宣化县黄羊滩风蚀沙地土壤物理性质的研究

2010-06-15范圣库高占彪何万义邢存旺马增旺赵广智

河北林业科技 2010年1期

范圣库，高占彪，何万义，邢存旺，马增旺，赵广智

（1.宣化县林业局，河北宣化 075100；2.张家口市林业局种苗站，河北张家口 075000；3.丰宁满族自治县林业局河北丰宁 068300；4.河北省林业科学研究院河北石家庄 050061）

宣化县黄羊滩风蚀沙地土壤物理性质的研究

范圣库1，高占彪2，何万义3，邢存旺4，马增旺4，赵广智4

该文依据不同植被类型与盖度，对黄羊滩沙化土地的剖面特征和物理性质进行了野外调查与室内分析，结果显示：土壤剖面呈通体沙质特征，结构性差；机械组成以沙粒为主，容重与固相率远高于正常的森林土壤，总孔隙度明显偏低；流动沙地存在稳定的干沙层，半固定沙地能形成干沙覆盖，固定沙地不能形成干沙覆盖层。风蚀沙地普遍具有耕性差的特点，固定沙地垒结紧实，流动、半流动沙地呈粗骨质形态。

黄羊滩；风蚀沙地；物理性质

河北省宣化县黄羊滩分布着相当数量的风蚀沙化土壤。这类土壤，一方面结构疏散，风蚀作用强烈，是沙尘暴的主要沙源区，是当前各类生态工程治理的重点对象；另一方面，这类土壤又有一定的潜在肥力，只要搞好水利配套设施，经过改良是可以逐步利用的，这类土壤是生态建设中治理和开发利用的首要对象。

土壤的动态变化既是风蚀沙化的结果，也是采取治理技术的依据之一，因此，从研究沙化土地的土壤特征入手，摸清不同程度沙化土壤的物理化学特征，可以根据沙化土地的主导因子，针对性地提出适宜的治沙技术措施。

1 试验区概况

试验地位于宣化县黄羊滩林场。地处河北省西北部农牧交错的中心地带，为河北省五大沙滩之首，总面积0.97万hm2。属坝下中低山区，地势东南高、西北低，海拔在600～1000m之间。土壤以风蚀沙土为主。年均气温7.6℃，极端最高气温38℃，极端最低气温-25.8℃，无霜期130d，年均降水量365mm，年蒸发量2000mm，大风天数37～40d，年有效积温2368～3573℃。主要灾害性天气有干旱、沙尘暴、冻害、干热风等。其原生群落为疏林草原，植被种类稀少，且盖度较低。由于其独特的地理位置，形成了风多、风大、干旱、沙打和沙压等特殊的局部气候特征，区内土壤风蚀沙化严重。

2 研究方法

在全面勘查的基础上，将植被类型划分为沙化林地与沙化草地，按植被综合盖度（0～10%，10%～30%，30%～50%，50%～70%和70%以上5个级别）分别布设监测样地，作为固定标准地。取样时间为每年的7月中旬和1月中旬，取样深度0～60cm，取样后供室内化验分析。

土壤机械组成的测定：采用筛分法。

土壤容重：采用环刀法测定。

土壤孔隙状况：采用环刀一次取样，室内连续测定。

3 黄羊滩风蚀土壤物理性质

3.1 典型土壤剖面特征

黄羊滩风沙土土壤剖面总体上呈通体沙质特征。由于营力的不同及营力过程的复杂性，流动沙丘、半固定沙地及固定沙荒地，剖面层次有所不同。流动沙丘全为单相沙层，个别较大沙丘顶部有不明显的风选粗化层；丘间半固定沙地表层有不连续的结皮存在，剖面有1～2个混沙粘土层，虽然粘土层有一定的保水性，但混沙必然削弱其保水性。由于生草过程与覆沙过程反复出现且强度不同，有机质累积与混沙程度各不相同。固定沙地上部有一个较厚的粘土层（20～35cm），层次过渡非常明显，但从整个土壤剖面来看，土壤结构以单粒结构为主，结构性差（见表1）。固定与半固定沙地，裸眼可见根系的分布深度大于1m，这一方面与土壤性质有关，另一方面也与发育的植被有关。地带性植被以白榆为主，而且有稀疏的差巴嘎蒿、东北木蓼。土壤水分不足以维持现有植被，植物在水分亏缺的胁迫下发育了较深的根系，同时，这些植被本身具有深根性。固定撂荒沙地虽远不具有草原土类的特征，但根系上有CaCO3根套，土体中有CaCO3结核，反映了该类土壤的演变趋势。

由于所处的地形部位不同以及受植物蒸腾影响，土壤剖面上的含水量随深度变化也有一定差异。地势较低部位的固定沙地，由于受地下水位的影响，土壤含水量随深度增加而逐渐增大，最大可达15%～20%。而地势比较高的流动风沙土土壤含水量的变化规律是：表层0～10cm基本是随深度增加土壤含水量增大，10cm以下土层的土壤含水量不随深度增加而变化，在比较干的季节基本稳定在3.5%左右。

表1 典型剖面特征

3.2 风蚀沙土的物理性质

土壤物理性质是衡量林地土壤质量的一个重要指标，它对土壤蓄水保肥能力以及对土壤养分的吸收和利用有重要影响。土壤物理质量的变化直接影响林木的生长和林地生产力，反之，不同树种对土壤物理质量作用不同。风蚀沙地土壤理化性质如容重、孔隙度、田间持水量以及沙土的机械组成等直接影响土壤湿度，并且对降水的再分配起着重要作用。

3.2.1 机械组成沙地机械组成是其本身成土过程的必然结果，决定着沙地的持水与保肥能力。细粒能够促进水分的保持与养分的供给，为植物生长创造条件。一般来说，沙地水分与营养状况取决于0.05mm以下粒级，该粒级含量越多，土壤水分与养分含量越高。

黄羊滩风蚀沙地不同立地机械组成分析表明（表2），0.1mm以上沙粒多数在50%～90%，个别地段达到97.38%；0.1～0.05mm粒级占机械组成平均值为12.82%；0.05mm以下粒级占机械组成平均值为16.82%。这种以粗沙为主体的沙土，持水当量较低，保肥供肥性能也相当差，不利于植物生长与植被恢复。针对该类沙地，在治沙工程中应考虑增施有机肥料或其他途径进行地力调节，通过地力调节措施与生物工程措施协同进行，才能实现固沙改土的治理目标。

3.2.2 容重、三相率与孔隙状况容重、三相率与孔隙度是土壤物理性质的综合指标。一个系统对土壤物理性质的影响最终将反映到这些指标的变化上。土壤容重与三相率的大小取决于机械组成、结构和垒结状况以及有机质含量等因素，能综合地反映土壤结构、松紧度和土体内生物活动，而且更重要的是影响土壤团聚体内营养元素的释放和固定。黄羊滩风蚀沙地，土壤容重与三相率统计结果见表3。

总体上讲，容重均值为1.61g/cm3，远高于正常耕作土壤。同时，固相率普遍大于60%，表明土壤垒结紧实，与实地情况相符，即固定沙地板结严重，流动、半流动沙地呈粗骨质形态。由表中数据可知，风蚀沙地经过多年不同方式的经营，就土壤容重及三相率而言没有发生本质上的改变。经统计假设检验，容重、三相率两个指标，林地与未造林自然草地相比没有显著差异。造林14～17a的林地（小叶杨），造林后虽对土壤性状也有一定程度的改良，但过程极其缓慢，没有促成土壤性质的根本变化。土壤容重和三相率是风蚀沙土的主导因子，这两个指标的变化趋势是土壤整体性状变化的标志。造成上述结果的原因在于，一方面，黄羊滩风蚀严重，枯枝落叶很难归还土壤；另一方面，由于当地恶劣的自然条件限制，植物的生长量有限；再有就是人工建立的自然生态系统并不完善，在树种的选择、配置上很可能并不符合自然规律的要求。

表2 黄羊滩风蚀沙地典型立地机械组成

表3 土壤容重与三相率统计

土壤的孔隙系统由大小各不相同的枝节状孔道组成，形成非常复杂的三度空间网。土壤孔隙的大小与多少制约着土壤的水分保持与供给，直接影响植被的生长与发育，对治沙工程的实施具有现实指导意义。黄羊滩风蚀沙地不同植被盖度条件的土壤孔隙状况见表4。

表4 不同植被盖度条件下土壤孔隙状况

由表4中可以看出，从植被盖度为0～10%的未治理的流动沙地到植被盖度达到70%以上的已经治理的固定沙地，土壤总孔隙度都在30%～40%之间，相对于一般耕作土壤或森林土壤（总孔隙度60%～70%）总孔隙度明显偏低，说明土壤粒级对该沙地总孔隙状况的主导作用，从一个侧面说明了改良该沙地应该从增加土壤粘粒这个方向着手。另一方面，随着植被盖度的增加，土壤毛管孔隙度占总孔隙度的比重也增加，说明了森林植被对沙地孔隙状况的改造效果。虽然造林多年（14～17a）后土壤机械组成没有发生实质变化，但土壤孔隙状况已经发生了明显的变化。

3.2.3 干沙层厚度干沙层厚度是沙化土地重要的水分特征参数，是干旱、半干旱地区林业生产和治沙造林的主要生态学指标，在对林木供水和土壤水分运动上也能表明一定的关系。对沙地土壤干沙层厚度进行研究，可以为合理利用土壤水分，保证植物正常生长和荒漠化防治提供科学依据。

黄羊滩风蚀沙地干沙层厚度，在流动沙地、半固定沙地及固定沙地上表现出了不同的变化特征。植被稀少（盖度0～10%）或裸露的流动沙地干沙层厚度主要受降水强度影响，变化范围为1.0～9.7cm。该区土壤以粗沙为主，毛管作用微弱，降水后以表面蒸发为主，发展到一定程度时（10cm左右）干沙形成覆盖层，阻断了水分进一步蒸发，形成了稳定的干沙层。通过2个年度生长季观测，半固定沙地与流动沙地相比较，相同地段干沙厚度增加了15～30个百分点，但变化趋势却一致，干沙层厚度1.5～11.2cm。分析其原因，半固定风沙土机械成分中粉粒与粘粒含量比流动沙地有明显改善，增强了土壤毛管作用；同时，半固定沙地植物蒸腾消耗的水分也较流动沙地量大。与此相对应，固定沙地不能形成干沙覆盖层，干沙厚度主要受降水量影响，当连续无降水持续15d时，干沙层厚度可达到50cm以上，甚至成为通体干沙。这是因为，固定沙地土壤毛管作用强烈，水分主要以悬着水形式失散，连同相对强烈的植物蒸腾作用，剖面下层水分持续散失。