晋西北不同土地恢复管理措施下土壤物理性状分析

刘 爽，王 雅，刘海龙，张 鸾

（1 山西大学黄土高原研究所，太原 030006；2 山西省农业科学院农业环境与资源研究所/山西省土壤环境与养分资源重点实验室，太原 030031；3 中国农业科学院农业信息研究所/农业部农业信息服务技术重点实验室，北京 100081）

土地的不合理利用和开垦造成的不可用耕地面积在不断扩大，这种现象导致了我国山西省西北部黄土高原区域的耕地面积减少和生态环境破坏[1-3]。黄土高原区域气候特征为春季大风，夏季高强度集中降雨，增加了该区沙性易蚀土壤的侵蚀，导致土壤质量的降低，尤其是土壤沙化导致了表层土壤养分的大量流失，影响了农业资源的利用效率。为确保农业可持续发展，保障生态环境安全，当地农民采取不同的土地恢复管理措施利用和开发未开垦的土地[4]。

恢复管理措施涉及不同的作物种类 (如玉米和苜蓿) 和不同的耕作系统 (如常规耕作包括犁耕和耙耕，保护性耕作包括少耕、免耕等)。降低土壤压实、经济适用的作物的轮作以及地表残茬覆盖是保护性耕作的三个核心内容，与传统耕作系统相比，保护性耕作可以降低土壤风蚀、水蚀以及土壤水分蒸发，增加降雨入渗量，提高土壤表层有机碳含量，增强土壤团聚体的数量及稳定性，降低人力及能源输入[5-9]。恢复管理措施的不同对土壤的理化性质会产生不同影响[10-12]。影响土壤理化性质最普遍、最广泛的因素是土地恢复措施，它在很大程度上影响土壤质量变化的程度和方向[13]。不同的土壤类型其土壤质地不同，间接地影响土壤养分和水分的变化。土壤粒度组成是决定土壤理化性质的重要属性特征之一，同时其粒级大小、级配组合、分布状况等受多种因素的影响，包括气候、生物、地形、植被类型以及人类活动等[14-15]。

水分是影响生态系统内诸多生态过程的主要因子，尤其在干旱半干旱地区影响尤为突出[16-17]。本文所选试验地点位于晋西北黄土高原丘陵风沙区，晋西北黄土高原位于我国干旱半干旱地区，生态系统环境脆弱[18-19]。土壤水与地表水、地下水一样，是水资源的一部分，在水资源的形成、转换与利用中起着重要的作用[13]。然而，在干旱半干旱的丘陵风沙区，土壤粒度的特征和组成影响着土壤的抗风蚀能力、土壤持水力和土壤养分状况等[20]。本文通过对晋西北黄土高原丘陵风沙区四种土地恢复措施 (撂荒地、传统翻耕、免耕玉米、免耕苜蓿) 的土壤粒度组成、土壤孔隙度以及土壤含水量、土壤饱和持水量、毛管持水量进行研究及对比分析，以阐明土壤水分和土壤粒度空间分布特征，旨在为提高晋西北黄土高原丘陵风沙区的土壤质量以及植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省忻州市五寨县胡会乡石咀头村，具体地理位置为 111°28′～113°E 和 38°44′～39°17′N，涵盖华北黄土高原的半干旱区和沙区。该地区属于干旱的大陆性气候，昼夜温差大，年平均气温5.0℃左右，在1月最冷 (-13℃)，7月最热 (20℃)，年平均太阳辐射2870 h，无霜期120天左右。该地区年平均降水量在450～500 mm之间，降水集中在七月和八月，约占年降水量的44%。根据中国土壤分类系统，研究区土壤为沙黄土，与土壤分类学 (土壤调查) 中认为典型旱成土相似，土壤质地松散，孔隙度高，渗透性好，通气性强，肥力低，土壤有机质含量低[21]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择及概况 试验从2008年至2015年于山西省忻州市五寨县石咀头村连续进行了7年。2008年4月中旬，选取50年未受干扰的土地长100 m、宽80 m，将其等分为四块，分别免耕种植紫花苜蓿 (NTA)、常规耕作下种植玉米 (CTC)、免耕种植玉米 (NTC)、保持撂荒 (WL)。

1.2.2 土壤样品采集和粒度测定 2015年8月下旬，于每个样地选取10 m × 10 m 样方进行取样。按照采样技术规范挖掘土壤剖面，每个土壤剖面的深度均为50 cm，从上至下每10 cm等间距取样，每个样品取样重量200～300 g。将同一土地恢复措施下的土壤样品混合均匀后风干，过2 mm筛，去除根系等杂质。称取土样0.8 g，加30% 过氧化氢，去除有机质，加盐酸去除碳酸盐。加超纯水反复稀释静置，除去上清液以除酸，直至pH值为6.5～7.0。加入六偏磷酸钠，超声震荡30 s，利用Mastersizer3000激光粒度仪测量土壤粒径的体积分数。每样品重复3次。采用国际土壤质地分类标准：砂粒20～2000 μm，粉粒 2～20 μm，粘粒＜ 2 μm。根据 Folk 和 Ward提出的公式，使用GRADISTAT粒度处理软件计算平均粒径、标准偏差、偏度、峰度等粒度参数[22-23]。

1.2.3 土壤水分及主要物理性状参数测定 土壤含水量采用传统烘干法进行测定[24]；采用环刀法测定土壤容重，环刀浸水法测定土壤饱和持水量和毛管持水量[24-25]。每个样品重复三次测量。

1.3 数据处理

采用Excel进行数据处理，采用SPSS13.0软件进行数据统计分析，图形的绘制通过Sigmaplot13.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 土壤粒度分析

2.1.1 土壤颗粒组成总体特征 由图1可以得出，从上往下，撂荒地砂粒含量为96.3%～97.3%，在整个土层深度上下变化幅度不明显。翻耕地块砂粒含量为85.1%～95.6%，免耕玉米地块为81.5%～95.4%，免耕苜蓿地块为83.4%～93.5%，三种土地恢复措施的砂粒含量表现为深层显著高于表层。表层土壤(0—20 cm) 中砂粒含量在不同的土地恢复措施下变化趋势为撂荒地＞免耕苜蓿＞翻耕＞免耕玉米。在整个土层深度，粉粒含量撂荒地变化范围为1.8%～2.8%，翻耕地块为6.5%～15.3%，免耕玉米地块为3.8%～15.4%，免耕苜蓿地块为5.1%～14.2%。表层土壤(0—20 cm) 粉粒含量在不同的土地恢复措施下变化趋势为翻耕＞免耕玉米＞免耕苜蓿＞撂荒地。

对同一深度不同土地恢复措施下土壤砂粒和粉粒含量进行方差分析，撂荒地砂粒含量显著高于其它几种土地恢复措施，而翻耕与免耕玉米措施下无显著差异 (P ＜ 0.05)。在20—40 cm土层，撂荒地和免耕玉米砂粒含量最大；40—50 cm 土层，四种土地恢复措施砂粒含量无显著差异。表层 (0—20 cm)粉粒含量表现为撂荒地＜免耕苜蓿＜翻耕＜免耕玉米，其中撂荒地粉粒含量最小，与其它三种存在显著差异，而翻耕、免耕玉米、免耕苜蓿措施之间无显著差异。

2.1.2 土壤粒度组成参数特征 根据Folk和Ward提出的粒度参数分级标准[26]，探讨不同土地恢复措施下土壤粒度参数特征。表1中平均粒径代表粒度的集中趋势，平均粒径变化范围介于3.55～4.53 Φ之间；中值粒径变化范围在3.46～4.26 Φ之间；免耕玉米和翻耕地块随着深度的增加逐渐减小，撂荒地和免耕苜蓿地块基本保持不变。如果粒级少，主要粒径突出，百分含量高，分选好，那么标准偏差和分选系数的数值就小，分选系数常被用作环境指标来表明土壤环境的优劣[20]。对比分选系数评价标准，四种土地恢复措施的分选性表现出显著差异 (P ＜0.05)，免耕玉米属于分选中等到分选较好范围；撂荒地分选较好；免耕苜蓿分选中等；翻耕分选较差(表1)。偏度用来反映粒度分布的不对称程度。翻耕和免耕苜蓿的偏度范围为0.22～0.40 Φ，而翻耕地块大部分数值属于极正偏，免耕苜蓿地块为正偏；撂荒地偏度范围为 -0.04～-0.12 Φ，属于近对称；免耕玉米地块的偏度范围为0.08～0.34 Φ之间，其偏度范围比较广。峰度是用来表示粒度频率曲线尖锐程度的参数，四种土地恢复措施的峰度数值的变化无显著差异 (P ＞ 0.05)，数值大于1.0，集中在极尖窄范围。

图1 不同土地恢复措施下剖面土壤粒度变化Fig. 1 Changes of soil particle sizes under different land restoration measures

2.2 土壤容重和孔隙度

土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标，也是表征土壤质量的重要参数。从表2可以看出，随着土层深度的增加，四种土地恢复措施的土壤容重逐渐增加。对同一土层，不同土地恢复措施之间土壤容重进行方差分析，在0—20 cm土层，撂荒地最大，且与免耕玉米之间无显著差异。在20—40 cm土层以撂荒地土壤容重最大，与其它三种土地恢复措施之间存在显著差异。40—50 cm四种土地恢复措施之间无显著差异。

土壤孔隙包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度，其孔隙组成直接影响土壤的通气性和透水能力。由表2可以看出，在同一土地恢复措施中，随着土层深度的增加，土壤总孔隙度基本呈逐渐减小的趋势。在同一土层对四种土地恢复措施的总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度进行分析，发现在0—30 cm土层翻耕处理总孔隙度最大，且与其它三种土地恢复措施存在显著差异。30—40 cm土层免耕苜蓿和翻耕措施下总孔隙度最大，且与免耕玉米和撂荒地之间存在显著差异；40—50 cm土层四种土地恢复措施之间无显著差异。对于毛管孔隙度，0—20 cm土层免耕玉米最小，且与其它三种土地恢复措施存在显著差异；而20—50 cm土层四者之间无显著差异。非毛管孔隙度则与毛管孔隙度规律相反。10—20 cm土层非毛管孔隙度以撂荒地最小，且与其它三种土地恢复措施之间存在显著差异。20—40 cm土层免耕苜蓿显著小于其它三种处理。40—50 cm土层四者之间无显著差异。

表1 不同土地恢复措施土壤粒度参数特征Table 1 Characteristics of soil particle size parameters under different restoration measures

2.3 土壤水分变化分析

不同土地恢复措施下土壤含水量、饱和持水量和毛管持水量均呈显著性差异 (P＜ 0.05)。通过对土壤剖面土壤水分的空间变化特征分析， 发现四种土地恢复措施土壤含水量都随着深度的增加而减少。图2a显示，撂荒地土壤含水量随着深度的增加变化不明显；翻耕、免耕玉米和免耕苜蓿地块土壤水分在0—20 cm土层变化不明显，在20—50 cm土层逐渐减少。在土壤表层0—20 cm撂荒地和免耕苜蓿的土壤含水量无显著差异；翻耕和免耕玉米措施下也无显著差异。在20—30 cm土层翻耕地块土壤水分含量显著高于其它三种土地恢复措施，撂荒地和免耕玉米措施之间无明显变化，免耕苜蓿地块水分含量最低。在30—40 cm土层免耕玉米措施下土壤水分含量最低，而其它三种土地恢复措施的土壤水分含量无显著差异。在40—50 cm土层免耕玉米和免耕苜蓿地块的土壤水分含量无明显变化。

对土壤饱和持水量进行方差分析，发现在0—30 cm土层翻耕最大，且与其它三种土地恢复措施存在显著差异；在30—40 cm土层免耕玉米最小，与其它三种土地恢复措施之间存在显著差异；而40—50 cm土层四种土地恢复措施之间无明显变化。在同一土地恢复措施中，随着土层深度的增加，撂荒地无明显变化，而翻耕和免耕玉米深层土壤饱和含水量小于表层土壤，免耕苜蓿地块深层土壤饱和含水量大于表层 (图2 b)。

表2 不同土地恢复措施土壤容重和孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity under different restoration measures

在0—20 cm土层土壤毛管持水量表现为：翻耕 ＞免耕苜蓿 ＞ 免耕玉米 ＞ 撂荒地，翻耕和撂荒地均与其它两种土地恢复措施之间存在显著差异，免耕玉米和免耕苜蓿措施之间无显著差异。在20—30 cm土层免耕苜蓿地块土壤毛管持水量显著低于翻耕和撂荒地的。在30—40 cm土层撂荒地与免耕玉米土壤毛管持水量显著低于翻耕和免耕苜蓿的。在40—50 cm土层四种土地恢复措施之间无显著差异。在同一土地恢复措施下，随着土层深度的增加，撂荒地毛管持水量逐渐增加，与撂荒地相比，翻耕、免耕玉米和免耕苜蓿地块表层土壤毛管持水量大于深层土壤毛管持水量 (图2 c)。

2.4 土壤粒度与含水量相关性分析

表3结果表明，容重与砂粒含量呈显著正相关，与粉粒含量呈显著负相关 (P＜ 0.05)。非毛管孔隙度与砂粒含量呈显著负相关，而与粉粒和粘粒含量呈显著正相关。总孔隙度与粉粒含量呈正相关。由于该地区土壤砂粒含量所占比例最大，因土壤容重是指单位容积原状土壤干土的质量[27]，因此两者呈显著正相关。而孔隙的组成影响着土壤的通气性以及根系的穿插及土壤的蓄水能力[28]，而粉粒和粘粒粒径较小，有较强的保水性。

土壤质量含水量和毛管持水量与砂粒呈负相关，与粉粒呈正相关。饱和持水量与砂粒、粉粒和粘粒无显著相关性。这说明土壤含水量与机械组成有很强的相关性。这是由于砂质土壤颗粒粗，土地松散，而且主要集中于深层土壤中，由于人为活动主要干扰表层土壤，苜蓿根系较深，对深层土壤水分的吸收，再加上人为活动的干扰，因此砂质土壤储水能力弱。粘质土壤主要集中在表层，受到人为活动的干扰较大，因此水分储存能力强。

图2 不同土地恢复措施土壤含水量变化Fig. 2 Changes of soil water contents under different restoration measures

表3 土壤粒度、物理特征和含水量间的相关性分析Table 3 Correlation analysis of soil particle size, physical characteristics and water contents

3 讨论

3.1 晋西北丘陵风沙区土壤粒度组成

相同区域，相同生境内，土壤粒度组成不仅与土地恢复措施有关外，还与不同的植被类型有一定的关系。不同的土地恢复措施，包括人类耕作的大幅度活动都会影响土壤的粒度组成[29]。农作物以及植被通过地表的覆盖及枯落物形成的腐殖质，再加上植物根系本身的穿插能力都可以改变土壤的物理性质和化学性质，从而影响土壤的颗粒组成。晋西北丘陵风沙区四种土地恢复措施，主要粒度组成为砂粒，可见晋西北丘陵风沙区的颗粒组成较粗。对比分析可知，撂荒地的砂粒含量最大，并且撂荒地的砂粒含量随着深度的增加变化不明显，而其它三种恢复方式下，表层土壤砂粒含量低于深层土壤。这是由于撂荒地地表植被覆盖较少，而其它三种恢复方式的地表都有大量植被覆盖，减小了风蚀带走表土中细小黏粒的可能，此外，免耕玉米由于农作物枯落物的覆盖以及腐殖质的形成，导致表层土壤的物理性质和化学性质发生改变，也可能使土壤的微生物群落结构发生变化，因此表层土壤颗粒组成小于深层土壤。土壤颗粒频繁受到扰动，有利于颗粒圆化和细化[30-31]，因此土壤粒度会趋向于正偏。本文中，撂荒地分选较好，免耕玉米属于分选中等到分选较好范围，免耕苜蓿分选中等，翻耕分选较差；撂荒地偏度属于近对称，而翻耕属于极正偏，免耕苜蓿地块土壤粒度在正偏范围，表明翻耕地块土壤偏细，可能是翻耕地块土壤受到人为扰动较大所致。

3.2 晋西北丘陵风沙区土壤粒度与土壤物理参数的关系

晋西北丘陵风沙区翻耕、免耕玉米和免耕苜蓿的容重范围在1.10～1.50 g/cm3之间，在同一深度下均低于撂荒地；总孔隙度为40.48%～54.68%，表明晋西北丘陵风沙区土壤的物理性质得到很好地改善。翻耕和免耕玉米总孔隙度最大，达到54%，表层 0—20 cm的土壤容重均低于深层土壤，这不仅是由于耕作对土壤的影响，还与表层枯落物的覆盖以及腐殖质的形成有关，这是由于表层物的覆盖减弱了降雨的冲刷以及风力对土壤的影响，免耕苜蓿地的根系使得土壤的总孔隙度增大，因此改善了土壤的物理性质[32-33]。尤为等[34]的研究说明施肥有助于土壤容重的减小和孔隙度的增加，因此施肥也是翻耕和免耕玉米比撂荒地容重小的原因之一。而撂荒地表层容重大，孔隙度低，可能由于撂荒地植被稀少，植物根系稀少，因此对降低土壤容重，增加土壤孔隙度的作用较小，而且地表覆盖度低，加上雨水打击地表，因此增大了土壤容重。

土壤团聚体分形维数越低，土壤的物理性质及肥力越好[35]，土壤中粘粒含量越多即土壤越粘重，土壤分形维数就越高[36]。在本研究中，土壤中的颗粒较粗，孔隙度较大，粘粒含量所占比例小，因此土壤分形维数低。且土壤容重与土壤粘粒无显著关系，与毛管孔隙度成正相关关系，说明土壤的孔隙度比较大，通透性好，分形维数比较低，因此土壤的物理性质比较好，这与李民义[37]等的研究结果一致。

3.3 晋西北丘陵风沙区土壤粒度与土壤蓄水能力的关系

土壤是水分蓄积的主要场所，土壤毛管持水量主要反映植物的生理用水，而饱和持水量是毛管持水量与非毛管持水量的总和，可以说明土壤的涵养水分的能力以及土壤抗侵蚀的功能[38-39]。晋西北丘陵风沙区翻耕、免耕苜蓿和免耕玉米地块表层土壤毛管持水量均高于撂荒地，因此，从植物对水分的利用能力方面来看，翻耕、免耕苜蓿和免耕玉米恢复措施对植物的供水能力较好。在0—30 cm，翻耕地块土壤饱和含水量显著高于其它三种恢复措施，这是由于翻耕耕作在播种前对耕层土壤进行了翻耕，增大了表层土壤孔隙度，从而提高了土壤表层蓄水能力。在同一土地恢复措施中，随着土层深度的增加，撂荒地饱和含水量无明显变化，而翻耕和免耕玉米深层土壤饱和含水量小于表层土壤，由于翻耕地块的耕作以及免耕玉米地块的秸秆覆盖，此外，施肥也提高了表层土壤孔隙度，使得饱和含水量在表层高于深层土壤。而免耕苜蓿地深层土壤饱和含水量大，说明免耕苜蓿地在集中降雨时期，土壤总蓄水能力高，水土保持能力较好。

土壤的物理性质是反映水土保持的一种指标，毛管持水量和饱和持水量与总毛管孔隙度呈显著正相关关系，与毛管孔隙度和非毛管孔隙无明显相关关系。这说明土壤孔隙度大小的分布决定着土壤的持水性能[40]。另外，在本研究中毛管持水量与粘粒含量无明显的相关性，与砂粒含量显著负相关，与粉粒含量呈显著正相关。这说明土壤的颗粒组成在一定程度上会影响植物对水分的利用能力。

4 结论

晋西北丘陵风沙区土壤粒度组成主要为砂粒，该区土壤颗粒组成较粗，且表层土壤颗粒组成小于深层土壤。与撂荒地相比，而其它三种土地恢复措施都降低了表层土壤砂粒的含量，改善了表层土壤的质量。同时，翻耕耕作、免耕玉米和免耕苜蓿三种土地恢复措施可提高土壤孔隙度，降低土壤容重，改善了该区土壤的物理性质。此外，土壤的颗粒组成在一定程度上会影响植物对水分的利用能力，翻耕耕作、免耕玉米和免耕苜蓿对植物的供水能力较好，且免耕苜蓿地在集中降雨时期，具有较好的土壤蓄水保水能力。但翻耕主要是通过人为耕作使表层土壤砂粒含量降低，并使土壤容重降低、土壤孔隙度增加。因此，可更多的选用免耕苜蓿和免耕玉米两种土地管理措施，以保持农业的持续发展。