晉西黃土區(qū)長期人工林恢復(fù)對(duì)土壤水分和養(yǎng)分性質(zhì)的影響

熊瑛楠, 馮天驕, 王 平, 吳旭東

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

由于自然因素和人類活動(dòng)的綜合影響，黃土高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境十分脆弱，水土流失嚴(yán)重，風(fēng)沙危害頻繁，是我國乃至世界范圍內(nèi)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。晉西黃土區(qū)長期以來遭受嚴(yán)重的水土流失、土壤侵蝕和植被退化等問題，為了改善生態(tài)環(huán)境，防治土壤侵蝕，解決植被退化問題，該區(qū)開展了大規(guī)模的植被恢復(fù)措施，營造了大面積的人工林。植被恢復(fù)可以有效減少土壤侵蝕和提高土壤質(zhì)量，是治理黃土高原水土流失的有效生物措施，也是我國重大的生態(tài)工程，在黃土高原水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中占據(jù)重要地位。植被在恢復(fù)過程中與土壤相互作用，通過地表凋落物以及地下根系部分的影響，改善土壤的物理性狀，增加土壤生物的生物量及活性。這個(gè)過程必然導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、水分及養(yǎng)分特征等理化性質(zhì)產(chǎn)生變化，因此，不同植被類型的土壤理化特性具有顯著差異性。同時(shí)，隨著植被恢復(fù)進(jìn)程的推進(jìn)，通過一系列次生演替階段所形成的次生林也具有重要的生態(tài)保護(hù)作用，研究次生林和人工林條件下的土壤屬性變異，對(duì)于優(yōu)化黃土高原植被恢復(fù)措施和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。

近幾年，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同植被類型下的土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分特征進(jìn)行了大量研究。首先，已有相關(guān)研究表明植了被類型對(duì)土壤性質(zhì)的改良和影響。例如，蔡楚雄等在科爾沁沙地南緣研究了不同植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良作用表明，相比裸沙地，植被能明顯改善當(dāng)?shù)赝寥牢锢硇再|(zhì)；張曉霞等研究了晉西黃土區(qū)退耕22年后形成的3種典型喬木林分的土壤物理性質(zhì)變化，指出自然恢復(fù)林對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響大于人工林。同時(shí)，對(duì)于不同植被類型下的水分特征也有相關(guān)研究。李航等研究了不同植被類型條件下土壤的有效水和持水能力，證明了刺槐林的有效水分和土壤持水能力都較低；袁杰等對(duì)高寒區(qū)不同植被類型枯落物和土壤持水性能進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，土壤各理化指標(biāo)都不同程度地影響了各植被類型的持水性能，其中土壤容重和砂含量粒越大，相應(yīng)的土壤持水能力越差，土壤粉砂、黏粒含量、總孔隙度及有機(jī)碳含量越大，相應(yīng)的土壤持水能力越好。另外，植被恢復(fù)對(duì)不同土層土壤性質(zhì)的影響差異顯著。萬雪琴對(duì)植被恢復(fù)后改土效應(yīng)的研究表明，不同的植被恢復(fù)模式下土壤有機(jī)碳增加的速度和在土壤不同深度的分布有較大差異，有機(jī)碳主要集中分布在表層土中，而土壤全氮含量表現(xiàn)為土壤上層大于下層；田寧寧等在晉西黃土區(qū)對(duì)土壤養(yǎng)分和根系密度進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，3種水土保持林地土壤養(yǎng)分和植物根系密度密切相關(guān)：土壤有機(jī)碳和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與根系密度變化趨勢(shì)一致，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與根系密度變化趨勢(shì)不明顯。關(guān)于植被恢復(fù)過程中土壤水分的時(shí)空變化規(guī)律，也受研究者廣泛關(guān)注。曹奇光選擇了3種人工林純林及其混交林，通過分析比較各林地的土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，得出混交林比純林更能夠充分利用土壤水分的結(jié)論。王國梁等測(cè)量了不同土地利用方式下500—1 000 cm土層間的土壤水分后發(fā)現(xiàn)，平均含水率呈農(nóng)田>草地>灌木林>林地的趨勢(shì)；鄒俊亮對(duì)黃土高原小流域植被恢復(fù)過程中土壤水分變化的研究表明，土壤水分在不同土壤類型下的垂直分布特征具有明顯差異，同一土壤類型下的土壤水分受植被類型的影響顯著，且植被類型的不同對(duì)表層土壤水分狀況影響較小，而對(duì)深層土壤水分的影響較顯著。最后，關(guān)于不同植被條件下的土壤綜合分析相對(duì)較少，焦菊英等研究了黃土丘陵溝壑區(qū)不同恢復(fù)方式下植被群落的土壤水分和養(yǎng)分特征指出，封禁自然恢復(fù)植物群落的土壤水分、養(yǎng)分含量高于人工林地，且無管理下的自然恢復(fù)植物群落及農(nóng)田土壤水分和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而土壤有機(jī)碳、全氮、有效氮、全磷和速效鉀含量較低。

植被能夠改善土壤理化性質(zhì)，且不同植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分的改良效果不同。目前，黃土高原典型森林生態(tài)系統(tǒng)在次生林和人工林類型條件下，植被對(duì)土壤物理性質(zhì)、土壤水分和養(yǎng)分特征的綜合比較和分析的研究還不夠深入。為了解決這一問題，本研究選擇晉西黃土區(qū)的典型小流域，選取自然恢復(fù)的次生林、人工刺槐林、人工油松林為研究對(duì)象，采用EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)土壤水分，采集土樣，對(duì)土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分進(jìn)行測(cè)定，分析比較不同植被類型下的土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分變化，探討植被對(duì)土壤質(zhì)量的綜合影響，以選出林下土壤水養(yǎng)條件較好的植被類型，為晉西黃土區(qū)等半干旱地區(qū)未來植被恢復(fù)樹種的選擇和可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(110°27′—111°07′E，35°53′—36°21′N)位于黃河中游黃土高原東南部半濕潤地區(qū)的山西省臨汾市，屬黃土高原殘塬溝壑區(qū)和梁峁丘陵溝壑區(qū)。森林植物地帶屬于暖溫帶半濕潤地區(qū)，褐土，落葉闊葉林。根據(jù)吉縣氣象站觀測(cè)資料，多年平均年降水量為579.1 mm，其中最大年降水量達(dá)828.9 mm(1956年)，最小年降水量277.7 mm(1997年)，最大降水變率為43.11%，6—9月降水量一般占全年降水量的70%，年平均蒸發(fā)量1 729 mm。多年平均氣溫9.9 ℃，絕對(duì)最高氣溫38.1 ℃，絕對(duì)最低氣溫-20.4 ℃，≥10 ℃的積溫3 358 ℃。光照充足，多年平均光照時(shí)間為2 563.8 h，平均無霜期為172天。

吉縣地勢(shì)呈東高西低傾斜，海拔440～1 820 m，黃河河谷最低。大部分地形為典型黃土高原侵蝕地形。土壤類型為褐土，可分為3個(gè)亞類：丘陵褐土、普通褐土和淋溶褐土。由于嚴(yán)重的水土流失，原始土壤已極少存在，目前所見到的土壤基本上是黃土母質(zhì)本身。黃土斜坡、梁頂、塬面等為第三系紅土和第四系黃土組成，厚度十米至數(shù)十米，溝底為淤積黃土母質(zhì)；溝坡坡腳為塌積黃土母質(zhì)，底層?；煊屑t膠土母質(zhì)。

山西吉縣屬暖溫帶褐土闊葉林地帶向森林草原地帶的過渡地帶。常見的木本植物有194種，分屬49科；草本植物180種，分屬44種(不包括農(nóng)作物)。天然次生植被主要有遼東櫟(K.)、槲櫟(B.)、山楊(D.)、白樺(S.)、旱柳(K.)等。人工植被主要有油松(C.)、刺槐(L.)、山楊(D.)、側(cè)柏(L.)、白榆(L.)等。農(nóng)作物以玉米、小麥、谷子、豆類為主。人工營造的水土保持防護(hù)林主要以刺槐、油松、側(cè)柏等樹種形成的純林及各種類型的混交林。下層灌木有沙棘(L.)、胡枝子(T.)、三裂繡線菊(L.)等灌木及白草(G.)等，荒草坡有蒿類(L.)、枸杞(M.)、黃刺梅(L.)等。

1.2 研究方法

在對(duì)研究流域植被進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上選擇有代表性的次生林地、刺槐林地、油松林地為觀測(cè)樣地，特別注意采樣地點(diǎn)選擇與樣品采集的合理性。在當(dāng)?shù)馗鶕?jù)地形、林齡和植被類型選擇具有典型代表性的區(qū)域作為采樣地點(diǎn)，分別在3種植被類型樣地下分散隨機(jī)選擇3～5處采樣點(diǎn)，以達(dá)到科學(xué)合理、隨機(jī)、代表性和典型性強(qiáng)的取樣方式。對(duì)不同植被類型下的土壤理化指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。各樣地的實(shí)際尺寸、具體情況、植被狀況、地理信息見表1。

表1 樣地基本概況

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與測(cè)定 土壤水分監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集方法：在3種林地0—100 cm土層內(nèi)埋設(shè)EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由1個(gè)探測(cè)管、5個(gè)土壤水分探頭、1個(gè)CR200數(shù)據(jù)收集器和1組電瓶組成。5個(gè)土壤水分探頭在0—100 cm土層內(nèi)每隔20 cm布設(shè)1個(gè)，以每30 min監(jiān)測(cè)1次的頻度對(duì)次生林地、刺槐林地、油松林地的土壤水分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些土壤水分探頭安裝在軌道上后裝入事先布設(shè)在林地的探測(cè)管中，每個(gè)土壤水分探頭與CR200數(shù)據(jù)采集器連接，觀測(cè)數(shù)據(jù)保存在CR200數(shù)據(jù)采集器中，本研究使用的生長季動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是于2019年1—11月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

采用EnviroSMART監(jiān)測(cè)0—100 cm土層中各層的體積含水量的動(dòng)態(tài)變化過程，土壤蓄水量根據(jù)土壤體積含水量與土層厚度計(jì)算，具體計(jì)算公式為：

=·×10100

式中：為土壤蓄水量(mm)；為土層深度(cm)；為土壤體積含水量(%)。

土壤樣品收集與測(cè)定方法：在流域內(nèi)選擇天然次生林、人工刺槐林和人工油松林3種植被類型的典型樣地。在3個(gè)林地內(nèi)分別在坡中位置各設(shè)3個(gè)點(diǎn)取樣，為了保持取樣點(diǎn)的代表性，取樣點(diǎn)的坡向坡度接近，避免因立地條件不同而導(dǎo)致土壤水分差異。在2019年8月中旬進(jìn)行采樣，以盡量不破壞小區(qū)為前提，采取0—100 cm內(nèi)每20 cm土層取樣土壤樣品，每個(gè)土層取3次重復(fù)以表示各林地內(nèi)土壤養(yǎng)分狀況，代表性樣地的取樣方法、時(shí)間、分布位置和處理方法保持一致。具體采樣層次為0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm，用100 cm環(huán)刀在每層中間取原狀土樣，每個(gè)剖面分層采集土樣3個(gè)，每次取樣后用取樣袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)和測(cè)定。其中，有機(jī)碳用油浴加熱消煮—重鉻酸鉀法，全氮采用凱氏蒸餾法測(cè)定，全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法，速效氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用0.5 mol/L的NaHCO溶液浸提—硫酸鉬銻抗混合比色法，速效鉀用醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定。

在2019年8—11月測(cè)定3個(gè)林地的土壤物理性質(zhì)，用環(huán)刀采集原狀土來測(cè)定土壤容重，測(cè)定方法用烘干法，在105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，待冷卻后稱重，計(jì)算土壤容重。土壤機(jī)械組成用濕篩法分析，再計(jì)算出不同粒徑區(qū)間所占的百分比。

1.2.2 處理方法 測(cè)定3種人工林內(nèi)土壤各土層的水分、氮、磷、鉀含量并進(jìn)行化學(xué)計(jì)量分析，利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析法(ANOVA)，采用描述性統(tǒng)計(jì)和方差分析等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)來表示，同一因素不同水平間差異顯著性采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著性水平≤0.05。采用Sigma Plot 10.0、Canoco 5.0、R 4.0.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型長期恢復(fù)條件下的土壤物理性質(zhì)差異

土壤容重可以反映植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改良程度。從表2可以看出，次生林地的容重大于其他林地，隨著土層深度的增加，土壤容重增大，總體表現(xiàn)為表層(0—20 cm)的容重均小于深層(40 cm以下)土層。各林地的土壤機(jī)械組成均為粉粒含量顯著大于砂粒和黏粒。在各植被類型的0—40 cm土層的土壤中，土壤機(jī)械組成的變化基本一致，各林地粉粒含量隨著土層深度的增加而增加，但不顯著，表層0—20 cm土層的砂粒含量高于20—40 cm土層。

表2 不同植被類型條件下各土層的土壤機(jī)械組成

2.2 不同植被類型長期恢復(fù)條件下的土壤水分狀況對(duì)比

從圖1和表3可以看出，不同植被類型條件下土壤的水分狀況的差異顯著，0—100 cm土層中油松林地的平均含水量最高，達(dá)13.46%，蓄水量為134.6 mm；次生林地次之，為13.10%，蓄水量為131.0 mm；刺槐林地平均含水量最低為11.82%，蓄水量為118.2 mm，3種林地在土層深層(40—100 cm)土層蓄水量差異更顯著。

表3 次生林地、刺槐林地、油松林地的土壤含水量

注：不同大寫字母表示同一土層不同植被類型之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一植被類型不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

對(duì)比次生林地、刺槐林地和油松林地各層土壤蓄水量進(jìn)行分析可得，相比次生林地和油松林地，刺槐林地的總土壤蓄水量更低，其中淺層(0—40 cm)次生林地和油松、刺槐林地該段土層蓄水量分別為54.0，46.6，50.0 mm；而60—100 cm土層的蓄水量比較為油松(57.4 mm)>次生林(50.6 mm)>刺槐(46.4 mm)?？傮w而言，次生林和油松林地的土壤蓄水量優(yōu)于刺槐林地。

2.3 不同植被類型長期恢復(fù)條件下的土壤水分時(shí)空變化規(guī)律

2.3.1 土壤水分垂直變化規(guī)律 圖2為次生林地、刺槐林地、油松林地0—100 cm土層中平均含水量隨土層深度的變化。從整體上看，在0—40 cm土層范圍3個(gè)林地的土壤含水率表現(xiàn)為次生林地>油松林地>刺槐林地；隨著土層深度的增加，在40—100 cm土層范圍3個(gè)林地的土壤含水率卻表現(xiàn)為油松林地>次生林地>刺槐林地。即在土壤淺層次生林地含水量最高，刺槐林地含水量始終最低，而在較深的土層處油松林地含水量最高。隨著土層深度的變化，次生林地、刺槐林地、油松林地在0—20 cm至20—40 cm土層的土壤含水量變化波動(dòng)最大，結(jié)果均表明在不同植被條件下0—100 cm土層中土壤水分的變化在淺層相對(duì)劇烈。

圖2 不同植被類型條件下土壤含水量隨土層深度的變化

在次生林地土壤剖面上0—100 cm土層的含水量的變化趨勢(shì)為隨土層深度的增加先增大再減小，0—40 cm土層范圍隨土層深度的增加而增大，40—100 cm土層范圍隨土層深度的增加而減小。

刺槐林地0—100 cm土層的含水量隨土層深度的增加先增加再減小，與次生林地的變化趨勢(shì)一致。具體表現(xiàn)為在0—40 cm土層的含水量隨土層深度的增加而逐層遞增，40—100 cm土層的含水量隨土層深度的增加而逐層遞減。刺槐林地表層0—20 cm的土壤含水量最低，僅為10.4%；20—40 cm處的土壤含水量為12.9%，是刺槐林地整個(gè)土壤剖面中土壤含水量的最高值。結(jié)合土壤物理性質(zhì)數(shù)據(jù)(表2)，20—40 cm土層容重變小，說明該層土壤孔隙數(shù)量多，保墑能力強(qiáng)，土壤水分狀況較好，故20—40 cm土層處土壤含水量高。

油松林地0—100 cm土層含水量變化的總體趨勢(shì)為土壤含水量隨土層深度的增加而增加。表層0—20 cm的土壤含水量最低，僅有11.4%，60—80 cm土層的含水量最高，為14.4%?？赡苁且?yàn)橛退筛抵饕植荚?—60 cm的土層中，植被蒸騰作用消耗水分導(dǎo)致含水量低，油松林地表層土壤含水量低，形成干層，抑制下層水分的蒸發(fā)。

2.3.2 土壤水分時(shí)間變化規(guī)律 圖3為次生林地、刺槐林地、油松林地在1—11月0—100 cm土層含水量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。根據(jù)研究地區(qū)次生林地、刺槐林地、油松林地各月份0—100 cm土壤水分的動(dòng)態(tài)變化可以劃分為土壤水分消耗期、土壤水分積聚期、土壤水分消退期。1—5月為土壤水分消耗期，油松林地的平均含水量為11.7%，高于次生林地和刺槐林地，次生林地和刺槐林地的平均含水量相差不大，1月由于溫度低可能會(huì)出現(xiàn)土壤凍結(jié)現(xiàn)象，因此降水難以補(bǔ)充給土壤，此時(shí)各林地的土壤含水量均為監(jiān)測(cè)期間內(nèi)的最低值。6—7月為土壤水分積聚期，次生林地、刺槐林地和油松林地的土壤平均含水量分別為18.3%，14.6%，17.2%，3種林地的土壤含水量均有所增加，其中次生林地在7月達(dá)到監(jiān)測(cè)期間土壤含水量的最大值(22.8%)，這是由于7月降雨量為124.5 mm，較前幾個(gè)月的降雨量有明顯增大，在一定程度上使土壤水分得到了補(bǔ)償，土壤水分的補(bǔ)給大于消耗，所以土壤含水量不斷增加。8—11月為土壤水分消退期，其中8—9月氣溫較高，蒸散作用較為強(qiáng)烈，降雨補(bǔ)給土壤中的水分小于因蒸散作用消耗掉的土壤水分，此期間次生林地、刺槐林地和油松林地的土壤含水量分別減少1.6%，1.0%，0.2%，次生林地消退最多，油松林地消退最少；10—11月期間降水很少，次生林地、刺槐林地和油松林地的土壤含水量分別維持在12.6%，11.0%和13.2%。

圖3 不同植被類型條件下土壤水分動(dòng)態(tài)變化

2.4 不同植被類型長期恢復(fù)條件對(duì)土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

2.4.1 不同植被類型條件下土壤剖面上養(yǎng)分含量比較 從表4可以看出，在不同植被類型的林地下土壤養(yǎng)分含量有所不同。土壤有機(jī)碳和速效氮含量均為次生林地>油松林地>刺槐林地，有機(jī)碳含量依次為31.436，27.388，22.144 g/kg，速效氮含量依次為12.04，9.83，9.62 mg/kg。全氮含量、全磷含量、速效磷含量均為油松林地>刺槐林地>次生林地，油松林地的全氮、全磷、速效磷含量高于其他林地。全氮含量依次為2.281，1.587，1.400 g/kg，全磷含量依次為2.851，0.655，0.604 g/kg，速效磷含量依次為87.20，61.14，43.7 mg/kg。次生林地、刺槐林地、油松林地的速效鉀含量分別為495.981，486.692，507.180 mg/kg，差異不大。

表4 不同植被類型下土壤剖面養(yǎng)分含量

從圖4還可看出，油松林地全氮和全磷含量分別為2.281，2.851 g/kg，具有較高的氮素供應(yīng)水平，且土壤能為植物吸收的磷量最高，而次生林地的氮素供應(yīng)水平較低；次生林地、刺槐林地和油松林地之間的速效鉀含量差異很?。淮紊值赝寥烙袡C(jī)碳含量最大，為31.436 g/kg，油松林地次之，刺槐林地土壤有機(jī)碳含量最低。

圖4 不同植被類型條件下各土層土壤養(yǎng)分含量比較

2.4.2 不同植被類型條件下的土壤養(yǎng)分隨土層變化規(guī)律 從圖5可以看出，土壤養(yǎng)分在不同植被類型下的垂直分布特征具有明顯差異，但各養(yǎng)分總體上呈波動(dòng)性和表聚性。次生林地的有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、速效氮含量、速效鉀含量均表現(xiàn)為0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm土層，在40—60 cm土層處又增加，即隨著土層深度增加先減小再增加，在0—20 cm土層含量最大；而速效氮的含量始終隨著土層深度增加而減小，在表層0—20 cm土層含量最大，80—100 cm土層含量最?。凰傩Я缀侩S著土層深度增加先增加再減小，在40—60 cm土層含量最大。

圖5 不同植被類型土壤剖面養(yǎng)分隨土層深度的變化

刺槐林地土壤養(yǎng)分隨土層深度的變化趨勢(shì)與次生林地相似。其中，有機(jī)碳含量、全氮含量、速效氮含量均在表層達(dá)到最大值；全磷含量在60—80 cm土層處最大；速效磷在20—40 cm土層處最大；速效鉀含量在80—100 cm土層處達(dá)到最大。

油松林地的有機(jī)碳含量與次生林地、刺槐林地有機(jī)碳含量的垂直分布不一致，次生林地和刺槐林地土壤有機(jī)碳的垂直分布均為隨土層深度增大而遞減，而油松林地0—60 cm土層和60—100 cm土層的有機(jī)碳含量隨土層深度的增加先增加再減小，20—40 cm為整個(gè)土壤剖面上有機(jī)碳含量最高的土層，0—20 cm為整個(gè)土壤剖面上有機(jī)碳含量最低的土層；全氮含量、全磷含量、速效鉀含量在土壤表層含量最大，隨土層深度的增加逐漸減小，其中全磷含量垂直分布的波動(dòng)性大于次生林地和刺槐林地；速效氮含量和速效磷含量隨土層深度的增加先增加再減小，均在20—40 cm的含量最高。

2.5 土壤物理性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相互關(guān)系

以次生林地、刺槐林地和油松林地內(nèi)各土壤物理性質(zhì)與其土壤各養(yǎng)分含量之間進(jìn)行相關(guān)矩陣分析和冗余分析。由圖6和圖7可知，土壤各養(yǎng)分均與土壤容重、粉粒、黏粒分異較大，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤砂粒分布接近。從土壤物理性質(zhì)與土壤養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)來看，土壤容重與有機(jī)碳、全氮、速效磷均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全磷、速效氮呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤黏粒與砂粒、有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān)，與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)，同時(shí)與速效磷呈顯著正相關(guān)；土壤粉粒與砂粒、全氮、全磷、速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)碳、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤砂粒與有機(jī)碳、全氮、全磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)；土壤含水率、土壤蓄水量與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)，其他養(yǎng)分與土壤水分無顯著相關(guān)性。從土壤各養(yǎng)分間的相關(guān)性來看，有機(jī)碳與全氮、速效氮、速效鉀呈極顯著正相關(guān)，全氮與速效氮、速效磷呈極顯著正相關(guān)，同時(shí)，全氮、全磷、速效鉀兩兩間呈極顯著正相關(guān)。

注：BD為土壤容重；CLAY為土壤黏粒；SILT為土壤粉粒；SAND為土壤砂粒；SWC為土壤含水量；SWS為土壤蓄水量；SOC為土壤有機(jī)碳；TN為全氮；TP為全磷；AN為速效氮；AP為速效磷；AK為速效鉀；左下三角形里的數(shù)字表示相應(yīng)變量之間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)(r)，與右上三角形中的橢圓短軸的寬度成正比(寬度越窄，r越大)；深色和淺色分別表示相關(guān)性顯著和不顯著，*和**表示相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.05和0.01水平。

圖7 不同植被類型條件下土壤性質(zhì)冗余分析

3 討 論

3.1 長期植被恢復(fù)條件下土壤物理性質(zhì)的差異

經(jīng)過長期植被恢復(fù)后的土壤地表覆被變化受到植被根系、地表枯落物等的影響，容重、含水量等土壤持水性相關(guān)的物理性質(zhì)較植被恢復(fù)前有一定差異，主要表現(xiàn)為改善土壤結(jié)構(gòu)和持水能力。很多學(xué)者已經(jīng)證明植被可以顯著改變土壤的物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分特征，且不同的植被類型由于其生長方式不同，對(duì)土壤性質(zhì)的影響也不同。本研究對(duì)比長期不同植被恢復(fù)下的土壤容重發(fā)現(xiàn)，次生林地和油松林地0—20 cm表層土壤容重均低于更深層的土壤。如譚學(xué)進(jìn)對(duì)黃土區(qū)延河流域近40年來植被恢復(fù)對(duì)土壤容重等土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的影響研究結(jié)果表明，植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善效應(yīng)隨土層深度的增加而減弱，植被恢復(fù)顯著降低土壤容重，提高土壤孔隙度和>0.25 mm團(tuán)聚體含量。陳建宇對(duì)杉木林下植被生物量與土壤容重關(guān)系的研究表明，林下植被的生長有利于減小土壤容重，且對(duì)降低表層土壤容重的作用較為顯著，增加土壤孔隙度，擴(kuò)大根系的分布深度。所以，植被對(duì)改善土壤容重有重要作用。

3.2 長期植被恢復(fù)條件下土壤水分的差異

本研究對(duì)比了次生林地、刺槐林地、油松林地的土壤水分狀況差異，結(jié)果顯示3種林地在0—100 cm土層的土壤含水量均有顯著差異，次生林地土壤淺層含水量高于刺槐林地和油松林地，且在7—8月隨著降雨量的增加土壤水分開始進(jìn)入積累期，這與趙文智等的研究結(jié)果一致，生長季內(nèi)降水量的大小對(duì)水分補(bǔ)給深度有著顯著的影響，土壤水分的變化主要取決于降水量的變化，同時(shí)降水的季節(jié)分布格局也直接影響不同整地方式土壤水分的動(dòng)態(tài)。本研究對(duì)3種林地土壤水分時(shí)間變化規(guī)律的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，刺槐林地的土壤水分狀況受降水的影響小于次生林地和油松林地，這是因?yàn)榇袒比~片面積大，冠層對(duì)降雨的截留能力強(qiáng)，影響降水的再分配過程。于洋等的研究表明，植被自身的屬性也是影響水分變化的重要因素，通過冠層截留、樹干莖流以及植被蒸騰耗水等水文循環(huán)過程來影響土壤水分的動(dòng)態(tài)變化；Loik等對(duì)旱地生態(tài)系統(tǒng)中植物和土壤微生物群落的土壤水分供應(yīng)的研究說明植被的冠層截留是影響降水進(jìn)入土壤中的第1個(gè)環(huán)節(jié)，喬木冠層能夠截留小的降水事件產(chǎn)生的降水，使喬木的土壤水分動(dòng)態(tài)幾乎不受小降水事件的作用。本研究對(duì)土壤水分在不同植被類型下的垂直分布特征的結(jié)果表明，在土壤淺層次生林地含水量最高，刺槐林地含水量始終最低，而在較深的土層處油松林地含水量最高，這與趙榮瑋等的研究結(jié)果一致。油松林地土壤淺層水分低于次生林地和刺槐林地，可能是因?yàn)橛退傻牡厣现脖桓采w率低，導(dǎo)致表層的蒸散發(fā)大，主要消耗土壤淺層的水分。如李登武等對(duì)油松自毒作用的研究發(fā)現(xiàn)，油松葉的乙酸乙酯提取物會(huì)抑制油松生長，且對(duì)周圍植物產(chǎn)生影響，這樣的情況導(dǎo)致林下缺少植被層覆蓋而增加土壤表面蒸發(fā)；王志強(qiáng)等的研究還表明，在不同植被類型之間，天然植被土壤的干燥化程度小于人工林植被。在本研究中刺槐林地的土壤含水量始終低于次生林地和油松林地，可能是由于刺槐林地的林分密度過高，林地土壤水分得不到補(bǔ)充，導(dǎo)致土壤水分虧缺。這與孫中峰等的研究結(jié)論一致，刺槐林分的土壤水分還受到植被郁閉度、胸徑、林分生產(chǎn)量等因子的影響。

3.3 長期植被恢復(fù)條件下土壤養(yǎng)分的差異

本研究對(duì)比不同植被類型下的土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量發(fā)現(xiàn)，3種林地的容重隨著土層深度的增加而增加，有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而減少，即土壤容重與有機(jī)碳含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤容重過大導(dǎo)致植被根系無法正常生長，從而影響根系吸收土壤中的的營養(yǎng)元素。本研究對(duì)次生林地、刺槐林地和油松林地內(nèi)各土壤物理性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)矩陣分析顯示，土壤容重與各土壤養(yǎng)分的分異較大，均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中土壤容重與有機(jī)碳、全氮、速效磷的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平，遠(yuǎn)高于其他土壤養(yǎng)分。土壤養(yǎng)分含量越高，土壤容重越小，彭文英等的研究支持了這一結(jié)論，即植被恢復(fù)后土壤物理結(jié)構(gòu)得到改善，土壤養(yǎng)分不斷增加，侵蝕破壞的土體剖面構(gòu)型漸趨完整，土壤容重減小。土壤砂粒與有機(jī)碳、全氮、全磷、速效鉀在0.01水平上呈顯著正相關(guān)，說明砂粒含量越高的土壤，越有利于土壤養(yǎng)分的保持。從相關(guān)矩陣分析可以看出，土壤有機(jī)碳是引起其他土壤物理性質(zhì)變化的主要原因，由于土壤有機(jī)碳含量增加，改善了土壤結(jié)構(gòu)，使容重減少，土壤空隙度增加，這與張希彪等的研究結(jié)果一致，森林土壤中的有機(jī)碳主要來源于森林凋落物，凋落物的存在增加了土層中主要營養(yǎng)元素及有機(jī)碳含量，其性質(zhì)和數(shù)量影響著有機(jī)碳積累。

本文研究發(fā)現(xiàn)，在垂直方向上，次生林地、刺槐林地、油松林地土壤養(yǎng)分的層次變化差異顯著，但均具有明顯的表聚性。這是因?yàn)橥ㄟ^植被根系的活動(dòng)以及地表枯落物的分解增加了土壤養(yǎng)分的含量，枯落物作為聯(lián)系地上植被與土壤的中間載體，是森林土壤養(yǎng)分的主要補(bǔ)給者，在維持土壤肥力、促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)正常的生物循環(huán)、養(yǎng)分平衡和土壤物理結(jié)構(gòu)等方面起著重要作用。這與劉海威等、馮天驕等在黃土區(qū)對(duì)不同植被類型下土壤養(yǎng)分含量的研究結(jié)果一致。鄒誠等對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同土地利用模式的土壤速效養(yǎng)分研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)所有土地利用模式0—20 cm土層的速效養(yǎng)分含量均高于20—40 cm土層，只有草地在2個(gè)土層速效養(yǎng)分含量差別不大。本研究對(duì)比了不同植被類型下的土壤速效養(yǎng)分含量發(fā)現(xiàn)，速效氮和速效鉀在0—20 cm土層的含量大于20—40 cm土層。這是因?yàn)?—20 cm土層的容重小，土壤通氣條件比20—40 cm土層好，所以表層微生物量多，固定較多的土壤養(yǎng)分；而速效磷含量在3種林地的分布均是20—40 cm土層大于0—20 cm土層，可能是因?yàn)橹脖桓抵饕植荚?0—40 cm土壤中，而根系吸收速效磷養(yǎng)分較慢。由于不同作物的根系吸收速效養(yǎng)分的量不同，而導(dǎo)致作物間土壤中速效養(yǎng)分含量的區(qū)別。本研究的相關(guān)矩陣分析表明，土壤各養(yǎng)分之間均呈正相關(guān)的關(guān)系，其中有機(jī)碳對(duì)土壤氮肥的影響比較大，對(duì)其他土壤磷肥的影響很小，全氮與全磷之間的相關(guān)系數(shù)最高，說明二者之間的關(guān)系最為密切。不同的植被類型對(duì)土壤中N、P含量的影響也不同，董秀群等在晉西黃土區(qū)的試驗(yàn)林地內(nèi)的研究表明，對(duì)土壤全氮、全磷改良效果相對(duì)較好的分別為油松林、山楊林和側(cè)柏林。本研究對(duì)全氮、全磷在不同植被類型的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，油松林地在不同土層深度下的全氮含量均大于其他植被，油松林地在0—80 cm土層的全磷含量顯著大于其他植被的全磷含量，油松林地80—100 cm土層的全磷含量和次生林地、刺槐林地全磷含量相差不大。這是因?yàn)橛退筛鶞\且生長較緩慢，林下基本沒有林草植被生長，減少林地內(nèi)養(yǎng)分消耗。油松林對(duì)土壤改良效果最好，可以增加土壤肥力，增強(qiáng)土壤的保水保肥性能；而次生林與刺槐林效果都較小，并且差距不大。

4 結(jié) 論

(1)在長期的人工林植被恢復(fù)和次生林自然恢復(fù)后，土壤的物理性質(zhì)有一定的變化。次生林地的容重大于其他林地，土壤容重隨著土層深度的增加而增大；同一植被下淺層土層的容重小于深層土層。次生林地、刺槐林地和油松林地在0—100 cm土層的土壤含水量均有顯著差異，在0—40 cm土層中次生林地土壤含水量大于刺槐林地和油松林地，而油松林地60—100 cm土層中各層的含水量高于次生林地。故可以認(rèn)為次生林地淺層土壤的水分狀況較好，而且當(dāng)處于土壤水分積累期時(shí)，次生林地土壤含水量大于刺槐林地和油松林地，反映了次生林對(duì)降雨的動(dòng)態(tài)變化更敏感，波動(dòng)性更強(qiáng)。

(2)不同植被類型的林地土壤養(yǎng)分分布規(guī)律有所不同。次生林地土壤有機(jī)碳和速效氮含量較高，而刺槐林地和油松林地較低；與之相反，油松林地土壤全氮、全磷、速效磷含量較高，次生林地較低。

(3)在垂直方向上，次生林地、刺槐林地、油松林地土壤養(yǎng)分的層次變化差異顯著，但均具有明顯表聚性。有機(jī)碳、全氮、全磷、速效氮和速效鉀的含量在0—20 cm層明顯比其他層大，整體呈表層土壤大于底層土壤；而速效磷含量隨著土層深度的變化表現(xiàn)為先增大再減小。

(4)各植被類型土壤水養(yǎng)條件在0—20 cm土壤淺層優(yōu)于深層。相關(guān)分析和冗余分析表明，土壤容重小時(shí)養(yǎng)分含量較高，可能原因是表層土壤孔隙度大，通氣性好、結(jié)構(gòu)性好，有利于有機(jī)碳的積累和氮素的循環(huán)。

(5)次生林和油松林的土壤水養(yǎng)狀況優(yōu)于刺槐林，考慮到晉西黃土區(qū)干旱少雨的氣候條件和生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)以封育保護(hù)天然次生林為主，結(jié)合營造人工恢復(fù)林,控制造林密度；同時(shí)在深層土壤含水量較多而淺層土壤含水量較少的人工油松林地適當(dāng)種植深根系植物，以改善淺層土壤水分條件，優(yōu)化當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

本文在一定程度上描述了晉西黃土區(qū)自然恢復(fù)的次生林和人工恢復(fù)后的撫育林的土壤物理性質(zhì)和水養(yǎng)特征，對(duì)于優(yōu)化黃土高原植被恢復(fù)措施和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善有重要意義，但關(guān)于不同植被對(duì)土壤改良作用的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。關(guān)于在不同植被條件下各土層水分變化程度的差異，還需要運(yùn)用傳統(tǒng)方法與CT掃描技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行更深一步的研究。

致謝：感謝山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外實(shí)驗(yàn)站的平臺(tái)支持，感謝畢華興老師、張建軍老師、魏天興老師和王若水老師的數(shù)據(jù)支持。