晉西北風(fēng)沙區(qū)長(zhǎng)期不同植被恢復(fù)類型下土壤物理特征分析

郭晉麗，劉 爽

（山西大學(xué)黃土高原研究所，山西 太原 030006）

晉西北風(fēng)沙區(qū)長(zhǎng)期不同植被恢復(fù)類型下土壤物理特征分析

郭晉麗，劉 爽

（山西大學(xué)黃土高原研究所，山西 太原 030006）

以晉西北地區(qū)忻州市五寨縣石咀頭村為研究地，采集不同植被恢復(fù)類型和不同深度土層的土壤樣本，分析該地區(qū)的土壤水分及粒度特征。結(jié)果表明，該地區(qū)不同植被恢復(fù)類型下土壤砂粒、粉粒、黏粒的含量存在差異，粒度組成主要以砂粒和粉粒為主，總體屬于砂土和壤土質(zhì)地；不同植被恢復(fù)類型下土壤粒度參數(shù)也存在明顯差異，其中，檸條地的分選性最好；土壤容重在不同植被恢復(fù)類型下表現(xiàn)為：楊樹(shù)林地＞檸條地＞蒿地＞草地，孔隙度的變化趨勢(shì)與之相反，其中，蒿地的土壤容重與另外3種植被恢復(fù)類型有顯著差異（P＜0.05）；4種植被恢復(fù)類型的土壤質(zhì)量含水量、飽和持水量和毛管持水量間也存在很大差異，且土壤質(zhì)量含水量與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒和黏粒含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.900，0.890，0.819。

土壤粒度；土壤水分；植被恢復(fù)；干旱半干旱

土壤粒度組成是決定土壤理化性質(zhì)的重要屬性特征之一，在長(zhǎng)期的物理化學(xué)作用中，受成土母質(zhì)、搬運(yùn)方式、地形、氣候和植被恢復(fù)等外力作用及人為影響，呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律及相關(guān)性[1-2]。不同的植被恢復(fù)類型下的土壤機(jī)械組成、土壤質(zhì)地及成土母質(zhì)存在差異，因而間接地影響了土壤水分在不同土層或不同土地類型中的含量。白一茹等[3]研究表明，不同植被類型下土壤的持水性、供水性和有效水含量不同。巢世軍等[4]對(duì)黃土高原區(qū)不同植被恢復(fù)類型下的土壤進(jìn)行相關(guān)特征的研究，通過(guò)植被生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分和水分的需求特性的研究，反映該地區(qū)植被的分布規(guī)律。

山西省忻州市五寨縣石咀頭村位于晉西北黃土高原丘陵風(fēng)沙區(qū)，該地區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，因此，水分的作用顯得尤為重要，它是影響植物生長(zhǎng)的重要因素[5]。然而，在干旱半干旱的丘陵風(fēng)沙區(qū)，土壤粒度的特征和組成影響著土壤的抗風(fēng)蝕能力、持水力和養(yǎng)分等[6-7]。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)晉西北黃土高原丘陵風(fēng)沙區(qū)4種植被恢復(fù)類型（草地、楊樹(shù)林地、檸條地、蒿地）的土壤粒度、容重、孔隙度、入滲參數(shù)、剖面含水量、飽和持水量和毛管持水量進(jìn)行研究及對(duì)比分析，旨在闡明土壤粒度空間分布特征及土壤水分的空間分布規(guī)律，為提高該地區(qū)的土壤質(zhì)量以及為該地區(qū)植被恢復(fù)的順利進(jìn)行提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于山西省忻州市五寨縣胡會(huì)鄉(xiāng)石咀頭村，海拔1 400 m，晝夜溫差大，年平均氣溫4.9℃左右，有效積溫2 452℃，在1月最冷（-13.3℃）、7月最熱（20.1℃）。無(wú)霜期120 d左右，年均降雨量478.5 mm左右，降水量隨月份的改變而有所不同，全年降水量主要集中在7，8月。

1.2 樣品采集

2016年8月下旬采樣，采樣區(qū)域包括草地、楊樹(shù)林地、檸條地、蒿地4塊樣地。隨機(jī)取樣，3次重復(fù)，以10 cm為間隔取樣，取樣深度為50 cm，將同一樣地的土壤樣品分層混合后進(jìn)行風(fēng)干處理。

1.3 試驗(yàn)方法

將所采集的樣品過(guò)2 mm篩，剔除一些相對(duì)較大的雜質(zhì)。然后稱取0.8 g土樣，加30%過(guò)氧化氫去除有機(jī)質(zhì)；加鹽酸去除碳酸鹽；加超純水反復(fù)稀釋靜置，除去上清液以除酸，直至pH值為6.5～7.0；加入六偏磷酸鈉，超聲振蕩30 s后，用Mastersizer 3000激光粒度儀測(cè)量土壤粒徑的體積分?jǐn)?shù)。各樣品3次重復(fù)，取其平均值。再借助相應(yīng)的測(cè)定方法，得到不同粒徑土壤的體積分?jǐn)?shù)。然后使用GRADISTAT粒度處理軟件計(jì)算平均粒徑、粒度參數(shù)、偏度、峰度等標(biāo)準(zhǔn)偏差[8-9]。

對(duì)土壤質(zhì)量含水量采用傳統(tǒng)烘干法測(cè)量。在105℃的溫度下烘干土壤樣本直至恒質(zhì)量。土壤含水量 w＝（w1－w2）/w2×100%（式中，w 為所測(cè)樣品的土壤含水量質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w1為烘干前土壤樣品質(zhì)量，w2為烘干后土壤樣品質(zhì)量）。最后采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、飽和持水量和毛管持水量[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理，使用GRADISTAT粒度處理軟件計(jì)算相關(guān)粒度參數(shù)，采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析，再用Sigmaplot 13.0軟件進(jìn)行相應(yīng)的圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)類型下土壤粒度變化分析

2.1.1 土壤粒度組成總體特征 土壤粒度的組成能夠反映出該地區(qū)成土母質(zhì)的種類、運(yùn)載介質(zhì)、作用方式及成土?xí)r間等參數(shù)，為更深入地了解該地區(qū)的土壤提供有力的數(shù)據(jù)支持。

從圖1可以看出，4種植被恢復(fù)類型下的土壤粒度組成以砂粒和粉粒為主，黏粒為輔。其中，砂粒的含量在80.0%～100.0%，粉粒的含量在0～16.2%，而黏粒的含量較少，僅為0～2.9%。分別對(duì)比4種植被恢復(fù)類型下土壤粒度的含量可知，楊樹(shù)林地的砂粒含量在87.1%～88.7%，粉粒含量在9.1%～13.4%，黏粒含量在1.6%～2.8%，雖然都有波動(dòng)但其變化幅度均比較??；而草地、檸條地和蒿地的砂粒含量在80.0%～100.0%，粉粒含量在0～16.2%，有明顯波動(dòng)而且變化幅度相對(duì)較大?？傮w分析可知，楊樹(shù)林地的3種粒徑含量穩(wěn)定維持在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)，而其他3種植被恢復(fù)類型的各粒徑含量波動(dòng)較明顯，維持在一個(gè)較大的變化范圍內(nèi)。

根據(jù)圖1縱向分析可以得出，4種植被恢復(fù)類型下砂粒含量隨土壤深度的增加而增加，粉粒和黏粒的含量與砂粒含量的變化正相反。橫向研究同一深度土層不同植被恢復(fù)類型下土壤粒度的變化規(guī)律，結(jié)果表明，表層土壤（0～10 cm）中砂粒在檸條地中含量最大，蒿地最小，且4種植被恢復(fù)類型之間僅存在較小的差異；粉粒在蒿地中含量最大，且與含量第2高的草地之間有較大差距，反而含量第3的檸條與第4的楊樹(shù)林地之間無(wú)明顯差異。黏粒在蒿地中含量最大，在草地和檸條地中的含量相當(dāng)且較少。

由以上分析可以得出，砂粒在不同植被恢復(fù)類型下土壤中含量的大小關(guān)系與粉粒和黏粒正相反。淺層土壤（10～30 cm）中各粒徑在4種不同的植被恢復(fù)類型下的含量都非常接近，無(wú)明顯差異，但總量之間依然呈現(xiàn)砂粒最大、黏粒最少的狀態(tài)。在深層土壤（30～50 cm）中，砂粒和粉粒含量的變化趨勢(shì)除檸條地外與表層土壤的趨勢(shì)正相反；黏粒的含量在檸條地依然最低，其他3種植被恢復(fù)類型下的含量由蒿地＞楊樹(shù)林地＞草地變?yōu)闂顦?shù)林地＞草地＞蒿地，若以砂粒和粉粒的變化為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該呈現(xiàn)出與表層土壤完全相反的變化趨勢(shì)，但其中草地的黏粒含量并未超過(guò)楊樹(shù)林地，但與楊樹(shù)林地相差較少，基本與砂粒和粉粒的變化規(guī)律一致?？v觀表層土壤和深層土壤的含量，分析各粒徑在4種植被恢復(fù)類型下的含量差，可以得出深層土壤比表層土壤大。

2.1.2 土壤粒度組成參數(shù)特征 根據(jù)Folk和Ward提出的粒度參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]（表1）分析不同植被恢復(fù)類型下土壤粒度更多詳細(xì)的參數(shù)（平均粒徑、中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、分選系數(shù)、偏度和峰度）特征。其中，平均粒徑代表粒度的集中趨勢(shì)。

表1 Folk和Ward（1957年）粒度參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由表2可知，楊樹(shù)林地和檸條地的平均粒徑分別是草地和蒿地的20倍左右，楊樹(shù)林地和檸條地的平均粒徑變化范圍介于54.51～85.51 Φ，草地和蒿地的平均粒徑變化范圍介于3.60～4.21 Φ，檸條地的平均粒徑隨深度的增加逐漸增加，而其他3種植被恢復(fù)類型的變化隨深度的增加而減少。中值粒徑在59.55～85.62 Φ變化。

如果粒級(jí)少，主要粒徑突出，百分含量高，分選好，那么標(biāo)準(zhǔn)偏差和分選系數(shù)的數(shù)值就小[12-13]。參照分選系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表1），4種植被恢復(fù)類型的分選性表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）。由表2可知，楊樹(shù)林地分選較差；草地和蒿地屬于分選較差到分選中等的范圍；而檸條地與其他植被恢復(fù)類型的土壤相比分選性最好，有數(shù)據(jù)反映的分選性顯示為較好。偏度用來(lái)反映粒度分布的不對(duì)稱程度[14-15]。楊樹(shù)林地的偏度范圍為-0.46～-0.31 Φ，屬于負(fù)偏；檸條地的偏度范圍介于-0.38～-0.01 Φ，屬于負(fù)偏和近對(duì)稱；草地的偏度范圍為0.01～0.30 Φ，屬于近對(duì)稱和正偏；蒿地的偏度介于0.08～0.64 Φ，包含近對(duì)稱、正偏和極正偏3種偏度。峰度是用來(lái)表示粒度頻率曲線尖銳程度的參數(shù)，對(duì)比4種植被恢復(fù)類型的峰度，其中，草地?cái)?shù)值大部分屬于尖窄范圍；蒿地則在中等、尖窄和極尖窄范圍變化；楊樹(shù)林地變化范圍為1.57～1.96 Φ，屬于很尖窄范圍；檸條地在0～30 cm土層處于很尖窄范圍，而在30～50 cm土層屬于中等范圍?？傮w來(lái)說(shuō)，4種植被恢復(fù)類型的峰度變化在中等、尖窄和極尖窄范圍。

表2 不同植被恢復(fù)類型土壤粒度參數(shù)隨深度的變化

2.2 不同植被恢復(fù)類型下土壤容重和孔隙度變化分析

土壤容重是指單位容積原狀土壤干土的質(zhì)量。對(duì)同一土層不同植被恢復(fù)類型之間土壤容重進(jìn)行方差分析（P＜0.05）。由表3可知，0～10 cm的表層土壤，楊樹(shù)林地的土壤容重最大，總趨勢(shì)為楊樹(shù)林地＞檸條地＞草地＞蒿地；在10～20 cm，草地的土壤容重最大，而最小值出現(xiàn)在檸條地，土壤容重為草地＞楊樹(shù)林地＞蒿地＞檸條地；在20～30 cm土層，最大值依舊是草地，且草地和楊樹(shù)林地?zé)o明顯差異，檸條和蒿地?zé)o明顯差異；而在30～50 cm的深層土壤中，依然是草地的土壤容重最大，只是檸條地的含量有了明顯的增加，4種植被類型下土壤容重大小依次為草地＞檸條地＞楊樹(shù)林地＞蒿地。

表3 不同植被恢復(fù)類型土壤容重和孔隙度

土壤孔隙的組成直接影響土壤的通氣性和透水能力，包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度[16]。由表3可知，在同一植被恢復(fù)類型中，隨著土層深度的增加，草地、蒿地和檸條地3種植被恢復(fù)類型下的土壤總孔隙度基本上是深層土壤小于表層土壤，而楊樹(shù)林地則表現(xiàn)為深層土壤大于表層土壤，主要是由于其深層根系較發(fā)達(dá)。在同一土層對(duì)4種植被恢復(fù)類型的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度進(jìn)行方差分析（P＜0.05）?？偪紫抖确矫妫?～10 cm土層，蒿地＞草地＞檸條地＞楊樹(shù)林地，且蒿地與其他3種類型存在顯著差異；在10～20 cm土層，檸條的總孔隙度最大，草地最?。辉?0～40 cm土層，草地的總孔隙度最大，且與其他3種植被類型存在顯著差異。在0～20 cm土層，毛管孔隙度蒿地最大，且與其他3種植被恢復(fù)類型存在顯著差異；而在20～50 cm的土層，草地和蒿地中的毛管孔隙度較大，而楊樹(shù)林地和檸條地中的毛管孔隙度較小。非毛管孔隙度在10～20 cm，檸條地最大，且遠(yuǎn)大于其他3種植被恢復(fù)類型中的非毛管孔隙度；在20～50 cm的土層，楊樹(shù)林地和檸條地明顯比草地和蒿地大。

2.3 不同植被恢復(fù)類型下土壤含水量的變化分析

不同植被恢復(fù)類型下剖面土壤質(zhì)量含水量、飽和持水量和毛管持水量均呈現(xiàn)顯著性差異（P＜0.05）。通過(guò)對(duì)剖面土壤水分的空間變化特征分析可知，取樣土層越深，土壤含水量越小。對(duì)同一深度，不同的植被恢復(fù)類型的土壤水分進(jìn)行方差分析。由圖2可知，土壤質(zhì)量含水量都呈現(xiàn)出隨著深度的增加減小的趨勢(shì)；其中，草地在表層和深層土壤中土壤質(zhì)量含水量的下降較明顯；而楊樹(shù)林地只有在表層土壤有較小幅度的下降趨勢(shì)，隨深度的增加其土壤質(zhì)量含水量趨于平緩；檸條地與之相反，深層土壤無(wú)明顯變化；蒿地的土壤質(zhì)量含水量呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。對(duì)土壤飽和含水量進(jìn)行方差分析（P＜0.05），其在淺層土壤波動(dòng)較大?？傮w上，土壤飽和含水量維持在40%左右。土壤毛管持水量的變化趨勢(shì)與土壤飽和含水量基本相似，只是總體持水量維持在一個(gè)較低的水平，為30%左右。

2.4 土壤粒度與含水量的相關(guān)性分析

土壤粒度和土壤物理性質(zhì)的的相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，容重與土壤粒度之間無(wú)顯著相關(guān)性?？紫兜慕M成影響著土壤的透氣性、根系的穿插能力及土壤的蓄水能力[17]，粉粒和黏粒粒徑比較小，對(duì)水分有很強(qiáng)的保水性。土壤飽和持水量和毛管持水量與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與粉粒和黏粒含量呈正相關(guān)。土壤質(zhì)量含水量與之相關(guān)性一致，呈極顯著差異，這說(shuō)明土壤質(zhì)量含水量與機(jī)械組成有很強(qiáng)的相關(guān)性。這是由于砂質(zhì)土壤顆粒粗，土質(zhì)松散，因此，儲(chǔ)水能力不強(qiáng)，再加上本研究中砂質(zhì)土主要集中在深層土壤中，而在深層土中植被根系比較發(fā)達(dá)，對(duì)水分的吸收能力強(qiáng)，因此，砂質(zhì)土壤儲(chǔ)水能力弱。黏質(zhì)土壤主要集中在表層，受到人為活動(dòng)的干擾較大，因此，水分儲(chǔ)存能力強(qiáng)[18]。

表4 土壤粒度、物理特征和含水量間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，晉西北丘陵風(fēng)沙區(qū)土壤主要由砂粒和粉粒組成。砂粒不僅總體含量最高且含量隨著土壤深度而增大；淺層土壤中各粒徑在不同植被恢復(fù)類型下無(wú)明顯差異；表層土壤中砂粒的含量主要表現(xiàn)為：檸條地＞楊樹(shù)林地＞草地＞蒿地，粉粒和黏粒的變化趨勢(shì)與砂粒相反；在深層土壤中，檸條地砂粒含量最大，粉粒和黏粒含量較少。由此可知，檸條地較特殊，主要是因?yàn)闄帡l地中人為干擾程度較小，比如較少的踩踏、砍伐等。在本研究中，蒿地的粉粒和黏粒含量較大，而檸條地最小，分析其原因，由于檸條地植被覆蓋度比蒿地和草地略差，土壤侵蝕情況比較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致黏粒和粉粒含量低[19]。有學(xué)者研究表明，沙漠地區(qū)自然形成的降雨會(huì)通過(guò)下滲等作用將土壤表層粉粒和黏粒含量淋溶至深層，從而使得深層的粉粒和黏粒含量增加[20]，而在本研究中，4種植被恢復(fù)類型深層土壤砂粒含量大于表層，而粉粒和黏粒含量則是表層大于深層，主要是本研究區(qū)屬于沙化地區(qū)，長(zhǎng)期受到風(fēng)蝕的影響，因此，土壤粒度組成主要是砂粒，但是由于人工植被種植年限基本在20 a以上，因而使得表層土壤砂粒含量低于深層土壤。

晉西北丘陵風(fēng)沙區(qū)長(zhǎng)期不同植被恢復(fù)類型下土壤的各項(xiàng)粒度參數(shù)中，楊樹(shù)林地和檸條地的平均粒徑比草地和蒿地的平均粒徑大，且差距極明顯；檸條地的分選性最好，楊樹(shù)林地的分選性最差；楊樹(shù)林地和檸條地的偏度呈負(fù)偏，而草地和蒿地呈正偏和極正偏，這是由于受到人類活動(dòng)的頻繁干擾[21]，使得土壤顆粒發(fā)生頻繁擾動(dòng)，因此，其土壤粒度在正偏和極正偏范圍內(nèi)；整體粒度在極尖窄的范圍。

晉西北丘陵風(fēng)沙區(qū)不同植被恢復(fù)類型下土壤容重和孔隙度有很大的差別。由于受到植被覆蓋度以及人為活動(dòng)的干擾，使得土壤的容重降低[22]。在本研究中，容重在淺層土壤中的變化趨勢(shì)為楊樹(shù)林地＞檸條地＞蒿地＞草地，而李民義等[23]的研究結(jié)果表明，人工林的土壤容重顯著大于草地，主要是由于人工林種植植被稀疏，植被枯落物低，而蒿地和草地密集，地表覆蓋度大，因此，楊樹(shù)林的土壤容重較低。在深層土壤中則是草地的容重最大，楊樹(shù)林地最小，主要是由于楊樹(shù)林地的根系較長(zhǎng)，相對(duì)而言在深層土壤中根系密集，所以容重較??；而孔隙度則與容重的變化趨勢(shì)相反[24]。

晉西北丘陵風(fēng)沙區(qū)不同植被恢復(fù)類型的土壤含水量之間存在很大差異，在整個(gè)土壤剖面（0～50 cm），土壤的質(zhì)量含水量和毛管持水量與其機(jī)械組成有很強(qiáng)的相關(guān)性，與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，而與粉粒含量呈正相關(guān)，其相關(guān)性均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

總體上，對(duì)比4種植被恢復(fù)類型，由于物種復(fù)雜程度、根系茂密程度、人為干擾程度不同，導(dǎo)致土壤的機(jī)械組成、粒度參數(shù)以及水分含量在不同的植被恢復(fù)類型、不用的土壤深度都有很大的差異。所以，為實(shí)現(xiàn)更有效的植被恢復(fù)，需系統(tǒng)且詳盡地借鑒不同植被恢復(fù)類型下土壤的物理參數(shù)及其變化規(guī)律。

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Analysis of Soil Physical Characteristics under Different Vegetation Restoration Types for a Long Time in the Sandy Area of Northwest Shanxi Province

GUOJinli，LIUShuang
（Institute ofLoess Plateau，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The study analyzed the soil water content and soil particle size of different soil layer among different vegetation restoration types in Shizuitou village,Wuzhai county northwest of Shanxi province.The results showed that the soil composition was primary sand and silt as a result of the soil texture.The soil particle size in different vegetation restoration showed significant variation,and the sorting character of Caragana Korshinskii Kom was the best.Soil bulk density in different vegetation restoration types was as follow:Populus L.＞Caragana Korshinskii Kom＞artemisia＞grass,while the soil porosity showed opposite tendency.And soil bulk densityofartemisia had significant difference with other vegetation restoration types（P＜0.05）.In addition,water content ofsoil quality,saturated moisture content and capillary moisture content had obvious different,and water content of soil quality and clay content indicated a extreme negative relationship,in contrary,water content of soil quality showed an extreme positive relation with silt and clay content,correlation indexwere-0.900,0.890,0.819,respectively.

soil particle size;soil water content;vegetation restoration;arid and semi-arid

S152

A

1002-2481（2017）11-1794-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.16

2017-06-06

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（201601D021117）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401618）

郭晉麗（1992-），女，山西臨汾人，在讀碩士，研究方向：土地植被恢復(fù)過(guò)程。劉 爽為通信作者。