黃土區植被恢復對土壤物理性質的影響

譚學進,穆興民,高 鵬,孫文義,趙廣舉,顧朝軍

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黃土區植被恢復對土壤物理性質的影響

譚學進1,穆興民1,2*,高 鵬1,2,孫文義2,趙廣舉1,2,顧朝軍1

(1.西北農林科技大學,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

以黃土區延河流域為研究區域,研究了近40a來植被恢復對土壤容重、孔隙度和飽和導水率等13個土壤物理性質指標的影響.結果表明:隨著植被恢復年限增加,土壤容重降低,而土壤孔隙度、>0.25mm團聚體含量、持水性和入滲性能等增大.但在40a內對土壤質地無顯著影響.植被恢復對土壤物理性質的影響隨恢復年限的增加而增強,隨著土層深度的增加而減弱.土壤的容重、>0.25mm團聚體含量和飽和導水率可作為植被恢復生態效應評價的主要物理指標.由于水分等條件的限制,該區檸條林和草地對土壤物理性質的改善優于刺槐林,建議該區植被恢復應以營造次生灌木林和草地為主.

植被恢復；土壤物理性質；黃土高原

土壤物理性質主要包括土壤質地、土壤容重、孔隙狀況及與入滲、持水性能等密切相關的多項指標.不同土層的土壤物理性質,不僅決定土壤水、肥、氣、熱等肥力狀況,而且影響著降雨入滲、地表徑流和流域產水產沙;同時也影響著植物群落的發生、發育和演替的速度.植被恢復能有效減少土壤侵蝕和提高土壤質量,在黃土高原水土保持和生態環境建設中占據重要地位.植被與土壤的相互作用過程必然導致土壤結構、水分特征等理化性質產生變化[1-2].研究植被恢復過程對土壤物理特征參數的影響,有助于科學認識黃土高原土壤水文過程,對于植被恢復生態效益評估和區域水土資源的合理利用有著重要作用.

植被恢復對土壤物理性質的影響一直是土壤學及生態學研究熱點之一.植被通過根系的生長改變土壤結構,通過根系分泌物、枯落物為土壤輸入有機物質,改善土壤質量.黃土高原由于土地利用與覆被變化,特別是退耕還林還草生態建設工程,土壤物理性質必然發生改變,表現為顯著改善土壤結構狀況[3-5];土壤滲透性能和持水能力顯著提高[6-7].退耕林地植被恢復與重建對于改善土壤物理性質有顯著影響,土壤容重隨退耕年限增加而減小,總孔隙度增加,土壤滲透性和透氣性得到改善,退耕草地植被自然恢復(15a),土壤容重降低0.12~0.27g/cm3,土壤總孔隙度提高6.80%~17.01%[8].黃土高原退耕還林還草和植被自然恢復,促進了土壤水穩性大團聚體中有機碳(SOC)的形成,特別是>2mm和2~0.25mm兩個粒級的水穩性團聚體及其SOC的含量顯著提高[9-10].土壤機械組成和質地狀況隨植被恢復和自然演替有不同程度的改良作用,土壤中粘粒含量顯著增加,團粒含量顯著提高,土壤質地有細化的趨勢[11-12].與此相反,自然植被遭到破壞后,土壤容重增大,團聚體含量(>0.25mm)降低,土壤蓄水能力減小[13].退耕過程有利于提高土壤飽和導水率,退耕草地植被自然恢復第3~22a,飽和導水率增加了61.9%[14].黃土高原退耕地土壤穩定滲透率隨植被恢復年限的延長逐漸增大,土壤穩定滲透率分別是農地的1.78、2.84、3.44倍[15].

黃土高原實施大規模退耕還林還草工程后,許多學者在植被恢復對土壤物理性質的影響方面進行了研究.然而,由于植被恢復作用時間的連續性,其對土壤物理性質變化的影響仍需長期研究.此外,不同植被恢復類型、不同恢復時期條件下土壤物理性質如何變化?哪些土壤物理指標能準確反映植被恢復對土壤物理性質的影響?尚相對缺乏.基于此,本研究以黃土區延河流域為研究區域,研究不同植被恢復類型和不同恢復年限下土壤物理性質的差異,旨在為黃土高原植被恢復與重建提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖1 樣地位置示意

研究區位于陜北黃土高原丘陵區延河流域的紙坊溝和坊塌小流域的墚峁.氣候屬于中溫帶大陸性半干旱季風氣候,多年平均降雨量和溫度分別為505.3mm和8.8℃,年蒸發力1486.7mm,干燥指數=1.48.該地區降水年內分配不均勻,6~9月降雨量占全年71%.土壤類型以黃綿土為主.植被類型為森林草原.隨水土流失治理的加強和土地利用結構調整,流域植被有較大恢復和發展,形成了以人工林為主體的植被景觀.人工林以刺槐()、小葉楊()、檸條()、沙棘()為主,草地主要為鐵桿蒿()、茭蒿()、長芒草()、白羊草()等.

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取和土壤采集 對不同退耕年限自然恢復的樣地進行了調查與采樣,通過多次野外考證,走訪農戶、年長農民和歷屆村干部及查閱土地拍賣契約等途徑的相互印證,確定各樣地的植被恢復年限.根據植被類型分別選取農地(1塊)、不同退耕年限人工刺槐林地(2塊)、不同退耕年限人工檸條林地(3塊)以及不同退耕年限自然草地(3塊)等共計9塊樣地(表1).在樣地選擇時充分考慮坡度、坡向、海拔和土壤狀況等具有相對接近的立地條件,所有樣地退耕前均為農地,以保證樣地間有良好的可比性.刺槐樣地面積20×20m2,檸條、草地樣地面積10×10m2.在每塊樣地采用對角線法選取3個采樣點,分兩層(0~20cm和20~40cm)采集土樣,主要包括:用環刀采集原狀土測定土壤容重、飽和導水率和水分特征曲線;鋁盒采集原狀土用于測定土壤機械組成、有機質含量和水穩性團聚體.在每個取樣點旁測定土壤初始入滲速率和穩定入滲速率.

表1 樣地基本情況

注:SOM為0~20cm土層有機質含量.

1.2.2 各指標測定方法與計算 土壤物理性質測定多采用(《土壤理化分析》)[16]測定和計算,土壤容重、孔隙度采用環刀法,有機質含量采用重鉻酸鉀比色法測定,機械組成采用激光粒度儀法(MS2000).入滲速率采用圓盤入滲儀法[17].飽和導水率采用恒定水頭法[18-19],其計算公式如下:

式中:s為飽和導水率,mm/min;為流量,mm3;為土柱長度,mm;為土柱截面積,mm2;為測定時間,min;為水頭高度,mm.

土壤團聚體穩定性的測定:首先將土樣大土塊掰成2cm以下的小土塊進行風干,然后進行干篩并確定出各個粒級的權重,再根據權重配出50g樣品,采用濕篩法[20]確定出每一級水穩性團聚體的重量百分數,再根據下式[21]求出表征團聚體穩定性大小的平均重量直徑( MWD) :

式中:MWD為平均重量直徑,mm;X為每一級組團聚體的平均直徑,mm;W為第X級團聚體的重量百分數,%.

2 結果與討論

2.1 不同土壤物理要素對植被恢復過程的響應

2.1.1 土壤質地 研究期內黃土區植被恢復對土壤質地無顯著影響.土壤機械組成分析(表2)表明,植被恢復后樣地的砂粒含量顯著低于農地.在各植被類型的表層0~20cm土壤中,只有40a草地和30a草地的砂粒含量顯著低于20a草地樣地和10a草地.各樣地土壤黏粒含量在表層0~20cm和20~40cm土層土壤中均無顯著垂直差異.黏粒含量隨著植被恢復年限的增加而增加但不顯著.各樣地20~40cm土層的土壤顆粒組成的變化和表層0~20cm變化基本一致.20~40cm土層的砂粒含量一般高于表層0~ 20cm土壤的砂粒含量.根據土壤顆粒含量查蘇聯卡慶斯基土壤質地分類表,各樣地土壤質地類型均為粉砂壤土.李裕元等[22]對水蝕風蝕交錯帶植被恢復對土壤物理性質的影響研究發現,30a內植被恢復對土壤顆粒組成無顯著影響.

表2 不同植被恢復類型0~20和20~40cm土層的機械組成

注:括號中的數據為標準偏差;同一列數值后的字母相同表示在0.05的概率水平無顯著差異.

2.1.2 容重與孔隙度 隨植被恢復年限延長黃土區土壤的容重顯著減小、總孔隙度顯著提高.同一植被下,0~20cm土層的容重顯著小于20~40cm土層(<0.01)(表3).在表層0~20cm土壤中,隨植被恢復土壤容重變化范圍為1.05~1.23g/cm3,略低于黃土高原平均土壤容重(1.24~1.33g/cm3)[23].40a檸條和40a草地的容重顯著小于其他樣地,農地容重顯著大于其他植被;而35a刺槐樣地和25a刺槐樣地0~20cm土層容重無顯著變化.在各植被樣地,表層0~20cm土壤的植物根系密度大于20~40cm土層,40a檸條樣地和40a草地樣地根系密度均大于其他樣地,而根系密度與土壤容重存在顯著負相關關系[24].不同植被恢復模式下,總孔隙度和毛管孔隙度的變化與容重變化相反.植被恢復后的土壤表層0~20cm和20~ 40cm土層土壤的總孔隙度和毛細孔隙度都顯著高于農地(<0.01).在不同植被恢復類型樣地表層0~ 20cm中,40a檸條樣地和40a草地樣地的總孔隙度、40a草地樣地和30a草地樣地的毛管孔隙度均顯著高于同一植被的其他恢復時期.20~40cm土層中,只有40a草地樣地的總孔隙度顯著高于同植被的其他恢復時期.35a刺槐樣地、25a刺槐樣地和40a草地樣地的非毛管孔隙度顯著高于其他樣地.土壤的孔隙狀況主要受有機質在土壤累積量的影響,植被自然恢復演替過程增加了土壤有機質的積累,從而對土壤孔隙特征有著重要的影響[7].容重和孔隙度的試驗結果與趙世偉[5]、付標等[8]研究結果一致.

表3 不同植被恢復類型樣地的容重、總孔隙度、毛細孔隙度和非毛管孔隙度

2.1.3 團聚體穩定性 黃土區植被恢復能顯著提升團聚體的穩定性.35a刺槐樣地0~20cm土層>5mm的團聚體占比最大(表4),而農地0~20cm土層>5mm的團聚體占比最小.農地和植被恢復樣地的2~5mm、2~1mm、0.5~1mm、0.25~0.5mm團聚體含量存在顯著差異.刺槐樣地的>0.25mm團聚體含量最高,其次為40a草地樣地.農地的>0.25mm團聚體含量最小,與10a草地樣地比較無顯著差異.各樣地20~40cm土層土壤團聚體含量顯著低于0~20cm土層,這與土壤中枯落物的蓄積和植物根系活動密切相關,表層土壤植物根系分布較多且枯落物蓄積量大.植物根系徑級￡1mm的須根可以提高水穩性團聚體的含量,植物死根可以為土壤提供有機質,活根提供分泌物,作為土粒團聚體的膠結劑,配合須根的穿插和纏結,使土壤中直徑>3mm的大粒級水穩性團聚體增加[10,25-26].

表4 不同植被恢復類型0~20cm土層團聚體含量百分比(%)

注:括號中的數據是標準偏差;同一列數值后的字母相同表示在0.05的概率水平無顯著差異.

圖2 不同植被恢復類型0~20cm土層的平均重量直徑

土壤水穩性大團聚體含量的高低與團聚體穩定性大小是衡量土壤結構好壞的重要綜合性指標,平均重量直徑(MWD)可以較好地反映土壤團聚體的穩定性,MWD越大表示土壤團聚體穩定性越強,土壤結構也就越好[26].植被恢復能明顯改善土壤結構性能.30a刺槐樣地MWD最大,農地MWD最小(圖2),說明刺槐樣地團聚體最穩定,而農地團聚體穩定性最差.隨著退耕年限的增加,MWD逐漸增加.除10a草地樣地MWD較小外,其他植被恢復樣地MWD相差不大,表明各樣地團聚體穩定性相似.

2.1.4 土壤持水性 黃土區植被恢復能改善土壤的持水性.在0~20cm土層,同一植被樣地的土壤田間持水量隨著恢復年限的增加而增長,且刺槐>檸條>草地.35a刺槐樣地的土壤田間持水量顯著高于其他樣地(圖3),15a檸條樣地和各不同恢復時期草地樣地的田間持水量與農地存在顯著差異.35a刺槐樣地的凋萎系數在所有樣地中最高(圖3a).各樣地有效水容量無顯著差異.20~40cm土層,田間持水量刺槐>檸條>草地,農地凋萎系數顯著大于其他樣地,有效水容量差異較大(圖3b).影響田間持水量和凋萎系數的主要因素是容重、有機質含量和機械組成,田間持水量和凋萎系數均隨粘粒含量和有機質含量的增大而增大[27-29].35a刺槐樣地的0~20cm土層的粘粒含量和有機質含量均為中等水平,但田間持水量大于其他植被樣地,這可能與35a刺槐樣地的水穩性大團聚體含量較高有關.

圖3 不同植被恢復類型的田間持水量、凋萎系數和有效水容量

同一列數值后的字母相同表示在0.05的概率水平無顯著差異

圖4 不同植被恢復類型的土壤入滲速率

2.1.5 土壤入滲速率 黃土區植被恢復能顯著增加土壤入滲速率.不同植被恢復條件下,土壤的入滲速率有較大差異(圖4).初始入滲速率為CD30> CD40>CD10>NT40>ND>CH25>NT30>NT15>CH35.通常,在相同的供水和土壤條件下,初始入滲率主要由土壤前期含水量決定[30].開始入滲時土壤含水量較高,土壤吸力梯度小,則初始入滲速率較低,隨后入滲速率降低較緩慢.開始入滲時土壤前期含水量較低,土壤吸力梯度大,則初始入滲速率較高,隨時間延長入滲速率減小幅度大.草地表層0~20cm土壤的初始含水量較低,所以其初始入滲速率較大,而刺槐樣地土壤表層0~20cm土壤的前期含水量較大,則初始入滲速率較小.隨著入滲試驗的進行,土壤入滲速率迅速減小.至20~30min,各樣地入滲速率逐漸趨于穩定,檸條和刺槐樣地達到穩定入滲速率較快.穩定入滲速率為草地>檸條>農地>刺槐.黃土高原土壤質地、土壤容重、有機質含量、土壤團聚體、土壤孔隙度等,對土壤入滲性能產生了重要影響[31-32].

2.1.6 土壤飽和導水率 黃土區植被恢復能顯著提高表層0~20cm土壤的飽和導水率(圖5),而對20~40cm土層土壤的影響較小.表層0~20cm土壤的飽和導水率顯著大于20~40cm土層土壤,這與容重和孔隙度的變化基本一致.表層0~20cm土壤飽和導水率的變化范圍:13.8mm/h(農地)~27mm/h(40a檸條樣地);20~40cm土層土壤的飽和導水率變化范圍:7.2mm/h(農地)~12mm/h(30a檸條樣地),低于王子龍等[14]、彭舜磊等[33]研究結果,這可能與樣地的容重、有機質含量不同有關.在土壤表層(0~20cm),40a檸條樣地的飽和導水率顯著大于其他樣地,農地飽和導水率顯著小于其他樣地,這與王子龍等[14]、彭舜磊等[33]對不同恢復時期植被土壤的飽和導水率的研究成果一致.此外,35a刺槐樣地、25a刺槐樣地和10a草地樣地的飽和導水率與農地的差異不顯著.土壤容重、土壤質地、非毛管孔隙度、有機質含量和水穩性大團聚體含量是影響飽和導水率的主要因素[14,33-34].各樣地土壤質地無顯著差異,檸條樣地的容重小于其他樣地,非毛管孔隙度、有機質含量大于其他樣地,因而其飽和導水率大于其他樣地.

圖5 不同植被恢復類型的飽和導水率

點上面的字母相同表示它們在0.05的概率水平上沒有顯著差異

2.2 土壤物理性質關聯性分析

容重與田間持水量、凋萎系數、有效水容量相關性未達到顯著水平,與其他土壤物理性質均存在顯著的負相關關系(<0.05)(表5).毛管孔隙度、總孔隙度與砂粒含量呈極顯著負相關,與總孔隙度、粉粒含量、黏粒含量,飽和導水率呈顯著正相關.飽和導水率與容重和砂粒含量呈負相關,與其他土壤物理性質呈顯著正相關,與田間持水量,凋萎系數和有效水容量無顯著相關性.除容重外,砂粒含量與大多數土壤屬性呈顯著負相關,而粉粒和黏粒與大多數土壤物理性質呈正相關.但土壤機械組成與土壤本身相關,短期內的植被恢復對其影響較小.>0.25mm團聚體含量與大多數土壤物理性質(除毛管孔隙度、粘粒含量、凋萎系數和有效水容量)呈正相關.田間持水量與非毛管孔隙和>0.25mm團聚體含量呈顯著正相關.凋萎系數與非毛管孔隙,粉粒含量和田間持水量呈顯著正相關,與砂粒含量呈顯著負相關.有效水容量與田間持水量顯著正相關.李裕元等[22]研究發現土壤容重、總孔隙度以及團聚體穩定性可作為對土壤物理性質評價的主要指標.

表5 土壤物理性質的相關性矩陣

注:BD:容重;CP:毛管孔隙度;NCP:非毛管孔隙度;TP:總孔隙度;Ks:飽和導水率;Aggregates:>0.25mm團聚體含量;Sand:砂粒含量; Silt: 粉粒含量;Clay:粘粒含量;FC:田間持水量;WC:凋萎系數;PC:有效水容量;**表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關;*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關.

40a檸條樣地和40a草地樣地的土壤物理性質較其他樣地更為優良.對各物理指標進行主成分分析(PCA),結果顯示:前兩個主成分解釋了60.4% (PC1=41.5%,PC2=18.9%)的變化.這表明它們可以解釋數據結構的大部分信息.圖7為研究區域的散點圖和基于兩大主要成分的土壤性質之間的關系.除了農地,植被恢復區可以分為三個范疇(圖6).第一個范疇為40a檸條樣地,物理性質最佳,其黏粒含量、毛管孔隙度、飽和導水率較高,容重和砂粒含量最低.35a刺槐和25a刺槐樣地屬于第二個范疇,這些樣地有較高的田間持水量,凋萎系數、有效水容量、粉粒含量和>0.25mm團聚體含量,但毛管孔隙度、非毛管孔隙度,黏粒含量、飽和導水率、容重和砂粒含量相對較低.第三個范疇包括30a檸條樣地、15a檸條樣地、40a草地樣地、30a草地樣地和10a草地樣地.這一范疇土壤物理性質相對其他范疇較為中性.

圖6 不同植被類型和恢復期基于0~20cm土層的主成分分析(PCA)結果

由于黃土高原水資源短缺,植被恢復過程中存在許多問題[35].研究發現,許多喬木(例如,刺槐和油松)在開始時生長良好,但隨著土壤水分的損耗,逐漸長成“小老頭”樹.在干旱和半干旱地區進行大規模植樹造林可能會增加地下水短缺的嚴重程度,甚至形成土壤干層[36].亦有研究指出,在黃土高原地區,由于水分條件限制,在植被恢復初期,草本植被的植被恢復土壤效應最高,而在中期則是灌木效應更高,喬木對土壤的改良作用在后期才能表現出來[37].分析不同植被類型下土壤水分的變化發現,0~30cm土層,刺槐林土壤含水率最高,而此后急劇下降(圖7).在150cm以下土層,刺槐林土壤含水率最小(圖7).這進一步表明,刺槐林消耗的土壤水分多于檸條林和草地,不利于植被恢復的可持續性.因此,在該區進行植被恢復時應以灌木和草地為主.

圖7 各樣地土壤含水率剖面

3 結論

3.1 植被恢復能顯著改變土壤物理結構特征. 改善效應隨著恢復年限的增加而增強,隨土層深度的增加而減弱.植被恢復能顯著降低土壤容重,提高土壤孔隙度、>0.25mm團聚體含量,而在研究期內(<40a)對土壤質地無顯著影響.

3.2 植被恢復能顯著改變土壤水分特征.具體表現為:顯著提高土壤飽和導水率(0~20cm土層土壤大于20~40cm土層土壤)和入滲性能.

3.3 容重、>0.25mm團聚體含量和飽和導水率與其他大部分土壤物理參數顯著相關,可作為植被恢復生態效應評價的主要物理指標.

3.4 檸條林和草地對土壤物理性質的改善優于刺槐林,考慮到該地區的水分等條件,建議該區域植被恢復類型應以營造次生灌木林和草地為主.

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Effects of vegetation restoration on changes to soil physical properties on the loess plateau.

TAN Xue-jin1, MU Xing-min1,2*, GAO Peng1,2, SUN Wen-yi2, ZHAO Guang-ju1,2, GU Chao-jun1

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)., 2019,39(2)：713~722

Extensive vegetation restoration has been implemented to control severe soil erosion on the Loess Plateau, China. Studying the effects of vegetation restoration on soil physical properties in loess area is of great significance for revealing the relationship between vegetation restoration and changes in soil properties and regional hydrological regimes. It is also important for assessing ecological benefits of vegetation restoration accurately. This study investigated the effects of vegetation restoration on changes to soil physical properties shown by 13 indices (e.g., soil bulk density, porosity, and saturated hydraulic conductivity) in two small watersheds (Zhifanggou and Fangta) in Ansai County, Shaanxi Province. Results showed that vegetation recovery significantly reduced soil bulk density while increased soil porosity, aggregates content (>0.25mm), water holding capacity and permeability. In the short term (40a), the effects of vegetation restoration on soil texture was non-significant. The effects of vegetation restoration on soil physical properties increased with time and decreased with soil depth. Results showed that indices including bulk density, aggregates content (>0.25mm) and saturated hydraulic conductivity were good indicators for evaluation the effects of vegetation restoration on changes to soil physical properties. Due to low soil moisture content, the improvement of soil physical properties by restoration of caragana intermedia and grasslands in this area were better than that of Robinia pseudoacacias. Vegetation restoration in this area should give priority to the construction of secondary shrubbery and grassland.

vegetation restoration；soil physical properties；loess plateau

X173

A

1000-6923(2019)02-0713-10

譚學進(1994-),男,湖南長沙人,西北農林科技大學碩士研究生,主要從事生態水文、水土保持研究工作.

2018-06-25

國家自然科學基金資助項目(41671285)

* 責任作者, 研究員, xmmu@ms.iswc.ac.cn