河北壩上地區(qū)防護林土壤性質(zhì)特征

沈晗悅， 王敏敏， 梁瀟瑜， 信忠保?， 閆騰飛

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京； 2.張北縣林業(yè)局，076450，河北張北)

河北壩上地區(qū)的土地退化以風(fēng)蝕為主的土地沙化。自20世紀70年代末開始，該地區(qū)實施“三北防護林”工程，用大規(guī)模的植樹造林，來防治荒漠化和沙塵暴[1]。經(jīng)過40年的發(fā)展，河北省張家口市張北縣三北防護林在保護三北地區(qū)免受沙塵暴侵襲方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2]。河北壩上地區(qū)的防護林建設(shè)在水土保持和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)方面發(fā)揮著重要作用。

土壤是植被生長發(fā)育的載體，為植被生長提供養(yǎng)分和水分[3-4]。土壤性質(zhì)對土壤中的養(yǎng)分特征和水分運動有著直接或間接的影響[5]，決定土壤肥力狀況[6]，是反映土壤結(jié)構(gòu)和水文狀況及衡量土壤質(zhì)量的重要指標[3]。不同造林樹種的植物多樣性有很大的差異，不同植被類型下，土壤性質(zhì)有所差異[7]。目前對河北壩上防護林的研究主要集中于防風(fēng)效益[8]、植被覆蓋變化[9]、表層土壤性質(zhì)[4,10]，對不同植被類型影響深層土壤性質(zhì)的研究還不夠深入。明確河北壩上地區(qū)防護林對土壤性質(zhì)的改良情況，對該區(qū)土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力評價有重要意義；因此，筆者以河北壩上典型防護林為研究對象，研究不同植被類型防護林下0～160 cm土層土壤性質(zhì)變化規(guī)律，揭示不同植被類型土壤性質(zhì)差異及土壤性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，旨在為該區(qū)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和防護林改造經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省張家口市張北縣二臺鎮(zhèn)波羅素林場(E 114°10′～-115°27′，N 40°57′～41°34)，該區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫3.2 ℃，年降雨量不足400 mm，主要集中于6—9月。春季干燥少雨，夏季降水少而集中，秋季氣溫下降迅速，冬季寒冷干燥。該區(qū)風(fēng)蝕強，荒漠化嚴重，土壤主要以沙質(zhì)、沙礫質(zhì)栗鈣土為主，結(jié)構(gòu)松散，土壤肥力較低[10]。

2 材料與方法

2.1 材料選取

選擇5個不同植被類型的樣地(表1)，分別為檸條(Caraganakorshinskii)、榆樹(Ulmuspumila)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、小葉楊(Populussimonii)、天然草地。每個樣地布設(shè)20 m×20 m樣方，每個樣方各布設(shè)3個采樣點，使用土鉆，按10 cm間隔采集0～160 cm土壤樣品，15個取樣點共取得土樣240個。將土樣帶回實驗室進行自然風(fēng)干，挑出根系、石子等雜物，用四分法取適量土壤磨碎并分別通過直徑2 和0.25 mm的土壤篩，用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量，用激光衍射法(馬爾文激光顆粒分析儀MS-2000)測定土壤粒徑。根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分級標準，即黏粒(d<0.002 mm)、粉粒(0.002 mm≤d≤0.05 mm)和砂粒(0.05 mm

表1 樣地概況Tab.1 Information of the investigated plots

2.2 數(shù)據(jù)處理

筆者采用王國梁等[11]推導(dǎo)出的體積分形維數(shù)(fractal dimension，D)公式：

式中：r為土壤顆粒粒徑，mm；VT為各粒徑等級體積分數(shù)之和，%；V(r

使用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)處理，Origin 2018軟件作圖，SPSS軟件進行方差分析、多重比較，在R語言軟件中使用“corrplot”包做相關(guān)性分析及作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型的土壤密度

不同植被類型0～160 cm土層土壤密度差異不顯著，4種植被類型在0～120 cm土層土壤密度的垂直變化不明顯，整體上各樣地土壤密度非常一致(表2)。土壤全剖面的平均土壤密度為(1.63±0.03) kg/cm3，波動范圍為1.60～1.65 kg/cm3，天然草地全剖面土壤密度略大于其他樣地，但5個樣地之間土壤密度差異不顯著。由0土層到160 cm土層，楊樹、樟子松、草地的土壤密度呈增加趨勢，分別增加5.63%、8.97%、3.07%，而榆樹和檸條的土壤密度呈波動減小趨勢，分別減少4.85%、5.45%。

表2 不同植被類型不同土層土壤密度Tab.2 Soil bulk density of different vegetation types and soil layers g/cm3

3.2 不同植被類型土壤有機碳

研究區(qū)4種植被類型土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)與草地相比都有所增加，楊樹、榆樹、檸條、樟子松分別增加33.20%、39.84%、31.35%、49.79%，其中樟子松增加顯著(P<0.05)，各樣地土壤有機碳隨土層深度的增加而逐漸減小，減幅為(88.03±6.98)%(圖1)。0～40 cm土層，楊樹、榆樹、檸條、樟子松土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)較天然草地((6.38±0.76)g/kg)分別增加44.35%、8.57%、34.00%、11.16%，但不顯著；4種不同植被類型防護林與天然草地相比，樟子松40～160 cm土層土壤有機碳增加最顯著(P<0.05)，增加142.54%；榆樹40～120 cm土層有機碳增加顯著(P<0.05)，增加95.70%，120 cm土層以下土壤有機碳增加不再顯著。

不同大寫字母表示同一植被類型在不同土層土壤有機碳含量差異顯著(P< 0.05)，不同小寫字母表示不同植被類型在同一土層土壤有機碳差異顯著(P<0.05)。土壤有機碳—“Soil organic carbon，SOC”。Different capital letters indicate that the soil organic carbon content of the same vegetation type in different soil layers is significantly different (P<0.05), and different small letters indicate that the soil organic carbon content of different vegetation types in the same soil layer is significantly different (P<0.05). SOC: Soil organic carbon. 圖1 不同植被類型土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)Fig.1 Soil organic carbon content in different vegetation types

Ⅰ.黏土；Ⅱ.砂質(zhì)黏土；Ⅲ.粉質(zhì)黏土；Ⅳ.黏壤土；Ⅴ.粉質(zhì)黏壤土；Ⅵ.砂質(zhì)黏壤土；Ⅶ.壤土；Ⅷ.粉壤土；Ⅸ.砂質(zhì)壤土；Ⅹ.砂土；Ⅺ.壤質(zhì)砂土；Ⅻ.粉土。Ⅰ.Clay. Ⅱ.Sandy clay. Ⅲ.Silty clay. Ⅳ.Clay loam. Ⅴ.Slity clay loam. Ⅵ.Sand clay loam. Ⅶ.Loam. Ⅷ.Silt loam. Ⅸ.Sandy loam. Ⅹ.Sand. Ⅺ.Loamy sand. Ⅻ.Slit.圖2 研究區(qū)土壤質(zhì)地類型Fig.2 Soil texture types in the study area

3.3 不同植被類型土壤質(zhì)地

根據(jù)研究區(qū)各采樣點在美國土壤質(zhì)地分類三角圖的分布情況(圖2)，可見研究區(qū)土壤質(zhì)地類型共有砂土、壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土3種類型，分別占樣品總數(shù)的8.33%、56.25%、35.41%。楊樹樣地由壤質(zhì)砂土(68.75%)和砂質(zhì)壤土(31.25%)組成，榆樹樣地由砂土(6.25%)、壤質(zhì)砂土(43.75%)和砂質(zhì)壤土(50.00%)組成，檸條樣地由壤質(zhì)砂土(87.50%)和砂質(zhì)壤土(12.50%)組成，樟子松樣地由砂土(43.75%)、壤質(zhì)砂土(50.00%)和砂質(zhì)壤土(6.25%)組成，草地樣地由壤質(zhì)砂土(25.00%)和砂質(zhì)壤土(75.00%)組成(圖3)。

楊樹—“Populus simonii，PS”； 榆樹—“Ulmus pumila，UP”； 檸條—“Caragana korshinskii，CK”； 樟子松—“Pinus sylvestris Var.，P”； 草地—“Natural grassland，NG”。Populus simonii—PS. Ulmus pumila—UP. Caragana korshinskii—CK. Pinus sylvestris var. mongolica—P. Natural grassland—NG. 圖3 各植被類型土壤質(zhì)地類型Fig.3 Soil texture type of each vegetation type

3.4 不同植被類型土壤顆粒組成及分形維數(shù)

各種植被類型中砂粒質(zhì)量分數(shù)最高，為68.65%～83.34%(平均(74.10±5.78)%)；其次是粉粒質(zhì)量分數(shù)，為15.59%～28.47%(平均(23.89±5.13)%)；黏粒質(zhì)量分數(shù)最小，為1.07%～2.88%(平均(2.00±0.68)%)(表3)。不同土層不同植被類型間土壤顆粒存在差異(表3)。從整個剖面的來看，草地的黏粒質(zhì)量分數(shù)((2.88±1.04)%)顯著高于其他樣地，樟子松黏粒質(zhì)量分數(shù)((1.07±0.61)%)顯著低于其他樣地(P<0.05)。各樣地粉粒和砂粒含量的差異性主要存在于樟子松與草地之間，樟子松樣地粉粒質(zhì)量分數(shù)(15.59±6.72)%顯著低于草地((28.47±5.28)%)，其砂粒質(zhì)量分數(shù)((83.34±7.31)%)顯著高于草地((68.65±6.01)%)(P<0.05)，與草地相比，顯著提高21.40%。

從垂直分布來看，0～40 cm土層，各樣地土壤黏粒、粉粒和砂粒質(zhì)量分數(shù)與草地相比差異不顯著。40～160 cm土層，各層中樟子松土壤中砂粒質(zhì)量分數(shù)最高，且顯著高于草地，樟子松土壤平均砂粒質(zhì)量分數(shù)(83.74%)最高，比草地顯著增加26.89%(P<0.05)。4種植被類型防護林之間，40～80 cm土層土壤顆粒組成差異最大，隨著土壤深度的增加，差異性減小，120 cm土層以下具有相似的土壤顆粒組成。

不同植被類型下土壤顆粒的分形維數(shù)(表3)波動范圍在2.52～2.69。0～160 cm土層，樟子松土壤顆粒的分形維數(shù)(2.54±0.30)顯著低于草地(2.65±0.24)(P<0.05)，而楊樹、榆樹、檸條土壤顆粒的分形維數(shù)與草地差異不顯著。0～120 cm土層各樣地之間土壤顆粒的分形維數(shù)無顯著差異；120～160 cm土層，草地與楊樹、榆樹、檸條之間土壤顆粒的分形維數(shù)差異不顯著，草地的土壤顆粒的分形維數(shù)(2.69±0.24)顯著高于樟子松土壤顆粒的分形維數(shù)(2.52±0.28)；各樣地全剖面土壤顆粒的分形維數(shù)差異性特征與120～160 cm土層土壤顆粒的分形維數(shù)差異性特征一致。

表3 不同植被類型土壤顆粒組成及分形維數(shù)Tab.3 Soil particle composition and fractal dimension of different vegetation types

3.5 土壤性質(zhì)的相關(guān)性

對土壤密度、顆粒組成、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和分形維數(shù)進行相關(guān)性分析(圖4)，結(jié)果表明：分形維數(shù)與黏粒和粉粒呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與砂粒呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，即土壤顆粒粒徑越小，分形維數(shù)越大；土壤密度與黏粒質(zhì)量分數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。有機碳與土壤密度、黏粒呈負相關(guān)，與粉粒和砂粒呈正相關(guān)，均未達到顯著水平。

藍色表示正相關(guān)，紅色表示負相關(guān)，“*”表示0.05水平上顯著相關(guān)(P<0.05)，“***”表示相關(guān)性極顯著(P<0.001),橢圓的偏心率代表相關(guān)性的強度。Blue indicates positive correlation, red indicates negative correlation, “*” indicates significant correlation at 0.05 level (P<0.05), “***” indicates significant correlation (P<0.001), and eccentricity of ellipse indicates intensity of correlation. SOC: Soil organic carbon.圖4 土壤性質(zhì)的相關(guān)性Fig.4 Correlation of soil properties

4 討論

4種不同植被類型防護林全剖面土壤密度與草地差異不顯著，即防護林對全剖面平均土壤密度的改善程度不明顯?？赡苁怯捎谘芯繀^(qū)地勢平坦，水平方向上土壤密度差異性小，土壤密度越大對植被根系的生長的阻力越大，削弱植被根系對土壤密度的影響[7]。楊樹、樟子松、草地的土壤密度隨土壤深度的增加而增加，與中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤密度變化規(guī)律相一致[12]。從20 cm深處榆樹的根系開始出現(xiàn)，主要集中在2 m以內(nèi)，40～80 cm分布密集[13]，檸條根系為直系，側(cè)根發(fā)達的根系主要在0～60 cm的土層中，多年生檸條在深層土壤中也會有側(cè)根的發(fā)生[14]，從榆樹和檸條根系的分布來看，可以解釋2種植被土壤密度隨著土壤深度的增加呈波動性變化趨勢規(guī)律。

此研究中草地不同土層中的有機碳含量均低于4種植被類型防護林對應(yīng)土層有機碳含量。這可能是由于造林增加地表覆蓋度，減緩?fù)寥烙袡C碳的流失[15]，而且林地比草地根系發(fā)達、分布深、生物量高[16]。這說明植被對有機碳的累積有著重要的作用。與草地對比，4種類型防護林中只有樟子松0～160 cm土壤有機碳含量增加顯著，增加49.79%，可見不同植被類型，其林下枯落物量以及根系生物量有差異，而土壤有機碳的輸入來源主要是植被凋落物和根系[17]，進而土壤有機碳的質(zhì)量、數(shù)量和分解速率不同[18]。各樣地0～40 cm土層有機碳含量均高于草地，但不顯著，可能是由于表層土壤中林地植被和草地的根系都比較發(fā)達，同時林地和草地都以各自的方式對土壤輸入有機碳，林地植被以枯枝落葉的方式，而草地以草本植物死亡后全部歸于土壤的方式。隨著土壤深度的增加，各樣地土壤有機碳含量逐漸減少，減幅為(88.03±6.98)%，因凋落物聚集在土壤表層，淺層土層根系分布較多，故表層有機碳累積量大，隨著土壤深度的增加，植被根系減少，有機碳來源減少，這與大部分研究成果一致[19-20]。

河北壩上各防護林林地與草地土壤粒級比例結(jié)果表明，草地的黏粒含量顯著高于各林地，與丁敏等[21]的研究結(jié)果相似，這主要由于林地比草地的植被群落更豐富，根系更發(fā)達，對小粒徑顆粒的黏結(jié)作用更大，水分條件更好，有利于土壤有機質(zhì)積累和土壤團聚化進行，進而促進了土壤小粒徑顆粒團聚為大粒徑顆粒。該研究尺度小，地形和氣候差異小，研究樣地幾乎無人為干擾，表層土壤中各樣地根系分布豐富，同時隨著土壤深度的增加，植被根系分布范圍和數(shù)量逐漸減小[22]，因此對土壤質(zhì)地的影響減弱。土壤顆粒的分形維數(shù)可以反映土壤質(zhì)地、均一程度和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，分形維數(shù)越小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強[23]。各林地(0～160 cm)土層土壤顆粒分形維數(shù)均低于草地，表明林地的土壤結(jié)構(gòu)比草地穩(wěn)定，林地豐富復(fù)雜的根系對土壤的穿插和纏繞加速了土壤結(jié)構(gòu)的形成，其良好的植被群落結(jié)構(gòu)，使林下土壤的水分條件好于草地，為微生物提供了良好的生存環(huán)境，促進土壤顆粒的黏結(jié)，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

結(jié)果顯示，土壤顆粒分形維數(shù)與土壤質(zhì)地均具有極顯著相關(guān)關(guān)系，黏粒和粉粒含量越高，土壤體積分形維數(shù)越大，反之砂粒含量越高，土壤體積分形維數(shù)越小。楊婷等[24]研究認為黏粒含量越高土壤顆粒質(zhì)量分形維數(shù)就越大。伏耀龍等[25]發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒體積分形維數(shù)隨質(zhì)地粗細程度發(fā)生明顯變化，質(zhì)地越粗分形維數(shù)越小，質(zhì)地越細分形維數(shù)越大。土壤顆粒分形維數(shù)的實質(zhì)是顆粒對土壤空間填充能力的反映，土壤小粒徑顆粒含量越高，顆粒體積越小，更容易填充土壤的空間，土壤顆粒分形維數(shù)越大[26]。黏粒含量增加，土壤密度也隨之增加，且相關(guān)性達到極顯著水平，而與土壤有機碳相關(guān)性不顯著，這與張曉霞等[27]研究結(jié)果大致相同。該地區(qū)有機碳與黏粒和密度呈負相關(guān)，與粉粒和砂粒呈正相關(guān)，這與劉濤澤等[28]和劉淑娟等[29]在風(fēng)蝕程度大的地區(qū)的研究規(guī)律相似，可能是由于風(fēng)蝕土壤中粉粒和砂粒含量較多，因此有機碳更易于粉粒、砂粒結(jié)合，同時形成的非穩(wěn)定性有機碳極易流失使土壤密度增大[30]，要弄清此現(xiàn)象的影響機理還需進一步研究。

5 結(jié)論

1)相對于草地，各植被類型防護林對全剖面土壤密度的改善程度不明顯，因此對于地勢平坦和土壤密度大的地區(qū)，植被對土壤密度的改良作用可能需要較長的時間。研究區(qū)土壤質(zhì)地類型共有砂土、壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土3種類型，以砂粒為主，各種植被類型土壤砂粒、粉粒、黏粒的平均質(zhì)量分數(shù)分別為(74.10±5.78)%、(23.89±5.13)%、(2.00±0.68)%。

2)4種防護林類型中，只有樟子松0～160 cm土層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著增加，增加49.79%。各植被類型砂粒質(zhì)量分數(shù)的差異性主要存在于樟子松與和草地之間，樟子松砂粒質(zhì)量分數(shù)顯著高于草地(P<0.05)。樟子松土壤顆粒的分形維數(shù)顯著低于草地(P<0.05)。樟子松防護林土壤結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，對土壤性質(zhì)改善效果明顯。

3)土壤性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果表明土壤分形維數(shù)能表征土壤結(jié)構(gòu)，黏粒質(zhì)量分數(shù)變化是土壤性質(zhì)變化的重要原因。