長汀紅壤侵蝕區土壤砂礫化對土表溫濕度及種子萌發的影響

鄭姍姍, 陶長鑄, 吳鵬飛, 馬祥慶, 蔡麗平

(1.福建農林大學林學院;2.南方紅壤區水土保持國家林業草原局重點實驗室，福建 福州 350002)

福建省長汀縣是南方花崗巖地區水土流失最嚴重的典型區域，屬國家級水土流失治理的重點地區[1].經過長期不懈的努力，長汀縣水土流失治理取得較大成效，但仍存在一些難以治理的強度紅壤侵蝕區，這些地區由于長期嚴重的水土流失，其生態環境極其惡劣，植被恢復極為困難，盡管在這些地區進行了大量植被恢復試驗，但治理收效甚微，成為目前長汀水土流失治理“難啃的硬骨頭”[2].目前關于長汀縣植被恢復機理的系統研究較少，紅壤強度侵蝕區植被恢復的技術難題尚未解決，關鍵限制因子及其影響機制尚不清楚，難以對紅壤強度侵蝕區的植被恢復起到有效指導.因此，深入研究紅壤強度侵蝕區植被恢復的主要限制因子及其影響機理，對長汀縣強度侵蝕區的植被恢復具有重要意義.

在長汀縣紅壤侵蝕區，粗晶花崗巖風化發育的山地丘陵紅壤表層砂礫含量高粘粒少，風化殼中抗侵蝕性極弱的砂土層明顯[3-4]，加上長期嚴重的水土流失，表土細小顆粒被沖刷流失殆盡，留下大量粗晶砂礫遺留地表，土壤砂礫化嚴重.研究表明，隨著土壤侵蝕強度的增加，土壤表層的砂礫化越嚴重，從無水土流失的風水林到極強度水土流失的侵蝕裸地土壤中砂粒含量從32.11%增加到63.14%[5]，土壤表層粒徑大于2 mm的礫石含量高達24%～43%(課題組前期試驗結果)，土壤砂礫化已成為南方紅壤侵蝕區土壤退化的重要特征[6].土壤顆粒組成在很大程度上影響土壤結構的改變[7]，直接影響植物生長所依賴的土壤環境中的水分、空氣和熱量運動等.礫石、粗晶顆粒是土壤重要組成成分，其對土壤溫度、導熱率、土壤含水量、飽和導水率、孔隙度及入滲特性等影響不容忽視[8-10].在南方紅壤侵蝕區，夾雜在土壤層中的礫石改變了土壤水分的動力學特性，從而影響土壤抗蝕性[11-12].在北方干旱、沙化地區的農田中礫石覆蓋是田間的蓄水保墑、蓄土保溫的農業措施之一，礫石覆蓋能夠顯著提高地表和不同土層深度的土壤溫度[13-14]，土壤含水量隨著礫石覆蓋厚度的增加而增加，且土壤含水量與礫石粒徑大小相關，礫石粒徑越小，抑制土壤蒸發效果越好，土壤含水量越高[15].但是關于南方紅壤侵蝕區土壤表層砂礫化的生態效應研究甚少，土壤表層砂礫化對土壤的溫度、水分等土壤環境因子影響情況尚不清楚，而這又直接影響紅壤侵蝕區植被恢復初始階段植物種子能否萌發.

長汀紅壤強度侵蝕區地表砂礫化、植被恢復困難一直受到當地政府和學者的關注，課題組前期在長汀紅壤嚴重砂礫化的強度侵蝕裸地上的植被恢復試驗發現，自然條件下，撒播大量紅壤區先鋒植物種子，但鮮有植物種子萌發.王玉珍等[16]、鄭惠欣等[17]通過砂礫、土壤不同配比，模擬不同砂礫化程度的土壤對紅壤侵蝕區植被恢復先鋒草種寬葉雀稗(Paspalumwettsteinii)和類蘆(Neyraudiareynaudiana)種子的萌發及幼苗生長試驗表明，隨著土壤粗顆粒(砂礫)比例的增加，種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數均降低，說明土壤組成物質以及砂礫含量影響植物種子萌發及生長.種子萌發是植被自然恢復初始階段新個體形成的關鍵時期，也是植物生長最脆弱的時期，關系到植物種群自然繁殖、擴展及植被恢復的成敗[18].植物種子萌發需要適宜的環境條件，溫度、水分是植物種子萌發的重要影響因子[19]，大多數亞熱帶植物種子在土壤含水量10%～25%、溫度15～25 ℃條件下發芽率高，而水分不足或過多均不利于種子萌發，即使耐旱植物種子在土壤含水量4%以下也無法發芽[20-21]，耐高溫的植物種子在30 ℃以上萌發率也顯著下降[22-25]，說明高溫低濕嚴重制約植物種子的萌發.因此在強度侵蝕區土壤表層砂礫化可能引起土壤表層高溫低濕的干熱環境，從而嚴重制約植物種子萌發，這是導致其植被自然恢復困難的關鍵所在.但目前關于表層土壤砂礫化與土壤溫濕度及植物種子萌發之間的關系研究甚少，內在機制尚不明確，從而導致長汀強度侵蝕區砂礫化土壤的植被恢復缺乏理論支撐.

馬尾松(PinusmassonianaLamb.)屬松科松屬常綠針葉喬木，耐干瘠，對土壤要求較低，適應能力極強，是長汀水土流失區生態恢復與重建的重要鄉土樹種和先鋒樹種.胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)屬豆科胡枝子屬落葉灌木，適應能力強，耐干瘠，根系發達，萌蘗力強，是長汀水土流失治理中最重要的先鋒灌木植物.寬葉雀稗為多年生禾本科雀稗屬草本植物，根系發達，生長速度快，分蘗能力強，對土壤適應性較廣，具有強抗旱性、耐貧瘠、耐酸等優良性狀，是我國南方水土流失區、礦山廢棄地、道路邊坡等生態惡地植被恢復的理想先鋒植物.馬尾松、胡枝子、寬葉雀稗是長汀紅壤侵蝕區植被恢復中最主要的的喬灌草先鋒植物，因此，根據課題組前期研究結果，以長汀紅壤強度侵蝕區的土壤為研究對象，模擬長汀紅壤侵蝕區不同砂礫化程度的土壤環境，選取馬尾松、胡枝子和寬葉雀稗種子，在露天自然條件下(不施加其他處理)進行盆栽土培發芽試驗，觀測試驗過程中的土表溫濕度變化及植物種子萌發情況，研究不同砂礫化程度的土壤環境對土表溫濕度及植物種子萌發的影響，旨在探討長汀紅壤侵蝕區土壤砂礫化對植被恢復生長的影響效應，以期為長汀紅壤侵蝕區植被恢復提供依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以長汀紅壤侵蝕區常見植物馬尾松、胡枝子和寬葉雀稗種子為試驗材料，選取籽粒飽滿、大小均一的種子進行消毒、浸種處理之后用于發芽試驗.盆栽土壤取自福建長汀河田鎮紅壤強度侵蝕區，采集侵蝕區表層(0～20 cm)土壤，自然風干后過2 mm篩，將粒徑大于2 mm的礫石(下文統一表述為大于2 mm的礫石)與粒徑小于2 mm的土壤分離、備用.

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2014年9至10月在福建農林大學進行(試驗期間福州市平均氣溫26.8 ℃，平均最高、最低氣溫分別為36.2和18.9 ℃；平均相對濕度69.3%；降水總量37.1 mm,日平均降水量1.28 mm).采用盆栽土培法，盆栽基質模擬長汀紅壤侵蝕區不同砂礫化程度的土壤環境，將大于2 mm礫石和小于2 mm土壤按重量百分比(10%和90%、20%和80%、30%和70%、40%和60%、50%和50%)混合配制成5種不同砂礫化程度的土壤，將配制好的土壤充分混合均勻，裝入內徑18 cm、高18 cm的塑料花盆中，每盆裝土1.5 kg.隨機選取的消毒浸種處理后的馬尾松、胡枝子、寬葉雀稗3種植物種子50 粒(寬葉雀稗種子100粒)均勻置于裝好土的花盆中，然后覆土0.5 cm，確保土壤蓋住種子.每種植物分別在5種土壤基質中進行種子發芽試驗(每盆為1個重復，每個處理9個重復)，共135盆.盆栽土壤發芽試驗在露天自然條件下進行，并且每天觀測盆土和空氣溫濕度情況.

為證明種子本身具有發芽能力和溫度對種子發芽影響，采用上述試驗相同消毒浸種處理的馬尾松、胡枝子、寬葉雀稗種子，相同時間段設置了適宜濕度條件下溫度對種子發芽影響的試驗，試驗在培養箱(以濾紙為基質，濕度75%±5%，光照L/D=12 h/12 h)內進行，設計4個溫度(15、20、25、30 ℃)梯度處理，每個處理5個重復，試驗期間確保種子處于濕潤狀態，每天觀測記錄種子發芽情況.

1.2.2 指標測定 采用望云山土壤溫濕度自動觀測計(Wthot1-sm-5-0.2)對盆栽土壤表層(約1 cm處)的溫濕度進行連續觀測，采用望云山空氣溫濕度自動觀測計(Wthot1-1-0.2)對空氣溫濕度(1.5 m處)進行連續觀測，土壤和空氣溫濕度觀測分別設3和2個重復，均為每30 min觀測記錄1次；同時每天對種子發芽情況進行觀測，待種子開始萌發后，每天記錄萌發正常的種子數，計算種子發芽率.

1.3 數據處理與分析

本試驗中日最高、日最低溫濕度為試驗觀測期間每天的最高、最低溫濕度，某一時刻的空氣及土壤溫濕度值均為觀測期間同一時刻的平均值，以8：00—20：00為日間，以20:00—8:00為夜間，采用Microsoft Excel軟件進行數據的整理與制圖，用 SPSS 19.0統計軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Person相關性分析(雙側檢驗，P=0.05).

2 結果與分析

2.1 土壤砂礫化對土表溫濕度的影響

從圖1可知，各種砂礫化程度都對土表溫濕度存在顯著影響.日間(8：00—20：00)土表溫度隨著大于2 mm礫石比例的增加呈逐漸上升的趨勢，在大于2 mm礫石比例為10%時土表溫度最低，在大于2 mm礫石比例為50%時土表溫度最高，且兩者間的土表溫度差異顯著；夜間(20：00—8：00)土表溫度隨著大于2 mm礫石比例的增加呈波動上升的趨勢，但變化較不明顯，且不同大于2 mm礫石比例間土表溫度差異不顯著；日間與夜間的土表溫差總體呈上升趨勢.日間與夜間土表濕度隨著大于2 mm礫石比例的增加均呈逐漸下降的趨勢，且均低于10%，不同礫石比例間差異不顯著.說明大于2 mm礫石比例對土表溫濕度的影響較大.

不同小寫字母表示不同砂礫化程度土壤間差異顯著(P<0.05).圖1 不同砂礫化程度對土壤表層溫濕度的影響Fig.1 Effect of sand-gravel ratio on surface temperature and humidity of soil

2.2 土壤砂礫化對土表溫濕度日變化的影響

從圖2可知，露天自然條件下，空氣溫度的日變化呈現不對稱的單峰曲線，日出前出現最低氣溫(23.8 ℃)，午后出現最高氣溫(36.2 ℃)，不同沙礫化程度土壤的土表溫度日變化趨勢與空氣溫度日變化趨勢基本一致.隨著大于2 mm礫石比例的增加，土表溫度呈現逐漸升高的趨勢；土表最高溫度由10%礫石比例的35.7 ℃升高至50%礫石比例的38.6 ℃，大于2 mm礫石比例30%以上的土表溫度高于空氣溫度，且以日間(8：00—20：00)為更顯著；大于2 mm礫石比例為50%時，土表溫度變化幅度最大，隨著土壤中礫石比例的減少，土表溫度的變化幅度減小.空氣和土表濕度的日變化呈現大體一致的趨勢，土表濕度的日變化不明顯，不同沙礫化程度土壤間濕度相差較小，且均低于10%(6.4%～8.2%)，表現為大于2 mm礫石比例越高，土表濕度越低.說明土表溫濕度變化與土壤中大于2 mm礫石比例高低有關.

圖2 不同砂礫化程度對土表溫濕度日變化的影響Fig.2 Diurnal variation of surface temperature and humidity under different sand-gravel ratios

2.3 土壤砂礫化對土表日最高、日最低溫濕度的影響

由圖3可知，試驗期間土表日最高、日最低溫度的變化趨勢與空氣溫度的變化趨勢基本一致，隨著大于2 mm礫石比例的增加，土表日最高溫度呈現逐漸升高的趨勢，日最低溫度呈現降低的趨勢.在日最高氣溫較高時，不同礫石比例間的土表日最高溫度差異較大，且明顯高于氣溫；土表日最低溫度低于日最低氣溫，除50%礫石比例外，其他4個礫石比例間土表日最低溫度差異較不明顯.試驗期間86%的天數土表日最高溫度均高于30 ℃，59%的天數土表日最高溫度均高于35 ℃，35%的天數土表最高溫度高于40 ℃，在礫石比例為40%和50%時，土表日最高溫度甚至超過50 ℃，最高達52.4 ℃.

圖3 不同砂礫化程度對土表日最高、日最低溫濕度的影響Fig.3 Effect of sand-gravel ratio on daily maximum and minimum soil surface temperature and humidity

露天自然條件下空氣和土表日最高、日最低濕度呈現大體一致的變化趨勢，試驗期間除少數降雨天外，土表日最高、日最低濕度均不高，基本低于10%.隨著大于2 mm礫石比例的增加，土表日最高、日最低濕度呈逐漸下降的趨勢，表現為大于2 mm礫石比例越高，土表濕度越低，且不同礫石比例間日最高土表濕度的變化較不明顯.這說明土表日最高、日最低溫濕度的變化除與土壤中大于2 mm礫石比例高低有關外，當日的天氣狀況也對其產生了較大的影響.

2.4 土壤砂礫化程度與土表溫濕度的相關性分析

從表1可知，土壤砂礫化影響土表溫濕度.土表溫度與土壤砂礫化程度間存在顯著正相關關系，而土表濕度則相反，與土壤砂礫化呈顯著負相關關系，且日間土表溫濕度與土壤砂礫化程度間的相關性較夜間土表溫濕度更大.土表溫度與濕度間存在較高的相關性，日間、夜間土表溫度與土表濕度間存在顯著的負相關.

表1 土表溫濕度與土壤砂礫化程度的相關性1)Table 1 Correlation between soil surface temperature, humidity and gravitation

2.5 土壤砂礫化對植物種子發芽率的影響

由表2可知，相同時期，在室內適宜溫度濕度(相對濕度約75%)條件下，3種植物種子均可以發芽，且胡枝子和寬葉雀稗在25 ℃發芽率最高(馬尾松在15 ℃發芽率最高)，30 ℃時發芽率顯著下降(寬葉雀稗下降不顯著).表明30 ℃以上高溫不利于植物種子萌發.而露天自然條件下(不施加其他處理)，3種植物種子在不同礫石配比土壤中均無發芽.

表2 不同砂礫化程度及溫度對植物種子發芽率的影響1)Table 2 Effects of soil sand-gravel ratio and temperature on germination rate of plant seeds

由圖2、圖3可知，試驗期間，不同沙礫化程度土壤的日間土表溫度明顯高于氣溫，且基本高于30 ℃， 86%的天數土表日最高溫度高于30 ℃，最高達52.4 ℃，且土表濕度基本低于10%；由此可見，土壤砂礫化導致的土表高溫低濕可能是限制植物種子發芽的主要因子.

3 討論與結論

3.1 土壤砂礫化對土表溫度的影響

土壤溫度變化的影響因素十分復雜，除了太陽輻射能這一主要因素外，土壤溫度還與周圍環境的熱能交換、土壤本身的熱傳導、土壤水分的蒸發及微生物分解等一系列物理化學作用過程中所吸收和釋放的熱能相關.而土壤熱容量、熱傳導度及比熱等是決定土壤熱能傳遞的重要影響因子，其中，又以熱容量對土壤溫度的影響最為顯著.土壤物質的熱容量均低于水的熱容量，且以石英的熱容量為最低，以土壤腐殖質為最高[25].因此，細土的熱擴散率要低于含礫石土壤[10]，礫石含量高的土壤，其土壤溫度因粗晶砂礫含量高、土壤養分含量低、腐殖質含量少而變化更為明顯.長汀縣紅壤侵蝕區的土壤為粗晶花崗巖風化發育的山地丘陵紅壤，強度侵蝕區土壤砂礫化嚴重.本試驗結果也表明，土壤中大于2 mm礫石對土表溫度的影響較大，土壤中大于2 mm礫石比例增加，土表溫度呈上升趨勢，大于2 mm礫石比例較低的土表溫度變化較為緩和，這可能是因為土壤中水分含量較高，土壤熱容量和熱導率大，吸收的熱量容易向下層傳遞，而失去的熱量又容易得到補充，因此溫度變化比較緩和[26].相關性分析結果表明，土壤沙礫化程度與土表溫度之間顯著相關.何玉潔等[10]對青藏高原含砂礫石土壤導熱率的研究發現，砂礫石對土壤孔隙度和土壤導熱率有顯著影響，砂礫石含量比重大的土壤孔隙度較小，且砂礫石含量越大的土壤導熱率高.潘永潔等[13]的研究也表明，礫石可通過改變混合土壤的容重、導熱率及其熱容，從而影響土壤溫度的變化.說明土壤砂礫化對長汀紅壤侵蝕區土表溫度有極大影響.

3.2 土壤砂礫化對土表濕度的影響

土壤顆粒的大小及礦物質組成對土壤水分有重要影響.秦百順等[15]研究表明，礫石粒徑越小，覆蓋抑制土壤蒸發效果越好，土壤含水量越高.本試驗結果表明，大于2 mm礫石比例越高的土壤其土表濕度越低，這是因為土壤中大于2 mm礫石含量越多，土壤空隙越大，土壤緊實度越差，水分下滲越快，同時礫石間的大孔隙還增加了水分向空氣中蒸發的途徑.土壤溫度和土壤水分作為反映土壤環境的重要指標，是影響土壤中各種生物化學過程和非生命的化學過程的重要因子[10].日間、夜間土表溫度與土表濕度間存在顯著的負相關，日最高、日最低土表溫度與土表濕度間也存在顯著的負相關，說明土壤溫度與濕度間存在較高的相關性.土壤溫度能夠直接或間接地影響土壤與大氣間的能量交換，同時溫度還是驅動土壤水分遷移的重要因子，通過影響土壤水分的附存形式及活動性強度，影響著土壤水分的再分布狀況[26].砂礫化土壤因礫石熱容量小、升溫快，在太陽輻射加熱條件下，土表溫度高，水分蒸發快，因此表層土壤濕度低，而土壤濕度又通過影響土壤溫度的變化趨勢及幅度，進而影響土壤水分的傳導與變化.隨著大于2 mm礫石比例的增加，土表濕度逐漸下降，且大于2 mm礫石比例越高，土表濕度波動變化更為明顯，這可能與土壤中礫石的水熱性質有關.與細土的水熱性質不同，礫石能夠通過改變土壤孔隙度改變土壤導水路徑的曲折度及土壤的過水斷面，從而使得土壤水的傳輸和溶質的運移受到影響，進而改變土壤的導水率和土壤的入滲速度[8]，最終導致表層土壤含水量降低.

3.3 土壤砂礫化對植物種子發芽的影響

植物種子是否萌發是土壤砂礫化地區植被恢復的先決條件，種子萌發需要合適的初始環境.適宜的環境條件有助于植物種子的萌發，土壤溫度、濕度及通氣條件是限制植物種子萌發的重要影響因子[19].每種植物種子萌發都有其適宜的溫度范圍，溫度過低、過高或者持續的低溫和高溫都不利于植物種子萌發，植物種子萌發在低溫的土壤環境中多數緩慢，而高于30 ℃則不利于植物種子萌發[25].研究表明，25 ℃是馬尾松種子的最適發芽溫度，35 ℃以上的高溫就會顯著限制其萌發[24]；胡枝子種子發芽的最適溫度為22～25 ℃，最高溫度為32～34 ℃[27]；寬葉雀稗種子在20、25 ℃時發芽率較高，30 ℃種子萌發率下降，其最適生長溫度為25～30 ℃[16,28].本試驗中培養箱種子發芽試驗結果與多數研究結果相似，說明35 ℃以上高溫條件下大多數的植物種子難以萌發.水分是植物種子萌發及其生長過程中的另一個重要限制因素，生境中水分的供應情況很大程度上決定著植物種子的萌發，韓愈等[29]研究表明，地楓皮種子在土壤含水量低于40%時不能萌發.干旱情況下，土壤濕度是植被生長的限制因子[30].在植物種子萌發期，種子通過向外界吸取水分從而激活體內各種酶的活性，進而增強呼吸及代謝作用，積蓄種子萌發所需能量，促進種子萌發，因此，當水分缺乏到一定程度時，種子吸脹明顯受到抑制，無法完成萌發過程[31].

砂礫化土壤顆粒較粗大，土壤孔隙較大，對土壤導熱、導水均有較大影響，從而影響土壤的溫度、水分及其水分入滲等特性，進而影響植物種子萌發.本試驗期間(9月11日—10月9日)，在自然露天條件下3種植物在不同砂礫化土壤中均無發芽，試驗期間有86%的天數土表最高溫度在30 ℃以上，甚至有些天超過50 ℃，這樣的溫度條件下，嚴重制約植物種子發芽，即使偶爾雨天，土壤濕度增加、土溫下降，偶有萌發的土壤環境條件，但是在福建夏秋季節大多數是短時的暴雨，一般雨后第2天甚至1～2 h又很快恢復大晴天的高溫天氣，砂礫化土壤的水分快速下滲后，土壤溫度又很快回升，加速土壤水分的蒸發，土壤濕度也隨著土壤溫度的升高而下降，土壤環境日間重新回到高溫低濕狀態，因此在試驗期間有35%天數土壤環境日最高溫度在40 ℃以上，日最高濕度低于10%，此土壤環境，即使耐旱性、耐高溫較好的3種紅壤侵蝕區植被恢復先鋒植物也難以萌發.有研究表明， 6、7月份高溫季節長汀縣裸露侵蝕地地表溫度更是可高達60 ℃以上，有的甚至高達70 ℃以上[32]，這樣的高溫下一般植物基本無法萌發，即使春季萌發的小苗也難以存活，課題組前期在長汀紅壤強度侵蝕裸地上撒播大量植物種子進行植被恢復試驗，后期調查中卻鮮有發現植物，因此，土壤砂礫化是南方紅壤侵蝕區植被恢復困難的重要影響因子[16,33].

綜上，長汀紅壤侵蝕區土壤表層砂礫化導致土表溫度顯著升高、濕度顯著降低，土壤嚴重干熱化，在此條件下植物種子難以萌發，進而導致植被恢復困難，因此，土壤砂礫化是長汀紅壤侵蝕區植被恢復的重要限制因子.