晉北風(fēng)沙區(qū)人工林土壤水分及粒度特征

郭 偉,張 鸞?,劉 爽，張凌云

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 030006，太原； 2.山西能源學(xué)院,030600，山西晉中)

晉北風(fēng)沙區(qū)地處黃土高原北部，降水少、風(fēng)大風(fēng)多、自然植被殘留少，是生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)，也是環(huán)京津塘地區(qū)防風(fēng)固沙的重要生態(tài)屏障[1]。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，這里陸續(xù)開(kāi)展了“三北”防護(hù)林工程、退耕還林工程和京津風(fēng)沙源治理工程，營(yíng)建大面積人工植被，為改善生態(tài)環(huán)境、防風(fēng)固沙發(fā)揮重要作用；然而，大面積植被對(duì)土壤水分的利用[2-4]也導(dǎo)致土壤干燥化，從而加劇了該區(qū)域的土壤水分赤字。已有研究表明，除植被[5-6]外，土壤性質(zhì)[7]也是土壤水分的主要影響因素之一。作為土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，土壤粒度在起沙天氣下墊面因子中扮演著重要角色，從而影響土壤抗風(fēng)蝕能力和土壤持水能力[8-9]。了解土壤水分和粒度分布特征，對(duì)于選擇適宜的造林植物種、解決植被恢復(fù)過(guò)程中土壤水分供給與植物耗水間的矛盾及發(fā)揮水土保持、防風(fēng)蝕作用具有重要意義。目前土壤水分研究多集中在植被與土壤水分的關(guān)系[10-13]，土壤粒度的報(bào)道則多見(jiàn)沙漠化土地[14-15]，當(dāng)前關(guān)于晉北風(fēng)沙區(qū)人工林土壤水分、粒度特征的綜合分析較少，本研究通過(guò)對(duì)晉北風(fēng)沙區(qū)人工林土壤水分及粒度特征進(jìn)行對(duì)比分析，以期為風(fēng)沙環(huán)境下的植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省右玉縣賈家窯，海拔1 386～1 489 m，緩坡丘陵地貌，年平均氣溫4 ℃，>10 ℃積溫2 500 ℃，年均日照時(shí)間2 915 h，無(wú)霜期平均104 d，年平均降水量420 mm，降水主要集中在6—9月，且多暴雨，多年平均蒸發(fā)量1 761 mm，相當(dāng)于自然降水量的4倍。年均風(fēng)速3 m/s以上，春秋季最大風(fēng)力9級(jí)，最大風(fēng)速24 m/s。研究區(qū)土壤類型主要為栗鈣土和淡褐土，質(zhì)地以砂粒、粉粒為主，抗侵蝕力差。受大風(fēng)和降水影響，極易發(fā)生風(fēng)蝕、水蝕。在風(fēng)水兩相作用下，水土流失嚴(yán)重。人工造林樹(shù)種主要有油松(Pinustabulaeformis)、樟子松(Pinussylvestrismongolica)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015年8月上旬，選取右玉縣賈家窯6種人工林樣地(11 a油松林(Ⅰ)、21 a油松林(Ⅱ)、23 a華北落葉松林(Ⅲ)、17 a油松+檸條混交林(Ⅳ)、檸條林(Ⅴ)、沙棘林(Ⅵ))進(jìn)行土壤樣品采集。每種人工林地設(shè)定3個(gè)樣方，樣方面積10 m×10 m，根據(jù)三角形路線在每個(gè)樣方布設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn)，各樣點(diǎn)在0～100 cm深度內(nèi)以20 cm為間隔(在0～20 cm土層范圍內(nèi)，以10 cm為間隔)人工采集土樣，每樣點(diǎn)采集6份土樣，共采集土樣324份。采樣前5天研究區(qū)無(wú)降雨。樣地信息見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣地基本信息Tab.1 Basic characteristics of sample plot

2.2 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

土壤含水量測(cè)定使用經(jīng)典烘干稱量法。為防止水分散失，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行烘干前樣品稱量。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在溫度105 ℃的條件下烘干至恒質(zhì)量。土壤含水量計(jì)算公式為

W=(W2-W1)/(W1-W0)×100%。

式中：W為所測(cè)樣品的土壤含水量，%；W1為鋁盒與干土質(zhì)量之和，g；W2為鋁盒與濕土質(zhì)量之和，g；W0為鋁盒質(zhì)量，g。

將土樣風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，取土樣1～2 g，去除有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)；對(duì)樣品進(jìn)行清洗，直至呈中性；加入分散劑，降低顆粒的凝聚性；進(jìn)行超聲振蕩，消除樣品的膠結(jié)作用。采用Malvern Mastersizer 3000(粒級(jí)0.01～3 500 μm)測(cè)定樣品粒度。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。測(cè)量結(jié)果采用Folk and Wald圖解算法計(jì)算，運(yùn)用GRADISTAT軟件計(jì)算粒度參數(shù)，包括平均粒徑以及使用粒徑的對(duì)數(shù)值Φ所表示的分選系數(shù)(δ)、偏度(Sk)和峰度(Kg)。依據(jù)美國(guó)制(USDA)標(biāo)準(zhǔn)[16]劃分為砂粒(0.05～2.0 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(< 0.002 mm)3級(jí)，對(duì)砂粒進(jìn)一步劃分為極粗砂(1.0～2.0 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、細(xì)砂(0.1～0.25 mm)和極細(xì)砂(0.05～0.1 mm)5個(gè)粒級(jí)，并分別統(tǒng)計(jì)各粒徑的體積分?jǐn)?shù)。

數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010和SPSS 17.0，圖形繪制采用OriginPro 9.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地土壤水分狀況

表2所示，6種林地0～100 cm深度平均土壤含水量由大到小次序?yàn)椋荷臣?11 a油松林>檸條林>17 a油松+檸條混交林>23 a華北落葉松林>21 a油松林。方差分析結(jié)果顯示，沙棘林和11 a油松林土壤水分含量顯著高于其他4種類型(P<0.05)。

圖1示出6種林地土壤水分含量在0～100 cm深度內(nèi)的變化?？梢钥闯觯?1 a油松林和檸條林土壤水分含量隨土層深度的增加呈遞增趨勢(shì)；21 a油松林、17 a油松+檸條混交林、23 a華北落葉松林和沙棘林土壤水分含量均隨土壤深度的增加呈先升高后減小的趨勢(shì)，但沙棘林變幅較大，且土壤水分含量顯著高于其余3種林地(表2)。

表2 不同林地土壤含水量Tab.2 Soil moisture of different plantation types %

注：同一行不同大寫字母表示一種林地不同土層土壤含水量差異顯著(P<0.05)；同一列不同小寫字母表示不同林地同一土層土壤含水量差異顯著(P<0.05)。Notes: The different uppercase letters at the same row of data in the table refer to significant differences(P<0.05). The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences(P<0.05).

根據(jù)各林地土壤含水量垂直變化趨勢(shì)，將0～100 cm土層分為0～20、20～60和60～100 cm 3個(gè)層次。6種林地0～20 cm土層的含水量均較低，介于3.66%～6.36%之間，沙棘林土壤含水量最高，其次是23 a華北落葉松林，11 a油松林與17 a油松+檸條混交林相差不大，21 a油松林和檸條林最低；20～60 cm土層，6種林地平均土壤含水量介于4.78%～9.25%之間，沙棘林土壤含水量顯著高于其余5種林地。除23 a華北落葉松林外，其他5種林地土壤含水量均較0～20 cm土層有所增加，其中，17 a油松+檸條混交林增加不明顯，其他林地土壤含水量均增加顯著；在較深的60～100 cm土層，23 a華北落葉松林和21 a油松林土壤平均含水量較20～60 cm土層有所降低，其他4種林地則不同程度增加。6種林地平均土壤含水量大小順序依次為：11 a油松林>沙棘林>檸條林>17 a油松+檸條混交林>21 a油松林>23 a華北落葉松林。

3.2 不同林地土壤粒度組成

表3列出了6種林地的土壤粒度組成?？梢钥闯觯?種林地土壤粒度組成均以極細(xì)砂和粉粒為主，二者含量之和達(dá)73.74%～78.36%；其次為細(xì)砂，含量在15.31%～19.07%之間；黏粒、中砂、粗砂、極粗砂含量均較少。7個(gè)粒級(jí)中，11 a油松林、21 a油松林、23 a華北落葉松林和17 a油松+檸條混交林的極細(xì)砂含量在各粒度分級(jí)中所占比例最大，檸條林和沙棘林則為粉粒含量占比最大。方差分析結(jié)果顯示，各林地之間除極粗砂含量未表現(xiàn)出顯著差異外，其他粒級(jí)含量均存在顯著差異。

圖1 不同林地土壤水分含量隨深度的變化Fig.1 Variation of soil moisture in different profile in different plantation types

表3 不同林地粒度組成特征Tab.3 Characteristics of granularity distribution in different plantation types %

注：同一列不同小寫字母表示不同林地類型的粒度組成差異顯著(P<0.05)。Notes: The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences(P<0.05).

圖2為各林地土壤顆粒隨深度的變化。0～100 cm深度內(nèi)，各林地黏粒、粗砂含量隨土層深度增加變化不大，粉粒、極細(xì)砂、細(xì)砂、極粗砂含量隨土層深度增加變化起伏較大。受侵蝕作用影響，表層土壤中的細(xì)顆粒組分容易流失。與10～20 cm土層相比，6種林地0～10 cm土層粉粒所占比例均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，降幅在1.45%～6.94%之間，21 a油松林和23 a華北落葉松林降幅較大，檸條林降幅較小。

圖2 不同林地土壤顆粒隨深度的變化Fig.2 Variation of soil particle with soil depth in different plantation types

3.3 不同林地土壤粒度參數(shù)變化特征

6種林地土壤粒徑狀況詳見(jiàn)表4。在0～100 cm深度，6種林地土壤平均粒徑分布在63.26～77.24 μm范圍，由大至小排序依次為：23 a華北落葉松林>11 a油松林>21 a油松林>17 a油松+檸條混交林>沙棘林>檸條林。不同林地類型各層段土壤粒度特征表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

根據(jù)Folk和Wald(1957)粒度參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17](表5)得到6種林地表層粒度參數(shù)特征(表6)。分選系數(shù)反映固體顆粒大小的均勻程度和沉積分選的好壞。如果粒級(jí)少、主要粒徑突出且所占比例高，分選系數(shù)就越小，分選性就越好[16]。本研究中6種林地的分選系數(shù)介于1.26～1.98之間，分選性均較差。偏度可以判別分布的對(duì)稱性，如11 a油松林表現(xiàn)為極正偏，表明粒度在粗粒部分比較集中；峰度是度量粒度分布趨向形態(tài)的一種尺度，用以度量粒度分布的中部和尾部展開(kāi)度之比[16]，檸條林表現(xiàn)出較尖的峰度值，21 a油松林峰度值與其他5種林地相比有較大差異。

表4 不同林地土壤粒徑狀況Tab.4 Variation of average grain size in different profile of different plantation types μm

注：同一行不同大寫字母表示一種林地不同土層土壤平均粒徑差異顯著(P<0.05)；同一列不同小寫字母表示不同林地同一土層平均粒徑差異顯著(P<0.05)。Notes: The different uppercase letters at the same row of data in the table refer to significant differences(P<0.05). The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences(P<0.05).

表5 Folk和Wald(1957年)粒度參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Grading standard of grain size parameters in Folk and Wald (1957)

表6 不同林地表層粒度參數(shù)特征Tab.6 Characteristics of granularity for the top layer of different plantation types

4 討論

6種林地中，沙棘林0～100 cm土壤平均含水量最高，說(shuō)明沙棘林具有較強(qiáng)的水分截持能力。通常情況下，土壤表層含水量較低，主要是由于該層水分運(yùn)動(dòng)劇烈所致[3]。林地類型不同，蒸騰耗水、根系分布深度及密度具有很大差異[11]，由此引起的土壤水分垂直變化特征也不相同。11 a油松林由于處在幼齡期，郁閉度較小，個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng)平緩，林分對(duì)土壤水分要求較低，因而0～100 cm深度土壤含水量相對(duì)較高；與11 a油松林相比，檸條林和17 a油松+檸條混交林土壤含水量均較低，這主要是植被蓋度較大導(dǎo)致的土壤耗水；而林齡和蓋度更大的23 a華北落葉松林和21 a油松林對(duì)深層土壤耗水更多，土壤水分被強(qiáng)烈地干燥。值得注意的是，23 a華北落葉松林表層土壤含水量相對(duì)較高，這與林地表面較厚的枯落物增加入滲，減少地表蒸發(fā)有很大關(guān)系。

受風(fēng)水兩相侵蝕作用影響，表層土壤細(xì)粒物質(zhì)極易流失。本研究6種林地0～10 cm土層粉粒含量相較于10～20 cm土層均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。其中，17 a油松+檸條混交林、21 a油松林和23 a華北落葉松林平均粒徑較大，說(shuō)明較多細(xì)顆粒物質(zhì)發(fā)生了流失。我們發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)樣地位于下坡位，坡度較陡，加上林下草本較少，因而土壤極易被沖刷；而同樣位于下坡位的檸條林，由于林下草本覆蓋度高，起到了降低近地表風(fēng)速、攔截細(xì)粒物質(zhì)和改良固持土壤的作用，因而平均粒徑較小。沙棘林極高的郁閉度同樣也起到了減少侵蝕的作用。

環(huán)境因子對(duì)土壤水分含量有一定影響。一般認(rèn)為，陰坡相對(duì)陽(yáng)坡有更好的水分條件，坡度越大，入滲率越低，侵蝕力越強(qiáng)。與其他4種林地相比，11 a油松林位于半陽(yáng)坡向，坡度較緩，更有利于降雨入滲和保存，因而一定程度上可能會(huì)使土壤水分含量保持相對(duì)較高水平；但本研究認(rèn)為，幼齡期郁閉度低，平均冠幅較小，根系分布密度低，個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng)平緩，林分對(duì)土壤水分需求較低是該林地土壤水分含量較高的主要原因。

5 結(jié)論

1)6種林地0～100 cm深度平均土壤含水量范圍在4.62%～8.30%；平均土壤含水量由大到小依次為：沙棘林>11 a油松林>檸條林>17 a油松+檸條混交林>23 a華北落葉松林>21 a油松林；0～20 cm土層土壤含水量相對(duì)較低，較深土層土壤水分受植物蒸騰耗水、根系分布深度及密度影響。

2)6種林地0～100 cm深度土壤粒度組成以極細(xì)砂和粉粒為主。7個(gè)粒級(jí)中，檸條林和沙棘林粉粒占比最大，其他林地極細(xì)砂含量占比最大；不同林地類型在0～100 cm深度土壤平均粒徑由大到小依次為：23 a華北落葉松林>11 a油松林>21 a油松林>17 a油松+檸條混交林>沙棘林>檸條林。

3)沙棘林較高的郁閉度增加了林冠截流，加上其發(fā)達(dá)的根系固持土體、提高土壤抗沖性的同時(shí)促進(jìn)水分入滲，因而保持了較高的土壤含水量。沙棘林和檸條林下的腐殖質(zhì)和草被增加了土壤中細(xì)顆粒的體積分?jǐn)?shù)，土壤結(jié)構(gòu)得到改善。因而在晉北風(fēng)沙區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中可以優(yōu)先選擇沙棘和檸條進(jìn)行造林。

4)研究區(qū)經(jīng)過(guò)多年植被恢復(fù)，人工林耗水量增加。有必要根據(jù)土壤水分狀況結(jié)合植被耗水特性、生長(zhǎng)階段開(kāi)展人工林的科學(xué)管護(hù)，如適當(dāng)調(diào)整植被蓋度，加強(qiáng)林下草本和枯落物保護(hù)等確保區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

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