黃泛平原風(fēng)沙區(qū)不同造林年限林地土壤風(fēng)蝕與理化性質(zhì)的變化

姬生勛，劉玉濤，董 智，李紅麗，劉 振

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/泰山森林生態(tài)站，山東泰安271018)

土壤風(fēng)蝕是干旱、半干旱以及部分半濕潤(rùn)地區(qū)土地沙漠化與沙塵暴災(zāi)害的首要環(huán)節(jié)，也是世界上許多國(guó)家和地區(qū)的主要環(huán)境問題之一[1]。山東魯西北地區(qū)因歷史上黃河頻繁改道與決口泛濫，形成多條故道與大面積的黃泛沖積平原，因其風(fēng)沙化嚴(yán)重而被聯(lián)合國(guó)列為高度荒漠化威脅區(qū)[2]。莘縣位于魯西平原，屬莘縣-冠縣-臨清-夏津-陵縣故道形成的故道風(fēng)沙區(qū)，區(qū)內(nèi)沙物質(zhì)沉積豐富，在春、秋、冬季，風(fēng)沙吹揚(yáng)嚴(yán)重，土壤風(fēng)蝕明顯、土地沙化普遍，是聊城市中、強(qiáng)度侵蝕集中分布區(qū)[3]。土地風(fēng)沙化給區(qū)域人民群眾的生產(chǎn)和生活帶來極大的危害。為防治風(fēng)沙危害，該區(qū)域開展了以林為主的人工防護(hù)林、農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)與速生豐產(chǎn)林等林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程。近年來，許多學(xué)者就黃泛平原區(qū)林業(yè)建設(shè)模式、更新、楊樹人工林無性系蒸騰特性、改善小氣候效應(yīng)、土壤水文效應(yīng)、改良土壤效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效益及農(nóng)林間作增產(chǎn)效應(yīng)等進(jìn)行了研究[4-9]。然而針對(duì)林地土壤風(fēng)蝕及其理化性質(zhì)隨造林時(shí)間延長(zhǎng)而變化的研究較為少見。很多地區(qū)在造林時(shí)并未進(jìn)行土壤風(fēng)蝕及理化性質(zhì)的測(cè)定，這也給研究不同造林時(shí)間對(duì)造林地土壤風(fēng)蝕及理化性質(zhì)的影響造成了困難?；诖?，本文采用空間替代時(shí)間法，研究不同造林年限的人工林地對(duì)土壤風(fēng)蝕及理化性質(zhì)的影響，同時(shí)就各造林地內(nèi)行間與樹下各參數(shù)的變化進(jìn)行研究，以期揭示造林時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)土壤風(fēng)蝕狀況和土壤理化性質(zhì)的影響，為林地的合理經(jīng)營(yíng)及防沙治沙提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于莘縣西北部，處于莘縣、冠縣和大名縣三縣交界處，總面積83 km2。研究區(qū)屬溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)性大陸氣候，春秋季干燥多風(fēng)，夏季降水集中，冬季寒冷干燥多風(fēng)。多年平均氣溫13.2℃，平均降水量為545 mm，年均風(fēng)速3.4 m/s。研究區(qū)屬黃河沖積平原，土層深厚，土地風(fēng)沙化嚴(yán)重，冬春季極易引起土壤風(fēng)蝕和揚(yáng)沙現(xiàn)象。土壤類型為褐化潮土，土壤養(yǎng)分含量低。由于地力貧瘠，該區(qū)大部分以花生、小麥、玉米等作為主要種植作物，并實(shí)行一年一作制，冬春季有大量裸露土地出現(xiàn)。該區(qū)曾是聯(lián)合國(guó)2606造林項(xiàng)目建設(shè)區(qū)，也是楊樹防護(hù)林與速生豐產(chǎn)林的主要建設(shè)區(qū)，區(qū)內(nèi)有不同造林年限的楊樹人工林地。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

在詳細(xì)調(diào)查研究區(qū)土壤、造林年限及造林前土地利用方式的基礎(chǔ)上，分別選定土壤類型一致、造林前利用方式相同或相近的1 a造林地、3 a造林地，5 a造林地和8 a造林地為研究對(duì)象。各造林地均為片林，各林地的具體狀況見表1。

表1 各造林地具體狀況表

2.2 土壤風(fēng)蝕測(cè)定

在各樣地內(nèi)，沿對(duì)角線分別選擇5 m×10 m的樣方各5塊，于2009年10月30日在樣方內(nèi)按1 m×2 m的規(guī)格設(shè)置測(cè)釬，測(cè)釬頂端距地面高度為1 cm，每月30日測(cè)量測(cè)釬頂端距地面的高度，直至2010年4月30日止;以前后兩次測(cè)定高度之差做為蝕積厚度，其中正值為風(fēng)蝕，負(fù)值為堆積。1，3，5 a的造林地，測(cè)釬在行間按1 m間距布設(shè)，即樹下、行間各3行，株間按2 m布設(shè)，每樣地共布設(shè)36根測(cè)釬。8 a的造林地測(cè)釬布設(shè)樣方10 m×20 m，測(cè)釬均按2 m×2 m布設(shè)，每樣地24根測(cè)釬。

2.3 土樣理化性質(zhì)測(cè)定及分析

土壤風(fēng)蝕測(cè)定結(jié)束后，在每根測(cè)釬周圍，挖取土壤剖面，用環(huán)刀法測(cè)定0-5 cm土層的土壤孔隙度、容重，并用烘干法測(cè)定土壤含水量，同時(shí)取土樣，帶回室內(nèi)風(fēng)干，用鉻酸氧還滴定法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同造林年限林地土壤風(fēng)蝕的時(shí)空變化

3.1.1 不同造林年限林地土壤風(fēng)蝕總體狀況 人工造林是黃泛平原風(fēng)沙區(qū)防風(fēng)固沙的重要手段，但不同造林年限的造林地，其對(duì)于土壤風(fēng)蝕的控制作用不同。圖1為1，3，5，8 a造林地當(dāng)年11月至次年4月的蝕積狀況。由圖看出，當(dāng)年11月至次年4月的觀測(cè)期間，不同造林年限的林地其土壤風(fēng)蝕狀況差異明顯，且隨著造林年限的增加，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度降低，風(fēng)蝕深度減少，并出現(xiàn)堆積?？傮w上，1 a、3 a的造林地均處于風(fēng)蝕狀態(tài);5 a造林地則表現(xiàn)為蝕積平衡狀態(tài);而8 a造林地表現(xiàn)為堆積。1 a造林地的平均風(fēng)蝕深度1.11 cm，3 a造林地的平均風(fēng)蝕深度為0.25 cm，僅是1 a造林地風(fēng)蝕深度的22.5%。5 a造林地蝕積平衡，風(fēng)蝕深度為0.01 cm，僅為1 a造林地風(fēng)蝕深度的0.9%;而8 a造林地主要表現(xiàn)為風(fēng)積，其堆積深度為0.29 cm。據(jù)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)中土壤風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)分析，1 a造林地為中度風(fēng)蝕，3 a造林地為輕度風(fēng)蝕，5 a造林地?zé)o明顯侵蝕，為微度風(fēng)蝕，8 a造林地為風(fēng)積。

不同造林年限林地的風(fēng)蝕現(xiàn)狀表明，雖然造林能夠有效降低風(fēng)速，防治風(fēng)蝕現(xiàn)象的發(fā)生，但在造林初期尚不能完全防止風(fēng)蝕。這是因?yàn)樾略炝稚胁荒苄纬梢欢ǖ挠糸]度，達(dá)不到一定的枝葉量，其防風(fēng)控蝕作用較弱，加之1 a造林地因當(dāng)年造林，林地地表土壤結(jié)構(gòu)松散，抗蝕性差，因而其風(fēng)蝕深度最大。隨著造林年限的延長(zhǎng)，楊樹根系增多，對(duì)土壤的固持作用增強(qiáng)，而且林分內(nèi)開始出現(xiàn)枯落物的覆蓋，土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，提高了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地增加了土壤的抗蝕性，使得風(fēng)蝕量大大減少。此外，由于楊樹人工林的進(jìn)一步生長(zhǎng)，枝葉增多，樹體的防風(fēng)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，不僅減弱了風(fēng)蝕，而且開始能夠攔蓄風(fēng)沙。野外調(diào)查表明，5 a、8 a的造林地內(nèi)出現(xiàn)苔蘚、地衣等結(jié)皮層，結(jié)皮層的出現(xiàn)主要與沉積細(xì)粒物質(zhì)有關(guān)。

圖1 不同造林年限林地土壤總體蝕積深度

圖2 不同造林年限林地土壤蝕積月際變化

3.1.2 不同造林年限林地土壤風(fēng)蝕的月際變化 由圖2可知，不同造林年限林地在不同月份其蝕積表現(xiàn)差異明顯。1 a造林地在各個(gè)月份均為風(fēng)蝕狀態(tài)，且11月風(fēng)蝕深度最大，次之為4月，而2月風(fēng)蝕深度最小，11月和4月的風(fēng)蝕深度分別為2月風(fēng)蝕深度的4.38倍和3.85倍。3 a造林地在11月至次年2月處于風(fēng)蝕狀態(tài)，且以12月風(fēng)蝕最大，3月、4月處于風(fēng)積狀態(tài)。5 a造林地在11月、3月、4月處于風(fēng)積狀態(tài)，而12月至次年2月一直為風(fēng)蝕狀態(tài)，且以12月風(fēng)蝕深度最大。8 a造林地僅在1月、2月有輕微的風(fēng)蝕現(xiàn)象，其他月份均處于風(fēng)積狀態(tài)。各個(gè)月份土壤蝕積深度上的變化，一方面與該地區(qū)風(fēng)速的季節(jié)性變化有關(guān)，11月、12月和3月、4月為該地區(qū)風(fēng)速較大的月份，且風(fēng)速差別不大，而1月和2月風(fēng)速小，僅為4月份風(fēng)速的71.4%和80.1%，因風(fēng)速大小的不同而造成蝕積量在各月間的差異。另一方面，蝕積量也與樹木的生長(zhǎng)有較大關(guān)系，11月葉子尚未完全落盡，仍能發(fā)揮一定削弱風(fēng)速的作用，而在4月份時(shí)，新葉開始展放，使其具有降低風(fēng)速的作用。12月至翌年3月僅有樹體在發(fā)揮作用，由于不同造林年限林地的胸徑斷面積差別明顯，造成了對(duì)風(fēng)速作用的不同。但對(duì)于1 a造林地而言，因造林年限短，樹體尚難發(fā)揮作用，因而與其他年限的林地有較大的差別。此外，1月、2月蝕積量小還可能與溫度低，地表凍結(jié)有關(guān)。

3.1.3 不同造林年限林地土壤風(fēng)蝕的空間變化 由圖1看出，不同造林年限行間與樹下的蝕積狀況差異較大。1 a、3 a的造林地行間與樹下雖然均處于風(fēng)蝕狀態(tài)，但行間的風(fēng)蝕量卻高于樹下，1 a、3 a造林地行間風(fēng)蝕深度分別是樹下的1.13倍和1.55倍;5 a造林地則表現(xiàn)為行間風(fēng)蝕、樹下堆積，總體上平衡的態(tài)勢(shì);而8 a造林地則行間和樹下均表現(xiàn)為堆積，但行間的堆積深度卻小于樹下的堆積深度，后者是前者的

1.76 倍。行間與樹下的蝕積表現(xiàn)的差異可能與二者的微地形起伏及有無樹體遮擋有關(guān)，行間地勢(shì)稍高，且無樹體的遮擋，風(fēng)速流場(chǎng)暢通，因而風(fēng)速就大;而樹下則地勢(shì)稍低，行間稍高的地勢(shì)在其上風(fēng)向形成了類似高壟的功能，可以起到降低風(fēng)速的作用，而且因樹體的遮擋與分流，風(fēng)速在樹體前減弱，因而風(fēng)蝕降低甚至于會(huì)引起沉積。二者的共同作用使得行間風(fēng)蝕深度略大于樹下。1 a和3 a生樹下的風(fēng)蝕深度分別為行間的88.1%和64.5%，分別較行間減小11.9%和35.5%。

不同造林年限林地行間與樹下在月份間的土壤蝕積規(guī)律相互一致，但在蝕積深度上有差別。風(fēng)蝕發(fā)生時(shí)行間風(fēng)蝕深度大于樹下，堆積時(shí)則相反，樹下的堆積較行間大。

3.2 不同造林年限對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

3.2.1 不同造林年限林地土壤物理性質(zhì)的變化 土壤容重與孔隙度是表征土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，可綜合反映土壤結(jié)構(gòu)性能和緊實(shí)程度，對(duì)土壤的透氣性、入滲性能、持水能力以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響。由表2可知，隨造林年限的增加，土壤容重減小，土壤總孔隙度、毛管孔隙度及含水量增加，非毛管孔隙度減小;而在達(dá)到一定造林年限(5 a)后，容重及總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的變化趨勢(shì)減緩，數(shù)值上趨于穩(wěn)定。這與黃承標(biāo)等的研究結(jié)果一致，人工林林地的土壤容重、孔隙度、含水量隨造林年限增加趨于穩(wěn)定[10]。

利用SPSS軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行的方差分析表明，容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙和含水量差異明顯。多重比較結(jié)果顯示，1 a造林地與其他造林地在各物理性狀指標(biāo)上差異明顯，容重、孔隙度與含水量等指標(biāo)上均差異顯著;3 a造林地與5 a造林地除毛細(xì)孔隙度差異不顯著外，其他指標(biāo)均差異明顯;3 a造林地與8 a造林地在各指標(biāo)上差異明顯，但5 a造林地與8 a造林地在各指標(biāo)上差異均不明顯。

對(duì)于行間和樹下各物理性狀指標(biāo)而言，方差分析表明，行間的容重、非毛管孔隙度大于樹下，且差異明顯;而總孔隙度、毛管孔隙度和土壤含水量均小于樹下，且總孔隙度、毛管孔隙度差異不明顯，土壤含水量差異顯著。這與行間與樹下微地形起伏及受光程度、根系生長(zhǎng)等因素有關(guān)。樹下地形稍低，降水后形成的地表徑流向其集中，且樹干周圍受樹冠遮陰明顯重于行間，地面正常蒸散量低于樹下，因而樹下的土壤含水量高于壟上。而隨著造林年限的增加，樹干周圍衍生出的須根及根系的正常死亡，加大了土壤中非毛管孔隙的數(shù)量。

表2 不同造林年限林地土壤物理性狀

由表2可知，各林地的表層土壤含水量差異明顯，造林年限大者其表層含水量也高，而土壤水分能增大土壤顆粒間的粘附力，增強(qiáng)土壤的抗風(fēng)蝕性[11]。因而，隨著造林年限的增加，有效地提高了土壤的抗風(fēng)蝕性，使其風(fēng)蝕量大大減少;而且樹下土壤含水量的提高也加大了其抗蝕性，造成樹下風(fēng)蝕深度小于行間的特征。

圖3 不同造林年限林地土壤有機(jī)質(zhì)的變化

3.2.2 不同造林年限林地土壤有機(jī)質(zhì)的變化 由圖3看出，無論是行間還是樹下，土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨著造林年限的增加而增加，方差分析表明，造林能夠有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，不同造林年限林地有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，且樹下的有機(jī)質(zhì)含量均高于行間的有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)含量的差異歸因于枯落物的積聚與苔蘚、地衣的生長(zhǎng)。隨著造林年限的增加，林內(nèi)枯枝落葉積聚增加，通過微生物分解作用而形成有機(jī)質(zhì)，而且，林地在5 a時(shí)地面出現(xiàn)苔蘚和地衣結(jié)皮，而苔蘚與地衣形成的生物結(jié)皮對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變和增加土壤有機(jī)質(zhì)含量起著重要作用[12-13]，并能顯著提高土壤的抗蝕性能[14]。結(jié)合不同造林年限林地風(fēng)蝕深度的變化可知，有機(jī)質(zhì)含量的增大有利于增大土壤水分含量，有利于增強(qiáng)土壤的抗蝕性能。

4 結(jié)論

(1)造林是黃泛平原風(fēng)沙區(qū)控制風(fēng)沙活動(dòng)的主要措施，但造林年限不同其控制土壤風(fēng)蝕效果差異明顯。隨著造林年限的延長(zhǎng)風(fēng)蝕深度下降，風(fēng)蝕強(qiáng)度降低并出現(xiàn)風(fēng)積現(xiàn)象。不同造林年限林地風(fēng)蝕深度時(shí)空變化明顯，不同林地在各月份間的蝕積狀態(tài)不同，在空間上，林地行間風(fēng)蝕深度大于樹下，堆積深度小于樹下。

(2)年際尺度上，土壤容重、非毛管孔隙度隨造林年限增大而呈降低趨勢(shì)，總孔隙度、毛管孔隙度、土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量則與之相反，呈增大趨勢(shì)，但造林5 a后，各性狀的變化趨勢(shì)減緩并趨于穩(wěn)定?？臻g尺度上，林地內(nèi)微地形起伏造成行間風(fēng)蝕深度、容重、非毛管孔隙大于樹下，總孔隙度、毛管孔隙度和含水量小于樹下。

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