吴起县不同土地利用类型土壤物理性质特征

刘长海，葛 瑶，秦家凤，汪慧霞，杨 妮

（延安大学生命科学学院，陕西延安 716000）

人类活动和自然灾害的增加以及黄土高原地区土地资源利用的不合理，导致其区域水土流失严重，土壤质量下降问题日益严峻，带来了一系列生态环境问题，并对人类的生存和发展产生诸多不利影响［1］。因此，黄土高原生态恢复已成为近年来国内外学者相关领域普遍关注的热点问题。改善当地土壤质量是生态修复的重要环节。在众多土壤质量修复方法中，植被修复是改良土壤质量最有效的方式之一［2-3］。沙棘常被作为黄土高原区植被修复的先锋树种，其对不同气候和土壤有较强的适应性，具有抗寒抗风沙、耐旱耐高温的特点。许多研究表明沙棘人工林确实在改良土壤中发挥重要作用，且时间越长，效果越明显［4-6］。因此在黄土高原土壤质量的改良中，沙棘受到了众多生态学者的重点关注［7-9］。土壤物理性质的空间分布特征能够揭示土壤质量的空间分异规律及影响因素［10］，而不同土地利用方式是导致土壤物理性质发生改变的主要影响因素，因此了解不同土地利用方式下的土壤理化性质的变化对评估当地土壤质量状况具有重要意义。

基于此，本研究以吴起县小沟台沙棘人工林为研究对象，并以裸地、草地为对照，对3 种不同土地利用方式下的土壤物理指标进行比较，分析沙棘人工林土壤物理性质的改良对黄土高原区生态修复的影响，旨在为黄土高原吴起县人工沙棘林的生态修复提供科学的理论依据，有助于推进陕北黄土地区的水土保持和生态恢复工作。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市吴起县（108°15′28″E、36°58′36″N），区域海拔1 479~1 496 m，属半干旱温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季旱涝相间，秋季温凉湿润，冬季寒冷干燥，冬长夏短，温差较大，最高气温38.8 ℃，最低气温-26.7 ℃，年平均气温7.8 ℃，年平均降水量496 mm，主要集中在汛期的7—9月份［11］，是黄河中游地带陕北黄土丘陵沟壑区水土流失最严重的地区之一，改善土壤质量工作迫在眉睫。

1.2 样地设置

在吴起小沟台选定样地后，记录样地基本信息，包括经度、纬度、坡向、海拔以及坡度。立地类型主要是坡度。根据生态环境、立地条件等特点相同或相似原则，分别设立3 种不同植被类型的典型样地，对其土壤物理性质进行调查。

试验对上述3种样地进行监测，设置10 m×10 m的标准样地，选择样方为1 m × 1 m；每个样地选取3个土样采集点，采用挖土壤剖面的方法进行土壤取样，取样时自下而上，以免造成上层土壤对下层土壤的污染；每一个采样点采样深度为40 cm，分3 层0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm 采集土层中的土壤样品；以土壤含水量、土壤容重、最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度6个指标为参数。每层取3 个样品作为重复，样地基本情况见表1。

表1 样地概况

1.3 研究方法

利用烘干法测定土壤自然含水量，环刀法测定并计算出土壤物理指标中的土壤含水量、土壤容重、最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度［12］。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 对数据进行整理，通过IBM SPSS Statistics 26.0 软件进行单因素方差分析不同土地利用类型各土层的土壤持水性能、土壤容重及孔隙度，检验数据差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤持水性能分析

2.1.1 土壤含水量

由表2 可知，3 个样地的土壤含水量在土壤剖面上差异显著（P<0.05），均随土层深度的增加呈递减趋势；不同样地间平均土壤含水量差异不显著，均值12.22%~13.77%，沙棘>裸地>草地。不同样地在0~10 cm 土层土壤含水量变化范围为13.36%~15.62%，其中草地土壤含水量最低，裸地和沙棘土壤含水量显著高于草地（P<0.05）；不同样地在10~20 cm土层土壤含水量变化范围为11.73%~14.05%，沙棘样地显著高于草地（P<0.05）；在20~40 cm 土层土壤含水量变化范围为10.08%~12.16%，3个样地土壤含水量差异显著（P<0.05），沙棘显著高于草地和裸地。与裸地相比较，沙棘具有显著提高0~40 cm土层土壤含水量的趋势，草地具有显著降低0~40 cm土层土壤含水量的趋势。

表2 不同土地利用类型土壤持水性能

2.1.2 最大持水量

由表2 可知，3 个样地的最大持水量在土壤剖面上差异显著（P<0.05），其中裸地和沙棘最大持水量随土层深度的加深呈递减趋势，草地随土层深度的加深先增加后减小。不同样地间最大持水量差异显著（P<0.05），均值为40.98%~47.10%，裸地>沙棘>草地。不同样地在0~10 cm 土层最大持水量变化范围为44.94%~51.55%，其中草地最大持水量最低，裸地最大持水量显著高于草地（P<0.05）；不同样地在10~20 cm土层土壤含水量变化范围为38.52%~49.75%，草地显著低于裸地和沙棘（P<0.05）；在20~40 cm 土层变化趋势有所不同，其中沙棘样地最大持水量显著高于裸地和草地（P<0.05），变化范围为39.48%~41.20%。与裸地相比较，草地在0~20 cm土层具有显著降低最大持水量的趋势，沙棘具有显著提高20~40 cm土层最大持水量的趋势。

2.1.3 毛管持水量

由表2 可知，裸地和沙棘的毛管持水量在土壤剖面上差异显著（P<0.05），其中裸地随土层深度的增加呈递减趋势，沙棘则随土层深度的增加先减小后增加，草地在土壤剖面上的差异不显著。不同样地间毛管持水量差异显著（P<0.05），均值为33.40%~37.45%，裸地>沙棘>草地。不同样地在0~10 cm 土层毛管持水量变化范围为33.45%~39.03%，3 个样地毛管持水量差异显著（P<0.05），其中裸地毛管持水量显著高于沙棘和草地，沙棘显著高于草地；在10~20 cm 土层变化趋势有所不同，不同土地利用类型毛管持水量变化范围为32.83%~38.26%，裸地显著高于草地和沙棘（P<0.05）；在20~40 cm 土层毛管持水量变化范围为34.34%~35.05%，其中裸地显著高于草地（P<0.05），与沙棘的差异不显著。与裸地相比较，草地在0~40 cm 土层具有显著降低毛管持水量的趋势。

2.2 不同土地利用类型土壤容重及孔隙度分析

2.2.1 土壤容重

由表3 可知，3 个样地的土壤容重在土壤剖面上差异显著（P<0.05），其中裸地和沙棘随土层深度的增加而增大，草地随土层深度的加深先增大后减小；裸地和沙棘不同样地间平均土壤容重差异显著，均值为1.15~1.28 g/cm³，裸地<沙棘<草地。不同样地在0~10 cm 土层土壤容重变化范围为1.09~1.20 g/cm³，其中草地土壤容重最高，裸地和沙棘土壤容重显著低于草地（P<0.05）；不同样地在10~20 cm土层土壤容重变化趋势与0~10 cm 土层相同，变化范围为1.12~1.35 g/cm³；20~40 cm 土层变化趋势有所不同，草地最高，其次是裸地，沙棘最低，各样地间没有达到显著水平。与裸地相比较，沙棘显著降低0~20 cm 土层的容重，但在20~40 cm 土层内土壤容重差异不显著，草地在0~20 cm土层能够增加土壤容重。

表3 不同土地利用类型不同土层土壤容重及孔隙度

2.2.2 非毛管孔隙度

由表3 可知，3 个样地的非毛管孔隙度在土壤剖面上差异显著（P<0.05），均随土层深度的增加而减小；不同样地间非毛管孔隙度差异显著（P<0.05），均值为9.54%~11.85%，沙棘>裸地>草地。不同样地在0~10 cm 土层土壤非毛管孔隙度变化范围为13.60%~14.40%，沙棘最高，其次是草地，裸地最低，各样地间差异没有达到显著水平；不同样地在10~20 cm 土层非毛管孔隙度变化范围为7.71%~12.81%，其中草地的非毛管孔隙度显著低于裸地和沙棘（P<0.05）；不同样地在20~40 cm 土层非毛管孔隙度变化范围为6.17%~8.14%，3 个样地差异显著（P<0.05），其中沙棘最高，其次是草地，裸地最低。与裸地相比，沙棘在0~40 cm 土层范围内具有增加土壤非毛管孔隙度的趋势。

2.2.3 毛管孔隙度

由表3 可得，裸地和草地的毛管孔隙度在土壤剖面上差异不显著，而沙棘的差异显著（P<0.05），随土层深度的增加先减小再增加；不同样地间平均毛管孔隙度差异显著，均值40.01%~42.97%，裸地>草地>沙棘。不同样地在0~10 cm 土层土壤毛管孔隙度变化范围为39.36%~42.60%，裸地最高，其次是草地，沙棘最低，各样地间差异没有达到显著水平；不同样地在10~20 cm 土层毛管孔隙度变化范围为38.91%~44.42%，其中沙棘毛管孔隙度显著低于裸地和草地（P<0.05）；不同样地在20~40 cm 土层土壤毛管孔隙度变化范围为41.77%~43.69%，各样地间差异没有达到显著水平，其中裸地最大，其次是草地，沙棘最小。与裸地相比，沙棘在10~20 cm 土层对毛管持水量有显著降低作用（P<0.05）。

3 讨论与结论

在黄土高原区和退化的生态系统中，缺水是植被恢复和生态系统恢复的最主要制约因素［13-14］。通过分析发现，沙棘3 个土层深度的土壤含水量存在显著差异，这主要由于沙棘根系生长和对水分吸收利用的不同导致。其中土壤含水量的最高值出现在沙棘的0~10 cm 处，说明表层土壤含水量较高，其原因可能是土壤表层植被根系分布较少，这与李威威等［15］的研究结果相同。与裸地相比较，沙棘在0~40 cm 土层平均土壤含水量较高，说明沙棘人工林土壤蓄水功能较强，使得土壤保持较高的土壤水分，为植被根系所用。

土壤持水性能是评价森林涵养水源和调节水循环的重要指标，与土壤结构密切相关，能够反映土壤的保水、供水能力［16］。研究发现3 种样地最大持水量均随土层的加深呈降低趋势，这可能是表层土壤和深层土壤有机质含量不同导致［17-18］。同时研究还发现，沙棘最大持水量显著高于草地，与裸地相比，沙棘在20~40 cm 土层最大持水量较高，其原因可能是沙棘人工林土壤有机质含量较高导致土壤孔隙度一定程度的增大。而草地则由于土壤质地较紧实、缺乏团粒结构等原因导致最大持水量和毛管持水量显著低于沙棘，这与伍玉容［19］和伍海兵等［20］的研究结果相似。沙棘人工林能够保持较高水平的最大持水量表明沙棘人工林能够有效提高土壤的保水能力。

土壤容重是体现土壤紧实度的重要指标，本研究发现沙棘土壤容重显著低于草地，并随着土层深度的增加而增大。这是因为有机质和腐殖质一般集中在土壤表层，随着土壤层的加深，其含量逐渐减少，而土壤有机质越高，容重越小，这与马星竹等［21］的研究结果相似。与裸地相比较，沙棘在0~20 cm 土层容重较低，草地在0~20 cm 土层容重较高，这表明沙棘人工林土壤质地松软且结构优良，有利于植物的生长，而草地土壤质地紧实、缺乏团粒结构，对植物的生长较为不利，这与李遇春［22］和王轶浩等［23］的研究结果相似。此外，本研究还发现，土壤含水量与土壤容重存在负相关关系，而与孔隙度存在正相关关系，这与纳磊［24］、李刚［25］和易扬等［26］的研究结果一致。

土壤孔隙度直接影响着土壤通气和渗透性能，孔隙度越大土壤有机质含量越多，土壤结构越疏松，有利于雨水下渗，减少地表径流［27］。本研究中3个样地的毛管孔隙度在土壤剖面上存在差异，其中，裸地和草地在土壤剖面上差异不显著，沙棘在土壤剖面上差异显著。而非毛管孔隙度在土壤剖面上差异显著，均随土层深度的增加而减小，其原因可能是非毛管孔隙度与土壤容重呈一定程度负相关，土壤容重越大，土壤孔隙度越小，土壤侵蚀越严重［28］；不同土地利用类型间平均毛管孔隙度差异显著，沙棘平均毛管孔隙度显著低于裸地，这反映了沙棘人工林吸持水分供其正常生理活动能力较强［29］。沙棘非毛管孔隙度在20~40 cm 土层显著高于裸地及草地，其原因可能是沙棘人工林的生长造成土壤紧实度发生变化，进而导致非毛管孔隙度增大。与裸地相比，沙棘在10~40 cm 土层范围内提高了土壤非毛管孔隙度，改善了土壤水文物理性质，增强了各土层土壤蓄水能力。以上结论表明沙棘人工林能够增加土壤通气、透水能力，对土壤紧实度以及通气性有一定的改善。

综上，在黄土高原区吴起县，沙棘人工林对改善土壤物理性质起到重要作用。沙棘人工林能够显著提高土壤含水量、最大持水量、非毛管孔隙度，显著降低土壤容重。这表明沙棘人工林土壤蓄水功能较强，具有良好的保水性能，土壤质地松软且结构性优良，有利于植物的生长，土壤抗侵蚀能力增强以及对土壤紧实度以及通气性有一定的改善，土壤物理性质最佳。因此沙棘人工林对环境的适应性较强，对黄土高原土壤具有较好的改良作用。