不同植被類型對土壤物理化學和力學性質的影響

鐘伶志 李國榮 李進芳 陳文婷

摘要 [目的]分析不同植被類型對土壤物理化學和力學特性的影響，揭示植被多樣性對土壤及生態環境的響應，為區域生物工程和生態環境修復提供理論依據。[方法]以青海省西寧盆地黃土區和互助北山森林區為研究對象，通過室內試驗測定土體的物理化學和力學性質，探討不同植被類型對土壤物理化學和力學性質的影響。[結果]植被類型的多樣性對植被覆蓋度的影響較大，且不同植被組合類型與根-土復合體含水量與植被覆蓋度呈正相關，與土壤孔隙度呈負相關，其中隨植被多樣性的增加，土壤含水量增加8.88%～22.43%，土壤密度增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土層pH趨于弱酸性；同一區域土壤養分含量和根-土復合體黏聚力總體表現為喬灌草組合區﹥草灌區﹥草本區，說明植被類型、枯枝落葉及根系等對土壤養分的積累和表層土壤力學特性的影響較大。[結論]植被類型的多樣性在改善生態環境方面起到積極作用，采用植被護坡和生態環境保護方面應考慮植被類型的多樣性，實現植被-土壤-環境的良性循環。

關鍵詞 植被多樣性；根-土復合體；物理化學性質；力學性質；生態環境

中圖分類號 S153文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0112-05

Abstract [Objective]To study effects of different vegetation types on soil physical and mechanical properties and nutrient contents，and it reveals the response of vegetation diversity to soil and ecological environment，and provides theoretical basis for the restoration of regional biological engineering and ecological environment.[Method]Taking the loess area of Xining Basin and the mutual-aid Beishan forest area in Qinghai Province as the research object，the physicochemical and mechanical properties of soils were analyzed with a combination of in situ and indoor testing，the effects of different vegetation types on soil physical and mechanical properties and nutrient contents were discussed.[Result]The diversity of vegetation types had a great influence on the vegetation coverage，and there was a positive correlation between the vegetation types and moisture content of the root-soil composite and the vegetation coverage，but negatively correlated with the soil porosity，the soil water content increased with the vegetation diversity ranged from 8.88% to 22.43%，the soil density increased from 0.03 to 0.54 g/cm and the porosity decreased from 4.89% to 13.38%.The pH of the soil layer tended to be weakly acidic.In the same area，soil nutrient content and cohesion of root-soil composite generally showed as follows：Arbor-shrub-grass combination area>shrub-grass area>grass area，This showed that vegetation types，litter and roots had a great influence on soil nutrient accumulation and surface soil mechanics characteristics.[Conclusion]The diversity of vegetation types plays an active role in improving the ecological environment，and the diversity of vegetation types should be considered in vegetation slope protection and ecological environment protection so as to realize the virtuous circle of vegetation-soil-environment.

Key words Vegetation diversity；Root-soil composite；Physical and mechanical properties；Mechanical properties；Ecological environment

近幾十年來，國家和地方對生態重視程度日益增加，十九大明確提出人與自然和諧共生的現代化要求，而青海省生態建設工作尤其迫切，具有十分重要的戰略地位[1]。隨著生態恢復和保護力度不斷加強，遙感數據顯示黃土高原生長季植被覆蓋指數雖然有顯著上升趨勢，但由于西部寒旱地區植物生長的差異性[2]，加之青藏高原生態環境系統的特殊性、脆弱性、敏感性[3-5]，諸多地區的植被和生態環境出現惡化現象。因此，深入分析植被類型對土壤特性的影響對青藏高原東部特定土壤區的土壤特性研究十分必要，也是解決高寒干旱地區生態環境惡化的重要問題之一。

植被對土壤物理、化學和生物學性質有顯著影響[6-7]，植物變化也在很大程度上影響土壤質地和養分[8-9]，而土壤作為生態系統的重要組成部分，其物理和化學性質對植物群落動態也具有顯著影響[10]，尤其是水分和養分含量不僅影響草地植被的演替和生長發育[11]，也決定生態系統的生產力和結構[12-14]。關于植被對土壤理化性質的影響研究，主要集中在生態恢復區和生態敏感區，董揚紅等[15]認為植被恢復除保持水土、減少土壤侵蝕外，還可通過土壤-植物復合系統改善土壤質量；王昭艷等[16]研究表明不同植被恢復模式土壤理化性質有差異；呂剛等[17]進一步指出隨著物種多樣性的增加，土壤理化性質逐漸改善，促進生態系統正向演替；也有學者結合根系生物量或植被豐富度等研究了土壤理化性質的變化[18-20]，然而有關不同植被類型對表層土壤力學性質及植被更替作用下的土壤理化特性的差異分析研究較少。筆者以青藏高原東部的黃土區和森林區為研究對象，結合植被類型多樣性及其對土壤特性的影響，分析不同植被類型對土壤物理化學和力學特性的影響，揭示植被多樣性對土壤及生態環境的響應，為區域生物工程和生態環境修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該研究擬定了2個研究區：研究區Ⅰ設在青海省西寧市城北區二十里鋪西山，屬青藏高原東北部的黃土區，地理坐標為101°77′ E、36°62′ N，區內平均海拔約2 378 m，氣候類型屬大陸性高原半干旱氣候，多年平均氣溫7.6 ℃，年平均降水量380 mm，年均日照1 939.7 h，氣候干燥少雨多風。在多年降水沖蝕作用下形成“V”型侵蝕溝，大部分地段為半裸露邊坡。研究區Ⅱ設在青海省互助北山扎龍溝森林區，地處黃土高原向青藏高原過渡地帶，該地區獨特的地理位置和氣候條件形成了多樣性的生物圈[21]。地理坐標為101°46′ E、36°30′ N，林區年均氣溫4.8 ℃，海拔2 400 m，降雨集中在7—9月，森林覆蓋率達64.3%，植物資源豐富。

2個研究區植被類型分為喬灌草組合、草灌組合、灌木區及草本區，其中黃土區灌木類型為檸條錦雞兒（Caragana korshinskii Kom.）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.），草本為針茅（Stipa capillata Linn.）、狗尾草[Setaria viridis （L.） Beauv.]、賴草（Leymus secalinus Tzvel.）；森林區喬木類型為油松（Pinus tabuliformis Carrière）、祁連圓柏（Sabina przewalskii Komar.）、青海云杉（Picea crassifolia）、樺樹（Betula），灌木類型為小檗（Berberis thunbergii DC.）、刺梅（Euphorbia milii Ch.des Moulins）、杜鵑（Rhododendron simsii Planch.）、金露梅（Potentilla fruticosa）、銀露梅（Potentilla glabra Lodd.），草本類型主要為扇穗茅（L.racemosa） 、堿茅（P.distans） 、白草（P.flaccidum） 、華扁穗草（B.sinocompressus） 、冰草（A.cristatum）、 矢車菊（C.cyanus）等。

1.2 試驗方法 在試驗區設定50 cm×50 cm的樣框，分別在2個試驗區坡度20°的各植被組合帶取樣。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤物理性質。分別采用烘干法、環刀法、比重瓶法測定土體含水率、土體密度和土粒比重，使用3相比例指標的相互換算公式計算出土體孔隙度，測試方法參照《土壤學實驗指導》[22]測試方法，取樣深度為10 cm，每類樣品重復取樣和測試10次。

1.3.2 土壤養分。主要包括土壤有機質、土壤腐殖質以及土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀。土壤養分含量在地表變化非常敏感，且土壤養分含量主要集中在表層土壤[23]，因此取樣深度為地表0～2 cm，用取土刀輕輕切取表面薄層，然后放入密封袋送回土壤檢測中心進行檢測分析。土壤樣品在2個試驗區的各組合區分別取樣，設10次重復，測試方法參照《土壤農化分析實驗》[24]。

1.3.3 土壤力學強度指標。測試不同植被組合區的表層根-土復合體黏聚力，采用環刀法在地表10 cm內取樣，樣品經密封帶回實驗室開展剪切試驗[25]。每種組合區設10次重復。

2 結果與分析

2.1 植被類型與覆蓋度的關系

由圖1和2可知，地表覆蓋度大小與植被類型有密切關系，即在天然生態環境中，植被類型越多樣化，則地表的覆蓋度越高，同一地區組合型植被覆蓋度顯著大于單一植被的草本區和灌木區（P<0.05）。黃土區草灌混合生長情況下的植被覆蓋度分別比草本區和灌木區增加14.9%和27.1%，森林區喬灌草植被覆蓋度分別比草灌區和草本區增加6.3%和10.2%，這說明喬木、灌木、草本組合生長，在地上、地下空間相互組合與滲透，充分利用各類生態環境因子，植被及生態環境趨于良性發展。

2.2 不同植被類型對表層土壤物理性質的影響

由表1可知，不同植被類型對土壤物理性質的影響存在顯著差異（P<0.05）。植被覆蓋度越高，植被類型越復雜，其對土壤基本性質的改變越大，如2個研究區植被均有草本與灌木植物的組合生長形態，但發現在同一土層中，草灌區和喬灌草區的土壤含水量、密度均比單一植被生長區大，其中黃土區草灌組合區根土層的含水量比灌木區和草本區分別增加9.13%和8.88%，森林區喬灌草組合區含水量比草本區和草灌組合區增加了22.43%和10.44%，且2個研究區土壤密度隨植被類型和覆蓋度的增加而增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土層pH趨于弱酸性。出現上述結果的主要原因是植被多樣性及其生長更替作用能夠涵養水源、積累有機物質，并伴隨植被根系數量的增加和增粗生長，淺層土壤受其擠壓，導致土壤特性發生改變。

為了說明同一土層深度、不同植被類型對土壤含水量的影響，分別在黃土區和森林區選擇不同植被覆蓋區域，現場取樣和分析了距離地表10 cm的根土復合體含水量隨植被覆蓋度的變化規律，結果見圖3。從圖3可以看出，根土層含水量隨植被覆蓋度的增加而增大，其中森林區表層土壤含水量的增加幅度較大，黃土區土壤含水量變化幅度較小。這說明植被覆蓋度對土壤水分的影響較大[26]，且植被類型越復雜多樣，植被覆蓋度越高，地表生物量和地下根系數量均相對較多，植被對坡面防護和生態環境效應的改善越明顯，這也是很多地區采用不同植被組合進行護坡或生態環境治理的重要原因之一。

研究還發現植被根量與表層土壤密度之間也呈正相關關系，即土層中植被的根系數量越多，則地表的覆蓋度越大（圖4），且在同一深度森林區土壤密度隨覆蓋度的變化幅度比黃土區大。此外，植被覆蓋度與表層土壤孔隙度間存在負相關（圖5），該規律與密度變化規律相對應，即土層中根系數量的增加和增粗生長，對根系周圍的土體產生側向擠壓，使土壤顆粒間的孔隙率變小，密度增加，這一方面表現了不同土壤自身的物理特性，另一方面植被類型多樣性及其差異，導致土壤性質發生變化。

2.3 不同植被類型對表層土壤養分含量的影響

土壤養分恢復是評價生態系統恢復的一個重要方面[27-29]，直接影響土壤培育植被、改善生態環境的能力[30]。調查發現土壤養分含量隨植被覆蓋度的降低而不斷減小，也與植物根系和枯枝落葉有重要關聯[31]。由表2可知，不同類型植被下土壤有機質含量及其他主要養分指標均存在顯著差異（P<0.05），同一區域土壤養分含量總體表現為喬灌草組合區>草灌區>草本區，且森林區地表土壤整體養分含量比黃土區大，說明植被類型及其枯枝落葉的更替作用對土壤養分的積累具有重要作用和意義。研究還發現，植被影響土壤養分的變化主要集中在30 cm土層內，尤其是0～10 cm土層的養分含量隨植被類型的變化較明顯，且森林區的變化規律比黃土區相對明顯，這不僅反映了大部分植被根系及枯枝落葉積累的影響范圍主要在10 cm土層，也反映了植被多樣性對土壤養分的積累具有顯著影響[32]。

上述研究結果說明，土壤養分的積累速度和積累量受植被的控制，如果土壤侵蝕程度加大，植被的退化速度也隨之加快，且土壤干旱化提高了有機質的礦化速率，尤其是植被稀疏、植被類型相對單一的黃土區，生態環境將開始惡性循環，這在一定層面上反映了土壤養分含量流失和植被退化將激發水土流失的內在機理。

2.4 不同植被類型對表層土壤力學強度的影響

由表3可知，力學強度與土層中的根系數量、根系體積比呈正相關，與含水量呈負相關（P<0.05）。由于植被多樣性對土壤含水量產生影響，且植被類型越多，土層中的根系數量也越多，導致植被組合區表層根-土復合體黏聚力比單一植被區大，如黃土區草灌組合區的黏聚力比灌木區和草本區分別增加了1.56和5.01 kPa，森林區喬灌草組合區的黏聚力分別比草灌組合區和草本區大3.98和4.86 kPa，植被根-土復合體黏聚力表現為喬灌草組合區>草灌區>灌木區>草本區，說明植被多樣性及其根系的增加進一步增強了土壤黏聚力。研究還發現，草本區根系數量較多，但其根土黏聚力比灌木區、草灌區或喬灌草組合區相對較小，這一方面說明灌木根系本身具有的彈性強度比草本根系大，另一方面在土壤體積不變的情況下，植物類型和根系數量不斷增加，在一定程度上影響了土壤孔隙結構和根-土間的黏結性，因此在含有多種根系和灌木根系的土層黏聚力增加幅度相對較大，表現出植被類型多樣性及其組合根系的固土效應對坡面土壤侵蝕方面具有重要的防護作用。

不同植被類型對土壤密度、孔隙結構、養分及力學特性等的影響，必將引起土壤滲透性的變化，也對地表水土流失產生一定的影響，今后在植被護坡和生態環境保護措施方面，應盡量考慮植被類型的多樣性，在改善土壤環境條件的基礎上，實現植被-土壤-環境的良性循環。有關不同植被類型作用下土壤流失規律以及植被根系作用下不同土壤滲透性變化特征等，有待于進一步研究。

3 結論

（1）植被類型的多樣性對植被覆蓋度的影響較大，且不同植被組合類型對土壤物理性質的影響具有顯著差異，根土層含水量與植被覆蓋度呈正相關，地表土壤孔隙度與植被覆蓋度存在負相關，其中隨植被多樣性的增加，土壤含水量增加8.88%～22.43%，土壤密度增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土層pH趨于弱酸性，顯示植被類型越多樣對土壤物理特性的影響越大。

（2）不同類型植被下土壤有機質含量及其他主要養分指標均存在顯著差異，同一區域土壤養分含量總體表現為喬灌草組合區>草灌區>草本區，森林區表層土壤養分含量明顯大于黃土區，且養分含量隨植被類型的變化在0～10 cm土層較明顯，說明植被類型及其枯枝落葉的更替作用對土壤養分的積累具有重要作用和意義。

（3）表層土壤力學強度與土層中的根系數量、根系體積比呈正相關，與含水量呈負相關，且植被根-土復合體黏聚力表現為喬灌草組合區>草灌區>灌木區>草本區，說明植被多樣性及其根系的增加進一步增強了土壤黏聚力；植被稀疏及其類型單一將影響生態環境的變化，采用植被護坡和生態環境保護方面應考慮植被類型的多樣性，實現植被-土壤-環境的良性循環。

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