寧南黃土區(qū)典型林地土壤抗沖性及相關(guān)物理性質(zhì)

王月玲, 許 浩, 馬 璠, 萬(wàn)海霞, 董立國(guó), 韓新生, 蔡進(jìn)軍

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所, 寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750002;2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 銀川 750002)

黃土區(qū)地形破碎，土壤抗蝕性差，植被覆蓋率低，是中國(guó)水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是國(guó)家退耕還林生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域之一。近年來(lái)國(guó)家通過(guò)大面積的退耕還林還草、自然撂荒等生態(tài)修復(fù)工程，使該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境得到了明顯的改善[1-4]。

土壤抗沖性是指土壤抵抗外力機(jī)械破壞作用的能力，是土壤抗侵蝕性能的重要方面[5]。造成黃土區(qū)土壤侵蝕劇烈的主要原因就是土壤抗沖性弱，從而使得土壤沖刷過(guò)程強(qiáng)烈。抗沖性受土壤理化性質(zhì)、土地利用類(lèi)型、地形和氣候等多種因素影響。目前，我國(guó)學(xué)者已從多角度對(duì)黃土高原土壤抗沖性進(jìn)行了大量的研究，李勇等[6]對(duì)植物根系與土壤抗沖性關(guān)系進(jìn)行了研究，得出植物根系增強(qiáng)了土壤的抗沖力，提高了土壤抗沖性;張藝等[7]對(duì)典型流域不同土地利用類(lèi)型的土壤抗沖性進(jìn)行了研究，得出土壤抗沖性大小依次為:刺槐林>草地>梯田>果園>坡耕地;查小春等[8]對(duì)開(kāi)墾地土壤抗沖性的時(shí)間變化進(jìn)行了研究，得出林地具有很強(qiáng)的抗沖性能，一旦被開(kāi)墾后，隨侵蝕年限的增長(zhǎng)，土壤的抗沖性呈現(xiàn)減弱趨勢(shì);張建軍等[9]研究了流量、糙率對(duì)不同植被條件土壤抗沖性的影響，得出土壤抗沖性隨流量的增大而減弱，糙率與土壤抗沖性呈現(xiàn)正相關(guān);周佩華等[10]研究了土壤抗沖性的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo);王丹丹等[11]研究了坡度、枯落物、生物多樣性對(duì)刺槐×側(cè)柏混交退耕林地的土壤抗沖性，得出退耕林地的土壤抗沖性與坡度、枯落物及生物多樣性呈現(xiàn)顯著相關(guān)。但是，關(guān)于寧南黃土區(qū)典型林分土壤的抗沖性以及植被、土壤和氣候等影響因素的關(guān)系方面涉及不多，特別是林地土壤抗沖性與土壤水文物理關(guān)系的研究未見(jiàn)報(bào)道。寧南黃土區(qū)退耕還林近20 a來(lái)，生態(tài)環(huán)境得到了明顯的改善。在林地恢復(fù)過(guò)程中，以山杏、山桃、沙棘、山杏檸條混交為主要組成樹(shù)種的人工林水文特性及抗侵蝕能力怎樣?成為目前亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。為此，本研究以寧南黃土區(qū)4種典型林分山杏林、山桃林、山杏×檸條混交林、山杏×沙棘混交林為研究對(duì)象，比較不同林分改善土壤水文物理性質(zhì)以及土壤抗沖性強(qiáng)弱，并分析土壤抗沖性及相關(guān)物理性質(zhì)的相關(guān)性，以期為該區(qū)域退耕還林工程建設(shè)的生態(tài)功能評(píng)價(jià)及樹(shù)種配置提供科學(xué)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于彭陽(yáng)縣東北13 km處的白陽(yáng)鎮(zhèn)中莊村，坐標(biāo)為106°41′—106°45′E，35°51′—35°55′N(xiāo)，地貌類(lèi)型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，平均海拔為1 600～1 700 m，年平均氣溫7.6℃，年平均降水量420～500 mm，降水量集中且年內(nèi)分配不均，主要集中在7，8，93個(gè)月，而且降水的年際變差系數(shù)較大，雨量集中月份常以暴雨形式出現(xiàn)，易發(fā)局地暴雨洪水?！?0℃的積溫為2 200～2 750℃，境內(nèi)年蒸發(fā)量較大，干燥度(≥0℃的蒸發(fā)量)為1.21～1.99，無(wú)霜期140～160 d。研究區(qū)土壤類(lèi)型以普通黑壚土為典型土壤，土壤母質(zhì)為黃土及黃土狀物，pH值在8.0～8.5，土層深厚，土質(zhì)疏松。植被類(lèi)型以草原植被為基礎(chǔ)，生長(zhǎng)有長(zhǎng)芒草(StipabungeanaTrin.)、百里香(ThymusquinquecostatusCelak.)、西山委陵菜(PotentillasischanensisBge.ex Lehm.)、二裂委陵菜(PotentillabifurcaL.)、阿爾泰狗哇花(HeteropappusaltaicusNovopokr.)、達(dá)烏里胡枝子(LespedezadavuricaLaxm. Schindl.)等草本植物。其次還有中生和早中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山杏(PrunussibiricaL.)、山桃(PrunusdavidianaFranch.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、檸條(CaraganakorshinskiiKom.)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的選擇 本研究試驗(yàn)地選擇寧南黃土區(qū)人工林立地條件基本一致的17 a生的山杏純林、山桃純林、山杏×沙棘混交林、山杏×檸條混交林4種典型林型為研究對(duì)象，樣地的基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本概況

1.2.2 土壤樣品的采集 于2019年5月在各人工林地樣地內(nèi)隨機(jī)挖取2個(gè)深30 cm的剖面，按從上到下斜對(duì)角線方式用100 cm3，200 cm3的環(huán)刀分別采取0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm的原狀土樣，每層取3個(gè)重復(fù)，共6個(gè)重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行待測(cè)。

1.2.3 土壤容重、總孔隙度和持水量等指標(biāo)的測(cè)定 土壤容重、總孔隙度、土壤持水量等指標(biāo)采用100 cm3環(huán)刀—浸泡法[12]進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4 土壤抗沖性測(cè)定 土壤抗沖性采用原狀土沖刷法進(jìn)行測(cè)定，以蔣定生采用的水槽沖刷法為基礎(chǔ)，使用200 cm3的環(huán)刀進(jìn)行取樣。200 cm3的環(huán)刀原狀土取回后，先自然風(fēng)干。在試驗(yàn)前一天，先將樣品浸泡6 h，然后取出靜置24 h開(kāi)始沖刷試驗(yàn)。本試驗(yàn)沖刷槽坡度為20°，槽寬度為8 cm，設(shè)計(jì)單寬流量4 000 L/(h·m)，單次耗水量?jī)H為16 L[13]，沖刷時(shí)間3 min。泥沙取樣用一個(gè)20 L容積的大塑料通接收。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理方法 采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用DPS 16.05和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析，不同參數(shù)多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工林地土壤容重、孔隙度的差異

土壤容重和孔隙度代表土壤的松緊程度及孔隙狀況，是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)。由圖1可以看出:在0—30 cm土層，不同林地土壤容重在1.02～1.23 g/cm3變化，不同林地同一土層間土壤容重差異顯著(p<0.05)。表土層0—10 cm土壤容重的排序?yàn)?山桃林(1.13 g/cm3)>山杏林(1.09 g/cm3)>山杏×沙棘林(1.08 g/cm3)>山杏×檸條林(1.02 g/cm3)，下層10—30 cm土壤容重的排序?yàn)?山杏×沙棘林(1.21 g/cm3)>山杏林(1.20 g/cm3)>山杏×檸條林(1.14 g/cm3)>山桃林(1.12 g/cm3)，可以看出混交林對(duì)表層土壤容重的改善明顯優(yōu)于純林，尤其是山杏檸條混交林，下層10—30 cm的土壤容重也明顯低于山杏純林。在垂直剖面上，各林地表層0—10 cm土壤容重明顯小于10—30 cm土層，10—20 cm和20—30 cm土層土壤容重同一林地差異均不顯著(p<0.01)。0—30 cm土層除了山桃林外，土壤容重隨著土層深度的增加總體呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。

注:圖中小寫(xiě)字母表明不同林地同一土層差異顯著性(p<0.05)，大寫(xiě)字母表明同一林地不同土層差異顯著性(p<0.01)，圖中使用的誤差為標(biāo)準(zhǔn)差，下同。圖1 不同林地土壤容重和孔隙度的變化

在0—30 cm土層，不同林地土壤總孔隙度在52.51%～61.63%變化，土壤毛管孔隙度在40.39%～46.69%變化，土壤非毛管孔隙度在7.91%～17.80%變化。不同林地同一土層間土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度存在顯著差異(p<0.05)。表土層0—10 cm土壤總孔隙的排序?yàn)?山杏×檸條林(61.63%)>山杏×沙棘林(59.99%)>山杏林(58.06%)>山桃林(57.26%)，下層10—30 cm土壤總孔隙度的排序?yàn)?山杏×檸條林(56.46%)>山杏林(55.50%)>山桃林(54%)>山杏×沙棘林(53.18%)，與土壤容重的變化順序基本相反。在垂直剖面上，表土層0—10 cm的土壤總孔隙度明顯高于下層10—30 cm，整個(gè)土層0—30 cm土壤總孔隙度基本上是隨著土層深度的加深呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。10—20 cm和20—30 cm土層土壤總孔隙度的變化差異各林地均不顯著(p<0.01)。土壤毛管孔隙度0—30 cm土層排序基本為:山杏×檸條林(46.59%)>山杏林(44.23%)>山杏×沙棘林(43.11%)>山桃林(41.56%)，土壤非毛管孔隙度排序基本為:山桃林(13.84%)>山杏林(13.20%)>山杏×沙棘林(12.13%)>山杏×檸條林(11.31%)。

總體可以看出，不同林地表層0—10 cm土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤容重較小，土壤總孔隙度和毛管孔隙度較大，說(shuō)明混交林對(duì)表層土壤改善的優(yōu)勢(shì)明顯，尤其是山杏檸條混交林地，土壤結(jié)構(gòu)得到較大程度的改善。但是下層10—20 cm和20—30 cm土層變化差異不是很顯著。

2.2 不同人工林地土壤持水性能差異

土壤水分是土壤中營(yíng)養(yǎng)循環(huán)流動(dòng)與物質(zhì)轉(zhuǎn)化的載體，對(duì)不同林分類(lèi)型土壤蓄水能力的研究有助于了解不同林分類(lèi)型的森林土壤保水性能[14]。由圖2可以看出，不同林地土壤飽和持水量在42%～61.87%變化，0—30 cm土層土壤飽和持水量存在顯著差異(p<0.05)。不同林地0—10 cm土壤飽和持水量的排序?yàn)?山杏×沙棘林>山杏林>山杏×檸條林>山桃林。在垂直剖面上，表土層0—10 cm土壤飽和持水量均顯著高于10—30 cm土層，整個(gè)土層0—30 cm土壤飽和持水量基本上是隨著土層深度的加深，土壤飽和持水量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，且差異極顯著(p<0.01)。10—20 cm和20—30 cm土層土壤飽和持水量的變化差異各林地均不顯著(p>0.05)。

圖2 不同林地土壤持水量變化

不同林地土壤毛管持水量在35.92%～45.77%變化。不同林地0—30 cm土層土壤毛管持水量存在顯著差異(p<0.05)。不同林地0—10 cm土壤毛管持水量的排序?yàn)?山杏×檸條林>山杏林>山杏×沙棘林>山桃林。在垂直剖面上，表土層0—10 cm土壤毛管持水量基本上顯著高于10—30 cm土層，整個(gè)土層0—30 cm土壤毛管持水量基本上是隨著土層深度的加深呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，且差異極顯著(p<0.01)。10—20 cm和20—30 cm土層土壤毛管持水量的變化差異各林地變化均不顯著(p>0.05)。

不同林地土壤田間持水量在25.92%～31.63%變化。不同林地0—30 cm土層土壤田間持水量存在顯著差異(p<0.05)。不同林地0—10 cm土壤田間持水量的排序?yàn)?山杏×檸條林>山杏林>山杏×沙棘林>山桃林。在垂直剖面上，表土層0—10 cm土壤田間持水量均顯著高于10—30 cm土層，10—20 cm和20—30 cm土層土壤田間持水量的變化差異除了山桃林差異極顯著(p<0.01)外，其他林地變化均不顯著(p>0.05)。

總體可以看出，在0—30 cm土層，不同林分在土壤垂直剖面分層上持水能力大部分存在顯著差異(p<0.01)。土壤飽和持水量、土壤毛管持水量和土壤田間持水量的最大值基本都出現(xiàn)在0—10 cm表層土壤，下層10—30 cm土層各林地持水量的變化不顯著。另外，在0—10 cm土層，山杏×檸條混交林的土壤飽和持水量、毛管持水量與田間持水量都與其他3種林分類(lèi)型差異顯著(p<0.05)，土壤毛管持水量和田間持水量的大小排序均為山杏×檸條林>山杏林>山杏×沙棘林>山桃林。

2.3 不同人工林地土壤抗沖性能

土壤抗沖性是表征土壤抵抗外營(yíng)力機(jī)械破壞能力的指標(biāo)之一，反映特定狀態(tài)下土壤在水蝕環(huán)境中的流失情況。由于土壤的沖刷主要集中在表層土壤，本研究對(duì)土壤抗沖性的分析主要為表層土壤(0—30 cm)。由圖3可以看出，在表土層0—10 cm，從不同人工林土壤泥沙沖刷量變化可以看出，泥沙量最大的是山桃林，達(dá)到13.38 g，其次是山杏林，山杏沙棘林，分別為3.23 g，2.04 g，山杏檸條林最低為，為1.2 g，說(shuō)明混交林在0—10 cm的土層中沖刷量要明顯低于純林。另外從圖3中，也可以看出在0—10 cm土層，抗沖系數(shù)和抗沖耗能的變化規(guī)律剛好與泥沙量相反，混交林的抗沖系數(shù)和抗沖耗能明顯的要高于純林。說(shuō)明泥沙沖刷量越小，土壤抗沖性能越高。在0—10 cm土層，抗沖系數(shù)最大的是山杏檸條混交林，達(dá)到52.34 (L·min)/g，其次是山杏沙棘林、山杏林、山桃林，分別為40.93 (L·min)/g,31.49 (L·min)/g,9.73 (L·min)/g;在0—10 cm土層，抗沖耗能最大的也是山杏檸條混交林，達(dá)到16.13 J/g，其次是山杏沙棘林、山杏林、山桃林，分別為10.30 J/g,5.31 J/g,1.09 J/g。另外，從表2不同人工林的變異數(shù)可以看出，表土層0—10 cm的土壤泥沙量、土壤抗沖系數(shù)和抗沖耗能的變異系數(shù)變異性極大，泥沙量變異數(shù)最高為1.22，最低為0.54;抗沖系數(shù)的變異性最高達(dá)到1.55，最低為0.70;抗沖耗能變異系數(shù)最高達(dá)到1.57，最低為0.66。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上，這時(shí)的平均值所具有的代表性意義不是很大。方差分析也表明，不同林地在0—10 cm土層不在顯著差異(p<0.05)。

表2 不同人工林地0-30 cm土層土壤泥沙量、抗沖系數(shù)和抗沖耗能變異系數(shù)

圖3 不同人工林地0-30 cm土層土壤抗沖指標(biāo)變化

在10—20 cm和20—30 cm土層，不同人工林地的土壤泥沙量、土壤抗沖系數(shù)和土壤抗沖耗能的變化規(guī)律基本是一致的。在垂直剖面，土壤泥沙量隨著土層深度的增加總體呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)(除山桃林外)，抗沖系數(shù)和抗沖耗能隨著土層深度的增加總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

2.4 不同林分類(lèi)型土壤水文物理指標(biāo)及抗沖性的相關(guān)性分析

本文采用Person相關(guān)系數(shù)描述各指標(biāo)間的相關(guān)分析，由表3可以看出，土壤容重與土壤總孔隙度、毛管持水量、田間持水量、抗沖系數(shù)均呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)，其中以土壤容重與土壤總孔隙度的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為-0.813;土壤總孔隙度與土壤田間持水量、抗沖系數(shù)呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，毛管孔隙度與毛管持水量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，非毛管孔隙度與最大持水量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，毛管持水量、田間持水量均與抗沖系數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，與其他學(xué)者研究結(jié)果一致[15]。反映出土壤總孔隙度與非毛管孔隙度越大，土壤的最大持水量越高，則土壤的持水性能越好，土壤的抗沖性能就越強(qiáng)。

表3 土壤抗沖性及水文物理性質(zhì)的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

由于所使用的造林樹(shù)種不同，4種退耕還林模式的恢復(fù)效果也不相同。本研究發(fā)現(xiàn):不同人工林地表層0—10 cm土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤容重較小，土壤總孔隙度較大，且差異均極顯著(p<0.01)。10—20 cm和20—30 cm土層土壤容重和土壤總孔隙度同一林地差異均不顯著(p<0.05)。0—30 cm土層不同林地土壤容重隨著土層深度的增加總體呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，土壤總孔隙度的變化趨勢(shì)剛好與之相反，與張曉梅[16]、顧宇書(shū)[17]等對(duì)森林土壤物理性質(zhì)隨土層變化的研究結(jié)論相一致。4種林分土壤總孔隙度變化范圍為52.51%～61.63%，這與魯紹偉等[18]對(duì)中國(guó)大部分森林生態(tài)系統(tǒng)土壤總孔隙度范圍為40%～60%的研究結(jié)果基本相吻合。0—10 cm土層內(nèi)以混交林土壤容重最小，土壤總孔隙最大，總體反映出混交林對(duì)表層土壤改善的優(yōu)勢(shì)明顯，尤其是山杏檸條混交林地，土壤結(jié)構(gòu)得到較大程度的改善，但是下層10—20 cm和20—30 cm土層變化差異不是很顯著。

土壤容重和孔隙度是影響土壤蓄水能力的關(guān)鍵因素，本研究表明不同林分在0—30 cm土層，垂直剖面分層上土壤持水能力大部分存在顯著差異(p<0.01)。土壤飽和持水量、土壤毛管持水量和土壤田間持水量的最大值基本都出現(xiàn)在0—10 cm表層土壤，下層10—30 cm土層各林地持水量的變化不顯著。另外，在0—10 cm土層，山杏×檸條混交林的土壤飽和持水量、毛管持水量與田間持水量都與其他3種林分類(lèi)型差異顯著(p<0.05)，土壤毛管持水量和田間持水量的大小排序均為山杏×檸條林>山杏林>山杏×沙棘林>山桃林?？傮w表明山杏檸條混交林的持水性明顯高于純林，有較好的水源涵養(yǎng)能力。這與韋潔[19]、李民義[15]對(duì)人工純林和混交林對(duì)土壤水文物理性質(zhì)的變化研究相一致。總體上反映出混交林在改良土壤物理性質(zhì)、涵養(yǎng)水源功能方面發(fā)揮的作用要優(yōu)于純林。4種典型林地的室內(nèi)土壤抗沖性試驗(yàn)表明:在表土層0—10 cm，泥沙量最大的是山桃林，其次是山杏林，山杏沙棘林，山杏檸條林最低為，說(shuō)明混交林在0—10 cm的土層中沖刷量要明顯低于純林?？箾_系數(shù)和抗沖耗能的變化規(guī)律剛好與泥沙量相反，說(shuō)明混交林的抗沖系數(shù)和抗沖耗能明顯的要高于純林，與蘇成西[20]對(duì)不同退耕還林模式中混交林較純林改良土壤效果要好，土壤抗沖性能強(qiáng)的研究結(jié)論相一致?？傮w反映出不同人工林地表土層0—10 cm泥沙沖刷量越小，土壤抗沖性能越高。在10—20 cm和20—30 cm土層，不同人工林地的土壤泥沙量、土壤抗沖系數(shù)和土壤抗沖耗能的變化規(guī)律基本是一致的。

土壤水文物理指標(biāo)受成土過(guò)程影響的同時(shí)也影響林地的持水性能，各物理指標(biāo)在一定程度上存在關(guān)聯(lián)[21]。經(jīng)相關(guān)性分析表明，4種典型林地土壤抗沖性與土壤物理性質(zhì)關(guān)系密切。土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管持水量和田間持水量均是影響土壤抗沖性的關(guān)鍵指標(biāo)，與李超等[22]的研究結(jié)論相一致。土壤抗沖性與土壤容重呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤總孔隙度、毛管持水量和田間持水量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。總體反映出土壤總孔隙度與非毛管孔隙度越大，土壤的最大持水量越高，則土壤的持水性能越好，土壤的抗沖性能就越強(qiáng)。因此，結(jié)合本研究中土壤水文物理性質(zhì)和抗沖性能的綜合分析結(jié)果，建議在該區(qū)域的生態(tài)建設(shè)及水土保持林結(jié)構(gòu)調(diào)整中，應(yīng)選擇合適的造林樹(shù)種和樹(shù)種配置，提倡混交造林，為更好地評(píng)價(jià)黃土丘陵區(qū)退耕還林工程的生態(tài)功能提供科學(xué)的理論依據(jù)。