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    晉西黃土區(qū)長期人工林恢復(fù)對(duì)土壤水分和養(yǎng)分性質(zhì)的影響

    2022-04-08 07:40:32熊瑛楠馮天驕吳旭東
    水土保持學(xué)報(bào) 2022年2期
    關(guān)鍵詞:油松林次生林刺槐

    熊瑛楠, 馮天驕, 王 平, 吳旭東

    (北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083)

    由于自然因素和人類活動(dòng)的綜合影響,黃土高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境十分脆弱,水土流失嚴(yán)重,風(fēng)沙危害頻繁,是我國乃至世界范圍內(nèi)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。晉西黃土區(qū)長期以來遭受嚴(yán)重的水土流失、土壤侵蝕和植被退化等問題,為了改善生態(tài)環(huán)境,防治土壤侵蝕,解決植被退化問題,該區(qū)開展了大規(guī)模的植被恢復(fù)措施,營造了大面積的人工林。植被恢復(fù)可以有效減少土壤侵蝕和提高土壤質(zhì)量,是治理黃土高原水土流失的有效生物措施,也是我國重大的生態(tài)工程,在黃土高原水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中占據(jù)重要地位。植被在恢復(fù)過程中與土壤相互作用,通過地表凋落物以及地下根系部分的影響,改善土壤的物理性狀,增加土壤生物的生物量及活性。這個(gè)過程必然導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、水分及養(yǎng)分特征等理化性質(zhì)產(chǎn)生變化,因此,不同植被類型的土壤理化特性具有顯著差異性。同時(shí),隨著植被恢復(fù)進(jìn)程的推進(jìn),通過一系列次生演替階段所形成的次生林也具有重要的生態(tài)保護(hù)作用,研究次生林和人工林條件下的土壤屬性變異,對(duì)于優(yōu)化黃土高原植被恢復(fù)措施和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。

    近幾年,國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同植被類型下的土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分特征進(jìn)行了大量研究。首先,已有相關(guān)研究表明植了被類型對(duì)土壤性質(zhì)的改良和影響。例如,蔡楚雄等在科爾沁沙地南緣研究了不同植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良作用表明,相比裸沙地,植被能明顯改善當(dāng)?shù)赝寥牢锢硇再|(zhì);張曉霞等研究了晉西黃土區(qū)退耕22年后形成的3種典型喬木林分的土壤物理性質(zhì)變化,指出自然恢復(fù)林對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響大于人工林。同時(shí),對(duì)于不同植被類型下的水分特征也有相關(guān)研究。李航等研究了不同植被類型條件下土壤的有效水和持水能力,證明了刺槐林的有效水分和土壤持水能力都較低;袁杰等對(duì)高寒區(qū)不同植被類型枯落物和土壤持水性能進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),土壤各理化指標(biāo)都不同程度地影響了各植被類型的持水性能,其中土壤容重和砂含量粒越大,相應(yīng)的土壤持水能力越差,土壤粉砂、黏粒含量、總孔隙度及有機(jī)碳含量越大,相應(yīng)的土壤持水能力越好。另外,植被恢復(fù)對(duì)不同土層土壤性質(zhì)的影響差異顯著。萬雪琴對(duì)植被恢復(fù)后改土效應(yīng)的研究表明,不同的植被恢復(fù)模式下土壤有機(jī)碳增加的速度和在土壤不同深度的分布有較大差異,有機(jī)碳主要集中分布在表層土中,而土壤全氮含量表現(xiàn)為土壤上層大于下層;田寧寧等在晉西黃土區(qū)對(duì)土壤養(yǎng)分和根系密度進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),3種水土保持林地土壤養(yǎng)分和植物根系密度密切相關(guān):土壤有機(jī)碳和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與根系密度變化趨勢(shì)一致,全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與根系密度變化趨勢(shì)不明顯。關(guān)于植被恢復(fù)過程中土壤水分的時(shí)空變化規(guī)律,也受研究者廣泛關(guān)注。曹奇光選擇了3種人工林純林及其混交林,通過分析比較各林地的土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化,得出混交林比純林更能夠充分利用土壤水分的結(jié)論。王國梁等測(cè)量了不同土地利用方式下500—1 000 cm土層間的土壤水分后發(fā)現(xiàn),平均含水率呈農(nóng)田>草地>灌木林>林地的趨勢(shì);鄒俊亮對(duì)黃土高原小流域植被恢復(fù)過程中土壤水分變化的研究表明,土壤水分在不同土壤類型下的垂直分布特征具有明顯差異,同一土壤類型下的土壤水分受植被類型的影響顯著,且植被類型的不同對(duì)表層土壤水分狀況影響較小,而對(duì)深層土壤水分的影響較顯著。最后,關(guān)于不同植被條件下的土壤綜合分析相對(duì)較少,焦菊英等研究了黃土丘陵溝壑區(qū)不同恢復(fù)方式下植被群落的土壤水分和養(yǎng)分特征指出,封禁自然恢復(fù)植物群落的土壤水分、養(yǎng)分含量高于人工林地,且無管理下的自然恢復(fù)植物群落及農(nóng)田土壤水分和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,而土壤有機(jī)碳、全氮、有效氮、全磷和速效鉀含量較低。

    植被能夠改善土壤理化性質(zhì),且不同植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分的改良效果不同。目前,黃土高原典型森林生態(tài)系統(tǒng)在次生林和人工林類型條件下,植被對(duì)土壤物理性質(zhì)、土壤水分和養(yǎng)分特征的綜合比較和分析的研究還不夠深入。為了解決這一問題,本研究選擇晉西黃土區(qū)的典型小流域,選取自然恢復(fù)的次生林、人工刺槐林、人工油松林為研究對(duì)象,采用EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)土壤水分,采集土樣,對(duì)土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分進(jìn)行測(cè)定,分析比較不同植被類型下的土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分變化,探討植被對(duì)土壤質(zhì)量的綜合影響,以選出林下土壤水養(yǎng)條件較好的植被類型,為晉西黃土區(qū)等半干旱地區(qū)未來植被恢復(fù)樹種的選擇和可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(110°27′—111°07′E,35°53′—36°21′N)位于黃河中游黃土高原東南部半濕潤地區(qū)的山西省臨汾市,屬黃土高原殘塬溝壑區(qū)和梁峁丘陵溝壑區(qū)。森林植物地帶屬于暖溫帶半濕潤地區(qū),褐土,落葉闊葉林。根據(jù)吉縣氣象站觀測(cè)資料,多年平均年降水量為579.1 mm,其中最大年降水量達(dá)828.9 mm(1956年),最小年降水量277.7 mm(1997年),最大降水變率為43.11%,6—9月降水量一般占全年降水量的70%,年平均蒸發(fā)量1 729 mm。多年平均氣溫9.9 ℃,絕對(duì)最高氣溫38.1 ℃,絕對(duì)最低氣溫-20.4 ℃,≥10 ℃的積溫3 358 ℃。光照充足,多年平均光照時(shí)間為2 563.8 h,平均無霜期為172天。

    吉縣地勢(shì)呈東高西低傾斜,海拔440~1 820 m,黃河河谷最低。大部分地形為典型黃土高原侵蝕地形。土壤類型為褐土,可分為3個(gè)亞類:丘陵褐土、普通褐土和淋溶褐土。由于嚴(yán)重的水土流失,原始土壤已極少存在,目前所見到的土壤基本上是黃土母質(zhì)本身。黃土斜坡、梁頂、塬面等為第三系紅土和第四系黃土組成,厚度十米至數(shù)十米,溝底為淤積黃土母質(zhì);溝坡坡腳為塌積黃土母質(zhì),底層?;煊屑t膠土母質(zhì)。

    山西吉縣屬暖溫帶褐土闊葉林地帶向森林草原地帶的過渡地帶。常見的木本植物有194種,分屬49科;草本植物180種,分屬44種(不包括農(nóng)作物)。天然次生植被主要有遼東櫟(K.)、槲櫟(B.)、山楊(D.)、白樺(S.)、旱柳(K.)等。人工植被主要有油松(C.)、刺槐(L.)、山楊(D.)、側(cè)柏(L.)、白榆(L.)等。農(nóng)作物以玉米、小麥、谷子、豆類為主。人工營造的水土保持防護(hù)林主要以刺槐、油松、側(cè)柏等樹種形成的純林及各種類型的混交林。下層灌木有沙棘(L.)、胡枝子(T.)、三裂繡線菊(L.)等灌木及白草(G.)等,荒草坡有蒿類(L.)、枸杞(M.)、黃刺梅(L.)等。

    1.2 研究方法

    在對(duì)研究流域植被進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上選擇有代表性的次生林地、刺槐林地、油松林地為觀測(cè)樣地,特別注意采樣地點(diǎn)選擇與樣品采集的合理性。在當(dāng)?shù)馗鶕?jù)地形、林齡和植被類型選擇具有典型代表性的區(qū)域作為采樣地點(diǎn),分別在3種植被類型樣地下分散隨機(jī)選擇3~5處采樣點(diǎn),以達(dá)到科學(xué)合理、隨機(jī)、代表性和典型性強(qiáng)的取樣方式。對(duì)不同植被類型下的土壤理化指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。各樣地的實(shí)際尺寸、具體情況、植被狀況、地理信息見表1。

    表1 樣地基本概況

    1.2.1 數(shù)據(jù)采集與測(cè)定 土壤水分監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集方法:在3種林地0—100 cm土層內(nèi)埋設(shè)EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由1個(gè)探測(cè)管、5個(gè)土壤水分探頭、1個(gè)CR200數(shù)據(jù)收集器和1組電瓶組成。5個(gè)土壤水分探頭在0—100 cm土層內(nèi)每隔20 cm布設(shè)1個(gè),以每30 min監(jiān)測(cè)1次的頻度對(duì)次生林地、刺槐林地、油松林地的土壤水分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些土壤水分探頭安裝在軌道上后裝入事先布設(shè)在林地的探測(cè)管中,每個(gè)土壤水分探頭與CR200數(shù)據(jù)采集器連接,觀測(cè)數(shù)據(jù)保存在CR200數(shù)據(jù)采集器中,本研究使用的生長季動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是于2019年1—11月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

    采用EnviroSMART監(jiān)測(cè)0—100 cm土層中各層的體積含水量的動(dòng)態(tài)變化過程,土壤蓄水量根據(jù)土壤體積含水量與土層厚度計(jì)算,具體計(jì)算公式為:

    ×10100

    式中:為土壤蓄水量(mm);為土層深度(cm);為土壤體積含水量(%)。

    土壤樣品收集與測(cè)定方法:在流域內(nèi)選擇天然次生林、人工刺槐林和人工油松林3種植被類型的典型樣地。在3個(gè)林地內(nèi)分別在坡中位置各設(shè)3個(gè)點(diǎn)取樣,為了保持取樣點(diǎn)的代表性,取樣點(diǎn)的坡向坡度接近,避免因立地條件不同而導(dǎo)致土壤水分差異。在2019年8月中旬進(jìn)行采樣,以盡量不破壞小區(qū)為前提,采取0—100 cm內(nèi)每20 cm土層取樣土壤樣品,每個(gè)土層取3次重復(fù)以表示各林地內(nèi)土壤養(yǎng)分狀況,代表性樣地的取樣方法、時(shí)間、分布位置和處理方法保持一致。具體采樣層次為0—20,20—40,40—60,60—80,80—100 cm,用100 cm環(huán)刀在每層中間取原狀土樣,每個(gè)剖面分層采集土樣3個(gè),每次取樣后用取樣袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)和測(cè)定。其中,有機(jī)碳用油浴加熱消煮—重鉻酸鉀法,全氮采用凱氏蒸餾法測(cè)定,全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法,速效氮采用堿解擴(kuò)散法,速效磷采用0.5 mol/L的NaHCO溶液浸提—硫酸鉬銻抗混合比色法,速效鉀用醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定。

    在2019年8—11月測(cè)定3個(gè)林地的土壤物理性質(zhì),用環(huán)刀采集原狀土來測(cè)定土壤容重,測(cè)定方法用烘干法,在105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重,待冷卻后稱重,計(jì)算土壤容重。土壤機(jī)械組成用濕篩法分析,再計(jì)算出不同粒徑區(qū)間所占的百分比。

    1.2.2 處理方法 測(cè)定3種人工林內(nèi)土壤各土層的水分、氮、磷、鉀含量并進(jìn)行化學(xué)計(jì)量分析,利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,利用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析法(ANOVA),采用描述性統(tǒng)計(jì)和方差分析等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)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(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn),顯著性水平≤0.05。采用Sigma Plot 10.0、Canoco 5.0、R 4.0.5軟件制圖。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同植被類型長期恢復(fù)條件下的土壤物理性質(zhì)差異

    土壤容重可以反映植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良程度。從表2可以看出,次生林地的容重大于其他林地,隨著土層深度的增加,土壤容重增大,總體表現(xiàn)為表層(0—20 cm)的容重均小于深層(40 cm以下)土層。各林地的土壤機(jī)械組成均為粉粒含量顯著大于砂粒和黏粒。在各植被類型的0—40 cm土層的土壤中,土壤機(jī)械組成的變化基本一致,各林地粉粒含量隨著土層深度的增加而增加,但不顯著,表層0—20 cm土層的砂粒含量高于20—40 cm土層。

    表2 不同植被類型條件下各土層的土壤機(jī)械組成

    2.2 不同植被類型長期恢復(fù)條件下的土壤水分狀況對(duì)比

    從圖1和表3可以看出,不同植被類型條件下土壤的水分狀況的差異顯著,0—100 cm土層中油松林地的平均含水量最高,達(dá)13.46%,蓄水量為134.6 mm;次生林地次之,為13.10%,蓄水量為131.0 mm;刺槐林地平均含水量最低為11.82%,蓄水量為118.2 mm,3種林地在土層深層(40—100 cm)土層蓄水量差異更顯著。

    表3 次生林地、刺槐林地、油松林地的土壤含水量

    注:不同大寫字母表示同一土層不同植被類型之間差異顯著(P<0.05);不同小寫字母表示同一植被類型不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

    對(duì)比次生林地、刺槐林地和油松林地各層土壤蓄水量進(jìn)行分析可得,相比次生林地和油松林地,刺槐林地的總土壤蓄水量更低,其中淺層(0—40 cm)次生林地和油松、刺槐林地該段土層蓄水量分別為54.0,46.6,50.0 mm;而60—100 cm土層的蓄水量比較為油松(57.4 mm)>次生林(50.6 mm)>刺槐(46.4 mm)??傮w而言,次生林和油松林地的土壤蓄水量優(yōu)于刺槐林地。

    2.3 不同植被類型長期恢復(fù)條件下的土壤水分時(shí)空變化規(guī)律

    2.3.1 土壤水分垂直變化規(guī)律 圖2為次生林地、刺槐林地、油松林地0—100 cm土層中平均含水量隨土層深度的變化。從整體上看,在0—40 cm土層范圍3個(gè)林地的土壤含水率表現(xiàn)為次生林地>油松林地>刺槐林地;隨著土層深度的增加,在40—100 cm土層范圍3個(gè)林地的土壤含水率卻表現(xiàn)為油松林地>次生林地>刺槐林地。即在土壤淺層次生林地含水量最高,刺槐林地含水量始終最低,而在較深的土層處油松林地含水量最高。隨著土層深度的變化,次生林地、刺槐林地、油松林地在0—20 cm至20—40 cm土層的土壤含水量變化波動(dòng)最大,結(jié)果均表明在不同植被條件下0—100 cm土層中土壤水分的變化在淺層相對(duì)劇烈。

    圖2 不同植被類型條件下土壤含水量隨土層深度的變化

    在次生林地土壤剖面上0—100 cm土層的含水量的變化趨勢(shì)為隨土層深度的增加先增大再減小,0—40 cm土層范圍隨土層深度的增加而增大,40—100 cm土層范圍隨土層深度的增加而減小。

    刺槐林地0—100 cm土層的含水量隨土層深度的增加先增加再減小,與次生林地的變化趨勢(shì)一致。具體表現(xiàn)為在0—40 cm土層的含水量隨土層深度的增加而逐層遞增,40—100 cm土層的含水量隨土層深度的增加而逐層遞減。刺槐林地表層0—20 cm的土壤含水量最低,僅為10.4%;20—40 cm處的土壤含水量為12.9%,是刺槐林地整個(gè)土壤剖面中土壤含水量的最高值。結(jié)合土壤物理性質(zhì)數(shù)據(jù)(表2),20—40 cm土層容重變小,說明該層土壤孔隙數(shù)量多,保墑能力強(qiáng),土壤水分狀況較好,故20—40 cm土層處土壤含水量高。

    油松林地0—100 cm土層含水量變化的總體趨勢(shì)為土壤含水量隨土層深度的增加而增加。表層0—20 cm的土壤含水量最低,僅有11.4%,60—80 cm土層的含水量最高,為14.4%??赡苁且?yàn)橛退筛抵饕植荚?—60 cm的土層中,植被蒸騰作用消耗水分導(dǎo)致含水量低,油松林地表層土壤含水量低,形成干層,抑制下層水分的蒸發(fā)。

    2.3.2 土壤水分時(shí)間變化規(guī)律 圖3為次生林地、刺槐林地、油松林地在1—11月0—100 cm土層含水量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。根據(jù)研究地區(qū)次生林地、刺槐林地、油松林地各月份0—100 cm土壤水分的動(dòng)態(tài)變化可以劃分為土壤水分消耗期、土壤水分積聚期、土壤水分消退期。1—5月為土壤水分消耗期,油松林地的平均含水量為11.7%,高于次生林地和刺槐林地,次生林地和刺槐林地的平均含水量相差不大,1月由于溫度低可能會(huì)出現(xiàn)土壤凍結(jié)現(xiàn)象,因此降水難以補(bǔ)充給土壤,此時(shí)各林地的土壤含水量均為監(jiān)測(cè)期間內(nèi)的最低值。6—7月為土壤水分積聚期,次生林地、刺槐林地和油松林地的土壤平均含水量分別為18.3%,14.6%,17.2%,3種林地的土壤含水量均有所增加,其中次生林地在7月達(dá)到監(jiān)測(cè)期間土壤含水量的最大值(22.8%),這是由于7月降雨量為124.5 mm,較前幾個(gè)月的降雨量有明顯增大,在一定程度上使土壤水分得到了補(bǔ)償,土壤水分的補(bǔ)給大于消耗,所以土壤含水量不斷增加。8—11月為土壤水分消退期,其中8—9月氣溫較高,蒸散作用較為強(qiáng)烈,降雨補(bǔ)給土壤中的水分小于因蒸散作用消耗掉的土壤水分,此期間次生林地、刺槐林地和油松林地的土壤含水量分別減少1.6%,1.0%,0.2%,次生林地消退最多,油松林地消退最少;10—11月期間降水很少,次生林地、刺槐林地和油松林地的土壤含水量分別維持在12.6%,11.0%和13.2%。

    圖3 不同植被類型條件下土壤水分動(dòng)態(tài)變化

    2.4 不同植被類型長期恢復(fù)條件對(duì)土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

    2.4.1 不同植被類型條件下土壤剖面上養(yǎng)分含量比較 從表4可以看出,在不同植被類型的林地下土壤養(yǎng)分含量有所不同。土壤有機(jī)碳和速效氮含量均為次生林地>油松林地>刺槐林地,有機(jī)碳含量依次為31.436,27.388,22.144 g/kg,速效氮含量依次為12.04,9.83,9.62 mg/kg。全氮含量、全磷含量、速效磷含量均為油松林地>刺槐林地>次生林地,油松林地的全氮、全磷、速效磷含量高于其他林地。全氮含量依次為2.281,1.587,1.400 g/kg,全磷含量依次為2.851,0.655,0.604 g/kg,速效磷含量依次為87.20,61.14,43.7 mg/kg。次生林地、刺槐林地、油松林地的速效鉀含量分別為495.981,486.692,507.180 mg/kg,差異不大。

    表4 不同植被類型下土壤剖面養(yǎng)分含量

    從圖4還可看出,油松林地全氮和全磷含量分別為2.281,2.851 g/kg,具有較高的氮素供應(yīng)水平,且土壤能為植物吸收的磷量最高,而次生林地的氮素供應(yīng)水平較低;次生林地、刺槐林地和油松林地之間的速效鉀含量差異很?。淮紊值赝寥烙袡C(jī)碳含量最大,為31.436 g/kg,油松林地次之,刺槐林地土壤有機(jī)碳含量最低。

    圖4 不同植被類型條件下各土層土壤養(yǎng)分含量比較

    2.4.2 不同植被類型條件下的土壤養(yǎng)分隨土層變化規(guī)律 從圖5可以看出,土壤養(yǎng)分在不同植被類型下的垂直分布特征具有明顯差異,但各養(yǎng)分總體上呈波動(dòng)性和表聚性。次生林地的有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、速效氮含量、速效鉀含量均表現(xiàn)為0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm土層,在40—60 cm土層處又增加,即隨著土層深度增加先減小再增加,在0—20 cm土層含量最大;而速效氮的含量始終隨著土層深度增加而減小,在表層0—20 cm土層含量最大,80—100 cm土層含量最?。凰傩Я缀侩S著土層深度增加先增加再減小,在40—60 cm土層含量最大。

    圖5 不同植被類型土壤剖面養(yǎng)分隨土層深度的變化

    刺槐林地土壤養(yǎng)分隨土層深度的變化趨勢(shì)與次生林地相似。其中,有機(jī)碳含量、全氮含量、速效氮含量均在表層達(dá)到最大值;全磷含量在60—80 cm土層處最大;速效磷在20—40 cm土層處最大;速效鉀含量在80—100 cm土層處達(dá)到最大。

    油松林地的有機(jī)碳含量與次生林地、刺槐林地有機(jī)碳含量的垂直分布不一致,次生林地和刺槐林地土壤有機(jī)碳的垂直分布均為隨土層深度增大而遞減,而油松林地0—60 cm土層和60—100 cm土層的有機(jī)碳含量隨土層深度的增加先增加再減小,20—40 cm為整個(gè)土壤剖面上有機(jī)碳含量最高的土層,0—20 cm為整個(gè)土壤剖面上有機(jī)碳含量最低的土層;全氮含量、全磷含量、速效鉀含量在土壤表層含量最大,隨土層深度的增加逐漸減小,其中全磷含量垂直分布的波動(dòng)性大于次生林地和刺槐林地;速效氮含量和速效磷含量隨土層深度的增加先增加再減小,均在20—40 cm的含量最高。

    2.5 土壤物理性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相互關(guān)系

    以次生林地、刺槐林地和油松林地內(nèi)各土壤物理性質(zhì)與其土壤各養(yǎng)分含量之間進(jìn)行相關(guān)矩陣分析和冗余分析。由圖6和圖7可知,土壤各養(yǎng)分均與土壤容重、粉粒、黏粒分異較大,呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與土壤砂粒分布接近。從土壤物理性質(zhì)與土壤養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)來看,土壤容重與有機(jī)碳、全氮、速效磷均呈極顯著負(fù)相關(guān),與全磷、速效氮呈顯著負(fù)相關(guān);土壤黏粒與砂粒、有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān),與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān),同時(shí)與速效磷呈顯著正相關(guān);土壤粉粒與砂粒、全氮、全磷、速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān),與有機(jī)碳、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān);土壤砂粒與有機(jī)碳、全氮、全磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān);土壤含水率、土壤蓄水量與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān),其他養(yǎng)分與土壤水分無顯著相關(guān)性。從土壤各養(yǎng)分間的相關(guān)性來看,有機(jī)碳與全氮、速效氮、速效鉀呈極顯著正相關(guān),全氮與速效氮、速效磷呈極顯著正相關(guān),同時(shí),全氮、全磷、速效鉀兩兩間呈極顯著正相關(guān)。

    注:BD為土壤容重;CLAY為土壤黏粒;SILT為土壤粉粒;SAND為土壤砂粒;SWC為土壤含水量;SWS為土壤蓄水量;SOC為土壤有機(jī)碳;TN為全氮;TP為全磷;AN為速效氮;AP為速效磷;AK為速效鉀;左下三角形里的數(shù)字表示相應(yīng)變量之間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)(r),與右上三角形中的橢圓短軸的寬度成正比(寬度越窄,r越大);深色和淺色分別表示相關(guān)性顯著和不顯著,*和**表示相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.05和0.01水平。

    圖7 不同植被類型條件下土壤性質(zhì)冗余分析

    3 討 論

    3.1 長期植被恢復(fù)條件下土壤物理性質(zhì)的差異

    經(jīng)過長期植被恢復(fù)后的土壤地表覆被變化受到植被根系、地表枯落物等的影響,容重、含水量等土壤持水性相關(guān)的物理性質(zhì)較植被恢復(fù)前有一定差異,主要表現(xiàn)為改善土壤結(jié)構(gòu)和持水能力。很多學(xué)者已經(jīng)證明植被可以顯著改變土壤的物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分特征,且不同的植被類型由于其生長方式不同,對(duì)土壤性質(zhì)的影響也不同。本研究對(duì)比長期不同植被恢復(fù)下的土壤容重發(fā)現(xiàn),次生林地和油松林地0—20 cm表層土壤容重均低于更深層的土壤。如譚學(xué)進(jìn)對(duì)黃土區(qū)延河流域近40年來植被恢復(fù)對(duì)土壤容重等土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的影響研究結(jié)果表明,植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善效應(yīng)隨土層深度的增加而減弱,植被恢復(fù)顯著降低土壤容重,提高土壤孔隙度和>0.25 mm團(tuán)聚體含量。陳建宇對(duì)杉木林下植被生物量與土壤容重關(guān)系的研究表明,林下植被的生長有利于減小土壤容重,且對(duì)降低表層土壤容重的作用較為顯著,增加土壤孔隙度,擴(kuò)大根系的分布深度。所以,植被對(duì)改善土壤容重有重要作用。

    3.2 長期植被恢復(fù)條件下土壤水分的差異

    本研究對(duì)比了次生林地、刺槐林地、油松林地的土壤水分狀況差異,結(jié)果顯示3種林地在0—100 cm土層的土壤含水量均有顯著差異,次生林地土壤淺層含水量高于刺槐林地和油松林地,且在7—8月隨著降雨量的增加土壤水分開始進(jìn)入積累期,這與趙文智等的研究結(jié)果一致,生長季內(nèi)降水量的大小對(duì)水分補(bǔ)給深度有著顯著的影響,土壤水分的變化主要取決于降水量的變化,同時(shí)降水的季節(jié)分布格局也直接影響不同整地方式土壤水分的動(dòng)態(tài)。本研究對(duì)3種林地土壤水分時(shí)間變化規(guī)律的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),刺槐林地的土壤水分狀況受降水的影響小于次生林地和油松林地,這是因?yàn)榇袒比~片面積大,冠層對(duì)降雨的截留能力強(qiáng),影響降水的再分配過程。于洋等的研究表明,植被自身的屬性也是影響水分變化的重要因素,通過冠層截留、樹干莖流以及植被蒸騰耗水等水文循環(huán)過程來影響土壤水分的動(dòng)態(tài)變化;Loik等對(duì)旱地生態(tài)系統(tǒng)中植物和土壤微生物群落的土壤水分供應(yīng)的研究說明植被的冠層截留是影響降水進(jìn)入土壤中的第1個(gè)環(huán)節(jié),喬木冠層能夠截留小的降水事件產(chǎn)生的降水,使喬木的土壤水分動(dòng)態(tài)幾乎不受小降水事件的作用。本研究對(duì)土壤水分在不同植被類型下的垂直分布特征的結(jié)果表明,在土壤淺層次生林地含水量最高,刺槐林地含水量始終最低,而在較深的土層處油松林地含水量最高,這與趙榮瑋等的研究結(jié)果一致。油松林地土壤淺層水分低于次生林地和刺槐林地,可能是因?yàn)橛退傻牡厣现脖桓采w率低,導(dǎo)致表層的蒸散發(fā)大,主要消耗土壤淺層的水分。如李登武等對(duì)油松自毒作用的研究發(fā)現(xiàn),油松葉的乙酸乙酯提取物會(huì)抑制油松生長,且對(duì)周圍植物產(chǎn)生影響,這樣的情況導(dǎo)致林下缺少植被層覆蓋而增加土壤表面蒸發(fā);王志強(qiáng)等的研究還表明,在不同植被類型之間,天然植被土壤的干燥化程度小于人工林植被。在本研究中刺槐林地的土壤含水量始終低于次生林地和油松林地,可能是由于刺槐林地的林分密度過高,林地土壤水分得不到補(bǔ)充,導(dǎo)致土壤水分虧缺。這與孫中峰等的研究結(jié)論一致,刺槐林分的土壤水分還受到植被郁閉度、胸徑、林分生產(chǎn)量等因子的影響。

    3.3 長期植被恢復(fù)條件下土壤養(yǎng)分的差異

    本研究對(duì)比不同植被類型下的土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量發(fā)現(xiàn),3種林地的容重隨著土層深度的增加而增加,有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而減少,即土壤容重與有機(jī)碳含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤容重過大導(dǎo)致植被根系無法正常生長,從而影響根系吸收土壤中的的營養(yǎng)元素。本研究對(duì)次生林地、刺槐林地和油松林地內(nèi)各土壤物理性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)矩陣分析顯示,土壤容重與各土壤養(yǎng)分的分異較大,均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中土壤容重與有機(jī)碳、全氮、速效磷的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平,遠(yuǎn)高于其他土壤養(yǎng)分。土壤養(yǎng)分含量越高,土壤容重越小,彭文英等的研究支持了這一結(jié)論,即植被恢復(fù)后土壤物理結(jié)構(gòu)得到改善,土壤養(yǎng)分不斷增加,侵蝕破壞的土體剖面構(gòu)型漸趨完整,土壤容重減小。土壤砂粒與有機(jī)碳、全氮、全磷、速效鉀在0.01水平上呈顯著正相關(guān),說明砂粒含量越高的土壤,越有利于土壤養(yǎng)分的保持。從相關(guān)矩陣分析可以看出,土壤有機(jī)碳是引起其他土壤物理性質(zhì)變化的主要原因,由于土壤有機(jī)碳含量增加,改善了土壤結(jié)構(gòu),使容重減少,土壤空隙度增加,這與張希彪等的研究結(jié)果一致,森林土壤中的有機(jī)碳主要來源于森林凋落物,凋落物的存在增加了土層中主要營養(yǎng)元素及有機(jī)碳含量,其性質(zhì)和數(shù)量影響著有機(jī)碳積累。

    本文研究發(fā)現(xiàn),在垂直方向上,次生林地、刺槐林地、油松林地土壤養(yǎng)分的層次變化差異顯著,但均具有明顯的表聚性。這是因?yàn)橥ㄟ^植被根系的活動(dòng)以及地表枯落物的分解增加了土壤養(yǎng)分的含量,枯落物作為聯(lián)系地上植被與土壤的中間載體,是森林土壤養(yǎng)分的主要補(bǔ)給者,在維持土壤肥力、促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)正常的生物循環(huán)、養(yǎng)分平衡和土壤物理結(jié)構(gòu)等方面起著重要作用。這與劉海威等、馮天驕等在黃土區(qū)對(duì)不同植被類型下土壤養(yǎng)分含量的研究結(jié)果一致。鄒誠等對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同土地利用模式的土壤速效養(yǎng)分研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),研究區(qū)所有土地利用模式0—20 cm土層的速效養(yǎng)分含量均高于20—40 cm土層,只有草地在2個(gè)土層速效養(yǎng)分含量差別不大。本研究對(duì)比了不同植被類型下的土壤速效養(yǎng)分含量發(fā)現(xiàn),速效氮和速效鉀在0—20 cm土層的含量大于20—40 cm土層。這是因?yàn)?—20 cm土層的容重小,土壤通氣條件比20—40 cm土層好,所以表層微生物量多,固定較多的土壤養(yǎng)分;而速效磷含量在3種林地的分布均是20—40 cm土層大于0—20 cm土層,可能是因?yàn)橹脖桓抵饕植荚?0—40 cm土壤中,而根系吸收速效磷養(yǎng)分較慢。由于不同作物的根系吸收速效養(yǎng)分的量不同,而導(dǎo)致作物間土壤中速效養(yǎng)分含量的區(qū)別。本研究的相關(guān)矩陣分析表明,土壤各養(yǎng)分之間均呈正相關(guān)的關(guān)系,其中有機(jī)碳對(duì)土壤氮肥的影響比較大,對(duì)其他土壤磷肥的影響很小,全氮與全磷之間的相關(guān)系數(shù)最高,說明二者之間的關(guān)系最為密切。不同的植被類型對(duì)土壤中N、P含量的影響也不同,董秀群等在晉西黃土區(qū)的試驗(yàn)林地內(nèi)的研究表明,對(duì)土壤全氮、全磷改良效果相對(duì)較好的分別為油松林、山楊林和側(cè)柏林。本研究對(duì)全氮、全磷在不同植被類型的對(duì)比中發(fā)現(xiàn),油松林地在不同土層深度下的全氮含量均大于其他植被,油松林地在0—80 cm土層的全磷含量顯著大于其他植被的全磷含量,油松林地80—100 cm土層的全磷含量和次生林地、刺槐林地全磷含量相差不大。這是因?yàn)橛退筛鶞\且生長較緩慢,林下基本沒有林草植被生長,減少林地內(nèi)養(yǎng)分消耗。油松林對(duì)土壤改良效果最好,可以增加土壤肥力,增強(qiáng)土壤的保水保肥性能;而次生林與刺槐林效果都較小,并且差距不大。

    4 結(jié) 論

    (1)在長期的人工林植被恢復(fù)和次生林自然恢復(fù)后,土壤的物理性質(zhì)有一定的變化。次生林地的容重大于其他林地,土壤容重隨著土層深度的增加而增大;同一植被下淺層土層的容重小于深層土層。次生林地、刺槐林地和油松林地在0—100 cm土層的土壤含水量均有顯著差異,在0—40 cm土層中次生林地土壤含水量大于刺槐林地和油松林地,而油松林地60—100 cm土層中各層的含水量高于次生林地。故可以認(rèn)為次生林地淺層土壤的水分狀況較好,而且當(dāng)處于土壤水分積累期時(shí),次生林地土壤含水量大于刺槐林地和油松林地,反映了次生林對(duì)降雨的動(dòng)態(tài)變化更敏感,波動(dòng)性更強(qiáng)。

    (2)不同植被類型的林地土壤養(yǎng)分分布規(guī)律有所不同。次生林地土壤有機(jī)碳和速效氮含量較高,而刺槐林地和油松林地較低;與之相反,油松林地土壤全氮、全磷、速效磷含量較高,次生林地較低。

    (3)在垂直方向上,次生林地、刺槐林地、油松林地土壤養(yǎng)分的層次變化差異顯著,但均具有明顯表聚性。有機(jī)碳、全氮、全磷、速效氮和速效鉀的含量在0—20 cm層明顯比其他層大,整體呈表層土壤大于底層土壤;而速效磷含量隨著土層深度的變化表現(xiàn)為先增大再減小。

    (4)各植被類型土壤水養(yǎng)條件在0—20 cm土壤淺層優(yōu)于深層。相關(guān)分析和冗余分析表明,土壤容重小時(shí)養(yǎng)分含量較高,可能原因是表層土壤孔隙度大,通氣性好、結(jié)構(gòu)性好,有利于有機(jī)碳的積累和氮素的循環(huán)。

    (5)次生林和油松林的土壤水養(yǎng)狀況優(yōu)于刺槐林,考慮到晉西黃土區(qū)干旱少雨的氣候條件和生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益,進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)以封育保護(hù)天然次生林為主,結(jié)合營造人工恢復(fù)林,控制造林密度;同時(shí)在深層土壤含水量較多而淺層土壤含水量較少的人工油松林地適當(dāng)種植深根系植物,以改善淺層土壤水分條件,優(yōu)化當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

    本文在一定程度上描述了晉西黃土區(qū)自然恢復(fù)的次生林和人工恢復(fù)后的撫育林的土壤物理性質(zhì)和水養(yǎng)特征,對(duì)于優(yōu)化黃土高原植被恢復(fù)措施和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善有重要意義,但關(guān)于不同植被對(duì)土壤改良作用的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。關(guān)于在不同植被條件下各土層水分變化程度的差異,還需要運(yùn)用傳統(tǒng)方法與CT掃描技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行更深一步的研究。

    致謝:感謝山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外實(shí)驗(yàn)站的平臺(tái)支持,感謝畢華興老師、張建軍老師、魏天興老師和王若水老師的數(shù)據(jù)支持。

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