楊鳳群，齊雁冰，2，常慶瑞，2，姚亞慶，黃 聰

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.農(nóng)業(yè)部 西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

植被恢復(fù)是嚴(yán)重退化生態(tài)系統(tǒng)土壤逆轉(zhuǎn)的主要途徑［1－6］。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過程（如營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、水分平衡和凋落物分解等）的參與者與載體，是地上植物生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和結(jié)合生物體與其它因子的紐帶，而植被的凋落物分解、根系穿插以及固氮等又能夠起到改良土壤的作用［6－7］?；哪恋卦谥脖恢亟ㄟ^程中，通過植被與土壤雙重生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行交互作用，促進(jìn)退化土壤的正向發(fā)育，改善土壤環(huán)境質(zhì)量［6－10］。在植被重建過程中，植被類型是決定退化生態(tài)系統(tǒng)逆轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。不同植被類型，由于其植物性質(zhì)、生物量及生長速度的不同，對(duì)土壤性質(zhì)的影響具有明顯差異，因此通過不同植被恢復(fù)類型下土壤性質(zhì)的比較，可以評(píng)價(jià)植被恢復(fù)的土壤環(huán)境改善效果，從而為篩選較優(yōu)的植被恢復(fù)模式提供理論基礎(chǔ)。

土壤物理性質(zhì)是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，良好的水分條件和通氣性，在土壤微生物活動(dòng)、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化中起著重要的作用，因而日益成為重要的研究領(lǐng)域之一。植被恢復(fù)過程中，隨著地表凋落物和地下有機(jī)物（細(xì)根及根系分泌物）的大量增加，可以明顯降低土壤容重［11－12］，提高 孔 隙 度，增 強(qiáng) 團(tuán) 聚 體 穩(wěn) 定 性 等［12－13］，改善土壤綜合物理性質(zhì)，促進(jìn)退化土壤理化性質(zhì)的恢復(fù)。目前我國開展植被重建土壤質(zhì)量效應(yīng)的區(qū)域主要在黃土高原區(qū)、紅壤區(qū)、西南丘陵區(qū)等由于水力侵蝕造成的水土流失區(qū)域，而針對(duì)由于風(fēng)力引起的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的研究相對(duì)較少。

陜北農(nóng)牧交錯(cuò)帶由于自然環(huán)境脆弱，人類干擾過度，以及嚴(yán)重的風(fēng)蝕和水蝕共存，是現(xiàn)代土地荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，土地荒漠化問題已成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素［13－14］。20世紀(jì)50年代以來，該區(qū)先后經(jīng)歷了植樹種草、三北防護(hù)林建設(shè)和退耕還林（草）工程三個(gè)階段，也均取得了舉世矚目的成就。然而，受科技發(fā)展階段和人類認(rèn)識(shí)水平的限制，許多工程缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)、合理的規(guī)劃布局與先進(jìn)的技術(shù)方法，產(chǎn)生的效益并不十分理想，植被和土壤之間沒有形成良性循環(huán)和相互促進(jìn)的作用機(jī)制，甚至誘發(fā)新的環(huán)境問題。尤其是人工林大片枯死，地下水位降低、河流斷流和湖泊干枯的頻繁發(fā)生，使人類不得不對(duì)半個(gè)多世紀(jì)以來的大規(guī)模生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)［3，15－16］，急需進(jìn)一步深入評(píng)估植樹種草、植被重建產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)?；诖?，本研究以陜西省治沙站恢復(fù)30a的10種植被類型下土壤為研究對(duì)象，探討不同的植被恢復(fù)類型對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，為研究生態(tài)恢復(fù)和植被恢復(fù)模式的選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地南緣陜西省榆林市，地處陜西省黃土高原與毛烏素沙地過渡帶的陜西省治沙站沙生植物園內(nèi)。該園自20世紀(jì)60年代起在流動(dòng)沙地上，以“帶、片、網(wǎng)”相結(jié)合為主的防風(fēng)沙體系，采取丘間營造片林與沙丘表面設(shè)置沙障，障內(nèi)以栽植固沙植物建立起來的，目前該區(qū)植被覆蓋度達(dá)65%以上，是陜西省治沙的示范點(diǎn)之一。園區(qū)地處109°42′E，38°20′N，平均海拔約1 100m，年均溫10℃，月平均最低溫（1月）－8.8℃，最高溫（7月）22.2～24.1℃，氣溫日較差和年較差大?！?0℃積溫2 600～3 370℃，年日照時(shí)數(shù)2 700～2 800h，全年太陽輻射量590.3～632.2kJ／（cm2·a），全年無霜期約150d，年均降水約400mm，主要集中在7—9月份，占全年降水60%～70%；年蒸發(fā)量是年降水量的4～10倍，干燥度1.3～2.8［17］，具有明顯中溫帶半干旱氣候和沙地氣候特征。

1.2 樣品采集與分析

本研究主要分析植被恢復(fù)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，因此樣品采集時(shí)，為了便于橫向比較，在向園區(qū)管理人員咨詢和進(jìn)行植被觀察的基礎(chǔ)上，充分考慮海拔、坡度、坡位以及土壤狀況等具有相對(duì)接近的立地條件（表1），確定園區(qū)南部區(qū)域植被恢復(fù)年限均為30 a左右，坡位均為沙丘中部的10種植被類型為樣品采集點(diǎn)，包括小葉楊（Populus simonii）、油松（Pinus tabuliformis）、榆樹（Ulmus pumila）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、檸條 （Caragana korshinskii）、紫 穗 槐 （Amorpha fruticosa）、沙柳（Salix psammophila）、沙蒿（Artemisia desertorum）、沙 米 （Agriophyllum squarrosum）。在每個(gè)樣地進(jìn)行植物群落學(xué)調(diào)查，在明確植物群落組成和演替特征的基礎(chǔ)上，每樣地選取3個(gè)代表性的位置采用發(fā)生法分兩層，表層有結(jié)皮層的為1層，下層為1層，表層無結(jié)皮層的，通過觀察上下層的發(fā)生特性采集表層和下層。環(huán)刀采集原狀土樣測(cè)定土壤容重和總孔隙度，混合樣品（約2kg）在室內(nèi)經(jīng)風(fēng)干以后磨碎并過2mm篩，用于測(cè)定顆粒組成。共采集了33個(gè)剖面，并以流動(dòng)沙地為對(duì)照樣地。

表1 研究區(qū)采樣點(diǎn)基本情況

土壤容重采用環(huán)刀法，總孔隙度根據(jù)土壤容重進(jìn)行計(jì)算，土壤顆粒組成采用比重計(jì)法測(cè)定，顆粒的分級(jí)采用國際制，分析方法均按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［18］進(jìn)行。文中所測(cè)得數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重

由表2可以看出，研究區(qū)土壤容重在1.07～1.64 g／cm3之間，不同植被類型之間具有明顯的差異。與流動(dòng)沙地相比較，各植被類型下土壤容重均明顯降低，表明植被重建后土壤容重均有所改善；從剖面上看，各植被類型均表現(xiàn)出表層低于下層，植被恢復(fù)對(duì)土壤容重的改善主要表現(xiàn)在表層；不同的植被類型相比較，表層土壤中檸條地土壤容重最低，僅為1.07 g／cm3，其次為沙柳地，為1.26g／cm3，最高的為側(cè)柏地，高達(dá)1.56g／cm3。研究區(qū)不同模式的植被恢復(fù)樣地平均值在1.12～1.57g／cm3，以檸條的土壤容重較小，表明檸條對(duì)土壤容重改善效果最為明顯。將喬木、灌木和草本三種植被恢復(fù)模式相比較，以灌木林地下土壤容重最近于最適容重，最優(yōu)（表層平均為1.27g／cm3，下層1.42g／cm3），其次是草本，喬木的改善效果最差，但均優(yōu)于流動(dòng)沙地。

表2 研究區(qū)不同植被類型土壤容重與總孔隙度

2.2 土壤總孔隙度

一般植物對(duì)旱地土壤總孔隙度的要求應(yīng)大于50%，研究區(qū)不同植被類型的土壤各層次總孔隙度有較明顯的差異，土壤總孔隙度在38.00%～59.44%，其中最大值出現(xiàn)在檸條的表層，最小值出現(xiàn)在沙柳的下層。不同植被上層的總孔隙度為40.97%～59.44%，下層為38.00%～56.06%，土壤總孔隙度平均值在40.57%～57.75%之間，均大于流動(dòng)沙地，說明不同植被恢復(fù)模式對(duì)于改良土壤結(jié)構(gòu)均有一定的改良作用。土壤總孔隙度與土壤容重類似，灌木優(yōu)于草本和喬木。灌木和草本表層總孔隙度均大于50%，但下層還需要進(jìn)一步改良。灌木中以檸條的總孔隙度最好，平均值達(dá)到57.75%，草本則是沙蒿略優(yōu)于沙米，喬木的總孔隙度均不是很理想，以側(cè)柏最低，這可能是由于側(cè)柏樣地處于沙丘凸地，風(fēng)蝕水蝕等作用帶走了部分土壤中較細(xì)的顆粒?？傮w而言，總孔隙度最優(yōu)的植被類型是檸條。

2.3 土壤顆粒組成

根據(jù)國際分類制標(biāo)準(zhǔn)將不同植被恢復(fù)模式土壤粒級(jí)分級(jí)，研究區(qū)土壤顆粒組成測(cè)定結(jié)果（表3—4）表明，不同植被恢復(fù)模式下，土壤顆粒組成大致為：砂粒＞粉粒＞黏粒，砂粒組成又以細(xì)砂粒為主。不同植被恢復(fù)模式下各粒級(jí)在土壤中所占比例表現(xiàn)為：上層土壤中砂粒 51.48%～84.45%，粉粒 6.23% ～37.21%，黏粒7.18%～11.31%；下層土壤砂粒為73.94%～89.59%，粉粒4.72%～17.12%，黏粒4.49%～8.94%，說明上層土壤總體上已經(jīng)優(yōu)于下層土壤的結(jié)構(gòu)組成?？傮w而言，不同植被恢復(fù)后土壤的顆粒組成已優(yōu)于流動(dòng)沙地的顆粒組成。

不同植被恢復(fù)后，土壤的顆粒組成變化趨勢(shì)為砂粒減少，粉粒和黏粒增加。從表3—4可以看出，不同沙生植被的土壤顆粒組成差異顯著。其中1～0.25 mm粒級(jí)以側(cè)柏較高，沙棘和小葉楊次之；0.05～0.25mm粒級(jí)含量均比較高，與流動(dòng)沙地相比，均有很大的提高，以檸條最高，沙蒿和沙米次之，側(cè)柏最低；0.02～0.05mm粒級(jí)以側(cè)柏和沙棘變化最小，其次是小葉楊；0.01～0.02mm粒級(jí)以沙棘和側(cè)柏含量最低；0.002～0.01mm 粒級(jí)各植被差異不大；＜0.002mm粒級(jí)各植被差異不大，但與流動(dòng)沙地相比，均有較大的提高。不同植被的顆粒組成以灌木最佳，其次是草本。灌木中以檸條最優(yōu)，草本的差異不大。榆樹的顆粒組成較為特殊，整體體現(xiàn)為1～0.25mm粒級(jí)含量很少，0.02～0.05mm粒級(jí)分布最廣，這可能是因?yàn)樵摬蓸拥匚挥谏城痖g低地，風(fēng)蝕水蝕等因素使得細(xì)小顆粒在此地累積較多。從所有的粒級(jí)組成看，0.02～0.05mm這一粒級(jí)在植被恢復(fù)過程中變化顯著，因此該粒級(jí)可以作為評(píng)價(jià)土壤恢復(fù)效應(yīng)的顆粒組成指標(biāo)。整體而言，檸條有利于形成良好的土壤顆粒組成，是最優(yōu)的灌木植物種類。

表3 不同植被模式上層土壤顆粒組成 %

表4 不同植被模式下層土壤顆粒組成 %

2.4 土壤物理性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

植被重建過程中土壤物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)是協(xié)同演變的。從表5可以看出，經(jīng)過植被恢復(fù)30a，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀與土壤砂粒含量和容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與粉粒和黏粒含量及總孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)橹脖恢亟ǖ耐寥姥葑冞^程中，土壤有機(jī)質(zhì)及各養(yǎng)分含量逐漸升高的同時(shí)，砂粒含量及容重逐漸降低，粉粒和黏粒含量及總孔隙度逐漸提高。

在不同的植被類型上，灌木林地上土壤物理性質(zhì)與土壤化學(xué)性質(zhì)均呈現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高，與前文結(jié)果一致，說明經(jīng)過30a植被恢復(fù)，灌木林地上土壤物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的協(xié)同演變度最高。

表5 土壤養(yǎng)分與土壤物理性質(zhì)各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)果討論

3.1 植被重建對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

荒漠化過程中土壤結(jié)構(gòu)退化主要表現(xiàn)于土壤容重、孔隙度等方面。土壤容重大小主要取決于土壤結(jié)構(gòu)和壘結(jié)狀況，土壤孔隙的大小、數(shù)量及其分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，二者反映出土壤透水性、通氣性和根系伸展時(shí)的阻力狀況［19］。本研究中生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重退化的荒漠化土地除檸條林地外，土壤容重普遍偏高，在1.26～1.56g／cm3之間，下層在1.36～1.64g／cm3之間，土壤的容重偏高，這與研究區(qū)長期以來水蝕風(fēng)蝕并存導(dǎo)致的土地沙漠化具有密切關(guān)系。另一方面，該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低（表層3.19～6.43g／kg）［20］，也是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性差和容重偏大的重要原因。退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)對(duì)土壤容重和孔隙度的影響主要通過土壤凋落物的增加引起土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高來改變的，土壤腐殖質(zhì)有機(jī)質(zhì)增多，有利于土壤微團(tuán)聚體和穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成和增多，植物根系死亡腐爛形成非毛管孔隙［19］，因此，退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)后，土壤容重明顯降低，總孔隙度提高。如常慶瑞等［21］對(duì)乾縣，丁文峰［22］在陜西富縣研究表明，林、草地土壤密度小于農(nóng)耕地，退耕還林降低了土壤容重，提高了非毛管孔隙的數(shù)量。李裕元等［12］在神木縣的研究表明，在流動(dòng)沙丘上進(jìn)行天然草地和檸條林地的恢復(fù)，荒漠化土地土壤容重可以降低30%左右，孔隙度提高10%左右。本研究的結(jié)果表明，各植被恢復(fù)下土壤容重均明顯低于沙裸地，總孔隙度具有相反的趨勢(shì)，與以上的研究結(jié)果一致。但也有研究結(jié)果表明植被恢復(fù)后土壤容重和孔隙度并未發(fā)生明顯變化的報(bào)道［9］，主要是由于植被恢復(fù)時(shí)間較短引起的。植被恢復(fù)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響是一個(gè)長期的過程，需要長時(shí)間才能表現(xiàn)出來，本研究中植被恢復(fù)年限已經(jīng)30a左右，因此土壤容重和孔隙度降低明顯。

植被恢復(fù)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響與植被恢復(fù)模式也具有一定的關(guān)系，對(duì)草本、灌木和喬木的植被恢復(fù)土壤效應(yīng)的研究結(jié)果很不一致，張奇佰等［23］在金沙江干熱河谷的研究表明對(duì)土壤物理性能的改良喬木林優(yōu)于草本，對(duì)土壤化學(xué)特性和土壤入滲性能的改良草被優(yōu)于喬木林；王國梁［24］在安塞縣紙坊溝流域的研究表明草本植被對(duì)0—40cm土壤養(yǎng)分的提高作用大于喬木和灌木。常慶瑞等［23］在黃土高原的研究結(jié)果表明喬木林地速效養(yǎng)分豐富，黏粒和＞0.25mm團(tuán)聚體的數(shù)量大；灌叢草地則酸性較強(qiáng)，堅(jiān)實(shí)度偏低，＞0.05mm的微團(tuán)粒含量較高，喬木林地防止土地退化的效益好于灌叢草地。大多數(shù)的研究表明，在我國黃土高原地區(qū)，由于水分較少，在不同的恢復(fù)階段，草本、灌木和喬木的土壤效應(yīng)具有明顯的差異，在植被恢復(fù)初期，草本植被的植被恢復(fù)土壤效應(yīng)最高，而在中期則是灌木土壤效應(yīng)高，喬木只有在后期對(duì)土壤的改良作用才能表現(xiàn)出來［21］，而在本文中，研究區(qū)植被恢復(fù)年限已達(dá)30a，處于恢復(fù)的中期階段，因此灌木的土壤容重和土壤孔隙度效應(yīng)明顯高于喬木林地和草地。

3.2 植被恢復(fù)對(duì)土壤顆粒組成的影響

陜北農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地荒漠化的本質(zhì)在于土壤受風(fēng)沙作用影響，細(xì)粒物質(zhì)逐漸減少，表層消失，或者被流沙取代，使土壤的物質(zhì)組成、理化性質(zhì)和生產(chǎn)性能發(fā)生變化［25］。退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)對(duì)土壤顆粒組成的影響主要由兩方面原因引起的，一方面是植被的建設(shè)，阻擋風(fēng)及水流對(duì)地表的侵蝕，使地表細(xì)顆粒得以留存，另一方面是植被調(diào)落物的分解，增加的腐殖質(zhì)有利于土壤微團(tuán)聚體和穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，從而使石礫和粗砂粒減少，細(xì)沙粒、粉粒和黏粒增多［19］。但大多數(shù)的研究［19－21］表明，植被恢復(fù)對(duì)土壤顆粒組成的影響是一個(gè)緩慢的過程，在短時(shí)間內(nèi)，土壤質(zhì)地并不會(huì)發(fā)生明顯變化，要引起較大變化至少需要上百年的時(shí)間。李裕元等［12］在神木縣的研究表明，經(jīng)過近30a的植被恢復(fù)，草地、檸條林地及農(nóng)地之間土壤顆粒組成并沒有明顯的差異。本研究區(qū)植被恢復(fù)的時(shí)間也是30a，土壤顆粒組成仍然以砂粒為主，粉粒和黏粒所占比例極低，土壤質(zhì)地并沒有發(fā)生顯著的變化。雖然砂粒、粉粒和黏?？偭可现脖换謴?fù)后變化不是特別顯著，但在不同粒級(jí)上卻有明顯的變化，植被恢復(fù)與沙裸地相比較，1～0.25mm砂粒含量降低，其他粒級(jí)含量均提高，其中0.02～0.05mm粒級(jí)的含量提高了3～20倍，檸條林地含量最高。在不同植被類型上土壤機(jī)械組成也有明顯的差異，特別是在0.25～0.05mm和0.05～0.02mm 粒級(jí)上，草本植被和灌木林地較喬木林地提高的幅度更大。在植被恢復(fù)對(duì)土壤改良效應(yīng)研究中，很多研究結(jié)果［26］表明檸條和其它植被相比較對(duì)土壤的改良作用最為明顯，這是由于檸條林地作為豆科灌木類植物，不但根系活化土壤養(yǎng)分的能力較強(qiáng)，而且林間密閉度高，具有強(qiáng)大保持水土能力，減少了土壤物質(zhì)的流失。

4 結(jié)論

植被重建是退化生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量改善的主要途徑，通過對(duì)恢復(fù)30a左右10種植被類型下土壤物理性質(zhì)的分析，表明植被恢復(fù)可以明顯改善荒漠化土地土壤物理性質(zhì)，降低土壤容重，提高土壤總孔隙度，且使土壤顆粒向細(xì)化發(fā)展，這種改變是從表層開始，并逐漸向下層發(fā)展，但速度非常緩慢。不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤的改良作用差異顯著，在植被恢復(fù)的中期，灌木的土壤物理性質(zhì)改良作用優(yōu)于草本，優(yōu)于喬木，其中檸條的改良作用最為明顯。

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