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晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响

刘俊廷 张建军 孙若修 李梁

刘俊廷, 张建军, 孙若修, 李梁. 晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
引用本文: 刘俊廷, 张建军, 孙若修, 李梁. 晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
Liu Junting, Zhang Jianjun, Sun Ruoxiu, Li Liang. Effects of the conversion time of cropland into forestry on soil physical properties in loess area of western Shanxi Province of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
Citation: Liu Junting, Zhang Jianjun, Sun Ruoxiu, Li Liang. Effects of the conversion time of cropland into forestry on soil physical properties in loess area of western Shanxi Province of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376

晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFC0501704)
详细信息
    作者简介:

    刘俊廷。主要研究方向:土壤生态。Email:1079313528@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    张建军,博士,博士生导师。主要研究方向:水土保持、植被恢复、生态效益评价、森林水文。Email:zhangjianjun@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S718. 5; Q948. 1

Effects of the conversion time of cropland into forestry on soil physical properties in loess area of western Shanxi Province of northern China

  • 摘要: 目的通过分析不同退耕年限林地土壤物理性质的变化,探讨退耕还林工程对土壤物理性质的改良作用。方法以晋西黄土区不同退耕年限的荒草地、纯林地、混交林地为研究对象、以农地为对照,通过野外调查,研究了退耕年限对土壤密度、孔隙度、毛管孔隙度等土壤物理性质的影响。结果退耕地土壤密度随土层深度的加深显著增加,0 ~ 60 cm土层平均密度分别为:农地(1.38 g/cm3) > 荒草地(1.27 g/cm3) > 纯林地(1.20 g/cm3) > 混交林地(1.18 g/cm3),退耕还林后纯林地、混交林地与农地、草地的土壤密度差异显著(P < 0.05);土壤密度随退耕年限的增加逐渐减小,退耕23年后基本稳定在1.16 g/cm3,退耕还林对表层土壤密度的改良效果最好,且随着土层深度的增加,这种改良效果逐渐减弱。土壤总孔隙度随退耕年限的增加呈波动性增加,并逐渐趋于稳定。表层(0 ~ 20 cm)孔隙度最大(50.8% ~ 57.6%),且在退耕5 ~ 10年内孔隙度变化最大,退耕25年后孔隙度基本稳定在55.61%左右。0 ~ 60 cm土层的孔隙度为混交林地(53.67%) > 林地(52.87%) > 农地(47.82%) > 荒草地(45.97%)。退耕后形成的纯林地、混交林地与农地、草地的孔隙度差异显著(P < 0.05),纯林地与混交林地孔隙度差异不显著(P > 0.05)。土壤毛管孔隙度随退耕年限的增加呈显著增加趋势。混交林地、纯林地毛管孔隙度分别为51.21%和50.37%,与农地的毛管孔隙度(45.62%)显著差异。结论退耕还林工程能明显改善土壤物理性质,且混交林对土壤改良效果好于纯林。
  • 图  1  样地位置图

    Figure  1.  Location of the research sites

    图  2  不同土层深度土壤密度随退耕年限变化情况

    Figure  2.  Variation of soil bulk density with the increasing conversion time among different soil layers

    图  3  不同地类在不同土层深度土壤密度的变化情况

    不同小写字母表示的同一地类在不同土层间的差异情况(P < 0.05);不同的大写字母表示的是同一土层间在不同地类间的差异性(P < 0.05),下同。Different lowercase letters indicate significant differences of each index in the same vegetation among different soil layers (P < 0.05); different uppercase letters indicate significant differences of each index in different vegetations among the same soil layer (P < 0.05). The same as below.

    Figure  3.  Variations of soil bulk density with the increasing soil depth on different vegetation types

    图  4  不同土层深度土壤总孔隙度随退耕年限变化情况

    Figure  4.  Variations of total soil porosity with increasing conversion time among different soil layer depths

    图  5  不同地类在不同土层深度土壤总孔隙度的变化情况

    Figure  5.  Variations of total soil porosity with the increasing soil depth on different vegetation types

    图  6  不同土层深度土壤毛管孔隙度随退耕年限变化情况

    Figure  6.  Variations of soil capillary porosity with the increasing conversion time among different soil layer depths

    图  7  不同地类在不同土层深度毛管孔隙度的变化情况

    Figure  7.  Variations of soil capillary porosity with the increasing soil depth on different vegetation types

    表  1  样地基本信息表

    Table  1.   Basic information of the research sites

    植被类型
    Vegetation type
    海拔
    Altitude/m
    坡度
    Slope/(°)
    坡向
    Aspect
    胸径
    DBH/cm
    树高
    Tree height/m
    密度/(株·hm− 2
    Density/
    (tree·ha− 1)
    林龄/a
    Stand age/year
    郁闭度
    Canopy density/%
    草地 Grassland 1 077 13 阳坡 Sunny slope
    农地 Farmland 933 6 阴坡 Shady slope
    农地 Farmland 974 5 半阴坡 Semi-shady slope
    农地 Farmland 930 14 半阴坡 Semi-shady slope
    侧柏 Platycladus orientalis 1 085 18 阳坡 Sunny slope 9.14 5.11 1 423 6 85
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 005 23 阳坡 Sunny slope 9.24 4.66 1 094 5 75
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 032 22 阴坡 Sunny slope 14.32 8.31 1 049 9 80
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 083 27 半阴坡 Semi-shady slope 13.76 7.64 1 125 10 70
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 120 32 半阴坡 Semi-shady slope 16.24 6.89 1 426 12 65
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 078 22 阳坡 Sunny slope 18.78 9.12 1 560 16 85
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 179 22 半阴坡 Semi-shady slope 20.17 10.86 1 746 17 75
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 056 22 半阴坡 Semi-shady slope 25.60 8.75 1 555 19 60
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 008 20 半阴坡 Semi-shady slope 19.81 7.90 1 330 21 75
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 210 30 阳坡 Sunny slope 38.62 11.51 1 333 26 70
    刺槐 Robinia pseudoacacia 1 160 27 阳坡 Sunny slope 36.52 12.20 1 323 28 80
    油松 Pinus tabuliformis 988 20 阴坡 Shady slope 8.62 4.71 1 382 4 70
    油松 Pinus tabuliformis 1 204 24 阳坡 Sunny slope 12.45 6.87 1 432 7 70
    油松 Pinus tabuliformis 1 160 23 阴坡 Shady slope 10.67 6.52 1 222 8 85
    油松 Pinus tabuliformis 1 134 24 阳坡 Sunny slope 17.29 7.45 1 356 11 75
    油松 Pinus tabuliformis 1 120 24 半阴坡 Semi-shady slope 13.29 9.47 1 733 15 80
    油松 × 刺槐
    Pinus tabuliformis ×
    Robinia pseudoacacia
    1 098 25 阴坡 Shady slope 16.56 8.82 1 666 13 75
    油松 × 刺槐
    Pinus tabuliformis ×
    Robinia pseudoacacia
    1 120 26 阳坡 Sunny slope 15.82 7.32 1 453 14 85
    油松 × 刺槐
    Pinus tabuliformis ×
    Robinia pseudoacacia
    1 124 15 半阳坡 Semi-sunny slope 16.80 9.80 900 20 70
    油松 × 刺槐
    Pinus tabuliformis ×
    Robinia pseudoacacia
    1 113 15 阴坡 Shady slope 24.34 9.10 1 052 24 85
    刺槐 × 侧柏
    Robinia pseudoacacia ×
    Platycladus orientalis
    1 134 28 阴坡 Shady slope 26.46 12.65 1 666 18 70
    刺槐 × 侧柏
    Robinia pseudoacacia ×
    Platycladus orientalis
    1 140 29 半阴坡 Semi-shady slope 22.66 11.86 1 562 23 85
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-21
  • 修回日期:  2018-12-25
  • 网络出版日期:  2019-09-05
  • 刊出日期:  2020-01-14

晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
    基金项目:  国家重点研发计划(2016YFC0501704)
    作者简介:

    刘俊廷。主要研究方向:土壤生态。Email:1079313528@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 张建军,博士,博士生导师。主要研究方向:水土保持、植被恢复、生态效益评价、森林水文。Email:zhangjianjun@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S718. 5; Q948. 1

摘要: 目的通过分析不同退耕年限林地土壤物理性质的变化,探讨退耕还林工程对土壤物理性质的改良作用。方法以晋西黄土区不同退耕年限的荒草地、纯林地、混交林地为研究对象、以农地为对照,通过野外调查,研究了退耕年限对土壤密度、孔隙度、毛管孔隙度等土壤物理性质的影响。结果退耕地土壤密度随土层深度的加深显著增加,0 ~ 60 cm土层平均密度分别为:农地(1.38 g/cm3) > 荒草地(1.27 g/cm3) > 纯林地(1.20 g/cm3) > 混交林地(1.18 g/cm3),退耕还林后纯林地、混交林地与农地、草地的土壤密度差异显著(P < 0.05);土壤密度随退耕年限的增加逐渐减小,退耕23年后基本稳定在1.16 g/cm3,退耕还林对表层土壤密度的改良效果最好,且随着土层深度的增加,这种改良效果逐渐减弱。土壤总孔隙度随退耕年限的增加呈波动性增加,并逐渐趋于稳定。表层(0 ~ 20 cm)孔隙度最大(50.8% ~ 57.6%),且在退耕5 ~ 10年内孔隙度变化最大,退耕25年后孔隙度基本稳定在55.61%左右。0 ~ 60 cm土层的孔隙度为混交林地(53.67%) > 林地(52.87%) > 农地(47.82%) > 荒草地(45.97%)。退耕后形成的纯林地、混交林地与农地、草地的孔隙度差异显著(P < 0.05),纯林地与混交林地孔隙度差异不显著(P > 0.05)。土壤毛管孔隙度随退耕年限的增加呈显著增加趋势。混交林地、纯林地毛管孔隙度分别为51.21%和50.37%,与农地的毛管孔隙度(45.62%)显著差异。结论退耕还林工程能明显改善土壤物理性质,且混交林对土壤改良效果好于纯林。

English Abstract

刘俊廷, 张建军, 孙若修, 李梁. 晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
引用本文: 刘俊廷, 张建军, 孙若修, 李梁. 晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
Liu Junting, Zhang Jianjun, Sun Ruoxiu, Li Liang. Effects of the conversion time of cropland into forestry on soil physical properties in loess area of western Shanxi Province of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
Citation: Liu Junting, Zhang Jianjun, Sun Ruoxiu, Li Liang. Effects of the conversion time of cropland into forestry on soil physical properties in loess area of western Shanxi Province of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(1): 94-103. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180376
  • 黄土高原由于人类不合理利用土地资源,乱砍滥伐,过度放牧等使得植被覆盖率低,水土流失严重。土壤作为植物根系生长发育的基质,是植物正常生长所需要营养物质和水分的供给源,决定干旱半干旱区植物生长质量的水分全部储存在土壤孔隙之中,因此,土壤孔隙状况不仅决定着土壤中水、气、热和微生物的状况,而且也影响着土壤中植物营养元素的有效性和供给能力[1]。可见,探讨以土壤孔隙状况为主的土壤物理性质及其影响因素,对科学评价土壤改良效益以及发挥土壤水库的调节作用具有重要意义。近年来有不少学者对黄土高原的土壤理化性质做了深入的研究,也取得了一定实质性的成果。比如,王莉、李庆云等在黄土高原地区研究了不同土地利用方式对土壤理化性质的变化的影响[2-6],李香兰、王贵霞等研究了不同植被类型及植被状况对土壤物理性质的改良情况[7-13],景贯阳、张瑞等探讨了不同密度下人工林对土壤物理性质的影响[14-15]等。李庆云等[3]对不同土地利用类型土壤物理性质进行分析得出,各土地利用类型的土壤物理性质差异显著,表现为农田 > 林地 > 果园 > 草地;李志等[4]研究了黄土塬区不同地形部位和土地利用方式对土壤物理性质的影响后得出,不同地形部位的土壤物理性质有明显差异,密度以坡脚的变异程度最大,属中等变异,不同土地利用方式下,表层密度普遍低于下层;王贵霞等[8]对沙质海岸5种植被类型覆盖下土壤物理性状及其水源涵养功能力的研究发现,混交林在改良土壤物理性状方面效果最好,草本次之,纯林最差,黑松(Pinus thunbergii)刺槐(Robinia pseudoacacia)混交林和草地的土壤贮水能力高于其他纯林地。杨亚辉等[12]研究了王东沟流域不同造林树种及其配置方式对土壤物理性质的影响后指出不同造林方式对土壤密度有显著影响,对20~40 cm层土壤总孔隙度有显著影响;杨光等[13]对黄土高原不同退耕还林地植被改良土壤特性的研究中发现,与农地相比退耕还林后林地的土壤物理性质得到明显改善,针阔混交林对土壤改良作用较好。景贯阳等[14]对黄土高原刺槐林土壤层生态水文功能的研究中发现,林分密度对孔隙状况有显著影响,各土层孔隙度差异明显,且随土层深度的增大而孔隙度逐渐减小。张瑞等[15]对黄土高原水土保持林适宜密度的研究表明,刺槐林密度为1 325株/hm2、油松(Pinus tabuliformis)林密度为2 089株/hm2时,土壤孔隙度最大而密度最小。虽然前人对黄土高原土壤物理性质研究较多,但是对于退耕还林后随着退耕年限的增加人工林地土壤物理性质的变化趋势及规律等方面的研究相对较少,而土壤孔隙状况等物理性质随时间的变化是科学评价退耕林地涵养水源和改良土壤效益的依据。因此,本文以农地为对照,选取了研究区农田、草地、不同退耕年限的林地(刺槐、油松、侧柏Platycladus orientalis等)与混交林地(刺槐油松混交、油松侧柏混交),研究土壤密度、孔隙状况等物理性质随退耕年限的变化趋势,以期为科学评价晋西黄土区退耕还林的生态效益、水源涵养效益提供依据,合理经营森林资源,改善水分环境、实现水资源的科学管理,同时可更好的理解黄土高原植被恢复与水文过程、侵蚀产沙等关系。

    • 研究区选择在山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地的蔡家川流域,地理坐标为110°45′ ~ 110°48′ E、36°14′ ~ 36°18′ N,海拔904 ~ 1 592 m。属于半干旱大陆性季风气候,森林植被类型属半旱生落叶阔叶林带,年均降水量575.9 mm,6—9月降水量占70%左右,年均蒸发量1 723.9 mm。年均气温10 ℃,无霜期172 d。该地区属于典型的黄土梁状丘陵沟壑区,地形破碎,黄土母质,土层深厚。蔡家川流域上游主要以辽东栎(Quercus liaotungensis)、山杨(Populus davidiana)、杜梨(Pyrus betulifolia)、胡颓子(Elaeagnus pungens)为主的次生林,流域中游是不同时期营造的以油松、刺槐、侧柏为主的人工林,林下植被主要有黄刺玫(Rosa xanthina)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等。

    • 在蔡家川流域内选择不同退耕年限的林地(刺槐林、油松林、侧柏林、混交林)、荒草地作为调查样地,选择农地作为对照,样地大小为20 m × 20 m。调查样地的位置和基本情况见图1表1。在样地内每木检尺,记录树高、胸径、郁闭度、密度等。在样地对角线上上每隔7 m布设取样点,挖土壤剖面,分别按0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层用100 cm3的环刀采集原状土样品,在室内采用浸泡法测定土壤孔隙状况及密度,具体方法参见《土壤理化分析》[16]

      表 1  样地基本信息表

      Table 1.  Basic information of the research sites

      植被类型
      Vegetation type
      海拔
      Altitude/m
      坡度
      Slope/(°)
      坡向
      Aspect
      胸径
      DBH/cm
      树高
      Tree height/m
      密度/(株·hm− 2
      Density/
      (tree·ha− 1)
      林龄/a
      Stand age/year
      郁闭度
      Canopy density/%
      草地 Grassland 1 077 13 阳坡 Sunny slope
      农地 Farmland 933 6 阴坡 Shady slope
      农地 Farmland 974 5 半阴坡 Semi-shady slope
      农地 Farmland 930 14 半阴坡 Semi-shady slope
      侧柏 Platycladus orientalis 1 085 18 阳坡 Sunny slope 9.14 5.11 1 423 6 85
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 005 23 阳坡 Sunny slope 9.24 4.66 1 094 5 75
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 032 22 阴坡 Sunny slope 14.32 8.31 1 049 9 80
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 083 27 半阴坡 Semi-shady slope 13.76 7.64 1 125 10 70
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 120 32 半阴坡 Semi-shady slope 16.24 6.89 1 426 12 65
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 078 22 阳坡 Sunny slope 18.78 9.12 1 560 16 85
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 179 22 半阴坡 Semi-shady slope 20.17 10.86 1 746 17 75
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 056 22 半阴坡 Semi-shady slope 25.60 8.75 1 555 19 60
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 008 20 半阴坡 Semi-shady slope 19.81 7.90 1 330 21 75
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 210 30 阳坡 Sunny slope 38.62 11.51 1 333 26 70
      刺槐 Robinia pseudoacacia 1 160 27 阳坡 Sunny slope 36.52 12.20 1 323 28 80
      油松 Pinus tabuliformis 988 20 阴坡 Shady slope 8.62 4.71 1 382 4 70
      油松 Pinus tabuliformis 1 204 24 阳坡 Sunny slope 12.45 6.87 1 432 7 70
      油松 Pinus tabuliformis 1 160 23 阴坡 Shady slope 10.67 6.52 1 222 8 85
      油松 Pinus tabuliformis 1 134 24 阳坡 Sunny slope 17.29 7.45 1 356 11 75
      油松 Pinus tabuliformis 1 120 24 半阴坡 Semi-shady slope 13.29 9.47 1 733 15 80
      油松 × 刺槐
      Pinus tabuliformis ×
      Robinia pseudoacacia
      1 098 25 阴坡 Shady slope 16.56 8.82 1 666 13 75
      油松 × 刺槐
      Pinus tabuliformis ×
      Robinia pseudoacacia
      1 120 26 阳坡 Sunny slope 15.82 7.32 1 453 14 85
      油松 × 刺槐
      Pinus tabuliformis ×
      Robinia pseudoacacia
      1 124 15 半阳坡 Semi-sunny slope 16.80 9.80 900 20 70
      油松 × 刺槐
      Pinus tabuliformis ×
      Robinia pseudoacacia
      1 113 15 阴坡 Shady slope 24.34 9.10 1 052 24 85
      刺槐 × 侧柏
      Robinia pseudoacacia ×
      Platycladus orientalis
      1 134 28 阴坡 Shady slope 26.46 12.65 1 666 18 70
      刺槐 × 侧柏
      Robinia pseudoacacia ×
      Platycladus orientalis
      1 140 29 半阴坡 Semi-shady slope 22.66 11.86 1 562 23 85

      图  1  样地位置图

      Figure 1.  Location of the research sites

    • 对已调查的样地4种地类进行归类,并对数据取平均。用Excel 2010软件进行数据整理,在origin 8.5中绘制成图,通过SPSS18.0软件进行单方差分析(ANOVA),检验不同植被类型各个特征指标对土壤物理性质的差异显著性。

    • 土壤密度是表征土壤紧实度的指标,在同一气候条件下土壤密度除与成土母质关系密切外,主要受植被、耕作、有机质含量等因素影响[17-18]图2为0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层密度随退耕年限的变化情况。从图2可见,退耕还林后随着年限的增加,退耕林地土壤密度呈波动性降低的趋势,这与之前相关研究结论相同[9,18-19]。退耕林地表层0 ~ 20 cm土层的土壤密度在1.10 ~ 1.25 g/cm3之间波动,均值为1.18 g/cm3,农地密度为1.38 g/cm3,与农地相比退耕林地的土壤密度降低了14.49%。退耕林地在1.17 ~ 1.29之间波动,均值为1.22 g/cm3,相对农地20 ~ 40 cm土层的土壤密度(1.40 g/cm3)降低12.86%。40 ~ 60 cm土层的土壤密度为1.2 ~ 1.26 g/cm3,平均为1.26 g/cm3,相比农地40 ~ 60 cm土层的土壤密度(1.37 g/cm3)降低8.03%。可见,退耕还林措施能够显著降低土壤密度,尤其对0 ~ 20 cm表层土壤密度的改良效果最好,但随着土层深度的增加,这种改良效果有逐渐减弱的趋势;退耕还林对土壤改良主要在表土层,随着退耕年限的增加这种改良效果逐渐向深层发展。方差分析显示土壤密度随着退耕年限的变化差异显著(F = 3.41 > F(0.05) = 1.78),这说明退耕年限对土壤密度影响较大,其原因可能是随着退耕年限的增加,根系逐渐发育日渐完全,同时林地枯落物逐渐增加,使得土壤团粒结构增加,土壤变得越疏松,土壤密度变小成为必然。

      图  2  不同土层深度土壤密度随退耕年限变化情况

      Figure 2.  Variation of soil bulk density with the increasing conversion time among different soil layers

      对不同土层深度土壤密度随退耕年限的变化进行拟合发现,土壤密度随退耕年限增加呈递减趋势,可以用相关方程表示,并用该方程未来土壤密度的变化趋势进行预测,同时对方程进行求导,得出一阶导数曲线。如表层0 ~ 20 cm土层拟合方程为${{y}} = 0.206\exp \left( { - x/5.647} \right) + 1.155$,从该导数曲线上可以发现,在退耕10~15年期间,土壤密度的变化最为剧烈,退耕23年后密度基本稳定在1.16 g/cm3

      图3为混交林地、纯林地、荒草地、农地土壤密度随着土层深度的变化图。从图3中可以看出,在0 ~ 60 cm土层剖面中,各地类的平均密度分别为:农地(1.38 g/cm3) > 荒草地(1.27 g/cm3) > 纯林地(1.20 g/cm3) > 混交林地(1.18 g/cm3)。土壤密度随着土层深度的增加而增加,这与李庆云等的研究结果相同[3]。与农地相比,荒草地、纯林地和混交林地0 ~ 20 cm土层的密度分别减少了10.14%、17.39%和20.29%,20 ~ 40 cm层分别减少了9.29%、13.57%和14.29%,40 ~ 60 cm土层分别减少了2.92%、8.02%和9.49%。这说明退耕还林还草均能显著减少土壤密度,混交林对土壤改良效果好于纯林,林地好于草地。

      图  3  不同地类在不同土层深度土壤密度的变化情况

      Figure 3.  Variations of soil bulk density with the increasing soil depth on different vegetation types

      方差分析显示土层深度和不同地类对土壤密度均有显著影响且两者之间没有交互作用。退耕还林还草后土壤密度的垂直分布与农地相比显著差异(P < 0.05)。土层深度、地类对土壤密度均有显著影响且两者之间没有交互作用。退耕林地的土壤密度与农地、草地之间均有显著差异,且林地0 ~ 20 cm土层与20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层的孔隙度之间均有显著差异,而20 ~ 40 cm土层与40 ~ 60 cm土层的密度之间差异不显著。

    • 土壤孔隙度是反应土壤通透性和土壤持水能力的重要指标[20],对土壤的质地、松紧度和结构性均有重要影响,孔隙度与土壤肥力的发挥和作物生长发育密切相关,对于农业生产具有重要意义[1]图4是在0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层孔隙度随退耕年限的变化情况。从图4可以看出,不同土层深度的孔隙随着退耕年限的增加而波动性增加,方差分析显示不同退耕年限土壤孔隙度差异显著(F = 2.57 > F(0.05)= 1.78),说明土壤总孔隙度受退耕年限的影响较大,随着退耕年限的增加,土壤孔隙度逐渐增加,这与前人的研究结果一致[21-23]。0 ~ 20 cm土层的孔隙度在50.8% ~ 57.6%范围内波动,均值为54.92%,与农地(49.36%)相比增加了5.56个百分点;20 ~ 40 cm土层的孔隙度为49.95% ~ 55.28%,均值为52.91%,与农地(47.17%)相比增加了5.74个百分点;40 ~ 60 cm土层的孔隙度为48.4% ~ 53.32%,均值为51.65%,与农地(45.74%)相比增加5.91个百分点。这说明退耕还林对土壤孔隙度有很好的改良作用,且对0 ~ 20 cm土层的改良效果最大。这可能是由于林地表层覆盖有枯落物,植物根系主要分布于地表附近所致。同时也说明退耕还林对表层土壤的孔隙状况的改良效果要优于底层,其原因可能是随着退耕年限的增加,林木的根系逐渐完善,根系分布范围向更深的层次发展,使得土壤孔隙的改良效果随土层深度发生梯度变化。

      图  4  不同土层深度土壤总孔隙度随退耕年限变化情况

      Figure 4.  Variations of total soil porosity with increasing conversion time among different soil layer depths

      对不同土层深度土壤孔隙随退耕年限的变化进行拟合发现,土壤孔隙度随退耕年限增加呈递增的趋势,可以用方程表示(参见图3)。如表层拟合方程为,从变化趋势可以看出,0 ~ 20 cm土层的孔隙度在退耕后的前10年期间变化最大,退耕25年后基本稳定在55.61%左右;20 ~ 40 cm土层的孔隙度在退耕28年后基本在53.89%左右;40 ~ 60 cm土层的孔隙度在退耕23年后基本稳定在52.14%左右。

      图5是荒草地、农地、林地、混交林地总孔隙度随着土层深度的变化情况。从图5中可以看出,0 ~ 60 cm土层的孔隙度为混交林地(53.67%) > 林地(52.87%) > 农地(47.82%) > 荒草地(45.97%)。林地和混交林地0 ~ 20 cm土层的孔隙度比农地分别增加− 3.18、10.5和13.41个百分点,20 ~ 40 cm土层分别增加− 3.39、10.94、12.55个百分点,40 ~ 60 cm土层分别增加了− 6.05、10.05、10.64个百分点。这说明退耕还林后0 ~ 60 cm土层的孔隙状况明显好于退耕签的农地,但是草地的孔隙状况却比退耕前的农地差。

      图  5  不同地类在不同土层深度土壤总孔隙度的变化情况

      Figure 5.  Variations of total soil porosity with the increasing soil depth on different vegetation types

      退耕林地的土壤孔隙度的垂直分布与农地相比发生了显著变化(P < 0.05)。土层深度和不同地类对土壤总孔隙度均有显著影响且两者之间没有交互作用。林地、混交林地0 ~ 20 cm土层的孔隙状况相比于20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层具有显著显著性差异,20 ~ 40 cm土层的孔隙状况相比于40 ~ 60 cm土层差异不显著。这说明植被类型和土层深度是影响土壤孔隙度的重要因素。

    • 毛管孔隙又称为小孔隙,是具有明显毛管作用的孔隙。毛管孔隙的直径一般小于0.1 mm,由小粒径的土壤颗粒排列紧密而成,毛管孔隙占土壤体积的百分比,称为毛管孔隙度[24]图6是不同土层毛管孔隙度随着退耕年限的变化情况。从图6可见,土壤毛管孔隙度随着退耕年限的增加呈波动性增加,方差分析显示孔隙度随着退耕年限的变化差异显著(F = 4.19 > F(0.05)= 1.78),这说明退耕年限是影响毛管孔隙度的重要因素,和前人研究结果相似[10,24]。林地0 ~ 20 cm土层的毛管孔隙度为49.4% ~ 54.86%,均值为53.07%,与农地(47.22%)相比增加了12.41个百分点;20 ~ 40 cm土层的毛管孔隙度在47.2% ~ 53.48%范围内波动,均值为51.45%,与农地(45.62%)相比增加12.78个百分点;40 ~ 60 cm土层的毛管孔隙度在47.6% ~ 51.63%范围内变化,均值为50.35%,与农地(43.21%)相比增加了16.52个百分点。从变化程度上可见,随着土层深度的增加毛管孔隙度的变化幅度逐渐增加。

      图  6  不同土层深度土壤毛管孔隙度随退耕年限变化情况

      Figure 6.  Variations of soil capillary porosity with the increasing conversion time among different soil layer depths

      同时对不同土层深度土壤孔隙度随退耕年限拟合得到如下方程 ${{y}} = - 6.89\exp \left( { - x/6.976} \right)54.493$。从变化幅度上看退耕林地的毛管孔隙度在0 ~ 20 cm表土层中在15年左右达到基本稳定,其值稳定在54%左右;20 ~ 40 cm层经过21年基本达到稳定;而40 ~ 60 cm,毛管孔隙波动较大,经过18年左右基本在51%左右上下波动。

      图7是农地、荒草地、林地、混交林地毛管孔隙度随土层深度的变化情况。从图7中可以看出,在0 ~ 60 cm土层的平均毛管孔隙度为混交林(51.21%) > 纯林(50.57%) > 农地(45.35%) > 荒草地(43.88%),且随着土层深度的增加毛管孔隙度逐渐下降。荒草地、林地和混交林地0 ~ 20 cm土层的毛管孔隙度比荒草地分别增加了− 3.35、10.74、12.05个百分点,在20 ~ 40 cm土层中分别增加了− 4.67、10.74、10.83个百分点,在40 ~ 60 cm土层中分别增加了− 1.62、13.70、15.37个百分点。

      图  7  不同地类在不同土层深度毛管孔隙度的变化情况

      Figure 7.  Variations of soil capillary porosity with the increasing soil depth on different vegetation types

      退耕后不同地类和土层深度对毛管孔隙度均有显著影响,且不同地类和土层之间不存在交互作用。纯林地和混交林的毛管孔隙度相较于农地均差异显著,荒草地较于农地在20 ~ 40 cm土层差异显著。林地在0 ~ 20 cm土层的毛管孔隙相较于20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm均差异显著。

    • 林地土壤是森林最大的贮水库和水分调节器[23]。本文采用空间代替时间的方法研究了晋西黄土高原区近30年退耕地的土壤物理性质变化情况,研究得出,0 ~ 60 cm土层范围内,土壤密度随着退耕年限的增加有降低的趋势。有林地土壤密度在0 ~ 20 cm表土层中变化最大,随着土层深度的增加,这种改良效果有逐渐减弱的趋势,经过23年后基本稳定在1.16 g/cm3。一般来说土壤密度大小与土壤质地、结构、孔隙度、有机质含量等有关,通常土壤有机质含量越高、孔隙度越大则体积质量越小[23]。本文得到随着退耕年限的增加,土壤物理性质变化存在一个阈值。众所周知,土壤物理性质与区域水文调控过程息息相关,土壤孔隙等与水源涵养能力更是密不可分。张社奇等[9]对黄土高原油松人工林地土壤水分物理性质研究表明土壤密度随着树龄的增加而减小。李文忠等[24]对不同退耕年限(0 ~ 20年)土壤物理性质研究表明:土壤密度随着营林时间的变化而明显变小,土壤结构得到明显改善。彭文英等[10]通过比较陕西安塞县黄土区退耕不同年限表层土壤物理性质的变化,发现退耕13年后的刺槐林,土壤物理性质较好,30年后,土壤物理性质基本不再变化,呈现稳定状态。从上述分析讨论中可以看出随着退耕年限的增加土壤物理性质逐渐向好的方向发展,但改良的效果逐渐减慢。因此在黄土高原地区林地随退耕年限的增加是否存在一个阈值范围,还需要通过大量野外调查进一步研究确定。

      林地土壤是一座天然的大水库,降雨能沿着土壤空隙下渗,成为土壤贮水和地下径流,从而表现出林分涵养水源和保持水土的功能[25]。本文对退耕还林地土壤物理性质进行分析的结果表明,纯林地、混交林地0 ~ 20 cm土层的密度与20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层的密度差异显著(P < 0.05),而20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm之间差异不显著,且相较于农地均差异显著。林地相较于农地和草地,土壤密度、孔隙均差异显著。土壤孔隙度随着土层深度的增加而显著降低。土壤总孔隙度为混交林地(53.67%) > 林地(52.87%) > 农地(47.82%) > 荒草地(45.97%)。康冰等[26]对南亚热带不同植被恢复模式对土壤特性进行分析得到天然次生林土壤总孔隙度随着土层的增加呈增加趋势,其余植被恢复模式均呈下降趋势;黄庆丰等[27]对不同森林类型土壤肥力状况及水源涵养功能的研究表明有林地孔隙度比荒山荒坡大。总体而言土壤的改良效果为混交林地 > 林地 > 荒草地 > 农地。因此在黄土高原林业生态工程建设中,建议营造混交林,以期水源涵养能力达到最大化。

    • (1)退耕还林后土壤密度随着退耕年限的增加呈波动减小并且逐渐趋于稳定,方差分析显示土壤密度随退耕年限变化差异显著。0 ~ 60 cm土层的平均密度为农地(1.38 g/cm3) > 荒草地(1.27 g/cm3) > 纯林地(1.20 g/cm3) > 混交林地(1.18 g/cm3)。有林地0 ~ 20 cm土层的密度在10 ~ 15年变化最大,经过23年后基本稳定在1.16 g/cm3,随着土层深度的增加林地与农地的密度差异趋于缓和。

      (2)孔隙度随着退耕年限的增加呈显著增加(P < 0.05)并且逐渐趋于稳定。0 ~ 60 cm土层平均孔隙度为混交林地(53.67%) > 林地(52.87%) > 农地(47.82%) > 荒草地(45.97%),从变化趋势上看,在0 ~ 20 cm退耕林地5 ~ 10年中孔隙度变化最大,经过25年左右基本稳定在55.61%左右,与20 ~ 40 cm土层和40 ~ 60 cm土层的差异显著。

      (3)退耕林地土壤毛管孔隙度随着退耕年限的增加呈波动性显著增加。随着土层深度的增加土壤毛管孔隙度也逐渐降低。方差分析显示纯林地和混交林的毛管孔隙度相较于农地、荒草地均差异显著,而在0 ~ 20 cm土层的毛管孔隙相较于20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm均差异显著(P < 0.05)。在0 ~ 60 cm范围内土壤孔隙度和毛管孔隙度大小为混交林(51.21%) > 纯林(50.57%) > 农地(45.35%) > 荒草地(43.88%),说明混交林对土壤改良效果最好。

参考文献 (27)

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