六盤山林區(qū)四種植被類型對土壤物理性質(zhì)的影響研究

張 桐

(1 山西省交通科學研究院 2 山西省交通環(huán)境保護中心站)

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中植物賴以生存的物質(zhì)基礎，其物理性質(zhì)如孔隙度、容重等，直接影響著土壤的持水性和溶解植物生長所需的礦物質(zhì)元素的能力，關系著植物根系的呼吸作用和生長速度[1]。大量研究表明，植物能通過地表凋落物和地下根系的增加降低土壤容重，而不同的森林植物種類通過根系的物理作用，也會影響土壤的容重、孔隙度和田間持水量，從而影響土壤物理性質(zhì)[2-3]。本研究以六盤山林區(qū)的華北落葉松、白樺、沙棘和虎榛子四種植物為研究對象，通過對林地不同深度的土壤容重、孔隙度和持水量的測定，探討了不同植物種類對土壤物理性質(zhì)的影響，以期為通過森林植被恢復提高土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。

1 試驗區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于六盤山北部半干旱區(qū)的疊疊溝小流域，具體地理位置：東經(jīng)106°4′55"-106°9′15"，北緯35°54′12"-35°58′33"。流域海拔高程1 975-2 615 m，最大高差為640 m。流域呈南北走向，其主要坡向為半陰坡和半陽坡，地面坡度10°-30°。流域?qū)儆诘湫偷陌敫珊荡箨懶约撅L氣候區(qū)，年均氣溫6-7℃，無霜期130 d 左右；年均降水量445 mm，主要集中在6-9月。土壤類型主要為黃土和灰褐土。在小流域下游出口處附近，選取了5 塊典型樣地，植被類型分別為天然草地、華北落葉松、虎榛子、白樺和沙棘，其坡度、坡向均比較一致，通過多年的生長已經(jīng)形成了較穩(wěn)定的土壤生態(tài)系統(tǒng)。各樣地均為2018年5月布設，每隔一個月，對各樣地進行植被、土壤調(diào)查一次。研究始初各樣地情況詳見表1。

1.2 研究方法

在每個樣地內(nèi)具有代表性的地方，挖掘一個土壤剖面，記錄土壤剖面發(fā)生層次，并機械劃分土層為0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80 cm等層次，用體積為200 cm3的環(huán)刀分層取土，每層取樣3 次重復，采用環(huán)刀法測定其毛管孔隙、非毛管孔隙、總孔隙度、毛管持水量、飽和持水量和土壤容重，按單環(huán)有壓入滲法測定土壤的滲透性[4]。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2010 進行整理，運用SPSS19.0 進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型對土壤容重的影響

土壤容重是指單位容積原狀土壤的烘干質(zhì)量，是土壤的基本物理性質(zhì)，其大小反映了土壤結構、松緊度、透氣性、透水性以及保水能力，從而間接影響土壤的肥力狀況和物質(zhì)循環(huán)。對研究區(qū)域內(nèi)4 種不同植被類型土壤的容重進行測定分析（表2）發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的增加，土壤容重均表現(xiàn)出增加的趨勢。通過方差分析，同種植被類型不同土層間土壤容重差異性達到了顯著水平，不同植被類型同層土壤容重也表現(xiàn)出了較大的差異。不同植被類型0-20 cm土層土壤容重大小順序為：天然草地（CK）＞華北落葉松＞虎榛子＞沙棘＞白樺；20-100 cm 土層土壤容重大小表現(xiàn)為：天然草地（CK）＞華北落葉松＞虎榛子＞白樺＞沙棘。方差分析亦表明，不同植被類型的同層土壤，其土壤容重間的差異性達到了顯著水平。土壤容重越小，說明土壤結構、透氣透水性能越好。由表2可知，通過人工植被恢復，可以減小土壤容重，改善土壤物理性質(zhì)。特別是白樺林和沙棘林更有利于改善土壤容重，這可能與這兩種植物的根系數(shù)量和垂直分布有較大關系。

表1 植被與土壤調(diào)查固定樣地基本情況

表2 不同植被類型對土壤容重的影響方差分析

2.2 不同植被類型對土壤孔隙度的影響

不同植被類型的土壤孔隙度測定結果見表3。由表3可知，各種植被類型的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均表現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的趨勢。不同植被類型的總孔隙度：在0-20 cm 土層表現(xiàn)為沙棘＞虎榛子＞天然草地（CK）＞華北落葉松＞白樺，在20-100 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子＞華北落葉松＞白樺＞沙棘＞天然草地（CK）。不同植被類型的毛管孔隙度，總體表現(xiàn)趨勢一致，各層土壤均表現(xiàn)為天然草地（CK）＞虎榛子＞華北落葉松＞白樺＞沙棘。不同植被類型的非毛管孔隙度，在0-20 cm 土層表現(xiàn)為沙棘＞白樺＞虎榛子＞華北落葉松＞天然草地（CK），在20-60 cm 土層表現(xiàn)為白樺＞虎榛子＞華北落葉松＞沙棘＞天然草地（CK），在60-100 cm 土層表現(xiàn)為華北落葉松＞虎榛子＞白樺＞沙棘＞天然草地（CK）?？傮w來說，天然草地各層土壤的非毛管孔隙度均為最小，毛管孔隙度最大。

表3 不同植被類型的土壤孔隙度變化

土壤孔隙度可分為三種：總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度。土壤總孔隙度，包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度，其大小關系著土壤的透水性、透氣性、導熱性和緊實度。毛管孔隙細小，其孔隙水的毛管傳導率大，易于被植物吸收利用，它的大小反映了土壤保持水分的能力；非毛管孔隙比較粗大，不具毛細作用，其孔隙中的水分，可在重力作用下排出，一方面反映土壤的通氣狀況，另一方面在天然降水時土壤可以快速接納吸收雨水，使之不致造成地表徑流。由表3可知，在0-100 cm 土層中，沙棘和虎榛子的總孔隙度最高，這可能是因為沙棘和虎榛子均屬于灌木類，土壤表層植被覆蓋較好，根系發(fā)達，有機質(zhì)積累較快，土壤團聚體含量迅速提高，從而使土壤總孔隙度增加?？傮w來看，恢復植被更有利于提高土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，增大土壤的透氣透水性和涵養(yǎng)水分的能力。

3.3 不同植被類型對土壤水分的影響

不同植被類型的土壤水分測定結果見表4。由表4可知，各種植被類型的土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量，均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而降低的趨勢。不同植被類型的土壤含水量：在0-20 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子＞天然草地（CK）＞華北落葉松＞沙棘＞白樺；在20-100 cm 土層表現(xiàn)為天然草地（CK）＞白樺＞華北落葉松＞沙棘＞虎榛子；這是因為相對于天然草地，20 cm 以下土壤中植物根系更發(fā)達，土壤含水量也就越低。不同植被類型的最大持水量：在0-20 cm 土層表現(xiàn)為沙棘＞天然草地（CK）＞虎榛子＞白樺＞華北落葉松；在20-60 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子＞華北落葉松＞天然草地（CK）＞沙棘＞白樺；在60-100 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子＞白樺＞華北落葉松＞天然草地（CK）＞沙棘。不同植被類型的毛管持水量：整體表現(xiàn)為虎榛子＞天然草地（CK）＞華北落葉松＞沙棘＞白樺。不同植被類型的田間持水量：整體表現(xiàn)為虎榛子＞天然草地（CK）＞華北落葉松＞白樺＞沙棘。毛管持水量是對指植物生長有效的土壤水分，田間持水量是對植物生長有效的最高土壤含水量。由表4可知，虎榛子更有利于改善土壤表層的土壤含水量、毛管持水量和田間持水量。

表4 不同植被類型對土壤水分的影響

4 結論

本研究表明：4 種植被類型的土壤容重均表現(xiàn)出隨著土層的增厚而增加的趨勢；土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量均表現(xiàn)為隨著土層的增厚而降低的趨勢。人工恢復植被，更有利于提高土壤總孔隙度和非毛管孔隙度，從而提高土壤透氣透水性和涵養(yǎng)水源的能力。人工栽植沙棘和虎榛子，在提高土壤總孔隙度方面更有效；同時，虎榛子更有利于改善土壤表層的土壤含水量、毛管持水量和田間持水量。