典型紅壤區自然生態修復的適用性

馬 華, 鐘炳林, 岳 輝, 曹世雄

1 廣西壯族自治區水利科學研究院, 南寧 530023 2 福建省長汀縣水土保持監測站, 龍巖 366300 3 北京林業大學經濟管理學院, 北京 100083

典型紅壤區自然生態修復的適用性

馬 華1, 鐘炳林2, 岳 輝2, 曹世雄3,*

1 廣西壯族自治區水利科學研究院, 南寧 530023 2 福建省長汀縣水土保持監測站, 龍巖 366300 3 北京林業大學經濟管理學院, 北京 100083

自然修復主要通過封山育林、禁止農作、禁牧禁伐措施，減少人類對環境的擾動，利用自然生態環境的自我演替能力，恢復生態環境，實現生態平衡。自然修復作為一種成本低、無污染的生態修復手段很早就受到人們重視，但關于自然修復適用范圍的研究較少。為了正確認識自然修復的適用性，選擇了我國南方紅壤地區長期遭受嚴重土壤侵蝕危害的福建省長汀縣為研究對象，通過對長期自然修復樣地的監測資料分析，發現在坡度條件為20%—30%下，當植被覆蓋度低于20%的退化閾值時，嚴重的土壤侵蝕引發的土壤肥力損失將導致生態系統自我退化，自然修復不僅無法改善當地的生態系統，反而會引起生態系統的進一步惡化。由此可見，自然修復并不適合所有的生態系統，當生態系統退化到一定程度時，退化生態系統必須通過人工干預來修復。因此，必須探索適合當地的生態修復模式，在生態系統退化突破閾值時，紅壤丘陵區應通過恢復土壤肥力、促進自然植被覆蓋度增加、綜合提高生態系統健康水平。

生態閾值; 生態修復; 植被覆蓋度; 物種多度; 土壤肥力; 生態系統

自然修復或者人工修復在退化生態系統修復中的適用性一直以來都是生態學研究的重要方向。如果一個地區土壤退化十分嚴重并超過了生態系統內部自然修復的能力時，禁止人為干預或者進行長期封禁，生態系統都無法恢復到原始狀態。這是由于植被退化導致表層土壤流失和土壤肥力下降，原有植被生長受限，同時其他原始物種難以入侵[1-2]。盡管生態修復措施被視為是增加植被覆蓋度，提高生態系統服務功能的有效手段，但退化生態系統程度不同，人工選擇植被的種類和數量、物種之間的相互作用等多種原因使得生態修復的效果有時不盡人意。因此，環境生物學最大的挑戰之一是預測人類活動對物種和生態系統相互復雜關系的影響[3]。

當外部擾動引起主要物種、土壤或者生態群落內其他資源發生巨大變化時，生態群落結構極有可能表現出突然變化，即閾值變化[1,4]。很多研究引入并闡述了生態修復中生態閾值的概念[1,5-7]，以期達到預測生態系統變化的目的。但是大部分早期的研究是理論性推測和模擬的結果，基于長期野外觀測試驗的閾值研究相對較少[6,8-9]，使得各種生態閾值的理論模型缺少足夠的數據驗證[10]。由于不同類型的退化生態系統存在顯著的地域差異性，何種生態閾值模型適用于何種特定環境缺乏相應的認識[11]。研究學者對半干旱地區過度放牧引起土壤退化不可逆轉的研究較多[12-13]，但針對濕潤地區與生態退化有關的閾值研究相對較少。因此，針對濕潤地區生態系統閾值特征的研究就顯得更加迫切。

非生物與土壤或水分條件的變化決定了相應的物種可以在特定的地區生存，這些因素的生物閾值被廣泛認為是修復退化生態系統的重要因素[5]。在退化土地管理中，閾值反映了植被和土壤的復雜變化，生態修復中如何掌握人為干預(如植樹造林)和自然修復(如封山禁牧)的量度還很困難[14-16]。不同的生態閾值類型在生態系統管理中的作用不盡相同[17]，正確應用閾值理論進行生態修復，可以起到事半功倍的效果；相反，盲目使也可能導致管理工作方面的缺失，給生態修復工作造成難以逆轉的危害。如果環境管理人員通過研究生態閾值，了解不同的生態閾值適用于與之相對應的生態系統，確定合適的生態修復政策，因地制宜的生態修復措施將更加有效。為了證明生態退化閾值的廣泛存在，并驗證自然修復的適用范圍，1986年起，選擇位于溫帶濕潤區的福建省長汀縣開展長期觀測試驗，從而更好地了解生態退化閾值并指導紅壤丘陵地區退化生態系統的修復工作。

1 研究方法

1.1 研究區概況

我國紅壤丘陵區廣泛分布于熱帶、亞熱帶，包括長江流域的大部分及其南部，跨南方10個省區，面積113萬km2，占國土總面積的11.8%，人口約占全國的30%。近一個世紀以來的森林采伐、以及單一農作方式，導致植被覆蓋度減少、植物多樣性喪失、水土流失嚴重、洪澇災害頻繁、森林景觀破壞等一系列環境問題[18-19]。與我國北方生態脆弱區相比，這里的環境問題有過之而無不及。新中國成立之后，這種形勢并未得到有效改變，毀林毀草、開墾荒地的面積不斷擴大。因此，這一地區的生態修復研究更加棘手[20]。2000年開始，福建省每年從省財政撥出1000萬人民幣，在福建省長汀縣策武鄉、河田鎮、三洲鄉、和濯田鎮開展以可持續發展為目標、自然與社會相和諧的生態修復項目，并取得積極進展，引起國際社會的廣泛關注[21]。為此，選擇全國最早開展水土保持研究的四大監測區之一的福建省長汀縣開展研究，從而更好地了解閾值變化對全國紅壤丘陵地區退化生態系統管理的作用。

研究區域位于福建省長汀縣，屬溫帶濕潤區(25°18′40″ N—26°02′05″ N, 116°00′45″ E—116°39′20″ E)，具有溫和濕潤的亞熱帶季風氣候特征。該縣面積為309 720 hm2，年平均降水量為1737.1 mm，最大年為2552 mm，最小年為1074 mm，年平均蒸發量為1443.8 mm。全縣年均氣溫18.3℃，年最低氣溫-7.9 ℃，最高溫度39.4℃。長汀土壤以紅壤為縣內主要土壤資源，分布廣、面積大，占土地總面積的79.8%。紅壤孔隙度小、抗蝕性差，降雨易在裸露的土壤表層形成徑流，產生嚴重的土壤侵蝕、形成水土流失。長期以來，由于戰爭、薪材、以及以糧為綱糧政策，導致全縣生態景觀逐步退化。退化的土地植被覆蓋度下降、在強降雨作用下極易產生嚴重的水土流失，形成洪澇災害，導致全縣生態環境進一步惡化[22]。

1.2 樣地布設

為了研究福建省長汀縣生態系統自然修復的潛力，本研究選擇了長期封禁監測的水土保持樣地作為研究的對象。樣地選具有類似的地形地貌、坡度范圍在20%—30% 的中坡位。選取時要做到避免跨越河流、道路、山脊，也不應靠近林緣。區域內的地貌以丘陵為主，礦物晶粒粗大的黑云母花崗巖在長期濕熱氣候條件下發育成紅色風化殼。樣地紅壤土壤孔隙度小(>0.005 mm孔隙度為1.9%—18.7%)、水分滲透緩慢，<1 mm微團聚體含量高達600 g/kg以上、抗蝕性差，降雨易在土壤表層形成徑流，產生嚴重的土壤侵蝕。樣地以馬尾松(PinusmassonianaLamb)為主的次生針葉林組成喬木層，其生長量極低，林下以稀疏灌叢為主，先鋒草本為鷓鴣草(EriachnepallescensR. Br.)和芒萁(Dicranopterispedata)。先對多個樣地進行植被覆蓋度的調查，然后在實驗處理林地內選出不同植被蓋度的400 m2(20 m×20 m) 樣地30塊。有研究表明，植被蓋度在30% 以上時，退化林地具有自我修復能力[23]，但研究區域降水充沛，利于植被生長，因此估計該地區植被閾值可能低于30%。根據1986年原始的植被覆蓋度，把這些地塊分為6組(每組5個樣地)：(1)小于20%，(2)20.1至25%，(3)25.1至30%，(4)30.1至35%，(5)35.1至40%，(6)大于40%。從1986年起，為了恢復當地生態環境，當地已禁止在封禁區進行砍伐、放牧等活動。自然修復的方式為封山育林邊緣樹立封山育林區標志碑，向居民宣傳封禁的目的和意義，并有工作人員24 h看護，嚴禁人為干擾，通過林內自我恢復能力進行植被修復。

1.3 樣地監測

樣地監測的時間從1986年開始，是由當地水土保持站工作人員完成每年植被覆蓋度、物種豐富度、土壤侵蝕、土壤養分的調查和監測。

(1)植被覆蓋度 為了估算研究樣地的植被覆蓋度，需要測量樹木的冠幅、地面灌木、草本植物的覆蓋度；為了使各樣地數據具有可比性，相關監測數據應在較短時間測得。因此，在每年生長旺季(6月下旬至8月下旬)，避免植被的發芽或落葉時期。選取樣方內具有代表性的喬木進行覆蓋度測量，用鋼卷尺測量每棵樹最大和最小樹冠半徑，測算單個樹木冠幅，乘以樣方內相同樹種林木的數量可得喬木覆蓋面積。如有樹冠重疊的地方，仔細確定重疊的范圍，減去重疊部分，避免重復計算。喬木覆蓋度等于喬木覆蓋面積與樣地總面積的比值。在沒有被樹木覆蓋地方，用兩條10m相交的直角斷面進行對角線調查采樣，調查灌草植物地面覆蓋度。如灌草有重疊的地方，確定重疊的范圍，減去重疊部分。灌草覆蓋度等于灌草總覆蓋度與樣地總面積的比值。

(2)植物物種豐富度(也稱植物多度) 是指實驗樣地出現的植物種數。每年8月收集各樣地所有植物物種樣本進行鑒定，無法鑒定的植物的種類制成標本，由福建師范大學專門研究人員進一步確認。

(3)土壤侵蝕 在類似試驗小區的斜坡設置長為20 m，寬為5 m的徑流小區，在徑流小區底部修建容量為15 m3的漿砌石沉沙池。在降雨后24h內把所有的泥沙清理出池底，抽取3個泥沙樣品在105 ℃下烘干12 h，然后稱重，計算侵蝕模數(單位面積土壤流失量)和徑流量(地表徑流占降水的比例)。

(4)土壤養分 每隔5a(即1986，1991，1996，2001，2006，2011年)，在每個實驗樣地的對角線等距離選取3個樣點。用環刀取30 cm表層土壤，測量土壤養分成分。土壤有機質含量通過油浴加熱的重鉻酸鉀氧化法測定、全氮測定采用堿蒸餾法、全磷測定采用原子吸收分光光度法(Varian spectrophotometer; Varian Inc., Palo Alto,California)、全鉀用氫氟酸與高氯酸消解法測定。

(5)表層土壤沙粒：在土壤養分監測的同時，用相同方式取5 cm表層土壤，用不同型號的篩子篩選土樣，確定樣品大于1 mm沙粒含量。

1.4 統計分析

該研究用SPSS軟件(12.0)進行顯著性(LSD)分析。

2 研究結果與分析

2.1 植被覆蓋度和植物豐富度的變化

研究結果表明(圖1)，封育前樣地植被覆蓋度若在20%以下，經過25a的自然修復后，植被覆蓋度比封育前略有減少，植被覆蓋度不僅沒有上升，反而出現不同程度的下降，表明自然封禁在一定程度上加劇了這些樣地植被的退化。與之相比，經過自然修復后，植被覆蓋度逐年呈上升趨勢，植被能得到較好恢復，封禁前植被覆蓋度在20%—25%的樣地能恢復到80%左右；封禁前植被覆蓋度大于25%的樣地能恢復到100%。植物豐富度也存在類似現象，植被覆蓋度低于20%的樣地，其植物種數均低于7種。從圖1可以看出，當監測樣地植物種類少于7種時，經過25a自然修復后，縱向圖形沒有明顯的升高，說明物種數量沒有增加。當監測樣地植物種類大于7種時，縱向當年的物種數均比前五年有所增加。各組統計分析均達到極顯著水平(P<0.01)。因此，植被恢復的同時，物種數也會得到豐富，有利于構建完整的自然生態系統結構。

2.2 土壤養分變化

研究結果表明(圖2)，經過25a自然修復后，封育前植被覆蓋度低于20%樣地的土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量與封育前植被覆蓋度高于20%樣地相比有明顯的差異。封育前植被覆蓋度低于20%樣地的土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別小于3.0、0.14、0.16、5.0 g/kg，自然修復后，土壤養分不僅沒有改善，反而出現不同程度的下降，自然封禁在一定程度上加劇了這些樣地土壤的退化。從圖2可以看出，縱向看，封育前植被覆蓋度高于20%樣地當年的土壤養分均比前5a有所增加，2011年時達到最高水平。橫向看，樣地的植被覆蓋度越高，其土壤養分狀況越好。因此，植被覆蓋度過低對土壤化學成分的改良能力相對較弱，植被的恢復有助于對土壤的改良，促進土壤與植物之間營養物質的循環。各組統計分析均達到顯著水平(P<0.05)。

圖1 實驗樣地25a自然修復植被覆蓋度和豐富度變化Fig.1 Vegetation cover an richness change during 25 years natural restoration

2.3 水土保持效果

研究結果表明(圖3)，經過25a自然修復后，封育前植被覆蓋度低于20%樣地的土壤侵蝕模數和徑流系數與封育前植被覆蓋度高于20%樣地相比差距極為明顯。經過自然修復后，封育前植被覆蓋度低于20%樣地水土流失嚴重，當年土壤侵蝕模數和徑流系數均較前5a略有增加。經過自然修復后，水土保持效果不僅沒有改善，反而出現不同程度的惡化，自然封育在一定程度上加劇了這些樣地的退化。然而，封育前植被覆蓋度高于20%樣地經過25a自然封禁的改造后，水土流失狀況明顯得到好轉?？v向看，封育前植被覆蓋度高于20%樣地當年的水土保持能力均比前五年有所增加，2011年時達到最高水平。橫向看，樣地的植被覆蓋度越高，其水土保持能力越好。因此，植被覆蓋度的增加有利于防止水土流失的發生。各組統計分析均達到極顯著水平(P<0.01)。

2.4 植被覆蓋度與各指標之間的關系

相關分析結果表明，植被覆蓋度與植物多度、土壤養分、水土保持效果之間存在極顯著的線性相關關系(圖4,P<0.001)。植被覆蓋度與植物多度、土壤養分呈正相關，與土壤侵蝕模數、徑流系數呈負相關。這是由于植被蓋度的增加能減少雨滴的擊濺，植被根系能固持土壤，枯枝落葉層不僅能增大地表粗糙度、吸收降水、還能有效延長下滲水分的時間。增加森林系統水土保持能力可以防止土壤營養成分的流失，為植被的生長提供養分供給。植被通過吸收土壤養分，促進了植被覆蓋度的增加，同時也為土壤表層提供了充足的枯落物，其不僅能在微生物的分解下為土壤補充各類營養成分，以完成養分循環，還能有效阻止雨水的直接打擊，減少了土壤養分隨水流失。因此，植被覆蓋度的增加是生態環境改善最直接的表現指標。

圖2 自然修復樣地中土壤養分含量變化Fig.2 Soil fertility change during 25 years natural restoration

圖3 自然修復后水土保持變化Fig.3 Soil and water conservation change during 25 years natural restoration

圖4 監測樣地植被蓋度與其他指標的相關關系Fig.4 Relationships between vegetation cover and various soil and other parameters at the study plots

3 討論

傳統生態系統恢復的工作重點是重新建立干擾機制或者非生物條件，并依靠演替過程，促進生物群落的恢復。不過，生物因素和自然環境之間強烈的相互影響可以改變以這些演替為基礎的效果[24]。因此，退化林地的修復結果往往出乎意料。很多研究學者認為，退化的生態系統處于極不穩定的狀態，有時生態修復的方式會導致退化林地朝逆向方向發展[25-26]。確定退化生態系統處于何種狀態，對于選擇正確的生態修復方式有重要意義。結果表明，在20%—30%的坡度下，當植被覆蓋度低于20%時，林地在沒有人為干擾的情況下，植被覆蓋度持續下降；在初始植被覆蓋度高于20%的樣地，即使沒有人為干預，生態系統尚未喪失其自我恢復能力，即使不加以人為干預，也可為自然修復提供條件，通過緩慢恢復最終達到100%的植被蓋度率(圖1)，土壤的肥力和其他土壤參數也逐漸改善(圖2，圖3)，為天然植被恢復提供保障。實驗結果顯示：在20%—30%的坡度下，該濕潤地區退化林地自然修復與人工修復之間的閾值為20%的植被蓋度。由此可見，退化生態系統植被覆蓋度大于20%時，可保持原始生態系統原本的結構、功能和反饋機制[14,16]。景觀連續性和結構的變化、物種的喪失、優勢物種的變化、不同營養層次的相互作用，都會引起土壤和其他生物的變化[6]；如果自我恢復能力不足時，生態系統服務也會隨之下降[27]。正確地應用閾值概念可以使不可逆的退化系統向自我修復的方向發展。

退化林區的生態修復與土壤質量密切相關，特別是與土壤養分的利用率有關[28]。結果表明，植被覆蓋度與土壤養分狀況呈顯著相關性(圖4)，這是由于在長汀嚴重水土流失區，土壤養分的高低是限制植被恢復的重要因子。在自然修復樣地中，喪失自我修復的植被群落，土壤肥力退化；具有自我修復能力的植被群落，土壤養分隨植被覆蓋度的增加而增加(圖2)。在熱帶、亞熱帶降雨量充足的地區，加上砍伐、燒山等傳統人工造林方式，使得長期累積的土壤有機物和養分容易在雨季被大雨淋失。長汀縣也地處亞熱帶地區，降雨豐富，因此應當注重對表層土壤的保護，防治土壤養分隨地表徑流流失。植被不僅能改良土壤肥力狀況，還能防治水土流失。結果表明，植被覆蓋度和土壤養分與土壤侵蝕模數、徑流系數、>1 mm礫石比例之間呈顯著負相關。封禁前初始總植被覆蓋度低于20%的自然修復樣地由于植被退化，水土保持效果不僅沒有改善，反而出現不同程度的惡化；隨著植被覆蓋度的增加，土壤侵蝕模數、徑流系數下降，植被水土保持作用得到提高(圖4)。植被蓋度無法恢復，大面積的裸露表土在雨季被雨水濺蝕，徑流沖刷，土壤養分不斷流失。最終形成了土壤養分不斷缺失，植被繼續退化，土壤侵蝕量越大的惡性循環。

生態系統中的不同指標存在各自的閾值特征(圖1，圖3)。由于氣候環境變化會影響物種生命周期的適應性變化；同時，大多數退化土地分布在不同的土地利用類型[29]，這就使識別各種生態系統閾值特性非常困難[6]；因此，生態學家一直希望開發出復雜的預測工具和更廣泛的概念框架，幫助環境管理人員正確地應用閾值概念，防止生態系統出現不可逆的退化[29-30]。但是，這些研究框架對于多數管理人員和當地居民來說過于復雜，很少能夠應用到生產實踐來預測生態系統的臨界變化[31]，快速的環境變化使這項任務變得更艱巨。因此，我們必須找到簡單易行的方法，快速評估變化生態系統的具體狀態。植被覆蓋度與其他生態指標之間的顯著關系(圖4)，表明研究區用植被覆蓋度變化來判斷生態系統退化的閾值特征是可靠的。

自然生態系統具有復雜性特征[32]，在受到人為干擾或者環境變化(如氣候變化)時，生態系統自我恢復會更加困難，不適當的人工干預會引起生態系統進一步退化[9]。不同物種相互作用的復雜生態系統可能有不同的閾值特征[29,33]。以往研究結果表明，當生態系統退化超出閾值，就會引起本地物種的滅絕[27]。不同地區的研究結果表明，當植被覆蓋率下降到10%—30%時，會發生不同程度的物種消失[8,34]，這些退化的生態系統若不進行人為干預，將無法恢復到原始狀態。在半干旱地區，低于30%植被覆蓋度時，也有類似的結論[12-13]。在開展退化或者受損生態系統的修復時，必須了解生態系統的初始狀態，并確定改變這種狀態的一種或者多種關鍵因素[7]。不同地區的環境不同，生態修復的路徑也不盡相同[32]。必須強調，不同地區之間存在自然因素差異，在20%—30%坡度條件下，20%植被覆蓋度的閾值判斷，只適用于中國南方紅壤丘陵研究區域的特定環境。我們的研究結果對干旱地區并不適用，各地學者應針對不同地區的特征開展研究，并利用相關研究結果指導各地退化區域的環境管理。

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Research on the application of natural ecological restoration in a typical region of China with red soils

MA Hua1, ZHONG Binglin2, YUE Hui2, CAO Shixiong3,*

1GuangxiInstituteofWaterResourcesResearch,Nanning530023,China2SoilandWaterConservationBureauofChangtingCounty,Longyan366300,China3CollegeofEconomicsandManagement,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

Natural restoration is mainly accomplished by allowing natural reforestation to occur, combined with prohibiting agriculture and grazing to reduce human disturbance of the environment. Taking advantage of the succession that occurs in natural ecosystems is a common ecological restoration measure that can restore ecosystems and keep them in balance. However, conservation and restoration biologists have increasingly recognized that ecological communities are likely to exhibit threshold changes in structure that may prevent succession from occurring. Because long-term monitoring data are generally lacking, little is known about the consequences of such ecological thresholds for the processes of ecosystem degradation and recovery. To identify whether a degradation threshold exists that defines the boundary between the possibility of natural recovery and the need for artificial restoration of an ecosystem and to use this knowledge to support the development of a suitable strategy for environmental restoration, we have performed long-term monitoring of vegetation recovery in China′s Changting County since 1986. We found a severe problem in this area, which we refer to as the “irreversible loss of soil services”: when vegetation cover decreases below an ecological degradation threshold, leading to sustained degeneration of the vegetation community, erosion of the surface soil and declining soil fertility occur. These changes represent a severe and long-term disturbance of the vegetation, the soil, and the landscape. We identified a degradation threshold at about 20% vegetation cover, which suggests that for some sites with a vegetation cover of between 20 and 30%, vegetation cover can serve as a simple proxy for more sophisticated approaches to identifying thresholds; when vegetation cover declines to this level, restoration must start with the restoration of soil fertility and continue by facilitating vegetation development. Our results support the concept of ecological thresholds (specifically, for soil services in a warm and wet region of China) and provide a model to inform restoration strategies for other degraded ecosystems. Ecosystem restoration sometimes fails because ecological interactions are more complex or human intervention is more difficult than anticipated; factors other than human disturbance, such as climate variability (e.g., a drought shortly after planting), can result in failure of a strategy that would succeed under better conditions. Some degraded ecosystems can be sustained only through ongoing management, but many conservation efforts preclude such interventions. Although ecologists can recognize many of the species changes that are likely to precipitate threshold changes in community composition, biotic interactions can be unexpected, and because responses often depend strongly on local conditions, they cannot be broadly generalized. For example, complex ecosystems with multiple interacting species may have multiple thresholds based on different components of the ecosystem. Desertification is another example and has been shown to result from strong biogeomorphic feedbacks that operate across several spatial scales. When overgrazing of arid grasslands reduces vegetation cover, water infiltration decreases, further limiting plant growth and leading to persistent desertification. Such spatial discontinuities, calledecotones, can be detected using multivariate data ordered in one dimension through comparisons of measures of dissimilarity computed between the systems on either side of the discontinuity. The “irreversible loss of soil services” described in our study, whether at national, regional, or local scales will have a variety of thresholds, and it will be necessary to calibrate this index for different regions before it becomes a useful management tool. However, as our results show, it is possible to identify useful proxies for such thresholds and use them to guide subsequent management of degrading sites.

ecological thresholds; ecological restoration; natural recovery; species richness; soil fertility; ecosystems

國家自然基金重點項目(91025002)

2014-01-21;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401210161

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shixiongcao@126.com

馬華, 鐘炳林, 岳輝, 曹世雄.典型紅壤區自然生態修復的適用性.生態學報,2015,35(18):6148-6156.

Ma H, Zhong B L, Yue H, Cao S X.Research on the application of natural ecological restoration in a typical region of China with red soils.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6148-6156.