崩岗是地质构造、地貌条件、气象水文、植被、人类活动等综合作用下形成的一种复合侵蚀地貌,崩岗的形成与发展已严重制约了当地农业生产和社会经济发展.通过调整土地利用结构方式、优化景观格局是防治红壤区崩岗侵蚀的重要手段.如何从斑块类型水平揭示景观格局与崩岗侵蚀的关系,对于控制崩岗侵蚀、提高生态环境效益具有重要意义.以福建省安溪县为例,运用ArcGIS水文分析工具和DEM数据将该区域划分为 53 个子流域,以崩岗面积与密度为响应变量,景观格局指数为解释变量,采用冗余分析(RDA)法和通径分析法,从斑块类型水平探讨景观格局指数与崩岗面积与密度的影响.结果表明:影响崩岗侵蚀的景观格局指数主要由土地利用类型决定,其中林地的景观格局指数对崩岗特征的解释度最高(63.82%),其次为耕地(49.19%)和建设用地(42.01%);耕地景观类型面积、林地聚集度、建设用地景观形状指数和林地斑块连接度4 个指标显著影响崩岗特征,对崩岗特征变化的贡献率分别为 51.5%、26.9%、9.2%和 6.1%,且 4 个指标对崩岗特征的累积解释度达到 66.2%;通径分析发现耕地景观类型面积、林地斑块连接度、林地边缘密度、林地斑块类型面积百分比和建设用地边缘密度的综合作用对崩岗面积变化和密度变化的解释程度分别为 71%和 85%,其中耕地景观类型面积和林地斑块类型面积百分比对崩岗面积和崩岗密度的影响最大,通径系数分别是 0.499、-0.440 和0.608、-0.342.总体而言,科学合理的规划耕地、林地和建设用地的空间布局,提升景观类型整体生态效应,对抑制崩岗侵蚀具有重要意义.研究结果对于科学规划土地利用、控制红壤区崩岗侵蚀具有重要指导意义.

林下植被是生态系统的重要组分.通过对比分析红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下有无芒萁覆盖地的土壤可溶性有机碳(DOG,Dissolved Organic Carbon)含量及其与地下根系生物量、地上植被淋溶液DOC含量的关系.结果表明:林下植被芒萁覆盖增加了地上叶片和地下根系生物量,土壤DOC含量及储量也显著增加(P＜0.05),芒萁覆盖对表层土壤(0-20cm) DOC的影响大于深层土壤(20-100cm)(P＜0.05);相关分析结果表明,林下芒萁覆盖地土壤DOC储量与细根生物量的垂直变化呈显著的正相关关系(P＜0.05),且随植被恢复年限的增加相关性显著增加,地下根系的垂直分布直接影响各土层DOC储量.不同植被恢复时期,林下芒萁覆盖地土壤DOC与鲜叶(马尾松+芒萁)和枯落物(马尾松+芒萁)淋溶液DOC均呈显著的正相关关系(P＜0.01),而林下裸露地土壤DOC仅与鲜叶(马尾松)淋溶液DOC呈显著的相关性(P＜0.01),林下芒萁覆盖地相对于裸露地枯落物淋溶液对土壤DOC储量的影响大于鲜叶.植被恢复过程中芒萁覆盖地土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于林下裸露地.因此,在植被恢复进程中,芒萁能够提供更多底物参与土壤物质与养分循环,对土壤DOC的贡献较大,为侵蚀区马尾松林恢复提供了重要的养分再吸收来源;同时芒萁覆盖增加了微生物活性,促进了微生物对土壤DOC的同化作用,提高了微生物碳源的利用率,对土壤有机碳的积累起着重要的作用.

氮素是限制陆地生态系统生产力的重要因子.采用时空代换法,以红壤侵蚀区未治理、恢复12年和30年的马尾松林为研究对象,对比分析了林下芒萁覆盖地与裸地表层土壤之间氮同位素、不同形态氮组分含量以及不同组分氮含量所占比例之间的差异.结果表明:在所有马尾松林中,芒萁覆盖增加了表层土壤的全氮含量,δ15N值则比林下裸地显著降低了33.8％-83.1％ (P＜0.05).随着恢复年限增加,林下芒萁覆盖地表层土壤δ15N值显著下降,而林下裸露地δ15N值没有显著变化(P＞0.05).不同恢复年限马尾松林的芒萁覆盖地表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量显著高于林下裸地(P＜0.05),而硝态氮含量则显著低于林下裸地(P＜0.05).随恢复年限增加,表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮、铵态氮含量均呈增加趋势,而硝态氮含量则呈下降趋势,不同形态氮占全氮比例表现为:微生物生物量氮＞铵态氮＞可溶性有机氮＞硝态氮.相关分析表明土壤δ15N值与硝态氮极显著正相关,与其他氮组分极显著负相关(P＜0.01).由此可见,与林下裸地相比,芒萁覆盖在植被恢复过程中有助于提高表层土壤中全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量,降低硝态氮的淋溶损失风险,促进土壤氮保持和积累,从而有利于退化红壤生态系统的恢复.

为了研究红壤侵蚀区生态恢复过程中土壤有机碳的组成与动态变化,选择红壤侵蚀区生态恢复10 a和30 a的马尾松林为对象,以侵蚀裸地和次生林为对照,应用土壤有机碳物理分组方法,研究了侵蚀地植被恢复过程中表层土壤粗颗粒态有机碳(cPOC)、细颗粒态有机碳(fPOC)和矿质结合有机碳(MOC)含量及POC/MOC比值的变化.结果表明:生态恢复显著提高了土壤有机碳含量(P＜0.05),土壤中不同组分有机碳含量也相应增加.生态恢复10 a,土壤有机碳主要以fPOC形式积累,cPOC和MOC没有显著变化,其中0-10 cm土层POC占总土壤有机碳(SOC)比例高达64.1％,但稳定性较差.与恢复10 a相比,生态恢复至30 a时,0-10 cm土壤fPOC含量相对不变,cPOC和MOC含量均显著增加(P＜0.05),10-20 cm土壤fPOC和MOC增加量达到显著水平,而cPOC含量仍未显著增加,说明生态恢复过程中土壤固碳模式符合SOC饱和理论.生态恢复过程中土壤POC/MOC比值呈先升高后降低的趋势,且表层土壤大于亚表层土壤,说明随着生态恢复时间的增加,土壤有机碳稳定性逐渐提高,且亚表层土壤高于表层.因此,生态恢复对于侵蚀地碳固定的长期有效性具有重要意义.

借助室内人工模拟降雨试验为研究手段,以强降雨过程中红壤丘陵区坡菜地侵蚀泥沙颗粒组成及土壤团聚体稳定性变化特征与规律为研究目的,分别在不同坡长(2,3,4m)、不同植被覆盖度(0,30％,60％,90％)条件下进行了有效模拟降雨试验共计12场次,每场次降雨试验的产流历时设计为30min,固定雨强为2.0mm/min.试验结果表明:1)侵蚀泥沙中颗粒粒径以＜2μm粘粒和2-20μm细粉粒为主.在原土中,粘粒(0-2μm)和细粉粒(2-20μm)含量之和占总量的43.92％,在泥沙中粘粒和细粉粒之和占总量的约57.08％,均出现不同程度的增加;2)在不同处理中,坡面土壤＞1mm干筛法团聚体含量明显大于湿筛团聚体(＞1mm)的含量,可认为水稳性团聚体的含量更能作为衡量土壤结构的稳定性的指标.＞ 0.25mm团聚体分散度(PAD0.25)和＞2mm团聚体分散度(PAD2)含量均出现增大,而＞0.25mm水稳性团聚体含量(WAS0.25)减少,植被覆盖度对土壤团聚体稳定性影响明显强于坡长;3)WAS0.25含量是影响侵蚀泥沙的颗粒粒径分布的主要因素,随着坡面土壤中WAS0.25的增加,侵蚀泥沙的平均重量直径逐渐降低.同时,泥沙颗粒平均直径与土壤团聚体平均重量直径(MWD团聚体)含量呈极显著负相关,可知坡面大团聚体越稳定,坡面土壤的粗化过程越不易形成.

土壤微生物是反映土壤质量状况的重要指标,研究侵蚀地植被恢复后土壤微生物群落结构的变化对深入认识土壤质量的演变具有重要意义.对比分析了未治理地(Y0)、治理13年(Y13)和31年(Y31)的马尾松林(Pinus massoniana)林下芒萁(Dicranopteris dichotoma)覆盖地(NRd)、去除芒萁覆盖地(Rd)与林下裸地(CK)土壤微生物生物量和群落结构差异,结果表明:林下裸地土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和总微生物磷脂脂肪酸量(总PLFAs)的含量均显著低于芒萁覆盖地,且去除芒萁4个月后,MBC和总PLFAs均有降低趋势,表明芒萁覆盖对土壤微生物生物量具有重要影响;林下芒萁覆盖地土壤革兰氏阳性菌(GP)、革兰氏阴性菌(GN)、丛植菌根真菌(VAM)、真菌(Fungi)、放线菌(ACT)的PLFAs含量显著高于林下裸地(Y13例外),去除芒萁4个月后,各值均有有接近林下裸地的趋势;芒萁覆盖地真菌/细菌的比值(F/B)均显著高于林下裸地(P＜0.05),芒萁覆盖地革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌的比值(GP/GN)、饱和直链脂肪酸/单不饱和脂肪酸的比值(sat/mono)和(cy17∶0+cy19∶0ω8c)/(16∶1ω7c+18∶1ω7c) (cy/pre)显著小于林下裸地(P＜0.05),去除芒萁4个月后,芒萁覆盖地土壤cy/pre显著升高(P＜0.05)(Y13例外),意味着芒萁覆盖地土壤生态系统更稳定,土壤的养分可利用性更高,微生物生物量和群落结构更丰富,活性更强;皮尔逊相关分析和冗余分析发现,土壤理化性质与土壤微生物生物量和群落结构关系密切,土壤C/N、pH和氮素水平是调控芒萁覆盖下土壤微生物生物量和群落结构的主要生态因子.

先锋树种马尾松种群的生存状态是南方红壤侵蚀退化区开展水土流失治理措施的关键前提.通过对长汀水土流失区侵蚀劣地“小老头松林”的样地调查,基于种群统计的方法,建立年龄结构图和静态生命表、绘制存活曲线和生存分析函数、应用时间序列模型,对侵蚀退化生境马尾松种群动态变化过程开展研究.结果表明:马尾松种群年龄结构呈基部极宽、顶部狭窄的金字塔型,幼龄个体数量丰富但续存率低,成年个体很少,种群增长性低;死亡在各个生活史阶段均有出现,个体存活曲线属于Deevey-Ⅱ型,种群处于动态稳定状态;种群在幼龄期和壮龄期的生存状况不稳定,新生苗和壮龄期个体死亡密度大;种群时间动态预测显示,未来成年个体数量将增多,种群呈增长趋势.今后的森林生态管理中,可针对幼龄个体和壮龄成年个体采取抚育措施,提高小老头松林的生态效益.

崩岗是我国南方红壤丘陵山区坡面沟道侵蚀后期发育而成的侵蚀地貌,探讨崩岗系统植被恢复过程中不同部位土壤性质分异特征,对揭示强度侵蚀环境下土壤环境效应以及指导崩岗区生态恢复具有重要借鉴意义.以闽西南长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群内植被盖度分别为2％、20％和95％的3处毗邻崩岗为研究对象,研究各崩岗集水坡面、崩壁(顶部、中部及底部)、崩积体(上部和下部)和沟道出口等部位0-20 cm土壤理化性质的分异特征.结果表明:土壤容重、粉粒、pH、速效养分含量均表现为崩岗Ⅲ＜崩岗Ⅱ≈崩岗Ⅰ,土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量表现为崩岗Ⅲ＞崩岗Ⅱ≈崩岗Ⅰ.从集水坡面至沟道出口,土壤容重和砂粒含量呈增加→减少→增加趋势,粉粒和黏粒含量呈降低变化趋势,集水坡面和崩积体有机碳、全氮、全磷和全钾含量明显高于其他部位,在崩壁顶部及沟道出口最低.从集水坡面至沟道出口,铵态氮和硝态氮含量呈先增加后减少的态势,速效钾含量呈“V”型变化态势,最低值出现在崩壁底部,速效磷和pH呈增加态势.本研究表明,崩岗系统内土壤结构和土壤养分含量总体水平较差,不同侵蚀部位土壤性质存在明显空间差异,自然植被恢复过程对土壤特性有一定的改良效应.

以亚热带红壤侵蚀退化区先锋树种马尾松(Pinus massionana Lamb.)和木荷(Schima superba Gardn.et Champ)为研究对象,设置4个不同恢复水平样地,构建Voronoi图确定林木生长空间和邻近竞争木,采用V_Hegyi竞争指数定量分析亚热带红壤丘陵生态恢复早期不同生境恢复阶段先锋树种竞争特征.结果显示:对象木个体竞争强度与其胸径服从幂函数关系(CI=ADB);随着个体胸径的增大,个体受到的竞争压力逐渐减弱.林木竞争结构和竞争强度在不同样地间具有显著差异(P＜ 0.005),其全林分个体平均竞争强度依次为中等恢复水平样地(3.839 63)＞强度侵蚀水平样地(2.315 83)＞阔叶树进入样地(2.019 12)＞较高恢复水平样地(1.084 75).本研究表明从马尾松占优势的针叶林阶段向针阔混交阶段的生态过程中,林木竞争指数呈现先升后降的趋势,竞争在驱动群落发生演替的同时又受到群落结构变化和个体生长状况的影响而不断调整;因此针对不同生境恢复水平应采取相应措施,以减小竞争对生境恢复带来的不利影响.

植被恢复是我国水土侵蚀地区的重要治理措施.南方红壤丘陵区是我国第二大水土流失区,但针对该地区植被恢复过程中土壤氮(N)和磷(P)养分动态研究依然不足,尤其关于1m深土壤N和P养分特征尚未见报道.以南方红壤严重水土侵蚀区不同植被恢复年限林地(裸地、10年、20年和30年生马尾松人工林和天然次生林)为研究对象,比较植物叶片和1m深度土壤N和P含量及生态化学计量比特征.结果显示:随着马尾松人工林恢复年限增加,0-10 cm土壤N含量显著提高,但深层(＞ 10 cm)土壤N含量并无显著差异,与地带性天然次生林相比,马尾松人工林各土层土壤N含量依然显著偏低;随着恢复年限增加,马尾松人工林各层土壤全P含量未显著提高,且裸地、10年、20年生马尾松人工林和天然次生林各土层土壤全P含量差异不显著;随着恢复年限增加,植物叶片N和P含量呈增加趋势,与未经治理的裸地相比,30年生马尾松人工林叶片N和P含量分别增加42.26％和27.17％,且植物叶片N和P含量与各层土壤N和P养分存在显著正相关关系.本研究表明南方红壤严重侵蚀区土壤N和P养分对植被恢复的响应存在差异;与土壤P养分相比,土壤N养分能够不断增加.施加磷肥措施促进了红壤水土侵蚀区植被恢复,并促进单一马尾松人工林转变为地带性天然次生林植被.