晉西黃土區退耕還林22年后林地土壤物理性質的變化

張曉霞,楊宗儒,查同剛,*,張志強,王高敏,朱聿申,呂志遠

1 北京林業大學水土保持學院,水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 100083 2 山西省吉縣林業服務中心,臨汾 042200 3 北京林業大學林學院,北京 100083

晉西黃土區退耕還林22年后林地土壤物理性質的變化

張曉霞1,楊宗儒2,查同剛1,*,張志強1,王高敏3,朱聿申1,呂志遠3

1 北京林業大學水土保持學院,水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 100083 2 山西省吉縣林業服務中心,臨汾 042200 3 北京林業大學林學院,北京 100083

退耕還林林地土壤物理性質的變化,是評價退耕還林措施及其生態效益的重要內容之一。選取晉西黃土區退耕22年后形成的3種典型喬木林分,包括自然恢復的遼東櫟林、油松刺槐人工混交林和刺槐人工純林,并以耕地作為對照,通過外業調查和采樣分析,從深度和程度兩方面研究了退耕還林對土壤容重、土壤總孔隙度和毛管孔隙度等物理性質的影響,結果表明：(1)就土壤容重而言,自然恢復林80 cm以上土層較耕地有顯著變化(P<0.05),平均降低了28.78%,變化程度最大的在10—20 cm土層；人工林較耕地顯著變化發生在60 cm以上土層,混交林和純林分別降低了10.58%和8.34%,變化程度最大的土層為20—40 cm；(2) 3種退耕林地土壤總孔隙度在80 cm以上較耕地發生顯著增加(P<0.05),增加程度表現為自然恢復林(35.53%)>混交林(15.04%)>純林(13.68%),20—40 cm土層變化程度最大；(3)土壤毛管孔隙度自然恢復林、混交林和純林分別達到耕地的1.36,1.13和1.12 倍,自然恢復林和人工林顯著變化土層分別為80 cm和60 cm以上,變化程度最大的均為40—60 cm處；(4)土壤有機質和粘粒含量對土壤理化性質影響顯著。對于土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的變化,有機質的增加可解釋31%以上,而粘粒含量的解釋度則達到44%—51%,均為極顯著水平(P<0.01)。自然恢復林對于土壤物理性質影響程度和影響土層深度都大于人工林。

晉西黃土區；退耕還林；土壤物理性質；土層深度；程度

土壤物理性質主要包括土壤顆粒組成、土壤容重、孔隙狀況與導水、貯水特征等密切相關的多項指標[1]。土壤物理性質在不同土層中的分布,不僅決定土壤水、肥、氣、熱等肥力狀況[2-3],而且影響地表徑流、降雨入滲、地下水補給和流域產水等流域水文過程[4-5],因此被認為是反映土壤結構和水文狀況及評價土壤質量的重要指標[6]。作為能有效地控制水土流失和防治土壤退化的一種土地利用及調整方式,退耕還林引起地表物質遷移過程及影響因素的改變,必然導致土壤結構、水文狀況、肥力等理化性質產生變化[7],因此研究不同土地利用方式對土壤物理性質的影響對于退耕還林生態水文效益評估和區域水土資源的合理利用具有重要意義[8]。

黃土區嚴重的土壤侵蝕導致土壤和養分的大量流失,土壤物理性質嚴重退化,具體表現為土壤容重的增加和土壤孔隙度、團聚體穩定性和持水能力的下降[9-10]。大量研究表明退耕還林后,受植被類型、蓋度、枯枝落葉積累、根系穿插和土壤生物活動的綜合影響,表層土壤物理性質如土壤容重和孔隙狀況有所改善,水土流失得到有效控制[11-12]。但目前的研究主要集中于表層(0—20 cm)土壤物理性質的改變,少量涉及到表下層土壤也主要關注其變化是否達到顯著水平,對退耕還林影響土壤物理性質的深度和程度的研究不夠深入[13-15]。而土壤是一個具有垂直層次構造的復合結構體,土壤物理性質隨退耕年限的變化在不同土層的分布是土壤肥力和土體持水特征的決定性因素[16-19]。因此本文以耕地為對照,選擇晉西黃土區退耕還林22a的3種典型喬木林地(自然恢復的遼東櫟林,油松刺槐人工混交林和刺槐人工純林),從深度和程度兩方面研究土壤容重、土壤總孔隙度和毛管總孔隙度的變化,旨在為黃土溝壑區植被恢復對小流域水文過程科學研究和水文生態效益評價提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于山西省臨汾市吉縣蔡家川小流域,地理坐標為 110°27′ —111°07′E, 35°53′ — 36°21′ N,海拔在900—1510 m之間。該地區屬暖溫帶大陸性氣候,年均氣溫10℃,日照時間年均2 563.8 h,無霜期 172 d。該區降水量年際變化較大,多年平均降水量575.9 mm,其中雨季6—9月降水量達全年降水量的70%左右。研究區屬于典型黃土殘塬溝壑區,普遍分布的土壤類型為褐土,黃土母質,土層深厚,土質均勻。山西吉縣自1992年退耕還林還草以來,林草覆蓋面積顯著增加,水土流失逐漸緩解,生態環境明顯改善[20]。退耕后形成的主要植被類型有自然恢復的遼東櫟(Quercuswutaishanica) 、山楊 (Populusdavidiana) 等,人工的刺槐(Robinipseudoacacia) 、油松(Pinustabuliformis) 、側柏(Platycladusorientalis) 等純林以及油松×刺槐、刺槐×側柏等混交林。林下植被包括連翹(Forsythiasuspensa)、沙棘(Hipophaerhamnoides)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、黃刺玫(Rosaxanthina)等。耕地主要為人工種植玉米,以傳統的廣種薄收耕作方式為主。

2 研究內容及方法

2.1 樣地選取與土壤樣品采集

2014年8月中旬,采用野外調查與室內分析相結合的方法,根據典型性和代表性原則,在試驗區即山西吉縣蔡家川流域以玉米耕地作為對照組,選取坡向、坡度和海拔相近,1992年均以玉米農耕地退耕的林地,包括自然恢復的遼東櫟林(natural recoveryQuercuswutaishanicasis, NR)及人工栽植的油松×刺槐混交林(Pinustabuliformis×Robiniapseudoacaciaartificial mixed forest, MF)和刺槐純林(Robiniapseudoacaciaartificial pure forest, PF)各3處為研究樣地(下文簡稱為自然恢復林、混交林和純林),進行調查和每木檢尺,其中海拔采用GPS eTrex Vista測定,坡度坡向采用地質羅盤DQY-1測定,胸徑和樹高分別采用胸徑尺和勃魯萊氏測高器測量,郁閉度采用郁閉度測定器法,樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

NR：自然恢復的遼東櫟林natural recoveryQuercuswutaishanicas；MF：油松×刺槐人工混交林Pinustabuliformis×Robiniapseudoacaciaartificial mixed forest；PF：刺槐人工純林Robiniapseudoacaciaartificial pure forest；CK：耕地 cultivated lands；胸(地)徑和樹高數值為平均值(標準差)；胸徑對象為林地的喬木,地徑對象為玉米耕地;玉米的郁閉度指其的冠層覆蓋度

土壤調查采用剖面法,在每個樣地內隨機選取3個樣點進行典型土壤剖面調查,分別按0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm和80—100 cm 分層采集分析樣品,同時每層采集3個環刀樣品供測定土壤容重,共從4種植被類型中取得216個分析土樣和648個環刀樣用于實驗分析。

2.2 實驗數據測定

采用環刀法測定土壤容重、土壤總孔隙度和毛管孔隙度,重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機質含量,吸管法測定土壤粘粒含量[21]。

2.3 數據處理

用Excel 2010軟件進行數據整理,通過SPSS 18.0軟件的單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同植被類型各特征指標對土壤物理性質的差異顯著性,用Duncan法進行多重比較(P<0.05),采用origin 9.0作圖。

3 結果和分析

3.1 植被類型對土壤容重的影響

退耕使林地土壤容重的垂直分布較耕地發生了顯著變化,耕地土壤由于人為耕作活動及犁底層的存在,土壤容重在20—60 cm最大,整體呈現出先增加后降低的趨勢；而退耕22年后林地土壤容重均表現出隨土層深度增加逐漸增大的趨勢(表2)。

表2 植被類型對不同土層土壤容重的影響(平均值±標準差)

同一土層內不同小寫字母表示不同植被類型土壤物理性質差異顯著(P<0.05)

圖1 植被類型對土壤容重的影響程度 Fig.1 The influence extent of vegetation type on soil bulk densityNR：自然恢復的遼東櫟林natural recovery Quercus wutaishanica；MF：油松×刺槐人工混交林Pinus tabuliformis ×Robinia pseudoacacia artificial mixed forest；PF：刺槐人工純林Robinia pseudoacacia artificial pure forest；變化率為相對于耕地(CK)增加或減少的百分比

退耕林地0—60 cm土層的土壤容重均顯著低于耕地(表2),但不同林地在各土層的變化程度有所差別(圖1)。在土層0—10 cm和10—20 cm和40—60 cm處,自然恢復林土壤容重顯著低于人工混交林和純林,人工林間差異不顯著。相對于耕地,自然恢復林、混交林和純林0—10 cm處土壤容重分別下降了35.93%、7.46%和4.63%；在10—20 cm處分別下降了41.40%、12.03%、10.95%；在20—40 cm各林分和對照相互間差異顯著,表現為NR

3.2 孔隙度狀況

3.2.1 植被類型對土壤總孔隙度的影響

退耕使林地土壤總孔隙度的垂直分布較耕地發生了顯著變化,土壤總孔隙度隨著土層的加深呈現下降的趨勢。植被類型對土壤總孔隙度的影響程度表現為自然恢復林最大,混交林略大于純林,耕地最小。0—10 cm處,自然恢復林與混交林、純林的總孔隙度均顯著高于耕地,人工林之間無顯著差異,但均與自然恢復林差異顯著。對土壤總孔隙度的影響程度表現為NR(36.69%)>MF (8.82%)> PF (7.10%)。10—20 cm的土層,3種林分之間彼此差異顯著,且明顯高于對照,其影響程度均達到10%以上。在土層20—40 cm、40—60 cm和60—80 cm處,差異顯著性分析結果與0—10 cm處一致。在20—40 cm處,3種植被類型對土壤總孔隙度的影響程度范圍為23.35%—51.63%。40—60 cm的土層深度,NR、MF與PF的影響程度均超過25%,且自然恢復林使土壤總孔隙度增加了51.63%,是所有變化程度中的最大值。而在60—80 cm處,影響程度明顯降低,分別為21.11%、8.42%和10.56%。在80—100 cm處3種林分與對照均無顯著性差異,其中自然恢復林的影響程度達到14.48%,而混交林與純林分別增加了5.31%和3.70%。從變化程度來看,自然恢復林在0—60 cm對土壤總孔隙度的影響隨土層加深而增加,范圍為36.69%—51.63%,60—80 cm變化程度顯著下降至21.11%,100 cm處變化率為14.48%?；旖涣?0—40 cm,變化率由8.81%增長到27.12%,60 cm處為25.46%,隨后下降至100 cm處的5.35%。人工林和自然恢復林均在0—60 cm呈現上升趨勢,最低為7.15%,最高為25.30%,隨后下降,變化率在80和100 cm處分別為10.56%和3.70%。總體上,退耕林地均影響到土層的80 cm處,自然恢復林、混交林和純林平均土壤總孔隙度分別比耕地增加了35.53%、15.04%和13.68%。

圖2 不同植被土壤總孔隙度的差異顯著性Fig.2 The significance of variation of soil total porosity in different vegetationCK：耕地 cultivated lands

圖3 植被類型對總孔隙度的影響程度Fig.3 The influence extent of vegetation types on soil total porosity

3.2.2 植被類型對土壤毛管孔隙度的影響

退耕后不同植被類型的土壤毛管孔隙度隨著土層的加深均顯著增加。和對照相比,自然恢復林對土壤毛管孔隙度的影響大于人工林。毛管孔隙度在0—60 cm各土層,退耕林地均和對照顯著差異,人工林之間差異不顯著,但二者均與自然恢復林差異顯著；60—80 cm,只有自然恢復林和其余三者差異顯著；80—100 cm,各林地均與對照無顯著差異。3種植被類型對土壤毛管孔隙度的影響在0—10 cm和10—20 cm的土層,均達到10%以上(圖5),在20—60 cm達到20%,最大為57.12%。而在60—80 cm的土層,其影響程度明顯減少,表現為NR(16.21%)>MF(2.65%)>PF(6.69%)。在80—100 cm處,自然恢復林僅使土壤毛管孔隙度增加了2.59%,混交林和純林反而分別減少了5.50%和4.76%。就變化程度而言,退耕林地對土壤毛管孔隙度的影響在10—20 cm處略有下降,隨后增大直到60 cm處達到最大值,隨后則呈現減小的趨勢。其中自然恢復林的變化范圍為2.59%—57.12%,混交林的最大值是40 cm處的23.22%,最小值為80 cm處的2.65%。人工林60 cm處變化率最大(27.41%),增加程度最小為6.80%?？傮w上,自然恢復林對土壤影響較深,達80 cm,人工林則影響到60 cm的土層。NR、MF和PF的平均土壤毛管孔隙度分別是CK的1.36倍、1.13倍和1.12 倍。

圖4 不同植被毛管孔隙度的差異顯著性Fig.4 The significance of variation of soil capillary porosity in different vegetation

圖5 植被類型對毛管孔隙度的影響程度Fig.5 The influence extent of vegetation types on soil capillary porosity

4 討論

由于枯落物的輸入、林木根系活動、土壤水熱狀況、微生物活動及人為干擾的減少,退耕還林可有效改善林地土壤的土壤容重、孔隙狀況和持水能力等物理性質[13,22-24]。本文研究表明退耕22年后,自然恢復林和人工林對土壤物理性質影響深度分別達到80 cm和60 cm,對土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的影響程度對應分別為28.78%、35.53%、36.00%和9.46%、12.50%、14.36%。土壤有機質和土壤粘粒的增加以及土壤結構的改善被認為是退耕還林改善黃土區土壤物理性質的主要原因[25-27]。曹國棟對瑪納斯河流域扇緣帶上4種植被類型下的土壤性質相關性分析也表明,有機質含量是引起其他土壤物理性質變化的重要原因[28]。土壤中的粘粒以其顆粒細、表面積大及某些礦物的結構特征決定了它在土壤結構中的重要作用[29]。本文對216個分析土樣的有機質和粘粒含量分別與以上3種物理性質進行了線性擬合,結果表明,土壤有機質的增加對土壤容重減小、總孔隙度和毛管孔隙度的增加解釋程度均達到31%以上,粘粒含量的增加可解釋土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度變化的44%—51%,且相關性均達到極顯著水平(圖6,P<0.01)。原因可能是植被根系和凋落物使土壤中的有機質和粘粒含量增加,改善了土壤膠體狀況從而使土壤顆粒膠結,形成了較大的團聚體和結構穩定、比例適合的水穩定性團聚體[30-31]。相關性分析表明土壤有機質含量和粘粒含量的變化是黃土區退耕林地土壤物理性質變化的重要原因[32-33],同時也說明土壤物理性質變化機制的復雜性[34-35]。

圖6 土壤有機質和粘粒與物理性質的相關性分析Fig.6 The correlation analysis on soil organic matter and physical properties, clay particles and physical properties

本文研究結果表明,退耕22年后,自然恢復林對土壤物理性質影響深度達到80 cm,人工林影響深度為60 cm；在影響程度上,不同林分間也明顯不同,自然恢復林影響程度達到28%—36%,而人工林影響程度為9%—15%。邢菊香的研究表明內蒙古清水河縣退耕還林15年后,表層土壤物理性質明顯改善,0—20 cm的土壤容重明顯低于20—40 cm和40—60 cm,與耕地相比,容重減少的范圍是7%—14%,總孔隙度增加了25%—40%[18]；彭文英等通過比較陜西安塞縣黃土區退耕不同年限表層土壤物理性質的變化,發現退耕13年后的刺槐林,土壤物理性質改善程度明顯,容重比耕地減少了13%,孔隙度約增加了8%,而植被恢復30年后,土壤物理性質變化不明顯, 呈現穩定狀態[19]?？梢婋S著退耕年限的增加,土壤物理性質得到了明顯改善,但是變化程度并沒有一致的規律性,這可能是由于各研究區內有機質和粘粒的輸入機制復雜而產生的差異?？傮w上自然恢復林對土壤物理性質影響程度和深度都大于人工林,主要是由于自然恢復林枯落物及腐殖質較厚,生物多樣性較好,微生物活動頻繁,且樹木根系較發達等[36]。

5 結論

晉西黃土區退耕22年后,林地土壤容重、土壤總孔隙度和毛管孔隙度等物理性質較耕地均發生了顯著的變化,具體為：

(1)自然恢復林和人工林對土壤容重產生顯著變化的土層深度分別為0—80 cm和0—60 cm(P<0.05),其中自然恢復林土壤容重平均降低了28.78%,混交林和純林土壤容重平均分別減低了10.58%和8.34%,變化程度最大的土壤層次分別為10—20 cm處和20—40cm處。

(2)3種退耕林地土壤總孔隙度產生顯著變化的土層深度均為0—80cm(P<0.05),變化程度總體表現為自然恢復林(35.53%)>混交林(15.04%)>純林(13.68%),變化程度最大的土壤層次均為20—40 cm處。

(3)自然恢復林內土壤毛管孔隙度產生顯著變化的土層深度達到80 cm,人工林則達到60 cm(P<0.05),自然恢復林、混交林和純林分別是耕地土壤毛管孔隙度的1.36,1.13和1.12倍,變化程度最大的土壤層次均在40—60 cm處。

(4)土壤有機質的增加對土壤容重減小、總孔隙度和毛管孔隙度的增加解釋程度均達到31%以上,粘粒含量的增加可解釋土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度變化的44%—51%,且相關性均達到極顯著水平(P<0.01)。自然恢復林對土壤物理性質影響程度和深度總體上都大于人工林。

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ZHANG Xiaoxia1,YANG Zongru2,ZHA Tonggang1,*,ZHANG Zhiqiang1,WANG Gaomin3,ZHU Yushen1,Lü Zhiyuan3

1KeyLaboratoryofSoilandWaterConservation&DesertificationCombatingofMinistryofEducation,CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2ForestryServiceCenterofJixian,Linfen042200,China3CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

The physical properties of soil such as soil particle size distribution, bulk density, and porosity are interrelated and have important effects on soil fertility and hydrological processes. Such processes include surface runoff, infiltration, groundwater recharge, and water yield. Excessive soil erosion in the Loess Plateau has resulted in severe degradations of the physical properties of the soil, such as increased bulk density, reduced aggregate stability, and reduced water retention. Soil properties are likely to change when large vegetation restoration efforts, such as the Conversion of Cropland into Farmland Project (CCFC) in China, are implemented. These changes in soil properties can affect vegetation coverage, litter accumulation, root penetration, and soil biological activity. Three typical arbor forests, which were converted from farmland 22 years ago in western Shanxi Province, were selected to study the depth and extent under the influence of the CCFC on the physical properties of the soil. We examined soil density, soil total porosity, and capillary porosity using field sampling and laboratory analysis. These arbor forests includedQuercuswutaishanica, a natural recovery forest (NR),Pinustabulaeformis×Robiniapseudoacacia, an artificial mixed forest (MF), andRobiniapseudoacacia, an artificial pure forest (PF). Cultivated lands (CK) were chosen as the control. Results of the study revealed that: 1) compared to the cultivated lands, there were significant changes in soil bulk density above the 80 cm soil layer of the natural recovery forest (P<0.05). There was an average reduction in soil bulk density of 28.78% and the largest variability was found in the 10—20 cm soil layers. Compared to the control, soil density above the 60 cm layer of the artificial forests, MF and PF, was reduced by 10.58% and 8.34% respectively, and the differences in the 20—40 cm layers were the most significant, 2) the total soil porosity above the 80 cm soil layer in three kinds of farmland increased significantly compared to cultivated land (P<0.05). The ranking of total soil porosity from highest to lowest was: NR (35.53%) > MF (15.04%) > NR (13.68%), and the largest variability was found in the 20—40 cm layers, 3) the soil capillary porosity of NR, MF, and PF were respectively 1.36, 1.13, and 1.12 times those found in the cultivated land. The most obvious change of the natural recovery forest and artificial forest were found above the 80 cm and 60 cm layers respectively. The most drastic change was found in the 40—60 cm layers in both forests, and 4) the organic soil matter and clay content had significant effects on the physical and chemical properties of the soil. The increase of organic soil matter was as high as 31%, and interpretation of the clay content was between 44% and 51% of the change in soil bulk density, total porosity, and capillary porosity (P<0.01). The results of this study suggest that the influence natural recovery forests have upon the physical properties of soil is greater than that of the artificial forests. This is mainly due to thicker litter and humus, superior biological diversity, more frequent microbial activity, and further developed tree roots in the natural recovery forests.

loess region of western Shanxi Province; the conversion of cropland into farmland project; soil physical properties; depth; extent

國家“十二五”科技支撐計劃課題(2015BAD07B03)

2015-07-29;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201507291596

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: zhtg73@bjfu.edu.cn

張曉霞,楊宗儒,查同剛,張志強,王高敏,朱聿申,呂志遠.晉西黃土區退耕還林22年后林地土壤物理性質的變化.生態學報,2017,37(2):416-424.

Zhang X X,Yang Z R,Zha T G,Zhang Z Q,Wang G M,Zhu Y S,Lü Z Y.Changes in the physical properties of soil in forestlands after 22 years under the influence of the Conversion of Cropland into Farmland Project in Loess region, Western Shanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):416-424.