寧南黃土區(qū)植被恢復(fù)方式對土壤粒度特征的影響

王月玲, 王思成, 許 浩, 萬海霞, 董立國, 韓新生, 郭永忠, 魏永東

(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實驗室, 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)中心, 寧夏 銀川 750000; 3.寧夏鹽池縣科學(xué)技術(shù)局, 寧夏 吳忠 751500)

土地利用是人類利用土地進(jìn)行各種活動的綜合體現(xiàn)。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，土地利用方式發(fā)生了明顯的變化。土地利用與土地覆蓋變化(LUCC)是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因之一[1-2]，人類活動對土壤環(huán)境的影響是全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展問題的核心內(nèi)容[3]。大量研究顯示，不同的土地利用方式及其植被覆蓋類型不僅制約著土壤環(huán)境演變的方向與速度，而且導(dǎo)致土壤特性及理化性質(zhì)發(fā)生改變[4-11]。土壤粒度作為土壤一個基本自然屬性，影響著土壤質(zhì)地、持水量等，是研究土壤環(huán)境以及整個生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[12]，同時也是進(jìn)一步了解不同土壤理化性質(zhì)差異的代用指標(biāo)，其顆粒的粗細(xì)變化直接影響著土壤養(yǎng)分和水分變化[13]，另外土壤質(zhì)地中的細(xì)顆粒組分的流失將影響土壤機械組成從而導(dǎo)致土地荒漠化的發(fā)生[14]。土壤粒度分布受多種因素影響，包括當(dāng)?shù)氐臍夂?、植被、土壤母質(zhì)及人類活動等[9]。在小流域水土流失演變過程中，人類活動帶來的土地利用類型和管理方式的改變會影響流域內(nèi)土壤粒度的分布[15-18]。

寧南黃土區(qū)位于黃土高原西南緣屬半濕潤半干旱區(qū)，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感復(fù)雜，水資源短缺，水土流失嚴(yán)重，植被稀疏和降水分配不均等嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境、社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。近幾十年來，隨著大規(guī)模的退耕還林還草、生態(tài)移民搬遷等工程的實施，該區(qū)的土地利用方式也發(fā)生了顯著變化。由于目前土壤粒度的報道多見于沙漠化土地[19-21]，關(guān)于寧南黃土區(qū)以小流域為單元分析土壤粒度的研究并不多。了解寧南黃土區(qū)不同植被恢復(fù)方式下土壤粒度對研究本區(qū)乃至整個寧南山區(qū)土壤退化及其發(fā)生原因具有一定的參考價值。因此本文針對流域?qū)嶋H情況選取寧南黃土區(qū)不同人工林地、壩地、人工草地、撂荒地等9種不同植被恢復(fù)類型為研究對象，對其土壤粒度進(jìn)行分析，以期為寧南黃土區(qū)土壤資源可持續(xù)利用和生態(tài)修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于彭陽縣東北13 km處的白陽鎮(zhèn)中莊村小流域，坐標(biāo)為106°41′—106°45′E，35°51′—35°55′N。該區(qū)是典型的黃土丘陵區(qū)，地貌以梁狀丘陵為主，流域海拔高度在1 470～1 848 m，年平均氣溫7.4～8.5 ℃，無霜期140～160 d，多年降水量350～550 mm，屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)土壤以普通黑壚土為主， pH值在8.0～8.5之間，土層深厚，土質(zhì)疏松。自然植被以典型溫帶草原植被為主，主要以長芒草 (Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)、西山委陵菜(Potentillasischanensis)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等植物為建群種的群落類型為主，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(Prunussibirica)、山桃(Amygdalusdavidiana)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)等[22]為主。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

2020年7月上旬，選取寧夏彭陽中莊小流域具有典型代表性的9種不同植被恢復(fù)方式(山杏林、山桃林、沙棘林、檸條林、山杏×檸條混交林、山杏沙棘混交林、侵蝕溝壩地、苜蓿地、撂荒地)進(jìn)行土壤樣品采集。每種樣地采用“S”取樣法取5個樣點，取樣深度為0—100 cm，分層采集0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm土壤，每層3個重復(fù)。樣地信息見表1。

表1 試驗樣地基本信息

2.2 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

土樣采集后密封帶回實驗室，風(fēng)干后過2 mm篩，去除其中雜質(zhì)，對樣品進(jìn)行清洗，直至呈中性；加入分散劑，降低顆粒的凝聚性；進(jìn)行超聲振蕩，消除樣品的膠結(jié)作用。采用德國馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000)進(jìn)行測定分析，儀器測量范圍在0.02～2 000 μm，測量的誤差在2%以內(nèi)，重復(fù)測量3次，取其算數(shù)平均值(體積百分比)；經(jīng)儀器分析獲得數(shù)據(jù)后，分析結(jié)果以美國制土壤粒徑標(biāo)準(zhǔn)輸出。依據(jù)美國制(USDA)標(biāo)準(zhǔn)[19]劃分為砂礫(0.05～2.0 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)3級，對砂粒進(jìn)一步劃分為極粗砂(1.0～2.0 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、細(xì)砂(0.1～0.25 mm)和極細(xì)砂(0.05～0.1 mm)5個粒級，并分別統(tǒng)計各粒徑的體積分?jǐn)?shù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析處理

粒度參數(shù)特征值(平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰度等)通過?？恕值鹿接嬎?。利用Excel 2016和DPS17.10軟件對粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖和統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析進(jìn)行差異顯著性分析(p<0.05)，粒度各參數(shù)計算公式為[23]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Mz為平均粒徑; SK為偏度;δ為標(biāo)準(zhǔn)偏差;KG為峰度;Φx為克魯賓在烏登—溫特沃斯粒級標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提出的粒度單位,表示粒度累積到x%所對應(yīng)的粒徑。根據(jù)Folk和Wald(1957年)粒度參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 Folk和Wald(1957年)粒度參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)[6]

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被恢復(fù)方式下土壤粒度組成

表3列出了9種植被恢復(fù)方式下的土壤粒度組成?？梢钥闯?，9種植被恢復(fù)方式下的土壤粒度組成均以粉粒和極細(xì)砂為主，二者含量之和達(dá)到86.26%～90.75%，其中粉粒占60.56%～70.40%、極細(xì)砂占15.86%～27.10%;其次為細(xì)砂、黏粒，細(xì)砂的含量為4.51%～6.72%；黏粒的含量為3.02%～5.48%，中砂、粗砂和極粗砂的含量均較少，極粗砂的含量幾乎為零。9種植被恢復(fù)方式中均以粉粒含量在各粒度分級中所占比例最大。黏粒和粉粒含量最高的均為壩地，分別達(dá)到5.48%，70.40%，其次為撂荒地，分別為4.02%，65.65%，山杏檸條林最低，分別為3.02%，60.56%。方差分析結(jié)果顯示，各林地之間黏粒、極細(xì)砂和極粗沙含量表現(xiàn)出差異顯著性(p<0.05)，其他粒級含量均不存在顯著差異(p<0.05)。

表3 不同植被恢復(fù)方式下土壤粒度組成特征 %

圖1為不同植被恢復(fù)方式下土壤顆粒隨深度的變化，從垂直剖面來看，在0—100 cm土層，各植被恢復(fù)方式下黏粒、粗砂、極粗沙和中砂含量分層整體趨于穩(wěn)定，隨土層深度的增加變化不大，波動較為緩和。粉粒、極細(xì)砂和細(xì)砂含量均隨土層深度增加變化較為明顯，起伏較大，各層段表現(xiàn)出不同的變化趨勢。細(xì)砂主要在0—40 cm，隨著土層深度的加深在減小，在40—100 cm基本是趨于穩(wěn)定的。極細(xì)砂含量除了在壩地波動性較大外，在其他土地方式下基本是從表層到深層呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。壩地粉粒含量在0—40 cm基本呈現(xiàn)上升趨勢，40—100 cm呈現(xiàn)波動性變化，整體呈現(xiàn)下降趨勢。苜蓿地粉粒含量表層0—5 cm較低，5—100 cm呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。撂荒地的粉粒含量除了表層0—5 cm較低外，5—100 cm變化不大。林地的粉粒含量基本是隨著土層深度的增加呈現(xiàn)增加趨勢，深層明顯要比淺層高。表層土壤中的細(xì)顆粒由于受到侵蝕作用的影響，組分容易流失，與10—20 cm土層相比，9種植被恢復(fù)方式下0—10 cm土層的粉粒含量所占比例均呈現(xiàn)降低趨勢，降幅在2.77%～17.7%。壩地和苜蓿地的降幅較大，分別降低了17.7%，10.73%，山杏檸條林和山杏沙棘林的降幅較小，分別降低了2.77%，2.83%。

3.2 不同植被恢復(fù)方式下土壤各粒級變異系數(shù)

從圖2可以看出，不同植被恢復(fù)方式下不同粒級土壤的變異系數(shù)相差很大，各類土壤不同土層的粒度變異系數(shù)也不同。山杏林黏粒、粉粒和砂粒的變異系數(shù)的變化規(guī)律是一致的，均在5—10，30—40，80—100 cm這3層相對較低，在10—20，40—80 cm相對較高，且40—80 cm各粒級的變異系數(shù)均高于0—40 cm；山桃林各粒級的變異系數(shù)總體的變化規(guī)律也是相似的，呈現(xiàn)先增大后降低再上升的趨勢，粉粒和砂粒的變異系數(shù)均在10—20 cm處達(dá)到最大，分別為8.81%，12.41%；沙棘林各粒級的變異系數(shù)呈波動性變化，黏粒和砂粒的波動性比較大，粉粒的變異系數(shù)變化比較平緩，不同土層間差異較小。檸條林各粒級的變異系數(shù)變化趨勢也是相似的，基本呈現(xiàn)先下降后上升再下降后上升的趨勢，表土層0—5 cm的變異系數(shù)明顯高于5—100 cm。山杏檸條林各粒級的變異系數(shù)總體變化規(guī)律也是一致的，黏粒和粉粒表土層0—5 cm的變異系數(shù)明顯高于5—100 cm。山杏沙棘林各粒級變異系數(shù)先后相對平緩，粉粒和砂粒均在5—10 cm的變異系數(shù)較高，分別達(dá)到7.10%，7.82%，黏粒的變異系數(shù)在30—40 cm達(dá)到最高為8.40%。壩地各土層砂粒的變異系數(shù)相差最大，在20—30 cm達(dá)到最大為44.72%，黏粒和粉粒表土層0—5 cm的變異系數(shù)明顯高于5—100 cm。苜蓿地各粒級變異系數(shù)在0—30 cm變化差異較小，在30—100 cm變化較大，30—80 cm各粒級的變異系數(shù)明顯高于0—30 cm。撂荒地各粒級變異系數(shù)在20—40 cm均高于其他土層，其他土層變化差異非常小，且均在30—40 cm變異系數(shù)達(dá)到最高，黏粒、粉粒和砂粒的變異系數(shù)分別為26.47%，12.13%，28.96%。

3.3 不同植被恢復(fù)方式下土壤粒度參數(shù)

平均粒徑反映沉積物粒度分布的集中趨勢。表4結(jié)果表明，在0—100 cm土層，9種植被恢復(fù)方式下土壤平均粒徑變化范圍在37.14～45.60 μm之間，其中山杏×檸條混交林最大，壩地最小，排序大小依次為：山杏×檸條林>沙棘林>山桃林>檸條林>山杏林>苜蓿地>山杏×沙棘林>撂荒地>壩地。各層段土壤粒度特征表現(xiàn)出不同的變化趨勢，這種變化趨勢是由土壤侵蝕、風(fēng)力、人類活動和植物本身等眾多因素共同作用產(chǎn)生的。方差分析表明，同一土層之間平均粒徑存在顯著差異(p<0.05)，同一植被恢復(fù)方式不同土層間土壤平均粒徑也存在顯著差異(p<0.05)。在垂直剖面上，各植被恢復(fù)方式的土壤平均粒徑隨著土層深度的增加整體呈現(xiàn)下降趨勢，表土層0—10 cm明顯高于其他土層。

根據(jù)Folk和Wald(1957)粒度參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)得到9種植被恢復(fù)方式下不同土層的粒度參數(shù)特征(表5—7)。標(biāo)準(zhǔn)偏差及分選系數(shù)反映固體顆粒大小的均勻程度和沉積分選的好壞[6]。由表5可知，在0—100 cm土層各時段，9種植被恢復(fù)方式下的土壤標(biāo)準(zhǔn)偏差值介于18.24～90.09之間，說明分選性均極差。其大小排序為：沙棘林>山杏檸條林>苜蓿地>壩地>山杏林>山杏沙棘林>檸條林>山桃林>撂荒地，可以看出撂荒地的分選性相比其他植被恢復(fù)方式相對較好；偏度可以判別分布的對稱性，由表6可知，在0—100 cm土層，9種植被恢復(fù)方式下的土壤偏度值介于0.185～0.653之間，表明頻率曲線呈正偏或極正偏。峰度是度量粒度分布趨向形態(tài)的一種尺度，用以度量粒度分布的中部和尾部展開度之比[4]。由表7可知，在0—100 cm土層，9種植被恢復(fù)方式下的峰度平均值介于1.134～1.645之間，表明粒度頻率曲線分布呈尖銳或很尖銳。其中沙棘林表現(xiàn)出很尖銳的峰度值，撂荒地與其他8種植被恢復(fù)方式相比有較大的差異。在垂直剖面上，土壤標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰態(tài)值均隨著土層深度的增加基本呈現(xiàn)下降趨勢，上層0—10 cm的土壤粒度參數(shù)明顯高于下層10—100 cm。這主要與不同的植被恢復(fù)方式及對土壤粒度組成的擾動密切相關(guān)。

注：土層編號1，2，3，4，5，6，7，8分別代表0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm土層。

表4 不同植被恢復(fù)方式下土壤平均粒徑狀況 μm

表5 不同植被恢復(fù)方式下土壤標(biāo)準(zhǔn)偏差

表6 不同植被恢復(fù)方式下土壤偏度

表7 不同植被恢復(fù)方式下土壤峰度

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

(1) 通過對寧南黃土區(qū)9種不同植被恢復(fù)方式下土壤粒度分布特征發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的土壤主要由粉粒和砂粒組成，屬于粉(砂)壤土，不同植被恢復(fù)方式下土壤黏粒、粉粒和砂粒含量的分布不同，且差異顯著。在0—100 cm土層，9種不同植被恢復(fù)方式下的土壤粒度組成均以粉粒和極細(xì)砂為主，以粉粒含量在各粒度分級中所占比例最大。7個粒級中，壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的粉粒和黏粒含量占比相對較大，其他立地極細(xì)砂含量占比相對較大。造成這種差異主要是因為不同植被恢復(fù)系統(tǒng)的地塊受擾動的程度以及方式不同[24]，受人類活動擾動越多的土壤，黏粒和粉粒的含量越高，土壤質(zhì)地就越好。受人類活動擾動少的土壤，土壤母質(zhì)、植被類型及搬運條件等自然因素和人為因素也會影響粒度的分布[25]。另外也可以看出，研究區(qū)的壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的土壤質(zhì)地相對較好，水土流失現(xiàn)象相比其他林地要輕，保土能力較強。

(2) 研究區(qū)不同植被恢復(fù)方式土壤剖面粒度變化也存在差異。從垂直剖面來看，在0—100 cm土層，各植被恢復(fù)方式下黏粒、粗砂、極粗沙和中砂含量分層整體趨于穩(wěn)定，隨著土層加深變化不大，較為緩和。粉粒、極細(xì)砂和細(xì)砂含量均隨土層深度增加變化較為明顯，起伏較大，各層段表現(xiàn)出不同的變化趨勢。說明不同植被恢復(fù)方式下地表不同植被及人類擾動對黏土含量的影響不大，對粉粒和砂粒的含量影響顯著。細(xì)砂主要在0—40 cm，隨著土層深度的加深在減小，在40—100 cm基本是趨于穩(wěn)定的。極細(xì)砂含量除了在壩地波動性較大外，在其他土地方式下基本是從表層到深層呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。粉粒含量除了壩地、苜蓿地和撂荒地在0—40 cm呈現(xiàn)增加趨勢，40—100 cm變化較小外，林地從表層到深層基本是呈現(xiàn)增加趨勢。這主要與人類擾動及林木根系對土壤的影響主要集中在40 cm深度內(nèi)，在40 cm以下影響較小[26]，故林地的變化趨勢呈現(xiàn)一致性。另外，由于受土壤侵蝕作用的影響，表層土壤中的細(xì)顆粒組分容易流失，9種植被恢復(fù)方式下0—10 cm土層的粉粒含量所占比例與10—20 cm土層相比均呈現(xiàn)降低趨勢，降幅在2.77%～17.7%。壩地和苜蓿地的降幅較大，山杏檸條林和山杏沙棘林的降幅較小?？傮w可以看出，研究區(qū)由于林草植被覆蓋度較高，人類干擾活動較小，降雨所帶來的徑流造成的水土流失并不明顯。不同植被恢復(fù)方式下不同粒級土壤的變異系數(shù)也不盡相同，相差很大，其中撂荒地土壤的變異系數(shù)除了在20—40 cm變化較大外，其他土層變化相對是最小的。即荒地土壤粒度保留有較多原生土壤粒度組成的特點，而且根系主要分布于20—40 cm，人為擾動較小，黏粒、粉粒和砂粒含量的空間變化相對較小。壩地砂粒的變異系數(shù)變化幅度較大，粉粒和黏粒的變異系數(shù)變化較小。苜蓿地下層40—100 cm粒度的變異系數(shù)明顯要高于上層0—40 cm。林地土壤黏粒和砂粒的的變異系數(shù)明顯要高于粉粒，粉粒的變異系數(shù)變化相對較小。說明不同粒級的土壤顆?？赡苁艿酵饨绮煌瑮l件的控制，如利用方式、人為活動及管理方式及植被類型等影響，使得不同土層土壤粒度含量的分布差異較大。但是各粒級變異系數(shù)的變化規(guī)律基本是一致的，黏粒的變異系數(shù)最高，其次為砂粒，粉粒最小。這一結(jié)果與吳美榕等[18]在新疆伊犁河谷新墾荒地各種類型土壤剖面黏粒和砂粒組分含量的變異均大于粉砂粒含量的研究結(jié)論是相吻合的。

(3) 根據(jù)粒度參數(shù)特征，不同植被恢復(fù)方式土壤剖面的粒度參數(shù)也存在差異。本研究結(jié)果表明，該區(qū)域粉砂壤土分選性極差，顆粒粗細(xì)分配呈正偏或極正偏，反映出了顆粒分布的集中程度很尖窄。不同立地類型0—100 cm土層土壤平均粒徑大小排序為：山杏×檸條林>沙棘林>山桃林>檸條林>山杏林>苜蓿地>山杏×沙棘林>撂荒地>壩地，可以看出除了山杏沙棘林外，壩地、撂荒地和苜蓿地的平均粒徑均小于其他林地，這與不同的植被恢復(fù)方式及對土壤粒度組成的擾動密切相關(guān)。另外從土壤標(biāo)準(zhǔn)偏差、土壤峰度也反映出撂荒地與其他8種植被恢復(fù)方式相比有較大的差異，撂荒地的分選性相對其他植被恢復(fù)方式相對較好，其他植被恢復(fù)方式由于受到人類活動、植被類型及地表枯枝落葉的的影響，土壤顆粒發(fā)生擾動，使顆粒形態(tài)細(xì)化或圓化程度增強，所以土壤趨向正偏或極正偏[26]。

4.2 結(jié) 論

研究區(qū)9種不同植被恢復(fù)方式下的土壤粒度組成均以粉粒和極細(xì)砂為主，以粉粒含量在各粒度分級中所占比例最大。7個粒級中，壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的粉粒和黏粒含量占比相對較大，其他立地極細(xì)砂含量占比相對較大。在0—100 cm土層，黏粒、粗砂、極粗沙和中砂含量分層整體趨于穩(wěn)定，隨土層的加深變化不大，波動較為緩和。粉粒、極細(xì)砂和細(xì)砂含量均隨土層深度增加變化較為明顯，起伏較大。撂荒地、山桃林和檸條林的分選性明顯優(yōu)于其他立地?？傮w可以看出不同植被恢復(fù)方式的土壤粒度分布主要受到植被類型及人類活動擾動等主要因素的影響。其中壩地、山杏沙棘林、苜蓿地和撂荒地的土壤質(zhì)地相對較好，水土流失現(xiàn)象相比其他林地要輕，保土能力較強。