黃土丘陵半干旱區(qū)檸條林對(duì)土壤物理性質(zhì)及有機(jī)質(zhì)的影響*

張飛,陳云明,王耀鳳,王琳琳

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊陵712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100;3.陜西省西安市農(nóng)機(jī)監(jiān)理與推廣總站,西安710065)

土壤是植被生長(zhǎng)的基礎(chǔ),提供著植被生長(zhǎng)所需的水分和各種營(yíng)養(yǎng)元素,植被同時(shí)也參與土壤的形成,改善土壤的性狀[1]。檸條(Caragana korshinskii)是豆科錦雞兒屬多年生落葉灌木,在黃土高原地區(qū)大面積栽植,發(fā)揮著重要的水土保持和生態(tài)保護(hù)作用[2]。有關(guān)研究表明:5齡檸條林具有降低土壤容重,改善孔隙狀況的作用[3];隨著林齡的增大,檸條林可以促進(jìn)黏粒和粉粒的增加[4];8齡、18齡檸條林可明顯提高土壤中有機(jī)質(zhì)、速效氮和速效鉀的含量,明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,改善土壤結(jié)構(gòu)性能[5]。也有學(xué)者認(rèn)為,檸條林地土壤養(yǎng)分狀況與生長(zhǎng)年限關(guān)系不大[6],4齡以下檸條林地為消耗性土壤[7]。這些研究結(jié)果有助于正確認(rèn)識(shí)檸條林的土壤生態(tài)功能,也反映了檸條林生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)土壤環(huán)境影響的復(fù)雜性。

為了深入分析檸條林生長(zhǎng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響規(guī)律,以黃土丘陵半干旱區(qū)安塞紙坊溝流域不同林齡的檸條林為研究對(duì)象,研究其土壤物理性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律,為客觀評(píng)價(jià)檸條人工林的生態(tài)保護(hù)作用及科學(xué)管理現(xiàn)有的檸條林提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞縣紙坊溝流域內(nèi)。流域總面積8.27 km2,地貌類型屬典型黃土丘陵溝壑區(qū) ;地理位置 109°13′46″-109°16′03″E,36°42′42″-36°46′28″N,海拔 1 100～ 1 400m;氣候類型屬于溫帶半干旱氣候區(qū),年均氣溫8.8℃,干燥度1.5,無(wú)霜期160 d;全年平均降雨量542.5mm,且多集中在7-9月三個(gè)月;土壤為黃綿土;植被分區(qū)屬于暖溫帶森林草原過(guò)渡帶,天然林因遭破壞已不存在,人工林喬木以刺槐(Robinia pseudoacacia)、小葉楊(Populussimonii)等喬木樹(shù)種為主;灌叢主要有檸條(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等人工林灌叢,以及封禁后形成的黃刺玫(Rosa xanthina)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)等天然灌叢;草本主要為鐵桿蒿(Artem isia gmelinii)、茭蒿(Artem isia giraldii)、長(zhǎng)芒草(Stipa bungeana)、白羊草(Bothrioch loa ischaemum)等形成的草原和干草原。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)樣地概況

在紙坊溝流域內(nèi),選取坡度、坡向、坡位等立地條件相對(duì)一致的14齡、24齡和50齡的檸條林地及30 a撂荒地為對(duì)照樣地,所選樣地概況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣地概況

2.2 樣品采集與分析方法

采樣于2007年5月進(jìn)行。在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線選取5叢代表性的植株,在每叢植株附近選取一個(gè)1m×1m小樣方進(jìn)行地上地下生物量和枯落物量調(diào)查,地上生物量采用收獲法,地下生物量采用改進(jìn)四分之一樣圓法[8]取點(diǎn),用9 cm生物鉆取樣,采樣深度為 0-60 cm,分0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm各取樣一次,生物量和枯落物均在室內(nèi)烘干稱得干重;在5叢代表株按照距離根系遠(yuǎn)近不同多點(diǎn)采集混和土壤樣品,采樣深度為0-60 cm(分0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm 三層),并在各株叢附近挖土壤剖面,用環(huán)刀分別取土用于容重和孔隙度的測(cè)定,三次重復(fù)。

土壤物理性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的測(cè)定均參考標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行[9-10]:土壤機(jī)械組成采用MS2000激光粒度儀-馬爾文法;容重采用環(huán)刀法,總孔隙度采用計(jì)算法,公式為

土壤總孔隙度=(1-容重/比重)×100%;

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定采用濕篩法;有機(jī)質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法。

數(shù)據(jù)處理主要是采用Excell和SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤顆粒組成

土壤顆粒機(jī)械組成是土壤最基本的物理屬性之一,土壤質(zhì)地砂粒化是反映土地退化程度的重要指標(biāo)[11]。

從圖1(A)可以看出,測(cè)定樣地的黏粒含量隨著土層深度增加而呈增加趨勢(shì),但0-20 cm土層的黏粒含量顯著低于20-40 cm、40-60 cm土層,后 2個(gè)土層間的黏粒含量差異較小;14齡和24齡林黏粒含量變化并不明顯,50齡林和30齡荒坡顯著高于前2個(gè)林分,0-60 cm土層的平均黏粒含量分別為6.6%、6.4%、9.5%、8.3%,說(shuō)明檸條林在 14 齡 、24 齡林階段,雖然生長(zhǎng)旺盛,但對(duì)土壤黏粒含量的改善作用有限。測(cè)定樣地的粉粒含量50齡林和30齡荒坡隨土層深度的增加變化趨勢(shì)與黏粒相似,14齡和24齡林的變化則不明顯(圖1B);隨林齡增加,檸條林0-60 cm土層的平均粉粒含量分別為28.9%,26.1%,31.1%,24齡林低于14齡和50齡林。圖1(C)中50齡林和30齡荒坡20-40 cm、40-60 cm土層的砂粒含量沒(méi)有明顯差異,但分別較0-20 cm土層降低7.3%～8.2%、4.4%～4.8%;14齡林僅在表層0-20 cm土層對(duì)砂粒含量具有減小作用,后2個(gè)層次間沒(méi)有明顯差異,但均高于0-20 cm土層3%左右,24齡林隨土層深度增加其砂粒含量沒(méi)有明顯變化,表明檸條林在老齡階段可以顯著改善土壤質(zhì)地。

圖1 不同林齡檸條林地土壤顆粒組成

3.2 土壤容重

由表2可以看出,檸條林地0-60 cm土層容重為1.04～1.28 g/cm3,隨林齡增加對(duì)土壤容重的改善作用趨于顯著,14齡與24齡林對(duì)土壤容重的改善作用主要在0-20 cm土層,20 cm以下土層變化很小,50齡林則對(duì)0-40 cm土層的改善作用較大,不同林齡檸條林地表層0-20 cm土層容重均小于對(duì)照地,說(shuō)明檸條林對(duì)土壤表層容重改善效果明顯,20 cm以下土層的容重變化對(duì)照荒坡與14、齡24齡林相似。

表2 不同林齡檸條林地土壤容重 g/cm3

3.3 土壤孔隙度

土壤孔隙的組成直接影響土壤通氣、透水性和根系穿插的難易程度,并且對(duì)土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)功能[12]。由圖2可以看出,0-60 cm土層的總孔隙度和毛管孔隙度平均值以50齡林最高,其值分別為54.5%、46.9%,荒坡與14齡、24齡林間的差異不明顯,變化范圍分別為 53.3%～53.8%、40.9%～44.5%;14齡、24齡林在0-20 cm土層總孔隙度、毛管孔隙度顯著高于其它層次,50齡林的總孔隙度隨深度的增加變化相對(duì)平緩,變化在52.1%～56.1%,毛管孔隙度則在0-40 cm土層較高,40-60 cm土層顯著降低;荒坡總孔隙度隨深度增加的變化規(guī)律與50齡林相似,毛管孔隙度的變化則隨深度增加變化不明顯。

圖2 不同林齡檸條林地土壤孔隙度

3.4 土壤團(tuán)聚體

土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分,具有良好水穩(wěn)性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的土壤,不僅能夠滿足植物對(duì)水分、養(yǎng)分、濕度、空氣的需求,而且具有良好的抗沖抗蝕性能[13-15]。

在檸條林生長(zhǎng)過(guò)程中,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量也隨之發(fā)生變化(表3)。在0-60 cm土層,隨林齡增加,＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈“V”字型變化,14齡檸條林含量為35.4%,至24齡時(shí)減少為20.1%,到50齡時(shí)則上升到54.8%,其原因可能是:檸條林在14～24齡左右仍處于快速生長(zhǎng)期,林地土壤有機(jī)質(zhì)累積、消耗較快,影響到水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成,到50齡林時(shí),生長(zhǎng)趨緩,有利于有機(jī)質(zhì)累積和團(tuán)聚體的形成。由表4還可以看出,隨著土層深度的增加,測(cè)定樣地＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均明顯降低。

表3 不同林齡檸條林土壤團(tuán)聚體百分含量 %

3.5 土壤有機(jī)質(zhì)

由圖3可以看出,0-60 cm土層平均有機(jī)質(zhì)含量,除24齡林較低(值為4.3 g/kg),其它林齡與荒坡相近,其值變化在6.0～6.2 g/kg;不同林齡檸條林地與荒坡的土壤有機(jī)質(zhì)主要集中在表層0-20 cm土層,14齡、24齡、50齡及荒坡分別占到 0-60 cm土層平均有機(jī)質(zhì)含量的171.3%、191.9%、158.4%、160.8%,20-40 cm、40-60 cm土層的有機(jī)質(zhì)差異不明顯。

3.6 土壤指標(biāo)之間相關(guān)性分析

對(duì)檸條林地土壤物理性質(zhì)及有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明:土壤黏粒和粉粒間達(dá)到極顯著相關(guān),而與砂粒則是負(fù)的極顯著相關(guān),這說(shuō)明檸條人工林可以促進(jìn)土壤砂粒向黏粒和粉粒的轉(zhuǎn)化,改善土壤質(zhì)地;土壤容重與其它各指標(biāo)(除粉粒和黏粒外)之間均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性;而土壤有機(jī)質(zhì)與＞0.25 mm團(tuán)聚體呈現(xiàn)顯著相關(guān),說(shuō)明有機(jī)質(zhì)含量與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成關(guān)系密切。

圖3 不同林齡檸條林地土壤有機(jī)質(zhì)含量

表4 土壤物理性質(zhì)及有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析

4 結(jié)論與討論

檸條是黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)的主要灌木樹(shù)種,其根系屬軸根型分蘗類型,有很強(qiáng)的穿透能力,根系生長(zhǎng)過(guò)程中可以疏松土壤,物理?xiàng)l件得到改善,有利于檸條的生長(zhǎng)[3]。隨檸條林齡的增加,林地內(nèi)土壤黏粒和粉粒含量逐漸增加,砂粒含量降低;土壤容重也得到改善(除50齡林外),總孔隙度和毛管孔隙度狀況得到改善,提高了土壤的持水和透氣能力,有利于檸條根系的生長(zhǎng);＞5mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量逐漸增加,而＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)均出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象,許多學(xué)者認(rèn)為土壤團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)含量存在正相關(guān)關(guān)系,有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成有很大影響[16-19],本文也得出土壤團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)具有顯著相關(guān)性的結(jié)論。在土壤剖面上,檸條林對(duì)土壤表層土壤的改善作用最為明顯,表層土壤各物理性質(zhì)指標(biāo)和有機(jī)質(zhì)含量均好于下層土壤。由此可見(jiàn),在干旱半干旱黃土丘陵區(qū),檸條可以明顯改善林地各項(xiàng)土壤物理性質(zhì),提高有機(jī)質(zhì)含量,促進(jìn)土壤的正向發(fā)育。

本文雖然選取了較長(zhǎng)時(shí)間序列的檸條林,但仍顯不足,如14齡以下沒(méi)有涉及,24～50齡間隔太長(zhǎng),因此14齡以前以及24～50齡間的變化趨勢(shì)我們無(wú)從得知,這樣勢(shì)必造成對(duì)檸條幼齡、中齡林的生長(zhǎng)狀況分析的不夠透徹。因此,筆者建議在以后的研究中盡量選取多的時(shí)間序列(包括檸條林的各個(gè)生長(zhǎng)階段),這樣更能清楚地分析檸條林各個(gè)階段的生長(zhǎng)狀況,有利于揭示檸條林恢復(fù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理。

[1] 宋詠昌.植被生態(tài)學(xué)[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2001:171-173.

[2] 牛西午.檸條的栽培和利用[M].太原:山西科學(xué)教育出版社,1988.

[3] 牛西午,張強(qiáng),楊治平,等.檸條人工林對(duì)晉西北土壤理化性質(zhì)變化的影響研究[J].西北植物學(xué)報(bào),2003,23(4):628-632.

[4] 張晉愛(ài),張興昌,邱麗萍,等.黃土丘陵區(qū)不同年限檸條林地土壤質(zhì)量變化[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,26:136-140.

[5] 安韶山,黃懿梅.黃土丘陵區(qū)檸條林改良土壤作用的研究[J].林業(yè)科學(xué),2006,42(1):70-73.

[6] 劉增文,李素雅.黃土丘陵區(qū)檸條林地養(yǎng)分狀況及其循環(huán)規(guī)律[J].生態(tài)學(xué)雜志,1997,16(6):27-29.

[7] 王生芳,何世玉.檸條人工林地土壤肥力的評(píng)價(jià)[J].青海農(nóng)林科技,1998(3):29-31.

[8] 李鵬,趙忠,李占斌,等.渭北黃土區(qū)刺槐根系空間分布特征研究[J].生態(tài)環(huán)境,2005,14(3):405-409.

[9] 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1978.

[10] 鮑世旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1981:25-108.

[11] 常慶瑞,安韶山,劉京,等.黃土高原恢復(fù)植被防止土地退化效益研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1999,5(4):6-10.

[12] 田大倫,陳書軍.樟樹(shù)人工林土壤水文物理性質(zhì)特征分析[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào),2005,25(2):54-61.

[13] 吳承禎,洪偉.不同經(jīng)營(yíng)模式土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分形特征研究[J].土壤學(xué)報(bào),1999,36(2):162-167.

[14] 王清奎,汪思龍.土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定機(jī)制及影響因素[J].土壤通報(bào),2005,36(3):415-421.

[15] Rattan L.Physical management of soils of the tropics:prioritiesfor the 21st century[J].Soil Science,2000,165:191-207.

[16] 趙世偉,蘇靜,吳金水,等.子午嶺植被恢復(fù)過(guò)程中土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的變化[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(3):114-117.

[17] 陳恩鳳,關(guān)連珠,汪景寬,等.土壤特征微團(tuán)聚體的組成比例與肥力評(píng)價(jià)[J].土壤學(xué)報(bào),2001,38(1):49-53.

[18] Oades JM.Soil organic matter and structural stability:mechanisms and implications for management[J].Plant and Soil,1984,76(1/3):319-337.

[19] Jobbagy EG,Jackson R B.The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation[J].Ecological Applications,2000,10:423-436.