衡阳紫色土丘陵坡地植被不同恢复阶段土壤水文特征

衡阳紫色土丘陵坡地植被不同恢复阶段土壤水文特征
陈孙华
【摘要】By using the space series to replace time courses,four typical sample plots,grassplot (Ⅰ),frutex and grassplot (Ⅱ),frutex (Ⅲ) and arbor and frutex (Ⅳ) communities in similar and typical sites in the sloping-land with purple soils in Hengyang, Hunan Province, China, standing for four different successive stages were selected to explore the soil characteristics, soil water-holding and permeability capacity. The soil bulk density and
total soil porosity (0 - 60 cm) for 4 succession stages were different. The soil bulk density increased (p>0. 05), and the total porosity and non-capillary porosity decreased (p<C0. 05) with the increase of soil depth. The sequence of the average soil bulk density was in the order of (Ⅰ)> (Ⅱ)> ( Ⅲ ) > (Ⅳ ) (p<0. 05), and the sequence of the average soil porosity was (Ⅳ) >(Ⅲ)>(Ⅱ)>(Ⅰ) (p> 0. 05). The sequence of the soil average early permeability rate was (Ⅳ) >(Ⅲ)>(Ⅱ)>(Ⅰ), with the range of 1. 90 to 81. 57 mm/min. The average stable permeability rate was (Ⅳ) (51. 53 mm/min) > (Ⅲ)rn(1.17 mm/min)>(Ⅰ) (1. 00 mm/min)>(Ⅱ ) (0. 90 mm/min), The sequence of non-capillary was (Ⅳ )> (Ⅲ)>(Ⅱ)>(Ⅰ ). The sequence of the precipitation retained in soil was (Ⅳ) (150. 5 mm)>(Ⅰ) (143. 61 mm)>( Ⅱ ) (137. 38 mm)>(Ⅲ ) (124. 24 mm).%以衡阳紫色土丘陵坡地植被不同恢复阶段为研究对象,采用空间代替时间序列方法,选用立地条件基本相似的草坡恢复阶段(Ⅰ)、灌草恢复阶段(Ⅱ)、灌丛恢复阶段(Ⅲ)与乔灌恢复阶段(Ⅳ),通过调查取样和试验分析,对不同演替阶段的土壤特性、土壤蓄水性能、土壤渗透性能等进行了研究.结果
表明,不同演替阶段土壤容重与土壤孔隙度(0～60 cm)差异明显,且土壤容重随土壤深度的增加而增加(p＞0.05),土壤总孔隙度与毛管孔隙度随土壤深度的增加而减小(p＜0.05),土壤容重均值大小顺序为:草坡恢复阶段(Ⅰ)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)＞乔灌恢复阶段(Ⅳ)(p＜0.05),土层的总孔隙度的变动均值的大小顺序为:乔灌恢复阶段(Ⅳ)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)＞草坡恢复阶段(Ⅰ)(p ＞0.05)；各演替阶段土壤平均初渗速率的大小顺序为:乔灌恢复阶段(Ⅳ)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)＞草坡恢复阶段(Ⅰ),范围为1.90～81.57 mm/min,土壤平均稳渗速率由大至小的顺序为:乔灌恢复阶段(Ⅳ)(51.53mm/min)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)(1.17 mm/min)＞草坡恢复阶段(Ⅰ)(1.00 mm/min)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)(0.90 mm/min)；各演替阶段土壤非毛管持水量由大至小的顺序为:乔灌恢复阶段(Ⅳ)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)＞草坡恢复阶段(Ⅰ),土壤涵蓄降水量的大小顺序为:乔灌恢复阶段(Ⅳ)(150.5 mm)＞草坡恢复阶段(Ⅰ)(143.61 mm)＞灌草恢复阶段(Ⅱ)(137.38 mm)＞灌丛恢复阶段(Ⅲ)(124.24 mm).
【期刊名称】《西北林学院学报》
【年(卷),期】2013(028)002
【总页数】5页(P48-52)
【关键词】演替阶段;土壤孔隙度;土壤渗透性;土壤水文特征;衡阳
【作者】陈孙华
【作者单位】湖南环境生物职业技术学院园林学院,湖南衡阳421005
【正文语种】中文
【中图分类】S714.7
林草植被下土壤层的水文特征是生态系统的重要特征之一。

林草植被下土壤层的水文效应通过自身蓄水能力和入渗特征表现出来，对降水分配过程、水分循环和土壤流失等过程具有十分明显的作用，因此研究林草植被下土壤层的水文特征是探讨林草植被下水文过程的基础和前提，意义重大［1－2］。

林草植被下土壤层的水文
特征在很大程度上反映了植被对土壤结构功能的改良作用，由于不同植被类型生态特征的差异，它们的土壤水文特征也表现出相应的差异。

衡阳紫色土丘陵坡地区域水土流失严重，植被稀疏，基岩裸露，有的区域几乎没有土壤发育层，生态环境恶劣，植被恢复困难［3－5］。

但目前对该研究区域的研究仅局限于对适宜植物种
类的选择，而对其水文特征的研究报道尚少。

为此，以衡阳紫色土丘陵坡地为例，对其在不同的演替过程中土壤水文特征进行研究，为该区域植被恢复与重建提供科学依据。

1 研究区域概况
研究区域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐标为110°32′16″－113°16′32″E、26°07′05″－27°28′24″N。

属亚热带季风湿润气候，年平均气温18℃；极端最高
气温40.5℃，极端最低气温－7.9℃，年平均降雨量1 325mm，年平均蒸发量1 426.5mm。

平均相对湿度80%，全年无霜期286d。

地貌类型以丘岗为主。

紫色
土面积有1.625×105 hm2，呈网状集中分布于该区域中部海拔60～200m的地带，东起衡东县霞流、大浦，西至祁东县过水坪，北至衡阳县演陂、渣江，南达常宁市官岭、东山和耒阳市遥田、市炉一带，以衡南、衡阳2县面积最大，虽然该
各级政府对该区域的植被恢复很重视，但收效甚微，其大部分的面积仍然植被稀疏，水土流失严重，严重制约着当地经济的发展。

2 研究方法
2.1 样地设置
2010年6月，结合当地的记载资料，采用“空间序列代替时间序列”的方法［6
－7］，选择坡度、坡向、坡位、土壤厚度和裸岩率等生态因子基本一致的坡中下部沿等高线的有代表性自然恢复的样地：Ⅰ.草坡恢复阶段（Grassplot，GT），Ⅱ.灌草恢复阶段（Frutex and grassplot，FG），Ⅲ.灌丛恢复阶段（Frutex，FX），Ⅳ.乔灌恢复阶段（Arbor and frutex，AF），代表不同植被恢复阶段，在每个样地内设置5个样地面积为20m×20m的重复标准地进行植被调查与土壤物理性质实验。

同时在每个标准地内设置1m×1m 的样方，用来收集枯落物［3，8
－9］。

各样地基本情况见表1。

表1 样地概况Table 1 Basic situations of sampling plots演替阶段演替年限/a 坡度/坡向海拔/m 盖度/%优势植物Ⅰ2 25°/SW15° 125 15 狗尾草、狗芽根
Ⅱ5～8 20°/SW25° 115 25 紫薇、糯米条、狗尾草Ⅲ20～25 30°/SW20° 120 45 牡荆、剌槐、糯米条Ⅳ50 25°/SW15° 130 70 枫香、苦楝、牡荆
2.2 测定方法
2010年5－9月，在各演替阶段，在每个20m×20m的标准地内采用梅花型五点混合取样法，分别取0～20cm、20～40cm、40～60cm这3层土样，重复3次，采用环刀法测定土壤含水量、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和蓄水量与非毛管持水量等指标，用ZTS－A型智能土壤渗速仪测定土壤入渗性能等指标，再在相应的时间内，结合环刀横截面积等参数即可计算各土壤层次的渗速率与渗速系数等入渗参数［11－12］。

3 结果与分析
3.1 不同演替阶段土壤容重与孔隙度特点
从表2可以看出，在每个演替阶段，由于各演替阶段的凋落物特征与土壤根系分
布不同的原因，土壤容重存在一定差异，土壤容重均值大小顺序为：草坡恢复阶段（Ⅰ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞乔灌恢复阶段（Ⅳ），范围
是0.31～1.06g/cm3，其差异达显著水平（p＜0.05）；尽管各土层土壤容重的差异没有达到显著水平（p＞0.05），但随着土层的加深，土壤容重增大。

草坡恢复阶段（Ⅰ）之所以土壤容重较大，与该演替阶段生境条件差，地表只有稀疏的草本，表层蒸发强烈以及土壤非毛管孔隙度小等特征是一致的［13－14］。

在不同的演替阶段，由于植物根系与土壤之间形成的孔隙以及地面的枯枝落叶苔藓层的差异，各土层总孔隙度的变动均值的大小顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）（p＞0.05），但在各演替阶段，表土层总孔隙度的变动最大，在50.70%～76.79%之间，土壤下层
变动最小，在52.19%～69.91%之间。

在乔灌恢复阶段（Ⅳ），乔木的根系与土
壤形成粗大的孔隙，地面的枯枝落叶苔藓层又能减轻雨滴的冲击，长期保持土壤孔隙不被堵塞；灌丛恢复阶段（Ⅲ），由于灌丛枝叶茂密，树冠紧贴地面截持降水量能力强，蒸腾量小，且低矮的灌丛林又减弱了雨滴的击溅，从而避免了土壤孔隙被堵塞，提高了土壤孔隙度的质量，加之灌丛林的根系也在改善土壤的物理性状，提高土壤的渗透率与渗透速度，减少了地表径流。

各演替阶段土层毛管孔隙度均＞38.37%，各土层毛管孔隙度平均值的大小顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）。

毛管孔隙度越大，表明土壤有效水的贮存容量越大，可供植物根系利用的有效水分的比例就越大［15－16］。

表2 不同演替阶段的土壤物理性质Table 2 Physical properties of the soils in different evolution stages注：表中同一栏数据带不同字母表示达到5%的显著
水平；括号内数字为标准方差，表3、表4同。

演替阶段土壤层次/cm 土壤容重/（g·cm－3）总孔隙度/% 毛管孔隙度/% 非毛管孔隙度/%Ⅰ0～20 0.89a（0.12）50.70a（3.42） 42.95a（4.65） 7.74a（0.65）20～40 0.97a（0.11） 51.39a （2.99） 42.34a（3.87） 9.04a（0.87）40～60 1.06a（0.09） 54.30a（2.98）
47.89a（5.00） 6.47a（0.65）Ⅱ0～20 0.85a（0.07） 63.53a（5.00） 50.74a （4.32） 12.80b（1.43）20～40 0.87a（0.09） 58.00a（4.23） 45.19a（3.54）12.80b（1.45）40～60 0.90a（0.10） 52.19a（3.98） 41.69a（2.47） 10.29b （1.04）Ⅲ0～20 0.44b（0.05） 69.21a（2.99） 41.28a（3.54） 27.91c（2.98）20～40 0.56b（0.04） 57.23a（1.96） 45.24a（4.87） 16.98b（1.78）40～
60 0.57b（0.03） 61.56a（4.49） 44.78a（2.09） 16.77b（1.76）Ⅳ0～20
0.31b（0.04） 76.79a（4.65） 38.37a（3.51） 38.41c（2.00）20～40 0.50b （0.06）74.83a（5.71）54.03a（2.63）20.57c（1.98）40～60 0.63b（0.05）69.91a（3.65） 56.65a（3.25） 13.25b（1.23）
3.2 不同演替阶段土壤的水源涵养能力
3.2.1 土壤的渗透性能由表3可知，在草坡恢复阶段（Ⅰ）、灌草恢复阶段（Ⅱ）与灌丛恢复阶段（Ⅲ），随土壤深度的增加，它们的稳渗速率先增加后减小，其变化的差异没有达到显著水平（p＞0.05），在演替阶段Ⅳ的土壤的稳渗速率随土壤深度的增加而减小。

由于在4个演替阶段4种植被之间非毛管孔隙度不同的缘故，平均土壤稳渗速率由大至小的顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）（51.53mm/min）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）（1.17mm/min）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）（1.00mm/min）
＞灌草恢复阶段（Ⅱ）（0.90mm/min）；平均初渗速率变动范围为1.90～
81.57mm/min，依次为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）。

另外，在乔灌恢复阶段（Ⅳ），土壤表层的渗透率比其他演替阶段土壤表层的渗透率大好几百倍，渗透速度要大近2a的1 000倍，它们的差异达显著水平（p＜0.05）。

这主要是因为在乔灌恢复阶段（Ⅳ），乔木的根系与土壤形成之间粗大的孔隙，地面的枯枝落叶苔藓层又能减轻雨滴的冲击，长期保持土壤的孔隙不被堵塞，正是森林土壤这种良好的特性，使其涵蓄着大量的大气降水［17－18］。

表3 不同演替阶段土壤的渗透性能Table 3 Permeability of the soils in different evolution stages演替阶段土壤层次/cm渗透率/（mm·min－1）初渗值稳渗值平均渗流速度/（mm·min－1）Ⅰ 0～20 1.5a（0.12） 0.8a（0.06）1.0a（0.02）20～40 2.4a（0.24） 1.3a（0.13） 1.1a（0.03）40～60 1.8a （0.11） 0.9a（0.07） 2.0a（0.04）Ⅱ 0～20 3.3a（0.20） 0.7a（0.08） 2.8a （0.08）20～40 2.0a（0.19） 1.1a（0.09） 2.5a（0.09）40～60 1.6a（0.13）0.9a（0.07） 3.2a（0.05）Ⅲ 0～20 3.7a（0.21） 0.9a（0.05） 3.7a（0.08）20～40 3.2a（0.22） 1.5a（0.11） 12.9a（1.98）40～60 3.2a（0.32） 1.1a （0.05） 1.7a（0.54）Ⅳ 0～20 169.2b（7.98） 103.8b（5.34） 809.0b（9.09）20～40 50.6c（3.56） 33.9c（2.31） 28.4c（2.98）40～60 24.9d（1.98）16.9d（1.96） 20.4d（1.47）
3.2.2 土壤的持水性能由表4可知，4个植被恢复阶段的土壤非毛管持水量由大至小的顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ），且除灌草恢复阶段（Ⅱ）之外，其余各演替阶段非毛管持水量均随土壤深度的增加而减小；从持水能力的空间上看，随着土壤深度的增加，各演替阶段土壤饱和持水量出现减小趋势。

4个演替阶段土壤涵蓄降水量的大小顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）（150.5mm）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）（143.61mm）＞
灌草恢复阶段（Ⅱ）（137.38 mm）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）（124.24mm）。

调
查发现，在草坡恢复阶段（Ⅰ）、灌草恢复阶段（Ⅱ）与灌丛恢复阶段（Ⅲ），郁闭度较低，土壤温度较高，微生物活动旺盛，凋落物分解快，积累少，故它们的土壤涵蓄降水量均小于乔灌恢复阶段（Ⅳ）的土壤涵蓄降水量。

表4 不同演替阶段土壤持水和蓄水特征值Table 4 Water retention and storage properties of the soils in different evolution stages演替阶段土壤层次/cm非
毛管持水量/%土壤饱和持水量/%毛管蓄水量/mm饱和蓄水量/mm有效涵蓄量
/mmⅠ 0～20 7.76a（0.21） 57.74a（3.09） 42.36a（2.45） 51.41a（3.97）35.75a（1.98）20～40 9.06a（0.32） 46.87a（4.65） 42.97a（3.87） 50.72a （4.00） 34.09a（2.65）40～60 6.49a（0.35） 50.88a（3.78） 95.67ab
（6.55） 108.63b（6.76） 73.77b（4.79）Ⅱ 0～20 12.82a（1.00） 73.91a （4.00） 43.66a（3.45） 63.56a（5.76） 38.74a（3.08）20～40 12.82a
（0.98） 65.92a（5.76） 39.79a（3.54） 58.01a（6.43） 39.03a（4.07）40～60 10.31a（0.74） 57.48a（4.99） 75.91ab（6.78） 104.61b（7.34） 59.61b （5.43）Ⅲ 0～20 27.94b（2.49） 217.21b（18.94） 41.30a（4.21） 69.23a （5.38） 35.40a（3.09）20～40 17.00a（1.95） 125.81b（12.45） 44.80a （4.35） 61.58a（6.79） 26.26a（2.12）40～60 14.14a（1.05） 109.01b （10.09） 91.63ab（8.54） 123.77b（9.00） 62.58b（6.09）Ⅳ 0～20 38.43b （3.09） 300.33b（20.53） 30.30a（3.09） 76.81ab（7.98） 52.03b（5.68）20～40 20.59a（2.52） 150.12b（11.56） 47.42a（5.21） 74.85ab（8.45）35.69a（2.03）40～60 13.27a（1.94） 111.73b（10.38） 102.67b（12.76）139.85b（9.89） 62.33b（5.86）
4 结论与讨论
不同演替阶段土壤容重与土壤孔隙度差异明显，且土壤容重随土壤深度的增加而增加（p＞0.05），土壤总孔隙度与毛管孔隙度随土壤深度的增加而减小（p＜
0.05）。

土壤容重均值大小顺序为：草坡恢复阶段（Ⅰ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞乔灌恢复阶段（Ⅳ）（p＜0.05），变化范围是0.31～
1.06g/cm3；各土层的总孔隙度的变动均值的大小顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）
＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）（p＞0.05），但在各演演替阶段，表土层总孔隙度的变动最大，在50.70%～76.79%之间，土
壤下层变动最小，在52.19%～69.91%之间；各土层毛管孔隙度平均值的大上顺
序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ），均＞38.37%。

各演替阶段土壤平均初渗速率的大小顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ），范围为1.90～
81.57mm/min；土壤平均稳渗速率由大至小的顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）（51.53mm/min）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）（1.17mm/min）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）（1.00mm/min）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）（0.90mm/min）。

4个演替阶段土壤非毛管持水量由大至小的顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）＞灌丛恢复阶段（Ⅲ）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）＞草坡恢复阶段（Ⅰ），且除灌草恢复阶段（Ⅱ）之外，其余各演替阶段非毛管持水量均随土壤深度的增加而减小；4个演替阶段土壤涵蓄降水量的大小顺序为：乔灌恢复阶段（Ⅳ）（150.5 mm）＞草坡恢复阶段（Ⅰ）（143.61mm）＞灌草恢复阶段（Ⅱ）（137.38mm）＞灌丛恢复
阶段（Ⅲ）（124.24mm）。

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