王小云
(山西省水土保持科學(xué)研究所,山西太原 030045)
土壤侵蝕作為地球表面的一種自然現(xiàn)象[1],至人類社會出現(xiàn)后,成為自然和人類活動共同作用下的一種動態(tài)過程,已成為當(dāng)今世界資源和環(huán)境問題的重點[2]。目前,常用的水土保持措施主要為林草措施、農(nóng)業(yè)措施和工程措施[3-5]。林草措施一方面可以控制水土流失,增加地面植被覆蓋度,另一方面對荒山荒坡、梁峁深溝等地形復(fù)雜,自然狀況較差以及降雨較少的北方黃土丘陵溝壑區(qū)具有一定優(yōu)勢。因此,在黃土丘陵溝壑區(qū)植樹造林,種草填綠增加地面植被覆蓋度是首選的水土保持治理措施。不同的水土保持林草措施對土壤的改良和土壤侵蝕的控制作用不同?;诖?,筆者對幾種林草措施實施多年后,其土壤的粒徑組成和團聚體特征進行了研究。
1.1試驗地概況試驗地設(shè)在山西省水土保持科學(xué)研究所試驗場徑流場。試驗地基本概況:地形坡度5°~15°,111°11′23″E、37°32′06″N,年平均溫度8.9 ℃,年最高溫度34.4 ℃,年最低溫度-16.2 ℃,年平均降水量461.2 mm,無霜期164 d。
以側(cè)柏(有大量自然生長的堿草)、歐李(有少量蒿草和針茅)、檸條(生長少量蒿草)、苜蓿(生長少量蒿草)和油松(有少量堿草和蒿草)5種水土保持林草措施種植地為研究對象。研究區(qū)為半陽坡,坡度12°左右。側(cè)柏種植年限10年左右,歐李約8年,檸條10年左右,苜蓿6年左右,油松8年左右。作物生長的坡度、坡向相同,且通過多年的生長已形成了較穩(wěn)定的土壤生態(tài)系統(tǒng)。
1.2試驗方法于2016年4月在試驗地進行采樣,采用“S”型布設(shè)試驗樣點,從總體上把握采樣點的代表性,使樣點具有典型代表性,能更真實地反映試驗樣地的情況。每個樣地采3份樣品并將采取的土壤樣品放入密封袋,貼上標(biāo)簽帶回實驗室。在實驗室內(nèi)對土壤樣品進行簡單處理,挑揀掉石子、根系等非土壤物質(zhì)。同時將每個樣地的3份樣品稱取同等重量,并混勻以備測試分析所用。
1.3測定項目與方法土壤水分:采用烘干法測定,將自然風(fēng)干的土壤樣品放入鋁盒中,置于烘箱調(diào)溫至10 ℃烘干2 h,進行稱重,按照差值法計算土壤水分含量。
土壤容重:采用環(huán)刀法進行測量,在取樣前首先在環(huán)刀內(nèi)側(cè)均勻涂抹一層凡士林,稱重,并記錄。現(xiàn)場取樣時,先選好剖面,環(huán)刀朝下,用力將環(huán)刀均勻壓到土壤中,然后取出環(huán)刀,蓋上環(huán)刀蓋,帶回實驗室進行容重測定。
土壤容重、比重、孔隙度:土壤容重通過測量一定容積下自然土樣的重量獲得;土壤比重通過測量土壤固相物質(zhì)的重量與同體積水的重量的比值而獲得;依據(jù)已知的土壤容重和比重,可直接根據(jù)公式計算土壤孔隙度。
土壤剪切力:在取樣現(xiàn)場挖取土壤坡面后,采用14.10 Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀進行測定。在地表土壤、20和40 cm 3個深度測試剪切力,每個深度測量3次,取平均值。
1.4數(shù)據(jù)分析試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理,并采用SPSS 13.0進行方差分析和相關(guān)性分析。
2.1不同林草措施實施后土壤水分含量5種水土保持林草措施實施多年后土壤水分含量見圖1。由圖1可知,同一坡地,通過種植不同植物,經(jīng)過多年的影響,土壤含水量為14.19~17.00 g/kg,均值為15.77 g/kg。其中側(cè)柏地為16.10 g/kg,歐李地為15.79 g/kg,檸條地為15.76 g/kg,苜蓿地為17.00 g/kg,油松地為14.19 g/kg。表現(xiàn)為苜蓿>側(cè)柏>歐李>檸條>油松。
對5種不同植被條件下的土壤含水量進行方差分析,結(jié)果表明,F(xiàn)為292.05,P為0.00,小于0.05,可見5種地面植被狀況下土壤含水量間存在顯著差異。即通過多年的生長,地面植被對土壤產(chǎn)生了影響,且不同植被類型的影響程度不同。
圖1 不同地面植被類型下土壤含水量Fig.1 Soil moisture content under different ground vegetation types
2.2不同林草措施實施后土壤孔隙度土壤孔隙度是土壤的基本物理性質(zhì),直接影響土壤蓄水能力和通氣性,并間接影響土壤肥力和植物的生長狀況[6]。對研究區(qū)5種林草措施下土壤孔隙度進行測試,結(jié)果見圖2。由圖2可知,側(cè)柏、歐李、檸條、苜蓿和油松5種植被狀況下土壤孔隙度為42.07%~57.50%,均值為50.99%。其中側(cè)柏地為57.50%,歐李地為55.91%,檸條地為42.07%,苜蓿地為54.61%,油松地為44.85%。表現(xiàn)為側(cè)柏>歐李>苜蓿>油松>檸條。對5種不同植被條件下的土壤孔隙度進行方差分析,結(jié)果表明,F(xiàn)為65.08,P為0.00,小于0.05,可見5種地面植被狀況下土壤孔隙度間存在顯著差異。即植物種類不同,其根系對土壤孔隙度影響也不同。
圖2 不同地面植被類型下土壤孔隙度Fig.2 Soil porosity under different ground vegetation types
2.3不同林草措施實施后土壤容重和比重容重是土壤的基本物理性質(zhì),直接影響土壤的通氣性和蓄水保水能力,并間接影響土壤的肥力狀況和物質(zhì)循環(huán)。土壤容重受區(qū)域地形、植被根系、土壤含水量等影響[7]。對研究區(qū)5種不同植被狀況下土壤容重進行測定,結(jié)果見圖3。由圖3可知,側(cè)柏、歐李、檸條、苜蓿和油松5種植被狀況下土壤容重為1.08~1.23 g/cm3,均值為1.17 g/cm3。側(cè)柏地為1.08 g/cm3,歐李地為1.22 g/cm3,檸條地為1.21 g/cm3,苜蓿地為1.13 g/cm3,油松地為1.23 g/cm3。表現(xiàn)為油松>歐李>檸條>苜蓿>側(cè)柏。
圖3 不同地面植被類型下土壤容重Fig.3 Soil bulk density under different ground vegetation types
對5種不同植被條件下的土壤容重進行方差分析,結(jié)果表明,F(xiàn)為33.21,P為0.00,小于0.05,可見5種地面植被狀況下土壤容重間存在顯著差異。即植物種類不同,其根系對土壤容重影響也不同。
土壤比重是單位體積土壤固體顆粒(不包括空隙在內(nèi))的烘干重量。土壤比重決定于構(gòu)成土壤顆粒的比重,因此不同土壤類型的比重不同。土壤比重受成土母質(zhì)影響的同時,也受土壤植被根系狀況等因素的影響。對研究區(qū)5種植被影響下的土壤比重進行測定,結(jié)果見圖4。 由圖4可知,側(cè)柏、歐李、檸條、苜蓿和油松5種植被狀況下土壤比重為2.09~2.77 g/cm3,均值為2.42 g/cm3。其中側(cè)柏地為2.54 g/cm3,歐李地為2.77 g/cm3,檸條地為2.09 g/cm3,苜蓿地為2.48 g/cm3,油松地為2.23 g/cm3。表現(xiàn)為歐李>側(cè)柏>苜蓿>油松>檸條。
對5種植被條件下的土壤比重進行方差分析,結(jié)果表明,F(xiàn)為50.91,P為0.00,小于0.05,可見5種地面植被狀況下土壤比重間存在顯著差異。即植物種類不同,其根系對土壤比重影響也不同。
圖4 不同地面植被類型下土壤比重Fig.4 Soil specific gravity under different ground vegetation types
2.4不同林草措施實施后土壤剪切力土的抗剪強度是表征土體力學(xué)性質(zhì)的一個重要指標(biāo),抗剪強度主要受土體種類、結(jié)構(gòu)以及含水率的影響[8]。對5種植被表層土壤、20和40 cm處的土壤剪切力進行測試,結(jié)果見圖5。由圖5可知,5種植被土壤剪切力均表現(xiàn)為地表土<20 cm<40 cm,即隨著土壤深度的增加,剪切力逐漸增加,且不同植被間存在差異。從土壤深度看,不同植被地表土壤剪切力為0.53~1.43 kg/cm2,均值為0.56 kg/cm2;20 cm處剪切力為0.83~1.52 kg/cm2,均值為1.09 kg/cm2;40 cm處剪切力為1.00~1.68 kg/cm2,均值為1.37 kg/cm2。
圖5 不同地面植被類型下土壤剪切力Fig.5 Soil shear under different ground vegetation types
從地表土到40 cm處,側(cè)柏地土壤剪切力為0.70~1.33 kg/cm2,均值為1.09 kg/cm2;歐李為1.43~1.68 kg/cm2,均值為1.54 kg/cm2;檸條為0.77~1.00 kg/cm2,均值為0.87 kg/cm2;苜蓿為0.53~1.33 kg/cm2,均值為0.93 kg/cm2;油松為0.87~1.50 kg/cm2,均值為1.10 kg/cm2。表現(xiàn)為歐李>油松>側(cè)柏>苜蓿>檸條。
對5種植被條件下不同深度處土壤剪切力進行方差分析,結(jié)果表明,5種不同植被狀況下,地表土F為25.35,P為0.00,小于0.01,差異極顯著;20 cm處F為9.87,P為0.01,小于0.05,可見20 cm處土壤剪切力間差異顯著;40 cm處F為2.21,P為0.14,大于0.05,可見40 cm處土壤剪切力間不存在顯著差異。由此可知,坡地種植不同植被后,植被對土壤剪切力具有一定的影響,不同植被間表土差異極顯著,20 cm處差異顯著,40 cm處無顯著差異。
對同一植被種植地不同深度土壤剪切力進行方差分析,結(jié)果表明,側(cè)柏地從表土到40 cm處剪切力間F為74.30,P為0.00,小于0.01,即側(cè)柏地從表土到40 cm處剪切力間存在極顯著差異;歐李地從表土到40 cm處剪切力間F為2.13,P為0.20,大于0.05,即歐李地從表土到40 cm處剪切力間差異不顯著;檸條地從表土到40 cm處剪切力間F為4.46,P為0.06,大于0.05,即檸條地從表土到40 cm處剪切力間差異不顯著;苜蓿地從表土到40 cm處剪切力間F為11.32,P為0.01,小于0.05,即苜蓿地從表土到40 cm處剪切力間存在顯著差異;油松地從表土到40 cm處剪切力間F為22.08,P為0.00,小于0.01,即油松地從表土到40 cm處剪切力間存在極顯著差異。
坡地種植側(cè)柏、歐李、檸條、苜蓿和油松5種水土保持林草措施后,喬灌草3種植被對土壤物理性質(zhì)的影響程度不同。受不同植物種類的影響,土壤水分含量、孔隙度、容重和比重以及剪切力間均存在差異,但無固定變化規(guī)律。某種植物對土壤物理性質(zhì)無特殊的影響,即土壤物理性質(zhì)對植物種類沒有針對性的響應(yīng)。在水土保持林草措施的實際實施過程中,應(yīng)根據(jù)具體目的和立地條件來布置不同的植物措施。如要提高土壤水分含量則苜蓿具有一定優(yōu)勢;側(cè)重于提高土壤孔隙度則側(cè)柏、歐李、苜蓿具有優(yōu)勢,而油松和檸條較差;要提高土壤剪切力,則歐李具有優(yōu)勢,檸條較差。