植被恢復(fù)和覆土厚度對(duì)砒砂巖區(qū)土壤水分及養(yǎng)分的影響

張 鶴, 費(fèi)洪巖, 韓鳳朋,3,4, 王 鈺, 潘若鵬, 畢博遠(yuǎn)

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.中科院水利部黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中科院水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.中科院水利部 水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心, 陜西 楊凌 712100)

土地退化作為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一，眾多學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，其中，土壤侵蝕是造成土地退化的主要原因之一[1-3]。砒砂巖指位于黃河中游地區(qū)、出露于黃土高原北部的中生代沉積巖，是一種發(fā)育不充分的特殊泥巖、泥沙巖[4-6]，主要分布在以鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗為中心的晉陜蒙三省區(qū)交界地帶，分布面積達(dá)1.67×104km2[7-8]。根據(jù)其地表覆蓋物類型的不同可分為覆土、覆沙和裸露砒砂巖。由于砒砂巖具有沙粒間膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低等特點(diǎn)[9-11]，巖層極易發(fā)生侵蝕，平均土壤侵蝕模數(shù)為3.00×104t/km2，水土流失十分嚴(yán)重[12-13]，多年平均輸沙量高達(dá)1.61×108t/a，是造成黃河下游河道淤積的主要原因[14-15]，對(duì)黃河中下游生態(tài)環(huán)境安全具有嚴(yán)重威脅。植被—土壤是生態(tài)系統(tǒng)水分養(yǎng)分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，兩者之間進(jìn)行頻繁的物質(zhì)交換，相互影響[16]，土壤促進(jìn)植被生長(zhǎng)，植被對(duì)土壤有保護(hù)改良作用[17-18]。土壤為植被提供生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分，直接影響林木的生長(zhǎng)、植被群落結(jié)構(gòu)等[19-21]，同時(shí)植被所產(chǎn)生的枯落物層的腐化以及分解可以促進(jìn)其下土壤營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)[22]，改善土壤的理化性質(zhì)，有效抵抗土壤侵蝕，對(duì)土壤功能效應(yīng)的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用[23]。采取植被生態(tài)工程是控制土壤侵蝕最基本的方法，可以獲得良好的生態(tài)環(huán)境。張祎、何群等學(xué)者的研究結(jié)果均表明植被是影響土壤性質(zhì)的重要因素，植被恢復(fù)對(duì)土壤碳、氮、磷等理化性質(zhì)及微生物性質(zhì)都有明顯改善，在提高土壤有機(jī)碳、氮儲(chǔ)量和穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)方面都有著重要的作用，并且隨著恢復(fù)年限的增加改善效果更強(qiáng)，有利于土壤生態(tài)功能的恢復(fù)[24-30]?；谝陨锨闆r，為更加科學(xué)有效地推進(jìn)砒砂巖地區(qū)的水土流失治理，減少入黃泥沙，植被恢復(fù)成為砒砂巖區(qū)土壤質(zhì)量維系、生態(tài)環(huán)境改善的有效方式，研究該地區(qū)植被恢復(fù)后土壤水分和養(yǎng)分狀況，對(duì)改善該區(qū)域土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，維持區(qū)域生態(tài)平衡有著重要的實(shí)踐意義。在砒砂巖區(qū)水土保持生態(tài)工程建設(shè)的諸多研究中，大多是在單一類型區(qū)域內(nèi)進(jìn)行研究[13,31-32]，植被恢復(fù)方面也多集中于沙棘生態(tài)工程[4,33-35]。然而，砒砂巖地區(qū)人工林多為物種單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng)，存在植被類型少、樹種難以自我更新等方面的問題，并且在侵蝕潛力很強(qiáng)的裸露至覆土砒砂巖過渡帶的研究較少，對(duì)該區(qū)域不同植被恢復(fù)情況下土壤水分和養(yǎng)分特征方面的分析較為薄弱，造成該地區(qū)在選擇適宜生長(zhǎng)并能保持土壤水肥功能的植被類型時(shí)缺乏理論依據(jù)。因此，目前亟需了解砒砂巖地區(qū)黃土—砒砂巖過渡帶植被恢復(fù)下土壤水分和養(yǎng)分差異狀況，以期提高植被恢復(fù)的有效性，為砒砂巖地區(qū)的科學(xué)研究和生態(tài)恢復(fù)提供基本的數(shù)據(jù)參考及理論基礎(chǔ)，使砒砂巖地區(qū)恢復(fù)治理工作持續(xù)開展?；谝陨媳尘埃疚倪x取黃土—砒砂巖過渡帶山杏(Armeniacasibirica)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、山桃(Amygdalusdavidiana)、油松(Pinustabuliformis)4種不同植被為研究對(duì)象，以天然草地(Natural grassland)為對(duì)照，對(duì)各植被下土壤的水分養(yǎng)分狀況進(jìn)行分析，對(duì)比研究區(qū)內(nèi)水分養(yǎng)分的空間變化，旨在明確裸露向覆土砒砂巖過渡帶土壤水分和養(yǎng)分的顯著影響因子，砒砂巖區(qū)5種不同植被恢復(fù)下土壤的水分養(yǎng)分差異狀況。以及砒砂巖區(qū)土壤保水保肥效果最佳的植被恢復(fù)類型，以期為砒砂巖區(qū)生態(tài)修復(fù)和區(qū)域水土流失治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

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)，地處鄂爾多斯高原東部，屬黃河中游段，地貌主要以丘陵溝壑為主，包括裸露砒砂巖區(qū)和覆土砒砂巖區(qū)，地理坐標(biāo)為110°36.043 2′—110°36.095 1′E，39°47.199 2′—39°47.246 5′N，平均海拔1 213 m，年平均氣溫6.2～8.7 ℃，降水少而集中，多集中于7—9月，年均降水量400 mm，年均潛在蒸發(fā)量2 093 mm[32,36]。研究區(qū)處于裸露砒砂巖向覆土砒砂巖過渡區(qū)域，土壤基質(zhì)以砒砂巖和黃土為主，區(qū)域內(nèi)黃土覆蓋厚度不同，表層為黃土，深層多為白色砒砂巖。目前該區(qū)人工恢復(fù)植被主要包括山杏(V1)、沙棘(V2)、山桃(V3)、油松(V4)，植被生長(zhǎng)狀況良好，自然恢復(fù)以草地為主，其中草本植物包括鼠尾粟(Sporobolusfertilis)、草木樨(Melilotusofficinalis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。本文以天然草地(CK)土壤做對(duì)照，其余4種人工植被土壤作為研究對(duì)象。植被類型分布及采樣點(diǎn)如圖1所示。

1.2 樣點(diǎn)布置及采樣

2019年7月進(jìn)行野外調(diào)查及采樣，采樣前無降水等自然因素或人為干擾影響。采樣位置處于什巴爾大溝坡頂塬面，塬面坡度約為3°～5°，自2013年進(jìn)行人工植被恢復(fù)措施。區(qū)域整體植被蓋度約85%左右，其中多以自然恢復(fù)的草本植物為主，人工恢復(fù)植被交錯(cuò)排列(圖1)，按照一定行距種植。綜合研究區(qū)地形和植被分布特征，共設(shè)取樣點(diǎn)16個(gè)。在自然恢復(fù)區(qū)域內(nèi)選取草本植物蓋度相對(duì)最大且周邊無人工恢復(fù)植被的樣地” 改為 在自然恢復(fù)區(qū)域內(nèi)選取草本植物蓋度相對(duì)最大的樣地作為天然草地樣點(diǎn)(見圖1)。在研究區(qū)域內(nèi)均勻布點(diǎn)，用手持GPS記錄樣點(diǎn)坐標(biāo)，并詳細(xì)記錄樣點(diǎn)處植被類型、海拔、株高、行距等信息。樣地植被基本信息詳見表1。研究區(qū)既包括覆土厚度為0 cm的裸露砒砂巖區(qū)，也包括黃土厚度在100 cm左右的區(qū)域，而砒砂巖結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬取樣難度較大，因此將采樣深度統(tǒng)一設(shè)為100 cm。在確定采樣點(diǎn)大概位置后，距該點(diǎn)植被大約1 m處用土鉆采集土壤樣品，每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù)。采樣前除去表層枯枝落葉等雜物，分6層采樣：0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm，每層混合均勻后取適量裝小鋁盒用于含水量的測(cè)定，其余帶回實(shí)驗(yàn)室，共計(jì)288個(gè)土壤樣本。待自然風(fēng)干，分3份分別過2，1和0.25 mm篩，備用。

圖1 研究區(qū)植被類型和采樣點(diǎn)分布

表1 研究樣地基本概況

1.3 測(cè)定方法

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及圖表的制作，結(jié)合SPSS 22進(jìn)行最小顯著性檢驗(yàn)(LSD)及雙因素方差分析(two-way ANOVAs)，數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，利用ArcGIS 10.2繪制植被及采樣點(diǎn)分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被類型和覆土厚度對(duì)土壤水分的影響

2.1.1 不同土壤基質(zhì)對(duì)水分的影響 由圖2可知，5種植被恢復(fù)下不同深度的土壤粒徑分布情況中，粉粒(0.002～0.05 mm)變化較小，砂粒(0.05～2 mm)和黏粒(<0.002 mm)差異顯著，而且，砂粒含量隨深度增加而增加。砒砂巖比較堅(jiān)硬，粒徑大，土壤結(jié)構(gòu)差，而黃土的黏粒含量更大，兩者土壤機(jī)械組成的不同是造成持水能力差異的主要原因。

表2 土壤樣品選定指標(biāo)的測(cè)定方法

注：CK代表天然草地； V1代表山杏； V2代表沙棘； V3代表山桃； V4代表油松

研究區(qū)北部多為裸露砒砂巖區(qū)，由北向南覆土厚度逐漸增加，南部黃土厚度最大。研究區(qū)任一深度土壤水分含量均呈現(xiàn)由北向南逐漸增大的趨勢(shì)，與土壤基質(zhì)的變化一致。由表3可知，表層土壤水分含量平均0.140 g/g，高于深層0.101 g/g，垂直方向上黃土—砒砂巖界面上下土壤水分含量差異顯著，且由于二者界面多存在于20—60 cm，因此該深度范圍內(nèi)的土壤含水量變異系數(shù)也最大，為33.81%。80—100 cm多為砒砂巖土壤，持水能力相當(dāng)，變異系數(shù)最小。以上結(jié)果表明研究區(qū)黃土、砒砂巖兩種顆粒組成不同的土壤基質(zhì)是造成水分含量差異的主要影響因子，且黃土的持水能力優(yōu)于砒砂巖土壤。與雙因素分析結(jié)果一致。

2.1.2 不同植被恢復(fù)下土壤水分差異狀況 5種植被恢復(fù)下土壤水分含量狀況如圖3所示。垂直方向上，各深度的土壤含水量變化幅度較小，草地和油松40 cm以下土壤水分含量顯著低于20 cm以上(p<0.05)，山杏、沙棘和山桃土壤含水量在深度上無顯著變化。對(duì)比天然草地，處于黃土厚度較厚區(qū)域的油松地不同剖面土壤水分含量都是最高的，且整體含水量顯著高于其余4種植被恢復(fù)類型，較天然草地提高54.55%。山杏、山桃和沙棘植被恢復(fù)下由于黃土厚度基本一致，土壤含水量也無顯著差異，土壤水分整體比天然地高出9.10%左右。

表3 區(qū)域土壤水分描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 不同植被恢復(fù)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

注：不同大寫字母代表同一深度不同植被之間的顯著性差異，不同小寫字母代表同一植被不同深度之間的顯著性差異。下同

圖4 研究區(qū)5種植被恢復(fù)類型下土壤養(yǎng)分含量變化狀況

2.3 土壤養(yǎng)分空間變異分析

3 討 論

3.1 植被類型和覆土厚度對(duì)土壤水分的影響

土壤水分是土壤肥力諸多因素中最活躍、最重要的指標(biāo)，也是半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的基礎(chǔ)[23]。土壤含水量可以綜合體現(xiàn)土壤的孔隙度狀況以及土壤的持水性能，易受到諸多外界因素的干擾，如植被、土壤質(zhì)地、降水、蒸發(fā)及人為活動(dòng)等[38-40]。研究區(qū)土壤含水量主要由土壤基質(zhì)，即砒砂巖和黃土的持水性能決定，水分分布狀況與土壤基質(zhì)分布一致，砒砂巖含水量低于黃土含水量，這與砒砂巖土壤結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。該研究區(qū)砒砂巖樣品均為白色砒砂巖，特點(diǎn)是粒徑較大，以砂粒為主，而黏粒含量比較少，因此砒砂巖土壤中的膠結(jié)物質(zhì)含量較低[41]，土壤的結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性較差，土壤水分難以保持，并且黃土—砒砂巖界面隔水層的存在也會(huì)對(duì)水分下滲起到阻擋作用[42]。覆土層對(duì)于水分有較為明顯的提高能力，改善砒砂巖區(qū)的水分狀況。土壤在20—60 cm深度變異系數(shù)較大，主要是由于黃土—砒砂巖界面多存在此深度，因此離散程度較大。在植被恢復(fù)的過程中，表層的枯枝落葉層對(duì)土壤水分也會(huì)起到增加入滲、減少蒸發(fā)的作用，且4種人工植被中油松的枝葉以及松針距離根部很近，遮陰效果比較強(qiáng)，造成水分的蒸發(fā)消耗量更少，導(dǎo)致油松覆蓋下土壤水分含量較高，這與楊振奇[43]的研究結(jié)果一致。由于植被耗水和水分難以補(bǔ)給的原因，深層的含水量相對(duì)較低，這一結(jié)果與Yang[44]的研究結(jié)論一致。

3.2 不同植被恢復(fù)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

根據(jù)白杭改、李長(zhǎng)明等[5-6]對(duì)砒砂巖礦物成分、土壤特性的研究，表明砒砂巖的礦物組分易分解、膨脹，造成巖石發(fā)育不成熟，并且白色砒砂巖尤其不穩(wěn)定，顆粒較大，因此砒砂巖土壤營(yíng)養(yǎng)元素流失非常嚴(yán)重，保肥能力極低，不適宜作物生長(zhǎng)[41]。而磷素在砒砂巖土壤中的形式主要為晶格固定態(tài)磷，植物難以吸收利用[1]。在區(qū)域尺度上，土壤pH多為弱變異，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷等養(yǎng)分多為中等變異程度[45-47]，與本文的研究結(jié)果一致。其中，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異系數(shù)相差不大，但全磷和速效磷的變異系數(shù)相差較大，主要是由于土壤全磷是土壤中磷元素的總儲(chǔ)量，包括有機(jī)磷和無機(jī)磷兩大類，可以通過風(fēng)化、遷移等多種因素累積，大多以遲效性的狀態(tài)存在，而速效磷是存在于土壤中可被植物吸收利用的小部分磷，研究區(qū)不同的植被對(duì)速效磷的轉(zhuǎn)化利用能力不同，造成土壤中累積的速效磷含量差異較大，進(jìn)一步導(dǎo)致區(qū)域速效磷變異程度較高，全磷的變化較小，這一結(jié)論與王國(guó)梁等的研究結(jié)果一致[48]。因此區(qū)域土壤碳氮磷等養(yǎng)分主要受到生物因素的影響，并且穩(wěn)定性較差，容易受到隨機(jī)和人為干擾的影響[49]。土壤碳、氮、磷含量的高低可以體現(xiàn)土壤肥力的大小，它們的主要來源包括地表枯落物、植物的光合以及地下根系的分解[17,50-51]。植被—凋落物—土壤—植被的遷移、轉(zhuǎn)化、循環(huán)作用對(duì)土壤的磷素狀況起到至關(guān)重要的作用，而枯枝落葉轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)主要造成土壤表層的碳、氮累積，這與Zhang等[52]人結(jié)論一致。土壤碳氮含量變化趨勢(shì)相似且空間分布一致，這與陳彥等學(xué)者[53,46]一致，表明土壤氮含量和碳含量呈正相關(guān)關(guān)系[54]。但銨態(tài)氮的變化除受到凋落物的影響外，自身?yè)]發(fā)影響較大，因此無明顯變化規(guī)律。沙棘和油松植被恢復(fù)使土壤碳氮含量有所提升，與何京麗、梁月等人[34-35,55]的研究結(jié)果一致，認(rèn)為種植沙棘、油松后提高了土壤的保肥能力。磷素是土壤肥力和質(zhì)量的主要決定因素和指標(biāo)，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的礦質(zhì)元素[20,56-58]，研究區(qū)域植被恢復(fù)對(duì)土壤磷素的提高并沒有明顯的作用，是因?yàn)榱姿刂饕獊碓从趲r石風(fēng)化[27]。本研究結(jié)果表明，種植沙棘和油松對(duì)于提高砒砂巖區(qū)土壤養(yǎng)分含量起到一定的作用，但根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[59]，研究區(qū)內(nèi)多數(shù)深層土壤養(yǎng)分指標(biāo)依舊處于6級(jí)水平，整體含量偏低。

表4 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

本文對(duì)內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗砒砂巖區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查并測(cè)定分析了區(qū)域土壤水分養(yǎng)分，所選研究區(qū)處于裸露砒砂巖向覆土砒砂巖過渡區(qū)域，結(jié)果表明在實(shí)施人工植被恢復(fù)后，土壤質(zhì)量得到不同程度的提高。造成土壤水分差異的主要影響因子是研究區(qū)土壤基質(zhì)的不同，黃土較砒砂巖土壤持水能力更好，而植被類型的不同是造成土壤養(yǎng)分差異的主要因素，植被恢復(fù)對(duì)于土壤碳、氮等養(yǎng)分指標(biāo)產(chǎn)生積極的作用，以沙棘和油松對(duì)土壤養(yǎng)分恢復(fù)效果最佳，兩種植被恢復(fù)類型下研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了43.12%，34.27%，全氮分別提高了78.95%，42.11%，銨態(tài)氮分別提高了25.64%，46.15%，硝態(tài)氮分別提高了69.44%和42.22%，其中油松恢復(fù)下的土壤水分含量也高于天然草地54.55%。因此，對(duì)于砒砂巖區(qū)土壤水分的改善，可以考慮覆土層的蓄水保水能力。黃土和砒砂巖界面會(huì)對(duì)水分的下滲以及下層水分向上損失有一定的改善作用。人工恢復(fù)植被可以選擇沙棘和油松，進(jìn)而考慮其種植密度、恢復(fù)年限等因素與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性，且種植的過程中可施用磷肥以改善砒砂巖區(qū)土壤磷素水平。