谭学进,穆兴民,高 鹏,孙文义,赵广举,顾朝军



黄土区植被恢复对土壤物理性质的影响

谭学进1,穆兴民1,2*,高 鹏1,2,孙文义2,赵广举1,2,顾朝军1

(1.西北农林科技大学,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

以黄土区延河流域为研究区域,研究了近40a来植被恢复对土壤容重、孔隙度和饱和导水率等13个土壤物理性质指标的影响.结果表明:随着植被恢复年限增加,土壤容重降低,而土壤孔隙度、>0.25mm团聚体含量、持水性和入渗性能等增大.但在40a内对土壤质地无显著影响.植被恢复对土壤物理性质的影响随恢复年限的增加而增强,随着土层深度的增加而减弱.土壤的容重、>0.25mm团聚体含量和饱和导水率可作为植被恢复生态效应评价的主要物理指标.由于水分等条件的限制,该区柠条林和草地对土壤物理性质的改善优于刺槐林,建议该区植被恢复应以营造次生灌木林和草地为主.

植被恢复；土壤物理性质；黄土高原

土壤物理性质主要包括土壤质地、土壤容重、孔隙状况及与入渗、持水性能等密切相关的多项指标.不同土层的土壤物理性质,不仅决定土壤水、肥、气、热等肥力状况,而且影响着降雨入渗、地表径流和流域产水产沙;同时也影响着植物群落的发生、发育和演替的速度.植被恢复能有效减少土壤侵蚀和提高土壤质量,在黄土高原水土保持和生态环境建设中占据重要地位.植被与土壤的相互作用过程必然导致土壤结构、水分特征等理化性质产生变化[1-2].研究植被恢复过程对土壤物理特征参数的影响,有助于科学认识黄土高原土壤水文过程,对于植被恢复生态效益评估和区域水土资源的合理利用有着重要作用.

植被恢复对土壤物理性质的影响一直是土壤学及生态学研究热点之一.植被通过根系的生长改变土壤结构,通过根系分泌物、枯落物为土壤输入有机物质,改善土壤质量.黄土高原由于土地利用与覆被变化,特别是退耕还林还草生态建设工程,土壤物理性质必然发生改变,表现为显著改善土壤结构状况[3-5];土壤渗透性能和持水能力显著提高[6-7].退耕林地植被恢复与重建对于改善土壤物理性质有显著影响,土壤容重随退耕年限增加而减小,总孔隙度增加,土壤渗透性和透气性得到改善,退耕草地植被自然恢复(15a),土壤容重降低0.12~0.27g/cm3,土壤总孔隙度提高6.80%~17.01%[8].黄土高原退耕还林还草和植被自然恢复,促进了土壤水稳性大团聚体中有机碳(SOC)的形成,特别是>2mm和2~0.25mm两个粒级的水稳性团聚体及其SOC的含量显著提高[9-10].土壤机械组成和质地状况随植被恢复和自然演替有不同程度的改良作用,土壤中粘粒含量显著增加,团粒含量显著提高,土壤质地有细化的趋势[11-12].与此相反,自然植被遭到破坏后,土壤容重增大,团聚体含量(>0.25mm)降低,土壤蓄水能力减小[13].退耕过程有利于提高土壤饱和导水率,退耕草地植被自然恢复第3~22a,饱和导水率增加了61.9%[14].黄土高原退耕地土壤稳定渗透率随植被恢复年限的延长逐渐增大,土壤稳定渗透率分别是农地的1.78、2.84、3.44倍[15].

黄土高原实施大规模退耕还林还草工程后,许多学者在植被恢复对土壤物理性质的影响方面进行了研究.然而,由于植被恢复作用时间的连续性,其对土壤物理性质变化的影响仍需长期研究.此外,不同植被恢复类型、不同恢复时期条件下土壤物理性质如何变化?哪些土壤物理指标能准确反映植被恢复对土壤物理性质的影响?尚相对缺乏.基于此,本研究以黄土区延河流域为研究区域,研究不同植被恢复类型和不同恢复年限下土壤物理性质的差异,旨在为黄土高原植被恢复与重建提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 样地位置示意

研究区位于陕北黄土高原丘陵区延河流域的纸坊沟和坊塌小流域的墚峁.气候属于中温带大陆性半干旱季风气候,多年平均降雨量和温度分别为505.3mm和8.8℃,年蒸发力1486.7mm,干燥指数=1.48.该地区降水年内分配不均匀,6~9月降雨量占全年71%.土壤类型以黄绵土为主.植被类型为森林草原.随水土流失治理的加强和土地利用结构调整,流域植被有较大恢复和发展,形成了以人工林为主体的植被景观.人工林以刺槐()、小叶杨()、柠条()、沙棘()为主,草地主要为铁杆蒿()、茭蒿()、长芒草()、白羊草()等.

1.2 研究方法

1.2.1 样地选取和土壤采集 对不同退耕年限自然恢复的样地进行了调查与采样,通过多次野外考证,走访农户、年长农民和历届村干部及查阅土地拍卖契约等途径的相互印证,确定各样地的植被恢复年限.根据植被类型分别选取农地(1块)、不同退耕年限人工刺槐林地(2块)、不同退耕年限人工柠条林地(3块)以及不同退耕年限自然草地(3块)等共计9块样地(表1).在样地选择时充分考虑坡度、坡向、海拔和土壤状况等具有相对接近的立地条件,所有样地退耕前均为农地,以保证样地间有良好的可比性.刺槐样地面积20×20m2,柠条、草地样地面积10×10m2.在每块样地采用对角线法选取3个采样点,分两层(0~20cm和20~40cm)采集土样,主要包括:用环刀采集原状土测定土壤容重、饱和导水率和水分特征曲线;铝盒采集原状土用于测定土壤机械组成、有机质含量和水稳性团聚体.在每个取样点旁测定土壤初始入渗速率和稳定入渗速率.

表1 样地基本情况

注:SOM为0~20cm土层有机质含量.

1.2.2 各指标测定方法与计算 土壤物理性质测定多采用(《土壤理化分析》)[16]测定和计算,土壤容重、孔隙度采用环刀法,有机质含量采用重铬酸钾比色法测定,机械组成采用激光粒度仪法(MS2000).入渗速率采用圆盘入渗仪法[17].饱和导水率采用恒定水头法[18-19],其计算公式如下:

式中:s为饱和导水率,mm/min;为流量,mm3;为土柱长度,mm;为土柱截面积,mm2;为测定时间,min;为水头高度,mm.

土壤团聚体稳定性的测定:首先将土样大土块掰成2cm以下的小土块进行风干,然后进行干筛并确定出各个粒级的权重,再根据权重配出50g样品,采用湿筛法[20]确定出每一级水稳性团聚体的重量百分数,再根据下式[21]求出表征团聚体稳定性大小的平均重量直径( MWD) :

式中:MWD为平均重量直径,mm;X为每一级组团聚体的平均直径,mm;W为第X级团聚体的重量百分数,%.

2 结果与讨论

2.1 不同土壤物理要素对植被恢复过程的响应

2.1.1 土壤质地 研究期内黄土区植被恢复对土壤质地无显著影响.土壤机械组成分析(表2)表明,植被恢复后样地的砂粒含量显著低于农地.在各植被类型的表层0~20cm土壤中,只有40a草地和30a草地的砂粒含量显著低于20a草地样地和10a草地.各样地土壤黏粒含量在表层0~20cm和20~40cm土层土壤中均无显著垂直差异.黏粒含量随着植被恢复年限的增加而增加但不显著.各样地20~40cm土层的土壤颗粒组成的变化和表层0~20cm变化基本一致.20~40cm土层的砂粒含量一般高于表层0~ 20cm土壤的砂粒含量.根据土壤颗粒含量查苏联卡庆斯基土壤质地分类表,各样地土壤质地类型均为粉砂壤土.李裕元等[22]对水蚀风蚀交错带植被恢复对土壤物理性质的影响研究发现,30a内植被恢复对土壤颗粒组成无显著影响.

表2 不同植被恢复类型0~20和20~40cm土层的机械组成

注:括号中的数据为标准偏差;同一列数值后的字母相同表示在0.05的概率水平无显著差异.

2.1.2 容重与孔隙度 随植被恢复年限延长黄土区土壤的容重显著减小、总孔隙度显著提高.同一植被下,0~20cm土层的容重显著小于20~40cm土层(<0.01)(表3).在表层0~20cm土壤中,随植被恢复土壤容重变化范围为1.05~1.23g/cm3,略低于黄土高原平均土壤容重(1.24~1.33g/cm3)[23].40a柠条和40a草地的容重显著小于其他样地,农地容重显著大于其他植被;而35a刺槐样地和25a刺槐样地0~20cm土层容重无显著变化.在各植被样地,表层0~20cm土壤的植物根系密度大于20~40cm土层,40a柠条样地和40a草地样地根系密度均大于其他样地,而根系密度与土壤容重存在显著负相关关系[24].不同植被恢复模式下,总孔隙度和毛管孔隙度的变化与容重变化相反.植被恢复后的土壤表层0~20cm和20~ 40cm土层土壤的总孔隙度和毛细孔隙度都显著高于农地(<0.01).在不同植被恢复类型样地表层0~ 20cm中,40a柠条样地和40a草地样地的总孔隙度、40a草地样地和30a草地样地的毛管孔隙度均显著高于同一植被的其他恢复时期.20~40cm土层中,只有40a草地样地的总孔隙度显著高于同植被的其他恢复时期.35a刺槐样地、25a刺槐样地和40a草地样地的非毛管孔隙度显著高于其他样地.土壤的孔隙状况主要受有机质在土壤累积量的影响,植被自然恢复演替过程增加了土壤有机质的积累,从而对土壤孔隙特征有着重要的影响[7].容重和孔隙度的试验结果与赵世伟[5]、付标等[8]研究结果一致.

表3 不同植被恢复类型样地的容重、总孔隙度、毛细孔隙度和非毛管孔隙度

2.1.3 团聚体稳定性 黄土区植被恢复能显著提升团聚体的稳定性.35a刺槐样地0~20cm土层>5mm的团聚体占比最大(表4),而农地0~20cm土层>5mm的团聚体占比最小.农地和植被恢复样地的2~5mm、2~1mm、0.5~1mm、0.25~0.5mm团聚体含量存在显著差异.刺槐样地的>0.25mm团聚体含量最高,其次为40a草地样地.农地的>0.25mm团聚体含量最小,与10a草地样地比较无显著差异.各样地20~40cm土层土壤团聚体含量显著低于0~20cm土层,这与土壤中枯落物的蓄积和植物根系活动密切相关,表层土壤植物根系分布较多且枯落物蓄积量大.植物根系径级£1mm的须根可以提高水稳性团聚体的含量,植物死根可以为土壤提供有机质,活根提供分泌物,作为土粒团聚体的胶结剂,配合须根的穿插和缠结,使土壤中直径>3mm的大粒级水稳性团聚体增加[10,25-26].

表4 不同植被恢复类型0~20cm土层团聚体含量百分比(%)

注:括号中的数据是标准偏差;同一列数值后的字母相同表示在0.05的概率水平无显著差异.

图2 不同植被恢复类型0~20cm土层的平均重量直径

土壤水稳性大团聚体含量的高低与团聚体稳定性大小是衡量土壤结构好坏的重要综合性指标,平均重量直径(MWD)可以较好地反映土壤团聚体的稳定性,MWD越大表示土壤团聚体稳定性越强,土壤结构也就越好[26].植被恢复能明显改善土壤结构性能.30a刺槐样地MWD最大,农地MWD最小(图2),说明刺槐样地团聚体最稳定,而农地团聚体稳定性最差.随着退耕年限的增加,MWD逐渐增加.除10a草地样地MWD较小外,其他植被恢复样地MWD相差不大,表明各样地团聚体稳定性相似.

2.1.4 土壤持水性 黄土区植被恢复能改善土壤的持水性.在0~20cm土层,同一植被样地的土壤田间持水量随着恢复年限的增加而增长,且刺槐>柠条>草地.35a刺槐样地的土壤田间持水量显著高于其他样地(图3),15a柠条样地和各不同恢复时期草地样地的田间持水量与农地存在显著差异.35a刺槐样地的凋萎系数在所有样地中最高(图3a).各样地有效水容量无显著差异.20~40cm土层,田间持水量刺槐>柠条>草地,农地凋萎系数显著大于其他样地,有效水容量差异较大(图3b).影响田间持水量和凋萎系数的主要因素是容重、有机质含量和机械组成,田间持水量和凋萎系数均随粘粒含量和有机质含量的增大而增大[27-29].35a刺槐样地的0~20cm土层的粘粒含量和有机质含量均为中等水平,但田间持水量大于其他植被样地,这可能与35a刺槐样地的水稳性大团聚体含量较高有关.

图3 不同植被恢复类型的田间持水量、凋萎系数和有效水容量

同一列数值后的字母相同表示在0.05的概率水平无显著差异

图4 不同植被恢复类型的土壤入渗速率

2.1.5 土壤入渗速率 黄土区植被恢复能显著增加土壤入渗速率.不同植被恢复条件下,土壤的入渗速率有较大差异(图4).初始入渗速率为CD30> CD40>CD10>NT40>ND>CH25>NT30>NT15>CH35.通常,在相同的供水和土壤条件下,初始入渗率主要由土壤前期含水量决定[30].开始入渗时土壤含水量较高,土壤吸力梯度小,则初始入渗速率较低,随后入渗速率降低较缓慢.开始入渗时土壤前期含水量较低,土壤吸力梯度大,则初始入渗速率较高,随时间延长入渗速率减小幅度大.草地表层0~20cm土壤的初始含水量较低,所以其初始入渗速率较大,而刺槐样地土壤表层0~20cm土壤的前期含水量较大,则初始入渗速率较小.随着入渗试验的进行,土壤入渗速率迅速减小.至20~30min,各样地入渗速率逐渐趋于稳定,柠条和刺槐样地达到稳定入渗速率较快.稳定入渗速率为草地>柠条>农地>刺槐.黄土高原土壤质地、土壤容重、有机质含量、土壤团聚体、土壤孔隙度等,对土壤入渗性能产生了重要影响[31-32].

2.1.6 土壤饱和导水率 黄土区植被恢复能显著提高表层0~20cm土壤的饱和导水率(图5),而对20~40cm土层土壤的影响较小.表层0~20cm土壤的饱和导水率显著大于20~40cm土层土壤,这与容重和孔隙度的变化基本一致.表层0~20cm土壤饱和导水率的变化范围:13.8mm/h(农地)~27mm/h(40a柠条样地);20~40cm土层土壤的饱和导水率变化范围:7.2mm/h(农地)~12mm/h(30a柠条样地),低于王子龙等[14]、彭舜磊等[33]研究结果,这可能与样地的容重、有机质含量不同有关.在土壤表层(0~20cm),40a柠条样地的饱和导水率显著大于其他样地,农地饱和导水率显著小于其他样地,这与王子龙等[14]、彭舜磊等[33]对不同恢复时期植被土壤的饱和导水率的研究成果一致.此外,35a刺槐样地、25a刺槐样地和10a草地样地的饱和导水率与农地的差异不显著.土壤容重、土壤质地、非毛管孔隙度、有机质含量和水稳性大团聚体含量是影响饱和导水率的主要因素[14,33-34].各样地土壤质地无显著差异,柠条样地的容重小于其他样地,非毛管孔隙度、有机质含量大于其他样地,因而其饱和导水率大于其他样地.

图5 不同植被恢复类型的饱和导水率

点上面的字母相同表示它们在0.05的概率水平上没有显著差异

2.2 土壤物理性质关联性分析

容重与田间持水量、凋萎系数、有效水容量相关性未达到显著水平,与其他土壤物理性质均存在显著的负相关关系(<0.05)(表5).毛管孔隙度、总孔隙度与砂粒含量呈极显著负相关,与总孔隙度、粉粒含量、黏粒含量,饱和导水率呈显著正相关.饱和导水率与容重和砂粒含量呈负相关,与其他土壤物理性质呈显著正相关,与田间持水量,凋萎系数和有效水容量无显著相关性.除容重外,砂粒含量与大多数土壤属性呈显著负相关,而粉粒和黏粒与大多数土壤物理性质呈正相关.但土壤机械组成与土壤本身相关,短期内的植被恢复对其影响较小.>0.25mm团聚体含量与大多数土壤物理性质(除毛管孔隙度、粘粒含量、凋萎系数和有效水容量)呈正相关.田间持水量与非毛管孔隙和>0.25mm团聚体含量呈显著正相关.凋萎系数与非毛管孔隙,粉粒含量和田间持水量呈显著正相关,与砂粒含量呈显著负相关.有效水容量与田间持水量显著正相关.李裕元等[22]研究发现土壤容重、总孔隙度以及团聚体稳定性可作为对土壤物理性质评价的主要指标.

表5 土壤物理性质的相关性矩阵

注:BD:容重;CP:毛管孔隙度;NCP:非毛管孔隙度;TP:总孔隙度;Ks:饱和导水率;Aggregates:>0.25mm团聚体含量;Sand:砂粒含量; Silt: 粉粒含量;Clay:粘粒含量;FC:田间持水量;WC:凋萎系数;PC:有效水容量;**表示在0.01 水平(双侧)上显著相关;*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关.

40a柠条样地和40a草地样地的土壤物理性质较其他样地更为优良.对各物理指标进行主成分分析(PCA),结果显示:前两个主成分解释了60.4% (PC1=41.5%,PC2=18.9%)的变化.这表明它们可以解释数据结构的大部分信息.图7为研究区域的散点图和基于两大主要成分的土壤性质之间的关系.除了农地,植被恢复区可以分为三个范畴(图6).第一个范畴为40a柠条样地,物理性质最佳,其黏粒含量、毛管孔隙度、饱和导水率较高,容重和砂粒含量最低.35a刺槐和25a刺槐样地属于第二个范畴,这些样地有较高的田间持水量,凋萎系数、有效水容量、粉粒含量和>0.25mm团聚体含量,但毛管孔隙度、非毛管孔隙度,黏粒含量、饱和导水率、容重和砂粒含量相对较低.第三个范畴包括30a柠条样地、15a柠条样地、40a草地样地、30a草地样地和10a草地样地.这一范畴土壤物理性质相对其他范畴较为中性.

图6 不同植被类型和恢复期基于0~20cm土层的主成分分析(PCA)结果

由于黄土高原水资源短缺,植被恢复过程中存在许多问题[35].研究发现,许多乔木(例如,刺槐和油松)在开始时生长良好,但随着土壤水分的损耗,逐渐长成“小老头”树.在干旱和半干旱地区进行大规模植树造林可能会增加地下水短缺的严重程度,甚至形成土壤干层[36].亦有研究指出,在黄土高原地区,由于水分条件限制,在植被恢复初期,草本植被的植被恢复土壤效应最高,而在中期则是灌木效应更高,乔木对土壤的改良作用在后期才能表现出来[37].分析不同植被类型下土壤水分的变化发现,0~30cm土层,刺槐林土壤含水率最高,而此后急剧下降(图7).在150cm以下土层,刺槐林土壤含水率最小(图7).这进一步表明,刺槐林消耗的土壤水分多于柠条林和草地,不利于植被恢复的可持续性.因此,在该区进行植被恢复时应以灌木和草地为主.

图7 各样地土壤含水率剖面

3 结论

3.1 植被恢复能显著改变土壤物理结构特征. 改善效应随着恢复年限的增加而增强,随土层深度的增加而减弱.植被恢复能显著降低土壤容重,提高土壤孔隙度、>0.25mm团聚体含量,而在研究期内(<40a)对土壤质地无显著影响.

3.2 植被恢复能显著改变土壤水分特征.具体表现为:显著提高土壤饱和导水率(0~20cm土层土壤大于20~40cm土层土壤)和入渗性能.

3.3 容重、>0.25mm团聚体含量和饱和导水率与其他大部分土壤物理参数显著相关,可作为植被恢复生态效应评价的主要物理指标.

3.4 柠条林和草地对土壤物理性质的改善优于刺槐林,考虑到该地区的水分等条件,建议该区域植被恢复类型应以营造次生灌木林和草地为主.

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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

谭学进(1994-),男,湖南长沙人,西北农林科技大学硕士研究生,主要从事生态水文、水土保持研究工作.

2018-06-25

国家自然科学基金资助项目(41671285)

* 责任作者, 研究员, xmmu@ms.iswc.ac.cn