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晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响

张恒硕 查同刚 张晓霞

张恒硕, 查同刚, 张晓霞. 晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
引用本文: 张恒硕, 查同刚, 张晓霞. 晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
Zhang Hengshuo, Zha Tonggang, Zhang Xiaoxia. Effects of converting years from farmland to forestland on soil physical properties in the loess area of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
Citation: Zhang Hengshuo, Zha Tonggang, Zhang Xiaoxia. Effects of converting years from farmland to forestland on soil physical properties in the loess area of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087

晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
基金项目: 国家“十二五”科技支撑计划课题(2015BAD07B03)
详细信息
    作者简介:

    张恒硕。主要研究方向:土壤退化与生态修复。Email:zhs418473740@bjfu.edu.cn 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:

    查同刚,博士,副教授。主要研究方向:土壤退化与生态修复。Email:zhtg73@bjfu.edu.cn 地址:同上

Effects of converting years from farmland to forestland on soil physical properties in the loess area of western Shanxi Province, northern China

  • 摘要: 目的为评价晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响,并为该地区水土保持林构建提供依据。方法以山西吉县蔡家川小流域的农地为对照,对晋西黄土区5种典型退耕还林林分(包括自然恢复山杨林、刺槐×侧柏人工混交林、油松×刺槐人工混交林、刺槐人工纯林和油松人工纯林)的土壤物理性质进行了连续23年的定位观测。结果(1)所有人工林土壤密度随退耕年限呈现先上升(退耕后前1 ~ 4年)后下降(退耕后4 ~ 23年间)的趋势,在10 ~ 15年下降至一个比初始值更低的值后逐渐趋于平稳;自然恢复林随退耕年限土壤密度呈不断下降趋势,最高下降幅度为11.21%(0 ~ 20 cm土层)。(2)人工林土壤总孔隙度在前10 ~ 15年呈先下降后上升的趋势,自然恢复林土壤总孔隙度随恢复年限上升趋势越来越缓慢,0 ~ 20 cm土层和20 ~ 40 cm土层累积变化率为1.4%和0.6%。(3)5种典型林分的毛管孔隙度均随退耕年限增加呈上升趋势,其中人工林内20 ~ 40 cm土壤层的毛管孔隙度变化大于0 ~ 20 cm土层,自然恢复林0 ~ 20 cm土层和20 ~ 40 cm土层的累积变化率分别为2.5%和1.5%左右。结论退耕年限对土壤物理性质影响显著(P < 0.05),4种人工林中土壤物理性质的变化主要发生在退耕后的前10 ~ 15年内,其中刺槐×侧柏混交林对土壤物理性质的改良效果更明显,建议该地区人工林恢复类型应以刺槐×侧柏混交林为主。
  • 图  1  恢复年限对土壤密度的影响

    Figure  1.  Effects of recovery time on soil bulk density

    图  2  恢复年限对土壤总孔隙度的影响

    Figure  2.  Effects of recovery time on soil total porosity

    图  3  恢复年限对土壤毛管孔隙度的影响

    Figure  3.  Effects of recovery time on soil capillary porosity

    图  4  不同植被类型下土壤有机质变化幅度

    Figure  4.  Changing range of soil organic matter under different vegetation types

    表  1  林地基本信息

    Table  1.   Basic information of the research sites

    序号 No.植被类型 Vegetation type海拔
    Altitude/m
    坡度 Slope degree/(°)坡向 Slope aspect/(°)密度/(株·hm−2) Density/(plant·ha−1胸径
    DBH/cm
    树高
    Tree height/m
    郁闭度
    Canopy density
    1RP1 19518NE321 38612.88.50.84
    2PP1 23413NE371 6509.46.50.78
    3PRP1 12615NE151 100 × 6007.9 × 8.86.60.87
    4RPP1 23212NE20830 × 75010.1 × 6.25.20.82
    5NP1 15819NE451 5308.77.30.92
    6CK1 15410NE2273 5803.42.40.84
    注:RP.刺槐人工林; PP.油松人工林; PRP.油松×刺槐混交林; RPP.刺槐×侧柏混交林; NP.自然恢复的山杨林; CK.耕地。NE.东北方向。下同。树高和胸径为平均值,耕地的郁闭度为玉米农作物的冠层覆盖度。Notes: RP, Robinia pseudoacacia plantation; PP, Pinus tabuliformis plantation; PRP, Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia plantation; RPP, Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis plantation; NP, natural recovery Populus davidiana; CK, cultivated lands. NE, northeast aspect. The same below. Tree height and DBH are the average values, and the canopy density of cultivated land is the canopy coverage of corn crops.
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    表  2  不同植被下0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm层土壤机械组成变化

    Table  2.   Changes of soil mechanical composition in 0−20 cm and 20−40 cm soil layers under different vegetations %

    组成
    Composition
    土层深度
    Soil depth/cm
    项目
    Item
    RPPPPRPRPPNPCK
    黏粒
    Clay
    0 ~ 20 1993年 Year 1993 16.16 13.85 16.05 15.92 17.48 16.12
    2006年 Year 2006 15.75 14.25 16.15 16.04 19.73 15.97
    变化幅度
    Range of change
    − 2.54 2.89 0.62 0.75 12.87 − 0.93
    20 ~ 40 1993年 Year 1993 15.87 13.56 15.89 15.45 17.43 15.98
    2006年 Year 2006 15.72 13.79 15.94 15.62 18.13 16.04
    变化幅度
    Range of change
    − 0.95 1.70 0.31 1.10 4.02 0.38
    粉粒
    Silk
    0 ~ 20 1993年 Year 1993 52.54 53.25 51.17 51.87 51.98 49.32
    2006年 Year 2006 53.02 53.51 51.80 52.27 52.02 49.49
    变化幅度
    Range of change
    0.91 0.49 1.23 0.77 0.08 0.34
    20 ~ 40 1993年 Year 1993 52.33 53.04 51.12 52.01 51.53 49.01
    2006年 Year 2006 52.51 53.08 51.47 52.32 52.35 49.00
    变化幅度
    Range of change
    0.34 0.08 0.68 0.60 1.59 − 0.02
    砂粒
    Sand
    0 ~ 20 1993年 Year 1993 31.30 32.90 32.78 32.21 30.54 34.56
    2006年 Year 2006 31.23 32.24 32.05 31.69 28.25 34.54
    变化幅度
    Range of change
    − 0.22 − 2.01 − 2.23 − 1.61 − 7.50 − 0.06
    20 ~ 40 1993年 Year 1993 31.80 33.40 32.99 32.54 31.04 35.01
    2006年 Year 2006 31.77 33.13 32.59 32.06 29.52 34.96
    变化幅度
    Range of change
    −0.09 −0.81 − 1.21 − 1.48 − 4.90 − 0.14
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    表  3  不同植被类型与恢复年限对土壤物理性质影响的方差分析

    Table  3.   Variance analysis on the effects of different vegetation types and recovery years on soil physical properties

    土壤物理性质
    Soil physical property
    土层深度
    Soil depth/cm
    项目 Item平方和
    Sum of squares
    自由度
    df
    均方
    Mean squares
    F显著性
    Sig.
    土壤密度
    Soil bulk density/
    (g·cm−3
    0 ~ 20 恢复年限 Recovery time 0.158 22 0.007 12.589 0.000
    林分种类 Stand species 0.292 4 0.073 127.755 0.000
    总计 Total 44.103 114
    20 ~ 40 恢复年限 Recovery time 0.047 22 0.000 8.252 0.000
    林分种类 Stand species 0.155 4 0.039 148.384 0.000
    总计 Total 167.235 114
    土壤总孔隙度
    Soil total porosity/%
    0 ~ 20 恢复年限 Recovery time 17.992 22 0.818 31.457 0.000
    林分种类 Stand species 2 186.973 4 546.743 21 029.616 0.000
    总计 Total 374 820.670 113
    20 ~ 40 恢复年限 Recovery time 7.711 22 0.350 11.236 0.000
    林分种类 Stand species 1 980.467 4 495.117 15 872.489 0.000
    总计 Total 243 388.632 113
    土壤毛管孔隙度
    Soil capillary porosity/%
    0 ~ 20 恢复年限 Recovery time 2.834 22 0.129 2.624 0.001
    林分种类 Stand species 2 743.996 4 685.999 13 959.025 0.000
    总计 Total 173 816.589 84
    20 ~ 40 恢复年限 Recovery time 4.579 22 0.208 14.364 0.000
    林分种类 Stand species 2 864.019 4 716.005 49 417.602 0.000
    总计 Total 161 268.871 138
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-25
  • 修回日期:  2019-08-07
  • 网络出版日期:  2020-05-11
  • 刊出日期:  2020-07-01

晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
    基金项目:  国家“十二五”科技支撑计划课题(2015BAD07B03)
    作者简介:

    张恒硕。主要研究方向:土壤退化与生态修复。Email:zhs418473740@bjfu.edu.cn 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: 查同刚,博士,副教授。主要研究方向:土壤退化与生态修复。Email:zhtg73@bjfu.edu.cn 地址:同上

摘要: 目的为评价晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响,并为该地区水土保持林构建提供依据。方法以山西吉县蔡家川小流域的农地为对照,对晋西黄土区5种典型退耕还林林分(包括自然恢复山杨林、刺槐×侧柏人工混交林、油松×刺槐人工混交林、刺槐人工纯林和油松人工纯林)的土壤物理性质进行了连续23年的定位观测。结果(1)所有人工林土壤密度随退耕年限呈现先上升(退耕后前1 ~ 4年)后下降(退耕后4 ~ 23年间)的趋势,在10 ~ 15年下降至一个比初始值更低的值后逐渐趋于平稳;自然恢复林随退耕年限土壤密度呈不断下降趋势,最高下降幅度为11.21%(0 ~ 20 cm土层)。(2)人工林土壤总孔隙度在前10 ~ 15年呈先下降后上升的趋势,自然恢复林土壤总孔隙度随恢复年限上升趋势越来越缓慢,0 ~ 20 cm土层和20 ~ 40 cm土层累积变化率为1.4%和0.6%。(3)5种典型林分的毛管孔隙度均随退耕年限增加呈上升趋势,其中人工林内20 ~ 40 cm土壤层的毛管孔隙度变化大于0 ~ 20 cm土层,自然恢复林0 ~ 20 cm土层和20 ~ 40 cm土层的累积变化率分别为2.5%和1.5%左右。结论退耕年限对土壤物理性质影响显著(P < 0.05),4种人工林中土壤物理性质的变化主要发生在退耕后的前10 ~ 15年内,其中刺槐×侧柏混交林对土壤物理性质的改良效果更明显,建议该地区人工林恢复类型应以刺槐×侧柏混交林为主。

English Abstract

张恒硕, 查同刚, 张晓霞. 晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
引用本文: 张恒硕, 查同刚, 张晓霞. 晋西黄土区退耕年限对土壤物理性质的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
Zhang Hengshuo, Zha Tonggang, Zhang Xiaoxia. Effects of converting years from farmland to forestland on soil physical properties in the loess area of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
Citation: Zhang Hengshuo, Zha Tonggang, Zhang Xiaoxia. Effects of converting years from farmland to forestland on soil physical properties in the loess area of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(6): 123-133. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190087
  • 长期以来,由于盲目毁林开垦和进行陡坡地、沙化地耕种等其他人为因素,造成了我国严重的水土流失和自然灾害频频发生,使我国的经济、生态安全受到严重的威胁,因此我国实行退耕还林政策,自该政策实施几十年以来,退耕林地植被对改善土壤的理化性质、减少水土流失、提高土壤保水保肥能力、提升植被覆盖度等方面发挥了极其重要的作用[1-3]。其中土壤物理性质的改变,是评价退耕还林措施及其生态效益的重要内容之一。土壤理化性质主要包括土壤密度、质地、孔隙度和有机质含量等[4],且土壤密度是土壤最重要的物理性质之一,不仅可以有效地指示土壤生产力和土壤质量,还能准确地显示土壤物理性状的整体状况,研究表明,土壤密度的变化不仅与土壤孔隙度、土壤机械组成以及有机质的含量有关,还与林分类型密切相关。土壤密度可较好地反应出土壤的入渗性能、透气性、溶质迁移潜力和持水能力等[5-8]。因此在研究土壤密度变化的同时来研究土壤孔隙度、土壤机械组成与有机质的变化与林分类型是必不可少的。植被通过改变土壤的物质组成与性质促进退化土壤理化性质的恢复,如增加地表凋落物和地下根系活动,提高土壤孔隙度以及有机质的输入,从而显著降低土壤密度,增强团聚体稳定性,改善土壤持水能力和入渗性能,从而改善土壤综合理化性质[9]

    地处内陆腹地的黄土高原是中国最大的黄土沉淀区,由于其特殊的自然环境,黄土高原也是中国乃至世界上水土流失最严重的地区之一[10]。尤其是晋西黄土区由于长期以来的植被退化,以及严重的土壤侵蚀造成的养分与土壤的流失,都使该地区的土壤理化性质严重退化,比如土壤密度的增加、土壤孔隙度的减小、团聚体稳定性的降低和土壤持水能力的下降[11-12]。因此,作为能防治土壤退化和控制水土流失的有效调整措施,退耕还林被作为晋西黄土地区恢复植被和改善土壤性质的最主要措施。已有大量研究表明,退耕还林还后一段时间内受植被的类型、覆盖度、枯枝落叶的积累、土壤生物以及根系的活动影响,土壤理化性质有所改善,且水土流失也得到了有效的控制[13-14],如李永涛等[15]对滨海地区不同怪柳人工林的研究表明,植被随恢复年限的增长,土壤密度和孔隙度得到很大改善,土壤的通气和透水能力明显提高。罗海波等[16]对喀斯特山区退耕还林区连续3年的定位、半定位观测研究表明,退耕还林后土壤养分流失减少,土壤密度降低,土壤理化性质改善,土壤侵蚀作用下降。何艳等[17]对重庆合川区7种不同退耕还林树种的研究表明,不同退耕林地的土壤密度均小于对照农地,土壤孔隙状况得到改善,土壤结构整体有所提升。但应指出,大部分对于土壤物理性质的研究仅限于退耕还林地初始几年内的变化,或者以空间代时间的方法研究人工林的长期变化,很少有对恢复超过10年以上的退耕林地的连续观测,特别是对于各退耕林同一地点的长期连续定位观测以及对其连续变化过程的研究极其少有,因此我们以晋西黄土地区恢复23年的人工林为研究对象,对该地区各人工林土壤物理性质进行多年长期连续定位观测,评价晋西黄土地区退耕还林23年后人工造林对该地区土壤物理性质的影响以及所贡献的生态效益,为晋西黄土区的植被恢复与影响提供合理依据。

    • 研究区位于山西省临汾市吉县国家级森林生态定位站(110°27′ ~ 110°08′E,35°53′ ~ 36°21′N),海拔在900 ~ 1 513 m之间。该地区地貌类型为典型的黄土残垣、粱峁侵蚀地形,其广泛分布的土壤类型为褐土,黄土母质,土层较厚且土质较为均匀。区域气候为温带大陆性气候,年平均气温10 ℃,日照时间年均2 563.8 h,年降水量变化起伏较大,且降雨季节分配不均匀,多年平均降水量为575.9 mm,其中6—10月雨季降水量达全年降水量的70%左右。山西吉县自1992年中日治山项目开始实施退耕还林[18],林草覆盖面积显著增加,水土流失逐步缓解,生态环境得到了明显的改善。退耕还林以来形成的自然恢复林主要树种有辽东栎(Quercus liaotungensis)、山杨(Populus davidiana)等,人工纯林有刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabuliformis)、侧柏(Platycladus orientalis)等,人工混交林有油松 × 刺槐、刺槐 × 侧柏、侧柏 × 油松等。林下植被包括黄刺玫(Rosa xanthina)、连翘(Forsythia suspensa)、绣线菊(Spiraea salicifolia)沙棘(Hipophaer hamnoides)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、狗尾草(Setaria viridis)、茜草(Rubia cordifolia)等。农地为人工种植的玉米(Zea mays)为主。

    • 在该国家生态定位站的长期定位观测样地中,选取海拔、坡度、坡向相似,且在1992年之前均为农耕地的退耕林地,包括以山杨为主的自然恢复林(NP),刺槐人工林(RP),油松人工林(PP),油松×刺槐混交林(PRP),刺槐×侧柏混交林(RPP),且均以每年的农耕地(cultivated lands,CK)土壤物理性质为对照(该区域农耕地以广种薄收方式进行,人为干扰较少,且数据显示农耕地的土壤物理性质基本保持不变),自2003年始在不同林地和耕地内各布设3个20 m × 20 m的样方为研究样地,研究其多年来土壤物理性质的动态变化,并调查各林地样方内的乔木信息,包括林分密度、树高、胸径及郁闭度等。各林地基本信息(2003年调查数据)见表1

      表 1  林地基本信息

      Table 1.  Basic information of the research sites

      序号 No.植被类型 Vegetation type海拔
      Altitude/m
      坡度 Slope degree/(°)坡向 Slope aspect/(°)密度/(株·hm−2) Density/(plant·ha−1胸径
      DBH/cm
      树高
      Tree height/m
      郁闭度
      Canopy density
      1RP1 19518NE321 38612.88.50.84
      2PP1 23413NE371 6509.46.50.78
      3PRP1 12615NE151 100 × 6007.9 × 8.86.60.87
      4RPP1 23212NE20830 × 75010.1 × 6.25.20.82
      5NP1 15819NE451 5308.77.30.92
      6CK1 15410NE2273 5803.42.40.84
      注:RP.刺槐人工林; PP.油松人工林; PRP.油松×刺槐混交林; RPP.刺槐×侧柏混交林; NP.自然恢复的山杨林; CK.耕地。NE.东北方向。下同。树高和胸径为平均值,耕地的郁闭度为玉米农作物的冠层覆盖度。Notes: RP, Robinia pseudoacacia plantation; PP, Pinus tabuliformis plantation; PRP, Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia plantation; RPP, Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis plantation; NP, natural recovery Populus davidiana; CK, cultivated lands. NE, northeast aspect. The same below. Tree height and DBH are the average values, and the canopy density of cultivated land is the canopy coverage of corn crops.

      本文中1993—2002年间各林分与农地的土壤物理性质数据来源于朱金兆、魏天兴、张建军[19-20]等在该流域调查的结果数据,部分数据有缺失(1999年PRP土壤物理性质与2000年RP土壤物理性质数据缺失)。而自2003年开始在各林分内分别布设3个长期定位连续观测样地,每年7—8月在各样地内,采用随机布点的方式按0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm分层采集分析样品测定土壤有机质和机械组成,和环刀样品个测定土壤密度和孔隙度(每个样地的每层土壤随机各取3个重复分析样品和环刀样品)。至2016年止从6种植被类型中共获得504个分析样和1 008个环刀样用于实验分析。

    • 环刀样当天取回立即在室内做吸水实验,采用环刀法测定土壤密度、吸水法测土壤总孔隙度与毛管孔隙度[21]。分析样每个点至少取1 kg装入塑封袋取回室内,经风干过筛后密封保存,采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质含量[22],联合使用筛分法与吸管法测定土壤机械组成[23],其中土壤机械组成的粒级采用国际制划分。

    • 用EXCEL 2013软件进行数据整理,通过SPSS24.0的双因素方差分析(ANOVA),其中以植被类型和恢复年限为自变量,以不同层次土壤的物理性质(包括土壤密度、土壤孔隙度和土壤毛管孔隙度)为因变量,检验不同植被类型以及恢复年限对土壤物理性质影响的差异性(P < 0.05),土壤物理性质连续变化趋势以及有机质含量特征采用Origin9.0绘图显示。

    • 土壤密度是土壤最基本的物理性质,综合反映了土壤质地、孔隙状况、松紧程度和保蓄性等,对土壤的透气性、入渗性能、持水能力以及土壤的抗侵蚀能力均有非常大的影响[24]。已知在研究区内农地土壤物理性质(土壤密度、总孔隙度和毛管孔隙度)基本保持不变,因此以各林分与农地的密度差值与当年农地密度数值的比值作该林地的累积变化率,并以农地上一年与当年的密度差值与当年的密度值的比值作为农地的累积变化率,对各林分样地内土壤调查研究结果如图1所示,通过对不同人工林23年间的变化趋势以及累积变化率分析可知,不同人工纯林(RP,PP)、人工混交林(PRP,RPP)、自然恢复林(NP)0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm土壤层的密度在23年间整体上呈现出明显下降趋势,且不同林分下降幅度与下降时间段不尽相同,其中密度累积变化率最大为−11.21%(NP,0 ~ 20 cm)和9.02%(PP,0 ~ 20 cm),图中可明显看到自然恢复林变化幅度大于人工林,0 ~ 20 cm层变化幅度大于20 ~ 40 cm层,且各人工林20 ~ 40 cm层土壤密度累积变化率均下降2%左右,而不同人工林0 ~ 20 cm层土壤密度累积变化率有所差异,其中以油松纯林和刺槐×侧柏混交林0 ~ 20 cm层土壤密度的下降幅度最大累积变化率分别为− 9.02%(PP)和− 7.44%(RPP)。所有人工林在前3年内的土壤密度累积变化率都为正值且不断变大,然后在3 ~ 10年间有明显下降的趋势,在10 ~ 23年间人工纯林与人工混交林0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm土壤层密度累积变化率处于平稳状态,无上升或下降趋势且均为负值,各人工林0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm土壤层密度数值分别稳定在1.1 g/cm3与1.2 g/cm3左右。自然恢复林(NP)在1 ~ 23年间不同层次土壤密度值则随时间变化呈缓慢下降的趋势,并且这种下降的趋势可能依旧持续下去。农地(CK)0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm层土壤密度在1 ~ 23年间基本无明显变化趋势,密度累积变化率在0上下波动变化。从以上分析结果可得,人工林的土壤密度整体呈先上升,后下降再趋于平稳的一个过程,综合其原因,土壤密度在前期上升可能是由于造林期间整地与土壤压实作用,同时前期人工林的根系活动不频繁造成的,之后下降的原因可能是由于植被根系活动以及微生物活动加强,同时土壤枯落物等有机质增加以及土壤团聚体作用也改能善土壤的物理性质。人工林在退耕10年后土壤密度不再有继续减小的趋势,密度值趋于平稳,说明人工林对土壤密度的改良作用具有一定的时限性与局限性。

      图  1  恢复年限对土壤密度的影响

      Figure 1.  Effects of recovery time on soil bulk density

    • 土壤孔隙度是自然状态下单位容积的土体内孔隙所占的百分比,孔隙度的大小、数量及分配是土壤物理性质的基础, 并对土壤肥力的发挥和通气透水性有直接影响, 是评价土壤结构特征的重要指标[25-26]。植被通过根系活动及其分泌物质来增加土壤的孔隙度,从而显著降低土壤密度,如图2,根据总孔隙度累积变化率可知,各人工林与自然恢复林以及农地的总孔隙度变化幅度均未超过 ± 3%,且人工林累积变化率在退耕还林初始3年内为负值并不断下降,在3 ~ 10年间土壤总孔隙度累积变化率开始缓慢上升,且在恢复10年以后开始趋于平稳,基本维持在1% ~ 2%之间,人工混交林与人工纯林总体变化趋势依然相似,但是人工纯林不同土壤层总孔隙度累积变化率自退耕还林10年后不再有上升或下降趋势,人工混交林0 ~ 20 cm土壤层自退耕还林15年左右总孔隙度数值趋于平稳,而20 ~ 40 cm层土壤总孔隙度自耕还林10年左右数值趋于平稳,且累积变化率均在1.5%左右,所有人工林之间土壤总孔隙度变化幅度差别不大;NP在23年间土壤总孔隙度累积变化率呈缓慢上升趋势,前期上升幅度大于后期,且截止到研究日期为止未出现上升趋势停止的现象。对应土壤密度的变化规律,我们可以知道,土壤总孔隙度的变化是导致土壤密度变化的一个重要因素。因此退耕还林措施前期对土壤总孔隙度的增加有促进作用,而后期对土壤总孔隙度的影响作用不明显。

      图  2  恢复年限对土壤总孔隙度的影响

      Figure 2.  Effects of recovery time on soil total porosity

    • 土壤持水能力是评价土壤涵养水源的一个重要指标, 在一定土壤深度下, 土壤的持水性能取决于土壤的毛管持水量, 它能较好地反映土壤保水、持水、供水的能力[27]。土壤的水分状况影响着植被生长发育的全部阶段,因此毛管孔隙度常作为评价一个林分持水能力的重要指标之一。如图3所示,人工林PP的0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm土壤层的毛管孔隙度要明显低于其他3种人工林分和自然恢复林,而PP的总孔隙度与其他人工林差别不大,甚至略高于RP,这是由于土壤的机械组成不同造成的,PP的土壤颗粒较大,非毛管孔隙度高于其他人工林分;我们对各人工林、天然恢复林以及农地1 ~ 23年间不同层次土壤毛管孔隙度累积变化率分析可知,各人工林分0 ~ 20 cm土壤层的毛管孔隙度累积变化幅度均小于20 ~ 40 cm土壤层,0 ~ 20 cm层土壤毛管孔隙度累积变化幅度基本未超过1%,可视为不变或变化不大,而20 ~ 40 cm土壤层毛管孔隙度变化幅度呈缓慢上升趋势,且变化幅度为0 ~ 20 cm土壤层的两倍以上。因此可得知土壤毛管孔隙度的变化在垂直分布上是自下而上的,且所有人工林中20 ~ 40 cm层土壤毛管孔隙累积变化率最大的为RP(2.11%)与RPP(2.12%);自然恢复林(NP)0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm土壤层都有缓慢上升趋势,且1 ~ 10年间0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm土壤层毛管孔隙度累积变化率(2.13%、1.01%)大于10 ~ 23年的累积变化率(1.4%、0.57%),可知自然恢复林土壤毛管孔隙度的变化速率随时间变化而减缓。由以上结果可知,人工林对深层次的土壤毛管孔隙度的影响先于且大于浅层土壤,可认为20 ~ 40 cm层土壤持水与保水能力的提升要大于0 ~ 20 cm层土壤。

      图  3  恢复年限对土壤毛管孔隙度的影响

      Figure 3.  Effects of recovery time on soil capillary porosity

    • 土壤机械组成是土壤稳定的自然属性之一,影响土壤水分特性、土壤肥力状况以及土壤侵蚀等,是重要的土壤物理特性[28-30]。良好的土壤结构不仅有利于土壤团聚体的形成,而且能够降低土壤密度,增加有机质的积累,经前人研究表明,土壤有机质含量与土壤砂粒含量呈负相关,与土壤黏粒和粉粒含量呈正相关[31]。经调查,该地区在退耕还林之前由于长期受到风蚀与降雨侵蚀的影响,土壤中砂粒含量较高而黏粒含量较少,不利于保肥保水以及土壤团聚体的形成。从表2可以看出,PP的土壤黏粒初始含量与现有量明显低于其他人工林与自然林,这是由于PP所在地的地形所导致,坡位靠上且坡度较陡,且多年来的降雨不平衡使得该地土壤黏粒以及有机质的含量低于其他林分土壤,因此PP的毛管孔隙度也相应低于其他林分;自退耕还林以来,从整体上看,0 ~ 20 cm土壤层除了RP与CK的黏粒体积分数有所减小(分别为2.54%和0.93%)之外,其他人工林土壤中黏粒含量都有所增加,其中PP土壤黏粒含量增加最多为2.89%,且所有林分中NP土壤黏粒含量增加幅度(12.87%)远大于各人工林;所有林分的土壤砂粒含量都有不同程度的减小,且NP土壤砂粒含量减少最明显(7.50%);20 ~ 40 cm土壤层除RP外,各林分土壤黏粒含量都有不同程度增加,砂粒含量都有所减小,且NP黏粒含量增加最多(4.02%),砂粒含量减少幅度最大(4.90%)。因此可知人工林以及自然恢复林对林地土壤机械组成有着积极的影响。

      表 2  不同植被下0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm层土壤机械组成变化

      Table 2.  Changes of soil mechanical composition in 0−20 cm and 20−40 cm soil layers under different vegetations %

      组成
      Composition
      土层深度
      Soil depth/cm
      项目
      Item
      RPPPPRPRPPNPCK
      黏粒
      Clay
      0 ~ 20 1993年 Year 1993 16.16 13.85 16.05 15.92 17.48 16.12
      2006年 Year 2006 15.75 14.25 16.15 16.04 19.73 15.97
      变化幅度
      Range of change
      − 2.54 2.89 0.62 0.75 12.87 − 0.93
      20 ~ 40 1993年 Year 1993 15.87 13.56 15.89 15.45 17.43 15.98
      2006年 Year 2006 15.72 13.79 15.94 15.62 18.13 16.04
      变化幅度
      Range of change
      − 0.95 1.70 0.31 1.10 4.02 0.38
      粉粒
      Silk
      0 ~ 20 1993年 Year 1993 52.54 53.25 51.17 51.87 51.98 49.32
      2006年 Year 2006 53.02 53.51 51.80 52.27 52.02 49.49
      变化幅度
      Range of change
      0.91 0.49 1.23 0.77 0.08 0.34
      20 ~ 40 1993年 Year 1993 52.33 53.04 51.12 52.01 51.53 49.01
      2006年 Year 2006 52.51 53.08 51.47 52.32 52.35 49.00
      变化幅度
      Range of change
      0.34 0.08 0.68 0.60 1.59 − 0.02
      砂粒
      Sand
      0 ~ 20 1993年 Year 1993 31.30 32.90 32.78 32.21 30.54 34.56
      2006年 Year 2006 31.23 32.24 32.05 31.69 28.25 34.54
      变化幅度
      Range of change
      − 0.22 − 2.01 − 2.23 − 1.61 − 7.50 − 0.06
      20 ~ 40 1993年 Year 1993 31.80 33.40 32.99 32.54 31.04 35.01
      2006年 Year 2006 31.77 33.13 32.59 32.06 29.52 34.96
      变化幅度
      Range of change
      −0.09 −0.81 − 1.21 − 1.48 − 4.90 − 0.14
    • 采用双因素方差分析(ANOVA)的方法对不同植被类型下的3项土壤物理性质(土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度)进行显著性检验,如表3所示,不同植被类型以及恢复年限对0 ~ 20 cm与20 ~ 40 cm层土壤物理性质的影响差异显著(P < 0.05)。由此可知,在退耕还林23年间,不同林分对土壤物理性质均有显著影响,但在影响程度上差异性也较大(P < 0.05)。

      表 3  不同植被类型与恢复年限对土壤物理性质影响的方差分析

      Table 3.  Variance analysis on the effects of different vegetation types and recovery years on soil physical properties

      土壤物理性质
      Soil physical property
      土层深度
      Soil depth/cm
      项目 Item平方和
      Sum of squares
      自由度
      df
      均方
      Mean squares
      F显著性
      Sig.
      土壤密度
      Soil bulk density/
      (g·cm−3
      0 ~ 20 恢复年限 Recovery time 0.158 22 0.007 12.589 0.000
      林分种类 Stand species 0.292 4 0.073 127.755 0.000
      总计 Total 44.103 114
      20 ~ 40 恢复年限 Recovery time 0.047 22 0.000 8.252 0.000
      林分种类 Stand species 0.155 4 0.039 148.384 0.000
      总计 Total 167.235 114
      土壤总孔隙度
      Soil total porosity/%
      0 ~ 20 恢复年限 Recovery time 17.992 22 0.818 31.457 0.000
      林分种类 Stand species 2 186.973 4 546.743 21 029.616 0.000
      总计 Total 374 820.670 113
      20 ~ 40 恢复年限 Recovery time 7.711 22 0.350 11.236 0.000
      林分种类 Stand species 1 980.467 4 495.117 15 872.489 0.000
      总计 Total 243 388.632 113
      土壤毛管孔隙度
      Soil capillary porosity/%
      0 ~ 20 恢复年限 Recovery time 2.834 22 0.129 2.624 0.001
      林分种类 Stand species 2 743.996 4 685.999 13 959.025 0.000
      总计 Total 173 816.589 84
      20 ~ 40 恢复年限 Recovery time 4.579 22 0.208 14.364 0.000
      林分种类 Stand species 2 864.019 4 716.005 49 417.602 0.000
      总计 Total 161 268.871 138
    • 通过双因素方差分析得出,在退耕还林23年间不同林分对土壤物理性质产生显著影响(P < 0.05),且5种不同林分类型对不同层次的土壤物理性质(包括土壤密度、总孔隙度和毛管孔隙度)的影响差异性显著(P < 0.05),究其原因,在对于各人工林与自然恢复林土壤物理性质的23年连续观测中可看出,各人工林土壤密度在退耕还林后呈先略微增加后降低的趋势,土壤总孔隙度反之,排除造林期间的人为影响,在退耕还林后的10~15年间人工林在降低土壤密度、增加土壤孔隙度、提升土壤透气性、入渗性、增加土壤持水与保水能力等方面发挥了重要作用,这与其他人在黄土高原的研究结果相同[32-35]。且不同的人工林对林地土壤的影响程度也有所差异,其中以油松纯林和刺槐×侧柏混交林对0 ~ 20 cm层土壤的改良效果最为明显,刺槐×侧柏混交林是由于腐殖质层较厚,加上微生物的频繁活动,使得土壤孔隙数量多,土壤密度较低[36]。油松纯林土壤密度显著降低是由于其土壤水稳性团聚体较高,抗蚀性较强,受到雨水冲刷带走土壤细粒的影响较小[37]。但是退耕还林之后的10 ~ 23年间,各人工林0 ~ 20 cm土壤层与20 ~ 40 cm土壤层土壤密度与孔隙度均未发生明显改变,而自然恢复林的土壤密度有持续减小的趋势,土壤物理性质得到持续改善,且对各林分土壤机械组成的分析结果可知,自然恢复林不同土壤层中黏粒的数量要稍微高于人工林与农地,且其黏粒的体积分数在23年间增加幅度也最大。张晓霞等[38]对山西吉县蔡家川流域对天然林和人工林216个分析土样的有机质和黏粒分别与土壤密度、总孔隙度和毛管孔隙度3种土壤物理性质进行了线性拟合,结果表明有机质和黏粒的增加与以上3种土壤物理性质的相关性均达到了极显著水平。因此可以认为土壤有机质和黏粒的增加是土壤密度减小的原因之一,由于已知各林分黏粒的变化情况为自然恢复林的增加幅度远大于人工林和农地,因此关于需要我们对各林分有机质的变化情况做进一步调查。

      已大量研究表明,土壤有机质是土壤的重要组成部分,是植物必需营养元素的主要来源,促进植物和微生物的生理活性,增加土壤的蓄水、保水和保肥能力,促进土壤良好结构的形成等方面均起着极其重要的作用[39],且林地中土壤有机质的增加被认为是退耕还林改善黄土地区土壤物理性质的主要原因[40-42],如图4所示,自然恢复林有机质含量的增加远大于人工林和农地,且其原有的有机质含量基数也大于人工林和农地,而对于该地区人工林特别是人工纯林来说,退耕还林23年间有机质的低量增加对土壤密度以及土壤结构的作用及时效性十分有限,相较于退耕前,人工林在退耕前期土壤中有机质含量的积累速度明显加快,且在积累到一定程度后达到相对稳定状态,但不排除人工林中土壤有机质含量经过更长时间的积累,量变达到质变后会对密度等土壤物理性质产生进一步的影响。因此我们认为土壤中有机质的含量变化是造成林分对土壤物理性质改变的主要原因。

      图  4  不同植被类型下土壤有机质变化幅度

      Figure 4.  Changing range of soil organic matter under different vegetation types

    • 为评价退耕年限对土壤物理性质的影响,以农地为对照,对晋西黄土区5种典型退耕还林林分(包括自然恢复山杨林、刺槐 × 侧柏人工混交林、油松 × 刺槐人工混交林、刺槐人工纯林和油松人工纯林)的土壤物理性质进行了连续23年的定位观测,结果表明:

      (1)人工林土壤密度随退耕年限呈现先上升后下降的趋势,在10 ~ 15年下降至一个比初始值更低的值后逐渐趋于平稳;自然恢复林随退耕年限土壤密度呈不断下降趋势,密度最高下降幅度为11.21%(0 ~ 20 cm土层)。

      (2)人工林土壤总孔隙度在前10 ~ 15年呈先下降后上升的趋势,自然恢复林土壤总孔隙度随恢复年限上升趋势越来越缓慢,0 ~ 20 cm土层和20 ~ 40 cm土层累积变化率为1.4%和0.6%。

      (3)5种典型林分的毛管孔隙度均呈上升趋势,其中人工林内20 ~ 40 cm土壤层的毛管孔隙度变化大于0 ~ 20 cm层,自然恢复林0 ~ 20 cm土层和20 ~ 40 cm土层的累积变化率分别为2.5%和1.5%左右。

      (4)退耕年限对土壤物理性质影响显著(P < 0.05)。4种人工林对土壤物理性质的影响集中在前10 ~ 15年,其中刺槐×侧柏混交林对土壤物理性质的改良效果更明显,建议该地区人工林恢复类型应以刺槐侧柏混交林为主。

参考文献 (42)

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