晉西北不同土地恢復管理措施下土壤物理性狀分析

劉 爽，王 雅，劉海龍，張 鸞

（1 山西大學黃土高原研究所，太原 030006；2 山西省農業科學院農業環境與資源研究所/山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，太原 030031；3 中國農業科學院農業信息研究所/農業部農業信息服務技術重點實驗室，北京 100081）

土地的不合理利用和開墾造成的不可用耕地面積在不斷擴大，這種現象導致了我國山西省西北部黃土高原區域的耕地面積減少和生態環境破壞[1-3]。黃土高原區域氣候特征為春季大風，夏季高強度集中降雨，增加了該區沙性易蝕土壤的侵蝕，導致土壤質量的降低，尤其是土壤沙化導致了表層土壤養分的大量流失，影響了農業資源的利用效率。為確保農業可持續發展，保障生態環境安全，當地農民采取不同的土地恢復管理措施利用和開發未開墾的土地[4]。

恢復管理措施涉及不同的作物種類 (如玉米和苜蓿) 和不同的耕作系統 (如常規耕作包括犁耕和耙耕，保護性耕作包括少耕、免耕等)。降低土壤壓實、經濟適用的作物的輪作以及地表殘茬覆蓋是保護性耕作的三個核心內容，與傳統耕作系統相比，保護性耕作可以降低土壤風蝕、水蝕以及土壤水分蒸發，增加降雨入滲量，提高土壤表層有機碳含量，增強土壤團聚體的數量及穩定性，降低人力及能源輸入[5-9]。恢復管理措施的不同對土壤的理化性質會產生不同影響[10-12]。影響土壤理化性質最普遍、最廣泛的因素是土地恢復措施，它在很大程度上影響土壤質量變化的程度和方向[13]。不同的土壤類型其土壤質地不同，間接地影響土壤養分和水分的變化。土壤粒度組成是決定土壤理化性質的重要屬性特征之一，同時其粒級大小、級配組合、分布狀況等受多種因素的影響，包括氣候、生物、地形、植被類型以及人類活動等[14-15]。

水分是影響生態系統內諸多生態過程的主要因子，尤其在干旱半干旱地區影響尤為突出[16-17]。本文所選試驗地點位于晉西北黃土高原丘陵風沙區，晉西北黃土高原位于我國干旱半干旱地區，生態系統環境脆弱[18-19]。土壤水與地表水、地下水一樣，是水資源的一部分，在水資源的形成、轉換與利用中起著重要的作用[13]。然而，在干旱半干旱的丘陵風沙區，土壤粒度的特征和組成影響著土壤的抗風蝕能力、土壤持水力和土壤養分狀況等[20]。本文通過對晉西北黃土高原丘陵風沙區四種土地恢復措施 (撂荒地、傳統翻耕、免耕玉米、免耕苜蓿) 的土壤粒度組成、土壤孔隙度以及土壤含水量、土壤飽和持水量、毛管持水量進行研究及對比分析，以闡明土壤水分和土壤粒度空間分布特征，旨在為提高晉西北黃土高原丘陵風沙區的土壤質量以及植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省忻州市五寨縣胡會鄉石咀頭村，具體地理位置為 111°28′～113°E 和 38°44′～39°17′N，涵蓋華北黃土高原的半干旱區和沙區。該地區屬于干旱的大陸性氣候，晝夜溫差大，年平均氣溫5.0℃左右，在1月最冷 (-13℃)，7月最熱 (20℃)，年平均太陽輻射2870 h，無霜期120天左右。該地區年平均降水量在450～500 mm之間，降水集中在七月和八月，約占年降水量的44%。根據中國土壤分類系統，研究區土壤為沙黃土，與土壤分類學 (土壤調查) 中認為典型旱成土相似，土壤質地松散，孔隙度高，滲透性好，通氣性強，肥力低，土壤有機質含量低[21]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及概況 試驗從2008年至2015年于山西省忻州市五寨縣石咀頭村連續進行了7年。2008年4月中旬，選取50年未受干擾的土地長100 m、寬80 m，將其等分為四塊，分別免耕種植紫花苜蓿 (NTA)、常規耕作下種植玉米 (CTC)、免耕種植玉米 (NTC)、保持撂荒 (WL)。

1.2.2 土壤樣品采集和粒度測定 2015年8月下旬，于每個樣地選取10 m × 10 m 樣方進行取樣。按照采樣技術規范挖掘土壤剖面，每個土壤剖面的深度均為50 cm，從上至下每10 cm等間距取樣，每個樣品取樣重量200～300 g。將同一土地恢復措施下的土壤樣品混合均勻后風干，過2 mm篩，去除根系等雜質。稱取土樣0.8 g，加30% 過氧化氫，去除有機質，加鹽酸去除碳酸鹽。加超純水反復稀釋靜置，除去上清液以除酸，直至pH值為6.5～7.0。加入六偏磷酸鈉，超聲震蕩30 s，利用Mastersizer3000激光粒度儀測量土壤粒徑的體積分數。每樣品重復3次。采用國際土壤質地分類標準：砂粒20～2000 μm，粉粒 2～20 μm，粘粒＜ 2 μm。根據 Folk 和 Ward提出的公式，使用GRADISTAT粒度處理軟件計算平均粒徑、標準偏差、偏度、峰度等粒度參數[22-23]。

1.2.3 土壤水分及主要物理性狀參數測定 土壤含水量采用傳統烘干法進行測定[24]；采用環刀法測定土壤容重，環刀浸水法測定土壤飽和持水量和毛管持水量[24-25]。每個樣品重復三次測量。

1.3 數據處理

采用Excel進行數據處理，采用SPSS13.0軟件進行數據統計分析，圖形的繪制通過Sigmaplot13.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土壤粒度分析

2.1.1 土壤顆粒組成總體特征 由圖1可以得出，從上往下，撂荒地砂粒含量為96.3%～97.3%，在整個土層深度上下變化幅度不明顯。翻耕地塊砂粒含量為85.1%～95.6%，免耕玉米地塊為81.5%～95.4%，免耕苜蓿地塊為83.4%～93.5%，三種土地恢復措施的砂粒含量表現為深層顯著高于表層。表層土壤(0—20 cm) 中砂粒含量在不同的土地恢復措施下變化趨勢為撂荒地＞免耕苜蓿＞翻耕＞免耕玉米。在整個土層深度，粉粒含量撂荒地變化范圍為1.8%～2.8%，翻耕地塊為6.5%～15.3%，免耕玉米地塊為3.8%～15.4%，免耕苜蓿地塊為5.1%～14.2%。表層土壤(0—20 cm) 粉粒含量在不同的土地恢復措施下變化趨勢為翻耕＞免耕玉米＞免耕苜蓿＞撂荒地。

對同一深度不同土地恢復措施下土壤砂粒和粉粒含量進行方差分析，撂荒地砂粒含量顯著高于其它幾種土地恢復措施，而翻耕與免耕玉米措施下無顯著差異 (P ＜ 0.05)。在20—40 cm土層，撂荒地和免耕玉米砂粒含量最大；40—50 cm 土層，四種土地恢復措施砂粒含量無顯著差異。表層 (0—20 cm)粉粒含量表現為撂荒地＜免耕苜蓿＜翻耕＜免耕玉米，其中撂荒地粉粒含量最小，與其它三種存在顯著差異，而翻耕、免耕玉米、免耕苜蓿措施之間無顯著差異。

2.1.2 土壤粒度組成參數特征 根據Folk和Ward提出的粒度參數分級標準[26]，探討不同土地恢復措施下土壤粒度參數特征。表1中平均粒徑代表粒度的集中趨勢，平均粒徑變化范圍介于3.55～4.53 Φ之間；中值粒徑變化范圍在3.46～4.26 Φ之間；免耕玉米和翻耕地塊隨著深度的增加逐漸減小，撂荒地和免耕苜蓿地塊基本保持不變。如果粒級少，主要粒徑突出，百分含量高，分選好，那么標準偏差和分選系數的數值就小，分選系數常被用作環境指標來表明土壤環境的優劣[20]。對比分選系數評價標準，四種土地恢復措施的分選性表現出顯著差異 (P ＜0.05)，免耕玉米屬于分選中等到分選較好范圍；撂荒地分選較好；免耕苜蓿分選中等；翻耕分選較差(表1)。偏度用來反映粒度分布的不對稱程度。翻耕和免耕苜蓿的偏度范圍為0.22～0.40 Φ，而翻耕地塊大部分數值屬于極正偏，免耕苜蓿地塊為正偏；撂荒地偏度范圍為 -0.04～-0.12 Φ，屬于近對稱；免耕玉米地塊的偏度范圍為0.08～0.34 Φ之間，其偏度范圍比較廣。峰度是用來表示粒度頻率曲線尖銳程度的參數，四種土地恢復措施的峰度數值的變化無顯著差異 (P ＞ 0.05)，數值大于1.0，集中在極尖窄范圍。

圖1 不同土地恢復措施下剖面土壤粒度變化Fig. 1 Changes of soil particle sizes under different land restoration measures

2.2 土壤容重和孔隙度

土壤容重是土壤緊實度的敏感性指標，也是表征土壤質量的重要參數。從表2可以看出，隨著土層深度的增加，四種土地恢復措施的土壤容重逐漸增加。對同一土層，不同土地恢復措施之間土壤容重進行方差分析，在0—20 cm土層，撂荒地最大，且與免耕玉米之間無顯著差異。在20—40 cm土層以撂荒地土壤容重最大，與其它三種土地恢復措施之間存在顯著差異。40—50 cm四種土地恢復措施之間無顯著差異。

土壤孔隙包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度，其孔隙組成直接影響土壤的通氣性和透水能力。由表2可以看出，在同一土地恢復措施中，隨著土層深度的增加，土壤總孔隙度基本呈逐漸減小的趨勢。在同一土層對四種土地恢復措施的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度進行分析，發現在0—30 cm土層翻耕處理總孔隙度最大，且與其它三種土地恢復措施存在顯著差異。30—40 cm土層免耕苜蓿和翻耕措施下總孔隙度最大，且與免耕玉米和撂荒地之間存在顯著差異；40—50 cm土層四種土地恢復措施之間無顯著差異。對于毛管孔隙度，0—20 cm土層免耕玉米最小，且與其它三種土地恢復措施存在顯著差異；而20—50 cm土層四者之間無顯著差異。非毛管孔隙度則與毛管孔隙度規律相反。10—20 cm土層非毛管孔隙度以撂荒地最小，且與其它三種土地恢復措施之間存在顯著差異。20—40 cm土層免耕苜蓿顯著小于其它三種處理。40—50 cm土層四者之間無顯著差異。

表1 不同土地恢復措施土壤粒度參數特征Table 1 Characteristics of soil particle size parameters under different restoration measures

2.3 土壤水分變化分析

不同土地恢復措施下土壤含水量、飽和持水量和毛管持水量均呈顯著性差異 (P＜ 0.05)。通過對土壤剖面土壤水分的空間變化特征分析， 發現四種土地恢復措施土壤含水量都隨著深度的增加而減少。圖2a顯示，撂荒地土壤含水量隨著深度的增加變化不明顯；翻耕、免耕玉米和免耕苜蓿地塊土壤水分在0—20 cm土層變化不明顯，在20—50 cm土層逐漸減少。在土壤表層0—20 cm撂荒地和免耕苜蓿的土壤含水量無顯著差異；翻耕和免耕玉米措施下也無顯著差異。在20—30 cm土層翻耕地塊土壤水分含量顯著高于其它三種土地恢復措施，撂荒地和免耕玉米措施之間無明顯變化，免耕苜蓿地塊水分含量最低。在30—40 cm土層免耕玉米措施下土壤水分含量最低，而其它三種土地恢復措施的土壤水分含量無顯著差異。在40—50 cm土層免耕玉米和免耕苜蓿地塊的土壤水分含量無明顯變化。

對土壤飽和持水量進行方差分析，發現在0—30 cm土層翻耕最大，且與其它三種土地恢復措施存在顯著差異；在30—40 cm土層免耕玉米最小，與其它三種土地恢復措施之間存在顯著差異；而40—50 cm土層四種土地恢復措施之間無明顯變化。在同一土地恢復措施中，隨著土層深度的增加，撂荒地無明顯變化，而翻耕和免耕玉米深層土壤飽和含水量小于表層土壤，免耕苜蓿地塊深層土壤飽和含水量大于表層 (圖2 b)。

表2 不同土地恢復措施土壤容重和孔隙度Table 2 Soil bulk density and porosity under different restoration measures

在0—20 cm土層土壤毛管持水量表現為：翻耕 ＞免耕苜蓿 ＞ 免耕玉米 ＞ 撂荒地，翻耕和撂荒地均與其它兩種土地恢復措施之間存在顯著差異，免耕玉米和免耕苜蓿措施之間無顯著差異。在20—30 cm土層免耕苜蓿地塊土壤毛管持水量顯著低于翻耕和撂荒地的。在30—40 cm土層撂荒地與免耕玉米土壤毛管持水量顯著低于翻耕和免耕苜蓿的。在40—50 cm土層四種土地恢復措施之間無顯著差異。在同一土地恢復措施下，隨著土層深度的增加，撂荒地毛管持水量逐漸增加，與撂荒地相比，翻耕、免耕玉米和免耕苜蓿地塊表層土壤毛管持水量大于深層土壤毛管持水量 (圖2 c)。

2.4 土壤粒度與含水量相關性分析

表3結果表明，容重與砂粒含量呈顯著正相關，與粉粒含量呈顯著負相關 (P＜ 0.05)。非毛管孔隙度與砂粒含量呈顯著負相關，而與粉粒和粘粒含量呈顯著正相關。總孔隙度與粉粒含量呈正相關。由于該地區土壤砂粒含量所占比例最大，因土壤容重是指單位容積原狀土壤干土的質量[27]，因此兩者呈顯著正相關。而孔隙的組成影響著土壤的通氣性以及根系的穿插及土壤的蓄水能力[28]，而粉粒和粘粒粒徑較小，有較強的保水性。

土壤質量含水量和毛管持水量與砂粒呈負相關，與粉粒呈正相關。飽和持水量與砂粒、粉粒和粘粒無顯著相關性。這說明土壤含水量與機械組成有很強的相關性。這是由于砂質土壤顆粒粗，土地松散，而且主要集中于深層土壤中，由于人為活動主要干擾表層土壤，苜蓿根系較深，對深層土壤水分的吸收，再加上人為活動的干擾，因此砂質土壤儲水能力弱。粘質土壤主要集中在表層，受到人為活動的干擾較大，因此水分儲存能力強。

圖2 不同土地恢復措施土壤含水量變化Fig. 2 Changes of soil water contents under different restoration measures

表3 土壤粒度、物理特征和含水量間的相關性分析Table 3 Correlation analysis of soil particle size, physical characteristics and water contents

3 討論

3.1 晉西北丘陵風沙區土壤粒度組成

相同區域，相同生境內，土壤粒度組成不僅與土地恢復措施有關外，還與不同的植被類型有一定的關系。不同的土地恢復措施，包括人類耕作的大幅度活動都會影響土壤的粒度組成[29]。農作物以及植被通過地表的覆蓋及枯落物形成的腐殖質，再加上植物根系本身的穿插能力都可以改變土壤的物理性質和化學性質，從而影響土壤的顆粒組成。晉西北丘陵風沙區四種土地恢復措施，主要粒度組成為砂粒，可見晉西北丘陵風沙區的顆粒組成較粗。對比分析可知，撂荒地的砂粒含量最大，并且撂荒地的砂粒含量隨著深度的增加變化不明顯，而其它三種恢復方式下，表層土壤砂粒含量低于深層土壤。這是由于撂荒地地表植被覆蓋較少，而其它三種恢復方式的地表都有大量植被覆蓋，減小了風蝕帶走表土中細小黏粒的可能，此外，免耕玉米由于農作物枯落物的覆蓋以及腐殖質的形成，導致表層土壤的物理性質和化學性質發生改變，也可能使土壤的微生物群落結構發生變化，因此表層土壤顆粒組成小于深層土壤。土壤顆粒頻繁受到擾動，有利于顆粒圓化和細化[30-31]，因此土壤粒度會趨向于正偏。本文中，撂荒地分選較好，免耕玉米屬于分選中等到分選較好范圍，免耕苜蓿分選中等，翻耕分選較差；撂荒地偏度屬于近對稱，而翻耕屬于極正偏，免耕苜蓿地塊土壤粒度在正偏范圍，表明翻耕地塊土壤偏細，可能是翻耕地塊土壤受到人為擾動較大所致。

3.2 晉西北丘陵風沙區土壤粒度與土壤物理參數的關系

晉西北丘陵風沙區翻耕、免耕玉米和免耕苜蓿的容重范圍在1.10～1.50 g/cm3之間，在同一深度下均低于撂荒地；總孔隙度為40.48%～54.68%，表明晉西北丘陵風沙區土壤的物理性質得到很好地改善。翻耕和免耕玉米總孔隙度最大，達到54%，表層 0—20 cm的土壤容重均低于深層土壤，這不僅是由于耕作對土壤的影響，還與表層枯落物的覆蓋以及腐殖質的形成有關，這是由于表層物的覆蓋減弱了降雨的沖刷以及風力對土壤的影響，免耕苜蓿地的根系使得土壤的總孔隙度增大，因此改善了土壤的物理性質[32-33]。尤為等[34]的研究說明施肥有助于土壤容重的減小和孔隙度的增加，因此施肥也是翻耕和免耕玉米比撂荒地容重小的原因之一。而撂荒地表層容重大，孔隙度低，可能由于撂荒地植被稀少，植物根系稀少，因此對降低土壤容重，增加土壤孔隙度的作用較小，而且地表覆蓋度低，加上雨水打擊地表，因此增大了土壤容重。

土壤團聚體分形維數越低，土壤的物理性質及肥力越好[35]，土壤中粘粒含量越多即土壤越粘重，土壤分形維數就越高[36]。在本研究中，土壤中的顆粒較粗，孔隙度較大，粘粒含量所占比例小，因此土壤分形維數低。且土壤容重與土壤粘粒無顯著關系，與毛管孔隙度成正相關關系，說明土壤的孔隙度比較大，通透性好，分形維數比較低，因此土壤的物理性質比較好，這與李民義[37]等的研究結果一致。

3.3 晉西北丘陵風沙區土壤粒度與土壤蓄水能力的關系

土壤是水分蓄積的主要場所，土壤毛管持水量主要反映植物的生理用水，而飽和持水量是毛管持水量與非毛管持水量的總和，可以說明土壤的涵養水分的能力以及土壤抗侵蝕的功能[38-39]。晉西北丘陵風沙區翻耕、免耕苜蓿和免耕玉米地塊表層土壤毛管持水量均高于撂荒地，因此，從植物對水分的利用能力方面來看，翻耕、免耕苜蓿和免耕玉米恢復措施對植物的供水能力較好。在0—30 cm，翻耕地塊土壤飽和含水量顯著高于其它三種恢復措施，這是由于翻耕耕作在播種前對耕層土壤進行了翻耕，增大了表層土壤孔隙度，從而提高了土壤表層蓄水能力。在同一土地恢復措施中，隨著土層深度的增加，撂荒地飽和含水量無明顯變化，而翻耕和免耕玉米深層土壤飽和含水量小于表層土壤，由于翻耕地塊的耕作以及免耕玉米地塊的秸稈覆蓋，此外，施肥也提高了表層土壤孔隙度，使得飽和含水量在表層高于深層土壤。而免耕苜蓿地深層土壤飽和含水量大，說明免耕苜蓿地在集中降雨時期，土壤總蓄水能力高，水土保持能力較好。

土壤的物理性質是反映水土保持的一種指標，毛管持水量和飽和持水量與總毛管孔隙度呈顯著正相關關系，與毛管孔隙度和非毛管孔隙無明顯相關關系。這說明土壤孔隙度大小的分布決定著土壤的持水性能[40]。另外，在本研究中毛管持水量與粘粒含量無明顯的相關性，與砂粒含量顯著負相關，與粉粒含量呈顯著正相關。這說明土壤的顆粒組成在一定程度上會影響植物對水分的利用能力。

4 結論

晉西北丘陵風沙區土壤粒度組成主要為砂粒，該區土壤顆粒組成較粗，且表層土壤顆粒組成小于深層土壤。與撂荒地相比，而其它三種土地恢復措施都降低了表層土壤砂粒的含量，改善了表層土壤的質量。同時，翻耕耕作、免耕玉米和免耕苜蓿三種土地恢復措施可提高土壤孔隙度，降低土壤容重，改善了該區土壤的物理性質。此外，土壤的顆粒組成在一定程度上會影響植物對水分的利用能力，翻耕耕作、免耕玉米和免耕苜蓿對植物的供水能力較好，且免耕苜蓿地在集中降雨時期，具有較好的土壤蓄水保水能力。但翻耕主要是通過人為耕作使表層土壤砂粒含量降低，并使土壤容重降低、土壤孔隙度增加。因此，可更多的選用免耕苜蓿和免耕玉米兩種土地管理措施，以保持農業的持續發展。