砒砂巖區(qū)不同寬度沙棘緩沖帶生態(tài)調(diào)控效應(yīng)研究

王卓 郭月峰 姚云峰 李旻宇 祁偉 仲宸

摘要：為探明砒砂巖區(qū)坡面緩沖帶生態(tài)調(diào)控效應(yīng)，研究10、15 m沙棘緩沖帶以及天然撂荒地帶上（距離緩沖帶上方100～150 m）、帶中和帶下（距離緩沖帶下方100～150 m）的土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律和不同土層土壤水庫蓄水效率差異。結(jié)果表明，沙棘緩沖帶能夠有效改良土壤級配和物化性質(zhì)等指標(biāo)，同時具有良好的分選效果和攔沙作用，水源涵養(yǎng)能力明顯提高，生態(tài)調(diào)控能力較為顯著;不同坡位下，緩沖帶內(nèi)土壤級配、物化性質(zhì)以及土壤水庫利用率均表現(xiàn)為帶中>帶下>帶上;相同坡位下，3種沙棘緩沖帶土壤分形維數(shù)、容重、孔隙度、有機質(zhì)含量等物化性質(zhì)隨著緩沖帶的寬度增加而優(yōu)化，表現(xiàn)為15 m帶寬>10 m帶寬>對照坡面（容重除外），容重表現(xiàn)為對照坡面>10 m帶寬>15 m帶寬。

關(guān)鍵詞：砒砂巖區(qū);緩沖帶;土壤性質(zhì);土壤水庫;生態(tài)調(diào)控

中圖分類號： S727.22 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）17-0276-07

內(nèi)蒙古砒砂巖區(qū)地形支離破碎，水土流失程度極為嚴(yán)重，具有“地球環(huán)境癌癥”“生命禁區(qū)”之稱[1]。由于砒砂巖區(qū)氣候干燥，年均降水量少且集中，這些惡劣的自然環(huán)境特點加劇了水土流失，造成黃河下游河道泥沙淤積。植物緩沖帶作為砒砂巖區(qū)一項重要的水土保持措施，能夠有效減緩地表徑流，降低土壤侵蝕，同時植物緩沖帶能夠削減點源污染物，有效改良土壤理化性質(zhì)[2-3]。同時植物緩沖帶下的土壤層是林分主要的蓄水承載體，合理地建設(shè)植物緩沖帶能夠增大土壤毛管孔隙，改善土壤滲透性，提高土壤的水源涵養(yǎng)功能。沙棘（Hippophae rhamnoides L.）屬胡頹子科沙棘屬落葉性灌木，其特性是耐旱、抗風(fēng)沙，可以在鹽堿地生存[4]，沙棘根系十分發(fā)達，分蘗萌生能力強，繁殖快，生物量大。同時，沙棘的根瘤放線菌能固定土壤中的氮素促進生長，提高土壤肥力[5]。沙棘作為黃土高原溝壑區(qū)一種適應(yīng)性很強的水土保持樹種，構(gòu)建緩沖帶在減少地表徑流、改善土壤肥力和滲透性以及穩(wěn)固坡面等方面具有諸多優(yōu)勢[6]。因此，研究砒砂巖區(qū)緩沖帶對土壤理化性質(zhì)的影響，闡明不同寬度沙棘緩沖帶生態(tài)調(diào)控效應(yīng)的差異，是該地區(qū)林分建設(shè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。

在植被緩沖帶方面，國內(nèi)很多文獻還是介紹性的[7]，如董鳳麗研究了不同植被類型、不同季節(jié)、不同坡度、不同濃度營養(yǎng)鹽的情況下，緩沖帶對不同深度的壤中流中氮、磷等營養(yǎng)鹽的消除效果[8-9]。章明奎等研究了河岸水稻緩沖帶寬度對稻田灌溉排水的氮、磷濃度的影響[10]。葉志敏等初步研究了不同植被組合方式、漫流方式和土壤組成情況下濱岸緩沖帶對非點源污染物的削減作用[11]。關(guān)于采用沙棘構(gòu)建植物緩沖帶，國內(nèi)外的研究多注重于沙棘林對溝道的侵蝕產(chǎn)沙特征以及抗蝕促生綜合效益及影響因素等方面，對于不同寬度緩沖帶的生態(tài)調(diào)控效應(yīng)對比還鮮有報道。本研究選擇砒砂巖侵蝕特征突出，具有一定代表性的典型小流域，以不同寬度沙棘緩沖帶為研究對象，開展砒砂巖區(qū)沙棘生物緩沖帶的生態(tài)調(diào)控效應(yīng)及其作用機制的研究，為有效防治砒砂巖區(qū)土壤侵蝕和地區(qū)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)圪秋溝流域內(nèi)（圖1），大部分范圍處于砒砂巖裸露區(qū)，地理坐標(biāo)為39°42′～39°50′N，110°25′～110°48′E。該區(qū)內(nèi)地形起伏較大，溝壑較多，梁峁起伏，土壤侵蝕強烈，水土流失嚴(yán)重。平均海拔為820～1 582 m，屬于典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量約400 mm，且集中在7—8月;年日照時長300 d以上，年平均蒸發(fā)量 2 093 mm，年平均氣溫6.2～8.7 ℃。地帶性土壤為栗鈣土，土壤上層伴有少量黃綿土和風(fēng)沙土蓋層。主要造林樹種為沙棘、油松（Pinus tabuliformis）、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和山杏（Prunus sibirica）等。

1.2 研究方法

1.2.1 調(diào)查與取樣 2018年4月選擇內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗北部的圪秋溝流域內(nèi)的人工林地作為試驗地。選擇林齡在10年左右的沙棘人工林緩沖帶，選取2塊不同帶寬的沙棘林帶（10、15 m）和1塊未種植沙棘林帶的坡面（對照坡面），3個處理除沙棘緩沖帶的寬度設(shè)置不同外，林帶內(nèi)種植密度、胸徑、高度等特征以及坡度、坡向、撫育管理措施等立地條件基本一致（表1），且受人為干擾較小。于2種不同帶寬的沙棘緩沖帶的帶上（距離緩沖帶 100～150 m的上方）、帶下（距離緩沖帶100～150 m 的下方）、帶中（緩沖帶本身）以及對照坡面（上、中、下）采用梅花形5點取樣法，每個點位土壤垂直分層為0～10、10～20、20～40、40～60 cm;同時每個樣地取0～60 cm土層深度的混合土壤約 1 kg，去除枯落物等雜物后放入帶編號樣品袋，帶回實驗室分析。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測定 本次試驗利用土壤水分速測儀（TDR）測定土壤含水率;對土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、研磨后，采用四分法取出一部分土樣利用篩分粒徑法對土壤樣品進行粒徑篩分試驗;依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1215—1999《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》，采用環(huán)刀法測定土壤容重、總孔隙度、飽和持水量、毛管持水量、田間持水量等。土壤養(yǎng)分測定指標(biāo)為有機質(zhì)含量，采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。

1.2.3 分形維數(shù)計算 采用楊培嶺等通過粒徑分布與對應(yīng)的土壤質(zhì)量分布之間的關(guān)系而推導(dǎo)改進的土壤分形維數(shù)模型[12]來計算土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)，計算公式如下：

式中：D為土壤顆粒粒徑分形維數(shù);r為土壤顆粒粒徑，mm;Ri為2篩分粒級（Ri與Ri+1）的算術(shù)平均值，mm;m為粒徑小于Ri的顆粒的累積質(zhì)量，g;mT為土壤顆粒的總質(zhì)量，g;m/mT是粒徑小于Ri的土壤顆粒的累積質(zhì)量比例;Rmax為所有粒級的最大粒徑，mm。分別以lgm（r-Ri）mT和lgRiRmax為因變量和自變量進行線性擬合，所得直線斜率即為（3-D），由此得到土壤粒徑分形維數(shù)（D）值。

1.2.4 土壤水庫蓄水量計算 土壤水庫的儲水量按照孫仕軍等提出的方法[13]計算。假設(shè)某時刻地表以下一定深度（h）處的土壤含水量為θ（h），則該深度土層相應(yīng)的蓄水量為

式中：w0為地表以下深度h處土層的土壤蓄水量，以mm計。

土壤水庫總庫容的計算方法如下：

式中：r表示土壤容重，g/cm3;H表示土層厚度，cm;n表示土壤層次;S表示飽和含水量，%。

土壤水庫的蓄水效率是實際貯水量（W）與貯水潛力（土壤總庫容）的比值，即土壤水庫的利用效率，反映土壤水庫功能的優(yōu)劣。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)處理和分析，各個林帶土壤特征值為3次重復(fù)的算術(shù)平均值，運用方差分析進行假設(shè)性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同帶寬沙棘緩沖帶土壤粒級特征

2018年7月對典型小流域10、15 m帶寬的沙棘緩沖帶土壤級配進行測量。由表2、表3和表4可知，分形維數(shù)的擬合方程確定系數(shù)在0.63～0.91之間，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，證明土壤級配在砒砂巖區(qū)域內(nèi)于不同坡位的分形維數(shù)計算精度較高。

砒砂巖區(qū)不同寬度沙棘緩沖帶0～60 cm土層的土壤顆粒以粉粒和沙粒為主，分形維數(shù)均在帶中達到最大值。在不同寬度緩沖帶內(nèi)，帶中、帶下的分形維數(shù)均表現(xiàn)為15 m帶寬>10帶寬>對照坡面，說明15 m帶寬沙棘緩沖帶坡面土壤分選效果好于10 m帶寬沙棘緩沖帶坡面及對照坡面;10、15 m帶寬沙棘緩沖帶不同坡位顆粒級配中值粒徑依次為帶下<帶上<帶中（數(shù)據(jù)未列出），截沙趨勢均為帶下顆粒較帶中、帶上細，帶中比帶上顆粒粗，說明在坡面水的沖刷過程中，沙棘緩沖帶攔截泥沙能力較強，起到很好的顆粒分選作用，攔沙效果明顯。

2.2 不同帶寬沙棘緩沖帶物化性質(zhì)研究

2.2.1 沙棘緩沖帶土壤容重和孔隙度特征 沙棘緩沖帶對垂直方向和水平方向上土壤結(jié)構(gòu)性能的影響表現(xiàn)出一定的差異，沙棘緩沖帶對帶上的土壤容重與孔隙度影響較小，故不作分析。由表5可知，在相同坡位不同寬度的沙棘緩沖帶內(nèi)，4個土層（0～60 cm）深度下土壤容重均表現(xiàn)為對照坡面>10 m 緩沖帶>15 m緩沖帶，且容重在對照坡面20～40 cm土層最大（1.56 g/cm3）;土壤孔隙度表現(xiàn)為15 m緩沖帶>10 m緩沖帶>對照坡面，且土壤孔隙度在15 m帶寬沙棘緩沖帶0～10 cm土層最大（49.81%）。因此，沙棘緩沖帶的布設(shè)有效降低了帶中的土壤容重并提高了土壤孔隙度;在不同坡位內(nèi)，各土層土壤容重表現(xiàn)為帶中≥帶下，土壤孔隙度表現(xiàn)為帶下>帶中。說明沙棘緩沖帶能夠有效地攔沙，防治水土流失，較對照坡面而言，經(jīng)過沙棘緩沖帶的顆粒分選，其坡底的土壤結(jié)構(gòu)性狀更加優(yōu)良，但沙棘的根系呈逐級分叉和迂回的趨勢生長，主要分布在35 cm土層以內(nèi)，就不同深度土層下的沙棘緩沖帶來說，20～40、40～60 cm過度段土壤改良效果不明顯。在一定土層范圍內(nèi)，土壤容重和孔隙度的改良效果會隨著緩沖帶寬度的增加而更加明顯。

2.2.2 沙棘緩沖帶有機質(zhì)特征 土壤有機質(zhì)含量是評價土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo)，受各種自然和人為因素影響，土壤有機質(zhì)含量在空間上呈現(xiàn)非均勻分布[14]，其空間變異性是指土壤中所含的有機質(zhì)在空間不同位置中所表現(xiàn)出的差異性及趨勢性[15]。由表6和表7可知，不同帶寬的沙棘緩沖帶帶中土壤有機質(zhì)范圍為4.21～8.91 g/kg，沙棘緩沖帶帶下的有機質(zhì)含量為4.21～7.10 g/kg;在緩沖帶帶中，沙棘緩沖帶與對照坡面土壤有機質(zhì)含量平均值依次為15 m緩沖帶（6.31 g/kg）>10 m緩沖帶（6.05 g/kg）>對照坡面（4.70 g/kg）;在緩沖帶帶下，沙棘緩沖帶與對照坡面土壤有機質(zhì)含量平均值依次為對照坡面（5.40 g/kg）>15 m緩沖帶（5.24 g/kg）>10 m緩沖帶（5.19 g/kg）;沙棘緩沖帶能夠有效地提高表層土壤有機質(zhì)含量，表現(xiàn)為隨土層深度增加有機質(zhì)含量逐漸降低且趨于穩(wěn)定，而表層有機質(zhì)難以入滲至深層土壤，導(dǎo)致在40～60 cm 土層有機質(zhì)含量較低。 對照坡面各土層有機質(zhì)含量表現(xiàn)為坡下>坡中，林地土壤表層豐富的植物凋落物在地表分解過程中形成的結(jié)構(gòu)各異的有機物是土壤有機質(zhì)的主要來源[16]。沙棘生長導(dǎo)致枯落物含量增多且植被蓋度大，根系小環(huán)境的因素導(dǎo)致有機物的積累。而對照坡面為天然荒草地，無大型植被覆蓋，地表沖刷造成嚴(yán)重的水土流失，土壤有機質(zhì)易隨徑流累積于坡底。

2.3 不同帶寬沙棘緩沖帶土壤水庫庫容計算

2.3.1 沙棘緩沖帶水分時空變化規(guī)律 由表8可知，10 m帶寬沙棘緩沖帶在20～40 cm土層土壤水分變化最劇烈，變異系數(shù)最大，達到0.87，屬于強度變異;10～20、40～60 cm土層變異系數(shù)分別為0.61、0.50， 屬于中度變異;0～10 cm處土層變異系數(shù)最?。?.40），屬于弱度變異。各層土壤水分動態(tài)變異強弱順序為20～40 cm土層>10～20 cm土層>40～60 cm土層>0～10 cm土層;各層土壤水分動態(tài)平均值以40～60 cm土層最大（4.91%），0～10 cm 土層最小（2.85%）。各層土壤水分動態(tài)平均值大小依次為40～60 cm土層>20～40 cm土層>10～20 cm土層>0～10 cm土層。

由表9可知，15 m帶寬沙棘緩沖帶在20～40 cm 土層土壤水分變化最劇烈，變異系數(shù)最大達到0.84，屬于強度變異;0～10、10～20、40～60 cm土層變異系數(shù)分別為0.56、0.67、0.53，屬于中度變異，各層土壤水分動態(tài)變異強弱順序為20～40 cm土層>10～20 cm土層>0～10 cm土層>40～60 cm 土層;各層土壤水分動態(tài)平均值以40～60 cm土層最大（5.21%），其次為20～40 cm土層（4.12%），0～10 cm土層最?。?.85%）。各層土壤水分動態(tài)平均值依次為40～60 cm土層>20～40 cm 土層>10～20 cm土層>0～10 cm土層。2種帶寬沙棘緩沖帶變異系數(shù)規(guī)律及平均含水量變化規(guī)律基本一致，均是20～40 cm土層變異系數(shù)最大，10 m帶寬沙棘緩沖帶變異系數(shù)于0～10 cm土層處最小，而15 m帶寬沙棘緩沖帶變異系數(shù)于 40～60 cm土層處最小。

2.3.2 不同寬度沙棘緩沖帶水庫調(diào)控效應(yīng) 土壤蓄水量是評價植被涵養(yǎng)水源功能最主要的指標(biāo)之一[17]。由圖2和圖3可知，隨著土層深度增加，各層實際土壤蓄水量與總庫容均呈先增加后減少的趨勢，20～40 cm土層最大，不同寬度緩沖帶在該土層的實際蓄水量表現(xiàn)為15 m緩沖帶>10 m緩沖 帶> 對照坡面，土壤蓄水量與沙棘緩沖帶的寬度成正比;從3個處理各土層水庫平均蓄水效率（蓄水效率=實際蓄水量/總庫容）來看，帶中土壤水庫蓄水效率依次為20～40 cm土層（51.26%）>40～ 60 cm 土層（43.36%）>10～20 cm土層（41.98%）>0～10 cm土層（36.68%）;帶下土壤水庫蓄水效率依次為20～40 cm土層（45.75%）>10～20 cm土層（37.21%）>40～60 cm土層（35.38%）>0～10 cm土層（32.33%）;種植沙棘緩沖帶的區(qū)域，土壤水庫蓄水效率較帶下土壤水庫蓄水效率平均高出5%。分別對不同寬度沙棘緩沖帶各土層蓄水總量進行計算（圖4），帶中土壤總庫容表現(xiàn)為15 m緩沖帶（284.30 mm）>10 m緩沖帶（253.33 mm）>對照坡面（233.52 mm）;帶下土壤總庫容表現(xiàn)為15 m緩沖帶（278.17 mm）>10 m緩沖帶（253.65 mm）>對照坡面（219.50 mm）;帶中土壤水庫蓄水效率依次為15 m緩沖帶（45.60%）>10 m緩沖帶（45.26%）>對照坡面（40.16%）;帶下土壤水庫蓄水效率依次為15 m緩沖帶（39.17%）>對照坡面（39.14%）>10 m緩沖帶（39.06%）。綜上所述，隨著緩沖帶寬度的增加，帶中土壤水庫總庫容增加，同時緩沖帶中的土壤蓄水效率也逐步提高，體現(xiàn)了植物緩沖帶優(yōu)良的水源涵養(yǎng)功能。

3 討論與結(jié)論

砒砂巖區(qū)作為水土流失治理的重點治理區(qū)域，土壤粒徑級配、理化性質(zhì)和土壤水庫利用效率等特征都是直接反映土壤優(yōu)劣的重要指標(biāo)。因此，研究砒砂巖區(qū)植物緩沖帶的生態(tài)調(diào)控效應(yīng)對生態(tài)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。不同寬度植物緩沖帶對土壤改良程度有所差異，研究表明，土壤質(zhì)地越粗越不易形成良好的結(jié)構(gòu)，土壤質(zhì)地越細結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，而土壤顆粒分形維數(shù)在2.75左右代表土壤結(jié)構(gòu)良好[18-19]。本研究測得砒砂巖區(qū)裸露坡面土壤分形維數(shù)在2.2左右，土壤結(jié)構(gòu)較差，通過沙棘緩沖帶的改良土壤、阻沙保水等功效，其15 m沙棘緩沖帶內(nèi)土壤分形維數(shù)最高值為2.63，證明隨著緩沖帶寬度的增加，植物緩沖帶的阻沙、改良土壤效果更加顯著，改良后的土壤具有較好的透水性和保水保肥力性能[20]。同時對比不同寬度沙棘緩沖帶來看土壤理化性質(zhì)，在20～40 cm土層，沙棘緩沖帶明顯降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，與盧立娜等對沙棘林的研究[21]保持一致。在土壤水分時空變化中，10 m表層土壤含水率變異系數(shù)小于40～60 cm 土層變異系數(shù)，原因可能是砒砂巖區(qū)降水少，蒸發(fā)大，10 m緩沖帶表層土壤處于干燥狀態(tài)，而深層土壤由于沙棘根系固水保土的特點，其深層水分變異系數(shù)較表層10 cm變化更大。整體趨勢依舊表現(xiàn)為2種帶寬沙棘緩沖帶平均水分含量均在40～60 cm土層以下變化平穩(wěn)，受到各種隨機因素影響較小;而其他土層土層受降水、蒸發(fā)與其他草本植物生長、動物擾動等外界因素影響較大。沙棘緩沖帶的土壤涵養(yǎng)水源能力是制約緩沖帶土壤截污效果的重要條件[22]。因此，沙棘緩沖帶對砒砂巖區(qū)深層次的土壤截污作用效果以及沙棘根系對固結(jié)土壤團粒結(jié)構(gòu)的抗崩解能力等，還有待在今后的試驗中研究。

黃土高原砒砂巖地區(qū)種植的沙棘緩沖帶能夠有效地減沙蓄水，降低水土流失，通過對不同寬度沙棘緩沖帶生態(tài)調(diào)控效應(yīng)的研究，得出以下結(jié)論：（1）沙棘緩沖帶能夠有效改良土壤級配和物化性質(zhì)等指標(biāo)，同時具有良好的分選效果和攔沙作用，較對照坡面而言，水源涵養(yǎng)能力明顯提高，沙棘緩沖帶生態(tài)調(diào)控能力較為明顯。（2）不同坡位下，緩沖帶內(nèi)土壤級配、物化性質(zhì)以及土壤水庫利用率均表現(xiàn)為帶中>帶下>帶上。（3）相同坡位下，3種沙棘緩沖帶土壤分形維數(shù)、容重、孔隙度、有機質(zhì)含量等物化性質(zhì)隨著緩沖帶的寬度增加而優(yōu)化，表現(xiàn)為 15 m帶寬>10 m帶寬>對照坡面（容重除外），容重表現(xiàn)為對照坡面>10 m帶寬>15 m帶寬。

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