植被恢復和覆土厚度對砒砂巖區土壤水分及養分的影響

張 鶴, 費洪巖, 韓鳳朋,3,4, 王 鈺, 潘若鵬, 畢博遠

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中科院水利部黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中科院水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.中科院水利部 水土保持生態工程技術研究中心, 陜西 楊凌 712100)

土地退化作為國內外關注的生態環境問題之一，眾多學者在該領域進行了大量研究，其中，土壤侵蝕是造成土地退化的主要原因之一[1-3]。砒砂巖指位于黃河中游地區、出露于黃土高原北部的中生代沉積巖，是一種發育不充分的特殊泥巖、泥沙巖[4-6]，主要分布在以鄂爾多斯市準格爾旗為中心的晉陜蒙三省區交界地帶，分布面積達1.67×104km2[7-8]。根據其地表覆蓋物類型的不同可分為覆土、覆沙和裸露砒砂巖。由于砒砂巖具有沙粒間膠結程度差、結構強度低等特點[9-11]，巖層極易發生侵蝕，平均土壤侵蝕模數為3.00×104t/km2，水土流失十分嚴重[12-13]，多年平均輸沙量高達1.61×108t/a，是造成黃河下游河道淤積的主要原因[14-15]，對黃河中下游生態環境安全具有嚴重威脅。植被—土壤是生態系統水分養分循環的重要環節，兩者之間進行頻繁的物質交換，相互影響[16]，土壤促進植被生長，植被對土壤有保護改良作用[17-18]。土壤為植被提供生長所需的水分和養分，直接影響林木的生長、植被群落結構等[19-21]，同時植被所產生的枯落物層的腐化以及分解可以促進其下土壤營養元素的循環[22]，改善土壤的理化性質，有效抵抗土壤侵蝕，對土壤功能效應的發揮起到關鍵作用[23]。采取植被生態工程是控制土壤侵蝕最基本的方法，可以獲得良好的生態環境。張祎、何群等學者的研究結果均表明植被是影響土壤性質的重要因素，植被恢復對土壤碳、氮、磷等理化性質及微生物性質都有明顯改善，在提高土壤有機碳、氮儲量和穩定土壤結構方面都有著重要的作用，并且隨著恢復年限的增加改善效果更強，有利于土壤生態功能的恢復[24-30]。基于以上情況，為更加科學有效地推進砒砂巖地區的水土流失治理，減少入黃泥沙，植被恢復成為砒砂巖區土壤質量維系、生態環境改善的有效方式，研究該地區植被恢復后土壤水分和養分狀況，對改善該區域土壤性質和結構，維持區域生態平衡有著重要的實踐意義。在砒砂巖區水土保持生態工程建設的諸多研究中，大多是在單一類型區域內進行研究[13,31-32]，植被恢復方面也多集中于沙棘生態工程[4,33-35]。然而，砒砂巖地區人工林多為物種單一、結構簡單的生態系統，存在植被類型少、樹種難以自我更新等方面的問題，并且在侵蝕潛力很強的裸露至覆土砒砂巖過渡帶的研究較少，對該區域不同植被恢復情況下土壤水分和養分特征方面的分析較為薄弱，造成該地區在選擇適宜生長并能保持土壤水肥功能的植被類型時缺乏理論依據。因此，目前亟需了解砒砂巖地區黃土—砒砂巖過渡帶植被恢復下土壤水分和養分差異狀況，以期提高植被恢復的有效性，為砒砂巖地區的科學研究和生態恢復提供基本的數據參考及理論基礎，使砒砂巖地區恢復治理工作持續開展。基于以上背景，本文選取黃土—砒砂巖過渡帶山杏(Armeniacasibirica)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、山桃(Amygdalusdavidiana)、油松(Pinustabuliformis)4種不同植被為研究對象，以天然草地(Natural grassland)為對照，對各植被下土壤的水分養分狀況進行分析，對比研究區內水分養分的空間變化，旨在明確裸露向覆土砒砂巖過渡帶土壤水分和養分的顯著影響因子，砒砂巖區5種不同植被恢復下土壤的水分養分差異狀況。以及砒砂巖區土壤保水保肥效果最佳的植被恢復類型，以期為砒砂巖區生態修復和區域水土流失治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗暖水鄉，地處鄂爾多斯高原東部，屬黃河中游段，地貌主要以丘陵溝壑為主，包括裸露砒砂巖區和覆土砒砂巖區，地理坐標為110°36.043 2′—110°36.095 1′E，39°47.199 2′—39°47.246 5′N，平均海拔1 213 m，年平均氣溫6.2～8.7 ℃，降水少而集中，多集中于7—9月，年均降水量400 mm，年均潛在蒸發量2 093 mm[32,36]。研究區處于裸露砒砂巖向覆土砒砂巖過渡區域，土壤基質以砒砂巖和黃土為主，區域內黃土覆蓋厚度不同，表層為黃土，深層多為白色砒砂巖。目前該區人工恢復植被主要包括山杏(V1)、沙棘(V2)、山桃(V3)、油松(V4)，植被生長狀況良好，自然恢復以草地為主，其中草本植物包括鼠尾粟(Sporobolusfertilis)、草木樨(Melilotusofficinalis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。本文以天然草地(CK)土壤做對照，其余4種人工植被土壤作為研究對象。植被類型分布及采樣點如圖1所示。

1.2 樣點布置及采樣

2019年7月進行野外調查及采樣，采樣前無降水等自然因素或人為干擾影響。采樣位置處于什巴爾大溝坡頂塬面，塬面坡度約為3°～5°，自2013年進行人工植被恢復措施。區域整體植被蓋度約85%左右，其中多以自然恢復的草本植物為主，人工恢復植被交錯排列(圖1)，按照一定行距種植。綜合研究區地形和植被分布特征，共設取樣點16個。在自然恢復區域內選取草本植物蓋度相對最大且周邊無人工恢復植被的樣地” 改為 在自然恢復區域內選取草本植物蓋度相對最大的樣地作為天然草地樣點(見圖1)。在研究區域內均勻布點，用手持GPS記錄樣點坐標，并詳細記錄樣點處植被類型、海拔、株高、行距等信息。樣地植被基本信息詳見表1。研究區既包括覆土厚度為0 cm的裸露砒砂巖區，也包括黃土厚度在100 cm左右的區域，而砒砂巖結構堅硬取樣難度較大，因此將采樣深度統一設為100 cm。在確定采樣點大概位置后，距該點植被大約1 m處用土鉆采集土壤樣品，每個樣點3個重復。采樣前除去表層枯枝落葉等雜物，分6層采樣：0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm，每層混合均勻后取適量裝小鋁盒用于含水量的測定，其余帶回實驗室，共計288個土壤樣本。待自然風干，分3份分別過2，1和0.25 mm篩，備用。

圖1 研究區植被類型和采樣點分布

表1 研究樣地基本概況

1.3 測定方法

1.4 統計分析

運用Excel 2010軟件進行數據分析以及圖表的制作，結合SPSS 22進行最小顯著性檢驗(LSD)及雙因素方差分析(two-way ANOVAs)，數據結果以平均值±標準誤表示，利用ArcGIS 10.2繪制植被及采樣點分布圖。

2 結果與分析

2.1 植被類型和覆土厚度對土壤水分的影響

2.1.1 不同土壤基質對水分的影響 由圖2可知，5種植被恢復下不同深度的土壤粒徑分布情況中，粉粒(0.002～0.05 mm)變化較小，砂粒(0.05～2 mm)和黏粒(<0.002 mm)差異顯著，而且，砂粒含量隨深度增加而增加。砒砂巖比較堅硬，粒徑大，土壤結構差，而黃土的黏粒含量更大，兩者土壤機械組成的不同是造成持水能力差異的主要原因。

表2 土壤樣品選定指標的測定方法

注：CK代表天然草地； V1代表山杏； V2代表沙棘； V3代表山桃； V4代表油松

研究區北部多為裸露砒砂巖區，由北向南覆土厚度逐漸增加，南部黃土厚度最大。研究區任一深度土壤水分含量均呈現由北向南逐漸增大的趨勢，與土壤基質的變化一致。由表3可知，表層土壤水分含量平均0.140 g/g，高于深層0.101 g/g，垂直方向上黃土—砒砂巖界面上下土壤水分含量差異顯著，且由于二者界面多存在于20—60 cm，因此該深度范圍內的土壤含水量變異系數也最大，為33.81%。80—100 cm多為砒砂巖土壤，持水能力相當，變異系數最小。以上結果表明研究區黃土、砒砂巖兩種顆粒組成不同的土壤基質是造成水分含量差異的主要影響因子，且黃土的持水能力優于砒砂巖土壤。與雙因素分析結果一致。

2.1.2 不同植被恢復下土壤水分差異狀況 5種植被恢復下土壤水分含量狀況如圖3所示。垂直方向上，各深度的土壤含水量變化幅度較小，草地和油松40 cm以下土壤水分含量顯著低于20 cm以上(p<0.05)，山杏、沙棘和山桃土壤含水量在深度上無顯著變化。對比天然草地，處于黃土厚度較厚區域的油松地不同剖面土壤水分含量都是最高的，且整體含水量顯著高于其余4種植被恢復類型，較天然草地提高54.55%。山杏、山桃和沙棘植被恢復下由于黃土厚度基本一致，土壤含水量也無顯著差異，土壤水分整體比天然地高出9.10%左右。

表3 區域土壤水分描述性統計

2.2 不同植被恢復對土壤養分的影響

注：不同大寫字母代表同一深度不同植被之間的顯著性差異，不同小寫字母代表同一植被不同深度之間的顯著性差異。下同

圖4 研究區5種植被恢復類型下土壤養分含量變化狀況

2.3 土壤養分空間變異分析

3 討 論

3.1 植被類型和覆土厚度對土壤水分的影響

土壤水分是土壤肥力諸多因素中最活躍、最重要的指標，也是半干旱地區生態系統可持續性的基礎[23]。土壤含水量可以綜合體現土壤的孔隙度狀況以及土壤的持水性能，易受到諸多外界因素的干擾，如植被、土壤質地、降水、蒸發及人為活動等[38-40]。研究區土壤含水量主要由土壤基質，即砒砂巖和黃土的持水性能決定，水分分布狀況與土壤基質分布一致，砒砂巖含水量低于黃土含水量，這與砒砂巖土壤結構有很大關系。該研究區砒砂巖樣品均為白色砒砂巖，特點是粒徑較大，以砂粒為主，而黏粒含量比較少，因此砒砂巖土壤中的膠結物質含量較低[41]，土壤的結構以及穩定性較差，土壤水分難以保持，并且黃土—砒砂巖界面隔水層的存在也會對水分下滲起到阻擋作用[42]。覆土層對于水分有較為明顯的提高能力，改善砒砂巖區的水分狀況。土壤在20—60 cm深度變異系數較大，主要是由于黃土—砒砂巖界面多存在此深度，因此離散程度較大。在植被恢復的過程中，表層的枯枝落葉層對土壤水分也會起到增加入滲、減少蒸發的作用，且4種人工植被中油松的枝葉以及松針距離根部很近，遮陰效果比較強，造成水分的蒸發消耗量更少，導致油松覆蓋下土壤水分含量較高，這與楊振奇[43]的研究結果一致。由于植被耗水和水分難以補給的原因，深層的含水量相對較低，這一結果與Yang[44]的研究結論一致。

3.2 不同植被恢復對土壤養分的影響

根據白杭改、李長明等[5-6]對砒砂巖礦物成分、土壤特性的研究，表明砒砂巖的礦物組分易分解、膨脹，造成巖石發育不成熟，并且白色砒砂巖尤其不穩定，顆粒較大，因此砒砂巖土壤營養元素流失非常嚴重，保肥能力極低，不適宜作物生長[41]。而磷素在砒砂巖土壤中的形式主要為晶格固定態磷，植物難以吸收利用[1]。在區域尺度上，土壤pH多為弱變異，有機質、全氮、速效磷等養分多為中等變異程度[45-47]，與本文的研究結果一致。其中，銨態氮和硝態氮、有機質和全氮的空間變異系數相差不大，但全磷和速效磷的變異系數相差較大，主要是由于土壤全磷是土壤中磷元素的總儲量，包括有機磷和無機磷兩大類，可以通過風化、遷移等多種因素累積，大多以遲效性的狀態存在，而速效磷是存在于土壤中可被植物吸收利用的小部分磷，研究區不同的植被對速效磷的轉化利用能力不同，造成土壤中累積的速效磷含量差異較大，進一步導致區域速效磷變異程度較高，全磷的變化較小，這一結論與王國梁等的研究結果一致[48]。因此區域土壤碳氮磷等養分主要受到生物因素的影響，并且穩定性較差，容易受到隨機和人為干擾的影響[49]。土壤碳、氮、磷含量的高低可以體現土壤肥力的大小，它們的主要來源包括地表枯落物、植物的光合以及地下根系的分解[17,50-51]。植被—凋落物—土壤—植被的遷移、轉化、循環作用對土壤的磷素狀況起到至關重要的作用，而枯枝落葉轉化成腐殖質主要造成土壤表層的碳、氮累積，這與Zhang等[52]人結論一致。土壤碳氮含量變化趨勢相似且空間分布一致，這與陳彥等學者[53,46]一致，表明土壤氮含量和碳含量呈正相關關系[54]。但銨態氮的變化除受到凋落物的影響外，自身揮發影響較大，因此無明顯變化規律。沙棘和油松植被恢復使土壤碳氮含量有所提升，與何京麗、梁月等人[34-35,55]的研究結果一致，認為種植沙棘、油松后提高了土壤的保肥能力。磷素是土壤肥力和質量的主要決定因素和指標，也是植物生長發育所必需的礦質元素[20,56-58]，研究區域植被恢復對土壤磷素的提高并沒有明顯的作用，是因為磷素主要來源于巖石風化[27]。本研究結果表明，種植沙棘和油松對于提高砒砂巖區土壤養分含量起到一定的作用，但根據全國第二次土壤普查養分分級標準[59]，研究區內多數深層土壤養分指標依舊處于6級水平，整體含量偏低。

表4 土壤養分的描述性統計

4 結 論

本文對內蒙古準格爾旗砒砂巖區進行實地調查并測定分析了區域土壤水分養分，所選研究區處于裸露砒砂巖向覆土砒砂巖過渡區域，結果表明在實施人工植被恢復后，土壤質量得到不同程度的提高。造成土壤水分差異的主要影響因子是研究區土壤基質的不同，黃土較砒砂巖土壤持水能力更好，而植被類型的不同是造成土壤養分差異的主要因素，植被恢復對于土壤碳、氮等養分指標產生積極的作用，以沙棘和油松對土壤養分恢復效果最佳，兩種植被恢復類型下研究區土壤有機質含量分別提高了43.12%，34.27%，全氮分別提高了78.95%，42.11%，銨態氮分別提高了25.64%，46.15%，硝態氮分別提高了69.44%和42.22%，其中油松恢復下的土壤水分含量也高于天然草地54.55%。因此，對于砒砂巖區土壤水分的改善，可以考慮覆土層的蓄水保水能力。黃土和砒砂巖界面會對水分的下滲以及下層水分向上損失有一定的改善作用。人工恢復植被可以選擇沙棘和油松，進而考慮其種植密度、恢復年限等因素與土壤養分的相關性，且種植的過程中可施用磷肥以改善砒砂巖區土壤磷素水平。