不同植被類型對(duì)黃河三角洲貝殼堤土壤水文功能的影響

魏曉明，夏江寶，孔雪華，任加云，楊吉華

貝殼堤是由海生貝殼及其碎片和細(xì)砂、粉砂、泥炭、淤泥質(zhì)黏土薄層組成，與海岸大致平行或交角很小的堤狀地貌堆積體。黃河三角洲位于渤海西南岸，境內(nèi)分布有兩道貝殼堤，向北與天津、河北地區(qū)的貝殼堤相連，形成國內(nèi)獨(dú)有的貝殼灘脊海岸，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了該生境特殊的堆積型鏈狀島群［1］。黃河三角洲貝殼堤在維持與穩(wěn)定海岸地貌、海平面變化及氣候變化等方面占有極其重要的地位。貝殼堤土壤及淡水資源缺乏，常受海風(fēng)和風(fēng)暴潮襲擊；同時(shí)受人為干擾的影響，植被呈現(xiàn)不同程度的退化，導(dǎo)致水土流失加劇。貝殼堤生境下的植被恢復(fù)與重建可起到防風(fēng)固沙、保持水土的功能，對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義［2－3］。隨著距離海岸帶遠(yuǎn)近的不同，貝殼堤植被呈現(xiàn)一定的地帶性特征，目前對(duì)貝殼砂生境不同植被類型下的生態(tài)水文物理特性尚不明確，以致于基于土壤水文功能和蓄水保土效益為經(jīng)營目的的植被模式配置受到較大限制。

土壤層是森林水文作用的第3個(gè)活動(dòng)層，被稱為大氣降水的“蓄存庫”和“調(diào)節(jié)器”，而土壤質(zhì)地及植被類型的不同使土壤層蓄水保土能力有較大差異［4－6］。土壤水文物理特征是森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中林分結(jié)構(gòu)與功能的綜合體現(xiàn)，常被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)［7－8］。土壤層的貯蓄及調(diào)節(jié)水能力與土壤容重、孔隙度等基本物理指標(biāo)和土層厚度密切相關(guān)［4－5，7］。土壤水分入滲是明確地表徑流調(diào)節(jié)機(jī)制及土壤侵蝕防治研究的重要指標(biāo)，與土壤理化性質(zhì)關(guān)系較大［9－10］。目前對(duì)土壤蓄水功能的研究主要以山丘區(qū)的不同植被類型為主［5－8］，而對(duì)海岸帶防護(hù)林的土壤改良及其保持水土功能研究較少［11－12］。黃河三角洲貝殼堤生境不同立地類型下的植被改善土壤水文物理性質(zhì)及涵養(yǎng)水源能力的分析尚未見報(bào)道，在一定程度上限制了貝殼堤防護(hù)林植物材料的選擇及其栽植管理。為此，本研究選取距離泥質(zhì)海岸帶由遠(yuǎn)到近的向海側(cè)、灘脊地帶及向陸側(cè)的三種植被類型為分析對(duì)象，對(duì)其改良鹽堿狀況、土壤物理性狀、滲透性能及土壤層貯蓄水分能力進(jìn)行對(duì)比分析，以期為黃河三角洲貝殼堤水土保持防護(hù)林的空間布局及模式配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東濱州市無棣縣中東部濱海低地的汪子島（38°14′30″N，117°54′38″E），屬于暖溫帶東亞季風(fēng)大陸性半濕潤氣候區(qū)，年均降水量為550 mm，6—9月降雨量占全年降雨量的71%，蒸降比為4.4。貝殼堤海拔在5m以下，地下水水位淺，礦化度高。貝殼砂平均厚度達(dá)1.0～2.5m，土壤類別主要是貝殼砂土類和濱海鹽土類，向海側(cè)和向陸側(cè)以濱海鹽漬土為主，成土母質(zhì)由風(fēng)積物和鈣質(zhì)貝殼土壤組成。植被類型以杠柳（Periploca sepium）、酸棗（Ziziphus jujuba var.spinosa）和檉柳（Tamarix chinensis）等灌木樹種和二色補(bǔ)血草（Limonium bicolor）、翅堿蓬（Suaeda salsa）和狗尾草（Setaria viridis）等草本植物為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2012年7月中旬，在山東省濱州市貝殼堤島與濕地國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的汪子島內(nèi)，以距離海岸帶遠(yuǎn)近選取3種典型植被類型，各植被類型基本狀況詳見表1。分別為向海側(cè)分布的以檉柳、二色補(bǔ)血草為主的鹽生灌草植被，灘脊地帶分布的以酸棗、杠柳及狗尾草為主的旱生灌草植被，向陸側(cè)分布的以翅堿蓬為主的鹽生草本植被，并以灘涂貝殼砂裸地作為對(duì)照。每種植被類型下選取3個(gè)10m×10m的標(biāo)準(zhǔn)地，每標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按S形均勻布設(shè)5個(gè)取樣點(diǎn)，按0—20cm和20—40cm分層取樣，風(fēng)干后分層混勻進(jìn)行土壤pH值和含鹽量測(cè)定；同步挖取土壤剖面測(cè)定土壤容重與孔隙度。植被覆蓋度采用網(wǎng)格目估法進(jìn)行測(cè)定，每樹種各選取30株進(jìn)行樹高和基莖的測(cè)定。

表1 貝殼堤不同植被類型的基本狀況

2.2 測(cè)定方法

土壤pH值采用pH值計(jì)（水土比5∶1）測(cè)定；可溶性鹽采用重量法測(cè)定，水土比按5∶1浸提，振蕩30 min后靜置過濾，吸取10ml過濾液至稱過重量的蒸發(fā)皿中，110℃下加熱烘干至恒重，并加入50%H2O2氧化殘留的有機(jī)質(zhì)，最后稱重。雙環(huán)法測(cè)定水分在土壤中的滲透速度，內(nèi)、外環(huán)直徑分別為30和50cm，雙環(huán)高度均為35cm，用橡膠錘打入土壤中20cm，人工定量加水到水頭深10cm，雙環(huán)在試驗(yàn)時(shí)維持最低水深5cm，秒表計(jì)時(shí)，利用內(nèi)環(huán)中的標(biāo)尺讀取在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的水量，達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)測(cè)定結(jié)束。烘干法測(cè)定土壤含水量；環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、孔隙度等，并計(jì)算土壤貯水量等各項(xiàng)土壤水文物理指標(biāo)［9，13］。不同植被類型土壤水文功能的綜合評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，計(jì)算公式為：

式中：X（u）——隸屬函數(shù)值；Xi——各植被類型某指標(biāo)的平均值；Xmin，Xmax——不同植被類型中某指標(biāo)內(nèi)的最小值和最大值。如果所測(cè)指標(biāo)與質(zhì)效呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，則反隸屬函數(shù)值為1－X（u）。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同植被類型下的土壤容重和孔隙度

由表2可以看出，在土壤垂直結(jié)構(gòu)上，除灘涂裸地外，灘脊地帶的旱生灌草、向海側(cè)的鹽生灌草植被及向陸側(cè)的鹽生草本植被等3種植被類型的土壤容重均表現(xiàn)為0—20cm低于20—40cm，可見貝殼堤土壤表層土質(zhì)較疏松，土壤緊實(shí)度降低，即植被覆蓋下表層土的土壤孔隙度較大。這與其地表有枯落物分解形成一定厚度的腐殖質(zhì)層有很大關(guān)系，土壤孔隙度較大也利于改善表層土的土壤結(jié)構(gòu)，促其形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。旱生灌草植被兩個(gè)土層的土壤毛管孔隙度占總孔隙度的比例分別為81.3%和82.0%，而鹽生灌草和鹽生草本植被兩個(gè)土層的比例分別為74.2%，73.8%和70.9%，71.7%。表明貝殼堤旱生灌草植被土壤中有效水的貯存容量較大，利于樹木根系對(duì)水分的有效利用，有利于形成土壤微生物生存、土壤有機(jī)質(zhì)分解、土壤養(yǎng)分形成與積累的物理環(huán)境。因此，貝殼堤島灘脊地帶旱生灌草植被下的土壤可提供酸棗、杠柳等灌木利用土壤有效水分的潛力較大。

在0—40cm的土層內(nèi)，旱生、鹽生灌草植被及鹽生草本植被的土壤容重均值分別比裸地降低20.8%，14.5%和8.5%，而3種植被類型下的土壤總孔隙度分別比裸地高46.1%，21.8%和17.1%。這可能與灘脊地帶旱生灌草植被茂盛，凋落物豐厚，利于貝殼砂土壤的分解細(xì)化有關(guān)；而向海側(cè)經(jīng)常受海浪侵蝕，植被郁閉度低，檉柳退化嚴(yán)重，季節(jié)性淹水使草本植被生長(zhǎng)也較弱；向陸側(cè)鹽分含量高，草本植被覆蓋度低，從而土壤改良效應(yīng)較弱。3種植被類型下的土壤孔隙比分別表現(xiàn)為：旱生灌草地（1.20）＞鹽生灌草地（0.83）＞鹽生草地（0.78）＞裸地（0.60），不同植被類型的土壤上、下土層孔隙比的大小變化規(guī)律也基本一致。造成3種植被類型土壤物理性質(zhì)存在差異的原因，可能與不同植被類型覆蓋下的枯落物組成、分解狀況和地下根系的生長(zhǎng)發(fā)育不同有一定關(guān)系［6］。從土壤容重和孔隙度綜合分析，灘脊地帶旱生灌草植被的土壤通氣、透水及持水狀況均比較協(xié)調(diào)，表明灘脊地帶旱生灌草植被改良土壤基本物理性能最好。因此，在黃河三角洲貝殼堤3種植被類型中，土壤基本物理性狀表現(xiàn)為灘脊地帶的旱生灌草植被好于向海側(cè)的鹽生灌草植被，而向陸側(cè)的鹽生草本植被改良土壤容重和孔隙度效果較差。

表2 貝殼堤不同植被類型的土壤容重和孔隙度

3.2 不同植被類型下的土壤pH值和含鹽量

土壤含鹽量和pH值變化狀況是黃河三角洲鹽堿地反映植被改良土壤效應(yīng)的重要參數(shù)［13－14］。由圖1可知，貝殼砂生境3種植被類型各土層的土壤pH值和含鹽量均低于灘涂裸地各土層的對(duì)應(yīng)值，其中0—40cm土層土壤pH值均值大小表現(xiàn)為：旱生灌草地＜鹽生灌草地＜鹽生草地＜裸地，分別比裸地降低11.6%，1.7%和0.5%。旱生灌草、鹽生灌草、鹽生草本植被的土壤含鹽量均值分別比裸地下降了88.2%，59.0%和54.2%。這與向海側(cè)和向陸側(cè)微地形下土壤本身鹽堿含量較高，而且地表覆蓋度低、蒸發(fā)量大有關(guān)。而灘脊地帶由于海拔較高，植被覆蓋度高，在一定程度上抑制了地表蒸發(fā)，因此，灘脊地帶灌草植被降鹽功能較好。向海側(cè)鹽生灌草植被中檉柳為典型的泌鹽植物，所以降鹽抑堿功能優(yōu)于向陸側(cè)的單一草本植被。從垂直變化來看，3種植被類型下的土壤含鹽量均表現(xiàn)為0—20cm低于20—40cm土層；而pH值除裸地和旱生灌草植被表土層高于20—40cm土層外，鹽生灌草和草本植被均表現(xiàn)為表土層低于20—40cm土層?？梢?，在貝殼砂生境下，不同類型的植被對(duì)土壤均具有一定的壓堿抑鹽效果，表土層由于受枯枝落葉分解及覆蓋的影響，改良鹽堿效果優(yōu)于20—40cm土層。

圖1 貝殼堤不同植被類型下的土壤含鹽量和pH值

3.3 不同植被類型下的土壤入滲特征

土壤表層的入滲特征對(duì)地表徑流的產(chǎn)生和流域產(chǎn)流量產(chǎn)生重要影響，是分析地表徑流產(chǎn)生與否的前提和基礎(chǔ)［15－16］。由圖2可以看出，貝殼堤3種植被類型土壤表層的滲透能力表現(xiàn)為：向陸側(cè)鹽生草＜灘脊地帶旱生灌草＜向海側(cè)鹽生灌草＜裸地，其中初始入滲率分別比裸地（10.34mm／min）下降了58.2%，44.9%和25.9%；穩(wěn)滲速率分別比裸地（5.78mm／min）下降了66.3%，46.1%和24.6%。一般來說，林地土壤的滲透性能越大，越利于降雨的下滲，不易形成地表徑流，利于土壤水分的貯存，但由于沙地土壤孔隙較大，易漏水、保水性能差，因此，在一定程度上，土壤滲透性能的減弱有利于土壤水分的貯存［11－12］。灘脊地帶的旱生灌草和向陸側(cè)的鹽生灌草兩種植被類型，均表現(xiàn)為土壤滲透性降低，即土壤沙性減弱，土壤表現(xiàn)出一定的保水性能，并且旱生灌草植被低于鹽生灌草植被。但向陸側(cè)的鹽生草本植被，由于貝殼砂中混有較多的泥質(zhì)鹽堿土，土壤密實(shí)性較大，通氣和透水性能降低，嚴(yán)重抑制了水分的下滲，因此其土壤貯蓄降雨的能力較弱。而灘涂裸地由于受海風(fēng)的吹蝕，使其表層細(xì)小顆粒移動(dòng)較大，表層土壤沙化嚴(yán)重，大顆粒貝殼砂較多，因此，初始入滲和穩(wěn)定入滲能力均較強(qiáng)，漏水嚴(yán)重，不利于土壤水分的貯存?？梢?，貝殼砂灘脊地帶旱生灌草植被改善土壤物理狀況的效果最佳，其土壤水分滲透能力比灘涂裸地的明顯降低，有利于土壤水分和肥力的保持，其次為向海側(cè)的鹽生灌草植被，而向陸側(cè)鹽生草本植被的土壤滲透能力最低，易形成地表徑流。

3.4 不同植被類型下的土壤蓄水性能

土壤蓄水能力的增強(qiáng)能有效滲蓄降水，防止水土流失的發(fā)生［8－10］。由表3可以看出，3種植被類型下的土壤飽和貯水量表現(xiàn)為：灘脊地帶旱生灌草＞向海側(cè)鹽生灌草＞向陸側(cè)鹽生草，0—40cm土層的土壤飽和貯水量分別是裸地的1.46，1.22和1.17倍，表明不同植被類型在減少地表徑流，增強(qiáng)貝殼砂土壤蓄水及防止水土流失等方面均有一定作用，但不同植被類型之間差別較大，其中最大的是灘脊地帶旱生灌草植被，其次為向海側(cè)的鹽生灌草植被，而向陸側(cè)的草本植被由于土壤通氣和透水性能差，其土壤水分貯蓄及調(diào)節(jié)能力均較弱。土壤蓄水能力主要表現(xiàn)在土壤毛管貯水能力上，土壤毛管貯水能力越高，土壤蓄水能力就越強(qiáng)。旱生灌草、鹽生灌草及鹽生草本植被0—40cm土層的毛管貯水量分別是裸地的1.85，1.40和1.29倍；表明不同植被類型改善了土壤蓄水性能，但以灘脊地帶旱生灌草植被下的土壤蓄水性能最佳。

圖2 貝殼堤不同植被類型下的土壤入滲過程

表3 貝殼堤不同植被類型的土壤蓄水性能

0—40cm土層的非毛管貯水量大小表現(xiàn)為：旱生灌草＜鹽生灌草＜鹽生草＜裸地。表明貝殼堤灘脊地帶更利于貯存供植物生長(zhǎng)利用的土壤水分，向陸側(cè)鹽生草本植被的土壤蓄水能力較弱，這與其草本層植被覆蓋度低，土壤鹽分含量高有一定關(guān)系。從垂直結(jié)構(gòu)來看，3種植被類型的土壤蓄水能力均表現(xiàn)為0—20cm高于20—40cm土層，表明表層土壤貯存水分的能力較強(qiáng)，這與其枯枝落葉分解形成一定厚度的腐殖質(zhì)層和根系微生物活動(dòng)有一定關(guān)系。

3.5 不同植被類型的土壤水文生態(tài)功能評(píng)價(jià)

貝殼堤3種植被類型土壤水文功能評(píng)價(jià)共選取12個(gè)指標(biāo)，分別為土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、孔隙比、pH值、含鹽量、初始入滲速率、穩(wěn)定滲透速率、毛管貯水量、非毛管貯水量和飽和貯水量。3種植被類型下各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值詳見表4。由表4可知，向海側(cè)鹽生灌草下隸屬函數(shù)值較高的指標(biāo)為土壤容重、非毛管孔隙度、含鹽量、初始入滲率、穩(wěn)滲速率和非毛管貯水量，主要表現(xiàn)在土壤容重和滲透特征上。灘脊地帶旱生灌草下隸屬函數(shù)值較高的指標(biāo)為土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、孔隙比、pH值、含鹽量、毛管貯水量和飽和貯水量，主要表現(xiàn)在土壤孔隙結(jié)構(gòu)、降鹽抑堿和貯水量特征上。向陸側(cè)鹽生草本下隸屬函數(shù)值較高的指標(biāo)為非毛管孔隙度、含鹽量和非毛管貯水量上。由隸屬函數(shù)總合計(jì)值可知，3種植被類型的土壤水文功能表現(xiàn)為灘脊地帶旱生灌草土壤水文功能最佳，其次為向海側(cè)鹽生灌草，而向陸側(cè)鹽生草本較差。

表4 貝殼堤不同植被類型下各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

4 結(jié)論

（1）黃河三角洲貝殼堤三種植被類型具有一定的改善土壤物理結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤通氣性和透水性能的作用，使貝殼砂土壤容重減小、孔隙度增大，且這種作用效果上層明顯高于下層土壤。3種植被類型對(duì)土壤均有一定的壓堿抑鹽效應(yīng)，灘脊地帶旱生灌草植被的土壤鹽堿改良效果最佳，其次為向海側(cè)的鹽生灌草植被，而向陸側(cè)的鹽生草本植被降鹽抑堿效果較差，并且不同植被類型表土層降鹽堿效果優(yōu)于20—40cm土層。

（2）在以向海側(cè)和灘脊地帶貝殼砂為主的梯度帶內(nèi)，土壤滲透能力的降低在一定程度上有利于土壤保水保肥供植物利用；隨著距離海岸帶的變遠(yuǎn)，土壤的滲透能力逐漸減弱。0—40cm土層的土壤飽和貯水量和毛管貯水量表現(xiàn)為：灘脊地帶旱生灌草＞向海側(cè)鹽生灌草＞向陸側(cè)鹽生草＞裸地，而非毛管貯水量則與之相反。3種植被類型的土壤貯水能力均為0—20cm高于20—40cm土層。

（3）采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)，從土壤的水分物理指標(biāo)及鹽堿改良狀況綜合來看，貝殼堤3種植被類型的土壤水文功能表現(xiàn)為：灘脊地帶的旱生灌草植被＞向海側(cè)的鹽生灌草植被＞向陸側(cè)的鹽生草本植被較差。

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