于沛,郭宏,魏浩爽,丁丽,杨鑫,许中旗

(河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

土地是由多种要素(土壤、气候、水文、生物、地形地质及人类活动等)构成的自然—社会—经济复合型生态系统[1]。人类为了达到一定的需求和目的，依据土地的自然特征，运用各种方法和手段对土地进行的一系列改造开发活动称为土地利用[2-3]。依据土地利用地域差异和土地利用现状分类，所形成的具有不同利用方向和特点的土地利用类别称为不同土地利用方式或类型[4]。随着经济全球化的发展，我国土地资源的开发利用取得一定成果的同时，也出现了一系列的生态环境问题，科学合理的土地利用方式变得越来越重要。

土地利用方式发生改变时必然会引起土壤物理性质的改变，土壤物理性质主要包括土壤容重、各种孔隙度与持水量及土壤颗粒组成等[5-6]。土壤容重与土壤结构质地、持水能力及抗侵蚀能力密切相关，对土壤肥力及植物生长有重要的影响[7-8]。土壤颗粒之间的孔洞和团聚体之间的结构孔洞被称为土壤孔隙[9]。在自然状态下，单位容积土壤中孔隙容积所占的百分数被称为土壤孔隙度，其大小与植物的生长密切相关[10-11]。土壤总孔隙度分为毛管孔隙度和非毛管孔隙度，不同土地利用方式下土壤孔隙度的状况不同[12-13]。土壤水分参与土壤中的各种物理、化学和生物学过程，与土地利用方式相互作用相互影响[14]。土壤水分常数是指有一定物理意义的土壤含水量，常见的土壤水分常数有：最大持水量、毛管持水量和田间持水量等[15]。土壤最大持水量的大小直接反映了土壤涵养水源、调节水分的能力，土壤毛管持水量的大小代表涵养水源能力的大小，土壤田间持水量代表供植物用于生长发育的水分情况[16-19]。土壤粒径分布特征在一定程度上反映了土壤的侵蚀情况，不同土地利用方式下的植被根系会影响土壤的结构孔隙状况，进而影响土壤粒径的分布[20]。随着研究的深入，研究学者开始注重从定量的角度研究土壤的几何形状，引入分形维数D，它不仅反映土壤粒径的大小和质地组成的均一程度，还能反映出不同土地利用方式对土壤结构和性质的影响[21-25]。

张北坝上地区位于我国典型的北方农牧交错带区域，其独特的环境条件及人为干扰活动形成了多样的土地利用方式。近年来，该区域生态问题愈加严重，严重制约了当地的可持续发展。因此，科学认识该区域不同土地利用方式对土壤理化性质的影响，进而选择合理的土地利用方式，对生态系统的恢复与维持有关键性的作用。本试验选择张北县4种典型的土地利用方式(围封林地、围封新造林地、未围封林地和耕地)为研究对象，对不同土地利用方式下土壤的物理性质各指标进行分析，探究不同土地利用方式对土壤物理性质的影响，为冀西北坝上地区土地资源的合理利用、植物多样性保护及植被恢复与重建提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于河北省西北部坝上地区的张北县，地理坐标为北纬 41°03′～41°27′，东经 114°20′～114°58′，海拔高度为1 318～1 498 m，属于农牧交错带典型地段。研究区属温带大陆性气候，无霜期 90～110 d，多年平均气温10.1 ℃，极端高温33.4 ℃，极端低温-34.8 ℃，≥0 ℃积温1 900～2 700 ℃，≥10 ℃积温1 300～2 200 ℃，年日照时间可达2 600～3 100 h，年降雨量不足400 mm，主要集中在6至9月，南北部降水相差较大，北部少于400 mm，而南部坝头可达500 mm左右，蒸发量大，昼夜温差大。春季干燥少雨，夏季降水少而集中，秋季气温下降迅速，冬季寒冷干燥。每年约有50～70 d风力达6级(10.8～13.8 m/s)以上。研究区主要地带性土壤为栗钙土，土壤pH为5.52～7.37。

1.2 样品采集

在每块样地内分别随机选取表面均匀平整、未经扰动的3个取样点，除去表层的枯枝、落叶及草根，每隔10 cm，按从上到下的顺序，用环刀和铝盒分别对土壤进行采样，挖取至50 cm处(具体土壤剖面为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm)，保证环刀内的土壤为原状土，带回室内以备测定分析土壤的各项物理特性。

1.3 测定指标及数据处理

1.3.1 土壤容重的测定 将取完土样的铝盒、环刀带回室内分别称重，做好记录；用烘干法计算土壤的自然含水率[26]；最后根据以下公式计算环刀内干土的重量(A0)及土壤容重。

(1)

土壤容重=A0/V

(2)

式中：W1代表环刀与自然结构土壤质量、W2代表环刀质量、a代表新鲜土样的自然含水率、V代表环刀容积。

1.3.2 土壤含水量及孔隙度指标的测定 同时采用环刀法测定土壤持水量、毛管含水量和饱和含水量[26]。并采用如下公式计算土壤的孔隙度指标：

毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重

(3)

非毛管孔隙度=(饱和含水量-毛管持水量)×土壤容重

(4)

土壤总孔隙度=毛管孔隙度+非毛管孔隙度

(5)

1.3.3 土壤粒径分析及分形维数 采用丹东百特仪器公司生产的Bttersize 2 000激光粒度分析仪进行测定。采用王国梁的土壤颗粒体积分形模型计算[27]土壤分形维数，公式如下：

(6)

式中：D为土壤颗粒体积分形维数；λV为常数(土壤粒径分级中最大的粒径数)；r为土壤粒径；R为某特定的粒径；V(r

D值的计算：

①计算11个粒级区间上下限的算术平均值，此值为所对应区间的特定粒径R；

②根据粒级区间计算粒径小于R的土壤颗粒的总体积(%)V(r

③对公式两边取对数得到lg(V/VT)和lg(R/λV)，生成不同特定粒径和对应的累积体积含量分布的对数曲线；

④根据最小二乘法对回归曲线进行拟合，公式中的3-D为该直线的斜率，从而得到分形维数D值。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤容重的影响

关于不同土地利用方式下不同土层土壤容重的分析结果见表1。

表1 不同土地利用方式不同土层土壤容重变化

该研究区域土壤容重变化范围为1.49～1.65 g/cm3，土壤容重整体水平偏大，土壤通透性较差，其中未围封林地土壤容重平均值最高，为1.64 g/cm3，其次为围封新造林地(1.63 g/cm3)和围封林地(1.62 g/cm3)，最低的为耕地1.58 g/cm3。0～20 cm土层，不同土地利用方式下土壤容重差异显著，主要表现为：耕地土壤容重最低，未围封林地最高，二者差异显著。20 cm土层以下，不同土地利用方式的土壤容重无显著差异。

不同土地利用方式下土壤容重的垂直变化趋势大体一致，均随土层加深先增大后减小，0～10 cm土层土壤容重最低，10～40 cm土层土壤容重较高。其中，耕地表层土壤容重显著低于下层，其他3种土地利用方式下土壤容重在土层的垂直剖面上无显著差异。

综上所述，不同土地利用方式对土壤容重的影响差异显著，但是不同土地利用方式下，土壤容重垂直方向的变化趋势基本一致。

2.2 不同土地利用方式对土壤孔隙度的影响

关于不同土地利用方式不同土层土壤孔隙度特征指标的分析结果见表2。

表2 不同土地利用方式不同土层土壤孔隙度特征指标

不同土地利用方式对0～50 cm土层的土壤平均总孔隙度、平均毛管孔隙度、平均非毛管孔隙度有显著影响，耕地的3个指标均显著高于其他土地利用方式，这可能与耕地反复耕作和施用有机肥有关。且不同土地利用方式间3个孔隙度指标的大小关系相同，从大到小依次为：耕地、围封林地、围封新造林地、未围封林地。

4种土地利用方式下，各土壤孔隙度特征指标在土壤垂直结构上差异显著，其中表层的孔隙度指标明显高于下层，均随土层的加深而下降。结合土壤容重的分析结果可得，随着深度增大，土质变得较紧实，土粒之间的孔隙变小，植物根系减少，土壤容重增加，导致孔隙度指标减小。

2.3 不同土地利用方式对土壤水分方面的影响

关于不同土地利用方式下不同土层土壤水分物理特性的分析结果见表3。

表3 不同土地利用方式下不同土层土壤水分物理特性

不同土地利用方式下土壤最大持水量与毛管持水量的均值均存在显著差异，主要表现为耕地(25.77%，20.10%)显著高于围封新造林地(22.92%，18.33%)和未围封林地(21.54%，17.26%)，与围封林地(23.42%，18.44%)无显著差异，其变化规律与土壤总孔隙、毛管孔隙度一致。不同土地利用方式下土壤田间持水量均值差异显著，从高到低依次为：耕地(15.56%)、围封林地(14.75%)、围封新造林地(14.75%)、未围封林地(13.52%)。这表明：研究区内不同土地利用方式对土壤的供水性能和持水性能的影响基本一致，均是耕地的最高，其次为围封林地和围封新造林地，未围封林地最低，这表明耕地和围封样地可以提高土壤的供水和持水能力，由于牲畜践踏使得未围封林地的土壤供水和持水能力显著下降。

0～20 cm土层中，不同土地利用方式对土壤最大持水量、毛管持水量及田间持水量影响均存在显著差异，30～50 cm土层中，耕地由于施用有机肥使其显著高于其他土地利用方式，其他土地利用方式间无显著差异，这表明不同土地利用方式对土壤最大持水量、毛管持水量及田间持水量的影响主要集中于表层土壤，对深层土壤影响较微弱。

在土壤垂直剖面上，不同土地利用方式下的土壤水分物理特性指标均随深度的增加而呈降低趋势，且差异显著，上层指标均高于下层指标，这与土壤孔隙度指标的趋势一致。

2.4 不同土地利用方式对土壤粒径组成及分形维数的影响

关于研究区土壤颗粒粒级分布的分析结果见图1。

图1 研究区土壤颗粒粒级分布三角图

研究区内各土地利用方式下，砂粒含量最高，在78.92%～88.89%之间(平均值83.35%)，其次是粉粒含量，在9.63%～17.99%之间(平均值14.04%)，最低的为黏粒含量，在1.48%～3.54%之间(平均值2.61%)，砂粒含量占主导地位，显著高于粉粒、黏粒含量，该地区大部分土壤质地属砂质壤土，一小部分属砂土及壤质砂土，这表明土壤沙化严重。

关于不同土地利用方式下不同土层颗粒组成及分形维数的分析结果见图2。

图2 不同土地利用方式下不同土层颗粒组成及分形维数特征差异

不同土地利用方式0～30 cm土层的粒径分布差异较大，0～20 cm土层中，围封林地的黏粒含量、粉粒含量最高，其次为耕地、围封新造林地，未围封林地最低，砂粒含量与之相反；20～30 cm土层中，耕地的黏粒、粉粒含量增加，且显著高于其他3个林地，砂粒含量也与之相反。30 cm土层以下，不同土地利用方式的粒径分布无显著差异；不同土地土地利用方式0～10 cm和20～30 cm土层中分形维数D值存在显著差异，其余土层差异不显著。0～10 cm土层中围封林地D值最高，其次为围封新造林地和耕地，未围封林地最低；20～30 cm土层中，耕地D值最高，其次为围封新造林地和未围封林地，围封林地最低。

关于不同土地利用方式下土壤颗粒组成及分形维数的垂直分布见图3。

图3 不同土地利用方式下土壤颗粒组成及分形维数的垂直分布特征

在垂直方向上，不同土地利用方式的土壤黏粒、粉粒体积含量及分形维数D值均随土壤深度的增加而呈现波动下降的趋势，土壤砂粒体积含量的趋势与之相反。

3 讨论与结论

土壤容重小，表明土壤疏松多孔，其结构通透性良好，有较高的潜在肥力；反之，容重大，表明土壤紧实板结且缺乏团粒结构，结构通透性差。一般表征土壤松紧合适的容重值为(1.1～1.4 g/cm3)，大于1.4 g/cm3的土壤较紧，而小于1.1 g/cm3的土壤较松[28]。研究区土壤容重均大于1.4 g/cm3，说明张北县土壤整体容重偏大，土壤较紧，潜在肥力不足，且结构通透性较差。由于大量施用有机肥和耕作措施，耕地的土壤更加疏松，具有良好的通透性，有利于作物的生长，使得耕地的土壤容重低于其他土地利用方式，土壤孔隙度高于其他土地利用方式。温延臣等研究学者在其研究中也指出长期施用有机肥有利于形成良好的土壤结构，在一定程度上降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，证明了此观点[29]；围封林地和围封新造林地由于封育措施减少了外界的干扰，植被覆盖率得到提升，枯落物的量有所增加，土壤中的植物根系错综交织，增大了土壤的孔隙度，降低了土壤容重，增强了土壤的稳定性；未围封林地由于牲畜踩踏和啃食使得地表植被稀疏，裸露地面增加，风化现象严重，使得土壤结构稳定性较差，且加上踩踏破坏，土壤孔隙度减小，土壤容重增大。

研究区位于干旱半干旱地区，独特的气候环境使得当地年降水量较少，但蒸发量很大，水成为制约当地植被生长和发育的关键因子。而土壤持水性能反映了土壤对水的吸收和存贮能力，是土壤水分管理中不可或缺的重要组成[30]。不同土地利用方式对土壤供水能力和持水能力的差异性影响相似，均是耕地最高，围封林地和围封新造林地次之，未围封林地最低。这是由于长期的耕作，有效地改良了耕地的土壤物理性质。而未围封林地由于放牧等人为干扰，使其水分条件发生了恶化，封育措施限制了这些干扰，所以水分条件得到了有效恢复。战海霞在其研究中也发现封育措施下土壤的持水状况较好，而放牧状态下土壤的持水状况较差，验证了此观点，但其耕地的持水状况与本研究存在差异，其原因与当地的施肥、灌溉等人为干扰因素有关[31]。

土壤粒径分布特征作为土壤最基本的物理性质之一，即与土壤结构、母质状况及成土过程有非常密切的关系，同时也对土壤水分的运动过程及肥力状况有重要影响，更是反映土壤侵蚀特征的重要指标。整体来看，张北县土壤容重整体偏大，砂粒含量高于70%，黏粒含量低于10%，土壤质地较粗，土壤颗粒分形维数D值整体偏低，说明该地区土壤条件较差，植物生长环境比较恶劣。王红营等学者对冀西北坝上地区土壤颗粒组成的研究中也表明该地区砂粒含量高于70%，与本研究结果基本一致[32]。这主要与当地复杂的环境因子及人类干扰活动密不可分，该区域常年干旱多风，再加上不合理的土地利用方式对土壤结构稳定性的破坏，加剧了水土流失、风蚀、土壤侵蚀等现象。不同土地利用方式下，土壤粒径分布存在差异：耕地的浅层土(0～30 cm)黏粒、粉粒含量较高，是由于长期耕作改善了表层的土壤条件。而在深层土(>30 cm)中，耕地和其他土地利用方式的粒径分布无显著差异，这是因为农作物根系很少达到深层，在耕作中仅有上层土壤得到了明显改良。整体来看，研究区0～50 cm土层中土壤颗粒分形维数D值介于2.26～2.42之间(平均值2.37)，低于最佳土壤颗粒体积分形维数(2.65左右)[33]，这表明研究区内土壤中缺乏细粒物质，土壤质地粗化，保蓄能力较弱。耕地的浅层土(0～30 cm)D值整体高于其他土地利用方式，深层土(>30 cm)中，耕地和其他土地利用方式的D值无显著差异，这也是由于耕作过程只改良了浅层土的物理性质。