黃土區植被恢復對土壤水文物理性質的影響

劉卓昕, 高 鵬,, 穆興民,, 邱德勛, 丁瑩瑩

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所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; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

自20世紀50年代以來,為治理黃土高原嚴重的水土流失,該地區就開展了有組織的規模化水土保持治理工作[1-2],特別是1999年以來退耕還林(草)措施的實施,植被蓋度從20世紀80年代的28.8%增長到2018年的60%以上,植被恢復已經成為該地區控制水土流失、改善生態系統服務功能的重要措施[3]。退耕還林(草)使得植被覆蓋發生了顯著變化,緩慢改變了土壤的理化性質,導致土壤水文過程發生改變,促使超滲產流轉變為蓄滿產流和壤中流,降低了產流和產沙量[4-5]。所以,研究植被恢復對土壤水文物理性質的影響在黃土高原水土保持工作中具有重要意義。

植被恢復對土壤物理性質的影響一直是土壤學及水土保持工作的研究重點。植被和土壤的相互作用導致土壤物理性質變化,從而顯著改變了土壤結構。退耕還林(草)顯著提高了表層土壤質量[6],植被通過增加地表枯落物和土壤有機質提高了土壤團聚體的含量和穩定性,從而促進退化土壤性質恢復[7],使土壤容重顯著降低[8]。土壤容重的大小可以反映植被恢復對土壤孔隙狀況與通氣透水能力的改善程度[9-10]。焦夢妍等發現,安塞地區不同植被恢復階段表層土壤容重總體表現為先減少后增加的趨勢,在30 a時降到最低值,孔隙度變化趨勢則與之相反[11]。但是李同川發現土壤大孔隙特征隨植被年齡的增加而逐漸優化,40 a生檸條比22 a生檸條覆蓋下的土壤擁有更好的孔隙結構[12]。土壤結構的變化對土壤水文性質產生顯著影響。目前,植被恢復可以改善土壤結構,從而提高土壤入滲和持水能力這點已有普遍共識。大量研究[13-16]表明,土壤入滲性能與土壤容重、孔隙度、水穩性團聚體以及有機質含量顯著相關。在植被恢復過程中,植被類型是影響土壤入滲的重要因素,而且在不同地區,植被恢復類型對土壤入滲性能呈現出不同的影響。王國梁等[14]發現安塞紙坊溝流域的灌木和草地土壤穩定入滲速率顯著大于林地。但是劉暢等[17]發現吉縣蔡家川流域的林地土壤入滲速率明顯大于灌木和草地。隨著退耕年限的增加,土壤容重減小,水穩性團聚體和有機質含量增加,土壤結構更加穩定,更有利于水分入滲[18]。

綜上所述,針對不同植被類型和恢復年限的土壤性質變化已經進行了大量的研究,但是黃土高原的植被生態恢復是一個長期工作,而且在不同地區,由于氣候、地形以及土壤等因素的不同,植被類型對土壤水文物理性質的影響也不盡相同,所以仍需要對黃土高原進行大量持續的研究以明確黃土高原長期大范圍的植被恢復對土壤水文過程的影響,從而針對不同地區進行合理的植被恢復及水土保持治理規劃。綏德和神木位于陜西省北部,屬于典型的黃土區,土壤侵蝕活動強烈而且具有很強的代表性,兩個地區自20世紀50年代開始進行水土保持治理措施,生態環境顯著改善,在黃土高原的水保治理工作中具有代表示范性作用。選擇這兩個區域為研究區,探討黃土區典型流域植被恢復對土壤水文物理性質的影響,有助于進一步認識黃土高原典型黃土區的土壤水文過程,對于黃土高原生態恢復和水土保持治理具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

辛店溝(110°16′45″—110°20′00″E,37°29′00″—37°31′00″N)和橋溝流域(110°17′24″—110°17′43″E,37°29′33″—37°30′13″N)位于陜西省榆林市綏德縣,屬于黃土高原丘陵溝壑區,土壤類型主要為黃綿土。氣候類型為半干旱大陸性季風氣候,多年平均氣溫約為10.1℃,平均降雨量約為480 mm,集中在6—9月,且多以暴雨形式出現。研究區代表性植物類型有檸條(Caraganakorshinskii)、狗尾草(Setariaviridis)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、油松(Pinustabulaeformis)等。

六道溝流域(110°21′—110°23′E,38°46′—38°51′N)位于陜西省榆林市神木市,位于黃土高原北部水蝕風蝕交錯帶,土壤類型以風沙土和黃綿土為主。氣候屬于半干旱大陸性季風氣候,多年平均年降雨量為440.8 mm,年均溫為8.9℃,降水年內分配不均,集中在6—9月。該流域主要植被類型有長芒草(Stipabungeana)、檸條、沙柳(Salixcheilophila)等。

1.2 研究方法

為了明確陜北黃土區典型流域植被恢復對土壤水文物理性質的影響,對黃土區典型流域的農地與草地、灌木以及林地3種植被恢復類型的土壤水文物理性質進行分析。

1.2.1 試驗樣地選擇 為了研究植被恢復對土壤水文物理性質的影響,選擇陜北黃土高原兩個典型的退耕還林(草)地區進行野外試驗,分別是陜西省綏德縣的辛店溝和橋溝流域以及陜西省神木市的六道溝流域。對小流域進行充分的野外踏查,在了解研究區域主要植被恢復模式以及溝坡主要植物群落、生長狀況和分布特征的基礎上,選擇坡度、坡向、海拔以及恢復年限等條件大致相同的草地、灌木地和林地作為試驗樣地。同時選擇農地作為植被恢復樣地的對照組。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic conditions of sample plots

1.2.2 樣品采集與試驗 在每種植被類型樣地選擇植被生長較為典型的地塊布設樣方,樣方面積為20 m×20 m。樣方布設好后,在樣方中部沿水平方向等間距選取3個采樣點重復采樣。在每個采樣點挖100 cm深土壤剖面,前20 cm以10 cm為間隔用100 cm3環刀進行取樣,20—100 cm以20 cm為間隔進行取樣,用于測定容重和孔隙度。同時每個土層取500 g左右原狀土樣用于測定水穩性團聚體,用自封袋在每層取2次土樣測定土壤機械組成和有機質。在剖面旁打1 m深土鉆,每隔10 cm用小鋁盒取樣,測得土壤質量含水量。

在每個剖面旁邊選擇一塊較平坦的土地進行野外雙環入滲試驗,每個樣地均進行3次重復試驗。用小鏟子去除地表植被和枯落物,并將地表鏟平。用鐵錘將內環30 cm,外環45 cm的雙環垂直打入土壤表面以下5 cm。試驗開始后,同時向內外環迅速注水,當內外環水位達到4 cm開始計時,采用定水頭注水法測定入滲速率。試驗以0.5 min,1 min,3 min,5 min,7 min,10 min,15 min,20 min,25 min,…,為時間間隔計數,每次雙環入滲試驗進行50 min。將前1 min的平均入滲速率視為初始入滲速率,最后10 min的平均入滲速率視為穩定入滲速率,0～50 min的平均入滲速率為平均入滲速率。

1.2.3 土壤性質測定與計算 土壤有機質采用重鉻酸鉀熱容量法測定。粒徑使用馬爾文MS2000型激光粒度儀測定,根據美國農業部土壤分類法,土壤顆粒按粒徑分為3類,2～0.05 mm為砂粒、0.05～0.002 mm為粉粒、小于0.002 mm為黏粒。水穩性團聚體含量采用Yoder法測定。土壤含水量使用烘干法測得。土壤容重和孔隙度采用環刀法測定。具體測定方法參照《土壤理化分析》[19]。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型的土壤物理特征

根據不同植被類型和不同深度土層土壤的主要物理性質(表2,表3)可以發現土壤物理性質受植被恢復類型影響顯著(p<0.05),土層深度對土壤有機質、團聚體、容重、孔隙度以及含水量有顯著影響(p<0.05),植被恢復對土壤造成的影響在40 cm以上的土層中表現最為明顯。

表2 綏德地區不同深度和土地利用類型的土壤特征Table 2 Soil characteristics at different depths and land use types in the Suide area

表3 神木地區不同深度和土地利用類型的土壤特征Table 3 Soil characteristics at different depths and land use types in the Shenmu area

農地的容重普遍高于其他植被類型,其總孔隙度則較小,尤其在0—20 cm土層差異顯著(p<0.05)。在0—20 cm土層中,綏德和神木地區容重最小的植被類型分別為草地(1.17 g/cm3)和灌木(1.28 g/cm3),容重最大的樣地均為農地(1.30 g/cm3,1.47 g/cm3),神木地區的土壤容重在整體上大于綏德。相較于農地,其他3種植被類型的>0.25 mm水穩性團聚體和有機質含量增加,隨著土層的加深,團聚體和有機質的含量顯著降低(p<0.05)。0—20 cm土層中,草地的有機質含量較高,特別在綏德地區,草地土壤表層的有機質含量顯著大于農地。灌木和林地在20 cm以下土層中的有機質含量要大于草地和農地,特別是在40—100 cm土層中,綏德灌木(2.75 g/kg)地以及神木林地(1.31 g/kg)、灌木(1.28 g/kg)樣地的有機質含量顯著大于農地,表明灌木和林地更有利于增加較深層土壤的有機質含量。植被恢復后,神木地區土壤黏粒含量顯著增加,砂礫含量顯著減少(p<0.05),黏粒含量受灌木的影響最大。相較于農地,灌木3個土層的黏粒含量從淺到深依次增加了49%,92%和106%。在不同土層,綏德地區農地含水量均顯著大于其他3種植被類型,說明草地、灌木和林地的耗水量要顯著大于農地。神木地區4種類型樣地的含水量隨著土層的加深而增加,表明淺層土壤水分的消耗更強。

2.2 不同植被類型的土壤入滲特征

退耕還林(草)增強了土壤的入滲能力,而且不同植被類型的入滲性能差異顯著(圖1)。土壤入滲速率在前5 min內迅速下降,在15 min后基本趨于穩定(圖2)。草地的土壤表層具有發達的根系,兩個地區草地的初始入滲速率均顯著大于其他植被類型(p<0.05),相較于農地,綏德和神木草地的初始入滲分別增加了50%和31%。兩個地區灌木和林地的初始入滲速率與農地無顯著差異(圖1)。

圖1 綏德和神木地區各植被類型的不同入滲參數對比Fig. 1 Comparison of different infiltration parameters of different vegetation types in Suide and Shenmu areas

圖2 綏德和神木地區不同植被類型的土壤入滲過程Fig. 2 Soil infiltration process of different vegetation types in Suide and Shenmu areas

隨著入滲過程的進行,兩個地區草地和其他植被類型入滲速率的關系呈現不同的變化(圖2)。綏德地區草地的入滲速率在整個入滲過程中基本上均大于其他植被類型。草地的穩定入滲速率顯著大于農地、灌木和林地(p<0.05)。相較于農地,草地的穩定入滲增加了76%,灌木、林地和農地的穩定入滲無顯著差異。神木地區,草地的入滲速率在前5 min內迅速下降。從入滲過程曲線可以看出,草地的入滲速率從3 min后始終明顯小于灌木,與林地的入滲速率沒有明顯差距。相較于農地,草地、灌木和林地的穩定入滲速率明顯增加,增加幅度分別為53%,128%和58%,灌木的穩定入滲速率顯著大于農地(p<0.05)。

綏德和神木各植被類型的平均入滲和穩定入滲速率的次序相同,在整個入滲過程中,入滲速率在前5 min內迅速下降(圖2),所以平均入滲速率的大小主要取決于土壤穩定入滲。兩個地區植被恢復樣地的平均入滲速率相較于農地均有不同程度的增加,綏德地區草地、灌木和林地相比農地分別增加了65%,2%和26%,草地的平均入滲速率顯著高于農地;神木地區分別增加了43%,103%和37%,灌木的平均入滲速率顯著高于農地。

2.3 土壤水分入滲影響因素分析

植被恢復通過增加土壤有機質,改善土壤結構與性質從而影響土壤的入滲能力。為了明確土壤入滲能力的影響因素及其相關關系,對土壤各項物理性質和入滲能力進行了相關性分析(表4)。

表4 土壤性質與入滲特征值的相關系數Table 4 Correlation coefficients between soil properties and infiltration parameters

土壤有機質、容重和孔隙度對土壤穩定入滲速率和平均入滲速率有顯著影響,土壤顆粒組成、水穩性團聚體含量以及土壤含水量與土壤入滲能力無顯著相關關系。土壤穩定入滲和平均入滲與容重呈顯著負相關關系(p<0.05),與總孔隙度、毛管孔隙度(p<0.05)和有機質含量(p<0.01)呈顯著正相關。團聚體和非毛管孔隙度對土壤入滲能力有重要影響,和土壤的入滲速率呈正相關關系。

對與土壤入滲能力有顯著相關關系(p<0.05)的因素進行線性回歸分析(圖3),發現有機碳與土壤入滲的擬合程度最好,穩定入滲和平均入滲的R2為分別0.783,0.719。容重、總孔隙度和毛管孔隙度與穩定入滲和平均入滲的相關系數表明這3種因素與土壤穩定入滲的關系更加密切。因此,這3種因素與穩定入滲進行擬合的R2大于平均入滲。容重、總孔隙度和毛管孔隙度與穩定入滲線性擬合的R2分別是0.502,0.514,0.571,平均入滲的R2分別為0.382,0.387,0.429。

圖3 穩定入滲和平均入滲速率與不同土壤特征參數的回歸分析Fig. 3 Regression analysis of stable infiltration and average infiltration rate with different soil characteristic parameters

3 討 論

3.1 植被恢復對土壤物理特征的影響

大量研究表明,植被恢復可以提高土壤有機質含量、降低土壤容重、增加孔隙度、影響土壤結構,從而改善退化土壤性質[18,20-22]。本研究通過分析兩個地區不同植被恢復類型的土壤特征,研究了植被恢復對土壤水文物理特征的影響。研究發現植被恢復后土壤物理性質變化顯著,土壤有機質和水穩性團聚體含量顯著增加,土壤結構發生變化,尤其是對0—40 cm土層的土壤結構影響顯著。這是由于土壤結構與土壤有機質含量密切相關[21]。植被枯枝落葉以及根系的分布決定了土壤有機質的垂直分布特征[23],枯枝落葉在土壤表層大量累積,而且淺層土壤的根系活動明顯強于深層土壤[24],因此植被恢復對0—40 cm土層的土壤影響尤為顯著,0—20 cm土層的有機質含量顯著大于20 cm以下的土層。與之相比,農地沒有枯枝落葉層,并且由于作物的吸收生長導致土壤中有機質損失,造成了土壤的退化。

土壤性質是經過地形、成土母質、土地利用類型以及氣候等多種因子綜合作用的結果,黃土高原地貌類型多樣,地形、坡位、坡向、海拔共同影響水熱條件和土壤物質的再分配[25],所以相同植被類型在不同地區對土壤的影響呈現不同的效果。研究發現在綏德地區,草地對表層土壤物理性質的影響更加明顯,隨著土層的加深,灌木和林地對土壤的影響強于草地,而在神木地區,灌木對土壤質量的改善要強于其他植被類型。植被恢復在綏德對土壤性質的影響表現在0—40 cm的土層中,但是神木地區,只對表層20 cm的土壤影響較為明顯。

3.2 植被恢復對土壤水分入滲的影響

植被恢復可以顯著提高土壤水分入滲速率[14]。植被恢復使得土壤有機質含量增加以及土壤環境發生變化,從而導致根系和土壤生物量增加[26],這促進了土壤團聚體和孔隙度的增加,進而改善了土壤結構并導致土壤滲透性增強[20]。同時,植物根系和土壤生物在土壤中產生的大孔隙使得土壤水入滲時出現優先流[21],這也會導致土壤入滲速率變快。

研究發現,土壤滲透性與土壤有機質、容重和孔隙度顯著相關。植被恢復對0—40 cm土層的影響更顯著,淺層土壤的結構優于深層土壤,這樣使得淺層土的滲透性能比深層土強。同時由于表層土壤發達的根系和地表植被,造成土壤入滲量增多,使得植被恢復后,流域的產流由原本的超滲產流轉變為蓄滿產流和壤中流[5]。本研究發現農地的初始入滲速率要高于灌木和林地,這是由于農地耕作層經過人為的翻耕以及除草等活動使得土層疏松,發達的孔隙造成了農地的初始入滲速率較高,之后農地的入滲速率便迅速下降,小于其他植被恢復樣地的入滲速率。

4 結 論

(1) 土壤性質受土地利用類型影響顯著(p<0.05),植被恢復對土壤造成的變化在40 cm以上的土層中表現最為明顯。有機質、孔隙度和>0.25 mm水穩性團聚體含量顯著增加,土壤容重顯著降低。

(2) 植被恢復增強了土壤的入滲能力,相較于農地,綏德和神木草地的初始入滲和穩定入滲顯著增加(p<0.05);綏德地區草地、灌木和林地的穩定入滲速率分別增加了76%,11%和19%;神木地區草地、灌木和林地的穩定入滲速率增加幅度分別為53%,128%和58%。

(3) 土壤有機質(p<0.01)、容重和孔隙度(p<0.05)對土壤穩定入滲速率和平均入滲速率有顯著影響。