黃土丘陵區(qū)紅豆草和苜蓿植物籬對(duì)土壤顆粒組成的影響

姚志杰, 張社朝, 陳云明

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省防護(hù)林建設(shè)工作站,西安 710082; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土丘陵區(qū)紅豆草和苜蓿植物籬對(duì)土壤顆粒組成的影響

姚志杰1, 張社朝2, 陳云明3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.陜西省防護(hù)林建設(shè)工作站,西安 710082; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

以苜蓿、紅豆草兩種植物籬為研究對(duì)象，對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地布設(shè)植物籬后不同坡位土壤顆粒含量的變化、土壤分形維數(shù)進(jìn)行研究，分析了植物籬對(duì)土壤顆粒組成的影響。結(jié)果表明：(1) 同坡面相比，中坡及下坡土壤極細(xì)沙粒與粗粉粒含量增加，細(xì)粉粒與黏粒含量減少，出現(xiàn)相對(duì)于上坡的土壤機(jī)械組成粗化現(xiàn)象，且下坡粗化程度大于中坡；(2) 相對(duì)于對(duì)照坡面，植物籬坡面各坡位粗化現(xiàn)象均得到緩解，紅豆草對(duì)土壤顆粒的影響在上坡表現(xiàn)明顯，苜蓿的影響在下坡表現(xiàn)明顯；(3) 坡面土壤分形維數(shù)呈現(xiàn)上部>中部>下部，苜蓿>紅豆草>對(duì)照樣地；(4) 土壤顆粒與土壤分形維數(shù)的相關(guān)性分析顯示，土壤分形維數(shù)與極細(xì)沙粒、粗粉粒呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)，與黏粒呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。

黃土丘陵區(qū); 坡耕地; 植物籬; 土壤分形維數(shù)

土壤是由大小、形狀不同的固體顆粒以一定連結(jié)方式組成的具有自相似性[1]的多孔介質(zhì)，外觀上為不規(guī)則的幾何體[2]，分形維數(shù)是一個(gè)描述具有自相似性的粗糙或零碎的幾何形狀或物體對(duì)空間填充程度的統(tǒng)計(jì)量，為精確描述土壤特性及結(jié)構(gòu)提供了可靠的理論支持[3]。近年來，運(yùn)用分形理論描述土壤物理結(jié)構(gòu)特征作為一種新方法被廣泛應(yīng)用[4-6]。Perfect和Kay[7]把分形理論在土壤學(xué)研究中的應(yīng)用分為3類：(1) 描述土壤的物理特征；(2) 建立土壤的物理過程模型；(3) 定量分析土壤的空間變異性。土壤分形維數(shù)在表征土壤顆粒組成、大小的同時(shí)，還可以反映土壤質(zhì)地的均一性[8]；土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)研究表明，分形維數(shù)可以反映土壤的肥力狀況[9]；分形維數(shù)與反映土壤沙質(zhì)荒漠化的土壤有機(jī)質(zhì)含量以及植物重要值顯著相關(guān)[10]；土壤分形維數(shù)還可以用于模擬與預(yù)測(cè)土壤的水分特征[11]。

植物籬技術(shù)是指沿坡地等高線密植木本植物、灌木、多年生草本植物或灌草結(jié)合的植物籬帶并間以農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)保護(hù)土地資源、提高土地生產(chǎn)力的一種農(nóng)林復(fù)合的土地利用技術(shù)。植物籬技術(shù)自20世紀(jì)90年代初被引入我國(guó)以后，在水土保持方面發(fā)揮了重要作用[12]，我國(guó)學(xué)者在植物籬推廣的過程中對(duì)植物籬進(jìn)行了大量研究，研究表明：植物籬通過根部阻擋徑流，減小流速，降低徑流的挾沙能力，細(xì)溝不易形成，進(jìn)而減少土壤侵蝕[13-14]；植物籬可以顯著提高土壤中>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和機(jī)械穩(wěn)定性[15]；汪三樹[16]對(duì)桑樹的研究表明桑樹地埂植物籬對(duì)坡耕地土壤的影響范圍主要集中在籬帶30 cm以內(nèi)，其外則受農(nóng)田耕作的影響更大；馬云等[17]的研究表明皇竹草植物籬對(duì)黏粒攔截作用顯著，黏粒在籬前產(chǎn)生富集作用，且土壤分形維數(shù)與粉粒、黏粒的含量呈正相關(guān)關(guān)系，劉霞等[18]在沂蒙山區(qū)的研究表明土壤分形維數(shù)可以較好的反映植物群落對(duì)土壤顆粒組成的影響，認(rèn)為土壤分形維數(shù)是一項(xiàng)評(píng)價(jià)土壤物理結(jié)構(gòu)的綜合性指標(biāo)。

目前國(guó)內(nèi)植物籬研究進(jìn)展南北差異較大，北方研究較少，且國(guó)內(nèi)對(duì)植物籬防止水土流失方面的研究多集中對(duì)土壤流失總量的研究，對(duì)土壤中不同顆粒成分的深入研究較少。在本文以黃土丘陵溝壑區(qū)植物籬作用下的土壤為研究對(duì)象，研究植物籬作用下坡面不同部位的土壤顆粒分形維數(shù)的變異，有利于了解植物籬作用下土壤顆粒狀況的變化及其空間分布格局，為植物籬在黃土丘陵區(qū)的應(yīng)用和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

安塞地處黃土高原中部，東徑108°51′44″—109°26′18″，北緯36°30′45″—37°19′31″，海拔997～1 731 m，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)。土壤類型上處于黃綿土與沙黃土交錯(cuò)區(qū)，主要土類黃土性土，包括黃綿土、綿沙土、灰綿土3個(gè)亞類，占總土地面積的88.36%，是主要耕作土壤。氣候上處于暖溫帶半濕潤(rùn)向半干旱過渡區(qū)，年均溫8.8℃，無霜期157 d；年平均降雨量505.3 mm，受季風(fēng)的影響，四季降水分配很不均勻，夏季最多，平均282.4 mm，占年降水量的56%；年總輻射量492.20 kJ/cm2，以6月份總輻射最高，占年總輻射量的13%。境內(nèi)水土流失嚴(yán)重，水土流失面積占總土地面積的97%左右，土壤侵蝕模數(shù)一般在4 000～15 000 t/(km2·a)，多年平均輸沙量2 388萬t，年平均輸沙量達(dá)8 373 t/km2，屬?gòu)?qiáng)度水土流失區(qū)。

研究區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站敦山試驗(yàn)地，試驗(yàn)地建立徑流小區(qū)3個(gè)，分別為苜蓿植物籬徑流小區(qū)、紅豆草植物籬徑流小區(qū)和空白對(duì)照小區(qū)，小區(qū)寬5 m，長(zhǎng)20 m，坡度22°～24°，每條植物籬帶布設(shè)植物4行，行距30 cm，帶寬1 m左右，蓋度70%～90%,帶間距4 m，其間不種植作物，定期清理雜草。

試驗(yàn)地在試驗(yàn)前為沙棘林徑流小區(qū)，2011年秋進(jìn)行整地、深耕，徹底清理沙棘地上地下部分，并于2012年4月開始布設(shè)植物籬，進(jìn)行一年預(yù)處理以減少沙棘林對(duì)土壤的影響，至2013年11月已經(jīng)歷兩個(gè)完整的生長(zhǎng)周期。

1.2 樣品采集與分析

2013年11月上旬，在徑流小區(qū)坡面的上、中、下坡位分別選取代表性植物籬帶5條，在帶內(nèi)及籬帶上部30，60 cm處采集0—20 cm的表層土壤，帶內(nèi)取樣兩次，其余取樣一次，每條籬帶共取樣品四個(gè)，每個(gè)樣品取樣時(shí)重復(fù)三次，混合成一個(gè)土樣，樣品帶回室內(nèi)去除雜物后風(fēng)干，過2 mm篩備用。每種植物籬小區(qū)的樣品均取自同一小區(qū)。

測(cè)定前用雙氧水浸泡24 h，去除有機(jī)質(zhì)，然后用超純水浸泡24 h，確保土粒分散。粒度測(cè)量用中科院水土保持研究所重點(diǎn)室MS-200激光粒度分析儀(英國(guó)馬爾文公司產(chǎn))分析測(cè)得。該儀器的測(cè)量范圍是0.02～2 000 μm，重復(fù)測(cè)量誤差小于2%，試驗(yàn)中測(cè)得粒徑分11個(gè)級(jí)別：0～0.001，0.001～0.002，0.002～0.005，0.005～0.01，0.01～0.02，0.02～0.05，0.05～0.1，0.1～0.2，0.2～0.25，0.25～0.5，0.5～2 mm。

1.3 土壤分形維數(shù)計(jì)算方法

楊培嶺等[2]通過假設(shè)不同直徑土粒具有相同密度的方式推倒了土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)，但是有學(xué)者質(zhì)疑不同土粒具有相同密度這一假設(shè)[19]。本文參考楊培嶺的推導(dǎo)過程，進(jìn)行土壤顆粒粒徑分形維數(shù)的推倒，過程如下：

設(shè)大于某一粒徑di(di>di+1，i=1，2,3，……)的土粒的體積為V(δ>di)，則：

(1)

式中：δ——顆粒直徑；A，k——描述形狀、尺度的常數(shù)；D——土壤的分形維數(shù)。

以di表示兩粒徑di與di+1之間粒徑的平均值，則：

(2)

(3)

由(2)，(3)可知：

(4)

(5)

或

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒徑結(jié)構(gòu)變化

由表1可知，所測(cè)試的土樣樣品中極細(xì)沙粒(0.05～0.1 mm)的含量為26.22%～28.67%，粗粉粒(0.02～0.05 mm)為38.89%～42.07%，細(xì)粉粒(0.002～0.02 mm)為15.54%～18.85%，黏粒(<0.002 mm)為5.20%～6.74%，較大土壤顆粒的規(guī)律性較差，部分樣品不含中砂、粗砂與極粗砂，分析時(shí)把極粗砂、粗砂、中砂與細(xì)砂歸為一類，統(tǒng)稱沙粒(0.1～2 mm)，其變化范圍為8.40%～11.15%。苜蓿、紅豆草植物籬小區(qū)的土壤粒徑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相同趨勢(shì)，坡面從上至下，極細(xì)砂粒、粗粉粒表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，極細(xì)沙粒含量增加幅度分別為4.8%和4.5%，粗粉粒含量增加幅度分別為3.1%和3.9%；細(xì)粉粒與黏粒表現(xiàn)出含量減少的趨勢(shì)，細(xì)粉粒減少幅度分別為8.3%和6.2%，黏粒減少幅度分別為10.6%和4.4%。紅豆草徑流小區(qū)土壤主要顆粒成分包括極細(xì)沙粒、粗粉粒、細(xì)粉粒和黏粒等在上坡與中坡及上坡與下坡之間的含量差異均達(dá)顯著水平；苜蓿徑流小區(qū)中極細(xì)沙粒、粗粉粒在上坡與下坡及中坡與下坡之間的含量差異達(dá)到顯著水平，細(xì)粉粒僅在上坡與下坡之間達(dá)到顯著?？梢娭参锘h的存在對(duì)坡面顆粒的空間分布有顯著影響，且不同植物籬對(duì)土壤顆粒的影響不同：紅豆草對(duì)土壤顆粒分布的影響在上坡表現(xiàn)的更顯著，且影響顆粒范圍比苜蓿植物籬廣，對(duì)較細(xì)小的顆粒也能產(chǎn)生顯著影響；苜蓿對(duì)土壤顆粒的影響在下坡表現(xiàn)的更顯著，而且其影響主要集中在極細(xì)沙粒與粗粉粒等較大顆粒?？瞻讓?duì)照小區(qū)中土壤顆粒在不同坡位的含量差異除細(xì)粉粒在中坡與下坡之間達(dá)到顯著水平外，其余各粒徑的百分含量在各坡面的差異均不顯著。

表1 各徑流小區(qū)不同坡位表層土壤粒徑結(jié)構(gòu) %

同列不同大寫字母表示不同徑流小區(qū)間差異顯著，同行不同小寫字母表示不同坡位間差異顯著(P<0.05)。

2.2 土壤粒徑分布的分形特征

根據(jù)土壤粒度儀分析得出的土壤粒徑體積數(shù)據(jù)，結(jié)合上述分維數(shù)計(jì)算過程，可得到各土壤樣品的土壤分形維數(shù)(圖1)。

結(jié)果顯示，從上坡至下坡，紅豆草徑流小區(qū)的分形維數(shù)為2.529 3，2.512 4和2.508 8；苜蓿徑流小區(qū)為2.511 4，2.507 1和2.501 7；對(duì)照徑流小區(qū)為2.487 1，2.492 1和2.481 5。同一徑流小區(qū)，分形維數(shù)表現(xiàn)出上坡>中坡>下坡，紅豆草徑流小區(qū)分形維數(shù)變化量為0.020 5，苜蓿徑流小區(qū)為0.009 7，對(duì)照徑流小區(qū)為0.005 6；不同小區(qū)之間，相同坡位的土壤分形維數(shù)的大小均是紅豆草>苜蓿>對(duì)照。土壤的分形維數(shù)越大，土壤質(zhì)地越細(xì)，土壤的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越容易形成良好土壤結(jié)構(gòu)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，植物籬處理可增大土壤分形維數(shù)，降低不同坡位之間土壤分形維數(shù)的差異，即植物籬能改善土壤狀況，促進(jìn)土壤形成良好土壤結(jié)構(gòu)，且紅豆草植物籬效果高于苜蓿植物籬。

對(duì)土壤各粒徑與土壤分形維數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示極細(xì)沙粒和粗粉粒與土壤分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.632(P<0.01)，-0.728(P<0.01)，即極細(xì)沙粒與粗粉粒含量越高，土壤分形維數(shù)越低；黏粒與土壤分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.333(P<0.05)，即黏粒含量越高，土壤分形維數(shù)越高；細(xì)粉粒與土壤分形維數(shù)的相關(guān)性不顯著。該研究區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)，水力侵蝕對(duì)該區(qū)的土壤侵蝕有重要影響，侵蝕發(fā)生時(shí)往往是土壤表層細(xì)顆粒物質(zhì)首先流失，黏粒與細(xì)粉粒會(huì)早于粗粉粒與極細(xì)沙粒產(chǎn)生流失，從這方面說土壤中極細(xì)沙粒與粗粉粒的含量反映土壤的粗化程度，由此可以得出結(jié)論：土壤分形維數(shù)可以描述該地區(qū)土壤的粗化程度。

圖1 各坡面不同坡位土壤的粒徑組成關(guān)系

3 結(jié)論與討論

在徑流小區(qū)內(nèi)通過兩年的植物籬栽培，分析小區(qū)內(nèi)不同位置土壤的分形維數(shù)，結(jié)果表明，從上坡至下坡，土壤不同粒徑顆粒含量出現(xiàn)規(guī)律性變化，其中極細(xì)砂粒、粗粉粒的百分含量在下坡得到提升，細(xì)粉粒與黏粒在下坡百分含量有所降低，說明經(jīng)過降雨的沖刷，土壤的機(jī)械組成出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，且下坡粗化程度高于上坡，這一點(diǎn)與符素華的研究結(jié)果相似[20]，而與王曉燕的研究結(jié)果不同[21]。顆粒含量差異的顯著性分析顯示不同植物籬對(duì)顆粒的影響稍有不同，這一點(diǎn)可能與植物籬物種特性包括枝條密度、根系數(shù)量、根系分布等以及栽植密度有關(guān)，需要進(jìn)一步研究分析。

土壤中的細(xì)小顆粒能促進(jìn)土壤形成良好土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力供應(yīng)能力，其中土壤黏粒的含量與土壤碳氮含量之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)[22]。不同坡面間進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，植物籬處理的小區(qū)極細(xì)砂粒、粗粉粒的百分含量小于對(duì)照坡的最低百分含量，而細(xì)粉粒與黏粒的百分含量高于對(duì)照坡面的最高百分含量，即植物籬小區(qū)土壤粗化程度低于對(duì)照小區(qū)，說明植物籬可以減小徑流對(duì)土壤的侵蝕作用，改變坡面土壤的機(jī)械組成，提高細(xì)粉粒與黏粒的含量?？梢娭参锘h在保持坡面土壤肥力方面具有重要意義。

土壤是一種多孔介質(zhì)，土壤分形維數(shù)作為反映土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地性狀一種重要參數(shù)，實(shí)際上反映了土壤顆粒的大小組成和對(duì)空間的填充能力。土壤分形維數(shù)越大，小顆粒含量就越高，土壤質(zhì)地越細(xì)，微小孔隙的數(shù)量就越多，土壤結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜；土壤分形維數(shù)越小，則越難形成復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)運(yùn)用分型模型對(duì)土壤的分形維數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，植物籬小區(qū)的土壤分形維數(shù)高于對(duì)照小區(qū)的土壤分形維數(shù)，植物籬小區(qū)區(qū)內(nèi)土壤分形維數(shù)差異小于對(duì)照小區(qū)，可見植物籬對(duì)促進(jìn)土壤形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)、防止坡面因徑流侵蝕而快速粗化方面有積極作用。

大量深入的研究植物籬與土壤之間的關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步運(yùn)用土壤分形維數(shù)描述土壤結(jié)構(gòu)以及在促進(jìn)植物籬的推廣方面等都具有重要意義。

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EffectofSainfoinandAlfalfaHedgerowonSoilParticlesinLoessHillyRegion

YAO Zhi-jie1, ZHANG She-chao2, CHEN Yun-ming3

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.ShaanxiWorkStationofShelterForestsConstruction,Xi′an710082,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To figure out the effect of hedgerow on soil particles in loess hilly region, the particle contents and fractal dimension of soil were measured, and the their correlation were analyzed at different slope positions in alfalfa and sainfoin hedgerows. The results showed that: (1) very fine sand and coarse silt contents increased from the top slope to the bottom slope, but contents of fine silt and clay decreased from the top slope to the bottom slope. Therefore, the coarsening of soil increased from the top slope to the bottom slope;(2) compared with control slope，hedgerows had significant effect on reducing the coarsening of soil at different slope positions, the effect of sainfoin hedgerow is more effective on soil particle in the top slope, while alfalfa hedgerow is more effective on the bottom slope; (3) the soil fractal dimension at different slope positions showed as following order: the top>the middle>the bottom, and for the order different hedgerow plots was alfalfa>sainfoin>control; (4) the fractal dimension of soil has negative correlation with the contents of very fine sand and coarse silt (P<0.01), and has positive correlation with content of clay (P<0.05).

loess hilly areas; sloping land; hedgerow; fractal dimension of soil

2013-01-20

：2014-02-20

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃“農(nóng)田水土保持關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2011BAD31B05-02)

姚志杰(1988—),男,河南淮陽縣人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田水土保持。E-mail:yaozj2011@163.com

陳云明(1967—),男,陜西省澄城縣人,研究員,博士,主要研究方向?yàn)橹脖簧鷳B(tài)。E-mail:ymchen@ms.iswc.ac.cn

S714

：A

：1005-3409(2014)06-0020-05