退耕還林還草的生態(tài)效應(yīng)與模式選擇

西南仙女區(qū)（世界三個(gè)溶蝕區(qū)之一）是青藏高原高度變化較大、地形復(fù)雜的獨(dú)特環(huán)境單元。受地球內(nèi)動(dòng)力、強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、高溫多雨且分布不均、碳酸鹽巖溶蝕性強(qiáng)、水文二維結(jié)構(gòu)明顯以及其適生植物具有嗜鈣性、耐旱性和石生性等限制特點(diǎn)的影響,該區(qū)域具有天然的高度異質(zhì)性和脆弱性,環(huán)境容量小,極易退化,與黃土、沙漠、寒漠并列為中國四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。峰叢洼地是典型的喀斯特地貌,集中分布在西南喀斯特南部斜坡地帶,面積約9.7萬km2,土壤貧瘠、水土流失嚴(yán)重、人地矛盾尖銳、“喀斯特貧困”現(xiàn)象嚴(yán)重與強(qiáng)烈的人為干擾等因素導(dǎo)致了以脆弱的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境為基礎(chǔ)、以強(qiáng)烈的人類活動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力、以植被減少為誘因、以土地生產(chǎn)力退化為本質(zhì)、以出現(xiàn)類似荒漠化景觀為標(biāo)志的復(fù)合退化狀態(tài),且呈不斷擴(kuò)張的態(tài)勢(shì),植被恢復(fù)和生態(tài)重建迫在眉睫。退耕還林還草是指從保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境出發(fā),將易造成水土流失和土地荒漠化(沙漠化和石漠化)的耕地,有計(jì)劃、有步驟地停止繼續(xù)耕種,本著因地制宜、適地適樹原則,造林種草、恢復(fù)林草植被。美國和歐洲一些發(fā)達(dá)國家迫于環(huán)境壓力先后實(shí)施了退耕還林還草,但研究不多,涉及土壤改良效果研究的指標(biāo)單一。我國退耕還林還草經(jīng)歷了初步認(rèn)識(shí)(1949～1979年)、提高認(rèn)識(shí)(1980～1998年)、高度重視(1998～2001年)和大規(guī)模推動(dòng)(2002年至今)4個(gè)階段,研究的側(cè)重點(diǎn)主要針對(duì)黃土高原退耕還林政策、技術(shù)措施、效益三個(gè)方面。西南喀斯特地區(qū)位于我國長江和珠江兩大水系的上游,退耕還林還草能迅速恢復(fù)植被、防止水土流失、提高土地生產(chǎn)力,對(duì)該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展和我國半壁江山的生態(tài)安全影響重大,而有關(guān)方面的研究很少。本文運(yùn)用生態(tài)恢復(fù)學(xué)原理,分析了喀斯特峰叢洼地典型退耕還林還草模式早期土壤的物理、化學(xué)和微生物環(huán)境變化特征,篩選了優(yōu)化模式,為峰叢洼地乃至整個(gè)西南喀斯特區(qū)域不同程度石漠化植被恢復(fù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及退耕還林工程的順利實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1自然條件概況研究區(qū)位于廣西環(huán)江毛南族自治縣下南鄉(xiāng)古周村(24°50′N,107°55′E)一個(gè)典型的喀斯特峰叢洼地景觀單元,最高海拔818m,最低376m,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.5～20.5℃,平均降雨量為1389mm,雨季旱季分明。土壤主要為碳酸鹽巖發(fā)育的鈣質(zhì)石灰土,洼地平均土層深度約為100cm,部分地段土深僅為十余厘米,石芽廣泛出露,山地平均土層深度20～40cm,80%為25°以上坡地,巖石裸露率高達(dá)85%。研究區(qū)人地矛盾突出,人為干擾強(qiáng)烈,植被退化嚴(yán)重,森林覆蓋率僅為13%,長年水土流失導(dǎo)致石漠化趨勢(shì)明顯,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。2002年列為中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所喀斯特峰叢洼地生態(tài)恢復(fù)與重建試驗(yàn)示范區(qū),在完成環(huán)境移民50%的基礎(chǔ)上全面實(shí)施退耕還林還草工程。1.2不同造林還草模式2007年8～11月在試驗(yàn)示范區(qū),以坡耕地(玉米—黃豆)為對(duì)照,選擇種植任豆(Zeniainsignis)、香椿(Toonasinensis)、板栗(Castaneamollissima)、柑橘(Citrusreticulata)、任豆+桂牧1號(hào)(GuimuNo.1Forage)、桂牧1號(hào)和撂荒7種主要退耕還林還草模式,各模式在退耕前均為坡耕地(玉米—黃豆),退耕時(shí)間均為2002年。在母質(zhì)、土壤類型、坡度等立地條件基本一致的坡中下部沿等高線各設(shè)置3塊400m2(20m×20m)的固定標(biāo)準(zhǔn)地,系統(tǒng)進(jìn)行植被、立地因子、人為干擾等因子調(diào)查,并用手持GPS(GPSmap60)定位。1.3測(cè)定指標(biāo)和分析方法2007年11月16日在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按五點(diǎn)法進(jìn)行土壤水分(0～10cm)、土壤容重測(cè)定,水分采用鋁盒烘干法(一次性土壤水分測(cè)定意義不大,限于篇幅,不同季節(jié)土壤水分的時(shí)空分布及變化另作分析),容重采用環(huán)刀法。同時(shí)按S型法采取15個(gè)樣本(0～20cm)混合組成待測(cè)土樣,充分混合后分成兩部分。一部分帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干研磨成粉測(cè)定pH、有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、硅(SiO2)、鐵(Fe2O3)、鈣(CaO)、鎂(MgO)、鋁(Al2O3)和錳(MnO),分析方法詳見文獻(xiàn);另一部分保存于4℃的冰箱中,10d后測(cè)定土壤微生物量碳(BC)、氮(BN)、磷(BP)和細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量,其中土壤微生物量碳、氮、磷的轉(zhuǎn)換系數(shù)K分別采用0.45、0.45和0.4,分析方法詳見文獻(xiàn)。1.4數(shù)據(jù)處理與分析使用Excel2003和SPPS16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用單因素分析(one-wayANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行處理間差異性檢驗(yàn),聚類分析采用歐氏距離、離差平方和法。2結(jié)果與分析2.1不同模式的土壤容重情況土壤容重和含水量是表征土壤結(jié)構(gòu)和水源涵養(yǎng)功能的物理環(huán)境指標(biāo)。土壤含水量的測(cè)定時(shí)間為11月16日的干旱季節(jié)(最后一次的降雨時(shí)間是11月4日,降雨量僅為3.3mm),但坡耕地和不同退耕還林還草模式土壤含水量仍高達(dá)20.76%～29.10%(表1),且差異很大,有的達(dá)到了顯著或極顯著水平。從高到低的順序?yàn)?板栗、香椿、撂荒、柑橘、坡耕地、任豆+桂牧1號(hào)、桂牧1號(hào)、任豆模式。可能受有機(jī)質(zhì)含量、人為管理措施與植被生長狀況影響,不同退耕還林還草模式的土壤容重不同(見表1),從小到大的順序?yàn)?香椿、板栗、坡耕地、任豆+桂牧1號(hào)、柑橘、撂荒、桂牧1號(hào)、任豆,不同模式之間的差異大部分達(dá)到了顯著或極顯著水平。與坡耕地相比,任豆模式的有機(jī)質(zhì)及磷鉀全量養(yǎng)分、桂牧1號(hào)和撂荒模式的全鉀、香椿和板栗模式的速效磷極顯著降低,不同退耕還林還草的pH和其他大部分土壤養(yǎng)分均有不同程度提高,除任豆模式的速效磷、速效鉀和柑橘、任豆+桂牧1號(hào)的pH外,均達(dá)到了顯著或極顯著水平,其中有機(jī)質(zhì)、氮和鉀養(yǎng)分含量均以香椿和板栗最高,而全磷含量以撂荒模式最高(表1)。2.2不同模式和和SiO2、Al2O3在土壤礦質(zhì)元素組成中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其次是Fe2O3,三者占了土壤礦物質(zhì)含量的90%以上,CaO和MgO相對(duì)較少(表2)。與坡耕地相比,不同退耕還林還草模式顯著或極顯著降低了SiO2含量,極顯著增加了其他礦質(zhì)養(yǎng)分含量。SiO2含量以坡耕地和任豆模式最高,分別達(dá)797.6和743.5gkg-1,兩者之間差異顯著,且極顯著高于其他模式;模式Ⅲ～Ⅶ的SiO2含量在502.3～549.5gkg-1之間,差異不顯著;撂荒地的SiO2含量僅為402.4gkg-1,極顯著低于其他模式;Al2O3的大小順序?yàn)棰?gt;Ⅴ>Ⅷ>Ⅵ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅶ>Ⅰ,各模式之間的差異極顯著。模式Ⅲ～Ⅷ的Fe2O3含量在65.27～72.25gkg-1之間,而坡耕地和任豆的Fe2O3含量很低,分別只有25.34和40.77gkg-1。CaO的含量大小順序?yàn)棰?gt;Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅶ、Ⅱ>Ⅰ,除Ⅶ、Ⅱ模式外,各模式之間的差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平;撂荒地由于基巖出露厲害,CaO含量高達(dá)64.80gkg-1,其他模式的含量在1.22～10.29gkg-1之間。MgO含量的大小順序?yàn)棰?gt;Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ、Ⅶ、Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ,除模式Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的差異不顯著外,其他模式之間均達(dá)到了顯著或極顯著水平。2.3不同退耕還林還草模式下的土壤微生物特性2.3.1土壤微生物數(shù)量及參數(shù)土壤微生物種群數(shù)量受多種因素的影響,能夠敏感地反映土壤生態(tài)系統(tǒng)受人為干擾或生態(tài)恢復(fù)重建的細(xì)微變化及其程度,是土壤質(zhì)量變化的指標(biāo)之一。由表3可知,除任豆模式外,不同退耕還林還草模式均能提高土壤微生物總數(shù)量?？倲?shù)量的順序?yàn)?Ⅶ>Ⅷ>Ⅵ>Ⅳ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅰ、Ⅱ,其中,Ⅶ、Ⅷ、Ⅵ模式之間差異達(dá)到了極顯著水平。細(xì)菌數(shù)量的順序?yàn)?Ⅶ>Ⅷ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ,各模式之間的差異均達(dá)到了極顯著水平。真菌為Ⅷ>Ⅱ、Ⅶ>Ⅴ、Ⅳ、Ⅰ>Ⅲ>Ⅵ,各排序之間差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平。放線菌數(shù)量的差異達(dá)到了3個(gè)數(shù)量級(jí),第一個(gè)數(shù)量級(jí)為桂牧1號(hào)和撂荒,數(shù)量相近;第二個(gè)數(shù)量級(jí)為任豆+桂牧1號(hào);其他5個(gè)模式為第三個(gè)數(shù)量級(jí),差異不顯著。微生物種群數(shù)量組成上細(xì)菌的比例為3.54%～71.79%,放線菌為27.97%～96.44%,真菌的比例很小,不足1%。2.3.2生物指標(biāo)bn的變化土壤微生物生物量碳、氮、磷不僅是研究土壤有機(jī)質(zhì)、氮和磷循環(huán)及其轉(zhuǎn)化過程的重要指標(biāo),而且是綜合評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和肥力狀況的指標(biāo)之一。由表4可看出,與坡耕地相比,不同退耕還林還草模式(除任豆模式外)明顯增加了喀斯特峰叢洼地土壤微生物BC,增加的程度達(dá)136.6～644.4mgkg-1,撂荒地最高。土壤微生物BN含量變化范圍不大,在16.67～46.13mgkg-1之間,與坡耕地相比呈下降趨勢(shì),下降的幅度為1.61～29.46mgkg-1;只有任豆+桂牧1號(hào)、柑橘和任豆模式達(dá)到了極顯著水平。土壤微生物BP含量的變異很大,香椿、板栗、撂荒和桂牧1號(hào)模式土壤微生物BP含量顯著或極顯著高于坡耕地,其他3種模式土壤微生物BP含量略有下降,柑橘模式達(dá)到了顯著水平。另外,BC/SOM和BN/TN的值較小,分別在0.65%～2.43%、0.74%～3.27%之間,BP/TP差異較大,在0.40%～7.15%之間,坡耕地的BC/BN為3.62,退耕還林還草模式土壤的BC/BN值很高,在10.75～38.38之間(表4)。2.4不同模式土壤指標(biāo)比較以土壤理化、礦質(zhì)養(yǎng)分和微生物性狀的21個(gè)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)格化處理,采用歐氏距離、離差平方和法進(jìn)行聚類得圖1所示的樹狀圖,從中可看出坡耕地及7種不同退耕還林還草模式可分為4類(表5):第一類為土壤顯著改良型,模式為香椿和板栗,除全磷、速效磷、SiO2、CaO、MgO和微生物種群數(shù)量略低外,其他土壤屬性均最好。第二類為土壤改良型,模式為撂荒和桂牧1號(hào),土壤各指標(biāo)含量均處于中上水平,其中第一類中含量稍低的土壤指標(biāo)均最好。第三類為土壤緩慢改良型,模式有柑橘和任豆+桂牧1號(hào),各土壤指標(biāo)均處于中下水平。第四類為土壤改良遲滯型,模式為任豆和坡耕地,除SiO2、BN、BP、真菌數(shù)量外其他土壤指標(biāo)均最差,土壤退化現(xiàn)象嚴(yán)重。3討論3.1不同立地條件下的人工管理措施喀斯特峰叢洼地屬亞熱帶季風(fēng)氣候,溫濕條件優(yōu)越,極有利于生物的繁衍和生長,生物“自肥”作用十分強(qiáng)烈,同時(shí)加速了巖石的溶蝕、風(fēng)化和土壤的形成和發(fā)育進(jìn)程。表層土壤的含水量高達(dá)20.76%～29.10%,在生態(tài)系統(tǒng)整體處于干旱狀況下,土壤仍然存在著局部水分優(yōu)勢(shì)的環(huán)境;pH在6.41～7.20之間,由微酸性向微堿性變化;與同緯度地區(qū)的紅壤相比,除全鉀和速效磷含量外,其他養(yǎng)分含量均很高。不同退耕還林還草模式均不同程度地改善了土壤理化性狀,但在早期要切實(shí)落實(shí)3個(gè)方面的人工管理措施:(1)任豆樹雖然具有固氮作用,但前期生長旺盛,消耗了大量的土壤養(yǎng)分和水分,歸還量少,土壤水分、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的含量極顯著減少,容重顯著增加,要多施有機(jī)肥和復(fù)合肥,保障土壤肥力的供應(yīng)水平,改善土壤結(jié)構(gòu)。(2)桂牧1號(hào)的生物量全部被人為收獲,養(yǎng)分、水分遷出多,其中水分、鉀含量嚴(yán)重減少,容重顯著升高,土壤呈現(xiàn)貧瘠、板結(jié)狀況,必須進(jìn)行人為耕作、多施肥料特別是鉀肥。(3)香椿和板栗的土壤理化性狀改良作用最明顯,消耗了大量的磷,土壤速效磷的含量分別只有3.73和3.53mgkg-1,在常規(guī)管理的情況下要做好磷肥增施工作。3.2石漠化對(duì)土壤sio、cao、mgo的影響土壤礦物質(zhì)是非常重要的土壤物質(zhì),它構(gòu)成土壤的骨骼,占土壤固體部分的95%以上,對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)性、交換能力、肥力狀況以及植物營養(yǎng)成分的供應(yīng)等都有非常重要的影響,其元素組成是各種成土因素和成土過程綜合作用的結(jié)果,可在一定程度上反映土壤石漠化的類型和強(qiáng)度。一般而言,產(chǎn)生了石漠化現(xiàn)象的土壤,SiO2含量在700gkg-1以上,Fe2O3不足40gkg-1,MgO低于9gkg-1,CaO由于基巖出露,含量在50gkg-1以上。尚未發(fā)生石漠化的土壤,SiO2<650gkg-1,Fe2O3>70gkg-1,MgO>10gkg-1,且隨著石漠化的加重,土壤中SiO2含量明顯升高,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等成分不斷降低,石漠化導(dǎo)致土壤的形成速度減緩、發(fā)育程度變?nèi)??？λ固胤鍏餐莸仄赂氐幕鶐r出露率低,方便種植農(nóng)作物,CaO含量很低,僅為1.22gkg-1,因長期的干擾破壞出現(xiàn)了嚴(yán)重的石漠化現(xiàn)象,SiO2含量高達(dá)797.6gkg-1,Fe2O3含量僅為25.34gkg-1。不同退耕還林還草模式均不同程度地降低了SiO2的含量,提高了Fe2O3的含量,除退耕種植任豆的SiO2和Fe2O3含量分別為743.5和40.77gkg-1、短期內(nèi)無法消除石漠化現(xiàn)象外,其他6種退耕還林還草模式(除撂荒地CaO>50gkg-1外)土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的含量均恢復(fù)到了石漠化以下的水平,具有良好的改土效應(yīng)。3.3不同模式對(duì)土壤微生物和理化指標(biāo)的影響喀斯特峰叢洼地土壤微生物種群數(shù)量均較高,不同退耕還林還草模式除任豆外均不同程度地提高了微生物種群數(shù)量,其變化趨勢(shì)和組成不完全與細(xì)菌相同,這與前人研究結(jié)果不太一致。4種退耕還林模式即任豆、香椿、板栗、柑橘土壤細(xì)菌占有優(yōu)勢(shì),比例在55.24%～71.79%之間;禾本科植物比例較大的桂牧1號(hào)、任豆+桂牧1號(hào)、撂荒3種退耕還林還草模式和坡耕地土壤放線菌的比例均達(dá)80%以上,占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。微生物數(shù)量特別是放線菌數(shù)量增加,其分解林木凋落物中含有較多木質(zhì)化纖維成份等難分解物質(zhì)的能力增強(qiáng),能促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán),在石漠化地區(qū)實(shí)行退耕還林還草時(shí)一定要注意林草結(jié)合?？λ固胤鍏餐莸赝寥牢⑸顱C的含量接近和超過了亞熱帶稻田土壤。退耕還林還草明顯增加了土壤微生物BC;降低了土壤微生物BN的含量但幅度不大,與陳國潮等研究得出的土地利用方式對(duì)紅壤土壤微生物BN的影響相對(duì)較小的結(jié)果相似;對(duì)土壤微生物BP的影響因模式的不同而不同。許多研究表明,旱地土壤表層BC/SOM的