黄土区植被恢复对土壤水文物理性质的影响

2023-10-23刘卓昕穆兴民邱德勋丁莹莹

水土保持研究 2023年6期

刘卓昕, 高鹏,, 穆兴民,, 邱德勋, 丁莹莹

(1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712100; 2.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)

自20世纪50年代以来,为治理黄土高原严重的水土流失,该地区就开展了有组织的规模化水土保持治理工作[1-2],特别是1999年以来退耕还林(草)措施的实施,植被盖度从20世纪80年代的28.8%增长到2018年的60%以上,植被恢复已经成为该地区控制水土流失、改善生态系统服务功能的重要措施[3]。退耕还林(草)使得植被覆盖发生了显著变化,缓慢改变了土壤的理化性质,导致土壤水文过程发生改变,促使超渗产流转变为蓄满产流和壤中流,降低了产流和产沙量[4-5]。所以,研究植被恢复对土壤水文物理性质的影响在黄土高原水土保持工作中具有重要意义。

植被恢复对土壤物理性质的影响一直是土壤学及水土保持工作的研究重点。植被和土壤的相互作用导致土壤物理性质变化,从而显著改变了土壤结构。退耕还林(草)显著提高了表层土壤质量[6],植被通过增加地表枯落物和土壤有机质提高了土壤团聚体的含量和稳定性,从而促进退化土壤性质恢复[7],使土壤容重显著降低[8]。土壤容重的大小可以反映植被恢复对土壤孔隙状况与通气透水能力的改善程度[9-10]。焦梦妍等发现,安塞地区不同植被恢复阶段表层土壤容重总体表现为先减少后增加的趋势,在30 a时降到最低值,孔隙度变化趋势则与之相反[11]。但是李同川发现土壤大孔隙特征随植被年龄的增加而逐渐优化,40 a生柠条比22 a生柠条覆盖下的土壤拥有更好的孔隙结构[12]。土壤结构的变化对土壤水文性质产生显著影响。目前,植被恢复可以改善土壤结构,从而提高土壤入渗和持水能力这点已有普遍共识。大量研究[13-16]表明,土壤入渗性能与土壤容重、孔隙度、水稳性团聚体以及有机质含量显著相关。在植被恢复过程中,植被类型是影响土壤入渗的重要因素,而且在不同地区,植被恢复类型对土壤入渗性能呈现出不同的影响。王国梁等[14]发现安塞纸坊沟流域的灌木和草地土壤稳定入渗速率显著大于林地。但是刘畅等[17]发现吉县蔡家川流域的林地土壤入渗速率明显大于灌木和草地。随着退耕年限的增加,土壤容重减小,水稳性团聚体和有机质含量增加,土壤结构更加稳定,更有利于水分入渗[18]。

综上所述,针对不同植被类型和恢复年限的土壤性质变化已经进行了大量的研究,但是黄土高原的植被生态恢复是一个长期工作,而且在不同地区,由于气候、地形以及土壤等因素的不同,植被类型对土壤水文物理性质的影响也不尽相同,所以仍需要对黄土高原进行大量持续的研究以明确黄土高原长期大范围的植被恢复对土壤水文过程的影响,从而针对不同地区进行合理的植被恢复及水土保持治理规划。绥德和神木位于陕西省北部,属于典型的黄土区,土壤侵蚀活动强烈而且具有很强的代表性,两个地区自20世纪50年代开始进行水土保持治理措施,生态环境显著改善,在黄土高原的水保治理工作中具有代表示范性作用。选择这两个区域为研究区,探讨黄土区典型流域植被恢复对土壤水文物理性质的影响,有助于进一步认识黄土高原典型黄土区的土壤水文过程,对于黄土高原生态恢复和水土保持治理具有重要作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辛店沟(110°16′45″—110°20′00″E,37°29′00″—37°31′00″N)和桥沟流域(110°17′24″—110°17′43″E,37°29′33″—37°30′13″N)位于陕西省榆林市绥德县,属于黄土高原丘陵沟壑区,土壤类型主要为黄绵土。气候类型为半干旱大陆性季风气候,多年平均气温约为10.1℃,平均降雨量约为480 mm,集中在6—9月,且多以暴雨形式出现。研究区代表性植物类型有柠条(Caraganakorshinskii)、狗尾草(Setariaviridis)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、油松(Pinustabulaeformis)等。

六道沟流域(110°21′—110°23′E,38°46′—38°51′N)位于陕西省榆林市神木市,位于黄土高原北部水蚀风蚀交错带,土壤类型以风沙土和黄绵土为主。气候属于半干旱大陆性季风气候,多年平均年降雨量为440.8 mm,年均温为8.9℃,降水年内分配不均,集中在6—9月。该流域主要植被类型有长芒草(Stipabungeana)、柠条、沙柳(Salixcheilophila)等。

1.2 研究方法

为了明确陕北黄土区典型流域植被恢复对土壤水文物理性质的影响,对黄土区典型流域的农地与草地、灌木以及林地3种植被恢复类型的土壤水文物理性质进行分析。

1.2.1 试验样地选择为了研究植被恢复对土壤水文物理性质的影响,选择陕北黄土高原两个典型的退耕还林(草)地区进行野外试验,分别是陕西省绥德县的辛店沟和桥沟流域以及陕西省神木市的六道沟流域。对小流域进行充分的野外踏查,在了解研究区域主要植被恢复模式以及沟坡主要植物群落、生长状况和分布特征的基础上,选择坡度、坡向、海拔以及恢复年限等条件大致相同的草地、灌木地和林地作为试验样地。同时选择农地作为植被恢复样地的对照组。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic conditions of sample plots

1.2.2 样品采集与试验在每种植被类型样地选择植被生长较为典型的地块布设样方,样方面积为20 m×20 m。样方布设好后,在样方中部沿水平方向等间距选取3个采样点重复采样。在每个采样点挖100 cm深土壤剖面,前20 cm以10 cm为间隔用100 cm3环刀进行取样,20—100 cm以20 cm为间隔进行取样,用于测定容重和孔隙度。同时每个土层取500 g左右原状土样用于测定水稳性团聚体,用自封袋在每层取2次土样测定土壤机械组成和有机质。在剖面旁打1 m深土钻,每隔10 cm用小铝盒取样,测得土壤质量含水量。

在每个剖面旁边选择一块较平坦的土地进行野外双环入渗试验,每个样地均进行3次重复试验。用小铲子去除地表植被和枯落物,并将地表铲平。用铁锤将内环30 cm,外环45 cm的双环垂直打入土壤表面以下5 cm。试验开始后,同时向内外环迅速注水,当内外环水位达到4 cm开始计时,采用定水头注水法测定入渗速率。试验以0.5 min,1 min,3 min,5 min,7 min,10 min,15 min,20 min,25 min,…,为时间间隔计数,每次双环入渗试验进行50 min。将前1 min的平均入渗速率视为初始入渗速率,最后10 min的平均入渗速率视为稳定入渗速率,0～50 min的平均入渗速率为平均入渗速率。

1.2.3 土壤性质测定与计算土壤有机质采用重铬酸钾热容量法测定。粒径使用马尔文MS2000型激光粒度仪测定,根据美国农业部土壤分类法,土壤颗粒按粒径分为3类,2～0.05 mm为砂粒、0.05～0.002 mm为粉粒、小于0.002 mm为黏粒。水稳性团聚体含量采用Yoder法测定。土壤含水量使用烘干法测得。土壤容重和孔隙度采用环刀法测定。具体测定方法参照《土壤理化分析》[19]。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型的土壤物理特征

根据不同植被类型和不同深度土层土壤的主要物理性质(表2,表3)可以发现土壤物理性质受植被恢复类型影响显著(p<0.05),土层深度对土壤有机质、团聚体、容重、孔隙度以及含水量有显著影响(p<0.05),植被恢复对土壤造成的影响在40 cm以上的土层中表现最为明显。

表2 绥德地区不同深度和土地利用类型的土壤特征Table 2 Soil characteristics at different depths and land use types in the Suide area

表3 神木地区不同深度和土地利用类型的土壤特征Table 3 Soil characteristics at different depths and land use types in the Shenmu area

农地的容重普遍高于其他植被类型,其总孔隙度则较小,尤其在0—20 cm土层差异显著(p<0.05)。在0—20 cm土层中,绥德和神木地区容重最小的植被类型分别为草地(1.17 g/cm3)和灌木(1.28 g/cm3),容重最大的样地均为农地(1.30 g/cm3,1.47 g/cm3),神木地区的土壤容重在整体上大于绥德。相较于农地,其他3种植被类型的>0.25 mm水稳性团聚体和有机质含量增加,随着土层的加深,团聚体和有机质的含量显著降低(p<0.05)。0—20 cm土层中,草地的有机质含量较高,特别在绥德地区,草地土壤表层的有机质含量显著大于农地。灌木和林地在20 cm以下土层中的有机质含量要大于草地和农地,特别是在40—100 cm土层中,绥德灌木(2.75 g/kg)地以及神木林地(1.31 g/kg)、灌木(1.28 g/kg)样地的有机质含量显著大于农地,表明灌木和林地更有利于增加较深层土壤的有机质含量。植被恢复后,神木地区土壤黏粒含量显著增加,砂砾含量显著减少(p<0.05),黏粒含量受灌木的影响最大。相较于农地,灌木3个土层的黏粒含量从浅到深依次增加了49%,92%和106%。在不同土层,绥德地区农地含水量均显著大于其他3种植被类型,说明草地、灌木和林地的耗水量要显著大于农地。神木地区4种类型样地的含水量随着土层的加深而增加,表明浅层土壤水分的消耗更强。

2.2 不同植被类型的土壤入渗特征

退耕还林(草)增强了土壤的入渗能力,而且不同植被类型的入渗性能差异显著(图1)。土壤入渗速率在前5 min内迅速下降,在15 min后基本趋于稳定(图2)。草地的土壤表层具有发达的根系,两个地区草地的初始入渗速率均显著大于其他植被类型(p<0.05),相较于农地,绥德和神木草地的初始入渗分别增加了50%和31%。两个地区灌木和林地的初始入渗速率与农地无显著差异(图1)。

图1 绥德和神木地区各植被类型的不同入渗参数对比Fig. 1 Comparison of different infiltration parameters of different vegetation types in Suide and Shenmu areas

图2 绥德和神木地区不同植被类型的土壤入渗过程Fig. 2 Soil infiltration process of different vegetation types in Suide and Shenmu areas

随着入渗过程的进行,两个地区草地和其他植被类型入渗速率的关系呈现不同的变化(图2)。绥德地区草地的入渗速率在整个入渗过程中基本上均大于其他植被类型。草地的稳定入渗速率显著大于农地、灌木和林地(p<0.05)。相较于农地,草地的稳定入渗增加了76%,灌木、林地和农地的稳定入渗无显著差异。神木地区,草地的入渗速率在前5 min内迅速下降。从入渗过程曲线可以看出,草地的入渗速率从3 min后始终明显小于灌木,与林地的入渗速率没有明显差距。相较于农地,草地、灌木和林地的稳定入渗速率明显增加,增加幅度分别为53%,128%和58%,灌木的稳定入渗速率显著大于农地(p<0.05)。

绥德和神木各植被类型的平均入渗和稳定入渗速率的次序相同,在整个入渗过程中,入渗速率在前5 min内迅速下降(图2),所以平均入渗速率的大小主要取决于土壤稳定入渗。两个地区植被恢复样地的平均入渗速率相较于农地均有不同程度的增加,绥德地区草地、灌木和林地相比农地分别增加了65%,2%和26%,草地的平均入渗速率显著高于农地;神木地区分别增加了43%,103%和37%,灌木的平均入渗速率显著高于农地。

2.3 土壤水分入渗影响因素分析

植被恢复通过增加土壤有机质,改善土壤结构与性质从而影响土壤的入渗能力。为了明确土壤入渗能力的影响因素及其相关关系,对土壤各项物理性质和入渗能力进行了相关性分析(表4)。

表4 土壤性质与入渗特征值的相关系数Table 4 Correlation coefficients between soil properties and infiltration parameters

土壤有机质、容重和孔隙度对土壤稳定入渗速率和平均入渗速率有显著影响,土壤颗粒组成、水稳性团聚体含量以及土壤含水量与土壤入渗能力无显著相关关系。土壤稳定入渗和平均入渗与容重呈显著负相关关系(p<0.05),与总孔隙度、毛管孔隙度(p<0.05)和有机质含量(p<0.01)呈显著正相关。团聚体和非毛管孔隙度对土壤入渗能力有重要影响,和土壤的入渗速率呈正相关关系。

对与土壤入渗能力有显著相关关系(p<0.05)的因素进行线性回归分析(图3),发现有机碳与土壤入渗的拟合程度最好,稳定入渗和平均入渗的R2为分别0.783,0.719。容重、总孔隙度和毛管孔隙度与稳定入渗和平均入渗的相关系数表明这3种因素与土壤稳定入渗的关系更加密切。因此,这3种因素与稳定入渗进行拟合的R2大于平均入渗。容重、总孔隙度和毛管孔隙度与稳定入渗线性拟合的R2分别是0.502,0.514,0.571,平均入渗的R2分别为0.382,0.387,0.429。

图3 稳定入渗和平均入渗速率与不同土壤特征参数的回归分析Fig. 3 Regression analysis of stable infiltration and average infiltration rate with different soil characteristic parameters

3 讨论

3.1 植被恢复对土壤物理特征的影响

大量研究表明,植被恢复可以提高土壤有机质含量、降低土壤容重、增加孔隙度、影响土壤结构,从而改善退化土壤性质[18,20-22]。本研究通过分析两个地区不同植被恢复类型的土壤特征,研究了植被恢复对土壤水文物理特征的影响。研究发现植被恢复后土壤物理性质变化显著,土壤有机质和水稳性团聚体含量显著增加,土壤结构发生变化,尤其是对0—40 cm土层的土壤结构影响显著。这是由于土壤结构与土壤有机质含量密切相关[21]。植被枯枝落叶以及根系的分布决定了土壤有机质的垂直分布特征[23],枯枝落叶在土壤表层大量累积,而且浅层土壤的根系活动明显强于深层土壤[24],因此植被恢复对0—40 cm土层的土壤影响尤为显著,0—20 cm土层的有机质含量显著大于20 cm以下的土层。与之相比,农地没有枯枝落叶层,并且由于作物的吸收生长导致土壤中有机质损失,造成了土壤的退化。

土壤性质是经过地形、成土母质、土地利用类型以及气候等多种因子综合作用的结果,黄土高原地貌类型多样,地形、坡位、坡向、海拔共同影响水热条件和土壤物质的再分配[25],所以相同植被类型在不同地区对土壤的影响呈现不同的效果。研究发现在绥德地区,草地对表层土壤物理性质的影响更加明显,随着土层的加深,灌木和林地对土壤的影响强于草地,而在神木地区,灌木对土壤质量的改善要强于其他植被类型。植被恢复在绥德对土壤性质的影响表现在0—40 cm的土层中,但是神木地区,只对表层20 cm的土壤影响较为明显。

3.2 植被恢复对土壤水分入渗的影响

植被恢复可以显著提高土壤水分入渗速率[14]。植被恢复使得土壤有机质含量增加以及土壤环境发生变化,从而导致根系和土壤生物量增加[26],这促进了土壤团聚体和孔隙度的增加,进而改善了土壤结构并导致土壤渗透性增强[20]。同时,植物根系和土壤生物在土壤中产生的大孔隙使得土壤水入渗时出现优先流[21],这也会导致土壤入渗速率变快。

研究发现,土壤渗透性与土壤有机质、容重和孔隙度显著相关。植被恢复对0—40 cm土层的影响更显著,浅层土壤的结构优于深层土壤,这样使得浅层土的渗透性能比深层土强。同时由于表层土壤发达的根系和地表植被,造成土壤入渗量增多,使得植被恢复后,流域的产流由原本的超渗产流转变为蓄满产流和壤中流[5]。本研究发现农地的初始入渗速率要高于灌木和林地,这是由于农地耕作层经过人为的翻耕以及除草等活动使得土层疏松,发达的孔隙造成了农地的初始入渗速率较高,之后农地的入渗速率便迅速下降,小于其他植被恢复样地的入渗速率。