于沛,郭宏,魏浩爽,丁麗,楊鑫,許中旗

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000)

土地是由多種要素(土壤、氣候、水文、生物、地形地質(zhì)及人類(lèi)活動(dòng)等)構(gòu)成的自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)[1]。人類(lèi)為了達(dá)到一定的需求和目的，依據(jù)土地的自然特征，運(yùn)用各種方法和手段對(duì)土地進(jìn)行的一系列改造開(kāi)發(fā)活動(dòng)稱(chēng)為土地利用[2-3]。依據(jù)土地利用地域差異和土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)，所形成的具有不同利用方向和特點(diǎn)的土地利用類(lèi)別稱(chēng)為不同土地利用方式或類(lèi)型[4]。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，我國(guó)土地資源的開(kāi)發(fā)利用取得一定成果的同時(shí)，也出現(xiàn)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，科學(xué)合理的土地利用方式變得越來(lái)越重要。

土地利用方式發(fā)生改變時(shí)必然會(huì)引起土壤物理性質(zhì)的改變，土壤物理性質(zhì)主要包括土壤容重、各種孔隙度與持水量及土壤顆粒組成等[5-6]。土壤容重與土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)地、持水能力及抗侵蝕能力密切相關(guān)，對(duì)土壤肥力及植物生長(zhǎng)有重要的影響[7-8]。土壤顆粒之間的孔洞和團(tuán)聚體之間的結(jié)構(gòu)孔洞被稱(chēng)為土壤孔隙[9]。在自然狀態(tài)下，單位容積土壤中孔隙容積所占的百分?jǐn)?shù)被稱(chēng)為土壤孔隙度，其大小與植物的生長(zhǎng)密切相關(guān)[10-11]。土壤總孔隙度分為毛管孔隙度和非毛管孔隙度，不同土地利用方式下土壤孔隙度的狀況不同[12-13]。土壤水分參與土壤中的各種物理、化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程，與土地利用方式相互作用相互影響[14]。土壤水分常數(shù)是指有一定物理意義的土壤含水量，常見(jiàn)的土壤水分常數(shù)有：最大持水量、毛管持水量和田間持水量等[15]。土壤最大持水量的大小直接反映了土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)水分的能力，土壤毛管持水量的大小代表涵養(yǎng)水源能力的大小，土壤田間持水量代表供植物用于生長(zhǎng)發(fā)育的水分情況[16-19]。土壤粒徑分布特征在一定程度上反映了土壤的侵蝕情況，不同土地利用方式下的植被根系會(huì)影響土壤的結(jié)構(gòu)孔隙狀況，進(jìn)而影響土壤粒徑的分布[20]。隨著研究的深入，研究學(xué)者開(kāi)始注重從定量的角度研究土壤的幾何形狀，引入分形維數(shù)D，它不僅反映土壤粒徑的大小和質(zhì)地組成的均一程度，還能反映出不同土地利用方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響[21-25]。

張北壩上地區(qū)位于我國(guó)典型的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域，其獨(dú)特的環(huán)境條件及人為干擾活動(dòng)形成了多樣的土地利用方式。近年來(lái)，該區(qū)域生態(tài)問(wèn)題愈加嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展。因此，科學(xué)認(rèn)識(shí)該區(qū)域不同土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，進(jìn)而選擇合理的土地利用方式，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與維持有關(guān)鍵性的作用。本試驗(yàn)選擇張北縣4種典型的土地利用方式(圍封林地、圍封新造林地、未圍封林地和耕地)為研究對(duì)象，對(duì)不同土地利用方式下土壤的物理性質(zhì)各指標(biāo)進(jìn)行分析，探究不同土地利用方式對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，為冀西北壩上地區(qū)土地資源的合理利用、植物多樣性保護(hù)及植被恢復(fù)與重建提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于河北省西北部壩上地區(qū)的張北縣，地理坐標(biāo)為北緯 41°03′～41°27′，東經(jīng) 114°20′～114°58′，海拔高度為1 318～1 498 m，屬于農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型地段。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，無(wú)霜期 90～110 d，多年平均氣溫10.1 ℃，極端高溫33.4 ℃，極端低溫-34.8 ℃，≥0 ℃積溫1 900～2 700 ℃，≥10 ℃積溫1 300～2 200 ℃，年日照時(shí)間可達(dá)2 600～3 100 h，年降雨量不足400 mm，主要集中在6至9月，南北部降水相差較大，北部少于400 mm，而南部壩頭可達(dá)500 mm左右，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大。春季干燥少雨，夏季降水少而集中，秋季氣溫下降迅速，冬季寒冷干燥。每年約有50～70 d風(fēng)力達(dá)6級(jí)(10.8～13.8 m/s)以上。研究區(qū)主要地帶性土壤為栗鈣土，土壤pH為5.52～7.37。

1.2 樣品采集

在每塊樣地內(nèi)分別隨機(jī)選取表面均勻平整、未經(jīng)擾動(dòng)的3個(gè)取樣點(diǎn)，除去表層的枯枝、落葉及草根，每隔10 cm，按從上到下的順序，用環(huán)刀和鋁盒分別對(duì)土壤進(jìn)行采樣，挖取至50 cm處(具體土壤剖面為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm)，保證環(huán)刀內(nèi)的土壤為原狀土，帶回室內(nèi)以備測(cè)定分析土壤的各項(xiàng)物理特性。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤容重的測(cè)定 將取完土樣的鋁盒、環(huán)刀帶回室內(nèi)分別稱(chēng)重，做好記錄；用烘干法計(jì)算土壤的自然含水率[26]；最后根據(jù)以下公式計(jì)算環(huán)刀內(nèi)干土的重量(A0)及土壤容重。

(1)

土壤容重=A0/V

(2)

式中：W1代表環(huán)刀與自然結(jié)構(gòu)土壤質(zhì)量、W2代表環(huán)刀質(zhì)量、a代表新鮮土樣的自然含水率、V代表環(huán)刀容積。

1.3.2 土壤含水量及孔隙度指標(biāo)的測(cè)定 同時(shí)采用環(huán)刀法測(cè)定土壤持水量、毛管含水量和飽和含水量[26]。并采用如下公式計(jì)算土壤的孔隙度指標(biāo)：

毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重

(3)

非毛管孔隙度=(飽和含水量-毛管持水量)×土壤容重

(4)

土壤總孔隙度=毛管孔隙度+非毛管孔隙度

(5)

1.3.3 土壤粒徑分析及分形維數(shù) 采用丹東百特儀器公司生產(chǎn)的Bttersize 2 000激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定。采用王國(guó)梁的土壤顆粒體積分形模型計(jì)算[27]土壤分形維數(shù)，公式如下：

(6)

式中：D為土壤顆粒體積分形維數(shù)；λV為常數(shù)(土壤粒徑分級(jí)中最大的粒徑數(shù))；r為土壤粒徑；R為某特定的粒徑；V(r

D值的計(jì)算：

①計(jì)算11個(gè)粒級(jí)區(qū)間上下限的算術(shù)平均值，此值為所對(duì)應(yīng)區(qū)間的特定粒徑R；

②根據(jù)粒級(jí)區(qū)間計(jì)算粒徑小于R的土壤顆粒的總體積(%)V(r

③對(duì)公式兩邊取對(duì)數(shù)得到lg(V/VT)和lg(R/λV)，生成不同特定粒徑和對(duì)應(yīng)的累積體積含量分布的對(duì)數(shù)曲線；

④根據(jù)最小二乘法對(duì)回歸曲線進(jìn)行擬合，公式中的3-D為該直線的斜率，從而得到分形維數(shù)D值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對(duì)土壤容重的影響

關(guān)于不同土地利用方式下不同土層土壤容重的分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同土地利用方式不同土層土壤容重變化

該研究區(qū)域土壤容重變化范圍為1.49～1.65 g/cm3，土壤容重整體水平偏大，土壤通透性較差，其中未圍封林地土壤容重平均值最高，為1.64 g/cm3，其次為圍封新造林地(1.63 g/cm3)和圍封林地(1.62 g/cm3)，最低的為耕地1.58 g/cm3。0～20 cm土層，不同土地利用方式下土壤容重差異顯著，主要表現(xiàn)為：耕地土壤容重最低，未圍封林地最高，二者差異顯著。20 cm土層以下，不同土地利用方式的土壤容重?zé)o顯著差異。

不同土地利用方式下土壤容重的垂直變化趨勢(shì)大體一致，均隨土層加深先增大后減小，0～10 cm土層土壤容重最低，10～40 cm土層土壤容重較高。其中，耕地表層土壤容重顯著低于下層，其他3種土地利用方式下土壤容重在土層的垂直剖面上無(wú)顯著差異。

綜上所述，不同土地利用方式對(duì)土壤容重的影響差異顯著，但是不同土地利用方式下，土壤容重垂直方向的變化趨勢(shì)基本一致。

2.2 不同土地利用方式對(duì)土壤孔隙度的影響

關(guān)于不同土地利用方式不同土層土壤孔隙度特征指標(biāo)的分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同土地利用方式不同土層土壤孔隙度特征指標(biāo)

不同土地利用方式對(duì)0～50 cm土層的土壤平均總孔隙度、平均毛管孔隙度、平均非毛管孔隙度有顯著影響，耕地的3個(gè)指標(biāo)均顯著高于其他土地利用方式，這可能與耕地反復(fù)耕作和施用有機(jī)肥有關(guān)。且不同土地利用方式間3個(gè)孔隙度指標(biāo)的大小關(guān)系相同，從大到小依次為：耕地、圍封林地、圍封新造林地、未圍封林地。

4種土地利用方式下，各土壤孔隙度特征指標(biāo)在土壤垂直結(jié)構(gòu)上差異顯著，其中表層的孔隙度指標(biāo)明顯高于下層，均隨土層的加深而下降。結(jié)合土壤容重的分析結(jié)果可得，隨著深度增大，土質(zhì)變得較緊實(shí)，土粒之間的孔隙變小，植物根系減少，土壤容重增加，導(dǎo)致孔隙度指標(biāo)減小。

2.3 不同土地利用方式對(duì)土壤水分方面的影響

關(guān)于不同土地利用方式下不同土層土壤水分物理特性的分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同土地利用方式下不同土層土壤水分物理特性

不同土地利用方式下土壤最大持水量與毛管持水量的均值均存在顯著差異，主要表現(xiàn)為耕地(25.77%，20.10%)顯著高于圍封新造林地(22.92%，18.33%)和未圍封林地(21.54%，17.26%)，與圍封林地(23.42%，18.44%)無(wú)顯著差異，其變化規(guī)律與土壤總孔隙、毛管孔隙度一致。不同土地利用方式下土壤田間持水量均值差異顯著，從高到低依次為：耕地(15.56%)、圍封林地(14.75%)、圍封新造林地(14.75%)、未圍封林地(13.52%)。這表明：研究區(qū)內(nèi)不同土地利用方式對(duì)土壤的供水性能和持水性能的影響基本一致，均是耕地的最高，其次為圍封林地和圍封新造林地，未圍封林地最低，這表明耕地和圍封樣地可以提高土壤的供水和持水能力，由于牲畜踐踏使得未圍封林地的土壤供水和持水能力顯著下降。

0～20 cm土層中，不同土地利用方式對(duì)土壤最大持水量、毛管持水量及田間持水量影響均存在顯著差異，30～50 cm土層中，耕地由于施用有機(jī)肥使其顯著高于其他土地利用方式，其他土地利用方式間無(wú)顯著差異，這表明不同土地利用方式對(duì)土壤最大持水量、毛管持水量及田間持水量的影響主要集中于表層土壤，對(duì)深層土壤影響較微弱。

在土壤垂直剖面上，不同土地利用方式下的土壤水分物理特性指標(biāo)均隨深度的增加而呈降低趨勢(shì)，且差異顯著，上層指標(biāo)均高于下層指標(biāo)，這與土壤孔隙度指標(biāo)的趨勢(shì)一致。

2.4 不同土地利用方式對(duì)土壤粒徑組成及分形維數(shù)的影響

關(guān)于研究區(qū)土壤顆粒粒級(jí)分布的分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)土壤顆粒粒級(jí)分布三角圖

研究區(qū)內(nèi)各土地利用方式下，砂粒含量最高，在78.92%～88.89%之間(平均值83.35%)，其次是粉粒含量，在9.63%～17.99%之間(平均值14.04%)，最低的為黏粒含量，在1.48%～3.54%之間(平均值2.61%)，砂粒含量占主導(dǎo)地位，顯著高于粉粒、黏粒含量，該地區(qū)大部分土壤質(zhì)地屬砂質(zhì)壤土，一小部分屬砂土及壤質(zhì)砂土，這表明土壤沙化嚴(yán)重。

關(guān)于不同土地利用方式下不同土層顆粒組成及分形維數(shù)的分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同土地利用方式下不同土層顆粒組成及分形維數(shù)特征差異

不同土地利用方式0～30 cm土層的粒徑分布差異較大，0～20 cm土層中，圍封林地的黏粒含量、粉粒含量最高，其次為耕地、圍封新造林地，未圍封林地最低，砂粒含量與之相反；20～30 cm土層中，耕地的黏粒、粉粒含量增加，且顯著高于其他3個(gè)林地，砂粒含量也與之相反。30 cm土層以下，不同土地利用方式的粒徑分布無(wú)顯著差異；不同土地土地利用方式0～10 cm和20～30 cm土層中分形維數(shù)D值存在顯著差異，其余土層差異不顯著。0～10 cm土層中圍封林地D值最高，其次為圍封新造林地和耕地，未圍封林地最低；20～30 cm土層中，耕地D值最高，其次為圍封新造林地和未圍封林地，圍封林地最低。

關(guān)于不同土地利用方式下土壤顆粒組成及分形維數(shù)的垂直分布見(jiàn)圖3。

圖3 不同土地利用方式下土壤顆粒組成及分形維數(shù)的垂直分布特征

在垂直方向上，不同土地利用方式的土壤黏粒、粉粒體積含量及分形維數(shù)D值均隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，土壤砂粒體積含量的趨勢(shì)與之相反。

3 討論與結(jié)論

土壤容重小，表明土壤疏松多孔，其結(jié)構(gòu)通透性良好，有較高的潛在肥力；反之，容重大，表明土壤緊實(shí)板結(jié)且缺乏團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)通透性差。一般表征土壤松緊合適的容重值為(1.1～1.4 g/cm3)，大于1.4 g/cm3的土壤較緊，而小于1.1 g/cm3的土壤較松[28]。研究區(qū)土壤容重均大于1.4 g/cm3，說(shuō)明張北縣土壤整體容重偏大，土壤較緊，潛在肥力不足，且結(jié)構(gòu)通透性較差。由于大量施用有機(jī)肥和耕作措施，耕地的土壤更加疏松，具有良好的通透性，有利于作物的生長(zhǎng)，使得耕地的土壤容重低于其他土地利用方式，土壤孔隙度高于其他土地利用方式。溫延臣等研究學(xué)者在其研究中也指出長(zhǎng)期施用有機(jī)肥有利于形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，證明了此觀點(diǎn)[29]；圍封林地和圍封新造林地由于封育措施減少了外界的干擾，植被覆蓋率得到提升，枯落物的量有所增加，土壤中的植物根系錯(cuò)綜交織，增大了土壤的孔隙度，降低了土壤容重，增強(qiáng)了土壤的穩(wěn)定性；未圍封林地由于牲畜踩踏和啃食使得地表植被稀疏，裸露地面增加，風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，使得土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，且加上踩踏破壞，土壤孔隙度減小，土壤容重增大。

研究區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，獨(dú)特的氣候環(huán)境使得當(dāng)?shù)啬杲邓枯^少，但蒸發(fā)量很大，水成為制約當(dāng)?shù)刂脖簧L(zhǎng)和發(fā)育的關(guān)鍵因子。而土壤持水性能反映了土壤對(duì)水的吸收和存貯能力，是土壤水分管理中不可或缺的重要組成[30]。不同土地利用方式對(duì)土壤供水能力和持水能力的差異性影響相似，均是耕地最高，圍封林地和圍封新造林地次之，未圍封林地最低。這是由于長(zhǎng)期的耕作，有效地改良了耕地的土壤物理性質(zhì)。而未圍封林地由于放牧等人為干擾，使其水分條件發(fā)生了惡化，封育措施限制了這些干擾，所以水分條件得到了有效恢復(fù)。戰(zhàn)海霞在其研究中也發(fā)現(xiàn)封育措施下土壤的持水狀況較好，而放牧狀態(tài)下土壤的持水狀況較差，驗(yàn)證了此觀點(diǎn)，但其耕地的持水狀況與本研究存在差異，其原因與當(dāng)?shù)氐氖┓省⒐喔鹊热藶楦蓴_因素有關(guān)[31]。

土壤粒徑分布特征作為土壤最基本的物理性質(zhì)之一，即與土壤結(jié)構(gòu)、母質(zhì)狀況及成土過(guò)程有非常密切的關(guān)系，同時(shí)也對(duì)土壤水分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及肥力狀況有重要影響，更是反映土壤侵蝕特征的重要指標(biāo)。整體來(lái)看，張北縣土壤容重整體偏大，砂粒含量高于70%，黏粒含量低于10%，土壤質(zhì)地較粗，土壤顆粒分形維數(shù)D值整體偏低，說(shuō)明該地區(qū)土壤條件較差，植物生長(zhǎng)環(huán)境比較惡劣。王紅營(yíng)等學(xué)者對(duì)冀西北壩上地區(qū)土壤顆粒組成的研究中也表明該地區(qū)砂粒含量高于70%，與本研究結(jié)果基本一致[32]。這主要與當(dāng)?shù)貜?fù)雜的環(huán)境因子及人類(lèi)干擾活動(dòng)密不可分，該區(qū)域常年干旱多風(fēng)，再加上不合理的土地利用方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的破壞，加劇了水土流失、風(fēng)蝕、土壤侵蝕等現(xiàn)象。不同土地利用方式下，土壤粒徑分布存在差異：耕地的淺層土(0～30 cm)黏粒、粉粒含量較高，是由于長(zhǎng)期耕作改善了表層的土壤條件。而在深層土(>30 cm)中，耕地和其他土地利用方式的粒徑分布無(wú)顯著差異，這是因?yàn)檗r(nóng)作物根系很少達(dá)到深層，在耕作中僅有上層土壤得到了明顯改良。整體來(lái)看，研究區(qū)0～50 cm土層中土壤顆粒分形維數(shù)D值介于2.26～2.42之間(平均值2.37)，低于最佳土壤顆粒體積分形維數(shù)(2.65左右)[33]，這表明研究區(qū)內(nèi)土壤中缺乏細(xì)粒物質(zhì)，土壤質(zhì)地粗化，保蓄能力較弱。耕地的淺層土(0～30 cm)D值整體高于其他土地利用方式，深層土(>30 cm)中，耕地和其他土地利用方式的D值無(wú)顯著差異，這也是由于耕作過(guò)程只改良了淺層土的物理性質(zhì)。