武陵山区小流域退化土地植被恢复生态学特性研究

【摘要】： 针对长江中下游低山丘陵区土地退化现状和我国现阶段生态工程建设需求，以湘西北武陵山区女儿寨小流域为研究对象，研究了7种典型植被恢复模式的群落结构、生物量分配格局、物种多样性、土壤健康效应等生态学特征及水土保持、水源涵养等生态系统服务功能，具有重要的理论意义和应用价值。 1、采用群落学研究方法，得出马尾松天然林(C_1)、杉木人工林(C_2)、杜仲人工林(C_3)、油桐人工林(C_4)、润楠次生林(C_5)、毛竹杉木混交林(C_6)及荒草灌丛(C_7)7种恢复模式植物物种隶属于89科175属221种，以单种科和寡种科为主，占总科数的83.15％；属内种数的变化范围为1～4，其中单种属最多，占总属数的82.29％。优势种群水平分布格局以聚集分布为主，有利于退化土地的植被恢复重建过程。 2、采用生物多样性研究方法，研究表明乔木层物种以C_5最丰富，多样性指数最高，物种分布最均匀；灌木层物种丰富度以C_6最高，C_4多样性与均匀度指数最大，优势度最小，C_7物种丰富度、多样性及均匀度最低，优势度最大；草本层物种丰富度以C_4最高，C_1最低，C_2草本层多样性指数与均匀度指数最大，C_5优势度最高。群落总体物种丰富度以C_4最高，C_5物种多样性恢复效果最佳，C_7物种多样性最低。建立了群落物种丰富度、多样性指数、群落均匀度指数与生物量之间的回归关系，而生态优势度与生物量之间为非性线关系。 3、采用多种定量分析方法研究了植被恢复对土壤健康的生态恢复效应。6种森林植被对物理结构的改良效应优于荒草灌丛模式，不同恢复模式土壤结构以C_7最差，C_4最好。C_5土壤养分状况较好，有机质、全N、全P、速效P、速效K含量均最高，而C_7土壤有机质、水解氮较低，微量元素含量以C_6较低。土壤细菌数量最多，占全部微生物比例为72.83％～92.77％，其次为放线菌数量，占6.44％～25.61％，真菌数量最少，仅占0.79％～1.99％；微生物生物量C／N以C_5最高。荒草灌丛模式土壤酶活性状况低于其它6种森林植被类型。 4、6种森林植被类型40cm土层土壤饱和贮水量高于荒草灌丛25.34％～75.04％，表明森林植被具有较好的改良土壤、提高土壤持水与蓄水能力的功能。土壤入渗过程以通用经验方程拟合效果最好。主成分分析表明，土壤水分入渗性能与土壤持水量、土壤孔隙状况密切相关，土壤水分入渗性能与土壤持水量、土壤孔隙状况密切相关，并受林分结构、植被群落生物量、海拔、坡度及坡位因子的制约，而坡向、草层盖度、土壤容重的作用较小。通过双重筛选逐步回归分析，建立了土壤初渗率、稳渗率、平均入渗率的主导因子方程。 5、油桐人工林产流产沙量最大，100m~2径流小区分别为6.6977m~3、0.5283kg，润楠次生林、荒草灌丛产流产沙量最小，分别为0.8095～1.7454m~3、0.0834～0.1229kg。产流量与产沙量线性关系显著，降雨量与产流量、产沙量的回归关系以线性方程、二次多项式和三次多项式拟合效果最优。双重筛选逐步回归分析表明，土壤结构与持水状况、植被盖度等下垫面因子对产流产沙的影响较大，而海拔、坡度的影响较小，其中产流量主导影响因子为毛管持水量和总孔隙度，产沙量主导影响因子为最小持水量和毛管持水量。 6、建立了涵盖植被、土壤及地形3类60个指标的植被恢复综合效应评价体系，利用灰色关联方法从土壤-植被系统进行了综合评价。不同模式恢复效应大小排序为C_5＞C_2＞C_6＞C_1＞C_4＞C_3＞C_7。恢复效应评价指标关联排序表明，Shannon-Weiner指数、毛管孔隙度、有机质、蔗糖酶活性分别是植被、土壤物理、土壤化学、土壤生物学指标中与土壤健康关系最密切的4个指标；地形因子对恢复效应的贡献大小排序为坡位＞海拔＞坡度＞坡向。 7、生态恢复对女儿寨小流域水土流失控制与退化土地治理有较大改善，生态恢复适宜度为0.9239。林地面积最大(284.50hm~2)，斑块数比例最大(73.49％)，流域以林地景观为基质；斑块形状较简单，斑块间相似性较强，景观面积有效性较小；流域景观多样性较高(2.4164)，但均匀程度较低，偏离度较大；整体景观的破碎度不高(0.5415)，但居民点的破碎化程度极大(2.1739)，不利于流域景观系统的稳定性。流域植被恢复应继续采取以封山育林为主，并辅之以人工措施的植被恢复对策。