植被恢復(fù)對(duì)典型黑土表層土壤壓縮性和承載能力的影響1)

韓少杰　王恩姮　羅松　陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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植被恢復(fù)對(duì)典型黑土表層土壤壓縮性和承載能力的影響1)

韓少杰王恩姮羅松陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

以恢復(fù)年限分別為14、36、50 a的落葉松人工林及相鄰耕地表層土壤(0～10 cm)為研究對(duì)象，采用快速固結(jié)試驗(yàn)法，對(duì)土壤孔隙比、壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，分析植被恢復(fù)對(duì)典型黑土表層土壤壓縮性、承載能力的影響。結(jié)果表明：土壤孔隙比、壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力，均隨恢復(fù)年限的增加而增加，壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力變化范圍分別為0.231～0.399、4.2～100.0 kPa。落葉松林地土壤壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力，均顯著高于耕地土壤(p<0.05)；隨植被恢復(fù)年限的增加，典型黑土表層土壤壓縮性、承載能力逐漸提高，耕性有所增強(qiáng)。土壤力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與理化性質(zhì)之間，表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(p<0.05)；壓縮指數(shù)與土壤黏粒比例、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間關(guān)系更為緊密(p<0.01)；先期固結(jié)壓力與土壤黏粒比例呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。植被恢復(fù)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加；土壤密度和黏粒比例的降低，是黑土表層土壤壓縮性增加、土壤承載能力增強(qiáng)的重要原因。

植被恢復(fù)；黑土；土壤；土壤壓縮性；土壤承載能力

To explore the changes of black soil’s compressibility and load support capacity in the restoration process, we took the topsoil (0-10 cm) in typical black soil region with vegetation restoration of 14, 36 and 50 years and the nearby farmland as test objects. We used fast oedometer test to measure and calculate soil mechanical parameters, soil void ratio, the compression index and the pre-compression stress. The soil void ratio, compression index, and pre-compression stress were increased with the increasing year of vegetation restoration. The values of compression index and pre-compression stress were varied in 0.231-0.399, 4.2-100.00 kPa, respectively. The compression index and pre-compression stress of soils at different age larch plantations were significantly higher than those of tillage soil (p<0.05), that is, the compression index, pre-compression stress and the tilth of soil were increased with the increasing of recovery years. The soil bulk density, clay proportion decreased and the mass fraction of organic matter were increased with the increasing of recovery years, and good linear regressions were between bulk density, clay proportion, the contents of organic matter and soil mechanical properties. Bulk density had a negative influence on compression index (p<0.05), the correlation between the contents of organic matter, clay proportion and compression index were closer (p<0.01). Clay proportion also had a negative influence on pre-compression stress (p<0.01). Therefore, degree of soil compaction decrease, soil compressibility and load support capacity were increased with the increasing of recovery years. The conceivable reasons for increasing the soil compressibility and load support capacity were the decrease of soil bulk density, clay proportion and the increase of the content of organic matter due to the vegetation recovery.

從土壤力學(xué)角度出發(fā)，探究壓實(shí)過程中土壤性質(zhì)的變化備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[1-3]。通過土力學(xué)中固結(jié)試驗(yàn)得到的土壤壓縮曲線，常用來表征土壤的壓實(shí)行為；由壓縮曲線進(jìn)一步得到的土壤壓縮指數(shù)和先期固結(jié)壓力，則被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤的壓實(shí)敏感性和壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)[4]。由于土壤壓縮指數(shù)反映了土壤壓縮性的大小，所以壓縮性的大小與土壤耕性呈正相關(guān)[5]；先期固結(jié)壓力又反映了土壤面對(duì)外界壓力時(shí)的抵抗能力[6-7]；因此，土壤壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力，可以反映出土壤承載能力的大小和耕性的優(yōu)劣。

作為我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，東北黑土區(qū)廣泛采用機(jī)械化耕作。機(jī)械化作業(yè)，一方面，推進(jìn)了農(nóng)業(yè)集約化進(jìn)程，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率；另一方面，也帶來了相當(dāng)程度的土壤壓實(shí)，引發(fā)了一系列土壤生態(tài)環(huán)境問題；因此，進(jìn)而會(huì)嚴(yán)重威脅到了作物產(chǎn)量[8-9]。為了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，在黑土區(qū)開展了大量的植被恢復(fù)與林業(yè)生態(tài)建設(shè)工作，對(duì)恢復(fù)及提高黑土質(zhì)量、保護(hù)黑土資源起到了巨大促進(jìn)作用[10-11]。已有許多學(xué)者對(duì)黑土區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分及微生物等特征的變化，開展了大量研究工作[10-13]，而有關(guān)植被恢復(fù)過程中土壤力學(xué)特性變化的研究報(bào)道較少。為此，筆者以典型黑土區(qū)不同林齡落葉松人工林及耕地表層土壤為對(duì)象，測(cè)試分析植被恢復(fù)對(duì)土壤壓縮性、承載能力的影響，旨在揭示表層土壤壓縮指數(shù)與先期固結(jié)壓力的變化規(guī)律及影響因素，為黑土區(qū)植被恢復(fù)與土壤生態(tài)修復(fù)提供參考。

1　材料與方法

土壤樣品：于2015年6月份取自黑龍江省克山農(nóng)場(chǎng)14連隊(duì)。在立地條件相似地段，選擇林齡分別為14、36、50 a的長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensishenry)人工林(均為退耕還林)，分別設(shè)置1塊20 m×20 m的臨時(shí)樣地，同時(shí)以臨近耕地為對(duì)照；用土工試驗(yàn)專用環(huán)刀(直徑6.18 cm)采集0～10 cm土層深度的原狀土樣，采集完成后迅速用保鮮膜封好；每塊樣地設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)3次重復(fù)。用常規(guī)方法測(cè)定了各樣地土壤理化性質(zhì)(見表1)。

固結(jié)試驗(yàn)采用快速試驗(yàn)法，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為最后1 h變形量不超過0.01 mm，荷載序列設(shè)置為12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0、800.0、1 600.0 kPa。試驗(yàn)采用南京產(chǎn)GZQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀(高壓)進(jìn)行，分別測(cè)定了各級(jí)壓力下試樣固結(jié)1 h的累計(jì)變形量以及最后一級(jí)荷載下的穩(wěn)定變形量；對(duì)試樣在各級(jí)荷載下的總變形量進(jìn)行校正后，計(jì)算了各級(jí)荷載固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比、土壤壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力[14]。

用SPSS 18.0和Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用單因素方差分析對(duì)樣本進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，用Pearson相關(guān)性對(duì)各變量進(jìn)行相關(guān)分析。

表1　試驗(yàn)地林分特征及土壤理化性質(zhì)

注：數(shù)字后同列不同小寫字母表示不同樣地間在p<0.05水平下差異顯著。

2　結(jié)果與分析

2.1壓縮過程中土壤孔隙比的變化

土壤孔隙比是指土壤中孔隙體積和固體顆粒體積的比值，反映了土壤的密實(shí)程度，對(duì)土壤物理和力學(xué)性質(zhì)有很大影響[15]。研究結(jié)果表明：不同恢復(fù)年限落葉松林土壤孔隙比，均表現(xiàn)出了隨垂直荷載增加而持續(xù)下降的一致性規(guī)律；但不同恢復(fù)年限試樣土壤孔隙比，在壓縮過程的不同階段下降程度有所不同(見圖1)。耕地土壤，當(dāng)垂直荷載達(dá)25 kPa時(shí)，土壤孔隙比相對(duì)于初始孔隙比已顯著降低(p<0.05)；而不同恢復(fù)年限落葉松林地土壤，只有當(dāng)垂直荷載超過50 kPa后，土壤孔隙比才出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象(p<0.05)。這說明，植被恢復(fù)后土壤抵抗外界壓力的能力有所增強(qiáng)。

由圖1還可看出，土壤孔隙比始終表現(xiàn)出隨著恢復(fù)年限的增加而增加的趨勢(shì)。其中：恢復(fù)50、36 a的落葉松林地表層土壤孔隙比，顯著高于恢復(fù)14 a的林地和耕地(p<0.05)；而恢復(fù)50 a和36 a落葉松林地之間、恢復(fù)14 a林地和耕地之間，表層土壤孔隙比差異未達(dá)顯著水平。這一方面說明，隨著恢復(fù)年限的增加，土壤密實(shí)程度有所降低；另一方面說明，落葉松林對(duì)表層土壤密實(shí)程度的影響，需要一個(gè)較為長(zhǎng)期的過程才能得以顯現(xiàn)。

圖1　不同恢復(fù)年限黑土土壤孔隙比-垂直荷載關(guān)系

2.2壓縮指數(shù)的變化

壓縮指數(shù)是指土壤在外界壓力下被壓縮的程度，常用作土壤壓實(shí)敏感性[16]、土壤耕性評(píng)價(jià)的指標(biāo)[5]。試驗(yàn)結(jié)果表明：各處理試樣土壤壓縮指數(shù)介于0.231～0.399之間(見表2)；與耕地相比，所有林地土壤壓縮指數(shù)均顯著高于耕地(p<0.05)。說明植被恢復(fù)后，土壤壓縮性均有明顯提高，土壤耕性有所改善。隨著恢復(fù)年限的增加，土壤壓縮指數(shù)呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，其中：恢復(fù)50 a林地土壤壓縮指數(shù)顯著高于其余樣地(p<0.05)；而恢復(fù)36 a和14 a林地土壤之間差異未達(dá)顯著水平。雖然這與土壤孔隙比隨恢復(fù)年限的變化規(guī)律不完全一致(見2.1)，但亦反映出植被恢復(fù)對(duì)土壤物理-力學(xué)性質(zhì)具有顯著改良效果，且恢復(fù)年限越長(zhǎng)、效果越明顯。

表2　土壤壓縮指數(shù)與先期固結(jié)壓力

注：數(shù)字后同列不同小寫字母表示不同樣地間在p<0.05水平下差異顯著。

2.3先期固結(jié)壓力的變化

先期固結(jié)壓力是指天然土層歷史上承受過的最大固結(jié)應(yīng)力，在黏性土壤中反應(yīng)更多的是土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力[17]。土體先期固結(jié)壓力越大，抵抗外界壓力、保持原有結(jié)構(gòu)的能力越強(qiáng)，在國外被廣泛作為評(píng)價(jià)土壤承載能力指標(biāo)[4，18]。研究結(jié)果顯示：各樣地土壤先期固結(jié)壓力介于4.2～100.0 kPa。與耕地相比，不同恢復(fù)年限林地土壤先期固結(jié)壓力均顯著高于耕地(p<0.05)，說明植被恢復(fù)顯著提高了土壤的承載能力。隨著恢復(fù)年限的增加，各樣地土壤先期固結(jié)壓力呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，其中：恢復(fù)50 a林地土壤先期固結(jié)壓力，顯著高于恢復(fù)14 a的(p<0.05)；而恢復(fù)14 a和36 a林地土壤、恢復(fù)36 a和50 a林地土壤先期固結(jié)壓力之間，差異未達(dá)顯著水平。Manfred[1]等對(duì)植被恢復(fù)后土壤先期固結(jié)壓力的變化進(jìn)行了4 a的連續(xù)觀測(cè)，結(jié)果顯示：土壤先期固結(jié)壓力，在4 a中總體上呈上升趨勢(shì)。本研究與該研究結(jié)果相吻合。

3　討論

土壤壓縮性受土壤密度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒組成比例等多方面因素影響。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，土壤密度與壓縮指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，密度越大，土壤壓縮性越低[4，19]；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壓縮指數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)含量越高的土壤壓縮性也越高[2，20-21]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤密度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓縮指數(shù)之間，分別表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系和極顯著正相關(guān)關(guān)系(見圖2)，這與前人研究結(jié)論相吻合。結(jié)合表1可以看出，隨著恢復(fù)年限的增加，土壤密度顯著降低(p<0.05)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高(p<0.05)；故可認(rèn)為，土壤密度的降低和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，是植被恢復(fù)導(dǎo)致黑土壓縮性提高、土壤耕性有所改善的重要原因。

圖2　土壤壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤先期固結(jié)壓力作為評(píng)價(jià)土壤承載能力的指標(biāo)，其影響因素及預(yù)測(cè)一直是專家學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)[3，19，22]。R. Horn et al.[3]認(rèn)為，土壤屬性，如密度、含水量、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角等，均會(huì)對(duì)土壤先期固結(jié)壓力產(chǎn)生影響。本研究結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與先期固結(jié)壓力之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，這與M. Kaufmann et al.[1]、P. Défossez et al.[18]的研究結(jié)果相一致。此外，本研究中發(fā)現(xiàn)，土壤密度與先期固結(jié)壓力之間，雖然呈正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)顯著水平；雖然與R. Horn et al.[3]、S. Imhoff et al.[4]研究中發(fā)現(xiàn)密度與先期固結(jié)壓力呈顯著正相關(guān)不一致，但M. R. Mosaddeghi et al.[22]在研究中也發(fā)現(xiàn)密度與先期固結(jié)壓力之間呈正相關(guān)但不顯著這一現(xiàn)象，其原因在于研究的土壤中較高的黏粒比例削弱了土壤密度對(duì)先期固結(jié)壓力的影響。本研究中，各處理試樣土壤黏粒比例介于36.50%～46.74%，普遍高于M. R. Mosaddeghi et al.[22]研究土壤的黏粒比例(34.80%)；因此可認(rèn)為，在具有較高黏粒比例的黑土區(qū)，土壤密度對(duì)先期固結(jié)壓力的影響較小，而植被恢復(fù)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加是促進(jìn)黑土表層土壤承載能力提升的重要原因。

黏粒對(duì)土壤的物理-力學(xué)性質(zhì)具有重要的影響，是土壤“活性”的基礎(chǔ)[23]。關(guān)于黏粒比例和壓縮指數(shù)之間的關(guān)系，許多學(xué)者認(rèn)為二者之間相關(guān)關(guān)系不明顯[1，19]、正相關(guān)[24]或在一定黏粒比例范圍內(nèi)正相關(guān)[4，25]。但C. W. Smith et al.[26]認(rèn)為，黏粒比例和壓縮指數(shù)之間關(guān)系呈二次函數(shù)形式，黏粒比例介于35%～50%時(shí)，壓縮指數(shù)最大。本研究發(fā)現(xiàn)，黏粒比例與壓縮指數(shù)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。結(jié)合C. W. Smith et al.[26]的研究及本次試驗(yàn)各處理土壤黏粒比例較高(36.50%～46.74%)這一現(xiàn)象可認(rèn)為，在典型黑土區(qū)土壤黏粒比例較高的區(qū)域中，黏粒對(duì)土壤壓縮性起負(fù)面作用，黏粒比例過高將會(huì)導(dǎo)致土壤壓縮性的降低。關(guān)于黏粒比例與先期固結(jié)壓力之間的關(guān)系，S. Imhoff et al.[4]、A. S. Gregory et al.[24]認(rèn)為黏粒比例與先期固結(jié)壓力呈正相關(guān)，而Manfred Kaufmann et al.[1]則認(rèn)為兩者之間關(guān)系不顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，黏粒比例與先期固結(jié)壓力之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，這與本研究中黏粒比例與壓縮指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系一致，說明在黏粒比例較高的情況下黏粒對(duì)土壤承載能力同樣起到不利作用。綜上，黑土區(qū)較高的黏粒比例對(duì)土壤壓縮性和承載能力具有負(fù)面影響；而植被恢復(fù)導(dǎo)致土壤黏粒比例的降低，是促進(jìn)黑土表層土壤壓縮性增加、承載能力有所提升的另一重要原因。

4　結(jié)論

植被恢復(fù)能夠?qū)е潞谕帘韺油寥揽紫侗?、壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力的變化，進(jìn)而對(duì)土壤密實(shí)程度、壓縮性、承載能力及耕性產(chǎn)生影響。

植被恢復(fù)對(duì)表層土壤的密實(shí)程度的影響，整體上表現(xiàn)出隨著恢復(fù)年限的增加土壤的密實(shí)程度有所降低的趨勢(shì)，但只有恢復(fù)年限達(dá)36 a以上時(shí)，這種影響效果才達(dá)顯著。表明，植被恢復(fù)過程中，落葉松人工林對(duì)黑土表層土壤密實(shí)程度的影響是一個(gè)較為長(zhǎng)期的過程。

植被恢復(fù)過程中表層土壤壓縮指數(shù)和先期固結(jié)壓力的變化表明：一方面，黑土表層土壤壓縮性，隨恢復(fù)年限的增加逐漸增大，土壤耕性得到改良；另一方面，隨恢復(fù)年限的增加，黑土表層土壤的承載能力逐漸變大，抵抗外界壓實(shí)的能力有所增強(qiáng)。

土壤物理-力學(xué)指標(biāo)與理化性質(zhì)之間表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，表明：植被恢復(fù)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加、土壤密度和黏粒比例的降低，是促進(jìn)黑土表層土壤壓縮性增加、土壤承載能力增強(qiáng)的重要原因。

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Effects of Vegetation Recovery on Topsoil Compressibility and Load Support Capacity of Typical Black Soil//

Han Shaojie, Wang Enheng, Luo Song, Chen Xiangwei

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：31-34.

Vegetation recovery; Black soil; Soil; Soil compressibility; Soil load support capacity

韓少杰，男，1989年1月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：837736250@qq.com。

陳祥偉，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail：chenxwnefu@163.com。

2015年11月9日。

S714.2；S152.9

1)國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404202)。

責(zé)任編輯：張玉。