吳起縣不同土地利用類型土壤物理性質特征

劉長海，葛 瑤，秦家鳳，汪慧霞，楊 妮

（延安大學生命科學學院，陜西延安 716000）

人類活動和自然災害的增加以及黃土高原地區(qū)土地資源利用的不合理，導致其區(qū)域水土流失嚴重，土壤質量下降問題日益嚴峻，帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題，并對人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生諸多不利影響［1］。因此，黃土高原生態(tài)恢復已成為近年來國內外學者相關領域普遍關注的熱點問題。改善當?shù)赝寥蕾|量是生態(tài)修復的重要環(huán)節(jié)。在眾多土壤質量修復方法中，植被修復是改良土壤質量最有效的方式之一［2-3］。沙棘常被作為黃土高原區(qū)植被修復的先鋒樹種，其對不同氣候和土壤有較強的適應性，具有抗寒抗風沙、耐旱耐高溫的特點。許多研究表明沙棘人工林確實在改良土壤中發(fā)揮重要作用，且時間越長，效果越明顯［4-6］。因此在黃土高原土壤質量的改良中，沙棘受到了眾多生態(tài)學者的重點關注［7-9］。土壤物理性質的空間分布特征能夠揭示土壤質量的空間分異規(guī)律及影響因素［10］，而不同土地利用方式是導致土壤物理性質發(fā)生改變的主要影響因素，因此了解不同土地利用方式下的土壤理化性質的變化對評估當?shù)赝寥蕾|量狀況具有重要意義。

基于此，本研究以吳起縣小溝臺沙棘人工林為研究對象，并以裸地、草地為對照，對3 種不同土地利用方式下的土壤物理指標進行比較，分析沙棘人工林土壤物理性質的改良對黃土高原區(qū)生態(tài)修復的影響，旨在為黃土高原吳起縣人工沙棘林的生態(tài)修復提供科學的理論依據(jù)，有助于推進陜北黃土地區(qū)的水土保持和生態(tài)恢復工作。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣（108°15′28″E、36°58′36″N），區(qū)域海拔1 479~1 496 m，屬半干旱溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季旱澇相間，秋季溫涼濕潤，冬季寒冷干燥，冬長夏短，溫差較大，最高氣溫38.8 ℃，最低氣溫-26.7 ℃，年平均氣溫7.8 ℃，年平均降水量496 mm，主要集中在汛期的7—9月份［11］，是黃河中游地帶陜北黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失最嚴重的地區(qū)之一，改善土壤質量工作迫在眉睫。

1.2 樣地設置

在吳起小溝臺選定樣地后，記錄樣地基本信息，包括經(jīng)度、緯度、坡向、海拔以及坡度。立地類型主要是坡度。根據(jù)生態(tài)環(huán)境、立地條件等特點相同或相似原則，分別設立3 種不同植被類型的典型樣地，對其土壤物理性質進行調查。

試驗對上述3種樣地進行監(jiān)測，設置10 m×10 m的標準樣地，選擇樣方為1 m × 1 m；每個樣地選取3個土樣采集點，采用挖土壤剖面的方法進行土壤取樣，取樣時自下而上，以免造成上層土壤對下層土壤的污染；每一個采樣點采樣深度為40 cm，分3 層0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm 采集土層中的土壤樣品；以土壤含水量、土壤容重、最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度6個指標為參數(shù)。每層取3 個樣品作為重復，樣地基本情況見表1。

表1 樣地概況

1.3 研究方法

利用烘干法測定土壤自然含水量，環(huán)刀法測定并計算出土壤物理指標中的土壤含水量、土壤容重、最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度［12］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 對數(shù)據(jù)進行整理，通過IBM SPSS Statistics 26.0 軟件進行單因素方差分析不同土地利用類型各土層的土壤持水性能、土壤容重及孔隙度，檢驗數(shù)據(jù)差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤持水性能分析

2.1.1 土壤含水量

由表2 可知，3 個樣地的土壤含水量在土壤剖面上差異顯著（P<0.05），均隨土層深度的增加呈遞減趨勢；不同樣地間平均土壤含水量差異不顯著，均值12.22%~13.77%，沙棘>裸地>草地。不同樣地在0~10 cm 土層土壤含水量變化范圍為13.36%~15.62%，其中草地土壤含水量最低，裸地和沙棘土壤含水量顯著高于草地（P<0.05）；不同樣地在10~20 cm土層土壤含水量變化范圍為11.73%~14.05%，沙棘樣地顯著高于草地（P<0.05）；在20~40 cm 土層土壤含水量變化范圍為10.08%~12.16%，3個樣地土壤含水量差異顯著（P<0.05），沙棘顯著高于草地和裸地。與裸地相比較，沙棘具有顯著提高0~40 cm土層土壤含水量的趨勢，草地具有顯著降低0~40 cm土層土壤含水量的趨勢。

表2 不同土地利用類型土壤持水性能

2.1.2 最大持水量

由表2 可知，3 個樣地的最大持水量在土壤剖面上差異顯著（P<0.05），其中裸地和沙棘最大持水量隨土層深度的加深呈遞減趨勢，草地隨土層深度的加深先增加后減小。不同樣地間最大持水量差異顯著（P<0.05），均值為40.98%~47.10%，裸地>沙棘>草地。不同樣地在0~10 cm 土層最大持水量變化范圍為44.94%~51.55%，其中草地最大持水量最低，裸地最大持水量顯著高于草地（P<0.05）；不同樣地在10~20 cm土層土壤含水量變化范圍為38.52%~49.75%，草地顯著低于裸地和沙棘（P<0.05）；在20~40 cm 土層變化趨勢有所不同，其中沙棘樣地最大持水量顯著高于裸地和草地（P<0.05），變化范圍為39.48%~41.20%。與裸地相比較，草地在0~20 cm土層具有顯著降低最大持水量的趨勢，沙棘具有顯著提高20~40 cm土層最大持水量的趨勢。

2.1.3 毛管持水量

由表2 可知，裸地和沙棘的毛管持水量在土壤剖面上差異顯著（P<0.05），其中裸地隨土層深度的增加呈遞減趨勢，沙棘則隨土層深度的增加先減小后增加，草地在土壤剖面上的差異不顯著。不同樣地間毛管持水量差異顯著（P<0.05），均值為33.40%~37.45%，裸地>沙棘>草地。不同樣地在0~10 cm 土層毛管持水量變化范圍為33.45%~39.03%，3 個樣地毛管持水量差異顯著（P<0.05），其中裸地毛管持水量顯著高于沙棘和草地，沙棘顯著高于草地；在10~20 cm 土層變化趨勢有所不同，不同土地利用類型毛管持水量變化范圍為32.83%~38.26%，裸地顯著高于草地和沙棘（P<0.05）；在20~40 cm 土層毛管持水量變化范圍為34.34%~35.05%，其中裸地顯著高于草地（P<0.05），與沙棘的差異不顯著。與裸地相比較，草地在0~40 cm 土層具有顯著降低毛管持水量的趨勢。

2.2 不同土地利用類型土壤容重及孔隙度分析

2.2.1 土壤容重

由表3 可知，3 個樣地的土壤容重在土壤剖面上差異顯著（P<0.05），其中裸地和沙棘隨土層深度的增加而增大，草地隨土層深度的加深先增大后減?。宦愕睾蜕臣煌瑯拥亻g平均土壤容重差異顯著，均值為1.15~1.28 g/cm3，裸地<沙棘<草地。不同樣地在0~10 cm 土層土壤容重變化范圍為1.09~1.20 g/cm3，其中草地土壤容重最高，裸地和沙棘土壤容重顯著低于草地（P<0.05）；不同樣地在10~20 cm土層土壤容重變化趨勢與0~10 cm 土層相同，變化范圍為1.12~1.35 g/cm3；20~40 cm 土層變化趨勢有所不同，草地最高，其次是裸地，沙棘最低，各樣地間沒有達到顯著水平。與裸地相比較，沙棘顯著降低0~20 cm 土層的容重，但在20~40 cm 土層內土壤容重差異不顯著，草地在0~20 cm土層能夠增加土壤容重。

表3 不同土地利用類型不同土層土壤容重及孔隙度

2.2.2 非毛管孔隙度

由表3 可知，3 個樣地的非毛管孔隙度在土壤剖面上差異顯著（P<0.05），均隨土層深度的增加而減??；不同樣地間非毛管孔隙度差異顯著（P<0.05），均值為9.54%~11.85%，沙棘>裸地>草地。不同樣地在0~10 cm 土層土壤非毛管孔隙度變化范圍為13.60%~14.40%，沙棘最高，其次是草地，裸地最低，各樣地間差異沒有達到顯著水平；不同樣地在10~20 cm 土層非毛管孔隙度變化范圍為7.71%~12.81%，其中草地的非毛管孔隙度顯著低于裸地和沙棘（P<0.05）；不同樣地在20~40 cm 土層非毛管孔隙度變化范圍為6.17%~8.14%，3 個樣地差異顯著（P<0.05），其中沙棘最高，其次是草地，裸地最低。與裸地相比，沙棘在0~40 cm 土層范圍內具有增加土壤非毛管孔隙度的趨勢。

2.2.3 毛管孔隙度

由表3 可得，裸地和草地的毛管孔隙度在土壤剖面上差異不顯著，而沙棘的差異顯著（P<0.05），隨土層深度的增加先減小再增加；不同樣地間平均毛管孔隙度差異顯著，均值40.01%~42.97%，裸地>草地>沙棘。不同樣地在0~10 cm 土層土壤毛管孔隙度變化范圍為39.36%~42.60%，裸地最高，其次是草地，沙棘最低，各樣地間差異沒有達到顯著水平；不同樣地在10~20 cm 土層毛管孔隙度變化范圍為38.91%~44.42%，其中沙棘毛管孔隙度顯著低于裸地和草地（P<0.05）；不同樣地在20~40 cm 土層土壤毛管孔隙度變化范圍為41.77%~43.69%，各樣地間差異沒有達到顯著水平，其中裸地最大，其次是草地，沙棘最小。與裸地相比，沙棘在10~20 cm 土層對毛管持水量有顯著降低作用（P<0.05）。

3 討論與結論

在黃土高原區(qū)和退化的生態(tài)系統(tǒng)中，缺水是植被恢復和生態(tài)系統(tǒng)恢復的最主要制約因素［13-14］。通過分析發(fā)現(xiàn)，沙棘3 個土層深度的土壤含水量存在顯著差異，這主要由于沙棘根系生長和對水分吸收利用的不同導致。其中土壤含水量的最高值出現(xiàn)在沙棘的0~10 cm 處，說明表層土壤含水量較高，其原因可能是土壤表層植被根系分布較少，這與李威威等［15］的研究結果相同。與裸地相比較，沙棘在0~40 cm 土層平均土壤含水量較高，說明沙棘人工林土壤蓄水功能較強，使得土壤保持較高的土壤水分，為植被根系所用。

土壤持水性能是評價森林涵養(yǎng)水源和調節(jié)水循環(huán)的重要指標，與土壤結構密切相關，能夠反映土壤的保水、供水能力［16］。研究發(fā)現(xiàn)3 種樣地最大持水量均隨土層的加深呈降低趨勢，這可能是表層土壤和深層土壤有機質含量不同導致［17-18］。同時研究還發(fā)現(xiàn)，沙棘最大持水量顯著高于草地，與裸地相比，沙棘在20~40 cm 土層最大持水量較高，其原因可能是沙棘人工林土壤有機質含量較高導致土壤孔隙度一定程度的增大。而草地則由于土壤質地較緊實、缺乏團粒結構等原因導致最大持水量和毛管持水量顯著低于沙棘，這與伍玉容［19］和伍海兵等［20］的研究結果相似。沙棘人工林能夠保持較高水平的最大持水量表明沙棘人工林能夠有效提高土壤的保水能力。

土壤容重是體現(xiàn)土壤緊實度的重要指標，本研究發(fā)現(xiàn)沙棘土壤容重顯著低于草地，并隨著土層深度的增加而增大。這是因為有機質和腐殖質一般集中在土壤表層，隨著土壤層的加深，其含量逐漸減少，而土壤有機質越高，容重越小，這與馬星竹等［21］的研究結果相似。與裸地相比較，沙棘在0~20 cm 土層容重較低，草地在0~20 cm 土層容重較高，這表明沙棘人工林土壤質地松軟且結構優(yōu)良，有利于植物的生長，而草地土壤質地緊實、缺乏團粒結構，對植物的生長較為不利，這與李遇春［22］和王軼浩等［23］的研究結果相似。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤含水量與土壤容重存在負相關關系，而與孔隙度存在正相關關系，這與納磊［24］、李剛［25］和易揚等［26］的研究結果一致。

土壤孔隙度直接影響著土壤通氣和滲透性能，孔隙度越大土壤有機質含量越多，土壤結構越疏松，有利于雨水下滲，減少地表徑流［27］。本研究中3個樣地的毛管孔隙度在土壤剖面上存在差異，其中，裸地和草地在土壤剖面上差異不顯著，沙棘在土壤剖面上差異顯著。而非毛管孔隙度在土壤剖面上差異顯著，均隨土層深度的增加而減小，其原因可能是非毛管孔隙度與土壤容重呈一定程度負相關，土壤容重越大，土壤孔隙度越小，土壤侵蝕越嚴重［28］；不同土地利用類型間平均毛管孔隙度差異顯著，沙棘平均毛管孔隙度顯著低于裸地，這反映了沙棘人工林吸持水分供其正常生理活動能力較強［29］。沙棘非毛管孔隙度在20~40 cm 土層顯著高于裸地及草地，其原因可能是沙棘人工林的生長造成土壤緊實度發(fā)生變化，進而導致非毛管孔隙度增大。與裸地相比，沙棘在10~40 cm 土層范圍內提高了土壤非毛管孔隙度，改善了土壤水文物理性質，增強了各土層土壤蓄水能力。以上結論表明沙棘人工林能夠增加土壤通氣、透水能力，對土壤緊實度以及通氣性有一定的改善。

綜上，在黃土高原區(qū)吳起縣，沙棘人工林對改善土壤物理性質起到重要作用。沙棘人工林能夠顯著提高土壤含水量、最大持水量、非毛管孔隙度，顯著降低土壤容重。這表明沙棘人工林土壤蓄水功能較強，具有良好的保水性能，土壤質地松軟且結構性優(yōu)良，有利于植物的生長，土壤抗侵蝕能力增強以及對土壤緊實度以及通氣性有一定的改善，土壤物理性質最佳。因此沙棘人工林對環(huán)境的適應性較強，對黃土高原土壤具有較好的改良作用。