植被三維結構對水蝕紅壤粒徑分布及養分含量的作用

顧祝軍 羅昊

摘要：基于福建省長汀縣河田鎮48個樣區（15 m × 15 m）植被垂直分層類型，不同垂直層次的總體植被覆蓋度、枯落物厚度、土壤粒徑分布及養分含量3類土壤屬性數據，分析植被特征與土壤屬性間的相互關系，并比較不同侵蝕程度、不同垂直結構類型下植被覆蓋度、枯落物厚度與土壤粒徑分布及養分含量的差異。結果表明，植被覆蓋度、枯落物厚度與侵蝕程度顯著負相關，與土壤中有機質含量、全氮含量、全磷含量顯著正相關，但與全鉀含量差異不顯著。當植被覆蓋度達到50%、枯落物厚度達到20 mm時、可以有效保持水土，其中枯落物較上層植被的水土保持作用更明顯。不同植被垂直結構組合中，選擇林灌草、林灌、灌草、純草均可以較好地促進植被生長、改良土壤結構、保持土壤肥力。

關鍵詞：植被；土壤養分；三維結構；土壤侵蝕

中圖分類號：S157.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0383-05

長期以來，我國南方紅壤區由于降水量大，土壤淋溶作用強，加上不合理的土地利用方式，水土流失嚴重，嚴重制約了當地經濟發展、社會進步，并威脅當地的生態平衡[1-3]。植被是治理水土流失的關鍵因子，植樹造林一度成為治理水土流失的首要措施[4-5]。經過多年治理，我國南方紅壤區的森林覆蓋率已達50%以上，但由于林下普遍缺少灌木或草本植被覆蓋，即林地結構不完整，水土流失問題仍然突出[6]。土壤結構、土壤肥力變化影響植被群落的發生、發育以及演替速度和方向[7-8]。對不同林地結構與土壤粒徑分布和養分含量關系進行研究是水土保持理論研究的重要組成部分，也是治理“林下流”，保護生態環境的關鍵[9-11]。植被覆蓋度（vegetation fractional coverage，VFC）主要反映植被水平結構信息。植被覆蓋度是主要的減流減蝕因子，植被覆蓋度與徑流量、土壤流失量呈負相關[12-13]。即使在高植被覆蓋地區，由于林下植被、枯落物缺乏，仍會發生中度甚至強度水土流失，即林下流問題十分嚴重[14-15]。林地植被地上部分一般可分為垂直的3個層次，即林冠層、灌草植被層、枯落物層，這3個作用層在水土調節中各有其重要作用[16-18]。植被覆蓋度作為植被結構水平信息的表征值不能反映垂直層次的信息，所以具有明顯的局限性?，F階段，能夠表征植被垂直分布密度信息的葉面積指數（leaf area index，LAI）已得到了廣泛運用，用葉面積指數評價植被對于水土流失作用的科學性已得到證實[19-20]。當植被覆蓋度與產沙量無明顯關系時，葉面積指數與產沙量也有很高的相關性[21]。但葉面積指數不能完整反映植被水平、垂直層次的結構，即三維結構。反映植被結構三維信息的生物量（biomass）、植被密度（density）、綠量（live vegetation volumn，LVV）已得到應用[22-24]。雷婉寧等比較了無草層次林地、采伐上層林、清除枯落物林地、完整層次林地的水土流失量，確定上林冠層、草被層、枯落物層對減少水土流失的權重因子，并據此權重在植被覆蓋度的基礎上提出了結構化植被指數[25-26]。植被可以減少侵蝕、改良土壤結構、提高土壤肥力。范淑英等在江西省紅壤坡地發現，植被覆蓋能大大減少徑流量、土壤侵蝕量，并有效改善土壤物理屬性，增加土壤有機質、氮、磷、鉀含量[27]。Zhang等研究指出，黃土中K含量與植被間關系不明顯[28]。闊葉林土壤綜合肥力高于針闊混交林，純針葉林最差，自然恢復林高于人工植被[29]。純喬、純灌、純草3類植被土壤中，全氮、全磷含量以純喬最高，全鉀含量以純灌最高[30]。夏江寶等研究結果表明，植被能夠改善土壤結構屬性，針闊混交林土壤粒徑分布結構最好，其次是純林，純針葉林好于純經濟林[31]。另有研究指出，提高土壤有機質含量是改善土壤結構狀況的關鍵，通過增加土壤的植被枯落物或施加肥料也能達到增加土壤肥力、改良土壤結構的效果[7]。綜上所述，有關植被結構、植被對土壤粒徑分布和養分含量作用研究已取得諸多成果，但關于三維植被結構，即綜合植被水平、垂直分層結構與粒徑分布和養分含量之間關系的研究較少。筆者在野外選取48個不同侵蝕程度樣方，調查各樣方的植被垂直層次，計算不同垂直層次的總體植被覆蓋度、地面枯落物厚度作為三維植被結構指標，研究三維植被結構與土壤屬性間的關系及變化特征，并找出保持水土的最佳植被垂直層次組合，以期為“林下流”治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區介紹

研究區位于福建省長汀縣河田鎮（25°38′17.9″N，116°27′35.7″E）（圖1），是福建省水土流失最嚴重的地區之一，地貌以丘陵為主，土壤為黑云母花崗巖風化形成的山地紅壤，絕大部分山地土壤露出心土層（B層），有的甚至露出母質層（C層）、母巖層（D層），屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫 18.3 ℃，年均降水量1 500～1 700 mm。該區地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，由于歷史上嚴重的毀林開荒，闊葉林已破壞殆盡，現有重建植被主要是馬尾松（Pinus massoniana Lamb）林，林下灌草植被較少，在水土流失嚴重地段幾近裸地，灌草覆蓋度極低，“林下流”現象嚴重。

1.2 樣本區選取與分類

2010年12月17—18日，在河田鎮羅地草山、大路口風水林、張坑、露湖四處相鄰山地（海拔200 m左右）選取48個樣本區。樣本區土壤皆為發育于花崗巖母質的山地紅壤，坡面平整，坡度為10°～15°，西南坡，投影大小均為15 m×15 m。按坡地植被垂直層次樣，本區可分為裸地、純林區、純草區、林灌區、林草區、灌草區、林灌草區。喬木以馬尾松為主，另有少量木荷（Schima superba Gardn. et Champ.）、栗樹（Castanea Mill.），灌木以油茶（Camellia oleifera Abel.）、甘松（ Nardostachys chinensis Batal.）、小葉赤楠（Syzygium buxifolium Hook. & Ar）居多，草本植被主要是笀萁[Dicranopteris dichotoma （Thunb.） Bernh.]、鷓鴣草（Eriachne pallescens R. Br.）、狗牙根[Cynodon dactylon （Linn.） Pers.]、茅草[Imperata cylindrica （Linn.） Beauv.]。根據SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》，按侵蝕土壤程度將樣本區分為劇烈、強度、中度、輕度、無明顯（微度）共5級侵蝕，并數值化為5、4、3、2、1。

1.3 數據觀測與分析

每個樣本區按圖1所示采樣，用數碼照相法分別垂直向上、垂直向下拍攝每個子樣本區的喬木、灌草相片，灌草難以區分，所以作為同一層看待。根據相片中植被、非植被像元的灰度值差異，多次計算后取平均值作為樣本區喬木、灌草覆蓋度，計算樣本區不同垂直分層結構的總體覆蓋度[32]：

TSG=T+SG-1.134×T×SG-0.025。

式中：TSG為總體覆蓋度，T為喬木林冠覆蓋度，SG為灌草覆蓋度，當TSG<0時取值為0，TSG>1時取值為1。在每個子樣本區中心位置選取1 m×1 m的小樣方收集枯落物，晾干后，在底面為1 m2、壁面平整光滑的柱形容器中平鋪，測得厚度值，5個子樣本值平均后得樣本區枯落物厚度。在每個枯落物收集區內隨機用20 mm直徑的土樣鉆取器取3份0～ 5 cm 的表層土壤[28]，混合后，2 mm以下顆粒使用Beckman Coulter LS230激光粒度儀進行超聲分散（160 W，10～15 min），以美國制粒徑7級分級標準輸出測試結果：2.00～1.00 mm；1.00～0.50 mm；0.50～0.25 mm；0.25～0.10 mm； 0.10～0.05 mm；0.050～0.002 mm；<0.002 mm，石礫（2～1 mm）、粗沙礫（1～0.25 mm）、細沙礫（0.25～0.05 mm）、粉黏粒（<0.05 mm）[31]。每個子樣區混合土樣取部分，測定全氮（全N）、有機質（OM）、全磷（全P）、全鉀（全K）含量[33]，所有樣本區的土壤理化屬性均取5個子樣本的平均值。

1.4 數據分析

采用SPSS 17.0統計軟件中的one-way ANOVA、Peareson相關分析、Duncan's處理數據。

2 結果與分析

根據RUSLE（revised universal soil loss equation，修正通用土壤流失方程）所述[34]，侵蝕影響因子共有降水、土壤可蝕性、坡長和坡度、植被、人為措施五大類，由于樣本區坡度、坡長、降水條件基本一致，土壤可蝕性為土壤本身屬性，本研究暫不考慮人為措施，所以本研究主要分析植被與土壤屬性的關系。

2.1 植被三維結構與土壤屬性間的相關性

由表1可知，植被覆蓋度、枯落物厚度均對侵蝕等級、N、OM、全P作用明顯，除枯落物厚度對粗沙礫作用明顯外，植被覆蓋度、枯落物厚度對其他土壤組成粒徑和全K作用不明顯，說明植被對于土壤組成結構和鉀素肥力的改良作用有限，這可能是紅壤鉀素主要受成土礦物類型、數量影響的緣故[35]。由表2可知，植被覆蓋度、枯落物厚度均與侵蝕等級顯著負相關，與N、OM、全P含量顯著正相關，這表明植被覆蓋度、枯落物厚度的增加能夠顯著減弱侵蝕，增強土壤N、OM、P肥力。侵蝕等級則與N、OM、全P顯著負相關，這與植被與土壤N、OM、P肥力關系相反。除覆蓋度與石礫含量顯著負相關外，其他土壤組成粒徑與植被、侵蝕等級間關系不顯著，但不同土壤組成粒徑之間相關值為0.50～0.85，其中粉黏粒含量與細沙礫含量正相關；粗沙礫含量與粉黏粒含量、細沙礫含量負相關，與石礫含量正相關。土壤中N、OM含量與粗沙礫含量顯著正相關，全P含量則與石礫含量顯著負相關，這說明N、OM與全P含量的增加能夠促進水穩性大團聚體增強土壤的抗蝕性，這與已有研究結論[36]一致。文星躍等指出，植被是土壤粒徑分布的影響因素之一，雖然植被覆蓋度、枯落物厚度與土壤粒徑分布關系基本不顯著，但是植被覆蓋度、枯落物厚度與N、OM含量呈顯著正相關，說明植被可通過影響土壤養分來調整土壤粒徑分布[37]。全K與小團聚體含量呈顯著負相關，與大團聚體呈顯著正相關，表明土壤大團聚體比例越多，抗蝕性越強，則土壤鉀素肥力越高。

2.2 不同侵蝕程度下植被特征、土壤屬性

如表3所示，48個樣本區中，侵蝕程度為劇烈、強度、中度、輕度、微度分別有4、3、4、8、29個，微度侵蝕區占60%。樣本區總平均植被覆蓋度為53%，總平均枯落物厚度為 215 mm，總平均土壤粒徑組成以細沙礫為主（47%），其次為粗沙礫（32%），粉黏粒（11%）與石礫（10%）較少，土壤總平

均N含量為1.39 g/kg，OM含量為43.74 g/kg，全P為 0.32 g/kg，全K為28.69 g/kg，總體來說，數據采集區內植被覆蓋度、枯落物厚度較高，土壤組成結構、營養狀況均較良好，水土保持情況整體較好。植被覆蓋度達50%以上，枯落物厚度達20 mm時水蝕作用大大減弱[38-40]，本研究區的水土保持情況也印證了這一結論。植被覆蓋度大體上與侵蝕強度呈負相關，但強度侵蝕下平均覆蓋度（55%）明顯高于中度侵蝕（36%）。平均枯落物厚度則隨著侵蝕程度的減弱而明顯增加，如中度侵蝕下平均枯落物厚度（3.0 mm）為強度侵蝕下平局枯落物厚度（0.5 mm）的6倍。另外劇烈侵蝕下植被覆蓋度、枯落物厚度均明顯區別于其他侵蝕情況，其他侵蝕程度下覆蓋度差異不明顯，強度、中度侵蝕下的枯落物明顯區別于輕度、微度，這表明枯落物對于保持水土的重要性[25，41]。土壤粒徑組成隨侵蝕程度的加劇有所變化，強度侵蝕下的土壤粒徑分布顯著區別于其他侵蝕程度，除石礫外，其他粒徑等級下各侵蝕程度粒徑分布差異不顯著，這說明較其他侵蝕程度而言，強度侵蝕下土壤粒徑的分布變化極明顯。無論侵蝕程度如何變化，當地土壤仍以細沙礫、粗沙礫為主?？傮w來看，粗沙礫、石礫更易受地表徑流侵蝕，強度侵蝕下尤為明顯。Ghadiri等指出，大粒徑組分易受到侵蝕[42]。但這并不是一定的，土壤理化屬性、氣候條件、地形、試驗措施等因素的變化能夠改變這一現象。土壤中的N、OM、全P含量隨侵蝕程度的加劇而減少，尤其輕度、中度侵蝕N、OM、全P含量下降極為明顯。土壤中OM、N、全P含量在輕度和微度侵蝕之間、劇烈和強度侵蝕之間差異不明顯。土壤中全K含量在中度侵蝕、輕度侵蝕、微度侵蝕間差異不明顯?？傮w上，侵蝕由強度減弱到輕度時，土壤肥力元素均發生明顯變化。水土流失嚴重時，須盡量降低侵蝕程度，防止土壤肥力明顯變差。

2.3 不同垂直層次下的植被特征和土壤屬性

48個樣本區中，裸地4個，純林、林灌區各3個，純草區5個，灌草、林灌草區各6個，林草小區最多為21個。不同垂直層次組合下土壤粒徑分布和養分含量有一定差異（表4）。裸地、純林土壤中平均粉黏粒含量明顯區別于其他垂直層次組合，以純林土壤中粉黏粒含量最高（18.5%），其次為裸地（125%），其他垂直層次組合區差別不大。純林土壤中細沙礫、粗沙礫平均含量明顯區別于其他植被垂直層次組合區，純林土壤細沙礫含量最高（68.2%），粗沙礫含量最低（120%）。純林小區平均石礫含量最低（1.25%），灌草小區（15.48%）明顯高于其他組合區。從水穩性大團聚顆粒含量，即細沙礫和粗沙礫之和來看，林灌（511%）、灌草區（501%）含量較高，純林區（13.3%）最低，其他垂直層次組合區相差不大，可知林灌、灌草區土壤抗蝕性最強，純林區最差，裸地抗蝕性比純林區穩定可能是因為裸地表面易被侵蝕顆粒已被侵蝕耗盡[43]。土壤中平均N（0.22 g/kg）、OM（653 g/kg）、全P（0.14 g/kg）含量均以裸地最低，平均N、OM含量以純草區、林灌草區較高，平均全P含量以林灌區（0.46 g/kg）、純草區（0.41 g/kg）較高。各植被垂直層次組合區平均全K含量差異不顯著，表明植被組合對土壤鉀素肥力影響不顯著。綜合土壤粒徑分布、養分來看，要通過增加植被增強土壤抗蝕性、肥力，選擇林灌結合種植方式最適宜，其次為灌草、純草、林灌草結合種植方式，純種林木方式效果不佳。植被覆蓋度、枯落物厚度與全N、OM、全P含量顯著正相關，所以兩者的增加能增強土壤中全N、OM與全P含量，并以此增加水穩性大團聚體比例，從而增強土壤肥力、抗蝕性。另外，本研究區枯落物厚度對水土保持的重要性超過覆蓋度，所以應盡量提高覆蓋度、枯落物厚度，尤其是枯落物厚度。由圖2可見，純林平均覆蓋度最高（70%），但枯落物平均厚度最低（0 mm），這也是純林水土保持效果不好的原因。林灌草區的枯落物平均厚度最高（29.2 mm），其平均覆蓋度（60%）也只次于純林、純草，純草的平均枯落物厚度（22.0 mm）高于林灌、純林，但低于其他垂直層次組合區，所以采用林灌草結合種植的方式可增加枯落物厚度，并達到較高的植被覆蓋度。結合前面植被垂直層次組合、土壤粒徑分布、養分的分析可知，覆蓋度低、枯落物厚度低的垂直層次組合類型水土保持效果不一定差，如林灌平均覆蓋度、枯落物厚度均較低，但是土壤抗蝕性、肥力高，說明還有其他植被或非植被因素影響不同植被組合下的土壤屬性，如根系、微生物、人為措施等[44]，須進一步研究（圖2）。

3 結論

本研究基于福建省長汀縣河田鎮48個野外坡地樣本區植被特征、土壤屬性數據，對比分析不同侵蝕狀況、不同植被垂直層次類型下植被與土壤的關系，結果表明，增加植被覆蓋度、枯落物厚度能夠顯著減弱侵蝕，增強土壤N、OM、P肥力促進水穩性大團聚體增長，增強土壤的抗蝕性。K素肥力與植被、侵蝕關系不顯著，但是與土壤中大團聚體呈顯著正相關。植被覆蓋度、枯落物厚度均需達到一定量才能有效保持水土，其中枯落物對于水土保持的重要性超過植被冠層覆蓋度。不同侵蝕程度下，強度侵蝕下土壤粒徑分布變化最明顯。最大不同植被垂直層次組合中，選擇林灌草、林灌、灌草、純草均可以較好地增加植被生物量、防止水土流失、改良土壤。

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