金沙江干热河谷侵蚀陡坡植被恢复对土壤质量的影响

生态环境 2008, 17(4): 1636-1640 Ecology and Environment E-mail: 基金项目： 国家支撑计划课题（ 2006BAC01A11） ； 国家自然科学基金 项目 （ 40771027） ； 国家 973 项目（ 2007CB407206） 作者简介： 聂小军 （ 1977），男， 博士 研究 生，主要从事土壤侵蚀与水土保持。 E-mail: *通讯作者 ： 张建辉 ， 研究员，博士生导师，主要从事土壤侵蚀、土壤物理研究。 E-mail: 收稿日期： 2008-03-13 金沙江干热河谷侵蚀陡坡 植被 恢复对土壤质量的影响 聂小军 1, 2， 张建辉 1*，刘刚才 1，南岭 1, 2, 苏正安 1, 2 1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所， 四川 成都 610041； 2. 中国科学院研究生院，北京 100049 摘要 ： 植被 恢复关系到 金沙江干热河谷陡坡 冲沟侵蚀的发育，土壤质量的演化。 文 章 以元谋干热河谷侵蚀陡坡为例，通过测定 植被 恢复地与侵蚀裸地的土壤质量，探讨了 植被 恢复对侵蚀陡坡土壤质量的影响。结果表明 ： 侵蚀陡坡植被恢复有效地防止了土壤侵蚀的发生。与侵蚀裸地相比，植被恢复地土壤剖面 层次保持完整，母质层以上有明显的 A、 B 层，土壤厚度变异小且厚度大，物理性粘粒含量高，基本保持着母质为粘土层的变性燥红土质地粘重特征。植被恢复在 3 年多时间内对土壤紧实度尚没有起到明显改善作用，土壤容重依然偏大。 植被 恢复对 雨季 陡坡土壤水分的改善效果好 ， 而在旱季改善效果不好 。雨季 ， 植被 恢复地水分含量高，不同坡位土壤水分差异不明显。 旱季， 植被 恢复地 与侵蚀裸地 土壤水分 状况相似。两种类型的坡地土壤水分含量都很 低，不同坡位土壤水分差异明显， 而且 土壤水分含量沿向下坡方向降低。 植被 恢复减弱了陡坡土壤侵蚀带来的有机质流失，促进 了有机质的积累。因此，针对目前 植被 恢复的不足，采取有效的土壤改良措施， 保土保水， 提高土壤水分储 量，减小土壤水分的时空差异 ，同时降低土壤紧实度， 是今后 侵蚀 陡坡 植被 恢复值得考虑的一项工作。 关键词 ： 元谋 干热河谷；土壤侵蚀； 植被 恢复； 土壤质量 中图分类号： S157 文献标识码： A 文章编号： 1672-2175（ 2008） 04-1636-05金沙江干热河谷地区是我国 植被 环境脆弱地区之一，土壤侵蚀极其严重。侵蚀引起的土壤质量退化一直困扰着当地的社会可持续发展。围绕该区自然环境特征、土壤质 量退化现状以及土壤质量退化过程与机理的研究成果已经很多 1-8，在此基础上开展的水土保持措施也出现了很多 ,有效防止了侵蚀土壤的进一步退化，并取得了一定的社会经济效应。目前该区水土保持措施大多倾向于工程措施 (主 要指坡改梯、隔坡水平沟、隔坡水平阶、鱼鳞坑等 )与 植被 恢复措施对侵蚀土壤水分的改善 9-14， 但 很少关于它们 在不同土壤景观位置的行为特征 研究 报道15-17。尤其，关于这些措施对冲沟侵蚀强烈的陡坡土壤质量影响的研究 更少 。据此，我们以云南元谋干热河谷 苴林 植被 恢复技术示范基地 为研究区，探讨 植被 恢复对 侵蚀 陡坡 土壤质量变化的影响 。 1 材料与方法 1.1 研究区概况 本研究区地属金沙江下游干热亚区 ， 位于 东径10148481014954北纬 255030255118，海拔 1 0671 138 m，气候干旱 ， 年均温 21.9 ， 极端最高气温 42 ， 极端最低气温 -2 ， 12 的持续天数 349 d， 10 积温 7 786 ； 年降雨量 630 mm 左右 ， 集中在 5 9 月份 ， 其他月份少雨或无雨 ，年蒸发量 3 911. 2 mm， 蒸发量是降雨量的 6 倍 , 全年太阳总辐射量 641.8 KJcm-2， 日照率 62 %； 干燥度 4.4 (以 Penman 公式计算 )18。研究区地形切割强烈， 70为落差 0.51.8 m 的改造台地， 5为1535坡地， 25%为严重侵蚀冲沟 。土壤因发育母质类型的多样性，主要有普通燥红土、表蚀燥红土、变性燥红土。植被类型为干旱稀树草丛。 区内草本植物超过 30 种 ， 总盖度为 72.08%， 优势种以扭黄茅（ Heteropogon）和孔颖草 (Botnrochola portusa)居多 ； 灌木和乔木主要有车桑子（ Dodoneae vis-cosa ）， 小 桐 子 （ Jatropha curcas ）、 余 甘 子（ Phyllanthus emblica）、合欢（ Albizia julibrissm）。 1.2 研究方法 在 研 究 区 选 择 土 壤 类 型 为 变 性 燥 红 土（ pH7.0），坡度为 10的两块相邻陡坡 地 作为土样采集、测定区。 两块陡坡地在 2004 年前背景情况一样，都为严重侵蚀的荒地，植被覆盖度很低（ 0.1， n=6） ， 容重均大于 1.50 gcm-3。而且，从不同坡位来看，两块坡地土壤容重的 CV都很小。植被恢复地、侵蚀裸地 的 CV 分别为 4.2%、4.6 。因此，土壤容重的这种变化 说明植被恢复目前还没有对变性燥红土土壤紧实化起到明显改善的作用。 05101520253035上坡 中坡 下坡土壤厚度/cm侵蚀裸地 生态恢复地 图 1 侵蚀陡坡的土壤厚度分布 Fig.1 The distribution of soil depth across an eroded hillslope 图 2 侵蚀陡坡的土壤容重分布 Fig.2 The distribution of soil bulk density across an eroded hillslope 表 1 侵蚀陡坡的土壤颗粒组成及质地 Table 1 Soil particle composition and soil texture on an eroded hillslope 坡地 类型 坡位 砂粒 20.05 mm 粉粒 0.050.002 mm 粘粒 0.002 mm 物理性 粘粒 0.1， n=9） ， 平均含水量在 14.5左右。从不同坡位来看 ： 雨季，与侵蚀裸地不同坡位极其明显的土壤水分差异（ p0.05，n=15）；旱季，两块坡地的土壤水分差异都很明显（ p0.001， n=9）。由此可见，该研究区侵蚀陡坡 植被 恢复对土壤水分的改善主要表现在雨季，而在旱季其改善效果不佳。另外，对比旱 季不同坡位土壤水分含量， 植被 恢复地土壤水分含量沿下坡方向降低，这与许多研究结果不一致 19-26。一般来说，下坡可能接受到上 坡土壤水分的表面径流和壤中流的补充而表现出比上坡高的含水量。我们得出的这种 不一致的结果 归因于不同坡位土壤剖面 厚度 差异 。 在我们的研究结果中， 植被恢复地中 、 下坡土壤厚度虽然仅比上坡 分别 小 5 cm、 10 cm，但正是这 5 cm、 10 cm 的差异使得中、下坡土壤 A 层变 薄，储水能力大幅降低，蒸发增强，因此经过相同干旱时间这些坡位的水分 含量相对上坡小的多 。可见，侵蚀土壤流失造成的土壤厚度差异是干 热河谷土壤水分特性好坏的关键因子。 综上，我们应在现有植被 恢复 的 基础上通过采取 科学 保土 措施 才能保水 ，减小 侵蚀土壤水分时空差异，提高其 抗旱力。 2.3 土壤有机质 土壤有机质是作物所需的氮、磷、硫、微量元素等各种养分的主要来源，而且它还能通过影响土壤物理、化学和生物学特性来改善土壤肥力。尤其，土壤有机质能改变粘土的坚韧大块结构，使土壤的透水性、蓄水性、通气性以及根系的生长环境有所改善；同时由于土壤孔隙结构得到改善，导致水的入渗速率加快，从而可以减少水土流失。这一点对于本研究区极低肥力的变性燥红土土壤质量改良有 着关键的意义。 如图 4 可知， 植被 恢复地的土壤有机质含量（平均 6.5 gkg-1）总体上要高于侵蚀裸地（平均 4.7 gkg-1），这个结果表明 植被 恢复促进了该陡坡地的有机质的积累。另外，从图 4 也可以看出 ： 侵蚀裸地有机质侵蚀特征明显，而 植被 恢复地有机质侵蚀特征不明显。上坡位 置，侵蚀裸地因雨滴打击土壤表层，溅蚀细颗粒，使粘附于细颗粒上的有机质损失，含量为 3.7 gkg-1； 植被 恢复地因溅蚀作用微乎其微，土壤有机质含量为 8.2 gkg-1。中坡位置，两块坡地都受面蚀影响。该坡位侵蚀裸地面蚀强烈，有机质流失严重，含量低至 2.0 gkg-1；而 植被 恢复地受面蚀影响小，有机质流失少，含量为5.1 gkg-1。下坡位置，侵蚀裸地因沉积一部分来自上、中坡的侵蚀土壤细颗粒，使之有机质含量达8.3 gkg-1，远高于上、中坡；而 植被 恢复地下坡因上、中坡侵蚀小，有机质积累不明显，含量与 其它坡位相差不大。 两块坡地不同坡位侵蚀状况的不同导致其有机质空间变异的不同，其中植被恢复地有机质 CV 为 16.9，侵蚀裸地有机质， CV 高达51.7%。 以上结果表明， 植被 恢复能明显地减弱了陡坡土壤侵蚀带来的有机质流失 ，减小有机质的空间变异性，保持坡面较均衡的土壤肥力 。可以推测，随着 植被 恢复地植被状况的不断好转，枯枝落叶层的补给，有机质含量将逐渐增高，这不仅能很好地改善变性燥红土养分贫瘠、保水性差的特点，而且也能改善该坡地中、下坡因土壤容重大而导致的土壤紧实。 5101520253035404550上坡 中坡 下坡(土壤水分)/%侵蚀裸地（雨季） 生态恢复地（雨季）侵蚀裸地（旱季） 生态恢复地（旱季） 图 3 侵蚀陡坡的土壤体积含水量分布 Fig.3 The distribution of soil volumetric water content across an eroded hillslope 0123456789(有机质)/(gkg-1)上坡 中坡 下坡侵蚀裸地生态恢复地 图 4 侵蚀陡坡的土壤有机质分布 Fig.4 The distribution of soil organic matter across an eroded hillslope 聂小军等：金沙江干热河谷侵蚀陡坡植被恢复对土壤质量的影响 1639 3 结论 侵蚀陡坡 植被 恢复有效地防止了土壤侵蚀的发生。与侵蚀裸地相比， 植被 恢复地土壤剖面层次保持完整，母质层以上有明显的 A、 B 层，土壤厚度 变异小 且厚度 大，物理性粘粒含量高，基本保持着母质为粘土层的变性燥红土质地粘重特征。 植被恢复 在 3 年 多 时间内 对土壤紧实度 尚 没有起到明显改善作用，土壤容重依然偏大。 植被 恢复对侵蚀陡坡土壤水分的改善效果存在着时空差异。雨季， 植被 恢复对陡坡土壤水分的改善效果好。与侵蚀裸地相比， 植被 恢复地水分含量高，不同坡位土壤水分差异不明显。旱季， 植被恢复地对陡坡土壤水分的改善效果不佳。与侵蚀裸地相比， 旱季 植被 恢复地土壤水分含量同样很 低，不同坡位土壤水分差异明显，土壤水分含量沿向下坡方向降低。 植被 恢复减弱了陡坡土壤侵蚀带来的有机质流失，促进了有机质的积累 ，保持坡面有较均衡的有机质 。 参考文献 ： 1 黄成敏 , 何毓蓉 . 云南省元谋干热河谷的土壤抗旱力评价 J. 山地研究 , 1995,13(2): 79-84. Huang Chengmin, He Yurong. Drought research from soils in Yu-anmou dry and hot valley, Yunan Province J. Mountain Research, 1995,13(2): 79-84. 2 何毓蓉 ,黄成敏 ,杨忠 ,等 . 云南省元谋干热河谷的土壤退化及旱地农业研究 J.水土保持学报 ,1997, 3 (1) : 56-60. He Yurong, Huang Chengmin, Yang Zhong, et al. Soil Degradation and Dryland Farming in Yuanmou dry and hot valley, Yunnan Province J. Journal of Soil and Water Conservation, 1997, 3 (1): 56 - 60. 3 黄成敏 ,何毓蓉 . 云南省元谋干热河谷土壤水分的动态变化 J. 山地研究 , 1997,15(4): 234-238. Huang Chengmin, He Yurong. Dynamic variation of soil water in Yu-anmou dry-hot valley, Yunan ProvinceJ. Mountain Research, 1997,15(4): 234-238. 4 刘刚才 , 刘淑珍 . 金沙江干热河谷区水环境特性对荒漠化的影响J. 山地研究 , 1998,16(2): 156-159. Liu Gangcai, Liu Shuzhen. The effect of water environmental charac-teristic in dry-hot valley of Jinsha River on soil desertification J. Mountain Research, 1998,16(2): 156-159. 5 何毓蓉 , 张丹 , 张映翠 , 等 . 金沙江干热河谷区云南土壤退化过程研究 J. 水土保持学报 , 1999, 5(4) : 1-5. He Yurong, Zhang Dan, Zhang Yingcui, et al. Approach to soil degra-dation process in dry and hot valley region of Jinsha River, Yunnan ProvinceJ. Journal of Soil and Water Conservation, 1999, 5(4): 1-5. 6 何毓蓉 ,黄成敏 ,宫阿都 ,等 . 金沙江干热河谷典型区 (云南 ) 土壤退化机理研究母质特性对土壤退化的影响 J. 西南农业学报 , 2001, 14(增刊 ): 9-13. He Yurong, Huang Chengmin, Gong Adu, et al. An approach to the mechanism of soil degradation in dry and hot valley region of Jinsha River, Yunnan Province-Effeet of disparity in features of parent mate-rials on soil degradationJ. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2001,14(supplement): 9-13. 7 黄成敏 ,何毓蓉 ,张丹 ,等 . 金沙江干热河谷典型区 (云南 )土壤退化机理研究 -土壤水分与土壤退化 J. 长江流域资源与环境 , 2001, 10(6): 578-584. Huang Chengmin, He Yurong, Zhang Dan, et al. Mechanisms involved in soil degradation in dry and hot valleys in Jinshajing River area, Yunan Province-Soil water and soil degradation J. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2001, 10(6):578-584. 8 何毓蓉 ,周红艺 ,张保华 ,等 . 金沙江干热河谷典型区土壤退化机理研究 -土壤侵蚀对土壤退化的作用 J.水土保持学报 ,2002,16(3): 24-26. He Yurong, Zhou Hongyi, Zhang Baohua, et al. Mechanism of soil degradation in dry and hot valley of Jinshajiang River Area-Effect of soil erosion on soil degradationJ. Journal of Soil and Water Conser-vation, 2002, 16(3):24-26. 9 纪中华 ,刘光华 ,段日汤 ,等 . 金沙江干热河谷脆弱 植被 系统植被恢复及可持续 植被 农业模式 J.水土保持学报 ,2003,17(5): 19-20. Ji Zhonghua, Liu Guanghua, Duan Yuetang, et al. Model of plantation restoration and vegetation agriculture in fragile vegetation environ-ment in arid hot valley of Jinsha River J. Journal of Soil and Water Conservation, 2003,17(5): 19-20. 10 王克勤 ,沈有信 ,陈奇伯 ,等 . 金沙江干热河谷人工植被土壤水环境J. 应用 植被 学报 , 2004,15(5):809-813. Wang Keqin, Shen Youxin, Chen Qibo, et al. Soil water environment of artificial vegetation in Jinshajiang dry-hot valley J. Chinese Jour-nal of Applied Ecology, 2004, 15 (5):809-813. 11 李艳梅 ,王克勤 ,刘芝芹 , 等 . 云南干热河谷微地形改造对土壤水分动态的影响 J. 浙江林学院学报 , 2005, 22 (3): 259-265. Li Yanmei, Wang Keqin, Liu Zhiqin, et al. Effect of reconstructed mi-cro-slope on soil moisture dynamics in Yunnan dry-hot river valley J. Journal of Zhejiang Forestry College, 2005, 22 (3): 259-265. 12 李艳梅 , 王克勤 , 刘芝芹 ,等 . 云南干热河谷不同坡面整地方式对土壤水分环境的影响 J. 水土保持学报 ,2006,20(1): 15-19. Li Yanmei, Wang Keqin, Liu Zhiqin, et al. Effect of Measure of En-gineer ing Preparation to Soil Wa ter in Yunnan dry-hot river valleyJ. Journal of Soil and Water Conservation,2006,20(1): 15-19. 13 杨艳鲜 , 纪中华 , 沙毓沧 ,等 . 元谋干热河谷区旱坡地态农业模式的水土保持效益研究 J. 水土保持学报 , 2006,20(3): 70-73. Yang Yanxian, Ji Zhonghua, Sha Yucang, et al. Study on soil and wa-ter conservation benefit of models of eco-agriculture on dry slope land in Yuanmou dry hot valleyJ. Journal of Soil and Water Conserva-tion,2006, 20(3): 70-73. 14 王建英 ,王克勤 .元谋干热河谷植被恢复中水平阶整地对土壤蒸发的影响 J.水土保持研究 ,2006,13(2): 10-13. Wang Jianying, Wang Keqin. Effects of Level- terrace Site Prepara-tion on Soil evaporation in recovering in Yuanmou dry-hot River val-ley J. Research of Soil and Water Conservation,2006,13(2): 10-13. 15 盛才余 ,刘伦辉 ,刘文耀 .云南南涧干热退化山地人工植被恢复初期生物量及土壤环境动态 J.植物 植被 学报 ,2000,24(5): 575-580. Sheng Caiyu, Liu Lunhui, Liu Wenyao. Biomass and dynamics of soil environment during the early stage of vegetation restoration in a de-graded dry-hot mountain area of Nanjian,Yunnan J.Acta Phytoeco-logica Sinica, 2000,24(5): 575-580. 1640 生态环境 第 17 卷第 4 期（ 2008 年 7 月） 16 陈奇伯 ,王克勤 ,李艳梅 ,等 . 金沙江干热河谷不同类型植被改良土壤效应研究 J. 水土保持学报 , 2003, 17 (2): 67- 70. Chen Qibo, Wang Keqin, Li Yanmei, et al. Effect of different vegetation types on soil amelioration in dry-hot valley of Jinshajiang River Basin J. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17 (2): 67-70. 17 何璐 ,段曰汤 ,沙毓沧 ,等 .金沙江干热河谷区 植被 经济林复合种植模式的 植被 经济效益研究 J.水土保持学报 ,2006,20(5): 16-19. He Lu, Duan Yuetang, Sha Yucang, et al. Study on ecology and economy benef it of eco-economic forestry composite planting mode in Jinsha River hot and dry valley J. Journal of Soil and Water Con-servation, 2006, 20(5): 16-19. 18 袁建平 ,蒋定生 ,甘淑 . 影响坡地降雨产流历时的因子分析 J. 山地学报 , 1999, 17 (3) : 259- 264. Yuan Jianping, Jiang Dingsheng, Gan Shu. Factors affecting rainfall runoff duration on sloping landJ. Journal of Mountain Research, 1999, 17 (3): 259- 264. 19 Hawley M E, Jackson T J, McCuen R H. Surface soil moisture on a small agricultural watershedJ. Journal of Hdrology, 1983, 62: 179-200. 20 Famiglietti J S, Rudnicki J W, Rodell M. Variability in surface mois-ture content along a hillslope transect: Rattlesnake Hill, Texas J. Journal of Hydrology, 1998, 210: 259-281. 21 黄明斌 ,康绍忠 ,李玉山 . 黄土高原沟壑区森林和草地小流域水文行为的比较研究 J. 自然资源学报 ,1999, l4(3):26-231. Huang Mingbin, Kang Shaozhong, Li Yushan. A comparision of hy-drological behaviors of forest and grassland watersheds in gully ersion of the Loess Plateau J. Journal of Natural Reasources, 1999, l4 (3): 226-231. 22 赵晓光 ,吴发启 ,刘秉正 ,等 . 黄土高原坡耕地土壤水分主要受控因子研究 J. 水土保持通报 , 1999, l9(1): 10-14. Zhao Xiaoguang, Wu Faqi, Liu Bingzheng, et al. Effects of primary factors on soil moisture in cultivated slopeland J. Bulletin of Soil and Water Conservation, 1999, l9(1): 10-14. 23 邱扬 ,傅伯杰 ,王军 ,等 . 黄土丘陵小流域土壤水分时空分异与环境关系的数量分析 J. 植被 学报 , 2000, 20(5): 741-747. Qiu Yang, Fu Bojie, Wang Jun, et a1. Quantitative analysis of rela-tionships between spatial and temporal variation of soil moisture con-tent and environmental factors at a gully catchment of the Loess Plat-eau J. Acta Vegetation Sinica, 2000, 20(5):741-747. 24 邱扬 ,傅伯杰 ,王军 ,等 . 黄土丘陵小流域土壤水分的空间异质性 及其影响因子 J. 应用 植被 学报 , 2001, 12(5): 715-720. Qiu Yang, Fu Bojie, Wang Jun, et a1. Spatial heterogeneity of soil moisture content on the Loess Plateau, China and its relation to influ-encing factorsJ. Chinese Journal of Applied Ecology, 2001, 12(5): 715-720. 25 Qiu Yang, Fu Bojie, Wang Jun, et a1. Soil moisture variation in rela-tion to topography and land use in a hillslope catchment of the Loess Plateau, China J. Journal of Hydrology, 2001a, 240: 243-263. 26 Qiu Yang, Fu Bojie, Wang Jun, et a1. Spatial variability of soil mois-ture content and its relation to environmental indices in a semi-arid gully catchment of the Loess Plateau,ChinaJ. Journal of Arid Envi-ronments, 200lb, 49: 723-750. Effects of vegetation restoration on soil quality of eroded hillslopes in dry-hot valley of Jinsha River Nie Xiaojun1, 2, Zhang Jianhui1, Liu Gangcai1, Nan Ling1, 2, Su Zhengan1, 2 1. Institute of Mountain and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservation, Chengdu 610041, China； 2. The Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China Abstract: Vegetation restoration is related to the development of gully erosion and soil succession of the eroded hillslopes in dry-hot valley of Jinsha River. Taking Yuanmou dry-hot valley as a study area, this paper discussed effects of vegetation restoration on soil quality of the eroded hillslopes by measuring soil quality indicators across a vegetation restoration slopeland and an eroded bare land. The results showed that (1) vegetation restoration could effectively prevent soil erosion from destroying soil profile. More complete soil A and B layer, thicker soil depth with smaller variations among different slope positions, higher physical clay