植被恢复对典型黑土表层土壤压缩性和承载能力的影响1)

韩少杰　王恩姮　罗松　陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



植被恢复对典型黑土表层土壤压缩性和承载能力的影响1)

韩少杰王恩姮罗松陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

以恢复年限分别为14、36、50 a的落叶松人工林及相邻耕地表层土壤(0～10 cm)为研究对象，采用快速固结试验法，对土壤孔隙比、压缩指数、先期固结压力等指标进行测试，分析植被恢复对典型黑土表层土壤压缩性、承载能力的影响。结果表明：土壤孔隙比、压缩指数、先期固结压力，均随恢复年限的增加而增加，压缩指数、先期固结压力变化范围分别为0.231～0.399、4.2～100.0 kPa。落叶松林地土壤压缩指数、先期固结压力，均显著高于耕地土壤(p<0.05)；随植被恢复年限的增加，典型黑土表层土壤压缩性、承载能力逐渐提高，耕性有所增强。土壤力学性质指标与理化性质之间，表现出显著的相关性(p<0.05)；压缩指数与土壤黏粒比例、有机质质量分数之间关系更为紧密(p<0.01)；先期固结压力与土壤黏粒比例呈极显著负相关(p<0.01)。植被恢复导致土壤有机质质量分数的增加；土壤密度和黏粒比例的降低，是黑土表层土壤压缩性增加、土壤承载能力增强的重要原因。

植被恢复；黑土；土壤；土壤压缩性；土壤承载能力

To explore the changes of black soil’s compressibility and load support capacity in the restoration process, we took the topsoil (0-10 cm) in typical black soil region with vegetation restoration of 14, 36 and 50 years and the nearby farmland as test objects. We used fast oedometer test to measure and calculate soil mechanical parameters, soil void ratio, the compression index and the pre-compression stress. The soil void ratio, compression index, and pre-compression stress were increased with the increasing year of vegetation restoration. The values of compression index and pre-compression stress were varied in 0.231-0.399, 4.2-100.00 kPa, respectively. The compression index and pre-compression stress of soils at different age larch plantations were significantly higher than those of tillage soil (p<0.05), that is, the compression index, pre-compression stress and the tilth of soil were increased with the increasing of recovery years. The soil bulk density, clay proportion decreased and the mass fraction of organic matter were increased with the increasing of recovery years, and good linear regressions were between bulk density, clay proportion, the contents of organic matter and soil mechanical properties. Bulk density had a negative influence on compression index (p<0.05), the correlation between the contents of organic matter, clay proportion and compression index were closer (p<0.01). Clay proportion also had a negative influence on pre-compression stress (p<0.01). Therefore, degree of soil compaction decrease, soil compressibility and load support capacity were increased with the increasing of recovery years. The conceivable reasons for increasing the soil compressibility and load support capacity were the decrease of soil bulk density, clay proportion and the increase of the content of organic matter due to the vegetation recovery.

从土壤力学角度出发，探究压实过程中土壤性质的变化备受国内外学者关注[1-3]。通过土力学中固结试验得到的土壤压缩曲线，常用来表征土壤的压实行为；由压缩曲线进一步得到的土壤压缩指数和先期固结压力，则被广泛应用于评价土壤的压实敏感性和压实风险[4]。由于土壤压缩指数反映了土壤压缩性的大小，所以压缩性的大小与土壤耕性呈正相关[5]；先期固结压力又反映了土壤面对外界压力时的抵抗能力[6-7]；因此，土壤压缩指数、先期固结压力，可以反映出土壤承载能力的大小和耕性的优劣。

作为我国重要的商品粮生产基地，东北黑土区广泛采用机械化耕作。机械化作业，一方面，推进了农业集约化进程，提高了农业生产效率；另一方面，也带来了相当程度的土壤压实，引发了一系列土壤生态环境问题；因此，进而会严重威胁到了作物产量[8-9]。为了改善区域生态环境，在黑土区开展了大量的植被恢复与林业生态建设工作，对恢复及提高黑土质量、保护黑土资源起到了巨大促进作用[10-11]。已有许多学者对黑土区植被恢复过程中土壤结构、养分及微生物等特征的变化，开展了大量研究工作[10-13]，而有关植被恢复过程中土壤力学特性变化的研究报道较少。为此，笔者以典型黑土区不同林龄落叶松人工林及耕地表层土壤为对象，测试分析植被恢复对土壤压缩性、承载能力的影响，旨在揭示表层土壤压缩指数与先期固结压力的变化规律及影响因素，为黑土区植被恢复与土壤生态修复提供参考。

1　材料与方法

土壤样品：于2015年6月份取自黑龙江省克山农场14连队。在立地条件相似地段，选择林龄分别为14、36、50 a的长白落叶松(Larixolgensishenry)人工林(均为退耕还林)，分别设置1块20 m×20 m的临时样地，同时以临近耕地为对照；用土工试验专用环刀(直径6.18 cm)采集0～10 cm土层深度的原状土样，采集完成后迅速用保鲜膜封好；每块样地设3个取样点，每个样点3次重复。用常规方法测定了各样地土壤理化性质(见表1)。

固结试验采用快速试验法，稳定标准为最后1 h变形量不超过0.01 mm，荷载序列设置为12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0、800.0、1 600.0 kPa。试验采用南京产GZQ-1型全自动气压固结仪(高压)进行，分别测定了各级压力下试样固结1 h的累计变形量以及最后一级荷载下的稳定变形量；对试样在各级荷载下的总变形量进行校正后，计算了各级荷载固结稳定后的孔隙比、土壤压缩指数、先期固结压力[14]。

用SPSS 18.0和Excel 2003对数据进行处理，用单因素方差分析对样本进行差异性检验，用Pearson相关性对各变量进行相关分析。

表1　试验地林分特征及土壤理化性质

注：数字后同列不同小写字母表示不同样地间在p<0.05水平下差异显著。

2　结果与分析

2.1压缩过程中土壤孔隙比的变化

土壤孔隙比是指土壤中孔隙体积和固体颗粒体积的比值，反映了土壤的密实程度，对土壤物理和力学性质有很大影响[15]。研究结果表明：不同恢复年限落叶松林土壤孔隙比，均表现出了随垂直荷载增加而持续下降的一致性规律；但不同恢复年限试样土壤孔隙比，在压缩过程的不同阶段下降程度有所不同(见图1)。耕地土壤，当垂直荷载达25 kPa时，土壤孔隙比相对于初始孔隙比已显著降低(p<0.05)；而不同恢复年限落叶松林地土壤，只有当垂直荷载超过50 kPa后，土壤孔隙比才出现显著降低的现象(p<0.05)。这说明，植被恢复后土壤抵抗外界压力的能力有所增强。

由图1还可看出，土壤孔隙比始终表现出随着恢复年限的增加而增加的趋势。其中：恢复50、36 a的落叶松林地表层土壤孔隙比，显著高于恢复14 a的林地和耕地(p<0.05)；而恢复50 a和36 a落叶松林地之间、恢复14 a林地和耕地之间，表层土壤孔隙比差异未达显著水平。这一方面说明，随着恢复年限的增加，土壤密实程度有所降低；另一方面说明，落叶松林对表层土壤密实程度的影响，需要一个较为长期的过程才能得以显现。

图1　不同恢复年限黑土土壤孔隙比-垂直荷载关系

2.2压缩指数的变化

压缩指数是指土壤在外界压力下被压缩的程度，常用作土壤压实敏感性[16]、土壤耕性评价的指标[5]。试验结果表明：各处理试样土壤压缩指数介于0.231～0.399之间(见表2)；与耕地相比，所有林地土壤压缩指数均显著高于耕地(p<0.05)。说明植被恢复后，土壤压缩性均有明显提高，土壤耕性有所改善。随着恢复年限的增加，土壤压缩指数呈现逐渐升高的趋势，其中：恢复50 a林地土壤压缩指数显著高于其余样地(p<0.05)；而恢复36 a和14 a林地土壤之间差异未达显著水平。虽然这与土壤孔隙比随恢复年限的变化规律不完全一致(见2.1)，但亦反映出植被恢复对土壤物理-力学性质具有显著改良效果，且恢复年限越长、效果越明显。

表2　土壤压缩指数与先期固结压力

注：数字后同列不同小写字母表示不同样地间在p<0.05水平下差异显著。

2.3先期固结压力的变化

先期固结压力是指天然土层历史上承受过的最大固结应力，在黏性土壤中反应更多的是土体的结构屈服应力[17]。土体先期固结压力越大，抵抗外界压力、保持原有结构的能力越强，在国外被广泛作为评价土壤承载能力指标[4，18]。研究结果显示：各样地土壤先期固结压力介于4.2～100.0 kPa。与耕地相比，不同恢复年限林地土壤先期固结压力均显著高于耕地(p<0.05)，说明植被恢复显著提高了土壤的承载能力。随着恢复年限的增加，各样地土壤先期固结压力呈现逐渐升高的趋势，其中：恢复50 a林地土壤先期固结压力，显著高于恢复14 a的(p<0.05)；而恢复14 a和36 a林地土壤、恢复36 a和50 a林地土壤先期固结压力之间，差异未达显著水平。Manfred[1]等对植被恢复后土壤先期固结压力的变化进行了4 a的连续观测，结果显示：土壤先期固结压力，在4 a中总体上呈上升趋势。本研究与该研究结果相吻合。

3　讨论

土壤压缩性受土壤密度、有机质质量分数、颗粒组成比例等多方面因素影响。许多学者研究发现，土壤密度与压缩指数之间呈负相关关系，密度越大，土壤压缩性越低[4，19]；有机质质量分数与压缩指数之间呈正相关关系，有机质含量越高的土壤压缩性也越高[2，20-21]。本研究发现，土壤密度、有机质质量分数和压缩指数之间，分别表现出显著负相关关系和极显著正相关关系(见图2)，这与前人研究结论相吻合。结合表1可以看出，随着恢复年限的增加，土壤密度显著降低(p<0.05)、有机质质量分数显著提高(p<0.05)；故可认为，土壤密度的降低和有机质质量分数的提高，是植被恢复导致黑土压缩性提高、土壤耕性有所改善的重要原因。

图2　土壤压缩指数、先期固结压力与土壤理化性质的关系

土壤先期固结压力作为评价土壤承载能力的指标，其影响因素及预测一直是专家学者们关注的重点[3，19，22]。R. Horn et al.[3]认为，土壤属性，如密度、含水量、有机质质量分数、黏聚力、内摩擦角等，均会对土壤先期固结压力产生影响。本研究结果显示，土壤有机质质量分数与先期固结压力之间呈显著正相关关系(p<0.05)，这与M. Kaufmann et al.[1]、P. Défossez et al.[18]的研究结果相一致。此外，本研究中发现，土壤密度与先期固结压力之间，虽然呈正相关关系，但未达显著水平；虽然与R. Horn et al.[3]、S. Imhoff et al.[4]研究中发现密度与先期固结压力呈显著正相关不一致，但M. R. Mosaddeghi et al.[22]在研究中也发现密度与先期固结压力之间呈正相关但不显著这一现象，其原因在于研究的土壤中较高的黏粒比例削弱了土壤密度对先期固结压力的影响。本研究中，各处理试样土壤黏粒比例介于36.50%～46.74%，普遍高于M. R. Mosaddeghi et al.[22]研究土壤的黏粒比例(34.80%)；因此可认为，在具有较高黏粒比例的黑土区，土壤密度对先期固结压力的影响较小，而植被恢复导致土壤有机质质量分数的增加是促进黑土表层土壤承载能力提升的重要原因。

黏粒对土壤的物理-力学性质具有重要的影响，是土壤“活性”的基础[23]。关于黏粒比例和压缩指数之间的关系，许多学者认为二者之间相关关系不明显[1，19]、正相关[24]或在一定黏粒比例范围内正相关[4，25]。但C. W. Smith et al.[26]认为，黏粒比例和压缩指数之间关系呈二次函数形式，黏粒比例介于35%～50%时，压缩指数最大。本研究发现，黏粒比例与压缩指数之间呈极显著负相关关系(p<0.01)。结合C. W. Smith et al.[26]的研究及本次试验各处理土壤黏粒比例较高(36.50%～46.74%)这一现象可认为，在典型黑土区土壤黏粒比例较高的区域中，黏粒对土壤压缩性起负面作用，黏粒比例过高将会导致土壤压缩性的降低。关于黏粒比例与先期固结压力之间的关系，S. Imhoff et al.[4]、A. S. Gregory et al.[24]认为黏粒比例与先期固结压力呈正相关，而Manfred Kaufmann et al.[1]则认为两者之间关系不显著。本研究发现，黏粒比例与先期固结压力之间呈极显著负相关关系(p<0.01)，这与本研究中黏粒比例与压缩指数间的相关关系一致，说明在黏粒比例较高的情况下黏粒对土壤承载能力同样起到不利作用。综上，黑土区较高的黏粒比例对土壤压缩性和承载能力具有负面影响；而植被恢复导致土壤黏粒比例的降低，是促进黑土表层土壤压缩性增加、承载能力有所提升的另一重要原因。

4　结论

植被恢复能够导致黑土表层土壤孔隙比、压缩指数、先期固结压力的变化，进而对土壤密实程度、压缩性、承载能力及耕性产生影响。

植被恢复对表层土壤的密实程度的影响，整体上表现出随着恢复年限的增加土壤的密实程度有所降低的趋势，但只有恢复年限达36 a以上时，这种影响效果才达显著。表明，植被恢复过程中，落叶松人工林对黑土表层土壤密实程度的影响是一个较为长期的过程。

植被恢复过程中表层土壤压缩指数和先期固结压力的变化表明：一方面，黑土表层土壤压缩性，随恢复年限的增加逐渐增大，土壤耕性得到改良；另一方面，随恢复年限的增加，黑土表层土壤的承载能力逐渐变大，抵抗外界压实的能力有所增强。

土壤物理-力学指标与理化性质之间表现出显著的相关性，表明：植被恢复导致土壤有机质质量分数的增加、土壤密度和黏粒比例的降低，是促进黑土表层土壤压缩性增加、土壤承载能力增强的重要原因。

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Effects of Vegetation Recovery on Topsoil Compressibility and Load Support Capacity of Typical Black Soil//

Han Shaojie, Wang Enheng, Luo Song, Chen Xiangwei

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：31-34.

Vegetation recovery; Black soil; Soil; Soil compressibility; Soil load support capacity

韩少杰，男，1989年1月生，东北林业大学林学院，硕士研究生。E-mail：837736250@qq.com。

陈祥伟，东北林业大学林学院，教授。E-mail：chenxwnefu@163.com。

2015年11月9日。

S714.2；S152.9

1)国家林业公益性行业科研专项(201404202)。

责任编辑：张玉。