的养分含量进而可提高土壤生产力。植被恢复后，土壤物理性质指标发生变化，养分含量显著增加。文章研究还表明，表层土壤中的土壤养分高于深层土壤中的养分，可能是由于枯木、枯叶等堆积在表层，并通过微生物活性转化为腐殖质所致。仅考虑土壤深度，土壤的有机碳含量、总氮含量、总磷含量和总钾含量随土壤深度增加而减少，但堆积密度随土壤深度增加而增加，这可能是由于与深层土壤相比，表层土壤中的根系渗透性更强，生物活性更强。

植被恢复可以改善土壤质量，但不同植被类型改善土壤质量的能力不同。原生林中土壤质量指数的平均值最高，作物地中土壤质量指数最低。人工林地、人工草地、自然恢复灌丛的土壤质量指数显著高于耕地。土壤质量指数越高，通常意味着较少的人为干扰和相应植被提供了较高的土壤有机质输入。此外，还会减少土壤侵蚀造成的养分损失。相比之下，在农田中，由于收获作物造成的地表凋落物的积累量降低，产生水土流失才导致了土壤质量的退化。土壤质量随土壤深度而降低，土壤质量指数表现出与主要土壤参数相似的下降趋势。土壤质量通常受到许多因素的影响，包括其土壤特性和地形地貌等环境因素、土地用途、植被类型和人类活动程度等。植被覆盖是改善土壤参数和减少土壤侵蚀的主要方式之一，对土壤质量有直接影响，同时对土壤养分也有不同的影响。在所有影响因素中，植被类型是土壤质量的最重要影响因素。植被恢复可以改善土壤质量，而在喀斯特地区，人工林地和人工草地比自然恢复灌丛具有更好地恢复土壤质量的能力。