砒砂岩区不同宽度沙棘缓冲带生态调控效应研究

王卓 郭月峰 姚云峰 李旻宇 祁伟 仲宸

摘要：为探明砒砂岩区坡面缓冲带生态调控效应，研究10、15 m沙棘缓冲带以及天然撂荒地带上（距离缓冲带上方100～150 m）、带中和带下（距离缓冲带下方100～150 m）的土壤理化性质变化规律和不同土层土壤水库蓄水效率差异。结果表明，沙棘缓冲带能够有效改良土壤级配和物化性质等指标，同时具有良好的分选效果和拦沙作用，水源涵养能力明显提高，生态调控能力较为显著;不同坡位下，缓冲带内土壤级配、物化性质以及土壤水库利用率均表现为带中>带下>带上;相同坡位下，3种沙棘缓冲带土壤分形维数、容重、孔隙度、有机质含量等物化性质随着缓冲带的宽度增加而优化，表现为15 m带宽>10 m带宽>对照坡面（容重除外），容重表现为对照坡面>10 m带宽>15 m带宽。

关键词：砒砂岩区;缓冲带;土壤性质;土壤水库;生态调控

中图分类号： S727.22  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）17-0276-07

内蒙古砒砂岩区地形支离破碎，水土流失程度极为严重，具有“地球环境癌症”“生命禁区”之称[1]。由于砒砂岩区气候干燥，年均降水量少且集中，这些恶劣的自然环境特点加剧了水土流失，造成黄河下游河道泥沙淤积。植物缓冲带作为砒砂岩区一项重要的水土保持措施，能够有效减缓地表径流，降低土壤侵蚀，同时植物缓冲带能够削减点源污染物，有效改良土壤理化性质[2-3]。同时植物缓冲带下的土壤层是林分主要的蓄水承载体，合理地建设植物缓冲带能够增大土壤毛管孔隙，改善土壤渗透性，提高土壤的水源涵养功能。沙棘（Hippophae rhamnoides L.）属胡颓子科沙棘属落叶性灌木，其特性是耐旱、抗风沙，可以在盐碱地生存[4]，沙棘根系十分发达，分蘖萌生能力强，繁殖快，生物量大。同时，沙棘的根瘤放线菌能固定土壤中的氮素促进生长，提高土壤肥力[5]。沙棘作为黄土高原沟壑区一种适应性很强的水土保持树种，构建缓冲带在减少地表径流、改善土壤肥力和渗透性以及稳固坡面等方面具有诸多优势[6]。因此，研究砒砂岩区缓冲带对土壤理化性质的影响，阐明不同宽度沙棘缓冲带生态调控效应的差异，是该地区林分建设可持续发展亟待解决的问题。

在植被缓冲带方面，国内很多文献还是介绍性的[7]，如董凤丽研究了不同植被类型、不同季节、不同坡度、不同浓度营养盐的情况下，缓冲带对不同深度的壤中流中氮、磷等营养盐的消除效果[8-9]。章明奎等研究了河岸水稻缓冲带宽度对稻田灌溉排水的氮、磷浓度的影响[10]。叶志敏等初步研究了不同植被组合方式、漫流方式和土壤组成情况下滨岸缓冲带对非点源污染物的削减作用[11]。关于采用沙棘构建植物缓冲带，国内外的研究多注重于沙棘林对沟道的侵蚀产沙特征以及抗蚀促生综合效益及影响因素等方面，对于不同宽度缓冲带的生态调控效应对比还鲜有报道。本研究选择砒砂岩侵蚀特征突出，具有一定代表性的典型小流域，以不同宽度沙棘缓冲带为研究对象，开展砒砂岩区沙棘生物缓冲带的生态调控效应及其作用机制的研究，为有效防治砒砂岩区土壤侵蚀和地区生态环境的建设提供数据基础。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗暖水乡圪秋沟流域内（图1），大部分范围处于砒砂岩裸露区，地理坐标为39°42′～39°50′N，110°25′～110°48′E。该区内地形起伏较大，沟壑较多，梁峁起伏，土壤侵蚀强烈，水土流失严重。平均海拔为820～1 582 m，属于典型的中温带半干旱大陆性季风气候，年平均降水量约400 mm，且集中在7—8月;年日照时长300 d以上，年平均蒸发量 2 093 mm，年平均气温6.2～8.7 ℃。地带性土壤为栗钙土，土壤上层伴有少量黄绵土和风沙土盖层。主要造林树种为沙棘、油松（Pinus tabuliformis）、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和山杏（Prunus sibirica）等。

1.2 研究方法

1.2.1 调查与取样 2018年4月选择内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗北部的圪秋沟流域内的人工林地作为试验地。选择林龄在10年左右的沙棘人工林缓冲带，选取2块不同带宽的沙棘林带（10、15 m）和1块未种植沙棘林带的坡面（对照坡面），3个处理除沙棘缓冲带的宽度设置不同外，林带内种植密度、胸径、高度等特征以及坡度、坡向、抚育管理措施等立地条件基本一致（表1），且受人为干扰较小。于2种不同带宽的沙棘缓冲带的带上（距离缓冲带 100～150 m的上方）、带下（距离缓冲带100～150 m 的下方）、带中（缓冲带本身）以及對照坡面（上、中、下）采用梅花形5点取样法，每个点位土壤垂直分层为0～10、10～20、20～40、40～60 cm;同时每个样地取0～60 cm土层深度的混合土壤约 1 kg，去除枯落物等杂物后放入带编号样品袋，带回实验室分析。

1.2.2 土壤理化性质测定 本次试验利用土壤水分速测仪（TDR）测定土壤含水率;对土壤样品经自然风干、研磨后，采用四分法取出一部分土样利用筛分粒径法对土壤样品进行粒径筛分试验;依据标准LY/T 1215—1999《森林土壤水分-物理性质的测定》，采用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量等。土壤养分测定指标为有机质含量，采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。

1.2.3 分形维数计算 采用杨培岭等通过粒径分布与对应的土壤质量分布之间的关系而推导改进的土壤分形维数模型[12]来计算土壤颗粒质量分形维数，计算公式如下：

式中：D为土壤颗粒粒径分形维数;r为土壤颗粒粒径，mm;Ri为2筛分粒级（Ri与Ri+1）的算术平均值，mm;m为粒径小于Ri的颗粒的累积质量，g;mT为土壤颗粒的总质量，g;m/mT是粒径小于Ri的土壤颗粒的累积质量比例;Rmax为所有粒级的最大粒径，mm。分别以lgm（r-Ri）mT和lgRiRmax为因变量和自变量进行线性拟合，所得直线斜率即为（3-D），由此得到土壤粒径分形维数（D）值。

1.2.4 土壤水库蓄水量计算 土壤水库的储水量按照孙仕军等提出的方法[13]计算。假设某时刻地表以下一定深度（h）处的土壤含水量为θ（h），则该深度土层相应的蓄水量为

式中：w0为地表以下深度h处土层的土壤蓄水量，以mm计。

土壤水库总库容的计算方法如下：

式中：r表示土壤容重，g/cm3;H表示土层厚度，cm;n表示土壤层次;S表示饱和含水量，%。

土壤水库的蓄水效率是实际贮水量（W）与贮水潜力（土壤总库容）的比值，即土壤水库的利用效率，反映土壤水库功能的优劣。

1.3 数据处理

利用Excel和SPSS 20.0进行数据处理和分析，各个林带土壤特征值为3次重复的算术平均值，运用方差分析进行假设性检验。

2 结果与分析

2.1 不同带宽沙棘缓冲带土壤粒级特征

2018年7月对典型小流域10、15 m带宽的沙棘缓冲带土壤级配进行测量。由表2、表3和表4可知，分形维数的拟合方程确定系数在0.63～0.91之间，在95%的置信区间内，证明土壤级配在砒砂岩区域内于不同坡位的分形维数计算精度较高。

砒砂岩区不同宽度沙棘缓冲带0～60 cm土层的土壤颗粒以粉粒和沙粒为主，分形维数均在带中达到最大值。在不同宽度缓冲带内，带中、带下的分形维数均表现为15 m带宽>10带宽>对照坡面，说明15 m带宽沙棘缓冲带坡面土壤分选效果好于10 m带宽沙棘缓冲带坡面及对照坡面;10、15 m带宽沙棘缓冲带不同坡位颗粒级配中值粒径依次为带下<带上<带中（数据未列出），截沙趋势均为带下颗粒较带中、带上细，带中比带上颗粒粗，说明在坡面水的冲刷过程中，沙棘缓冲带拦截泥沙能力较强，起到很好的颗粒分选作用，拦沙效果明显。

2.2 不同带宽沙棘缓冲带物化性质研究

2.2.1 沙棘缓冲带土壤容重和孔隙度特征 沙棘缓冲带对垂直方向和水平方向上土壤结构性能的影响表现出一定的差异，沙棘缓冲带对带上的土壤容重与孔隙度影响较小，故不作分析。由表5可知，在相同坡位不同宽度的沙棘缓冲带内，4个土层（0～60 cm）深度下土壤容重均表现为对照坡面>10 m 缓冲带>15 m缓冲带，且容重在对照坡面20～40 cm土层最大（1.56 g/cm3）;土壤孔隙度表现为15 m缓冲带>10 m缓冲带>对照坡面，且土壤孔隙度在15 m带宽沙棘缓冲带0～10 cm土层最大（49.81%）。因此，沙棘缓冲带的布设有效降低了带中的土壤容重并提高了土壤孔隙度;在不同坡位内，各土层土壤容重表现为带中≥带下，土壤孔隙度表现为带下>带中。说明沙棘缓冲带能够有效地拦沙，防治水土流失，较对照坡面而言，经过沙棘缓冲带的颗粒分选，其坡底的土壤结构性状更加优良，但沙棘的根系呈逐级分叉和迂回的趋势生长，主要分布在35 cm土层以内，就不同深度土层下的沙棘缓冲带来说，20～40、40～60 cm过度段土壤改良效果不明显。在一定土层范围内，土壤容重和孔隙度的改良效果会随着缓冲带宽度的增加而更加明显。

2.2.2 沙棘缓冲带有机质特征 土壤有机质含量是评价土壤肥力和质量的重要指标，受各种自然和人为因素影响，土壤有机质含量在空间上呈现非均匀分布[14]，其空间变异性是指土壤中所含的有机质在空间不同位置中所表现出的差异性及趋势性[15]。由表6和表7可知，不同带宽的沙棘缓冲带带中土壤有机质范围为4.21～8.91 g/kg，沙棘缓冲带带下的有机质含量为4.21～7.10 g/kg;在缓冲带带中，沙棘缓冲带与对照坡面土壤有机质含量平均值依次为15 m缓冲带（6.31 g/kg）>10 m缓冲带（6.05 g/kg）>对照坡面（4.70 g/kg）;在缓冲带带下，沙棘缓冲带与对照坡面土壤有机质含量平均值依次为对照坡面（5.40 g/kg）>15 m缓冲带（5.24 g/kg）>10 m缓冲带（5.19 g/kg）;沙棘缓冲带能够有效地提高表层土壤有机质含量，表现为随土层深度增加有机质含量逐渐降低且趋于稳定，而表层有机质难以入渗至深层土壤，导致在40～60 cm 土层有机质含量较低。 对照坡面各土层有机质含量表现为坡下>坡中，林地土壤表层丰富的植物凋落物在地表分解过程中形成的结构各异的有机物是土壤有机质的主要来源[16]。沙棘生长导致枯落物含量增多且植被盖度大，根系小环境的因素导致有机物的积累。而对照坡面为天然荒草地，无大型植被覆盖，地表冲刷造成严重的水土流失，土壤有机质易随径流累积于坡底。

2.3 不同带宽沙棘缓冲带土壤水库库容计算

2.3.1 沙棘缓冲带水分时空变化规律 由表8可知，10 m带宽沙棘缓冲带在20～40 cm土层土壤水分变化最剧烈，变异系数最大，达到0.87，属于强度变异;10～20、40～60 cm土层变异系數分别为0.61、0.50， 属于中度变异;0～10 cm处土层变异系数最小（0.40），属于弱度变异。各层土壤水分动态变异强弱顺序为20～40 cm土层>10～20 cm土层>40～60 cm土层>0～10 cm土层;各层土壤水分动态平均值以40～60 cm土层最大（4.91%），0～10 cm 土层最小（2.85%）。各层土壤水分动态平均值大小依次为40～60 cm土层>20～40 cm土层>10～20 cm土层>0～10 cm土层。

由表9可知，15 m带宽沙棘缓冲带在20～40 cm 土层土壤水分变化最剧烈，变异系数最大达到0.84，属于强度变异;0～10、10～20、40～60 cm土层变异系数分别为0.56、0.67、0.53，属于中度变异，各层土壤水分动态变异强弱顺序为20～40 cm土层>10～20 cm土层>0～10 cm土层>40～60 cm 土层;各层土壤水分动态平均值以40～60 cm土层最大（5.21%），其次为20～40 cm土层（4.12%），0～10 cm土层最小（3.85%）。各层土壤水分动态平均值依次为40～60 cm土层>20～40 cm 土层>10～20 cm土层>0～10 cm土层。2种带宽沙棘缓冲带变异系数规律及平均含水量变化规律基本一致，均是20～40 cm土层变异系数最大，10 m带宽沙棘缓冲带变异系数于0～10 cm土层处最小，而15 m带宽沙棘缓冲带变异系数于 40～60 cm土层处最小。

2.3.2 不同宽度沙棘缓冲带水库调控效应 土壤蓄水量是评价植被涵养水源功能最主要的指标之一[17]。由图2和图3可知，随着土层深度增加，各层实际土壤蓄水量与总库容均呈先增加后减少的趋势，20～40 cm土层最大，不同宽度缓冲带在该土层的实际蓄水量表现为15 m缓冲带>10 m缓冲 带> 对照坡面，土壤蓄水量与沙棘缓冲带的宽度成正比;从3个处理各土层水库平均蓄水效率（蓄水效率=实际蓄水量/总库容）来看，带中土壤水库蓄水效率依次为20～40 cm土层（51.26%）>40～ 60 cm 土层（43.36%）>10～20 cm土层（41.98%）>0～10 cm土层（36.68%）;带下土壤水库蓄水效率依次为20～40 cm土层（45.75%）>10～20 cm土层（37.21%）>40～60 cm土层（35.38%）>0～10 cm土层（32.33%）;种植沙棘缓冲带的区域，土壤水库蓄水效率较带下土壤水库蓄水效率平均高出5%。分别对不同宽度沙棘缓冲带各土层蓄水总量进行计算（图4），带中土壤总库容表现为15 m缓冲带（284.30 mm）>10 m缓冲带（253.33 mm）>对照坡面（233.52 mm）;带下土壤总库容表现为15 m缓冲带（278.17 mm）>10 m缓冲带（253.65 mm）>对照坡面（219.50 mm）;带中土壤水库蓄水效率依次为15 m缓冲带（45.60%）>10 m缓冲带（45.26%）>对照坡面（40.16%）;带下土壤水库蓄水效率依次为15 m缓冲带（39.17%）>对照坡面（39.14%）>10 m缓冲带（39.06%）。综上所述，随着缓冲带宽度的增加，带中土壤水库总库容增加，同时缓冲带中的土壤蓄水效率也逐步提高，体现了植物缓冲带优良的水源涵养功能。

3 讨论与结论

砒砂岩区作为水土流失治理的重点治理区域，土壤粒径级配、理化性质和土壤水库利用效率等特征都是直接反映土壤优劣的重要指标。因此，研究砒砂岩区植物缓冲带的生态调控效应对生态建设的可持续发展具有重大意义。不同宽度植物缓冲带对土壤改良程度有所差异，研究表明，土壤质地越粗越不易形成良好的结构，土壤质地越细结构越复杂，而土壤颗粒分形维数在2.75左右代表土壤结构良好[18-19]。本研究测得砒砂岩区裸露坡面土壤分形维数在2.2左右，土壤结构较差，通过沙棘缓冲带的改良土壤、阻沙保水等功效，其15 m沙棘缓冲带内土壤分形维数最高值为2.63，证明随着缓冲带宽度的增加，植物缓冲带的阻沙、改良土壤效果更加显著，改良后的土壤具有较好的透水性和保水保肥力性能[20]。同时对比不同宽度沙棘缓冲带来看土壤理化性质，在20～40 cm土层，沙棘缓冲带明显降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，与卢立娜等对沙棘林的研究[21]保持一致。在土壤水分时空变化中，10 m表层土壤含水率变异系数小于40～60 cm 土层变异系数，原因可能是砒砂岩区降水少，蒸发大，10 m缓冲带表层土壤处于干燥状态，而深层土壤由于沙棘根系固水保土的特点，其深层水分变异系数较表层10 cm变化更大。整体趋势依旧表现为2种带宽沙棘缓冲带平均水分含量均在40～60 cm土层以下变化平稳，受到各种随机因素影响较小;而其他土层土层受降水、蒸发与其他草本植物生长、动物扰动等外界因素影响较大。沙棘缓冲带的土壤涵养水源能力是制约缓冲带土壤截污效果的重要条件[22]。因此，沙棘缓冲带对砒砂岩区深层次的土壤截污作用效果以及沙棘根系对固结土壤团粒结构的抗崩解能力等，还有待在今后的试验中研究。

黄土高原砒砂岩地区种植的沙棘缓冲带能够有效地减沙蓄水，降低水土流失，通过对不同宽度沙棘缓冲带生态调控效应的研究，得出以下结论：（1）沙棘缓冲带能够有效改良土壤级配和物化性质等指标，同时具有良好的分选效果和拦沙作用，较对照坡面而言，水源涵养能力明显提高，沙棘缓冲带生态调控能力较为明显。（2）不同坡位下，缓冲带内土壤级配、物化性质以及土壤水库利用率均表现为带中>带下>带上。（3）相同坡位下，3种沙棘缓冲带土壤分形维数、容重、孔隙度、有机质含量等物化性质随着缓冲带的宽度增加而优化，表现为 15 m带宽>10 m带宽>对照坡面（容重除外），容重表现为对照坡面>10 m带宽>15 m带宽。

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