几种生态经济型植物经营模式的土壤生态功能效应研究——以贵州省花江喀斯特峡谷区为例

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在喀斯特地区,碳酸盐岩类的性质使区域内土壤环境差、成土速率低、植被生长困难。在不合理的人为因素作用下,植被破坏,水土流失,加剧了区域内石漠化发育。研究发现,坡地开垦以及传统的农业耕作使喀斯特区域坡耕地土壤松动,植被覆盖面积减小,水土与养分流失量增加,石漠化程度加深。石漠化过程造成了土壤蓄水保水能力减弱,土地生产力下降、农业产出减少、农民收入降低等一系列生态保护与经济发展问题。水土保持生态经济型植物是恢复模式的一种,该类植物由于能够在治理水土流失,改善生态环境的同时,又能最大限度地产生经济效益,寓经济效益于生态治理措施,因而在山区生态治理恢复过程中得到了广泛采用。贵州省安顺市关岭县花江峡谷是典型的喀斯特高原山地代表区域,区内坡地长期种植农作物造成了地表破碎,土壤松弛,水土流失,土地生产力下降等问题,石漠化极度严重,多数耕地因生产力下降在弃耕后退化为荒草地。近年来,以花椒、火龙果等为代表的经济型植物在该区域退化的荒草地上推广种植,促进了当地农户的增收,提升了区域的经济效益,但该区域内经济型植物的土壤生态效益如何,则研究较少。  本研究运用野外调查采样与室内实验相结合的方法,从经济型植物土壤生态功能的角度来研究花江峡谷经济型植物的种植经营在石漠化治理过程中的可持续性问题。希望从经济型植物与荒草地的对比分析中,研究种植经营的花椒纯林、金银花纯林、构树纯林、火龙果纯林、砂仁纯林及金银花-花椒混交林6类经济林是否具有改善土壤水文物理性质、土壤养分特征和土壤抗侵蚀性能力的土壤生态功能,为探究经济型植物如何发挥出土壤生态效用提供理论依据。主要研究结论如下:  (1)相较于荒草地,花江峡谷石漠化治理区内种植经营的经济型植物具有显著的土壤水文物理性质改良作用。相比于荒草地,6类经济型植物0~30cm层土壤总孔隙度均值高了1.77%,非毛管孔隙度均值高了19.57%,容重均值低了2.52%,土壤含水量均值高了18.17%,最大持水率均值高了14.90%,毛管持水率均值高了14.65%,田间含水量均值高了4.93%,总蓄水量均值高了1.65%。经济型植物林地初始渗透速率均值为荒草地1.6倍,稳渗滤均值为荒草地1.04倍,平均渗透速率均值为荒草地1.25倍,渗透总量均值为荒草地1.28倍。方差分析表明,经济型植物各物理结构指标、蓄水性能指标和渗透性能指标均值均显著高于荒草地(p<0.05)。研究还发现土壤水文物理性质指标不仅在植物类型间存在差异,在土壤的垂直空间分布上也存在差异,表层土壤改良作用普遍优于下层。  (2)相较于荒草地,花江峡谷石漠化治理区内种植经营的经济型植物具有显著的土壤养分改良作用。相比于荒草地,6种经济型植物林地0-30cm层土壤的有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、有效钾均值分别高了72%、37%、60%、72%、61%、7.24%、106%。方差分析表明,经济型植物林地土壤各养分含量与总有机碳含量均显著高于荒草地(p<0.05),展现了良好的土壤养分和碳汇效应。土层垂直方向数据表明,土壤养分的改善作用主要表现在表层土壤。笔者还发现在土壤化学计量比研究中,本研究区中土壤 N:P普遍小于14,C:N普遍大于15,表明土壤中存在不同程度的氮磷养分限制的现象。  (3)相较于荒草地,花江峡谷石漠化治理区内种植经营的经济型植物具有显著的提高土壤抗侵蚀能力的作用。浸水试验过程中,荒草地土粒崩解总量较6种经济型植物均值高16.95%,径流含沙量为6种经济型植物均值的1.21倍。6种经济型植物稳定后的抗蚀性指数均值较荒草地高27.53%,抗冲性系数为荒草地的1.79倍。方差分析结果表明,经济型植物林地土壤具有较高的土壤抗侵蚀性能,能够在一定的径流水平上有效地减弱土粒分解所带来的土壤流失,从而达到固持土壤的作用。  (4)相关性分析表明:一方面,有机质和各有效养分指标分别与土壤容重普遍存在极显著的负相关关系,其中部分还与毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别存在显著正相关。容重越小,孔隙度越大,土壤越疏松,通气透水性能改善,土壤蓄水量增加,调节水分运动的能力提高,对土壤养分产生了重要影响。另一方面,土壤抗冲性系数与抗蚀性指数分别与土壤有机质、碱解氮、有效磷、有效钾含量存在极显著的正相关关系,土壤抗侵蚀能力的提高对土壤养分也存在重要影响。  (5)综合以上研究结果,本研究认为种植经营的经济型植物能够使地表凋落物有所增加,达到改善土壤水文物理特性的作用,提高土壤的抗冲性、抗蚀性和渗透性性能,增加养分归还,从而对土壤养分产生重要影响。经济型植物林地相较于荒草地,其土壤具有良好渗透性能,能够促进降水后的雨水快速渗入林地土壤,有利于减少地表径流的形成;林地土壤的持水能力与蓄水能力得以改善,有利于保留更多下渗到土壤中的水分,削弱地表径流形成,减少淋溶养分的流失。同时,经济型植物林地抗冲、抗蚀性能的提高减少了表层土壤的流失,使吸附在表土中的土壤有效养分的流失得到了有效控制,土地的生产力得以缓慢恢复。
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