全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林业科学研究　2006, 19 (2) : 248～252
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2006) 0220248205
喀斯特退化生态系统不同恢复阶段土壤质量研究
朱海燕 , 刘忠德 , 钟章成 3
(西南师范大学生命科学学院 ,三峡库区生态环境教育部重点实验室 ,重庆 北碚　400715)
关键词 :喀斯特 ;退化生态系统 ;恢复阶段 ;土壤质量
中图分类号 : S714　　　文献标识码 : A
收稿日期 : 2005205220
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30370279)
作者简介 : 朱海燕 (1977 —) ,女 ,湖北咸宁人 ,博士生 13 通讯作者
Effect of D ifferen t Succession Stages on So il Qua lity in
Karst D egraded M oun ta in
ZHU Hai2yan, L IU Zhong2de, ZHONG Zhang2cheng3
( Faculty of L ife Sciences, Southwest China Normal University; Key Laboratory of Eco2environments in Three Gorges Reservoir
Region,M inistry of Education, Beibei　400715, Chongqing, China)
Abstract: Karst is one of the weakest kinds of ecological environments and one of the main factors that restricts econom ic
development in south2west China. And restoring vegetation and imp roving soil quality is among urgent affairs of the region.
It is very important to exp lore the effects of different succession stages on soil quality for the restoration and management of
karst degraded mountain.
In this study, three succession stages in karst degraded mountain were selected at the Baim iao Mountain in Beibei of
Chongqing. The three succession stages are grass stage, brush stage and forest stage. The paper reported the responses of
15 indicators including the Shannon2W iener index, soil physical and chem ical p roperties to the three succession stages. In
addition, the index of soil quality was analyzed.
Results showed that: different succession stages led to significant differences in the Shannon2W iener index and soil
physico2chem ical p roperties. The soil quality of the three succession stages was ranked as follows: brush stage > forest stage
> grass stage, and the same rule to the Shannon2W iener index. In brush stage, soil bulk density, soil water, water holding
capacity, cap illary porosity, soil porosity and air porosity were significantly lower than those of two others, and soil organic
matter, nitrogen and phosphorus as well.
Key words: karst degraded ecosystem; restoring succession stage; soil quality
喀斯特环境由于其成土过程缓慢 ,土层浅薄 ,土
被不连续 ,岩石裸露率高 ,渗漏性强 ,土壤持水量低 ,
临时性干旱不时出现 ,水土易流失 ,因此缺土、缺水 ,
生态系统极为脆弱 [ 1～4 ]。随着人为活动对资源需求
的加剧 ,喀斯特生态系统更加恶化 ,不同程度地造成
了水土流失、系统功能降低、生态平衡失调 ,严重影
响社会、经济的可持续发展。因此恢复和重建喀斯
特退化生态环境 ,对实现这些地区的脱贫致富和可
持续发展至关重要。众多学者围绕喀斯特生态系统
进行了大量的研究 [ 1, 4, 11, 12, 16, 18 ] ,但利用多个土壤指
标对退化生态系统不同恢复阶段土壤质量进行综合
评价的研究则相对较少。本研究以重庆市喀斯特退
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 2期 朱海燕等 :喀斯特退化生态系统不同恢复阶段土壤质量研究
化生态系统为对象 ,对不同恢复阶段的土壤做深入
细致的研究 ,以期了解喀斯特生态系统的演变规律 ,
为资源的合理开发和保护提供理论依据。
1　样地概况
研究地位于重庆市北部约 40 km的北碚区境内
白庙子背后石灰岩山上 ,属典型亚热带季风性气候 ,
年平均降水量 1 105. 4 mm,土壤为石灰岩上发育的
碱性石灰土。
以空间代替时间的方法 ,在山上沿西南至东
北方向设置草本、灌丛和乔木 3个演替恢复阶段
的样带 ,立地条件基本一致。草本阶段主要物种
有 :艾蒿 (A rtem isia a rgy i Lévl. et V an t. ) 、碎米莎
草 ( Cyperus iria L inn. ) 、三叶鬼针草 (B idens pilosa
L. ) 、白酒草 ( Conyza japon ica Less. ) 、匿芒荩草
( A rth raxon h ispidus var. crypta therus Honda ) 、芒
(M iscan thus sinensis A nderss. ) 、地瓜藤 ( F icus tik2
oua B ur. ) 、蜈蚣草 ( P teris vitta ta L. )等。灌丛阶
段 主 要 物 种 有 : 金 银 花 ( L on icera japon ica
Thunb. ) 、西南悬钩子 ( R ubus assam ensis Focke) 、
野蔷薇 ( R osa m u ltif lora Thunb. ) 、香花 崖 豆 藤
(M illettia d ielsiana H arm s) 、铁仔 (M y rsine africana
L. ) 、光枝勾儿茶 (B erchem ia polyphy lla var. leio2
clada Hand. 2M azz. ) 、化香 ( P la tyca rya strobilacea
Sieb. et Zucc. ) 、刺竹叶花椒 ( Z an thoxy lum a rm a2
tum DC. ) 、女贞 (L igustrum lucidum A it. ) 、盐肤木
( R hus ch inensis M ill. ) 、山麻杆 ( A lchornea david ii
Franch. ) 、栓皮栎 ( Q uercus va riabilis B l. ) 、棕榈
( T rachyca rpus fortunei H. W endl. ) 、石岩枫 (M a ll2
otus repandus (W illd. ) M uell. 2A rg. )等。乔木阶段
主要物种有 : 柏木 ( Cupressus funebris Endl. ) 、棕
榈、女贞、悬钩子、勾儿茶、短序荚蒾 ( V ibu rnum
brachybotryum Hem sl. ) 、朴 树 ( Celtis sinensis
Pers. ) 、火 棘 ( Py racan tha fortuneana ( M axim. )
L. ) 、胡颓子 ( E laeagnus hen ry iW arb. ) 、马桑 ( Cor2
ia ria nepa lensis W all. )等。
2　研究方法
2. 1　Shannon2W iener多样性指数
在每一演替阶段设置标准地 ,样方数依次为
12、12、6。草本阶段样方面积 5 m ×5 m,灌丛阶段
样方面积 5 m ×5 m,乔木阶段标准地面积 20 m ×10
m。采用样方法对样地进行群落学调查 ,计算群落
Shannon2W iener多样性指数 [ 8 ]。
I = - ∑ ( Pi ×lnPi ) , Pi 为种 i的相对重要值。
2. 2　样品采集
在各标准地中以“之 ”形路线布点 ,取 15 ～ 20
个点的 0 ～ 20 cm土层的混合土样 ,将取好的土壤
样品装入塑料袋 ,带回实验室 ,分出杂物 ,风干 ,用于
土壤化学性质的测定。将环刀所取原状土和铝盒所
取新鲜土壤 ,带回实验室 ,进行土壤物理性质的分
析。每个阶段选取 3个重复标准地。所有取样均为
每一标准地 3次重复。
2. 3　土壤物理性质 [ 5 ]
土壤密度 :环刀法 ;土壤自然含水量 :烘箱法 ;田
间持水量 :威尔科克斯法 ;毛管孔隙度 :环刀法。
2. 4　土壤化学性质 [ 6, 7 ]
有机质 :重铬酸钾容量法 ;碱解 N:碱解扩散法 ;
全 N: HClO4 2H2 SO4 消煮 , BUCH I B2324型凯氏定氮
仪测定 ;有效 P: 0. 5 mol·L - 1 NaHCO3 提取 ,钼锑抗
比色法 ;速效 K:醋酸铵浸提 ,火焰光度法 ;全 P:
Na2 CO3 熔融 ,钼锑抗比色法 ;全 K: NaOH熔融 ,火焰
光度法 ; pH 值 :水浸提 ,梅特勒 2托利多 SevenMulti
型多功能测量仪测定。比色采用 UV2550岛津紫外
分光光度计测定。
2. 5　土壤质量指数
土壤质量指数 (SQ I) = ∑W ×μ( x) ,其中 , x
为土壤指标值 ,μ( x) 为采用模糊数学模型 [ 9 ] 求得的
土壤指标的隶属函数 ,权重 (W ) 采用改进的主成分
分析法 [ 10 ] 确定 , W = ∑L2 ×λ,λ为主成分的特征
根 , L为主成分的特征向量。
统计分析采用 SPSS10. 0在计算机上完成。
3　结果与分析
3. 1　不同恢复阶段植物群落生物多样性指数
通过对不同群落进行实地调查和数学分析表
明 ,不同类型的植物群落的生物多样性指数存在
明显差异 (图 1 ) 。灌丛阶段生物多样性指数最
大 ,其次是乔木阶段 ,草本阶段最小 ,差异达显著
水平。
942
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
图 1　不同恢复阶段群落生物多样性指数变化
3. 2　土壤物理性质
3个恢复阶段中 (表 1) ,灌丛阶段土壤密度最
小 ,草本阶段和乔木阶段差异不显著。土壤自然含
水量、田间持水量变化趋势一致 ,灌丛阶段土壤最
大 ,草本阶段最小 ,但草本阶段和乔木阶段差异不显
著。灌丛阶段毛管孔隙度最大 ,并显著区别于草本
阶段。灌丛阶段总孔隙度最大 ,并显著区别于其它
两个阶段。灌丛阶段非毛管孔隙度显著区别于乔木
阶段。
表 1　不同恢复阶段 0～20 cm土层土壤物理性质变化
指标 土壤密度 / ( g·cm - 3 ) 自然含水量 /% 田间持水量 /% 毛管孔隙度 /% 总孔隙度 /% 非毛管孔隙度 /%
草本
阶段
平均值
灌丛
阶段
平均值
乔木
阶段
平均值
1. 43 26. 04 25. 77 40. 23 45. 54 5. 31
1. 46 27. 54 29. 30 39. 53 46. 83 7. 30
1. 44 26. 03 25. 13 37. 53 46. 74 9. 21
1. 44 (0. 01) a 26. 54 (0. 27) b 26. 74 (0. 77) b 39. 10 (0. 51) bc 46. 37 (0. 75) b 7. 28 (0. 86) ab
1. 26 30. 68 34. 26 42. 31 51. 79 9. 49
1. 31 31. 04 34. 37 43. 73 50. 37 6. 64
1. 32 28. 46 28. 95 39. 16 50. 81 11. 65
1. 29 (0. 02) b 30. 06 (0. 47) a 32. 53 (0. 92) a 41. 73 (0. 75) a 50. 99 (0. 53) a 9. 26 (1. 17) a
1. 47 27. 01 25. 26 40. 54 45. 72 5. 18
1. 45 26. 41 26. 90 39. 95 44. 69 4. 74
1. 46 27. 77 28. 82 40. 37 44. 95 4. 58
1. 46 (0. 01) a 27. 06 (0. 46) b 27. 00 (0. 80) b 40. 29 (0. 36) ab 45. 12 (0. 41) b 4. 84 (0. 51) bc
　　注 :括号内数值为标准误。a、b、c字母代表差异性。
3. 3　土壤化学性质
3个研究阶段的土壤 pH值、速效 K和全 K差
异不显著。土壤有机质、N、P养分的变化趋势一致 ,
以灌丛阶段土壤最高 ,并显著区别于乔木阶段和草
本阶段 ,草本阶段最小 (表 2)。
表 2　不同恢复阶段 0～20 cm土层土壤化学性质变化
指标
有机质 /
( g·kg - 1 )
全 N /
( g·kg - 1 )
碱解 N /
(mg·kg - 1 )
全 P /
( g·kg - 1 )
有效 P /
(mg·kg - 1 )
速效 K/
(mg·kg - 1 )
全 K/
( g·kg - 1 )
pH值
草本
阶段
平均值
灌丛
阶段
平均值
乔木
阶段
平均值
31. 240 1. 354 125. 840 0. 488 2. 689 146. 39 15. 792 6. 85
46. 240 2. 158 112. 610 0. 548 0. 358 148. 52 17. 272 6. 98
42. 650 1. 866 118. 100 0. 592 1. 434 137. 01 17. 750 6. 55
40. 04 (2. 26) c 1. 79 (0. 12) c 118. 85 (8. 29) c 0. 54 (0. 03) a 1. 49 (0. 34) c 143. 97 (2. 00) a 16. 94 (0. 29) a 6. 79 (0. 06) a
88. 670 3. 329 305. 460 0. 333 2. 882 138. 78 18. 002 6. 81
89. 960 4. 236 351. 190 0. 435 2. 241 111. 60 17. 432 7. 41
81. 610 2. 597 186. 570 0. 362 3. 839 180. 10 17. 208 6. 29
86. 75 (1. 30) a 3. 39 (0. 24) a 281. 07 (24. 53) a 0. 37 (0. 01) b 2. 99 (0. 47) a 143. 49 (9. 95) a 17. 55 (0. 12) a 6. 84 (0. 16) a
71. 380 2. 597 159. 130 0. 509 2. 692 133. 50 18. 110 7. 35
64. 640 2. 158 154. 560 0. 620 2. 330 183. 80 15. 892 6. 90
76. 820 3. 095 195. 710 0. 425 1. 500 134. 40 16. 616 6. 74
70. 95 (1. 77) b 2. 62 (0. 14) b 169. 80 (6. 51) b 0. 52 (0. 03) a 2. 17 (0. 10) b 150. 57 (8. 30) a 16. 87 (0. 33) a 7. 00 (0. 10) a
3. 4　土壤质量指数
综合上述 13个指标的土壤质量指数能反映不
同恢复阶段植被下土壤理化性质的变化程度
(表 3)。灌丛阶段土壤质量最好 ,草本阶段土壤质
量最差 ,乔木阶段居于中间。
052
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 2期 朱海燕等 :喀斯特退化生态系统不同恢复阶段土壤质量研究
表 3　不同恢复阶段土壤指标临界值、权重及土壤质量指数
项目
草本阶段
主成分 1
50. 15%
主成分 2
81. 65%
主成分 3
94. 26%
7. 021 4. 411 1. 765
权重
灌丛阶段
主成分 1
67. 88%
主成分 2
91. 09%
9. 503 3. 250
权重
乔木阶段
主成分 1
43. 92%
主成分 2
67. 76%
主成分 3
83. 21%
6. 149 3. 336 2. 163
权重
临
界
值
pH值 - 0. 294 0. 936 0. 098 0. 063 0. 982 - 0. 130 0. 093 - 0. 343 0. 915 0. 035 0. 066 7 [ 14 ]
有机质 0. 946 0. 271 0. 128 0. 093 0. 960 0. 265 0. 090 0. 978 0. 164 0. 072 0. 113 100 [ 11 ]
碱解 N 0. 991 - 0. 038 0. 070 0. 097 0. 986 0. 147 0. 093 0. 947 - 0. 299 0. 026 0. 110 350 [ 11 ]
有效 P - 0. 848 - 0. 496 - 0. 137 0. 086 - 0. 865 - 0. 485 0. 079 0. 968 - 0. 226 0. 032 0. 112 10 [ 11 ]
速效 K - 0. 360 0. 913 0. 092 0. 064 - 0. 995 - 0. 022 0. 095 - 0. 789 - 0. 587 - 0. 082 0. 094 120 [ 11 ]
全 N 0. 900 0. 399 0. 128 0. 090 0. 979 - 0. 147 0. 092 0. 991 0. 071 0. 056 0. 114 5 [ 14 ]
全 P 0. 920 - 0. 372 0. 019 0. 092 0. 591 - 0. 745 0. 051 - 0. 967 - 0. 154 - 0. 124 0. 111 2 [ 14 ]
全 K 0. 978 - 0. 174 0. 050 0. 096 0. 382 0. 880 0. 039 0. 208 0. 949 0. 077 0. 062 50 [ 14 ]
土壤密度 0. 012 - 0. 039 - 0. 928 0. 021 - 0. 379 - 0. 898 0. 040 - 0. 375 0. 018 0. 809 0. 043 1. 20 [ 14 ]
田间持水量 0. 304 0. 889 - 0. 173 0. 059 0. 885 0. 401 0. 080 0. 421 - 0. 547 0. 551 0. 052 26. 25 [ 14 ]
毛管孔隙度 - 0. 661 0. 496 0. 440 0. 063 0. 916 0. 079 0. 080 0. 114 0. 292 0. 551 0. 019 35 [ 14 ]
总孔隙度 0. 392 - 0. 066 0. 783 0. 031 - 0. 158 0. 778 0. 022 0. 115 0. 707 - 0. 153 0. 034 55 [ 14 ]
非毛管孔隙度 0. 805 - 0. 478 0. 284 0. 080 - 0. 868 0. 291 0. 075 - 0. 025 0. 302 - 0. 627 0. 022 10 [ 14 ]
土壤质量指数 0. 509 0. 685 0. 595
4　讨论
4. 1　影响生物多样性指数的因素
草本阶段 ,喀斯特生境干旱 ,变化剧烈 ,物种较
少 ,多样性指数低。群落恢复到灌丛阶段 ,早期严酷
的生境状况得到改善 ,大量物种入侵并得以生存 ,群
落多样性指数迅速上升 ,达到一个峰值。之后至乔
木阶段 ,因乔木层郁闭度增大 ,促进了群落的自然稀
疏 ,因而物种多样性下降。
4. 2　影响土壤物理性质的因素
土壤紧实度影响土壤密度 ,土壤愈紧实 ,则孔度
小而密度大 ,导水率下降 ,土壤侵蚀的敏感性提高 ,
造成水土流失 [ 13 ]。3个阶段物种多样性指数依次为
灌丛阶段大于乔木阶段大于草本阶段 ,物种依次减
少 ,植物根系对土壤的疏松强度依次减弱 ,土壤的导
水性能下降 ,易于形成地表径流 ;随着物种减少 ,对
雨水的缓冲能力也减弱 ,雨水对土壤的冲击能力相
对加强 ,增加了土壤的紧实程度 ,且草本阶段受人为
干扰较大 ,人为践踏增加了土壤的紧实度 ,总孔隙度
减小。
土壤有机物质影响土壤孔性 [ 14 ]。由于有机物
质本身疏松多孔 ,能促进土壤结构的形成 ,所以富含
有机质的土壤孔度较高。灌丛阶段土壤有机质含量
高 ,利于土壤团粒结构的形成 ,土壤团聚程度越高 ,
大小孔隙搭配越好 ,保水透气能力越强。
4. 3　影响土壤化学性质的因素
石灰岩地区土壤剖面通常缺乏 C层 ,致使表土
层和岩基面的亲和力与粘着力差 [ 15 ] ,再加上湿热气
候条件下强烈的化学淋溶作用 ,使风化物中较高的
粘粒发生垂直下移 ,形成上松下粘的土层 ,这样在植
被覆盖率低的地方极易产生水土流失。其结果是土
壤不断变薄、养分流失、养分含量失调 ,养分循环被
破坏 [ 16 ]。
森林生态系统中凋落物是土壤有机质和养分的
主要补给者 [ 17 ]。灌丛阶段 ,除凋落物外 ,地面还有
多种草灌植物 ,尤其是草类 ,它们通过生草过程在土
壤中积累有机质。乔木阶段林木郁闭度提高 ,在演
替过程中 ,地面草类减少 ,乔木层凋落物就几乎成为
表土有机质的唯一来源 ,且凋落物多由柏树针叶组
成 ,分解速度缓慢 ,养分在凋落物中存留期延长 ,土
壤养分含量下降。
土壤微生物是陆地生态系统中最活跃的成分 ,
担负着分解动植物的重要使命 ,推动着生态系统的
能量流动和物质循环 [ 18 ]。微生物活动需要一定的
湿度和通气条件。灌丛阶段土壤总孔隙度、毛管孔
隙与非毛管孔隙的比例都较大 ,其蓄水、通气性能良
好。这种孔隙状况有利于微生物的活动 ,大孔隙周
围 ,微生物活动旺盛 ,有利于有机质的分解和转化 ,
而微生物不能进入小孔隙 ,从而有机质得以保存 ,协
调了土壤有机质的供给与积累。土壤中的 N、P含
量与有机质变化趋势一致 ,这种变化主要与土壤有
152
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
机质的积累有关 ,土壤中 N、P养分与有机质呈正相
关。草本阶段中 ,土壤非毛管孔隙度较大 ,自然含水
量较小 ,有利于好气微生物的活动 ,加速了有机质和
养分的分解 ,但由于草本阶段植被覆盖率低 ,有效养
分易于流失 ,因此相对于乔木阶段而言 ,草本阶段土
壤养分状况较差。
参考文献 :
[ 1 ] 龙健 ,李娟 ,黄昌勇. 我国西南地区的喀斯特环境与土壤退化及
其恢复 [ J ]. 水土保持学报 , 2002, 16 (5) : 5～8
[ 2 ] 周德全 ,王世杰 ,张殿发. 关于喀斯特石漠化研究问题的探讨
[ J ]. 矿物岩石地球化学通报 , 2003, 22 (2) : 127～132
[ 3 ] 唐健生 ,夏日元. 南方岩溶石山区资源环境特征与生态环境治理
对策探讨 [ J ]. 中国岩溶 , 2001, 20 (2) : 140～143, 148
[ 4 ] 李先琨 ,何成新 ,蒋忠诚. 岩溶脆弱生态区生态恢复、重建的原理
与方法 [ J ]. 中国岩溶 , 2003, 22 (1) : 12～17
[ 5 ] 中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室. 土壤物理性质测
定法 [M ]. 北京 :科学出版社 , 1978: 11～119
[ 6 ] 南京农业大学. 土壤农化分析 (第二版 ) [M ]. 北京 :农业出版社 ,
1981: 33～128
[ 7 ] 中国土壤学会农业化学专业委员会. 土壤农业化学分析方法
[M ]. 北京 :科学出版社 , 1983: 166
[ 8 ] 张金屯. 植被数量生态学方法 [M ]. 北京 :中国科学技术出版社 ,
1995: 62
[ 9 ] 王建国 ,杨林章 ,单艳红. 模糊数学在土壤质量评价中的应用研
究 [ J ]. 土壤学报 , 2001, 38 (2) : 176～183
[ 10 ] 宋之杰 ,高晓红. 一种多指标综合评价中确定指标权重的方法
[ J ]. 燕山大学学报 , 2002, 26 (1) : 20～22, 26
[ 11 ] 刘方、王世杰、刘元生 ,等. 喀斯特石漠化过程土壤质量变化及
生态环境影响评价 [ J ]. 生态学报 , 2005, 25 (3) : 639～644
[ 12 ] 喻理飞 ,朱守谦 ,叶镜中 ,等. 退化喀斯特森林自然恢复过程中
群落动态研究 [ J ]. 林业科学 , 2002, 38 (1) : 1～7
[ 13 ] 郑华 ,欧阳志云 ,王效科 ,等. 不同森林恢复类型对南方红壤侵
蚀区土壤质量的影响 [ J ]. 生态学报 , 2004, 24 (9) : 1994～2002
[ 14 ] 朱祖祥. 土壤学 [M ]. 北京 :农业出版社 , 1983: 86
[ 15 ] 苏维词. 中国西南岩溶山区石漠化的现状成因及治理的优化模
式 [ J ]. 水土保持学报 , 2002, 16 (2) : 29～32, 79
[ 16 ] 姚长宏 ,杨桂芳 ,蒋忠诚 ,等. 岩溶地区生态系统养分平衡研究
[ J ]. 中国岩溶 , 2001, 20 (1) : 41～46
[ 17 ] 胡泓 ,刘世全 ,陈庆恒 ,等. 川西亚高山针叶林人工恢复过程的
土壤性质变化 [ J ]. 应用与环境生物学报 , 2001, 7 (4) : 308～314
[ 18 ] 龙健 ,李娟 ,江新荣 ,等. 贵州茂兰喀斯特森林土壤微生物活性
的研究 [ J ]. 土壤学报 , 2004, 41 (4) : 597～602
252