不同植被類型對土壤物理化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的影響

鐘伶志 李國榮 李進(jìn)芳 陳文婷

摘要 [目的]分析不同植被類型對土壤物理化學(xué)和力學(xué)特性的影響，揭示植被多樣性對土壤及生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)，為區(qū)域生物工程和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論依據(jù)。[方法]以青海省西寧盆地黃土區(qū)和互助北山森林區(qū)為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)測定土體的物理化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，探討不同植被類型對土壤物理化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的影響。[結(jié)果]植被類型的多樣性對植被覆蓋度的影響較大，且不同植被組合類型與根-土復(fù)合體含水量與植被覆蓋度呈正相關(guān)，與土壤孔隙度呈負(fù)相關(guān)，其中隨植被多樣性的增加，土壤含水量增加8.88%～22.43%，土壤密度增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土層pH趨于弱酸性；同一區(qū)域土壤養(yǎng)分含量和根-土復(fù)合體黏聚力總體表現(xiàn)為喬灌草組合區(qū)﹥草灌區(qū)﹥草本區(qū)，說明植被類型、枯枝落葉及根系等對土壤養(yǎng)分的積累和表層土壤力學(xué)特性的影響較大。[結(jié)論]植被類型的多樣性在改善生態(tài)環(huán)境方面起到積極作用，采用植被護(hù)坡和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面應(yīng)考慮植被類型的多樣性，實(shí)現(xiàn)植被-土壤-環(huán)境的良性循環(huán)。

關(guān)鍵詞 植被多樣性；根-土復(fù)合體；物理化學(xué)性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；生態(tài)環(huán)境

中圖分類號 S153文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0112-05

Abstract [Objective]To study effects of different vegetation types on soil physical and mechanical properties and nutrient contents，and it reveals the response of vegetation diversity to soil and ecological environment，and provides theoretical basis for the restoration of regional biological engineering and ecological environment.[Method]Taking the loess area of Xining Basin and the mutual-aid Beishan forest area in Qinghai Province as the research object，the physicochemical and mechanical properties of soils were analyzed with a combination of in situ and indoor testing，the effects of different vegetation types on soil physical and mechanical properties and nutrient contents were discussed.[Result]The diversity of vegetation types had a great influence on the vegetation coverage，and there was a positive correlation between the vegetation types and moisture content of the root-soil composite and the vegetation coverage，but negatively correlated with the soil porosity，the soil water content increased with the vegetation diversity ranged from 8.88% to 22.43%，the soil density increased from 0.03 to 0.54 g/cm and the porosity decreased from 4.89% to 13.38%.The pH of the soil layer tended to be weakly acidic.In the same area，soil nutrient content and cohesion of root-soil composite generally showed as follows：Arbor-shrub-grass combination area>shrub-grass area>grass area，This showed that vegetation types，litter and roots had a great influence on soil nutrient accumulation and surface soil mechanics characteristics.[Conclusion]The diversity of vegetation types plays an active role in improving the ecological environment，and the diversity of vegetation types should be considered in vegetation slope protection and ecological environment protection so as to realize the virtuous circle of vegetation-soil-environment.

Key words Vegetation diversity；Root-soil composite；Physical and mechanical properties；Mechanical properties；Ecological environment

近幾十年來，國家和地方對生態(tài)重視程度日益增加，十九大明確提出人與自然和諧共生的現(xiàn)代化要求，而青海省生態(tài)建設(shè)工作尤其迫切，具有十分重要的戰(zhàn)略地位[1]。隨著生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)力度不斷加強(qiáng)，遙感數(shù)據(jù)顯示黃土高原生長季植被覆蓋指數(shù)雖然有顯著上升趨勢，但由于西部寒旱地區(qū)植物生長的差異性[2]，加之青藏高原生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的特殊性、脆弱性、敏感性[3-5]，諸多地區(qū)的植被和生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。因此，深入分析植被類型對土壤特性的影響對青藏高原東部特定土壤區(qū)的土壤特性研究十分必要，也是解決高寒干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的重要問題之一。

植被對土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)有顯著影響[6-7]，植物變化也在很大程度上影響土壤質(zhì)地和養(yǎng)分[8-9]，而土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其物理和化學(xué)性質(zhì)對植物群落動態(tài)也具有顯著影響[10]，尤其是水分和養(yǎng)分含量不僅影響草地植被的演替和生長發(fā)育[11]，也決定生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)[12-14]。關(guān)于植被對土壤理化性質(zhì)的影響研究，主要集中在生態(tài)恢復(fù)區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)，董揚(yáng)紅等[15]認(rèn)為植被恢復(fù)除保持水土、減少土壤侵蝕外，還可通過土壤-植物復(fù)合系統(tǒng)改善土壤質(zhì)量；王昭艷等[16]研究表明不同植被恢復(fù)模式土壤理化性質(zhì)有差異；呂剛等[17]進(jìn)一步指出隨著物種多樣性的增加，土壤理化性質(zhì)逐漸改善，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)正向演替；也有學(xué)者結(jié)合根系生物量或植被豐富度等研究了土壤理化性質(zhì)的變化[18-20]，然而有關(guān)不同植被類型對表層土壤力學(xué)性質(zhì)及植被更替作用下的土壤理化特性的差異分析研究較少。筆者以青藏高原東部的黃土區(qū)和森林區(qū)為研究對象，結(jié)合植被類型多樣性及其對土壤特性的影響，分析不同植被類型對土壤物理化學(xué)和力學(xué)特性的影響，揭示植被多樣性對土壤及生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)，為區(qū)域生物工程和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究擬定了2個(gè)研究區(qū)：研究區(qū)Ⅰ設(shè)在青海省西寧市城北區(qū)二十里鋪西山，屬青藏高原東北部的黃土區(qū)，地理坐標(biāo)為101°77′ E、36°62′ N，區(qū)內(nèi)平均海拔約2 378 m，氣候類型屬大陸性高原半干旱氣候，多年平均氣溫7.6 ℃，年平均降水量380 mm，年均日照1 939.7 h，氣候干燥少雨多風(fēng)。在多年降水沖蝕作用下形成“V”型侵蝕溝，大部分地段為半裸露邊坡。研究區(qū)Ⅱ設(shè)在青海省互助北山扎龍溝森林區(qū)，地處黃土高原向青藏高原過渡地帶，該地區(qū)獨(dú)特的地理位置和氣候條件形成了多樣性的生物圈[21]。地理坐標(biāo)為101°46′ E、36°30′ N，林區(qū)年均氣溫4.8 ℃，海拔2 400 m，降雨集中在7—9月，森林覆蓋率達(dá)64.3%，植物資源豐富。

2個(gè)研究區(qū)植被類型分為喬灌草組合、草灌組合、灌木區(qū)及草本區(qū)，其中黃土區(qū)灌木類型為檸條錦雞兒（Caragana korshinskii Kom.）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.），草本為針茅（Stipa capillata Linn.）、狗尾草[Setaria viridis （L.） Beauv.]、賴草（Leymus secalinus Tzvel.）；森林區(qū)喬木類型為油松（Pinus tabuliformis Carrière）、祁連圓柏（Sabina przewalskii Komar.）、青海云杉（Picea crassifolia）、樺樹（Betula），灌木類型為小檗（Berberis thunbergii DC.）、刺梅（Euphorbia milii Ch.des Moulins）、杜鵑（Rhododendron simsii Planch.）、金露梅（Potentilla fruticosa）、銀露梅（Potentilla glabra Lodd.），草本類型主要為扇穗茅（L.racemosa） 、堿茅（P.distans） 、白草（P.flaccidum） 、華扁穗草（B.sinocompressus） 、冰草（A.cristatum）、 矢車菊（C.cyanus）等。

1.2 試驗(yàn)方法 在試驗(yàn)區(qū)設(shè)定50 cm×50 cm的樣框，分別在2個(gè)試驗(yàn)區(qū)坡度20°的各植被組合帶取樣。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤物理性質(zhì)。分別采用烘干法、環(huán)刀法、比重瓶法測定土體含水率、土體密度和土粒比重，使用3相比例指標(biāo)的相互換算公式計(jì)算出土體孔隙度，測試方法參照《土壤學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》[22]測試方法，取樣深度為10 cm，每類樣品重復(fù)取樣和測試10次。

1.3.2 土壤養(yǎng)分。主要包括土壤有機(jī)質(zhì)、土壤腐殖質(zhì)以及土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀。土壤養(yǎng)分含量在地表變化非常敏感，且土壤養(yǎng)分含量主要集中在表層土壤[23]，因此取樣深度為地表0～2 cm，用取土刀輕輕切取表面薄層，然后放入密封袋送回土壤檢測中心進(jìn)行檢測分析。土壤樣品在2個(gè)試驗(yàn)區(qū)的各組合區(qū)分別取樣，設(shè)10次重復(fù)，測試方法參照《土壤農(nóng)化分析實(shí)驗(yàn)》[24]。

1.3.3 土壤力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)。測試不同植被組合區(qū)的表層根-土復(fù)合體黏聚力，采用環(huán)刀法在地表10 cm內(nèi)取樣，樣品經(jīng)密封帶回實(shí)驗(yàn)室開展剪切試驗(yàn)[25]。每種組合區(qū)設(shè)10次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被類型與覆蓋度的關(guān)系

由圖1和2可知，地表覆蓋度大小與植被類型有密切關(guān)系，即在天然生態(tài)環(huán)境中，植被類型越多樣化，則地表的覆蓋度越高，同一地區(qū)組合型植被覆蓋度顯著大于單一植被的草本區(qū)和灌木區(qū)（P<0.05）。黃土區(qū)草灌混合生長情況下的植被覆蓋度分別比草本區(qū)和灌木區(qū)增加14.9%和27.1%，森林區(qū)喬灌草植被覆蓋度分別比草灌區(qū)和草本區(qū)增加6.3%和10.2%，這說明喬木、灌木、草本組合生長，在地上、地下空間相互組合與滲透，充分利用各類生態(tài)環(huán)境因子，植被及生態(tài)環(huán)境趨于良性發(fā)展。

2.2 不同植被類型對表層土壤物理性質(zhì)的影響

由表1可知，不同植被類型對土壤物理性質(zhì)的影響存在顯著差異（P<0.05）。植被覆蓋度越高，植被類型越復(fù)雜，其對土壤基本性質(zhì)的改變越大，如2個(gè)研究區(qū)植被均有草本與灌木植物的組合生長形態(tài)，但發(fā)現(xiàn)在同一土層中，草灌區(qū)和喬灌草區(qū)的土壤含水量、密度均比單一植被生長區(qū)大，其中黃土區(qū)草灌組合區(qū)根土層的含水量比灌木區(qū)和草本區(qū)分別增加9.13%和8.88%，森林區(qū)喬灌草組合區(qū)含水量比草本區(qū)和草灌組合區(qū)增加了22.43%和10.44%，且2個(gè)研究區(qū)土壤密度隨植被類型和覆蓋度的增加而增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土層pH趨于弱酸性。出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因是植被多樣性及其生長更替作用能夠涵養(yǎng)水源、積累有機(jī)物質(zhì)，并伴隨植被根系數(shù)量的增加和增粗生長，淺層土壤受其擠壓，導(dǎo)致土壤特性發(fā)生改變。

為了說明同一土層深度、不同植被類型對土壤含水量的影響，分別在黃土區(qū)和森林區(qū)選擇不同植被覆蓋區(qū)域，現(xiàn)場取樣和分析了距離地表10 cm的根土復(fù)合體含水量隨植被覆蓋度的變化規(guī)律，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，根土層含水量隨植被覆蓋度的增加而增大，其中森林區(qū)表層土壤含水量的增加幅度較大，黃土區(qū)土壤含水量變化幅度較小。這說明植被覆蓋度對土壤水分的影響較大[26]，且植被類型越復(fù)雜多樣，植被覆蓋度越高，地表生物量和地下根系數(shù)量均相對較多，植被對坡面防護(hù)和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的改善越明顯，這也是很多地區(qū)采用不同植被組合進(jìn)行護(hù)坡或生態(tài)環(huán)境治理的重要原因之一。

研究還發(fā)現(xiàn)植被根量與表層土壤密度之間也呈正相關(guān)關(guān)系，即土層中植被的根系數(shù)量越多，則地表的覆蓋度越大（圖4），且在同一深度森林區(qū)土壤密度隨覆蓋度的變化幅度比黃土區(qū)大。此外，植被覆蓋度與表層土壤孔隙度間存在負(fù)相關(guān)（圖5），該規(guī)律與密度變化規(guī)律相對應(yīng)，即土層中根系數(shù)量的增加和增粗生長，對根系周圍的土體產(chǎn)生側(cè)向擠壓，使土壤顆粒間的孔隙率變小，密度增加，這一方面表現(xiàn)了不同土壤自身的物理特性，另一方面植被類型多樣性及其差異，導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生變化。

2.3 不同植被類型對表層土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分恢復(fù)是評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的一個(gè)重要方面[27-29]，直接影響土壤培育植被、改善生態(tài)環(huán)境的能力[30]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分含量隨植被覆蓋度的降低而不斷減小，也與植物根系和枯枝落葉有重要關(guān)聯(lián)[31]。由表2可知，不同類型植被下土壤有機(jī)質(zhì)含量及其他主要養(yǎng)分指標(biāo)均存在顯著差異（P<0.05），同一區(qū)域土壤養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為喬灌草組合區(qū)>草灌區(qū)>草本區(qū)，且森林區(qū)地表土壤整體養(yǎng)分含量比黃土區(qū)大，說明植被類型及其枯枝落葉的更替作用對土壤養(yǎng)分的積累具有重要作用和意義。研究還發(fā)現(xiàn)，植被影響土壤養(yǎng)分的變化主要集中在30 cm土層內(nèi)，尤其是0～10 cm土層的養(yǎng)分含量隨植被類型的變化較明顯，且森林區(qū)的變化規(guī)律比黃土區(qū)相對明顯，這不僅反映了大部分植被根系及枯枝落葉積累的影響范圍主要在10 cm土層，也反映了植被多樣性對土壤養(yǎng)分的積累具有顯著影響[32]。

上述研究結(jié)果說明，土壤養(yǎng)分的積累速度和積累量受植被的控制，如果土壤侵蝕程度加大，植被的退化速度也隨之加快，且土壤干旱化提高了有機(jī)質(zhì)的礦化速率，尤其是植被稀疏、植被類型相對單一的黃土區(qū)，生態(tài)環(huán)境將開始惡性循環(huán)，這在一定層面上反映了土壤養(yǎng)分含量流失和植被退化將激發(fā)水土流失的內(nèi)在機(jī)理。

2.4 不同植被類型對表層土壤力學(xué)強(qiáng)度的影響

由表3可知，力學(xué)強(qiáng)度與土層中的根系數(shù)量、根系體積比呈正相關(guān)，與含水量呈負(fù)相關(guān)（P<0.05）。由于植被多樣性對土壤含水量產(chǎn)生影響，且植被類型越多，土層中的根系數(shù)量也越多，導(dǎo)致植被組合區(qū)表層根-土復(fù)合體黏聚力比單一植被區(qū)大，如黃土區(qū)草灌組合區(qū)的黏聚力比灌木區(qū)和草本區(qū)分別增加了1.56和5.01 kPa，森林區(qū)喬灌草組合區(qū)的黏聚力分別比草灌組合區(qū)和草本區(qū)大3.98和4.86 kPa，植被根-土復(fù)合體黏聚力表現(xiàn)為喬灌草組合區(qū)>草灌區(qū)>灌木區(qū)>草本區(qū)，說明植被多樣性及其根系的增加進(jìn)一步增強(qiáng)了土壤黏聚力。研究還發(fā)現(xiàn)，草本區(qū)根系數(shù)量較多，但其根土黏聚力比灌木區(qū)、草灌區(qū)或喬灌草組合區(qū)相對較小，這一方面說明灌木根系本身具有的彈性強(qiáng)度比草本根系大，另一方面在土壤體積不變的情況下，植物類型和根系數(shù)量不斷增加，在一定程度上影響了土壤孔隙結(jié)構(gòu)和根-土間的黏結(jié)性，因此在含有多種根系和灌木根系的土層黏聚力增加幅度相對較大，表現(xiàn)出植被類型多樣性及其組合根系的固土效應(yīng)對坡面土壤侵蝕方面具有重要的防護(hù)作用。

不同植被類型對土壤密度、孔隙結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分及力學(xué)特性等的影響，必將引起土壤滲透性的變化，也對地表水土流失產(chǎn)生一定的影響，今后在植被護(hù)坡和生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施方面，應(yīng)盡量考慮植被類型的多樣性，在改善土壤環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)植被-土壤-環(huán)境的良性循環(huán)。有關(guān)不同植被類型作用下土壤流失規(guī)律以及植被根系作用下不同土壤滲透性變化特征等，有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）植被類型的多樣性對植被覆蓋度的影響較大，且不同植被組合類型對土壤物理性質(zhì)的影響具有顯著差異，根土層含水量與植被覆蓋度呈正相關(guān)，地表土壤孔隙度與植被覆蓋度存在負(fù)相關(guān)，其中隨植被多樣性的增加，土壤含水量增加8.88%～22.43%，土壤密度增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土層pH趨于弱酸性，顯示植被類型越多樣對土壤物理特性的影響越大。

（2）不同類型植被下土壤有機(jī)質(zhì)含量及其他主要養(yǎng)分指標(biāo)均存在顯著差異，同一區(qū)域土壤養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為喬灌草組合區(qū)>草灌區(qū)>草本區(qū)，森林區(qū)表層土壤養(yǎng)分含量明顯大于黃土區(qū)，且養(yǎng)分含量隨植被類型的變化在0～10 cm土層較明顯，說明植被類型及其枯枝落葉的更替作用對土壤養(yǎng)分的積累具有重要作用和意義。

（3）表層土壤力學(xué)強(qiáng)度與土層中的根系數(shù)量、根系體積比呈正相關(guān)，與含水量呈負(fù)相關(guān)，且植被根-土復(fù)合體黏聚力表現(xiàn)為喬灌草組合區(qū)>草灌區(qū)>灌木區(qū)>草本區(qū)，說明植被多樣性及其根系的增加進(jìn)一步增強(qiáng)了土壤黏聚力；植被稀疏及其類型單一將影響生態(tài)環(huán)境的變化，采用植被護(hù)坡和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面應(yīng)考慮植被類型的多樣性，實(shí)現(xiàn)植被-土壤-環(huán)境的良性循環(huán)。

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