基于灰色关联分析的砒砂岩区不同林龄沙棘的改土效应

刘 静, 李 禾, 郭建英, 吴永胜

(1.水利部牧区水利科学研究所, 内蒙古 呼和浩特 010020; 2.内蒙古自治区水利厅水土保持处, 内蒙古 呼和浩特 010020)

鄂尔多斯达拉特旗地处陕晋蒙三省交界处，区内广泛分布着砒砂岩，是黄土高原水土流失最严重的地区之一。由于砒砂岩结构松散、厚度小、胶结能力差，导致该区域沟壑纵横、植被稀疏，极易发生水土流失，其水土流失面积占全区土地总面积的92.5%。砒砂岩透水性差，层状结构显著，导致植物扎根困难，成活率低[1]。沙棘(Hippophaerhamnoides)作为砒砂岩区典型的水土保持乡土植物种之一，具有抗旱御寒、耐盐碱、成林后枝叶生长茂密、根系发达密集等特点，被人们誉为“神奇植物”[2-3]。因此20世纪末期，在砒砂岩区通过大力种植沙棘，使沟道、坡面等区域水土流失问题得到遏制，区域生态环境得到了有效改善[4]。杨方社[5]等人研究表明，沙棘能显著提高砒砂岩区沟道土壤含水量，并使土壤含水量呈显著的空间异质性；党晓宏[6]等人对1～4 a生沙棘进行研究表明，沙棘能增加土壤孔隙度，并提高土壤中速效N，P，K 及有机质含量；殷立强[7]等人对8 a生沙棘研究表明，沙棘能改变土壤的机械组成，使土壤粉粒、黏粒含量增加。土壤持水能力增强。上述研究说明沙棘具有改土效应。但植被林龄不同对土壤改良效果不同。基于此，本研究以达拉特旗典型砒砂岩区沟道坡面1～7 a生沙棘为研究对象，利用灰色度关联分析法对1～7 a生沙棘林下土壤性质(土壤含水量、土壤容重、毛管总孔隙度、土壤比重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和持水量、毛管最大持水量)进行系统性分析，探究不同林龄沙棘对其下土壤的改良效果，从而为砒砂岩区人工沙棘林生态建设、恢复和重建提供理论依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗东柳沟沙棘生态建设区(109°15′—110°20′E，39°56′—40°12′N)，海拔在1 370 m左右。该区域属中温带干旱、半干旱气候，具有明显的大陆性季风气候特征。年均降雨量在297.8 mm，年降雨量分配不均，主要集中在7—9月。年均气温6.7 ℃。有效积温3 400 ℃，太阳总辐射量599 kJ/(cm2·a)，年潜在蒸发量2 011～3 700 mm，平均风速2.7 m/s，无霜期140 d。区内主要植物种为沙棘，零星分布有针茅(Stipacapillata)、碱蒿(Artemisiaanethifolia)、百里香(Thymusmongolicus)、狼毒(Stellerachamaejasme)等，天然植被盖度低于5%。土壤主要以黄绵土和栗钙土为主，局部会出现黑垆土。

1.2 样地设置

2015年7月，在研究区内按照不同林龄人工沙棘林进行样地布设，样方布设于砒砂岩沟阳坡坡中位置，坡度为20°～30°，共布设7个10 m×10 m样方。以坡向一致的荒坡为对照(CK)。样地内，不同林龄沙棘生长状况良好。样地基本情况详见表1。在样方内进行每木调查，包括坡度、植被盖度、生物量、枯落物量。根据当地水土保持局相关资料记载当年造林均为1 a生实生苗，沙棘栽植前立地条件、植被类型等生态特征基本一致，采用以空间代替时间的方法调查栽植不同年限的沙棘人工林地土壤物理特性。

表1 样地基本情况调查

1.3 土壤样品的采集与测定

在1～7 a沙棘林地内，以对角线等间距布置5个取样点，以相应等高线位置的周边荒坡裸地为对照，采用环刀对0—40 cm土层进行取土，每10 cm取一层土样，取样后分层均匀混合后装入塑封袋内并进行标记。同时将采集的原状土样带回实验室，进行相关指标测定。土壤含水率采用烘干法：土壤容重采用环刀法(环刀体积100 cm2)；土壤总孔隙度采用比重和容重计算：土壤总孔隙度(%)=(1-容重/比重)×100(比重:比重瓶法)；土壤毛管孔隙度采用浸水法计算：土壤毛管孔隙度(%)=土壤毛管最大持水量×容重×100%；土壤非毛管孔隙度(%)=总孔隙度-土壤毛管孔隙度；土壤饱和持水量采用称重法：土壤饱和持水量(%)=(饱和土壤重-干土重)/(干土重-环刀重)×100；土壤毛管最大持水量采用浸水法测定。

1.4 数据分析方法

用Excel 2010对试验数据进行整理，运用SPSS 20.0软件对不同林龄沙棘土壤物理指标进行差异显著性分析(one-way ANOVA)和主成分分析确定重权，采用灰色关联法对土壤物理指标进行灰色关联分析评价，采用Origin 2017软件图形绘制。灰色关联分析法对不同林龄人工沙棘林进行改土效应评价。选择以不同林龄0—40 cm土层深度土壤作为评价样本，土壤物理特征指标作为评价因子，在SPSS 20.0软件中计算各指标权重 。最终求出多个关联度和关联序。运用灰色系统理论的原理与方法[8-9]，对不同林龄0—40 cm土层土壤物理性质进行灰色关联分析及关联排序。设比较数列为A(i，j)(i=1,2,…,7)，表示第i年沙棘林不同土层下土壤物理指标中的第j个指标；其中A(0，j)是由各物理性质指标中最大值所组成的理想数列。采用直线型标准化法进行无量纲化处理：A(i,j)/A(0,j)，关联系数的计算公式为：

对于ξ∈(0,1)，令

关联度的计算公式为：

式中：ξ——分辨系数,取值为0.5；N=7；ωij——第i年林龄不同土层土壤物理指标中第j个指标的权重。

2 结果与分析

2.1 不同林龄沙棘对土壤物理性质的影响

2.1.1 不同林龄沙棘对0—40 cm土壤含水量的影响 由图1可知，随沙棘林龄增加，各土层土壤含水量空间异质性逐渐增大。4～7 a沙棘0—20 cm土层土壤含水量较1～3 a波动大(p<0.05)。当沙棘林龄为5 a时，0—20 cm土层深度土壤含水量达到最大。不同林龄平均土壤含水量由大到小依次为：5 a(10.40%)>7 a(9.91%)>6 a(9.74%)>4 a(9.46%)>1 a(7.76%)>3 a(7.52%)>2 a(7.46%)>CK(7.25%)。

注：不同小写字母表示同一土壤深度，不同林龄人工梭梭差异显著性变化(p<0.05)。下同。

图1 不同林龄沙棘土壤含水量的变化情况

2.1.2 不同林龄沙棘对0—40 cm土壤容重的影响 土壤容重是土壤最基本的物理性质之一，影响着土壤通气性、透气性、持水性、植被生长、溶质迁移特征和土壤侵蚀能力[10-11]。由图2可知，异龄同层，土壤容重随沙棘林龄增大而减小，且4 a后，土壤容重降低趋势减缓；同龄异层，土壤容重随土层深度增加而增大，且沙棘林土壤容重均低于CK。在0—30 cm，各林龄同一土层深度与CK之间差异不显著(p>0.05)；在30—40 cm，仅7 a与CK之间差异显著(p<0.05)。整体而言，同龄异层沙棘林地容重变化范围在1.3～1.62 g/cm3之间，不同林龄平均土壤容重由大到小依次为：CK(1.58 g/cm3)>1 a(1.54 g/cm3)>2 a(1.51 g/cm3)>3 a(1.48 g/cm3)>4 a(1.44 g/cm3)>5 a(1.43 g/cm3)>6 a(1.42 g/cm3)>7 a(1.39 g/cm3)。由此可见，沙棘对土壤容重有一定改善作用，但改善效果较小。

图2 不同林龄人工沙棘土壤容重的变化情况

2.1.3 不同林龄沙棘对0—40 cm土壤总孔隙度的影响 土壤总孔隙度反映土壤潜在蓄水和调节降水的能力，影响土壤通气、水分垂直运移、植物根系穿插等[12-13]。由图3可知，沙棘林地土壤孔隙度的变化趋势与土壤容重的变化趋势相反。在10—40 cm，不同林龄沙棘土壤孔隙度4～7 a与CK之间差异显著(p<0.05)；在0—10 cm，不同林龄沙棘与CK之间差异不显著(p>0.05)。各林龄人工沙棘林平均土壤孔隙度大小依次为：7 a(48.45%)>6 a(47.52%)>5 a(47.15%)>4 a(45.32%)>3 a(45.00%)>2 a(43.32%)>1 a(41.93%)>CK(41.30%)。在栽植沙棘林7 a后0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm各土层土壤孔隙度较CK分别增加9.16%，20.50%，18.92%，22.60%。由此可见，沙棘能改善土壤孔隙度。

2.1.4 不同林龄沙棘对0—40 cm平均土壤孔隙度的影响 土壤结构与肥力在一定程度上取决于土壤孔隙特性。裸地营建植被后，使地表径流减少，增加土壤孔隙，改善土壤的透水性和保水性。而且死亡根系形成非毛管孔隙及土壤微生物活动增加土壤非毛管孔隙。由表2知，各林龄土壤比重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度差异不显著(p>0.05)。土壤总孔隙度、毛管孔隙度在7 a时达到最大，且均高于CK(p>0.05)。其最大值较CK分别增加17.30%，20.35%。这表明砒砂岩沟坡通过营建人工沙棘林，在短期内可以达到一定的固土作用，但人工沙棘对土壤结构的改良不是随林龄而增大。

图3 不同林龄人工沙棘土壤孔隙度的变化情况

表2 不同林龄人工沙棘0—40 cm平均土壤孔隙度的变化

注：不同小写字母表示同一林龄0—40 cm人工沙棘各指标平均值差异显著性变化(p<0.05)。

2.2 不同林龄沙棘对土壤持水能力的影响

土壤土壤饱和持水量代表土壤的最大蓄水能力。由图4知，沙棘林的土壤饱和持水量、毛管最大持水量随林龄增加而逐渐增加。6 a和7 a 沙棘林的饱和持水量与CK成显著差异(p<0.05)，5～7 a沙棘林毛管最大持水量与CK成显著差异(p<0.05)。其饱和持水量大小依次为：6 a(31.45%)>7 a(31.26%)>5 a(28.44%)>3 a(27.93%)>4 a(26.83%)>2 a(26.35%)>1 a(25.78%)>CK(24.06%)；而土壤毛管最大持水量大小依次为7 a(28.03%)>6 a(26.59%)>5 a(26.19%)>4 a(24.11%)>2 a(23.71%)>3 a(23.69%)>1 a(22.83%)>CK(22.31%)。其土壤饱和持水量、毛管最大持水量最大值(7 a)较最小值(CK)增加29.93%，25.64%。该试验结果表明，砒砂岩区栽植沙棘后，增加了该区域土壤的蓄水能力。说明沙棘有涵养水源的作用。

图4 不同林龄人工沙棘土壤持水能力的变化情况

2.3 不同林龄沙棘土壤物理性质加权灰色关联分析

以不同林龄(1～7 a)、不同土层深度(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm)土壤作为评价样本，选择土壤含水量、土壤容重、毛管总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、毛管最大持水量、比重7项指标作为评价因子。选取土壤含水量、土壤容重、毛管总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和持水量、毛管最大持水量、比重7项指标中的最大值作为参考数列，以不同土层深度的土壤含水量、土壤容重、毛管总孔隙度、毛管孔隙度等指标测定值作为比较数列，进行无量纲化处理，分辨系数选择ξ=0.5，求出各对应点的关联系数、关联度和权重详见表3。关联度越大，该项指标对评价对象的影响就越大，即改善土壤物理状况水平越好。

由分析数据可以得出各指标权重由大到小排序依次为：土壤总隙度>毛管孔隙度>土壤容重>土壤含水量>比重>毛管最大持水量>饱和持水量。其中土壤总隙度的权重系数最大，对砒砂岩土壤物理特性的影响大。1～7 a沙棘林地中各土壤改良状况排序详见表4。由表4可知，改良土壤的最优土层是出现在0—20 cm层。由于沙棘林随林龄的增加地表枯落物量增多，枯落物覆盖地表具有拦截降雨，减少蒸发的作用，同时沙棘根系的浅根性和横生辐射性也是主要原因，因此土壤在表层0—10 cm和10—20 cm改良效果最明显。

表3 不同林龄沙棘林下不同土层土壤物理指标的关联系数、权重及关联度

表4 不同林龄沙棘林下不同土层的关联序

3 讨论与结论

3.1 讨 论

人工植被在建立之日起，在防风固沙和改变局部小气候的同时，也改变着土壤结构和持水能力。但是植物种类不同对土壤作用效果不同。袁勤[14]等人通过对10 a柠条林、沙棘林、山杏林等5种人工林的研究结果表明，沙棘对土壤水分和土壤结构的改良效果最佳。因此，本研究以1～7 a林龄人工沙棘为研究对象，研究其对砒砂岩区土壤的改土效果。

3.1.1 沙棘林龄对土壤含水量的影响 土壤含水量是影响沙棘生长发育的重要因子。本研究发现，随沙棘林龄增加，其土壤含水量逐渐增加，尤其对表层土壤含水量的影响最大，且土壤水分空间异质性逐渐增大。该试验结果与魏晓婷[15]等人对不同林龄樟子松的研究结果相似。其原因可能是1～3 a沙棘冠幅较小，未形成一定郁闭度，土壤水分蒸发量相对较大，导致0—40 cm土壤含水量与深度成反比。而4～7 a随沙棘林龄增加，土壤含水量与深度成正比。一方面，林冠层对大气降水在时间和数量起着重新分配作用。林冠对降雨的截流作用随沙棘林龄增加，使降雨对表层土壤的补给增加[16]。同时也能减少降水对地面的冲刷和林地地表径流的产生。另一方面，郁闭度随林龄增大有利于减少降水的蒸散，增加林间大气湿度和枯落物分解速度。同时枯落物的持水率和持水量随沙棘林龄增大，所以枯落物有利于增大土壤的土壤含水量。

3.1.2 沙棘林龄对土壤容重和孔隙度的影响 土壤容重反映了土壤的熟化程度，而植被可加快土壤发育[17]。本研究发现，随着沙棘林龄增加，0—40 cm土层土壤容重逐渐减小。说明土壤的改土效果随沙棘林龄逐渐增加。随土层深度土壤容重逐渐增大。说明沙棘对表层土壤的改良效果最佳。其原因如下： ①本试验样地均设在阳坡坡中位置(坡度：21°～30°)，由于砒砂岩抗蚀能力差，风蚀和水蚀双重作用容易对坡顶地表细颗粒物质进行冲刷，沙棘根系“柔性坝”作用能拦截细颗粒物质，增加土壤中粉粒和黏粒含量，改变土壤机械组成，提高土壤蓄水能力。另外，沙棘虽属非豆科植物，但能进行共生固氮作用，改善土壤养分状况。 ②沙棘枯落物随沙棘林龄逐渐增加(表1)，枯枝落叶分解使土壤中的腐殖质增加，有助于土壤微团聚体的形成，降低了土壤容重[18]。 ③随林龄的增加，沙棘冠幅增加，植被盖度增大，固沙降尘作用增强，使粉粒和黏粒在表层沉积[19]，导致表层土壤容重远小于其他土层。土壤孔隙包括土壤孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤非毛管孔隙度。本研究表明，土壤孔隙度随沙棘林龄增加而增加，随土壤深度增加而减少，且均高于CK。该研究结果与李红[20]等人的研究结果一致。首先，沙棘属于浅根性植物，根系主要分布于0～40 cm之间[6]。随沙棘林龄增加，根系密度增加，从而使土壤容重降低，增加土壤孔隙度。沙棘林地表层因为覆盖一层枯落物，枯落物分解在增加土壤有机质的同时，使土壤微生物活动和繁殖加速，再加之沙棘根系的作用，使土壤孔隙度随林龄增加，但沙棘对土壤表层改土作用最显著[21]。

3.1.3 沙棘林龄对土壤持水能力的影响 植被—土壤是一个有机整体，其物质与能量相互循环与转化，二者之间相互影响、相互作用。本研究表明，土壤饱和持水量和毛管最大持水量随沙棘林龄增加而增大，说明沙棘能增加土壤的持水能力。由于沙棘林龄增加，使土壤孔隙度增加，当降雨时可以使雨水迅速下渗，不致形成地表径流。土壤孔隙度是决定土壤持水能力的关键指标[22]。随沙棘林龄增加，林分郁闭度逐渐增大。使林内水汽光热环境得到改善，减少土壤水分蒸发。同时还为土壤中的微生物和土壤酶创造了有利条件，再加之枯落物和沙棘根系的多重作用，使土壤的持水能力随沙棘林龄增加。研究中还发现，1～3 a土壤持水能力增加缓慢，4～7 a土壤持水能力增加迅速。可能原因是1～3 a沙棘郁闭度较小，地表蒸发相对强烈，加之沙棘枯落物相对较少，未能形成一定保护层减少土壤水分蒸发。但是该结论有待于进一步论证。由此可知，沙棘对土壤的影响是一种正反馈效应，并且改土效果随时间增长而增加。

3.2 结 论

在砒砂岩区营建人工沙棘林有利于土壤改良。本研究中，不同林龄沙棘可以有效改善土壤土壤含水量、容重和土壤孔隙，对土壤是一种持续正向调节作用。同时，沙棘还能增强土壤持水能力，有利于沙棘岩区水土保持，增强土壤抗侵蚀能力，有利于改善当地生态环境。由加权灰色关联分析法可知，各林龄沙棘林地对土壤的改良作用主要在0—10 cm和10—20 cm。