晉西黃土區(qū)不同退耕年限刺槐林對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的影響

韓國(guó)忠, 于博威, 劉高煥, 劉慶生, 馮九梁, 趙忠賀

(1.山西省水土保持科學(xué)研究所, 山西 太原 030013; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.山西省水利廳水土保持局, 山西 太原 030002)

土壤水是聯(lián)系地下水、地表水與大氣水之間相互轉(zhuǎn)化的紐帶，在植被恢復(fù)和生態(tài)重建過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]，尤其在干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，降水量少，蒸發(fā)量大，土壤水分嚴(yán)重缺乏，水分是影響植被生長(zhǎng)和發(fā)育的主要限制因子[2-3]。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的主要組分，是土地生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，對(duì)植被的恢復(fù)至關(guān)重要[4]。然而，在黃土丘陵區(qū)，由于氣候干燥、降雨集中、土層深厚、土質(zhì)疏松，極易導(dǎo)致土壤水分和養(yǎng)分的流失[5]，造成土壤保水性差、養(yǎng)分含量低等生態(tài)環(huán)境問題的持續(xù)惡化。為保護(hù)水土資源，改善生態(tài)環(huán)境，人工植被恢復(fù)是主要的生態(tài)重建手段[6]，具有增加雨水就地入滲，改良土壤條件，提高土地生產(chǎn)力等優(yōu)勢(shì)[7-8]。因此，探討人工植被恢復(fù)下的土壤水分和養(yǎng)分變化狀況，對(duì)黃土丘陵區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的重建具有重要意義。

目前，已有一些研究者在黃土高原開展了人工植被恢復(fù)對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的影響研究。梁海斌等[9]以不同林齡檸條林為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)土壤水分含量總體表現(xiàn)為：撂荒地>10 a檸條林>20 a檸條林>35 a檸條林。王瑜等[10]選取人工油松林、山杏林和沙棘林為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)人工油松林和山杏林土壤水分隨土層深度的增加而減少，而人工沙棘林土壤水分隨土層深度的增加而逐漸增加。楊磊等[11]通過構(gòu)建土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)，進(jìn)一步定量研究了人工植被恢復(fù)的土壤水分相對(duì)虧缺狀況，發(fā)現(xiàn)檸條、油松和山杏林地土壤水分虧缺嚴(yán)重。于博威等[12]比較了不同退耕年限刺槐林大坑整地內(nèi)外的土壤養(yǎng)分含量，發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)后土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)和全鉀含量分別比相鄰坡面增加了1.99%，4.94%和3.93%。李萍等[13]研究表明人工油松林有利于土壤速效氮、磷、鉀的積累，而對(duì)于全磷的影響不明顯，并且對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響主要在40 cm以上土層。這些研究主要集中在不同植被類型下的土壤水分和養(yǎng)分的靜態(tài)對(duì)比，而缺乏對(duì)典型黃土丘陵溝壑區(qū)不同退耕年限人工林等高大坑內(nèi)外土壤水分和養(yǎng)分等生態(tài)效應(yīng)的對(duì)比研究?；诖?，本研究擬以黃土丘陵溝壑區(qū)的人工刺槐林為研究對(duì)象，通過坑外與坑內(nèi)土壤水分和養(yǎng)分的對(duì)比，揭示不同退耕年限刺槐林土壤水分和養(yǎng)分的變化特征，以期對(duì)黃土丘陵區(qū)人工刺槐林的生態(tài)建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

解溝小流域(36°56′N,110°46′E)地處山西省呂梁山脈西麓的石樓縣，是黃河中游水土流失十分嚴(yán)重的多砂粗砂區(qū)，小流域總面積0.49 km2，溝谷密度2.32 km/km2，海拔1 047～1 251 m，屬于典型的半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量465 mm，降水量季節(jié)分布不均，主要集中在7—9月，且多為暴雨。小流域平均氣溫9.8 ℃，潛在蒸發(fā)量為1 850 mm，年均相對(duì)濕度57%，無霜期180～190 d。該小流域土壤屬于黃土質(zhì)灰褐性土，土質(zhì)均一，土壤貧瘠，缺乏水分和養(yǎng)分。小流域內(nèi)主要土地利用類型包括人工林地、撂荒地、天然草地和耕地。人工林以刺槐(Robiniapseudoacacia)為主，山杏(Armeniacasibirica)、火炬樹(Rhustyphina)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等為輔，天然植被多見黃花蒿(Artemisiaannua)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)、狗尾草(Setariaviridis)等，主要農(nóng)作物有玉米、谷子等。

1.2 整地描述與樣地選擇

為改善生態(tài)環(huán)境，近十年來，香港力行植林慈善基金會(huì)已在該區(qū)連續(xù)種植130 hm2多人工生態(tài)林，造林樹種主要是刺槐。主要采取的植林工程模式是：采用沿等高線大坑整地(長(zhǎng)2 m，寬50 cm，深50 cm)，“品”字形排列，大坑中心距3 m，行距1.5 m，每666.7 m2約有150個(gè)坑。整地時(shí)先將表面雜草清除干凈，將表層熟土翻到坑的上邊，生土層翻起打塄，然后將稻米殼(每坑3 kg)和表層熟土混合回填入坑內(nèi)，填土深40 cm，經(jīng)雨季降水踏實(shí)后栽植苗木。栽苗完成后用松樹皮覆蓋表面，坑內(nèi)覆蓋厚度2～3 cm[14]。這種模式的特點(diǎn)是：沿等高線大坑整地，可以有效攔蓄降水；大坑內(nèi)混入稻米殼，可增加土壤的透氣性和有機(jī)質(zhì)，并提高降水入滲率；栽植后苗木周圍覆蓋松樹皮，可有效減少地表土壤水分蒸發(fā)[14]。由于這種獨(dú)特的植樹方法，其成活率平均在70%以上，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)卦炝殖苫盥?，林木生長(zhǎng)發(fā)育良好，有助于改善土壤條件、涵養(yǎng)水源。本研究在坡面尺度上，選取地形條件相對(duì)一致的退耕4，5，6 a刺槐林作為研究樣地，各樣地的基本特征見表1。

1.3 樣點(diǎn)布設(shè)與土壤水分、養(yǎng)分的測(cè)定

土壤水分含量采用土鉆—烘干法(12 h,105°)，在各樣地沿坡面設(shè)置6個(gè)樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)人工刺槐林大坑內(nèi)與相鄰的刺槐間坡面裸地在不同土壤深度(0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)用土鉆采集土樣，各土層3個(gè)重復(fù)。在2016年8—10月共進(jìn)行4次測(cè)定，分別是8月15日，9月1日，9月15日和10月15日。每次測(cè)定兩天內(nèi)完成，測(cè)定期間無降雨發(fā)生。

表1 晉西黃土區(qū)不同退耕年限樣地基本特征

注：R4為退耕4 a刺槐林；R5為退耕5 a刺槐林；R6為退耕6 a刺槐林。下同。土壤機(jī)械組成分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按美國(guó)農(nóng)業(yè)部制分類：砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)，并且表中數(shù)值為大坑內(nèi)外0—10 cm土壤性質(zhì)的平均含量。

土壤養(yǎng)分狀況選擇在各樣地上、中、下坡位3個(gè)位置設(shè)置樣點(diǎn)，于2016年5月中旬在各樣點(diǎn)人工刺槐林大坑內(nèi)外挖掘土壤剖面，采集樣品分為4個(gè)土層(0—10，10—20，20—40，40—60 cm)，各3個(gè)重復(fù)，取樣完成后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)與測(cè)定。選擇的土壤養(yǎng)分狀況指標(biāo)包括：土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤全磷和土壤全鉀。其中土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定，土壤全氮采用半微量開氏法測(cè)定，土壤全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀采用NaOH熔融—火焰光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用描述性統(tǒng)計(jì)和方差分析等方法對(duì)不同退耕年限及不同土層土壤水分進(jìn)行處理，相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來表示，同一因素不同水平間差異顯著性采用最小顯著差數(shù)法(least significant difference, LSD)進(jìn)行檢驗(yàn)。采用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)大坑內(nèi)外土壤水分和養(yǎng)分的差異顯著性進(jìn)行分析。本文顯著性水平α=0.05。統(tǒng)計(jì)分析在Excel 2010和SPSS 16.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分隨退耕年限的變化特征

由表2和表3可知，坑內(nèi)外土壤水分在各土層隨退耕年限均呈先減少后增加的變化趨勢(shì)，并且在10—100 cm增加量低于減少量，即土壤水分含量在10—100 cm依次為，退耕4 a刺槐林>退耕6 a刺槐林>退耕5 a刺槐林。經(jīng)統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)，坑內(nèi)外退耕4 a刺槐林土壤水分含量在10—100 cm顯著高于退耕5 a刺槐林(p<0.05)，同時(shí)分別在60—100和20—100 cm顯著高于退耕6 a刺槐林(p<0.05)。從退耕4 a到退耕5 a刺槐林，坑外和坑內(nèi)土壤水分減少量隨土層深度的增加而增加，減少量最大的土層是80—100 cm，分別減少了4.56和5.16 g/g，減幅分別為29.58%和33.90%；除了60—80 cm，其他土層坑內(nèi)減少量均大于坑外。而退耕5 a刺槐林至退耕6 a刺槐林土壤水分增加量隨土層無明顯變化趨勢(shì)，但增加量最大的土層也是80—100 cm，坑外與坑內(nèi)分別增加了1.67和1.25 g/g，增幅分別為15.38%和12.43%；除了0—10 cm，其他土層坑內(nèi)增加量均小于坑外。由此表明，坑內(nèi)比坑外隨退耕年限消耗更多土壤水分，而且較難恢復(fù)。此外，除了坑內(nèi)退耕4 a刺槐林，同一退耕年限不同土層之間土壤水分含量差異顯著(p<0.05)，坑外退耕4 a刺槐林土壤水分含量隨土層深度的增加而增加，坑內(nèi)外退耕5 a和退耕6 a刺槐林均隨土層深度的增加而減少。

表2 晉西黃土區(qū)坑外土壤水分隨退耕年限的變化

注：不同大寫字母表示同一土層不同退耕年限間差異顯著，不同小寫字母表示同一退耕年限不同土層間差異顯著。下同。

表3 晉西黃土區(qū)坑內(nèi)土壤水分隨退耕年限的變化

2.2 不同退耕年限刺槐林坑內(nèi)外土壤水分比較

由表4可知，在0—10 cm土層，坑內(nèi)土壤水分含量在不同退耕年限均高于坑外。與之相反，在80—100 cm土層，坑內(nèi)土壤水分含量在不同退耕年限均低于坑外。在10—80 cm土層，隨退耕年限坑內(nèi)土壤水分含量先高于坑外而后逐漸低于坑外，轉(zhuǎn)折點(diǎn)是在退耕5 a刺槐林。從坑內(nèi)外土壤水分含量的差值來看，退耕4 a和5 a刺槐林在0—40 cm土層坑內(nèi)土壤水分含量明顯高于坑外。經(jīng)檢驗(yàn)，坑內(nèi)土壤水分含量在退耕4 a刺槐林0—40 cm土層顯著高于坑外(p<0.05)。但是隨著土層深度的增加，坑內(nèi)與坑外土壤水分差值變小，在80—100 cm坑內(nèi)水分低于坑外，轉(zhuǎn)折點(diǎn)是在80 cm土層；而對(duì)于退耕6 a刺槐林，盡管轉(zhuǎn)折點(diǎn)是在10 cm，但在10—40 cm土層坑內(nèi)土壤水分含量低于坑外的程度明顯小于40 cm以下土層。表明刺槐植被恢復(fù)改善土壤水分狀況最大的土層是在0—40 cm，而在40—100 cm改善作用并不明顯。

表4 不同退耕年限刺槐林坑外與坑內(nèi)土壤水分比較

注：“/”兩邊小寫字母表示坑外與坑內(nèi)間差異顯著性；a/a 表示坑內(nèi)外無顯著差異；a/b表示坑外顯著高于坑內(nèi)；b/a表示坑外顯著低于坑內(nèi)。括號(hào)內(nèi)是坑內(nèi)減去坑外的差值。下同。

2.3 土壤養(yǎng)分隨退耕年限的變化特征

如表5和表6所示，坑內(nèi)外土壤有機(jī)質(zhì)含量在各退耕年限刺槐林均具有顯著的表聚性(p<0.05)?？油馔寥烙袡C(jī)質(zhì)平均含量依次為退耕5 a刺槐林>退耕4 a刺槐林>退耕6 a刺槐林，平均含量依次為7.87，6.09，5.00 g/kg。而坑內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量隨退耕年限依次減少，即退耕4 a刺槐林>退耕5 a刺槐林>退耕6 a刺槐林，平均含量依次為7.48，7.27，5.51 g/kg。經(jīng)檢驗(yàn)，同一土層不同退耕年限之間土壤有機(jī)質(zhì)含量存在顯著差異(p<0.05)。從土壤垂直剖面來看，不同退耕年限刺槐林有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少，同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量存在活躍層(0—10 cm)和漸變層(10—60 cm)之分。結(jié)果顯示，坑內(nèi)退耕4 a刺槐林更有利于表層有機(jī)質(zhì)積累，而坑外退耕5 a刺槐林更有利于表層有機(jī)質(zhì)積累。

坑內(nèi)外土壤全氮平均含量均表現(xiàn)為退耕5 a刺槐林>退耕6 a刺槐林>退耕4 a刺槐林。但是，土壤全氮含量在不同退耕年限之間的差異與土層深度有關(guān)，例如，在坑外10—20 cm，土壤全氮含量隨退耕年限而增加。經(jīng)檢驗(yàn)，不同退耕年限之間只在坑外40—60 cm差異顯著(p<0.05)，在其他土層差異不顯著(p>0.05)。此外，同一退耕年限不同土層之間土壤全氮含量差異顯著(p<0.05)，總的來看，坑內(nèi)外退耕4 a和6 a刺槐林土壤全氮含量均隨土層深度的增加而減少，而退耕5 a刺槐林隨土層深度的增加無明顯變化趨勢(shì)。

坑外土壤全磷平均含量表現(xiàn)為退耕5 a刺槐林>退耕4 a刺槐林>退耕6 a刺槐林，而坑內(nèi)表現(xiàn)為隨退耕年限土壤全磷平均含量依次減少。經(jīng)檢驗(yàn)，不同退耕年限之間土壤全磷含量只在坑外40—60 cm呈顯著性差異(p<0.05)，即退耕5 a刺槐林土壤全磷含量顯著高于退耕6 a刺槐林。此外，各退耕年限土壤全磷含量在不同土層中變化較大，呈現(xiàn)出波動(dòng)性，因此隨土層變化規(guī)律并不明顯。土壤全鉀平均含量在坑內(nèi)外隨退耕年限的變化趨勢(shì)與土壤全磷相同。即坑外表現(xiàn)為退耕5 a刺槐林>退耕4 a刺槐林>退耕6 a刺槐林，而坑內(nèi)表現(xiàn)為退耕4 a刺槐林>退耕5 a刺槐林>退耕6 a刺槐林。同一退耕年限坑外土壤全鉀含量隨土層深度的增加而增加，但坑內(nèi)全鉀含量變化較大，隨土層變化規(guī)律不明顯。

表6 晉西黃土區(qū)刺槐林地坑內(nèi)土壤養(yǎng)分隨退耕年限的變化

2.4 不同退耕年限刺槐林坑內(nèi)外土壤養(yǎng)分比較

由表7可知，坑內(nèi)平均土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別比坑外增加了6.80%和11.54%，而坑外平均土壤全磷和全鉀含量分別比坑內(nèi)增加了2.33%和2.45%。

坑內(nèi)外土壤養(yǎng)分平均含量的差值隨退耕年限有所不同。退耕4 a刺槐林坑內(nèi)各土壤養(yǎng)分指標(biāo)平均含量均高于坑外，尤其是土壤有機(jī)質(zhì)平均含量，增幅達(dá)22.67%；與之相反，在退耕5 a刺槐林，坑內(nèi)各土壤養(yǎng)分指標(biāo)平均含量均低于坑外，其中土壤有機(jī)質(zhì)平均含量減幅最大，為8.31%；在退耕6 a刺槐林，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均含量坑內(nèi)高于坑外，而土壤全磷和全鉀平均含量坑內(nèi)低于坑外。

坑內(nèi)外土壤養(yǎng)分平均含量在各土層之間同樣存在差異。例如，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量在各土層坑內(nèi)高于坑外，尤其是0—10 cm；而土壤全氮平均含量在0—10 cm坑內(nèi)低于坑外，在其他土層高于坑外；土壤全磷平均含量在40—60 cm坑內(nèi)低于坑外，在其他土層高于坑內(nèi)；土壤全鉀平均含量在0—20 cm坑內(nèi)高于坑外，在20—60 cm低于坑外。具體情況如表7所示。

表7 不同退耕年限刺槐林坑外與坑內(nèi)土壤養(yǎng)分比較

3 討論與結(jié)論

土壤水分是黃土丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要制約因素。人工刺槐能有效增加地表覆蓋，并通過根系生長(zhǎng)改善土壤通氣狀況和蓄水性能，增加土壤團(tuán)聚性和含水量，在一定程度上改善水土流失現(xiàn)狀[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)，造林初期大坑內(nèi)的土壤水分平均含量高于坑外，如退耕4 a刺槐林坑內(nèi)土壤水分平均含量比坑外提高了3.87%，說明了人工刺槐林對(duì)土壤水分保持的有效性，這一點(diǎn)與諸多研究結(jié)果相一致[17-19]。但隨著林木的生長(zhǎng)，林地的植被截留量和蒸騰量都會(huì)增加，對(duì)土壤的補(bǔ)充量也隨之減小，如退耕5 a刺槐林坑內(nèi)土壤水分平均含量比坑外提高了1.12%，而退耕6 a刺槐林坑內(nèi)土壤水分低于坑外。

在植被恢復(fù)過程中，大量的枯枝落葉隨土壤微生物的分解和雨水的淋洗轉(zhuǎn)化為土壤養(yǎng)分進(jìn)入土壤[20-21]。本研究通過大坑內(nèi)外對(duì)比發(fā)現(xiàn)，人工刺槐林對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要體現(xiàn)在土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均含量的提高，坑內(nèi)平均含量分別高出坑外6.81%和7.85%，但對(duì)土壤全磷和全鉀平均含量的改善作用并不明顯。

對(duì)比不同深度的土壤水分和養(yǎng)分狀況，人工刺槐林對(duì)土壤水分改善作用最大的土層是在0—40 cm，坑內(nèi)平均水分比坑外提高了3.97%，而在40—100 cm土層改善作用減弱，只提高了2.74%，表明人工刺槐林主要改造土壤表層的結(jié)構(gòu)，使土壤表層具有較好的保水性質(zhì)，與前人的研究結(jié)果相同[22-23]。人工刺槐林對(duì)土壤養(yǎng)分改善作用最大的土層是在0—20 cm，坑內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀平均含量分別比坑外提高了6.61%，6.14%，1.55%和1.98%，而在20—40 cm土層對(duì)土壤全磷和全鉀無明顯改善作用；另外，土壤養(yǎng)分具有表聚性[24-25]，其中土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量最為明顯。