基于灰色關(guān)聯(lián)分析的砒砂巖區(qū)不同林齡沙棘的改土效應(yīng)

劉 靜, 李 禾, 郭建英, 吳永勝

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳水土保持處, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

鄂爾多斯達(dá)拉特旗地處陜晉蒙三省交界處，區(qū)內(nèi)廣泛分布著砒砂巖，是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。由于砒砂巖結(jié)構(gòu)松散、厚度小、膠結(jié)能力差，導(dǎo)致該區(qū)域溝壑縱橫、植被稀疏，極易發(fā)生水土流失，其水土流失面積占全區(qū)土地總面積的92.5%。砒砂巖透水性差，層狀結(jié)構(gòu)顯著，導(dǎo)致植物扎根困難，成活率低[1]。沙棘(Hippophaerhamnoides)作為砒砂巖區(qū)典型的水土保持鄉(xiāng)土植物種之一，具有抗旱御寒、耐鹽堿、成林后枝葉生長(zhǎng)茂密、根系發(fā)達(dá)密集等特點(diǎn)，被人們譽(yù)為“神奇植物”[2-3]。因此20世紀(jì)末期，在砒砂巖區(qū)通過(guò)大力種植沙棘，使溝道、坡面等區(qū)域水土流失問(wèn)題得到遏制，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了有效改善[4]。楊方社[5]等人研究表明，沙棘能顯著提高砒砂巖區(qū)溝道土壤含水量，并使土壤含水量呈顯著的空間異質(zhì)性；黨曉宏[6]等人對(duì)1～4 a生沙棘進(jìn)行研究表明，沙棘能增加土壤孔隙度，并提高土壤中速效N，P，K 及有機(jī)質(zhì)含量；殷立強(qiáng)[7]等人對(duì)8 a生沙棘研究表明，沙棘能改變土壤的機(jī)械組成，使土壤粉粒、黏粒含量增加。土壤持水能力增強(qiáng)。上述研究說(shuō)明沙棘具有改土效應(yīng)。但植被林齡不同對(duì)土壤改良效果不同。基于此，本研究以達(dá)拉特旗典型砒砂巖區(qū)溝道坡面1～7 a生沙棘為研究對(duì)象，利用灰色度關(guān)聯(lián)分析法對(duì)1～7 a生沙棘林下土壤性質(zhì)(土壤含水量、土壤容重、毛管總孔隙度、土壤比重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量、毛管最大持水量)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，探究不同林齡沙棘對(duì)其下土壤的改良效果，從而為砒砂巖區(qū)人工沙棘林生態(tài)建設(shè)、恢復(fù)和重建提供理論依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達(dá)拉特旗東柳溝沙棘生態(tài)建設(shè)區(qū)(109°15′—110°20′E，39°56′—40°12′N)，海拔在1 370 m左右。該區(qū)域?qū)僦袦貛Ц珊?、半干旱氣候，具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候特征。年均降雨量在297.8 mm，年降雨量分配不均，主要集中在7—9月。年均氣溫6.7 ℃。有效積溫3 400 ℃，太陽(yáng)總輻射量599 kJ/(cm2·a)，年潛在蒸發(fā)量2 011～3 700 mm，平均風(fēng)速2.7 m/s，無(wú)霜期140 d。區(qū)內(nèi)主要植物種為沙棘，零星分布有針茅(Stipacapillata)、堿蒿(Artemisiaanethifolia)、百里香(Thymusmongolicus)、狼毒(Stellerachamaejasme)等，天然植被蓋度低于5%。土壤主要以黃綿土和栗鈣土為主，局部會(huì)出現(xiàn)黑壚土。

1.2 樣地設(shè)置

2015年7月，在研究區(qū)內(nèi)按照不同林齡人工沙棘林進(jìn)行樣地布設(shè)，樣方布設(shè)于砒砂巖溝陽(yáng)坡坡中位置，坡度為20°～30°，共布設(shè)7個(gè)10 m×10 m樣方。以坡向一致的荒坡為對(duì)照(CK)。樣地內(nèi)，不同林齡沙棘生長(zhǎng)狀況良好。樣地基本情況詳見(jiàn)表1。在樣方內(nèi)進(jìn)行每木調(diào)查，包括坡度、植被蓋度、生物量、枯落物量。根據(jù)當(dāng)?shù)厮帘３志窒嚓P(guān)資料記載當(dāng)年造林均為1 a生實(shí)生苗，沙棘栽植前立地條件、植被類型等生態(tài)特征基本一致，采用以空間代替時(shí)間的方法調(diào)查栽植不同年限的沙棘人工林地土壤物理特性。

表1 樣地基本情況調(diào)查

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

在1～7 a沙棘林地內(nèi)，以對(duì)角線等間距布置5個(gè)取樣點(diǎn)，以相應(yīng)等高線位置的周邊荒坡裸地為對(duì)照，采用環(huán)刀對(duì)0—40 cm土層進(jìn)行取土，每10 cm取一層土樣，取樣后分層均勻混合后裝入塑封袋內(nèi)并進(jìn)行標(biāo)記。同時(shí)將采集的原狀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。土壤含水率采用烘干法：土壤容重采用環(huán)刀法(環(huán)刀體積100 cm2)；土壤總孔隙度采用比重和容重計(jì)算：土壤總孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100(比重:比重瓶法)；土壤毛管孔隙度采用浸水法計(jì)算：土壤毛管孔隙度(%)=土壤毛管最大持水量×容重×100%；土壤非毛管孔隙度(%)=總孔隙度-土壤毛管孔隙度；土壤飽和持水量采用稱重法：土壤飽和持水量(%)=(飽和土壤重-干土重)/(干土重-環(huán)刀重)×100；土壤毛管最大持水量采用浸水法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)不同林齡沙棘土壤物理指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析(one-way ANOVA)和主成分分析確定重權(quán)，采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)土壤物理指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)，采用Origin 2017軟件圖形繪制?；疑P(guān)聯(lián)分析法對(duì)不同林齡人工沙棘林進(jìn)行改土效應(yīng)評(píng)價(jià)。選擇以不同林齡0—40 cm土層深度土壤作為評(píng)價(jià)樣本，土壤物理特征指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，在SPSS 20.0軟件中計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重 。最終求出多個(gè)關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)序。運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論的原理與方法[8-9]，對(duì)不同林齡0—40 cm土層土壤物理性質(zhì)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析及關(guān)聯(lián)排序。設(shè)比較數(shù)列為A(i，j)(i=1,2,…,7)，表示第i年沙棘林不同土層下土壤物理指標(biāo)中的第j個(gè)指標(biāo)；其中A(0，j)是由各物理性質(zhì)指標(biāo)中最大值所組成的理想數(shù)列。采用直線型標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行無(wú)量綱化處理：A(i,j)/A(0,j)，關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式為：

對(duì)于ξ∈(0,1)，令

關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為：

式中：ξ——分辨系數(shù),取值為0.5；N=7；ωij——第i年林齡不同土層土壤物理指標(biāo)中第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡沙棘對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 不同林齡沙棘對(duì)0—40 cm土壤含水量的影響 由圖1可知，隨沙棘林齡增加，各土層土壤含水量空間異質(zhì)性逐漸增大。4～7 a沙棘0—20 cm土層土壤含水量較1～3 a波動(dòng)大(p<0.05)。當(dāng)沙棘林齡為5 a時(shí)，0—20 cm土層深度土壤含水量達(dá)到最大。不同林齡平均土壤含水量由大到小依次為：5 a(10.40%)>7 a(9.91%)>6 a(9.74%)>4 a(9.46%)>1 a(7.76%)>3 a(7.52%)>2 a(7.46%)>CK(7.25%)。

注：不同小寫(xiě)字母表示同一土壤深度，不同林齡人工梭梭差異顯著性變化(p<0.05)。下同。

圖1 不同林齡沙棘土壤含水量的變化情況

2.1.2 不同林齡沙棘對(duì)0—40 cm土壤容重的影響 土壤容重是土壤最基本的物理性質(zhì)之一，影響著土壤通氣性、透氣性、持水性、植被生長(zhǎng)、溶質(zhì)遷移特征和土壤侵蝕能力[10-11]。由圖2可知，異齡同層，土壤容重隨沙棘林齡增大而減小，且4 a后，土壤容重降低趨勢(shì)減緩；同齡異層，土壤容重隨土層深度增加而增大，且沙棘林土壤容重均低于CK。在0—30 cm，各林齡同一土層深度與CK之間差異不顯著(p>0.05)；在30—40 cm，僅7 a與CK之間差異顯著(p<0.05)。整體而言，同齡異層沙棘林地容重變化范圍在1.3～1.62 g/cm3之間，不同林齡平均土壤容重由大到小依次為：CK(1.58 g/cm3)>1 a(1.54 g/cm3)>2 a(1.51 g/cm3)>3 a(1.48 g/cm3)>4 a(1.44 g/cm3)>5 a(1.43 g/cm3)>6 a(1.42 g/cm3)>7 a(1.39 g/cm3)。由此可見(jiàn)，沙棘對(duì)土壤容重有一定改善作用，但改善效果較小。

圖2 不同林齡人工沙棘土壤容重的變化情況

2.1.3 不同林齡沙棘對(duì)0—40 cm土壤總孔隙度的影響 土壤總孔隙度反映土壤潛在蓄水和調(diào)節(jié)降水的能力，影響土壤通氣、水分垂直運(yùn)移、植物根系穿插等[12-13]。由圖3可知，沙棘林地土壤孔隙度的變化趨勢(shì)與土壤容重的變化趨勢(shì)相反。在10—40 cm，不同林齡沙棘土壤孔隙度4～7 a與CK之間差異顯著(p<0.05)；在0—10 cm，不同林齡沙棘與CK之間差異不顯著(p>0.05)。各林齡人工沙棘林平均土壤孔隙度大小依次為：7 a(48.45%)>6 a(47.52%)>5 a(47.15%)>4 a(45.32%)>3 a(45.00%)>2 a(43.32%)>1 a(41.93%)>CK(41.30%)。在栽植沙棘林7 a后0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm各土層土壤孔隙度較CK分別增加9.16%，20.50%，18.92%，22.60%。由此可見(jiàn)，沙棘能改善土壤孔隙度。

2.1.4 不同林齡沙棘對(duì)0—40 cm平均土壤孔隙度的影響 土壤結(jié)構(gòu)與肥力在一定程度上取決于土壤孔隙特性。裸地營(yíng)建植被后，使地表徑流減少，增加土壤孔隙，改善土壤的透水性和保水性。而且死亡根系形成非毛管孔隙及土壤微生物活動(dòng)增加土壤非毛管孔隙。由表2知，各林齡土壤比重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。土壤總孔隙度、毛管孔隙度在7 a時(shí)達(dá)到最大，且均高于CK(p>0.05)。其最大值較CK分別增加17.30%，20.35%。這表明砒砂巖溝坡通過(guò)營(yíng)建人工沙棘林，在短期內(nèi)可以達(dá)到一定的固土作用，但人工沙棘對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良不是隨林齡而增大。

圖3 不同林齡人工沙棘土壤孔隙度的變化情況

表2 不同林齡人工沙棘0—40 cm平均土壤孔隙度的變化

注：不同小寫(xiě)字母表示同一林齡0—40 cm人工沙棘各指標(biāo)平均值差異顯著性變化(p<0.05)。

2.2 不同林齡沙棘對(duì)土壤持水能力的影響

土壤土壤飽和持水量代表土壤的最大蓄水能力。由圖4知，沙棘林的土壤飽和持水量、毛管最大持水量隨林齡增加而逐漸增加。6 a和7 a 沙棘林的飽和持水量與CK成顯著差異(p<0.05)，5～7 a沙棘林毛管最大持水量與CK成顯著差異(p<0.05)。其飽和持水量大小依次為：6 a(31.45%)>7 a(31.26%)>5 a(28.44%)>3 a(27.93%)>4 a(26.83%)>2 a(26.35%)>1 a(25.78%)>CK(24.06%)；而土壤毛管最大持水量大小依次為7 a(28.03%)>6 a(26.59%)>5 a(26.19%)>4 a(24.11%)>2 a(23.71%)>3 a(23.69%)>1 a(22.83%)>CK(22.31%)。其土壤飽和持水量、毛管最大持水量最大值(7 a)較最小值(CK)增加29.93%，25.64%。該試驗(yàn)結(jié)果表明，砒砂巖區(qū)栽植沙棘后，增加了該區(qū)域土壤的蓄水能力。說(shuō)明沙棘有涵養(yǎng)水源的作用。

圖4 不同林齡人工沙棘土壤持水能力的變化情況

2.3 不同林齡沙棘土壤物理性質(zhì)加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析

以不同林齡(1～7 a)、不同土層深度(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm)土壤作為評(píng)價(jià)樣本，選擇土壤含水量、土壤容重、毛管總孔隙度、毛管孔隙度、飽和持水量、毛管最大持水量、比重7項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子。選取土壤含水量、土壤容重、毛管總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和持水量、毛管最大持水量、比重7項(xiàng)指標(biāo)中的最大值作為參考數(shù)列，以不同土層深度的土壤含水量、土壤容重、毛管總孔隙度、毛管孔隙度等指標(biāo)測(cè)定值作為比較數(shù)列，進(jìn)行無(wú)量綱化處理，分辨系數(shù)選擇ξ=0.5，求出各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和權(quán)重詳見(jiàn)表3。關(guān)聯(lián)度越大，該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響就越大，即改善土壤物理狀況水平越好。

由分析數(shù)據(jù)可以得出各指標(biāo)權(quán)重由大到小排序依次為：土壤總隙度>毛管孔隙度>土壤容重>土壤含水量>比重>毛管最大持水量>飽和持水量。其中土壤總隙度的權(quán)重系數(shù)最大，對(duì)砒砂巖土壤物理特性的影響大。1～7 a沙棘林地中各土壤改良狀況排序詳見(jiàn)表4。由表4可知，改良土壤的最優(yōu)土層是出現(xiàn)在0—20 cm層。由于沙棘林隨林齡的增加地表枯落物量增多，枯落物覆蓋地表具有攔截降雨，減少蒸發(fā)的作用，同時(shí)沙棘根系的淺根性和橫生輻射性也是主要原因，因此土壤在表層0—10 cm和10—20 cm改良效果最明顯。

表3 不同林齡沙棘林下不同土層土壤物理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)、權(quán)重及關(guān)聯(lián)度

表4 不同林齡沙棘林下不同土層的關(guān)聯(lián)序

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

人工植被在建立之日起，在防風(fēng)固沙和改變局部小氣候的同時(shí)，也改變著土壤結(jié)構(gòu)和持水能力。但是植物種類不同對(duì)土壤作用效果不同。袁勤[14]等人通過(guò)對(duì)10 a檸條林、沙棘林、山杏林等5種人工林的研究結(jié)果表明，沙棘對(duì)土壤水分和土壤結(jié)構(gòu)的改良效果最佳。因此，本研究以1～7 a林齡人工沙棘為研究對(duì)象，研究其對(duì)砒砂巖區(qū)土壤的改土效果。

3.1.1 沙棘林齡對(duì)土壤含水量的影響 土壤含水量是影響沙棘生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子。本研究發(fā)現(xiàn)，隨沙棘林齡增加，其土壤含水量逐漸增加，尤其對(duì)表層土壤含水量的影響最大，且土壤水分空間異質(zhì)性逐漸增大。該試驗(yàn)結(jié)果與魏曉婷[15]等人對(duì)不同林齡樟子松的研究結(jié)果相似。其原因可能是1～3 a沙棘冠幅較小，未形成一定郁閉度，土壤水分蒸發(fā)量相對(duì)較大，導(dǎo)致0—40 cm土壤含水量與深度成反比。而4～7 a隨沙棘林齡增加，土壤含水量與深度成正比。一方面，林冠層對(duì)大氣降水在時(shí)間和數(shù)量起著重新分配作用。林冠對(duì)降雨的截流作用隨沙棘林齡增加，使降雨對(duì)表層土壤的補(bǔ)給增加[16]。同時(shí)也能減少降水對(duì)地面的沖刷和林地地表徑流的產(chǎn)生。另一方面，郁閉度隨林齡增大有利于減少降水的蒸散，增加林間大氣濕度和枯落物分解速度。同時(shí)枯落物的持水率和持水量隨沙棘林齡增大，所以枯落物有利于增大土壤的土壤含水量。

3.1.2 沙棘林齡對(duì)土壤容重和孔隙度的影響 土壤容重反映了土壤的熟化程度，而植被可加快土壤發(fā)育[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著沙棘林齡增加，0—40 cm土層土壤容重逐漸減小。說(shuō)明土壤的改土效果隨沙棘林齡逐漸增加。隨土層深度土壤容重逐漸增大。說(shuō)明沙棘對(duì)表層土壤的改良效果最佳。其原因如下： ①本試驗(yàn)樣地均設(shè)在陽(yáng)坡坡中位置(坡度：21°～30°)，由于砒砂巖抗蝕能力差，風(fēng)蝕和水蝕雙重作用容易對(duì)坡頂?shù)乇砑?xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)行沖刷，沙棘根系“柔性壩”作用能攔截細(xì)顆粒物質(zhì)，增加土壤中粉粒和黏粒含量，改變土壤機(jī)械組成，提高土壤蓄水能力。另外，沙棘雖屬非豆科植物，但能進(jìn)行共生固氮作用，改善土壤養(yǎng)分狀況。 ②沙棘枯落物隨沙棘林齡逐漸增加(表1)，枯枝落葉分解使土壤中的腐殖質(zhì)增加，有助于土壤微團(tuán)聚體的形成，降低了土壤容重[18]。 ③隨林齡的增加，沙棘冠幅增加，植被蓋度增大，固沙降塵作用增強(qiáng)，使粉粒和黏粒在表層沉積[19]，導(dǎo)致表層土壤容重遠(yuǎn)小于其他土層。土壤孔隙包括土壤孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤非毛管孔隙度。本研究表明，土壤孔隙度隨沙棘林齡增加而增加，隨土壤深度增加而減少，且均高于CK。該研究結(jié)果與李紅[20]等人的研究結(jié)果一致。首先，沙棘屬于淺根性植物，根系主要分布于0～40 cm之間[6]。隨沙棘林齡增加，根系密度增加，從而使土壤容重降低，增加土壤孔隙度。沙棘林地表層因?yàn)楦采w一層枯落物，枯落物分解在增加土壤有機(jī)質(zhì)的同時(shí)，使土壤微生物活動(dòng)和繁殖加速，再加之沙棘根系的作用，使土壤孔隙度隨林齡增加，但沙棘對(duì)土壤表層改土作用最顯著[21]。

3.1.3 沙棘林齡對(duì)土壤持水能力的影響 植被—土壤是一個(gè)有機(jī)整體，其物質(zhì)與能量相互循環(huán)與轉(zhuǎn)化，二者之間相互影響、相互作用。本研究表明，土壤飽和持水量和毛管最大持水量隨沙棘林齡增加而增大，說(shuō)明沙棘能增加土壤的持水能力。由于沙棘林齡增加，使土壤孔隙度增加，當(dāng)降雨時(shí)可以使雨水迅速下滲，不致形成地表徑流。土壤孔隙度是決定土壤持水能力的關(guān)鍵指標(biāo)[22]。隨沙棘林齡增加，林分郁閉度逐漸增大。使林內(nèi)水汽光熱環(huán)境得到改善，減少土壤水分蒸發(fā)。同時(shí)還為土壤中的微生物和土壤酶創(chuàng)造了有利條件，再加之枯落物和沙棘根系的多重作用，使土壤的持水能力隨沙棘林齡增加。研究中還發(fā)現(xiàn)，1～3 a土壤持水能力增加緩慢，4～7 a土壤持水能力增加迅速。可能原因是1～3 a沙棘郁閉度較小，地表蒸發(fā)相對(duì)強(qiáng)烈，加之沙棘枯落物相對(duì)較少，未能形成一定保護(hù)層減少土壤水分蒸發(fā)。但是該結(jié)論有待于進(jìn)一步論證。由此可知，沙棘對(duì)土壤的影響是一種正反饋效應(yīng)，并且改土效果隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加。

3.2 結(jié) 論

在砒砂巖區(qū)營(yíng)建人工沙棘林有利于土壤改良。本研究中，不同林齡沙棘可以有效改善土壤土壤含水量、容重和土壤孔隙，對(duì)土壤是一種持續(xù)正向調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，沙棘還能增強(qiáng)土壤持水能力，有利于沙棘巖區(qū)水土保持，增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力，有利于改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。由加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析法可知，各林齡沙棘林地對(duì)土壤的改良作用主要在0—10 cm和10—20 cm。