不同治理措施下科爾沁沙地南緣土壤質(zhì)地與持水特性研究

高 亮, 高 永, 韓彥隆, 呂新豐

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特010019; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水土保持工作站, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

在干旱半干旱的科爾沁沙地南緣，采取植物措施、工程措施等荒漠化防治手段，建立穩(wěn)定的人工植被、促進(jìn)天然植被的更新、復(fù)壯，是該地區(qū)防治土地沙化的重要手段[1]。在沙區(qū)干旱的自然條件下，土壤水分是該地區(qū)重要的生態(tài)因子和限制因子[2-3]。土壤水分狀況不僅影響著建植短期內(nèi)植被的成活率和保存率[4]，更與建植后植被長期的穩(wěn)定息息相關(guān)[5]。因此研究不同治理措施下的土壤水分狀況，對(duì)于確保固沙植被的生長與長期穩(wěn)定具有重要意義。

目前對(duì)土壤水分狀況的研究已有很多，石莎[6]、潘顏霞[7]、李傳榮[8]、史志華[9]等分別從植被狀況、群落動(dòng)態(tài)、降水、土層厚度、相對(duì)高程等方面對(duì)土壤水分狀況做了詳盡而科學(xué)的分析闡述。但究其根本，上述研究紛紛以“土壤含水率”作為表征土壤水分狀況的指標(biāo)，總體上可以歸納為對(duì)土壤含水率空間分布和時(shí)間動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面的研究，并未從土壤結(jié)構(gòu)等自身特性入手，分析產(chǎn)生土壤水分狀況差異的客觀原因。由于土壤含水率是一個(gè)即時(shí)值，其受地形、氣象等因素影響巨大[10]，利用土壤含水率來說明土壤水分狀況具有一定的隨機(jī)性和局限性，并不能客觀反映出土壤本身水分持蓄性能。因此本文引入土壤水勢(shì)能的概念，即土水勢(shì)[11]，研究科爾沁沙地南緣不同的荒漠化治理措施下土壤含水率與土壤水勢(shì)的耦合變化規(guī)律，分別測算土壤有效水及過剩水含量，分析土壤水分狀況與土壤結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系，為解釋不同治理措施下土壤水分狀況差異找到科學(xué)的依據(jù)，也為該地區(qū)合理的選擇荒漠化防治措施提供有效的參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗，是我國北方重要農(nóng)牧交錯(cuò)帶[12]、森林草原—干旱草原過渡帶[13-14]、半濕潤—半干旱過渡帶[15]交匯處的脆弱生態(tài)區(qū)，屬科爾沁沙地南緣，中心坐標(biāo)為120°41′57″E，42°55′58″N，屬北溫帶大陸性季風(fēng)干旱氣候，地形坨墊相間，平均海拔450 m，年平均氣溫6.0～6.5 ℃，多年平均降水量250～300 mm，多集中在夏秋兩季，占全年降水的70%～80%，年平均潛在蒸發(fā)量達(dá)1 500～2 500 mm。土壤以非地帶性棕壤、暗棕壤、黑壚土和地帶性的風(fēng)沙土、草甸土、鹽堿土為主，其中風(fēng)沙土所占比重最大，占土壤總面積的44%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的布設(shè)及采樣方法 選擇該地區(qū)常見的治沙措施植物措施：樟子松(Pinussylvestris)人工林、小葉楊(Populussimonii)人工林，小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)群落(飛播)；工程措施：圍封；自然恢復(fù)：固定沙地為試驗(yàn)樣地；以流動(dòng)沙地為對(duì)照。樣地當(dāng)前基本信息詳見表1。所選樣地在治理前均為流動(dòng)沙地，治理年限為20～23 a，分布在以中科院寒旱所奈曼站為中心，東西3 km，南北4 km范圍內(nèi)，采樣區(qū)域內(nèi)地勢(shì)平緩，土壤類型單一(風(fēng)沙土為主)，減少了因地形及氣候差異引起的地帶性差異。采用空間代替時(shí)間法與相鄰樣地比較法，在每種樣地類型下選取15 m×15 m的采樣區(qū)各6塊，在每塊樣區(qū)中隨機(jī)選取4個(gè)1 m×1 m樣方，挖取剖面，用環(huán)刀(Ф=5 cm)分別取0—10,10—20,20—40和40—60 cm層土樣，每層取樣一次，用于測定土壤干容重、土壤機(jī)械組成和土壤水分特征曲線。

1.2.2 樣品檢測方法 本研究中采用V-G模型描述土壤水分特征曲線。利用SEC-1500F1型15 bar壓力膜儀分別測定pF為0,1.3,1.6,1.7,1.9,2.0,2.5,2.6,2.9,3.0，3.5時(shí)的土壤含水量；烘干法(環(huán)刀Ф=5 cm)測定土壤容重；Mastersizer-3000測定土壤機(jī)械組成。土壤粒徑分級(jí)采用《國際制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》。

表1 樣地基本信息

1.2.3 分析方法 土壤水分特征曲線V-G模型的具體表達(dá)式為：

(1)

式中：θ——土壤體積含水量(cm3/cm3);h——負(fù)壓水頭(-cm);θs,θr——土壤飽和含水量和殘余含水量(cm3/cm3);α——與土壤平均孔隙半徑有關(guān)的參數(shù)(cm);n——曲線形狀參數(shù)，m=1-1/n。本文以土壤水吸力值(+)替代壓力水頭(-)，h=10pF。利用DPS軟件進(jìn)行V-G模型的參數(shù)求解。利用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Sigmaplot 12.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地

2.1.1 治理措施間土壤容重及機(jī)械組成差異性 對(duì)6種樣地土壤機(jī)械組成的方差分析顯示(表2)，樟子松和小葉楊樣地土壤機(jī)械組成類似，二者間差異不顯著，其余樣地間差異均顯著。其中沙粒含量最高的樣地為流動(dòng)沙地，達(dá)到97.36%，含量最低的小葉錦雞兒群落為89.37%；粉粒含量與之相反，小葉錦雞兒群落為10.02%，流動(dòng)沙地為2.53%；而黏粒含量最高的樣地類型為圍封草地。

與流動(dòng)沙地相比較，不同治理措施均能起到增加土壤粉粒、黏粒含量，降低土壤沙粒含量的作用，這是因?yàn)橹参锏牡厣喜糠帜芷鸬皆黾拥乇泶植诙?、降低風(fēng)速作用，一方面減少風(fēng)蝕粗?；F(xiàn)象，另一方面風(fēng)沙流中沙物質(zhì)因?yàn)橹参锏淖璧K而沉積，增加細(xì)粒含量。5種治理措施下土壤容重因植物的根系作用均有所降低，對(duì)樣地容重的分析顯示，流動(dòng)沙地容重最高且與其余樣地類型差異顯著。小葉楊樣地容重最低，與樟子松和固定沙地差異不顯著，與其他樣地差異均顯著。

表2 不同治理措施下沙地土壤0-60 cm容重及機(jī)械組成方差分析

注：同列小寫字母不同表示差異顯著(α=0.05)。

2.1.2 土壤機(jī)械組成垂直分布狀況 對(duì)土壤機(jī)械組成的垂直分布分析顯示(圖1)，不同治理措施下土壤沙粒含量隨土層深度的增加總體呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為沙粒含量在10—20 cm層減??；土壤粉粒含量在則總體表現(xiàn)為在10—20 cm層增加，而后降低的趨勢(shì)(圖1)；土壤黏粒含量變化規(guī)律在治理類型間有所分異，其中圍封樣地土壤黏粒含量隨深度的增加而增加，其余樣地出現(xiàn)降低或者波動(dòng)降低的趨勢(shì)；總體上，在6種治理措施下，土壤細(xì)粒物質(zhì)含量在10—20 cm層出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。土壤容重方面，除流動(dòng)沙地外，其他樣地土壤容重峰值均出現(xiàn)在10—20 cm層，流動(dòng)沙地土壤容重隨土層深度的增加而降低。

2.2 土壤持水特性

2.2.1 土壤水分特征曲線 土壤水分特征曲線可以反映土壤水勢(shì)和土壤含水率的關(guān)系(圖2)，當(dāng)土壤水勢(shì)相同時(shí)，土壤含水率越高，則土壤對(duì)水分吸持能力越強(qiáng)。6種治理方式下不同土層土壤水分特征曲線變化趨勢(shì)基本相同，均為非線性過程，表現(xiàn)為“S”形。通過對(duì)曲線斜率進(jìn)行求解，6種治理方式下土壤水分特征曲線大體上可分為4個(gè)部分： ① pF=0時(shí)對(duì)應(yīng)的土壤含水量為土壤飽和持水量，02.0時(shí)，隨著pF的升高，土壤體積含水量下降并不明顯，水分與土壤結(jié)合較為緊密。由圖2可以看出，0—10 cm層土壤水分特征曲線分布較為集中，說明6種樣地類型該層土壤水分吸持能力相近。10—20 cm土壤分布開始分散，其中小葉錦雞兒群落與小葉楊人工林曲線右移明顯，水分吸持能力增強(qiáng)；流動(dòng)沙地水分特征曲線位移最小，水分吸持能力與0—10 cm層基本相同。0—60 cm剖面土壤對(duì)水分的吸持能力整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。

圖1 不同治理措施下沙地土壤機(jī)械組成及土壤容重垂直分布

圖2 不同治理措施下沙地土壤水分特征曲線

2.2.2 土壤有效水和土壤過剩水含量 通常來講，將pF=4.2時(shí)的土壤含水率看作是永久凋萎點(diǎn)含水率，此時(shí)的土壤水分已經(jīng)很難被植物吸收利用，因此本文將pF≥4.2的土壤水分看作為無效水；飽和持水量與田間持水量間的水分稱為過剩水，因?yàn)椴荒鼙煌寥烙行侄杆傧聺B，因此可以在一定程度上反映出樣地對(duì)地下水的補(bǔ)充能力；田間持水量與永久凋萎點(diǎn)含水量間的水分可以直接供植物生長所需，被稱為有效水。本文通過對(duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行求解，計(jì)算出土壤有效含和過剩水總量及對(duì)應(yīng)的土壤含水率范圍，需指出的是上述兩指標(biāo)為理論值，并不是直接測量得到的土壤實(shí)時(shí)含水率。

圖3中柱狀的高低反映了土壤有效水和過剩水含量所對(duì)應(yīng)的土壤體積含水率上的分布范圍，柱狀的長短代表二者含量的多少。不同樣地間相同的土壤體積含水率能對(duì)植物起到的作用不同。對(duì)于小葉錦雞兒群落和圍封草地，15%左右的土壤含水率是可供植物有效利用的部分，而其他4種樣地類型在該含水率下，土壤水分則處于過剩狀態(tài)；同樣，當(dāng)土壤含水率降至5%～10%范圍內(nèi)時(shí)，小葉錦雞兒群落和圍封草地已經(jīng)達(dá)到干旱狀態(tài)，而其他樣地類型土壤則能繼續(xù)對(duì)植物供水。

圖3 不同治理措施下沙地土壤有效水和過剩水含量

6種樣地類型間過剩水比例最低的為小葉錦雞兒群落(0.2 cm3/cm3)，對(duì)應(yīng)的土壤含水率范圍為19.80%-39.68%，其次為圍封草地(0.21 cm3/cm3)，對(duì)應(yīng)的土壤含水率范圍為18.19%～39.35%，二者間差異不顯著，與剩余4種樣地類型差異顯著(α=0.05，下同)。過剩水比例最高的樣地類型為流動(dòng)沙地(0.30 cm3/cm3)，對(duì)應(yīng)的土壤含水率范圍為6.41%～36.62%。小葉楊樹林、樟子松林、固定沙地間過剩水比例差異不顯著。有效水比例最高的樣地類型為小葉錦雞兒群落0.05 cm3/cm3，對(duì)應(yīng)的土壤體積含水率上下限14.84%～19.80%；最低的流動(dòng)沙地0.02 cm3/cm3，對(duì)應(yīng)范圍為4.42%～6.41%，二者間差異顯著，其余樣地類型間差異不顯著。有效水比例和過剩水比例的相對(duì)大小，在一定程度上反映了土壤對(duì)水分的持續(xù)能力，在6中樣地類型中，小葉錦雞兒群落和圍封草地土壤對(duì)水分的吸收、保持能力較強(qiáng)，能有效儲(chǔ)存較多水分，其他4中樣地類型土壤透水性較好，在降水充足情況下對(duì)地下水補(bǔ)充能力較好。

2.3 土壤質(zhì)地對(duì)土壤持水性能的影響

對(duì)6種治理措施下土壤水分特征曲線和土壤機(jī)械組成的分析出現(xiàn)一個(gè)共同特征，即土壤水分特征曲線在10—20 cm明顯右移，同時(shí)該層土壤機(jī)械組成沙粒含量降低，粉、黏粒含量增加，尤其粉粒含量增加明顯。因此，本文分別以6種樣地土壤有效水含量、土壤過剩水含量為因變量，土壤沙粒、粉粒、黏粒含量以及容重為自變量進(jìn)行回歸分析。得到如下結(jié)果：

(1) 土壤機(jī)械組成和容重構(gòu)建的有效水含量回歸方程為：

AW=0.35Si+2.54Cl-0.02ρb+0.03

(2)

式中：AW——有效水含量(cm3/cm3)；Si——粉粒體積分?jǐn)?shù)(%)；Cl——黏粒體積分?jǐn)?shù)(%)；ρb——土壤容重(g/cm3)。

結(jié)果顯示，土壤有效水含量與土壤粉粒、黏粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤黏粒這一指標(biāo)的回歸系數(shù)達(dá)到2.54，是影響土壤有效水含量的主要因素，黏粒含量的增加對(duì)提高土壤有效水比例有較大的貢獻(xiàn)；與土壤容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，回歸系數(shù)為0.02，說明研究區(qū)土壤容重只在較小程度上引起土壤有效水的變化。土壤沙粒含量由于未通過假設(shè)檢驗(yàn)而被排除。有效水含量的回歸方程判決系數(shù)R2為0.71，即土壤有效水含量的變化在70%程度上可由土壤粉粒、黏粒以及土壤容重來解釋。

(2) 土壤機(jī)械組成和容重構(gòu)建的過剩水含量回歸方程為：

EW=0.42-1.04Si-2.65Cl-0.05ρb

(3)

結(jié)果顯示，土壤過剩水含量與土壤粉粒含量、黏粒含量以及土壤容重均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。與土壤有效水類似，黏粒仍是影響土壤過剩水含量的主要指標(biāo)，黏粒含量的增加會(huì)顯著減少土壤當(dāng)中過剩水比例；土壤粉粒對(duì)過剩水含量的貢獻(xiàn)率與有效水相比有大幅提高，土壤容重對(duì)其的影響仍在小尺度上發(fā)揮作用。土壤沙粒含量由于未通過假設(shè)檢驗(yàn)而被排除?；貧w方程判決系數(shù)R2=0.89。說明土壤過剩水的變化可以在近90%程度上用土壤粉粒、黏粒、容重來解釋。從上述3個(gè)指標(biāo)與土壤有效水、土壤過剩水比例的相關(guān)系數(shù)可以判斷，土壤黏粒含量、土壤粉粒含量及土壤容重對(duì)土壤過剩水的影響效果要更加明顯。

3 討 論

在對(duì)土壤水分的研究中，土壤飽和持水量和土壤田間持水量一般采用環(huán)刀法進(jìn)行測量，對(duì)于吸水過程需要人為判斷，具有一定的主觀性，還有學(xué)者利用馬歇爾公式計(jì)算土壤飽和持水量[16]，由于公式中涉及的土壤指標(biāo)較多，需要對(duì)土壤總孔隙度、土壤容重以及土壤密度分別進(jìn)行測量，較為復(fù)雜和不便。本文利用土壤水分特征曲線，通過對(duì)比曲線形狀和分布情況，不僅能直觀的展現(xiàn)各樣地土壤不同壓力水頭下對(duì)水分吸釋能力，而且能更精確的計(jì)算出飽和持水量和田間持水量，使研究結(jié)果更為科學(xué)可信。

在對(duì)土壤過剩水和土壤有效水的回歸分析中，土壤沙粒含量均被排除，這是由于研究區(qū)處于科爾沁沙地，所選擇的6種樣地類型土壤母質(zhì)均為風(fēng)沙土，沙粒含量背景值本身較大，而其變化范圍僅在5%左右，同時(shí)土壤水分運(yùn)移情況主要受到土粒表面能的影響[17]，土壤顆粒越小，所具有的表面能越大，對(duì)水分的吸附能力越強(qiáng)。土壤過剩水和土壤有效水本質(zhì)就是不同水勢(shì)下土壤的持水能力，因此受土壤細(xì)粒物質(zhì)含量影響最大。不同的治理措施通過改變地表覆蓋情況，影響風(fēng)沙侵蝕情況，改變土壤機(jī)械組成，增加土壤細(xì)粒物質(zhì)含量，進(jìn)而改變土壤水分持蓄能力，改善土壤水分狀況。

4 結(jié) 論

(1) 治理措施能明顯改善土壤水分狀況。與流動(dòng)沙地相比，治理措施下土壤水分特征曲線均有右移趨勢(shì)，在10—20 cm層表現(xiàn)最為明顯；各治理措施下土壤有效水含量及對(duì)應(yīng)含水率范圍均有提高，過剩水含量降低，土壤對(duì)水分吸存能力增加。小葉錦雞兒群有效水含量為各治理措施中最高，達(dá)到0.05 cm3/cm3，對(duì)應(yīng)土壤含水率范圍為14.84%～19.80%。

(2) 治理措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響差異顯著?？傮w上各治理措施土壤沙粒含量降低，粉粒、黏粒含量增加；沙粒含量降低最多為小葉錦雞兒群落，較流動(dòng)沙地減少7.99%；粉粒含量增加7.49%，為各治理措施中最高；圍封措施下土壤黏粒含量為各治理措施間最高，達(dá)到1.08%。同時(shí)治理措施能有效降低0—60 cm層土壤平均容重，除圍封外，其他措施與流動(dòng)沙地土壤容重差異顯著。

(3) 土壤過剩水含量的回歸方程為：AW=0.35Si+2.54Cl-0.02ρb+0.03，判決系數(shù)為0.71；土壤過剩水含量的回歸方程為EW=0.42-1.04Si-2.65Cl-0.05ρb，判決系數(shù)為0.89。土壤黏粒含量是影響土壤有效水和土壤過剩水的主要因素，回歸系數(shù)分別達(dá)到2.54和-2.65，土壤粉粒含量和土壤容重也均對(duì)土壤有效水和過剩水含量產(chǎn)生影響。

(4 ) 土壤黏、粉粒含量是改善沙化土地土壤結(jié)構(gòu)及水分吸持能力的主要因素。小葉錦雞兒和圍封措施下土壤細(xì)粒物質(zhì)含量增加明顯，水分持蓄能力的提高更多的有效水分能供給植物生長、更新所用，是本研究中較為理想的治理方式；其他治理措施下土壤過剩水仍較高，可供植物利用的土壤水分較少，但同時(shí)對(duì)地下水能起到較好的補(bǔ)充作用。