六盘山林区四种植被类型对土壤物理性质的影响研究

张 桐

(1 山西省交通科学研究院 2 山西省交通环境保护中心站)

土壤作为森林生态系统中植物赖以生存的物质基础，其物理性质如孔隙度、容重等，直接影响着土壤的持水性和溶解植物生长所需的矿物质元素的能力，关系着植物根系的呼吸作用和生长速度[1]。大量研究表明，植物能通过地表凋落物和地下根系的增加降低土壤容重，而不同的森林植物种类通过根系的物理作用，也会影响土壤的容重、孔隙度和田间持水量，从而影响土壤物理性质[2-3]。本研究以六盘山林区的华北落叶松、白桦、沙棘和虎榛子四种植物为研究对象，通过对林地不同深度的土壤容重、孔隙度和持水量的测定，探讨了不同植物种类对土壤物理性质的影响，以期为通过森林植被恢复提高土壤质量提供理论依据，为区域生态环境可持续发展提供技术支撑。

1 试验区概况与研究方法

1.1 试验区概况

试验区位于六盘山北部半干旱区的叠叠沟小流域，具体地理位置：东经106°4′55"-106°9′15"，北纬35°54′12"-35°58′33"。流域海拔高程1 975-2 615 m，最大高差为640 m。流域呈南北走向，其主要坡向为半阴坡和半阳坡，地面坡度10°-30°。流域属于典型的半干旱大陆性季风气候区，年均气温6-7℃，无霜期130 d 左右；年均降水量445 mm，主要集中在6-9月。土壤类型主要为黄土和灰褐土。在小流域下游出口处附近，选取了5 块典型样地，植被类型分别为天然草地、华北落叶松、虎榛子、白桦和沙棘，其坡度、坡向均比较一致，通过多年的生长已经形成了较稳定的土壤生态系统。各样地均为2018年5月布设，每隔一个月，对各样地进行植被、土壤调查一次。研究始初各样地情况详见表1。

1.2 研究方法

在每个样地内具有代表性的地方，挖掘一个土壤剖面，记录土壤剖面发生层次，并机械划分土层为0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80 cm等层次，用体积为200 cm3的环刀分层取土，每层取样3 次重复，采用环刀法测定其毛管孔隙、非毛管孔隙、总孔隙度、毛管持水量、饱和持水量和土壤容重，按单环有压入渗法测定土壤的渗透性[4]。

试验数据采用Excel2010 进行整理，运用SPSS19.0 进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型对土壤容重的影响

土壤容重是指单位容积原状土壤的烘干质量，是土壤的基本物理性质，其大小反映了土壤结构、松紧度、透气性、透水性以及保水能力，从而间接影响土壤的肥力状况和物质循环。对研究区域内4 种不同植被类型土壤的容重进行测定分析（表2）发现，随着土层深度的增加，土壤容重均表现出增加的趋势。通过方差分析，同种植被类型不同土层间土壤容重差异性达到了显著水平，不同植被类型同层土壤容重也表现出了较大的差异。不同植被类型0-20 cm土层土壤容重大小顺序为：天然草地（CK）＞华北落叶松＞虎榛子＞沙棘＞白桦；20-100 cm 土层土壤容重大小表现为：天然草地（CK）＞华北落叶松＞虎榛子＞白桦＞沙棘。方差分析亦表明，不同植被类型的同层土壤，其土壤容重间的差异性达到了显著水平。土壤容重越小，说明土壤结构、透气透水性能越好。由表2可知，通过人工植被恢复，可以减小土壤容重，改善土壤物理性质。特别是白桦林和沙棘林更有利于改善土壤容重，这可能与这两种植物的根系数量和垂直分布有较大关系。

表1 植被与土壤调查固定样地基本情况

表2 不同植被类型对土壤容重的影响方差分析

2.2 不同植被类型对土壤孔隙度的影响

不同植被类型的土壤孔隙度测定结果见表3。由表3可知，各种植被类型的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均表现出随土层深度增加而降低的趋势。不同植被类型的总孔隙度：在0-20 cm 土层表现为沙棘＞虎榛子＞天然草地（CK）＞华北落叶松＞白桦，在20-100 cm 土层表现为虎榛子＞华北落叶松＞白桦＞沙棘＞天然草地（CK）。不同植被类型的毛管孔隙度，总体表现趋势一致，各层土壤均表现为天然草地（CK）＞虎榛子＞华北落叶松＞白桦＞沙棘。不同植被类型的非毛管孔隙度，在0-20 cm 土层表现为沙棘＞白桦＞虎榛子＞华北落叶松＞天然草地（CK），在20-60 cm 土层表现为白桦＞虎榛子＞华北落叶松＞沙棘＞天然草地（CK），在60-100 cm 土层表现为华北落叶松＞虎榛子＞白桦＞沙棘＞天然草地（CK）。总体来说，天然草地各层土壤的非毛管孔隙度均为最小，毛管孔隙度最大。

表3 不同植被类型的土壤孔隙度变化

土壤孔隙度可分为三种：总孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度。土壤总孔隙度，包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度，其大小关系着土壤的透水性、透气性、导热性和紧实度。毛管孔隙细小，其孔隙水的毛管传导率大，易于被植物吸收利用，它的大小反映了土壤保持水分的能力；非毛管孔隙比较粗大，不具毛细作用，其孔隙中的水分，可在重力作用下排出，一方面反映土壤的通气状况，另一方面在天然降水时土壤可以快速接纳吸收雨水，使之不致造成地表径流。由表3可知，在0-100 cm 土层中，沙棘和虎榛子的总孔隙度最高，这可能是因为沙棘和虎榛子均属于灌木类，土壤表层植被覆盖较好，根系发达，有机质积累较快，土壤团聚体含量迅速提高，从而使土壤总孔隙度增加。总体来看，恢复植被更有利于提高土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，增大土壤的透气透水性和涵养水分的能力。

3.3 不同植被类型对土壤水分的影响

不同植被类型的土壤水分测定结果见表4。由表4可知，各种植被类型的土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和田间持水量，均表现出随着土层深度的增加而降低的趋势。不同植被类型的土壤含水量：在0-20 cm 土层表现为虎榛子＞天然草地（CK）＞华北落叶松＞沙棘＞白桦；在20-100 cm 土层表现为天然草地（CK）＞白桦＞华北落叶松＞沙棘＞虎榛子；这是因为相对于天然草地，20 cm 以下土壤中植物根系更发达，土壤含水量也就越低。不同植被类型的最大持水量：在0-20 cm 土层表现为沙棘＞天然草地（CK）＞虎榛子＞白桦＞华北落叶松；在20-60 cm 土层表现为虎榛子＞华北落叶松＞天然草地（CK）＞沙棘＞白桦；在60-100 cm 土层表现为虎榛子＞白桦＞华北落叶松＞天然草地（CK）＞沙棘。不同植被类型的毛管持水量：整体表现为虎榛子＞天然草地（CK）＞华北落叶松＞沙棘＞白桦。不同植被类型的田间持水量：整体表现为虎榛子＞天然草地（CK）＞华北落叶松＞白桦＞沙棘。毛管持水量是对指植物生长有效的土壤水分，田间持水量是对植物生长有效的最高土壤含水量。由表4可知，虎榛子更有利于改善土壤表层的土壤含水量、毛管持水量和田间持水量。

表4 不同植被类型对土壤水分的影响

4 结论

本研究表明：4 种植被类型的土壤容重均表现出随着土层的增厚而增加的趋势；土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和田间持水量均表现为随着土层的增厚而降低的趋势。人工恢复植被，更有利于提高土壤总孔隙度和非毛管孔隙度，从而提高土壤透气透水性和涵养水源的能力。人工栽植沙棘和虎榛子，在提高土壤总孔隙度方面更有效；同时，虎榛子更有利于改善土壤表层的土壤含水量、毛管持水量和田间持水量。