寧南黃土區植被恢復方式對土壤粒度特征的影響

王月玲, 王思成, 許 浩, 萬海霞, 董立國, 韓新生, 郭永忠, 魏永東

(1.寧夏農林科學院荒漠化治理研究所, 寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室, 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏農業綜合開發中心, 寧夏 銀川 750000; 3.寧夏鹽池縣科學技術局, 寧夏 吳忠 751500)

土地利用是人類利用土地進行各種活動的綜合體現。隨著社會經濟的不斷發展，土地利用方式發生了明顯的變化。土地利用與土地覆蓋變化(LUCC)是全球環境變化的重要組成部分和主要原因之一[1-2]，人類活動對土壤環境的影響是全球環境變化與可持續發展問題的核心內容[3]。大量研究顯示，不同的土地利用方式及其植被覆蓋類型不僅制約著土壤環境演變的方向與速度，而且導致土壤特性及理化性質發生改變[4-11]。土壤粒度作為土壤一個基本自然屬性，影響著土壤質地、持水量等，是研究土壤環境以及整個生態系統的基礎[12]，同時也是進一步了解不同土壤理化性質差異的代用指標，其顆粒的粗細變化直接影響著土壤養分和水分變化[13]，另外土壤質地中的細顆粒組分的流失將影響土壤機械組成從而導致土地荒漠化的發生[14]。土壤粒度分布受多種因素影響，包括當地的氣候、植被、土壤母質及人類活動等[9]。在小流域水土流失演變過程中，人類活動帶來的土地利用類型和管理方式的改變會影響流域內土壤粒度的分布[15-18]。

寧南黃土區位于黃土高原西南緣屬半濕潤半干旱區，該區域生態環境敏感復雜，水資源短缺，水土流失嚴重，植被稀疏和降水分配不均等嚴重影響區域環境、社會和經濟的可持續發展。近幾十年來，隨著大規模的退耕還林還草、生態移民搬遷等工程的實施，該區的土地利用方式也發生了顯著變化。由于目前土壤粒度的報道多見于沙漠化土地[19-21]，關于寧南黃土區以小流域為單元分析土壤粒度的研究并不多。了解寧南黃土區不同植被恢復方式下土壤粒度對研究本區乃至整個寧南山區土壤退化及其發生原因具有一定的參考價值。因此本文針對流域實際情況選取寧南黃土區不同人工林地、壩地、人工草地、撂荒地等9種不同植被恢復類型為研究對象，對其土壤粒度進行分析，以期為寧南黃土區土壤資源可持續利用和生態修復提供基礎數據。

1 研究區概況

研究區位于彭陽縣東北13 km處的白陽鎮中莊村小流域，坐標為106°41′—106°45′E，35°51′—35°55′N。該區是典型的黃土丘陵區，地貌以梁狀丘陵為主，流域海拔高度在1 470～1 848 m，年平均氣溫7.4～8.5 ℃，無霜期140～160 d，多年降水量350～550 mm，屬典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候。研究區土壤以普通黑壚土為主， pH值在8.0～8.5之間，土層深厚，土質疏松。自然植被以典型溫帶草原植被為主，主要以長芒草 (Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)、西山委陵菜(Potentillasischanensis)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等植物為建群種的群落類型為主，其次還有中生和早中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山杏(Prunussibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)等[22]為主。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

2020年7月上旬，選取寧夏彭陽中莊小流域具有典型代表性的9種不同植被恢復方式(山杏林、山桃林、沙棘林、檸條林、山杏×檸條混交林、山杏沙棘混交林、侵蝕溝壩地、苜蓿地、撂荒地)進行土壤樣品采集。每種樣地采用“S”取樣法取5個樣點，取樣深度為0—100 cm，分層采集0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm土壤，每層3個重復。樣地信息見表1。

表1 試驗樣地基本信息

2.2 樣品分析與數據處理

土樣采集后密封帶回實驗室，風干后過2 mm篩，去除其中雜質，對樣品進行清洗，直至呈中性；加入分散劑，降低顆粒的凝聚性；進行超聲振蕩，消除樣品的膠結作用。采用德國馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000)進行測定分析，儀器測量范圍在0.02～2 000 μm，測量的誤差在2%以內，重復測量3次，取其算數平均值(體積百分比)；經儀器分析獲得數據后，分析結果以美國制土壤粒徑標準輸出。依據美國制(USDA)標準[19]劃分為砂礫(0.05～2.0 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)3級，對砂粒進一步劃分為極粗砂(1.0～2.0 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、細砂(0.1～0.25 mm)和極細砂(0.05～0.1 mm)5個粒級，并分別統計各粒徑的體積分數。

2.3 數據分析處理

粒度參數特征值(平均粒徑、標準偏差、偏度、峰度等)通過福克—沃德公式計算。利用Excel 2016和DPS17.10軟件對粒度數據進行作圖和統計分析，采用單因素方差分析進行差異顯著性分析(p<0.05)，粒度各參數計算公式為[23]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Mz為平均粒徑; SK為偏度;δ為標準偏差;KG為峰度;Φx為克魯賓在烏登—溫特沃斯粒級標準基礎上提出的粒度單位,表示粒度累積到x%所對應的粒徑。根據Folk和Wald(1957年)粒度參數分級標準見表2。

表2 Folk和Wald(1957年)粒度參數分級標準[6]

3 結果與分析

3.1 不同植被恢復方式下土壤粒度組成

表3列出了9種植被恢復方式下的土壤粒度組成。可以看出，9種植被恢復方式下的土壤粒度組成均以粉粒和極細砂為主，二者含量之和達到86.26%～90.75%，其中粉粒占60.56%～70.40%、極細砂占15.86%～27.10%;其次為細砂、黏粒，細砂的含量為4.51%～6.72%；黏粒的含量為3.02%～5.48%，中砂、粗砂和極粗砂的含量均較少，極粗砂的含量幾乎為零。9種植被恢復方式中均以粉粒含量在各粒度分級中所占比例最大。黏粒和粉粒含量最高的均為壩地，分別達到5.48%，70.40%，其次為撂荒地，分別為4.02%，65.65%，山杏檸條林最低，分別為3.02%，60.56%。方差分析結果顯示，各林地之間黏粒、極細砂和極粗沙含量表現出差異顯著性(p<0.05)，其他粒級含量均不存在顯著差異(p<0.05)。

表3 不同植被恢復方式下土壤粒度組成特征 %

圖1為不同植被恢復方式下土壤顆粒隨深度的變化，從垂直剖面來看，在0—100 cm土層，各植被恢復方式下黏粒、粗砂、極粗沙和中砂含量分層整體趨于穩定，隨土層深度的增加變化不大，波動較為緩和。粉粒、極細砂和細砂含量均隨土層深度增加變化較為明顯，起伏較大，各層段表現出不同的變化趨勢。細砂主要在0—40 cm，隨著土層深度的加深在減小，在40—100 cm基本是趨于穩定的。極細砂含量除了在壩地波動性較大外，在其他土地方式下基本是從表層到深層呈現緩慢下降趨勢。壩地粉粒含量在0—40 cm基本呈現上升趨勢，40—100 cm呈現波動性變化，整體呈現下降趨勢。苜蓿地粉粒含量表層0—5 cm較低，5—100 cm呈現緩慢上升趨勢。撂荒地的粉粒含量除了表層0—5 cm較低外，5—100 cm變化不大。林地的粉粒含量基本是隨著土層深度的增加呈現增加趨勢，深層明顯要比淺層高。表層土壤中的細顆粒由于受到侵蝕作用的影響，組分容易流失，與10—20 cm土層相比，9種植被恢復方式下0—10 cm土層的粉粒含量所占比例均呈現降低趨勢，降幅在2.77%～17.7%。壩地和苜蓿地的降幅較大，分別降低了17.7%，10.73%，山杏檸條林和山杏沙棘林的降幅較小，分別降低了2.77%，2.83%。

3.2 不同植被恢復方式下土壤各粒級變異系數

從圖2可以看出，不同植被恢復方式下不同粒級土壤的變異系數相差很大，各類土壤不同土層的粒度變異系數也不同。山杏林黏粒、粉粒和砂粒的變異系數的變化規律是一致的，均在5—10，30—40，80—100 cm這3層相對較低，在10—20，40—80 cm相對較高，且40—80 cm各粒級的變異系數均高于0—40 cm；山桃林各粒級的變異系數總體的變化規律也是相似的，呈現先增大后降低再上升的趨勢，粉粒和砂粒的變異系數均在10—20 cm處達到最大，分別為8.81%，12.41%；沙棘林各粒級的變異系數呈波動性變化，黏粒和砂粒的波動性比較大，粉粒的變異系數變化比較平緩，不同土層間差異較小。檸條林各粒級的變異系數變化趨勢也是相似的，基本呈現先下降后上升再下降后上升的趨勢，表土層0—5 cm的變異系數明顯高于5—100 cm。山杏檸條林各粒級的變異系數總體變化規律也是一致的，黏粒和粉粒表土層0—5 cm的變異系數明顯高于5—100 cm。山杏沙棘林各粒級變異系數先后相對平緩，粉粒和砂粒均在5—10 cm的變異系數較高，分別達到7.10%，7.82%，黏粒的變異系數在30—40 cm達到最高為8.40%。壩地各土層砂粒的變異系數相差最大，在20—30 cm達到最大為44.72%，黏粒和粉粒表土層0—5 cm的變異系數明顯高于5—100 cm。苜蓿地各粒級變異系數在0—30 cm變化差異較小，在30—100 cm變化較大，30—80 cm各粒級的變異系數明顯高于0—30 cm。撂荒地各粒級變異系數在20—40 cm均高于其他土層，其他土層變化差異非常小，且均在30—40 cm變異系數達到最高，黏粒、粉粒和砂粒的變異系數分別為26.47%，12.13%，28.96%。

3.3 不同植被恢復方式下土壤粒度參數

平均粒徑反映沉積物粒度分布的集中趨勢。表4結果表明，在0—100 cm土層，9種植被恢復方式下土壤平均粒徑變化范圍在37.14～45.60 μm之間，其中山杏×檸條混交林最大，壩地最小，排序大小依次為：山杏×檸條林>沙棘林>山桃林>檸條林>山杏林>苜蓿地>山杏×沙棘林>撂荒地>壩地。各層段土壤粒度特征表現出不同的變化趨勢，這種變化趨勢是由土壤侵蝕、風力、人類活動和植物本身等眾多因素共同作用產生的。方差分析表明，同一土層之間平均粒徑存在顯著差異(p<0.05)，同一植被恢復方式不同土層間土壤平均粒徑也存在顯著差異(p<0.05)。在垂直剖面上，各植被恢復方式的土壤平均粒徑隨著土層深度的增加整體呈現下降趨勢，表土層0—10 cm明顯高于其他土層。

根據Folk和Wald(1957)粒度參數分級標準(表1)得到9種植被恢復方式下不同土層的粒度參數特征(表5—7)。標準偏差及分選系數反映固體顆粒大小的均勻程度和沉積分選的好壞[6]。由表5可知，在0—100 cm土層各時段，9種植被恢復方式下的土壤標準偏差值介于18.24～90.09之間，說明分選性均極差。其大小排序為：沙棘林>山杏檸條林>苜蓿地>壩地>山杏林>山杏沙棘林>檸條林>山桃林>撂荒地，可以看出撂荒地的分選性相比其他植被恢復方式相對較好；偏度可以判別分布的對稱性，由表6可知，在0—100 cm土層，9種植被恢復方式下的土壤偏度值介于0.185～0.653之間，表明頻率曲線呈正偏或極正偏。峰度是度量粒度分布趨向形態的一種尺度，用以度量粒度分布的中部和尾部展開度之比[4]。由表7可知，在0—100 cm土層，9種植被恢復方式下的峰度平均值介于1.134～1.645之間，表明粒度頻率曲線分布呈尖銳或很尖銳。其中沙棘林表現出很尖銳的峰度值，撂荒地與其他8種植被恢復方式相比有較大的差異。在垂直剖面上，土壤標準偏差、偏度和峰態值均隨著土層深度的增加基本呈現下降趨勢，上層0—10 cm的土壤粒度參數明顯高于下層10—100 cm。這主要與不同的植被恢復方式及對土壤粒度組成的擾動密切相關。

注：土層編號1，2，3，4，5，6，7，8分別代表0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm土層。

表4 不同植被恢復方式下土壤平均粒徑狀況 μm

表5 不同植被恢復方式下土壤標準偏差

表6 不同植被恢復方式下土壤偏度

表7 不同植被恢復方式下土壤峰度

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 通過對寧南黃土區9種不同植被恢復方式下土壤粒度分布特征發現，研究區的土壤主要由粉粒和砂粒組成，屬于粉(砂)壤土，不同植被恢復方式下土壤黏粒、粉粒和砂粒含量的分布不同，且差異顯著。在0—100 cm土層，9種不同植被恢復方式下的土壤粒度組成均以粉粒和極細砂為主，以粉粒含量在各粒度分級中所占比例最大。7個粒級中，壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的粉粒和黏粒含量占比相對較大，其他立地極細砂含量占比相對較大。造成這種差異主要是因為不同植被恢復系統的地塊受擾動的程度以及方式不同[24]，受人類活動擾動越多的土壤，黏粒和粉粒的含量越高，土壤質地就越好。受人類活動擾動少的土壤，土壤母質、植被類型及搬運條件等自然因素和人為因素也會影響粒度的分布[25]。另外也可以看出，研究區的壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的土壤質地相對較好，水土流失現象相比其他林地要輕，保土能力較強。

(2) 研究區不同植被恢復方式土壤剖面粒度變化也存在差異。從垂直剖面來看，在0—100 cm土層，各植被恢復方式下黏粒、粗砂、極粗沙和中砂含量分層整體趨于穩定，隨著土層加深變化不大，較為緩和。粉粒、極細砂和細砂含量均隨土層深度增加變化較為明顯，起伏較大，各層段表現出不同的變化趨勢。說明不同植被恢復方式下地表不同植被及人類擾動對黏土含量的影響不大，對粉粒和砂粒的含量影響顯著。細砂主要在0—40 cm，隨著土層深度的加深在減小，在40—100 cm基本是趨于穩定的。極細砂含量除了在壩地波動性較大外，在其他土地方式下基本是從表層到深層呈現緩慢下降趨勢。粉粒含量除了壩地、苜蓿地和撂荒地在0—40 cm呈現增加趨勢，40—100 cm變化較小外，林地從表層到深層基本是呈現增加趨勢。這主要與人類擾動及林木根系對土壤的影響主要集中在40 cm深度內，在40 cm以下影響較小[26]，故林地的變化趨勢呈現一致性。另外，由于受土壤侵蝕作用的影響，表層土壤中的細顆粒組分容易流失，9種植被恢復方式下0—10 cm土層的粉粒含量所占比例與10—20 cm土層相比均呈現降低趨勢，降幅在2.77%～17.7%。壩地和苜蓿地的降幅較大，山杏檸條林和山杏沙棘林的降幅較小。總體可以看出，研究區由于林草植被覆蓋度較高，人類干擾活動較小，降雨所帶來的徑流造成的水土流失并不明顯。不同植被恢復方式下不同粒級土壤的變異系數也不盡相同，相差很大，其中撂荒地土壤的變異系數除了在20—40 cm變化較大外，其他土層變化相對是最小的。即荒地土壤粒度保留有較多原生土壤粒度組成的特點，而且根系主要分布于20—40 cm，人為擾動較小，黏粒、粉粒和砂粒含量的空間變化相對較小。壩地砂粒的變異系數變化幅度較大，粉粒和黏粒的變異系數變化較小。苜蓿地下層40—100 cm粒度的變異系數明顯要高于上層0—40 cm。林地土壤黏粒和砂粒的的變異系數明顯要高于粉粒，粉粒的變異系數變化相對較小。說明不同粒級的土壤顆粒可能受到外界不同條件的控制，如利用方式、人為活動及管理方式及植被類型等影響，使得不同土層土壤粒度含量的分布差異較大。但是各粒級變異系數的變化規律基本是一致的，黏粒的變異系數最高，其次為砂粒，粉粒最小。這一結果與吳美榕等[18]在新疆伊犁河谷新墾荒地各種類型土壤剖面黏粒和砂粒組分含量的變異均大于粉砂粒含量的研究結論是相吻合的。

(3) 根據粒度參數特征，不同植被恢復方式土壤剖面的粒度參數也存在差異。本研究結果表明，該區域粉砂壤土分選性極差，顆粒粗細分配呈正偏或極正偏，反映出了顆粒分布的集中程度很尖窄。不同立地類型0—100 cm土層土壤平均粒徑大小排序為：山杏×檸條林>沙棘林>山桃林>檸條林>山杏林>苜蓿地>山杏×沙棘林>撂荒地>壩地，可以看出除了山杏沙棘林外，壩地、撂荒地和苜蓿地的平均粒徑均小于其他林地，這與不同的植被恢復方式及對土壤粒度組成的擾動密切相關。另外從土壤標準偏差、土壤峰度也反映出撂荒地與其他8種植被恢復方式相比有較大的差異，撂荒地的分選性相對其他植被恢復方式相對較好，其他植被恢復方式由于受到人類活動、植被類型及地表枯枝落葉的的影響，土壤顆粒發生擾動，使顆粒形態細化或圓化程度增強，所以土壤趨向正偏或極正偏[26]。

4.2 結 論

研究區9種不同植被恢復方式下的土壤粒度組成均以粉粒和極細砂為主，以粉粒含量在各粒度分級中所占比例最大。7個粒級中，壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的粉粒和黏粒含量占比相對較大，其他立地極細砂含量占比相對較大。在0—100 cm土層，黏粒、粗砂、極粗沙和中砂含量分層整體趨于穩定，隨土層的加深變化不大，波動較為緩和。粉粒、極細砂和細砂含量均隨土層深度增加變化較為明顯，起伏較大。撂荒地、山桃林和檸條林的分選性明顯優于其他立地。總體可以看出不同植被恢復方式的土壤粒度分布主要受到植被類型及人類活動擾動等主要因素的影響。其中壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的土壤質地相對較好，水土流失現象相比其他林地要輕，保土能力較強。