范圣庫(kù) ,高占彪 ,何萬(wàn)義 ,邢存旺 ,馬增旺 ,趙廣智
(1.宣化縣林業(yè)局,河北 宣化 075100;2.張家口市林業(yè)局種苗站,河北 張家口 075000;3.豐寧滿族自治縣林業(yè)局 河北 豐寧 068300;4.河北省林業(yè)科學(xué)研究院 河北 石家莊 050061)
宣化縣黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地土壤物理性質(zhì)的研究
范圣庫(kù)1,高占彪2,何萬(wàn)義3,邢存旺4,馬增旺4,趙廣智4
(1.宣化縣林業(yè)局,河北 宣化 075100;2.張家口市林業(yè)局種苗站,河北 張家口 075000;3.豐寧滿族自治縣林業(yè)局 河北 豐寧 068300;4.河北省林業(yè)科學(xué)研究院 河北 石家莊 050061)
該文依據(jù)不同植被類型與蓋度,對(duì)黃羊?yàn)┥郴恋氐钠拭嫣卣骱臀锢硇再|(zhì)進(jìn)行了野外調(diào)查與室內(nèi)分析,結(jié)果顯示:土壤剖面呈通體沙質(zhì)特征,結(jié)構(gòu)性差;機(jī)械組成以沙粒為主,容重與固相率遠(yuǎn)高于正常的森林土壤,總孔隙度明顯偏低;流動(dòng)沙地存在穩(wěn)定的干沙層,半固定沙地能形成干沙覆蓋,固定沙地不能形成干沙覆蓋層。風(fēng)蝕沙地普遍具有耕性差的特點(diǎn),固定沙地壘結(jié)緊實(shí),流動(dòng)、半流動(dòng)沙地呈粗骨質(zhì)形態(tài)。
黃羊?yàn)?;風(fēng)蝕沙地;物理性質(zhì)
河北省宣化縣黃羊?yàn)┓植贾喈?dāng)數(shù)量的風(fēng)蝕沙化土壤。這類土壤,一方面結(jié)構(gòu)疏散,風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈,是沙塵暴的主要沙源區(qū),是當(dāng)前各類生態(tài)工程治理的重點(diǎn)對(duì)象;另一方面,這類土壤又有一定的潛在肥力,只要搞好水利配套設(shè)施,經(jīng)過(guò)改良是可以逐步利用的,這類土壤是生態(tài)建設(shè)中治理和開發(fā)利用的首要對(duì)象。
土壤的動(dòng)態(tài)變化既是風(fēng)蝕沙化的結(jié)果,也是采取治理技術(shù)的依據(jù)之一,因此,從研究沙化土地的土壤特征入手,摸清不同程度沙化土壤的物理化學(xué)特征,可以根據(jù)沙化土地的主導(dǎo)因子,針對(duì)性地提出適宜的治沙技術(shù)措施。
試驗(yàn)地位于宣化縣黃羊?yàn)┝謭?chǎng)。地處河北省西北部農(nóng)牧交錯(cuò)的中心地帶,為河北省五大沙灘之首,總面積0.97萬(wàn)hm2。屬壩下中低山區(qū),地勢(shì)東南高、西北低,海拔在600~1000m之間。土壤以風(fēng)蝕沙土為主。年均氣溫7.6℃,極端最高氣溫38℃,極端最低氣溫-25.8℃,無(wú)霜期130d,年均降水量365mm,年蒸發(fā)量2000mm,大風(fēng)天數(shù)37~40d,年有效積溫2368~3573℃。主要災(zāi)害性天氣有干旱、沙塵暴、凍害、干熱風(fēng)等。其原生群落為疏林草原,植被種類稀少,且蓋度較低。由于其獨(dú)特的地理位置,形成了風(fēng)多、風(fēng)大、干旱、沙打和沙壓等特殊的局部氣候特征,區(qū)內(nèi)土壤風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重。
在全面勘查的基礎(chǔ)上,將植被類型劃分為沙化林地與沙化草地,按植被綜合蓋度(0~10%,10%~30%,30%~50%,50%~70%和70%以上5個(gè)級(jí)別)分別布設(shè)監(jiān)測(cè)樣地,作為固定標(biāo)準(zhǔn)地。取樣時(shí)間為每年的7月中旬和1月中旬,取樣深度0~60cm,取樣后供室內(nèi)化驗(yàn)分析。
土壤機(jī)械組成的測(cè)定:采用篩分法。
土壤容重:采用環(huán)刀法測(cè)定。
土壤孔隙狀況:采用環(huán)刀一次取樣,室內(nèi)連續(xù)測(cè)定。
黃羊?yàn)╋L(fēng)沙土土壤剖面總體上呈通體沙質(zhì)特征。由于營(yíng)力的不同及營(yíng)力過(guò)程的復(fù)雜性,流動(dòng)沙丘、半固定沙地及固定沙荒地,剖面層次有所不同。流動(dòng)沙丘全為單相沙層,個(gè)別較大沙丘頂部有不明顯的風(fēng)選粗化層;丘間半固定沙地表層有不連續(xù)的結(jié)皮存在,剖面有1~2個(gè)混沙粘土層,雖然粘土層有一定的保水性,但混沙必然削弱其保水性。由于生草過(guò)程與覆沙過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)且強(qiáng)度不同,有機(jī)質(zhì)累積與混沙程度各不相同。固定沙地上部有一個(gè)較厚的粘土層(20~35cm),層次過(guò)渡非常明顯,但從整個(gè)土壤剖面來(lái)看,土壤結(jié)構(gòu)以單粒結(jié)構(gòu)為主,結(jié)構(gòu)性差(見表1)。固定與半固定沙地,裸眼可見根系的分布深度大于1m,這一方面與土壤性質(zhì)有關(guān),另一方面也與發(fā)育的植被有關(guān)。地帶性植被以白榆為主,而且有稀疏的差巴嘎蒿、東北木蓼。土壤水分不足以維持現(xiàn)有植被,植物在水分虧缺的脅迫下發(fā)育了較深的根系,同時(shí),這些植被本身具有深根性。固定撂荒沙地雖遠(yuǎn)不具有草原土類的特征,但根系上有CaCO3根套,土體中有CaCO3結(jié)核,反映了該類土壤的演變趨勢(shì)。
由于所處的地形部位不同以及受植物蒸騰影響,土壤剖面上的含水量隨深度變化也有一定差異。地勢(shì)較低部位的固定沙地,由于受地下水位的影響,土壤含水量隨深度增加而逐漸增大,最大可達(dá)15%~20%。而地勢(shì)比較高的流動(dòng)風(fēng)沙土土壤含水量的變化規(guī)律是:表層0~10cm基本是隨深度增加土壤含水量增大,10cm以下土層的土壤含水量不隨深度增加而變化,在比較干的季節(jié)基本穩(wěn)定在3.5%左右。
表1 典型剖面特征
土壤物理性質(zhì)是衡量林地土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),它對(duì)土壤蓄水保肥能力以及對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用有重要影響。土壤物理質(zhì)量的變化直接影響林木的生長(zhǎng)和林地生產(chǎn)力,反之,不同樹種對(duì)土壤物理質(zhì)量作用不同。風(fēng)蝕沙地土壤理化性質(zhì)如容重、孔隙度、田間持水量以及沙土的機(jī)械組成等直接影響土壤濕度,并且對(duì)降水的再分配起著重要作用。
3.2.1 機(jī)械組成 沙地機(jī)械組成是其本身成土過(guò)程的必然結(jié)果,決定著沙地的持水與保肥能力。細(xì)粒能夠促進(jìn)水分的保持與養(yǎng)分的供給,為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造條件。一般來(lái)說(shuō),沙地水分與營(yíng)養(yǎng)狀況取決于0.05mm以下粒級(jí),該粒級(jí)含量越多,土壤水分與養(yǎng)分含量越高。
黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地不同立地機(jī)械組成分析表明(表2),0.1mm以上沙粒多數(shù)在50%~90%,個(gè)別地段達(dá)到97.38%;0.1~0.05mm粒級(jí)占機(jī)械組成平均值為12.82%;0.05mm以下粒級(jí)占機(jī)械組成平均值為16.82%。這種以粗沙為主體的沙土,持水當(dāng)量較低,保肥供肥性能也相當(dāng)差,不利于植物生長(zhǎng)與植被恢復(fù)。針對(duì)該類沙地,在治沙工程中應(yīng)考慮增施有機(jī)肥料或其他途徑進(jìn)行地力調(diào)節(jié),通過(guò)地力調(diào)節(jié)措施與生物工程措施協(xié)同進(jìn)行,才能實(shí)現(xiàn)固沙改土的治理目標(biāo)。
3.2.2 容重、三相率與孔隙狀況 容重、三相率與孔隙度是土壤物理性質(zhì)的綜合指標(biāo)。一個(gè)系統(tǒng)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響最終將反映到這些指標(biāo)的變化上。土壤容重與三相率的大小取決于機(jī)械組成、結(jié)構(gòu)和壘結(jié)狀況以及有機(jī)質(zhì)含量等因素,能綜合地反映土壤結(jié)構(gòu)、松緊度和土體內(nèi)生物活動(dòng),而且更重要的是影響土壤團(tuán)聚體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的釋放和固定。黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地,土壤容重與三相率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。
總體上講,容重均值為1.61g/cm3,遠(yuǎn)高于正常耕作土壤。同時(shí),固相率普遍大于60%,表明土壤壘結(jié)緊實(shí),與實(shí)地情況相符,即固定沙地板結(jié)嚴(yán)重,流動(dòng)、半流動(dòng)沙地呈粗骨質(zhì)形態(tài)。由表中數(shù)據(jù)可知,風(fēng)蝕沙地經(jīng)過(guò)多年不同方式的經(jīng)營(yíng),就土壤容重及三相率而言沒有發(fā)生本質(zhì)上的改變。經(jīng)統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn),容重、三相率兩個(gè)指標(biāo),林地與未造林自然草地相比沒有顯著差異。造林14~17a的林地(小葉楊),造林后雖對(duì)土壤性狀也有一定程度的改良,但過(guò)程極其緩慢,沒有促成土壤性質(zhì)的根本變化。土壤容重和三相率是風(fēng)蝕沙土的主導(dǎo)因子,這兩個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)是土壤整體性狀變化的標(biāo)志。造成上述結(jié)果的原因在于,一方面,黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕嚴(yán)重,枯枝落葉很難歸還土壤;另一方面,由于當(dāng)?shù)貝毫拥淖匀粭l件限制,植物的生長(zhǎng)量有限;再有就是人工建立的自然生態(tài)系統(tǒng)并不完善,在樹種的選擇、配置上很可能并不符合自然規(guī)律的要求。
表2 黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地典型立地機(jī)械組成
表3 土壤容重與三相率統(tǒng)計(jì)
土壤的孔隙系統(tǒng)由大小各不相同的枝節(jié)狀孔道組成,形成非常復(fù)雜的三度空間網(wǎng)。土壤孔隙的大小與多少制約著土壤的水分保持與供給,直接影響植被的生長(zhǎng)與發(fā)育,對(duì)治沙工程的實(shí)施具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地不同植被蓋度條件的土壤孔隙狀況見表4。
表4 不同植被蓋度條件下土壤孔隙狀況
由表4中可以看出,從植被蓋度為0~10%的未治理的流動(dòng)沙地到植被蓋度達(dá)到70%以上的已經(jīng)治理的固定沙地,土壤總孔隙度都在30%~40%之間,相對(duì)于一般耕作土壤或森林土壤(總孔隙度60%~70%)總孔隙度明顯偏低,說(shuō)明土壤粒級(jí)對(duì)該沙地總孔隙狀況的主導(dǎo)作用,從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了改良該沙地應(yīng)該從增加土壤粘粒這個(gè)方向著手。另一方面,隨著植被蓋度的增加,土壤毛管孔隙度占總孔隙度的比重也增加,說(shuō)明了森林植被對(duì)沙地孔隙狀況的改造效果。雖然造林多年(14~17a)后土壤機(jī)械組成沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)變化,但土壤孔隙狀況已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。
3.2.3 干沙層厚度 干沙層厚度是沙化土地重要的水分特征參數(shù),是干旱、半干旱地區(qū)林業(yè)生產(chǎn)和治沙造林的主要生態(tài)學(xué)指標(biāo),在對(duì)林木供水和土壤水分運(yùn)動(dòng)上也能表明一定的關(guān)系。對(duì)沙地土壤干沙層厚度進(jìn)行研究,可以為合理利用土壤水分,保證植物正常生長(zhǎng)和荒漠化防治提供科學(xué)依據(jù)。
黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地干沙層厚度,在流動(dòng)沙地、半固定沙地及固定沙地上表現(xiàn)出了不同的變化特征。植被稀少(蓋度0~10%)或裸露的流動(dòng)沙地干沙層厚度主要受降水強(qiáng)度影響,變化范圍為1.0~9.7cm。該區(qū)土壤以粗沙為主,毛管作用微弱,降水后以表面蒸發(fā)為主,發(fā)展到一定程度時(shí)(10cm左右)干沙形成覆蓋層,阻斷了水分進(jìn)一步蒸發(fā),形成了穩(wěn)定的干沙層。通過(guò)2個(gè)年度生長(zhǎng)季觀測(cè),半固定沙地與流動(dòng)沙地相比較,相同地段干沙厚度增加了15~30個(gè)百分點(diǎn),但變化趨勢(shì)卻一致,干沙層厚度1.5~11.2cm。分析其原因,半固定風(fēng)沙土機(jī)械成分中粉粒與粘粒含量比流動(dòng)沙地有明顯改善,增強(qiáng)了土壤毛管作用;同時(shí),半固定沙地植物蒸騰消耗的水分也較流動(dòng)沙地量大。與此相對(duì)應(yīng),固定沙地不能形成干沙覆蓋層,干沙厚度主要受降水量影響,當(dāng)連續(xù)無(wú)降水持續(xù)15d時(shí),干沙層厚度可達(dá)到50cm以上,甚至成為通體干沙。這是因?yàn)?,固定沙地土壤毛管作用?qiáng)烈,水分主要以懸著水形式失散,連同相對(duì)強(qiáng)烈的植物蒸騰作用,剖面下層水分持續(xù)散失。
(1)黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地土壤剖面呈通體沙質(zhì)特征。流動(dòng)沙丘全為單相沙層;丘間半固定沙地,表層有不連續(xù)的結(jié)皮存在,剖面有1~2個(gè)混沙粘土層;固定沙地上部有較厚的粘土層(20~35cm),層次過(guò)渡非常明顯,土壤結(jié)構(gòu)性差,以單粒結(jié)構(gòu)為主。
(2)黃羊?yàn)╋L(fēng)蝕沙地,其機(jī)械組成以沙粒為主,容重與固相率遠(yuǎn)高于正常的森林土壤,土壤總孔隙度相對(duì)一般土壤明顯偏低。耕性差,固定沙地壘結(jié)緊實(shí),流動(dòng)、半流動(dòng)沙地呈粗骨質(zhì)形態(tài)。
(3)流動(dòng)沙地存在穩(wěn)定的干沙層,半固定沙地能形成干沙覆蓋,固定沙地不能形成干沙覆蓋層。
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2009-12-08