張 桐
(1 山西省交通科學(xué)研究院 2 山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站)
土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),其物理性質(zhì)如孔隙度、容重等,直接影響著土壤的持水性和溶解植物生長所需的礦物質(zhì)元素的能力,關(guān)系著植物根系的呼吸作用和生長速度[1]。大量研究表明,植物能通過地表凋落物和地下根系的增加降低土壤容重,而不同的森林植物種類通過根系的物理作用,也會影響土壤的容重、孔隙度和田間持水量,從而影響土壤物理性質(zhì)[2-3]。本研究以六盤山林區(qū)的華北落葉松、白樺、沙棘和虎榛子四種植物為研究對象,通過對林地不同深度的土壤容重、孔隙度和持水量的測定,探討了不同植物種類對土壤物理性質(zhì)的影響,以期為通過森林植被恢復(fù)提高土壤質(zhì)量提供理論依據(jù),為區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
試驗(yàn)區(qū)位于六盤山北部半干旱區(qū)的疊疊溝小流域,具體地理位置:東經(jīng)106°4′55"-106°9′15",北緯35°54′12"-35°58′33"。流域海拔高程1 975-2 615 m,最大高差為640 m。流域呈南北走向,其主要坡向?yàn)榘腙幤潞桶腙柶?,地面坡?0°-30°。流域?qū)儆诘湫偷陌敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),年均氣溫6-7℃,無霜期130 d 左右;年均降水量445 mm,主要集中在6-9月。土壤類型主要為黃土和灰褐土。在小流域下游出口處附近,選取了5 塊典型樣地,植被類型分別為天然草地、華北落葉松、虎榛子、白樺和沙棘,其坡度、坡向均比較一致,通過多年的生長已經(jīng)形成了較穩(wěn)定的土壤生態(tài)系統(tǒng)。各樣地均為2018年5月布設(shè),每隔一個月,對各樣地進(jìn)行植被、土壤調(diào)查一次。研究始初各樣地情況詳見表1。
在每個樣地內(nèi)具有代表性的地方,挖掘一個土壤剖面,記錄土壤剖面發(fā)生層次,并機(jī)械劃分土層為0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80 cm等層次,用體積為200 cm3的環(huán)刀分層取土,每層取樣3 次重復(fù),采用環(huán)刀法測定其毛管孔隙、非毛管孔隙、總孔隙度、毛管持水量、飽和持水量和土壤容重,按單環(huán)有壓入滲法測定土壤的滲透性[4]。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2010 進(jìn)行整理,運(yùn)用SPSS19.0 進(jìn)行單因素方差分析。
土壤容重是指單位容積原狀土壤的烘干質(zhì)量,是土壤的基本物理性質(zhì),其大小反映了土壤結(jié)構(gòu)、松緊度、透氣性、透水性以及保水能力,從而間接影響土壤的肥力狀況和物質(zhì)循環(huán)。對研究區(qū)域內(nèi)4 種不同植被類型土壤的容重進(jìn)行測定分析(表2)發(fā)現(xiàn),隨著土層深度的增加,土壤容重均表現(xiàn)出增加的趨勢。通過方差分析,同種植被類型不同土層間土壤容重差異性達(dá)到了顯著水平,不同植被類型同層土壤容重也表現(xiàn)出了較大的差異。不同植被類型0-20 cm土層土壤容重大小順序?yàn)椋禾烊徊莸兀–K)>華北落葉松>虎榛子>沙棘>白樺;20-100 cm 土層土壤容重大小表現(xiàn)為:天然草地(CK)>華北落葉松>虎榛子>白樺>沙棘。方差分析亦表明,不同植被類型的同層土壤,其土壤容重間的差異性達(dá)到了顯著水平。土壤容重越小,說明土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好。由表2可知,通過人工植被恢復(fù),可以減小土壤容重,改善土壤物理性質(zhì)。特別是白樺林和沙棘林更有利于改善土壤容重,這可能與這兩種植物的根系數(shù)量和垂直分布有較大關(guān)系。
表1 植被與土壤調(diào)查固定樣地基本情況
表2 不同植被類型對土壤容重的影響方差分析
不同植被類型的土壤孔隙度測定結(jié)果見表3。由表3可知,各種植被類型的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均表現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的趨勢。不同植被類型的總孔隙度:在0-20 cm 土層表現(xiàn)為沙棘>虎榛子>天然草地(CK)>華北落葉松>白樺,在20-100 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子>華北落葉松>白樺>沙棘>天然草地(CK)。不同植被類型的毛管孔隙度,總體表現(xiàn)趨勢一致,各層土壤均表現(xiàn)為天然草地(CK)>虎榛子>華北落葉松>白樺>沙棘。不同植被類型的非毛管孔隙度,在0-20 cm 土層表現(xiàn)為沙棘>白樺>虎榛子>華北落葉松>天然草地(CK),在20-60 cm 土層表現(xiàn)為白樺>虎榛子>華北落葉松>沙棘>天然草地(CK),在60-100 cm 土層表現(xiàn)為華北落葉松>虎榛子>白樺>沙棘>天然草地(CK)??傮w來說,天然草地各層土壤的非毛管孔隙度均為最小,毛管孔隙度最大。
表3 不同植被類型的土壤孔隙度變化
土壤孔隙度可分為三種:總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度。土壤總孔隙度,包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度,其大小關(guān)系著土壤的透水性、透氣性、導(dǎo)熱性和緊實(shí)度。毛管孔隙細(xì)小,其孔隙水的毛管傳導(dǎo)率大,易于被植物吸收利用,它的大小反映了土壤保持水分的能力;非毛管孔隙比較粗大,不具毛細(xì)作用,其孔隙中的水分,可在重力作用下排出,一方面反映土壤的通氣狀況,另一方面在天然降水時土壤可以快速接納吸收雨水,使之不致造成地表徑流。由表3可知,在0-100 cm 土層中,沙棘和虎榛子的總孔隙度最高,這可能是因?yàn)樯臣突㈤蛔泳鶎儆诠嗄绢?,土壤表層植被覆蓋較好,根系發(fā)達(dá),有機(jī)質(zhì)積累較快,土壤團(tuán)聚體含量迅速提高,從而使土壤總孔隙度增加??傮w來看,恢復(fù)植被更有利于提高土壤總孔隙度和非毛管孔隙度,增大土壤的透氣透水性和涵養(yǎng)水分的能力。
不同植被類型的土壤水分測定結(jié)果見表4。由表4可知,各種植被類型的土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量,均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而降低的趨勢。不同植被類型的土壤含水量:在0-20 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子>天然草地(CK)>華北落葉松>沙棘>白樺;在20-100 cm 土層表現(xiàn)為天然草地(CK)>白樺>華北落葉松>沙棘>虎榛子;這是因?yàn)橄鄬τ谔烊徊莸兀?0 cm 以下土壤中植物根系更發(fā)達(dá),土壤含水量也就越低。不同植被類型的最大持水量:在0-20 cm 土層表現(xiàn)為沙棘>天然草地(CK)>虎榛子>白樺>華北落葉松;在20-60 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子>華北落葉松>天然草地(CK)>沙棘>白樺;在60-100 cm 土層表現(xiàn)為虎榛子>白樺>華北落葉松>天然草地(CK)>沙棘。不同植被類型的毛管持水量:整體表現(xiàn)為虎榛子>天然草地(CK)>華北落葉松>沙棘>白樺。不同植被類型的田間持水量:整體表現(xiàn)為虎榛子>天然草地(CK)>華北落葉松>白樺>沙棘。毛管持水量是對指植物生長有效的土壤水分,田間持水量是對植物生長有效的最高土壤含水量。由表4可知,虎榛子更有利于改善土壤表層的土壤含水量、毛管持水量和田間持水量。
表4 不同植被類型對土壤水分的影響
本研究表明:4 種植被類型的土壤容重均表現(xiàn)出隨著土層的增厚而增加的趨勢;土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量均表現(xiàn)為隨著土層的增厚而降低的趨勢。人工恢復(fù)植被,更有利于提高土壤總孔隙度和非毛管孔隙度,從而提高土壤透氣透水性和涵養(yǎng)水源的能力。人工栽植沙棘和虎榛子,在提高土壤總孔隙度方面更有效;同時,虎榛子更有利于改善土壤表層的土壤含水量、毛管持水量和田間持水量。