（环境工程专业论文）岩溶区种植、养殖方式对土壤因子的影响研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要： 土壤是生态系统中生物部分与无机环境部分相互作用的产物，是陆地表面能够生长绿 色植物的疏松表面。无论是动物还是植物，土壤都是重要的生态因子。西南岩溶地区由于 生态环境日益破坏，导致岩溶地区石漠化、水土流失等现象日益严重，耕地面积逐渐减少， 严重制约了西南地区经济的发展。研究和恢复岩溶地区的土壤功能，对促进和发展西南地 区的经济有着极其重要的现实意义。 试验区建在广西区桂林市奶牛场，实验的目的是，试图通过总结土壤因子在牧草和灌 木种植不同阶段的变化特征，分析和评价广西岩溶地区的土壤修复方法，探索出一条适合 我国西南岩溶地区土壤修复的新途径。 实验是借鉴斯洛文尼亚在岩溶地区生态环境重建与开发利用的成功经验和技术的基 础上，建立牧草、灌木两个试验系统，通过对比分析不同种植阶段、不同放牧方式下土壤 因子的变化情况，探讨不同种植、养殖方式对岩溶区土壤因子的影响。土壤因子包括总n 、 总p 、总k 、有机质及有效态的n 、p 、k 含量，各种微量元素含量、土壤水涵养性、p h 值等。 主要从4 方面进行分析： 1 灌木和牧草种植初期土壤因子的变化特征； 2 灌木种植中后期土壤各项指标的变化； 3 正常放牧情况下土壤因子的变化 4 过度放牧对土壤因子的影响。 通过实验研究和评价后得出的主要结论如下： 1 在各类牧草、灌木种植初期，牧草的生长速度较快，对生态环境的正向演替影响较 大，而灌木的生长速度相对较慢，对生态环境的正向演替作用较小，大部分生态指标没有 明显的变化。 2 在灌木种植的中后期阶段( 三年后) ，其对生态环境的改善作用开始初见成效，土壤 的养分以及水涵养性开始由消耗阶段转入积累阶段。 3 在正常放牧情况下，不仅能快速提高试验区的生物多样性，而且能迅速提高土壤的 养分和水涵养性，减少水土流失。 4 在人为破坏和过度放牧的条件下，可在短期内导致环境物种多样性向着恶化的方向 演替，原来试验适生的优良物种的先锋作用迅速消失；土壤养分逐渐失去原来不断改善的 大好形势。 关键字：牧草；灌木；土壤养分；水涵养性；放牧 i 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t ： a st h ei n t e r a c t i n gp r o d u c t i o nb e t w e e no fl i f e - f o r ma n di n o r g a n i cm a t t e r si ne c o s y s t e m ，s o i l i st h el a n d sl o o s es u r f a c et h a tc a l lg r o wu pt h eg r e e np l a n t t h es o i li sa l li m p o r t a n tb a s i c e c o l o g i c a li n d e xw h a t e v e rf o rt h ea n i m a lo rt h ep l a n t a st h er e s u l to fe c o l o g i c a ld e s t r u c t i o n ，t h e r o c k yd e s e r t i f i c a t i o na n dw a t e rl o s sa n ds o i le r o s i o ni n t h es o u t h w e s tk a r s ta r e ao fc h i n aa r e b e c o m i n gw o r s e ra n dw o r s c r , g o i n g 丽t l ls h r i n k a g eo fc u l t i v a t e dl a n dg r a d u a l l y t h e s ew o u l d c o n f i n et h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h er e g i o ns e r i o u s l y s oi th a sad e e p l ys i g n i f i c a n c et o r e s e a r c ha n dr e s t o r et h ee c o l o g i c a lf u n c t i o no fs o i li nk a r s ta r e af o re c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d a d v a n c ei ns o u t h w e s to fc h i n a t h et e s ta r e ai sl o c a t e di ng u i l i nd a i r yf a r mo fg u a n g x ip r o v i n c e t h eg o a lo ft h et e s ti s l o o k i n gf o ran e ws u i t a b l ea p p r o a c ht or e s t o r et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti nk a r s tr e g i o no f s o u t h - w e s tc h i n at h r o u g hs u m m a r i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i li n d e x e sc h a n g e di nd i f f e r e n t p l a n t i n gs t a g e so fh e r b a g e sa n ds h r u b s ，a n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gt h es o i lr e s t o r a t i o nw a yi n g u a n g x ik a r s ta r e a b a s e do nt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c e sa n dt e c h n o l o g i e so nt h es t u d yo fr e b u i l d i n ge c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ta n da p p l i c a t i o ni nk a r s ta r e ao fs l o v e n i a , t w ot e s ts y s t e m so fs h r u ba n dh e r b a g e w e r eb u i l t a c c o r d i n gt oa n a l y z et h ev a r i e t yo fs o i li n d e x e si nd i f f e r e n tp l a n t i n gs t a g e sa n d d i f f e r e n tg r a z i n gw a y s ，t h e i re f f e c t st os o i li n d e x e so fk a r s ta r e ah a v eb e e nd i s c u s s e d t h es o i l i n d e x e si n c l u d et o t a ln i t r o g e n , t o t a lp h o s p h o r u s ，t o t a lp o t a s s i u m ，o r g a n i cm a t t e ra n dt h ec o n t e n t o fa c t i v en i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n dp o t a s s i u m ，t h ec o n t e n to ft r a c ee l e m e n t s ，w a t e rc o n s e r v a t i o n o f s o i l ，a n dp he t c t h em a i nc o n t e n t so fs t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 t h ev a r i e t i e so fs o i li n d e x e si ne a r l i e rp l a n t i n gs t a g e so f h e r b a g ea n ds h r u b ， 2 t h ev a r i e t i e so fs o i li n d e x e si nm e t a - a n a - p h a s ep l a n t i n gs t a g e so fs h r u b ， 3 t h ev a r i e t i e so fs o i li n d e x e sa f t e rn o r m a lg r a z i n g ， 4 t h ee f f e c t so fs o i li n d e x e sb yo v e r g r a z i n g t h em a j o rc o n c l u s i o n sh a v eb e e na c h i e v e db yt h et e s ta sf o l l o w s ： 1 i ne a r l yp l a n t i n gp e r i o d so fh e r b a g ea n ds h r u b ，h e r b a g e sg r o wu pf a s t e r , t h e i re f f e c t st h a t i m p r o v ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tt of i g h tw a y a r em o r eo b v i o u s ，b u ts h r u b sg r o wu ps l o w e r , s o t h e i re f f e c t st ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta r em u c hl e s sr e l a t i v e l y , a n dm o s te c o l o g i c a li n d e x e s c h a n g eal i t t l ea tt h es a m et i m e 桂林工学院硕士学位论文 2 t h ea c t i v ee f f e c t st oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n tb ys h r u b sh a v eb e e ns h o w e dg r a d u a l l yi n m e t a - a n a p h a s ep l a n t i n gs t a g e s ( t h r e ey e a r sl a t e r ) t h el e v e lo fn u t r i e n ta n dw a t e rc o n s e r v a t i o no f s o l ie n h a n c et oa c c u m u l a t i o nf r o mc o n s u m m a t i o nb e f o r e 3 t h er e s u l t ss h o wt h a tn o to n l yd i v e r s i t yo fs p e c i e s ，b u ta l s on u t r i e n ta n dw a t e r c o n s e r v a t i o no fs o i lc a nb ei m p r o v e dr a p i d l y , a n dw a t e ri o s sa n ds o i le r o s i o nc a nb er e d u c e d u n d e rn o r m a lg r a z i n g 4 i nt h es i t u a t i o no fh u m a n d i s t u r b i n ga n do v e r g r a z i n g ，t h ed i v e r s i t yo fs p e c i e sw i l lr e d u c e q u i c k l yi ns h o r tt i m e ，t h ev a n w a r df u n c t i o no fa d a p t i v ec h o i c e n e s ss p e c i e si nt e s tw i l l d i s a p p e a r e dr a p i d l y , a n dt h en u t r i e n to fs o i lw i l lc h a n g et o w a r dp o o rg r a d u a l l y k e yw o r d s ：h e r b a g e ；s h r u b ；s o i ln u t r i e n t ；w a t e rc o n s e r v a t i o n ；g r a z i n g i i i 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在陈远荣教授指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：墨堕整 签字日期：丝! 墨：鱼：圣 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文：在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 学位论文作者( 签字) ：圭煎整 指导教师签字： 签字嗍2 堕粤 桂林工学院硕士学位论文 引言： 随着科技不断发展和人类生活水平提高，人类已经显著的改变了地球的原来面貌，人 类活动的足迹几乎遍布地球的每一个角落。地球上，不受人类活动影响的生态系统已几乎 不存在了。生态系统是人类赖以生存的物质基础，同时也为人类提供休闲、娱乐等其他服 务功能【l 】。但是随着人口的不断膨胀，人类对生态系统的索取越来越多，使得一些生态系 统超过了自身的承载能力而处于退化状态甚至崩溃的边缘。诸如温室效应、生物多样性降 低、水土流失、土地沙漠化等一系列的生态问题也随之出现。 目前，以土地资源的损失和破坏为代表的生态破坏形式十分严峻。以土地荒漠化、水 土流失，盐碱化、潜育化为主的土地退化规模不断扩大，耕地的丧失和破坏使人地矛盾愈 加突出。土地退化的直接表现是土壤正常功能失调，土壤质量恶化，影响植物的生长发育， 造成植物产量和质量的下降【2 1 。因为土壤是陆地表面能够生长植物的疏松表层，是地球上 生命活动不可缺少的重要物质。土壤既是生物作用的结果，又是生物生存的重要基础p 】， 植被的演替造成了土壤性质的改变，而土壤性质的改变反过来又加速或阻碍植被正向演替 的进展。 土壤是植物群落的重要环境因子，它影响着植被的发生、发展及演替的速率和方向， 同时也因植被的演变而变化。土壤的性质与植物群落的结构和植物多样性有着密切的联 系。杨小波等【4 】研究指出，没有植被的恢复就没有土壤肥力的恢复，植被群落类型的恢复 是土壤肥力恢复的前提条件，土壤肥力的恢复与植被的物种组成、形状及生物多样性的增 加密切相关。随着植物群落的发生和发展，群落内q 多样性指数，植物群落间多样性指数 和土壤肥力都在增大，而且生物多样性的变化比土壤肥力的变化超前；其研究还表明，退 化生态系统恢复的初期，它们之间的关系可看作是线性关系，但随演替的进一步发展，这 种关系变得更加复杂。安树青等【5 j 研究认为，不同土壤条件下阔叶树的侵入生长状况不同， 群落具体的发展途径和速率有差异，制约森林演替的主要土壤因子是土壤水分和土壤厚 度。群落演替途径和速率不同主要是因为，森林群落演替初期，群落的区系组成主要取决 于侵入树种对环境，特别是对土壤环境的耐受程度，而非物种之间的竞争能力。 张庆费等【6 】研究显示，植被演替过程中土壤的理化性状明显改善，植被正向演替能明 显降低土壤容重，提高土壤孔隙度：土壤含水量、土壤最大持水量、毛细持水量和最小持 水量随演替呈明显增长的趋势；土壤三相比优化，气相率增加。说明正向演替能改善土壤 通气性及持水性能，促进了土壤肥力的发挥，同时土壤肥力的改善有利于植物的生存和发 i 桂林工学院硕士学位论文 育，促进了植物群落物种的更替和植被的演替。丁圣彦等【7 】研究表明，正向演替使土壤粉 粒增加，结构优化：土壤p h 值降低；但有效养分的差异不显著。王国宏p j 对黄土高原植 被次生演替的研究表明，随植被的改善，土壤全n 、全c 含量呈增长趋势，而土壤全k 、 全n a 和土壤p h 值呈下降的趋势，土壤p 的变化不明显；此外表层土壤c a o 含量呈下降 趋势，深层则呈增加趋势。也有研究显示，土壤速效n 、速效k 随演替呈单向递增的趋势， 常绿阔叶树向土壤积累n 、k 的能力大于草本和针叶树【9 】；原生林的土壤结构和肥力较好， 土壤有机质、全n 、有效p 、有效k 都比较高【1 0 】。j o h a n n e sm h k n o p se ta l l n 】研究表明植 被演替过程中，群落结构物种组成的变化明显影响土壤中c 、n 的积累速率；c 的积累速 率受n 的积累的控制。 土壤肥力的增加表现在土壤理化性质和生物特征各个方面。张庆费等【1 2 】运用多元分析 方法对土壤的理化性质和生物特征进行了综合分析，结果表明，随植被改善土壤肥力呈增 加的趋势，这与群落演替能促进群落生物循环和生物富集作用有关，演替促进了生物与土 壤间的物质和能量交换，从而提高了土壤的肥力：研究还指出，不同演替阶段土壤肥力增 长幅度不同，出现跳跃性和渐变性两种增长方式。植被演替与任何事物的发展一样具有继 承性，前期物种的生存和发展为后期物种的入侵和拓殖打下了基础。土壤肥力是土壤的基 本特征，既是土壤本身理化性质的反映，又是生物作用的结果。植被演替过程也是树种对 土壤不断适应和改造及不同物种在不同肥力梯度下相互竞争和替代的过程，土壤肥力是植 物演替的重要驱动力。 植物群落主要通过三种途径影响土壤的发生发育，一是通过改变群落的水热配置，直 接影响土壤的发育；二是对环境中的物质的直接利用，及通过根系和枯枝落叶回归土壤而 直接参与土壤的成土和改造过程【1 3 1 4 】：三是为动物和微生物提供更有利的生存环境，间接 促进系统内物质的循环和转化【1 5 】，从而影响土壤的发育。不同植物的选择吸收性能和立地 气候条件的差异，造成凋落物中元素不同【j ，这就造成了土壤元素迁移在不同的植被下不 同，使不同植被下不同层面中土壤理化性质的差异。植物通过根系释放有机物，如碳、氮 化合物，对土壤产生影响，维持根系环境内微生物的活性，形成根微生物土壤组成的根际 生态系统【i7 1 。植被演替过程中物种不断更新，土壤元素的迁移情况不断改变，土壤的理化 性质也就发生变异。 尽管植被与土壤间关系的研究有很多，也进行得比较深入，但不同的研究人员研究的 地点、对象，以及采用的研究方法、评价方法和指标不同，其研究结果会出现一定的差异。 2 桂林工学院硕士学位论文 第2 章论文研究背景、思路和内容 2 1 岩溶区生态环境特征和研究现状 岩溶地貌又称喀斯特地貌；是指水通过气、液、固态对水溶性岩石进行化学溶蚀与结 构侵蚀地质作用而形成的一类特殊地貌。喀斯特( 勋瑙t ) 一词源于斯洛文尼亚共和国的i s t r a ( 伊斯特拉) 半岛碳酸岩高原，当地称为“k a r s ( 意为岩石裸露的地方) 。1 9 世纪末，地 理学家j 斯威茨将此类地貌命名为“k a r s t 0 8 。 岩溶地貌在世界上分布广泛，据统计全球有岩溶地貌5 1 1 0 1 0 h m 2 , 约占全球面积的 1 0 ；陆地岩溶地貌有2 o 1 0 1 0h m 2 ，占陆地面积的1 2 。世界上有三大岩溶地带；欧洲 中南部岩溶地带( 阿尔卑斯山、俄罗斯乌拉尔山地) 、北美东部岩溶地带( 美国印第安州、 肯塔基州) 、中国西南岩溶地带( 云贵高原、湘桂丘陵、青藏高原) 【1 8 】。 我国岩溶地貌发育较复杂，集中分布的面积大。我国岩溶面积达3 4 4 3x1 0 8h m 2 ，居 世界第二位，岩石出露面积达9 0 7 x1 0 7h m 2 ；其中以西南地区的云、黔、桂、粤等省份分 布最为集中，其岩石出露面积达4 4 6 x1 0 7h m 2 【1 9 j 。贵州省岩溶面积达1 2 9 5 x1 0 7h m 2 ，占 全省总面积的7 3 ，石漠化面积达1 3 8 9 x1 0 7i n n 2 ，占土地总面积的7 9 1 2 2 1 。广西区内 亦广布岩溶地貌，面积达9 7 x1 0 7h m 2 ，占全区总面积的4 1 ，石漠化面积达4 7 6 1 0 7 h m 2 ， 其中裸岩面积7 4 7 万k m 2 ：占岩溶地貌区面积的7 5 7 ，占全自治区面积的3 1 5 。广西 9 5 个县( 市、郊区) 中，石山面积占国土面积3 0 以上或石山面积3 0 万亩以上的县有4 6 个 【2 3 1 。这些县市主要集中分布在桂中的红水河流域、柳江流域，桂西的左、右江流域，桂东 北的漓江流域中下游两岸。根据林业部门统计的资料推算，目前广西石漠化面积在3 0 3 4 万3 4 1 3 万亩之间，短期内有潜在石漠化趋势的土地约2 5 0 0 万亩，涉及7 9 个县( 市、区) 2 4 2 5 1 o 2 1 1 岩溶地貌生态系统特征 2 1 1 1 生态环境极其脆弱 大多数岩溶地区虽然有良好的水热条件，但水、土资源分布不均，质量差异较大，植 被结构相对比较简单，一旦遭到破坏，环境质量随之迅速恶化，恢复困难，重新整治恢复 耗资费力，周期甚长。这种环境的脆弱性首先是生态系统的基础贫瘠，单位面积的绿 色产量低，食物链的金字塔规模小，环境能提供食物养活的人口数低，即环境承载能力低。 人们破坏森林，导致岩溶生态系统由森林向藤本灌丛及石漠化逆向演化，一旦成为裸岩及 半裸岩山地，生态系统重建就十分困难。其次，岩溶生态环境易受污染，其污染途径是地 3 桂林工学院硕士学位论文 表向地下，由点一线一面的迅速扩散，一旦产生污染就难以治理。第三，岩溶区地面易产 生塌陷，这种塌陷有自然原因的，也有人类活动造成的，后者主要是指人工过量抽取地下 水、修建水库、开挖土石及兴修建筑物等。塌陷对当地工农业、交通和建筑基础都会产生 严重的负面作用【2 6 】。 2 1 1 2 环境承载容量小 环境容量的大小取决于环境资源量。通常认为新鲜的空气、洁净的水与土地以及优美 的风景是环境资源【2 7 】。人类生活离不开空气、水和土地，而它们都是有限的，只能养活一 定数量的人口，虽然这种容量随科学技术发展而变化，但终究有极限。很明显，人要生存 每时每刻都离不开空气，但空气可以粗略地认为没有地域之别，而水与土地则受到地域支 配，岩溶环境中土地量少而质劣，水资源的时空分布极不均匀。土地资源包括多种用地。 作为建筑基础，岩溶地区存在着塌陷、滑坡等地质灾害。但对人类社会影响最大的是土壤， 它是生态系统中初级生产者的母质。南方岩溶地区的土壤绝大多数呈酸性，是经溶蚀后在 原地及其附近堆积形成的残坡积土，这种土壤富硅、铝、铁，质地粘重，土壤肥力低，导 致农业产量低，岩溶地区环境承载容量小的主要原因亦在此。此外，岩溶地区的水也是 非常有限的，且分布极不均匀。尤其是在岩溶峰丛山地及岩溶峡谷两侧地表水严重匮乏， 且地下水埋藏很深，在枯水季节，人畜饮水非常困难，有的岩溶地区虽然水资源较多，但 难以开发，这些都决定了岩溶地区的环境容量较非岩溶地区的要小得岁2 引。此类生态系统 受干扰后，生境迅速早化，水土流失加剧，自然恢复速度很慢。退化群落从草本阶段恢复 到顶级阶段至少需8 0 年的时间【2 9 1 。此外，岩溶地带成土速度极为缓慢，每形成l c m 土层 需一千年以上的时剐3 0 】。因此，此类受干扰的生态系统恢复应辅以人工手段来促进其快速 有效的恢复，以减少水土流失。 2 1 1 3 岩溶生态系统结构简单、易受损 岩溶生态系统的物质基础是碳酸盐岩系，是一个碳钙物质建造循环交换强烈并占主导 地位的地球化学生境。因此，支持生态系统的化学元素是c a ，m g ，s i ，m n ，z n ，c ，f e ， 砧，h g ，a s ，h ，o 等富钙元素系列，而且由于母岩的矿物组构较简单，风化淋溶的成土 速率慢，进入或转化储存于生境中的营养型元素n ，p ，k ，n a ，i 相对缺乏，由白云岩风 化形成的黄色石灰土，m g o 的含量可达1 1 5 ，并可导致植物受镁毒害而生长不良。钾含 量低，且易溶解流失使土壤养分贫化，植物生长不良。植被退化又进一步加剧水土流失， 土壤的这种生物地球化学作用及其土壤性质，就导致岩溶生境对植物的严格选择，许多喜 湿的植物在这里难以生长或生长不好，所以在通常情况下，除了人类活动影响小、原生性 保存较好且生态系统正处于正向演替顶级阶段的岩溶生态系统具有群落结构相对复杂、植 物种属成份较丰富的特征外，处于其它演替阶段的岩溶生态系统特别是退化岩溶生态系统 4 桂林工学院硕士学位论文 常表现出植物种属成份相对较少，群落结构相对简单，食物链易受干扰而中断，生态系统 稳定度低，脆弱性强的特征【3 1 】：同时植被生长速度慢，生物生产力与生物量均比全国其它 湿热的亚热带地区明显偏低。 岩溶生态系统及其组成物种极易受损，绝大多数岩溶自然生态系统已被人工生态系统 或次生性生态系统取代，表现在岩溶天然森林减少、岩溶湖泊干沽、岩溶灌草丛生态系统 退变为石漠化生态系统等；同时在岩溶山区适生的受威胁植物越来越多，不少己处于濒危 状态：如1 9 8 4 年国务院环境保护委员会公布的贵州岩溶山区需保护的受威胁植物有6 0 种， 1 9 8 9 年增加到8 1 种，目前已达3 0 0 种以上p z l 。 2 1 1 4 岩溶生态系统承灾能力弱，易遭破坏而难于恢复 除了受气候因素( 主导因素) 和人类活动引起的植被条件变化的影响外，崎岖破碎的岩 溶地表结构和特殊的岩溶水文地质条件起了推波助澜的作用。在岩溶山区，除盆( 谷、坝) 地外，其余地区土层浅薄且不连续，土壤的贮水保水能力差，加上岩体裂隙、漏斗、落水 洞发育，虽然该地区降雨量充沛，但地表降水很容易迅速转入地下深处而难以被植被利用， 使地表生境干旱缺水：而转入地下水系管网的水，由于各地段地下管网的通畅性差异很大， 一遇大雨又很容易在低洼处堵塞起来造成局部涝灾，如贵州岩溶山区就素有“十天不雨即 干旱，一场大雨又成灾 的说法，这实质上是岩溶生态系统承灾的阈值弹性小、生态系统 脆弱的一种反映【3 3 1 。从近几十年来的情况看，岩溶发育典型地区的旱涝灾害出现的频率明 显高于气候条件类似的非岩溶山区，以同处亚热带的黔南州和黔东南州最为典型州。 岩溶生态系统的物质能量转换途径脆弱，对外来影响适应能力弱，对外界变化的响应 程度高，敏感性强。如岩溶森林植被极易遭破坏，而一旦遭破坏，生态系统的物质能量交 换就会暂时中断，生态系统就会迅速逆转：以石灰岩山地为例，将会顺序出现常绿阔叶林 ( 如青冈等) 石灰岩山地一常绿落叶阔叶混交林( 如栎类、化香等) 石灰岩山地一灌草丛( 如野 算盘、月月青等) 石灰岩山地一草丛( 如白茅、野古草等) 石灰岩山地一裸露半裸露石灰岩山 地，即石漠化景观【3 5 1 。石漠化标志着生态系统已崩塌，它实质上就是岩溶生态系统逆向演 替的顶极阶段，一旦石漠化，恢复治理就相当困难，而且恢复速率也极慢。 2 1 2 岩溶区生态系统研究现状 早在1 9 7 2 年斯德哥尔摩人类环境会议之后，诸如“生态平衡 、“环境无害发展 、“持 久经济繁荣 一类的术语很快为人们所熟知并被广泛使用。对岩溶地区的开发是国土经济 学研究的重大课题，也是生态学、地质学研究的重大问题【3 6 l 。 美国自1 9 3 3 年以来，对田纳西河流域岩溶地区开展水资源开发利用，经过几十年的 努力，现已开发成为美国的能源基地，现代经济已由过去的农业经济转变为以工业为主、 农业为辅的模式【3 7 1 。 桂林工学院硕士学位论文 南斯拉夫狄纳尔地区是国际上研究岩溶的传统地区，与我国大西南岩溶地区相类似。 二战之后，为了确保经济发展需要的电力资源，他们也是在水资源上下功夫，年发电量达 到9 9 亿度并使区内主要径流动态得到很大改善。目前不仅减少了农业上的早涝灾害，并 向城市供水，因地制宜地开发土地资源，宜农区种植庄稼，山坡地种植葡萄，为酿酒业提 供原料，在上部山坡高地发展畜牧业1 3 引。 斯洛文尼亚岩溶面积约占全国面积4 4 原来全国森林覆盖率不足1 0 ，濒临石漠化。 经过5 0 年的努力，重建了完整的生态系统，森林覆盖率发展到5 4 8 ，民殷国富，1 9 9 7 年人均国民生产总值1 2 6 3 0 美元，成为当时欧盟各国中的首富。有许多成功经验值得我们 借鉴： 首先，他们认识到几近荒漠的岩溶区进行保养和造林重建的迫切性以及全国生态建 设的重要性，全国相继实施了如下的计划：石漠化岩溶区造林重建的物种选择试验( 1 9 4 5 年开始) ；全国森林发展规划；森林重建技术与措施研究；全国生态功能分区与区域林木发 展计划：全国农业结构调整高速计划；全国土壤与土地填图计划；优良家畜品种引进、杂 交与配种技术研究：不同生态环境混养技术研究：动物营养需要与饲料配合研究；饲养管 理技术研究推广。 其次，该国把生态恢复重建作为全国性的首要的长期建设事业，国家一方面建立许多 相关的专业研究所，以卢布尔亚那大学牵头，进行协调，联合攻关，另一方面制订各类法 律规章如森林保护法、农业法、土地利用法、道路建设法和狩猎法等并颁布实施，实行法 治和规范化管理。而且还开展了全国性的广泛而持久的宣传，使生态建设的重要性和具体 措施家喻户晓。此外，环境净化工作也做得很完善，如城镇、农村乃至林区的道路两侧都 安置了垃圾收集箱，全国污水都由污水处理厂处理等。在土地使用方面，通过全国的土壤 填图，在g i s 信息系统支撑下制作了数字化的地形地貌图、基岩分布图、土壤分布图、林 木草分布图、土地开发利用情况分布图和土壤污染状况分布图等系列图件，任何项目对生 态环境影响的评估在极短时间内即可完成，成功地建立了全国性生态环境的自动化管理系 统。林业方面还有全国性林、木、草监控系统，随时监测林业生态结构的变化，森林病虫 害和林、草利用，以及山林火灾事件等。 第三，在立体规划方面，原则上表土较薄的高山顶部，全部造林，禁止放牧；山腰及 丘陵地带、灌木区，实施动物控制放牧：山脚、缓坡和低地实施围栏放牧。这些土地完全 免耕，不用除草剂，通过控制动物种类和放牧强度来维持良好的草场状态。在平面布局上 划分森林禁牧区，生态重建区，农作物耕作区，城镇开发区等。森林区以造林为主，护林 为辅，灌木林区以种养结合为策略，草地区以养殖为主，种草为辅，耕作区以农业作物为 主体，以森林或林地作为隔离调节带。因此全国范围内构成了一个林中有地，地中有林的 协调平衡开发的局面，整个国家森林、草地和耕地面积形成4 ：2 ：1 左右的比例【3 9 】。 6 桂林工学院硕士学位论文 我国岩溶生态系统的研究在2 0 世纪4 0 年代就已经开展【2 引，对岩溶生态系统特别是岩溶 区森林生态系统的特点、属性、干扰与退化原因、生境条件、适宜树种选择、种群及更新 特征、生态系统结构功能等有了较多研究，并提出了一些退化群落自然或人工恢复的途径 4 0 - 5 0 o 国内已有成效的开发模式有：( 1 ) 开发岩溶地下水为主的带动模式( 湖南龙山) ；( 2 ) 水土保持发展防护林的带动模式( 贵州毕节) ；( 3 ) 综合开发矿产资源的带动模式( 贵州 瓮安) ；( 4 ) 大水电工程的带动模式( 乌江红水河) ：( 5 ) 林业综合发展的带动模式( 广西 忻城来宾) ：( 6 ) 庭院综合农业发展的带动模式( 贵州乌当) ：( 7 ) 岩溶旅游资源的开发带 动模式( 云南宜良) ；( 8 ) 综合治理的地质一生态环境带动模式( 贵州安顺) 【5 。 2 2 生态恢复国内外研究动态 最早的恢复生态学研究起源于1 0 0 多年前的山地、草原、森林和野生动物等自然资源 的管理研究，其中2 0 世纪初的水土保持，森林砍伐后再植的理论与方法在恢复生态学中 一直沿用至今。最早开展恢复生态学实验研究的是l e o p o l d ，他于1 9 3 5 年在威斯康星大学 植物园中恢复了一个2 4 h m 2 的草场，在研究中他发现火在维持及管理草场中的重要性【5 2 1 。 2 0 世纪5 0 年代欧洲、北美等国开展了一些针对于矿山、水体和水土流失的环境恢复工程 【5 3 5 4 】，取得了一些成绩，并开始使用一些生物生态工程措施。7 0 年代，日本学者宫肋照在 日本一些城市开展建设环境保护林的研究，其中心思想就是根据植被科学中的演替理论， 用当地乡土树种改造土壤，在较短的时间内建立起适应当地气候的顶级群落类型【5 5 1 。他的 研究开创了运用演替理论研究生态恢复的先河。8 0 年代以后，世界各国分别针对各自情况 开展了一系列生态恢复和重建工程，如美国1 9 8 5 年成立的“恢复地球 组织，先后组织 了一系列森林、草地、海岸带、矿地、流域、湿地等生态系统的恢复实践活动；我国的三 北防护林工程、长江流域防护工程、华南地区退化坡地的生态恢复工程；昆士兰东北部退 化土地的恢复、坦桑尼亚已毁林地的恢复、湿热带的自然恢复。 当前在恢复生态理论与实践研究中走在前列的是欧洲和北美，中国、澳大利亚和新西 兰在一些具体实践研究中也有很好的积累。欧洲的研究偏重于矿地恢复，北美偏重于水体 和林地的恢复，新西兰、澳大利亚以草场恢复和管理为主【5 6 1 ，中国则根究自身特点强调以 农林复合经营为目标【5 7 5 9 】。中国科学院华南植物研究所的余作岳等人在广东热带沿海侵蚀 地上开展退化生态系统的植被恢复技术和机理研究。经过多年的系统研究，他们提出了热 带极度退化森林生态系统在一定的人工启动下可以恢复，并对恢复过程、恢复措施进行了 卓有成效的研究【叫。也有一些学者从物种和生物多样性的角度，研究不同先锋物种，不同 物种组成在生态恢复中的作用 6 1 , 6 2 】。验证物种的丰富度效应和物种丰富度在群落恢复及功 桂林工学院硕士学位论文 能上的作用，确定群落正常功能情况下最低限度物种的数量和类型的数量【6 z 川。余作岳， f r i t t s ，b e r g e r 对外来引进物种在生态系统恢复中的作用和缺陷进行了研究凹】。 在水土流失较为严重的地区开展的恢复生态学研究主要集中在利用人工植被改善水、 热等环境因子，控制土壤侵蚀的研列6 5 - 6 s 1 。 生态系统的退化会导致系统结构和功能的全面失调，以及随之而来的系统环境的恶 化。土壤退化是其中一个重要方面。土壤是陆地生态系统存在的基本条件，要构建和形成 一个稳定平衡的生态系统，就必须拥有了一个稳定、成熟的土壤环境。一旦生态系统受到 干扰，自我维持稳定能力下降，就会出现不同程度的水土流失、养分淋溶、土地退化，严 重之时可导致土壤极度退化形成裸地而寸草不生。土壤退化既是生态退化的直接结果，同 时它也降低生态系统自我恢复和抵抗外来干扰的能力，会加速生态退化速率。因此许多学 者都认为抑制土壤退化和促进退化土壤环境的恢复是实现生态恢复的关键之一 6 0 , 6 9 - 7 l j 。对 于土壤退化以及退化土壤的恢复也是恢复生态学中的一项重要内容。 对于土壤退化的研究，主要集中在土壤的退化分类，各种退化类型面积的估算上【7 2 】。 土壤环境质量的恢复研究集中在植被恢复与土壤恢复的双向互动关系研究上。不同先锋恢 复树种及人工林对土壤的恢复改良效应是研究较多的一个内容。国内外研究重点普遍比较 不同人工林群落在土壤物理性质和化学性质的改良作用。通常这些研究都针对当地原生树 种及一些性能良好的引进速生树种来进行。在澳洲常常比较桉树间的土壤改良恢复效应 【7 3 】：在中国北方常比较油松、胡枝子、刺槐等对土壤恢复效应【7 ”6 1 ：在华南通常以马尾松、 桉树、马占相思、杉木等树种为比较研究对象【r 7 1 。另一大类研究则集中在不同植被类型及 植被的不同演替发育阶段与土壤恢复之间的关系。李贵才等研究了不同植被类型对土壤无 机氮动态的影响【7 列；韩玉萍，杨万勤等也对不同植被类型对土壤速效n 、p 、k 含量及土 壤酶活性的影响进行了研究【7 吣1 1 。卢其明和陈笑德研究了植物演替与土壤肥力变化的关系 1 0 , 9 】。焦如珍，胡泓，杨玉盛等沿着人工林发育的时间序列研究人工林发育对土壤肥力的 影响【7 7 ，8 2 8 3 1 。也有一些研究针对生物多样性对土壤性质的影响来展开 4 , s 4 , s 5 】。以上这些研究 都表明：群落植被变化和土壤性质的变化，特别是与土壤肥力的变化有着及其密切的关系。 岩溶区土壤恢复研究虽然起步也较早，但因岩溶区普遍造土能力差，土层薄，容易水土流 失，进而石漠化，自然生态环境极为脆弱的特殊性，土壤恢复的理论和技术尚未成熟。 2 3 研究思路和研究内容 综合国内外的研究工作可以发现，在针对植被恢复与土壤恢复的互动关系研究中，大 多数都集中在不同植被对土壤物理和化学性质的改良效应，而且大多只涉及单一肥力因子 及物理性质，很少从土壤综合生态肥力的角度，来研究某一特定地域内，在一个较为完整 8 桂林工学院硕士学位论文 的恢复演替的时间尺度上的土壤环境质量的变化。这样很难完全揭示在生态系统恢复过程 中土壤环境的变化规律。而且这方面开展的相关研究大多数都是针对澳洲、北美以及我国 的华南、华北等地开展的。真正基于岩溶区的脆弱的生态条件进行的研究还比较薄弱， 目 前对于岩溶生态系统不同演替阶段相应的土壤质量变化过程及机理尚不明确。 为此，本文依托于中国一斯洛文尼亚科技合作项目利用有益动物繁殖系统进行岩溶 地区的休养再生示范，试图通过就各类优良牧草和灌木在不同种植阶段、不同种植方式 对土壤各类生态因子( 包括土壤全n 、全p 、全k 、有效n 、有效p 、速效k 、有机质、 酸碱度，土壤水分涵养性和h g 、c u 、p b 、z n 、c r 、c d 、a s 、m n 等微量元素) 的影响， 不同放牧阶段和不同放牧方式对土壤各类生态因子的影响，人为破坏对试验基地土壤各类 生态因子的影响等方面的研究，找到符合桂林岩溶区的土壤修复的最佳方法，并为建立岩 溶区生态系统恢复模式的构建提供基础背景支持。 9 桂林工学院硕士学位论文 i 第3 章植物生长需要的主要养分简介 植物生长所需的营养元素包括碳、氢、氧、氮、磷、硫，它们是组成蛋白质继而组成 原生质的元素。除此6 种元素外，尚有1 4 种元素为某种或各种植物所必需，分别是：钙、 镁、钾、铁、锰、钼、铜、硼、锌、氯、钠、钴、钒和硅。并非所有植物生长都需要所有 这些元素，但不同植物生长所必需的元素是不同的。这些矿质元素加上磷和硫构成所谓植 物灰分，即碳、氢、氧、氮被燃尽后所余的其他矿物质。这2 0 种元素在植物生长发育中 起着重要作用。若其数量不足，则限制植物生长，降低产量。下面重点介绍氮、磷、钾、 有机质、和部分微量元素对植物生长的影响。 3 1 氮、磷、钾 3 1 1 氮 氮是植物生长的必需养分，它是每个活细胞的组成部分。植株通常含有其干物质1 5 的氮素，常以硝酸盐、铵离子或尿素形态被植物吸收。在湿润、温暖、通气良好的土壤 中以n 0 3 - n 为主。n 0 3 一旦进入植株，通过光合作用提供的能量被还原为n 】吼+ 一n 。在暗 代谢条件下，当所提供的氮为n 0 3 时，合成蛋白质所消耗的葡萄糖要比n h 4 + 合成蛋白质 所消耗的葡萄糖多5 0 。一些硝酸盐在植物根中被还原，生成n h 4 + 的量因品种而异，也 有相当一部分在枝叶中被还原。生成的n i - 1 4 + 与谷氨酸盐等各种有机化合物相结合，产物为 谷氨酰胺。这种初级反应的其他产物( 可能为天冬酰胺、天冬氨酸和谷氨酸等氨基酸) 也 因作物品种而异。这些初级同化产物中的氮可以n i t 2 形态转入其他底物，如此合成植株中 1 0 0 余种氨基酸中的任何一种，但只有其中一部分( 约2 0 种) 用来合成蛋白质。氨基酸在 蛋白质中的排列顺序由基因控制。 植物需要大量氮。氮除合成蛋白质外，也是构成光合作用中光能主要吸收体一叶绿素 的必需组分。叶绿素a 和叶绿素b 都是含氮化合物。绿色植物进行光合作用，使光能转变 为化学能，把无机物( 二氧化碳和水) 转变为有机物( 葡萄糖) 是借助于叶绿素的作用。 葡萄糖是植物体内合成各种有机物的原料，而叶绿素则是植物叶子制造“粮食”的工厂。氮 也是植物体内维生素和能量系统的组成部分。 氮素对植物生长发育的影响是十分明显的。当氮素充足时，植物可合成较多的蛋白质， 促进植物细胞的分裂和增长，因此植物叶面积增长快，就能通过更大的叶面积来进行光合 作用。 此外，氮素的丰缺与叶子中叶绿素的含量有密切的关系。这就使得我们能从叶面积的 l o 桂林工学院硕士学位论文 大小和叶色深浅上来判断氮素营养的供应状况。在幼苗期，一般植物缺氮往往表现为生长 缓慢，植株矮小，叶片薄而小，叶色缺绿发黄。禾本科作物则表现为分蘖少，低位叶片“烧 焦”变褐，从叶尖开始逐渐沿中脉发展直至整叶枯死。生长后期严重缺氮时，则表现为穗短 小，籽粒不饱满。在增施氮肥以后，对促进植物生长健壮有明显的作用。往往施用后，叶 色很快转绿，生长量增加。