晋北风沙区人工林土壤水分及粒度特征

郭 伟,张 鸾†,刘 爽，张凌云

(1.山西大学 黄土高原研究所, 030006，太原； 2.山西能源学院,030600，山西晋中)

晋北风沙区地处黄土高原北部，降水少、风大风多、自然植被残留少，是生态环境敏感脆弱区，也是环京津塘地区防风固沙的重要生态屏障[1]。从20世纪70年代开始，这里陆续开展了“三北”防护林工程、退耕还林工程和京津风沙源治理工程，营建大面积人工植被，为改善生态环境、防风固沙发挥重要作用；然而，大面积植被对土壤水分的利用[2-4]也导致土壤干燥化，从而加剧了该区域的土壤水分赤字。已有研究表明，除植被[5-6]外，土壤性质[7]也是土壤水分的主要影响因素之一。作为土壤物理性质的重要指标，土壤粒度在起沙天气下垫面因子中扮演着重要角色，从而影响土壤抗风蚀能力和土壤持水能力[8-9]。了解土壤水分和粒度分布特征，对于选择适宜的造林植物种、解决植被恢复过程中土壤水分供给与植物耗水间的矛盾及发挥水土保持、防风蚀作用具有重要意义。目前土壤水分研究多集中在植被与土壤水分的关系[10-13]，土壤粒度的报道则多见沙漠化土地[14-15]，当前关于晋北风沙区人工林土壤水分、粒度特征的综合分析较少，本研究通过对晋北风沙区人工林土壤水分及粒度特征进行对比分析，以期为风沙环境下的植被恢复与生态环境建设提供依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省右玉县贾家窑，海拔1 386～1 489 m，缓坡丘陵地貌，年平均气温4 ℃，>10 ℃积温2 500 ℃，年均日照时间2 915 h，无霜期平均104 d，年平均降水量420 mm，降水主要集中在6—9月，且多暴雨，多年平均蒸发量1 761 mm，相当于自然降水量的4倍。年均风速3 m/s以上，春秋季最大风力9级，最大风速24 m/s。研究区土壤类型主要为栗钙土和淡褐土，质地以砂粒、粉粒为主，抗侵蚀力差。受大风和降水影响，极易发生风蚀、水蚀。在风水两相作用下，水土流失严重。人工造林树种主要有油松(Pinustabulaeformis)、樟子松(Pinussylvestrismongolica)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、小叶杨(Populussimonii)、柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)。

2 材料与方法

2.1 试验设计

2015年8月上旬，选取右玉县贾家窑6种人工林样地(11 a油松林(Ⅰ)、21 a油松林(Ⅱ)、23 a华北落叶松林(Ⅲ)、17 a油松+柠条混交林(Ⅳ)、柠条林(Ⅴ)、沙棘林(Ⅵ))进行土壤样品采集。每种人工林地设定3个样方，样方面积10 m×10 m，根据三角形路线在每个样方布设3个取样点，各样点在0～100 cm深度内以20 cm为间隔(在0～20 cm土层范围内，以10 cm为间隔)人工采集土样，每样点采集6份土样，共采集土样324份。采样前5天研究区无降雨。样地信息见表1。

表1 试验样地基本信息Tab.1 Basic characteristics of sample plot

2.2 样品分析与数据处理

土壤含水量测定使用经典烘干称量法。为防止水分散失，在现场进行烘干前样品称量。样品带回实验室，在温度105 ℃的条件下烘干至恒质量。土壤含水量计算公式为

W=(W2-W1)/(W1-W0)×100%。

式中：W为所测样品的土壤含水量，%；W1为铝盒与干土质量之和，g；W2为铝盒与湿土质量之和，g；W0为铝盒质量，g。

将土样风干后过2 mm筛，取土样1～2 g，去除有机质、钙质；对样品进行清洗，直至呈中性；加入分散剂，降低颗粒的凝聚性；进行超声振荡，消除样品的胶结作用。采用Malvern Mastersizer 3000(粒级0.01～3 500 μm)测定样品粒度。每个样品重复测量3次，取平均值。测量结果采用Folk and Wald图解算法计算，运用GRADISTAT软件计算粒度参数，包括平均粒径以及使用粒径的对数值Φ所表示的分选系数(δ)、偏度(Sk)和峰度(Kg)。依据美国制(USDA)标准[16]划分为砂粒(0.05～2.0 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(< 0.002 mm)3级，对砂粒进一步划分为极粗砂(1.0～2.0 mm)、粗砂(0.5～1.0 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、细砂(0.1～0.25 mm)和极细砂(0.05～0.1 mm)5个粒级，并分别统计各粒径的体积分数。

数据处理与统计分析采用Excel 2010和SPSS 17.0，图形绘制采用OriginPro 9.0。

3 结果与分析

3.1 不同林地土壤水分状况

表2所示，6种林地0～100 cm深度平均土壤含水量由大到小次序为：沙棘林>11 a油松林>柠条林>17 a油松+柠条混交林>23 a华北落叶松林>21 a油松林。方差分析结果显示，沙棘林和11 a油松林土壤水分含量显著高于其他4种类型(P<0.05)。

图1示出6种林地土壤水分含量在0～100 cm深度内的变化。可以看出：11 a油松林和柠条林土壤水分含量随土层深度的增加呈递增趋势；21 a油松林、17 a油松+柠条混交林、23 a华北落叶松林和沙棘林土壤水分含量均随土壤深度的增加呈先升高后减小的趋势，但沙棘林变幅较大，且土壤水分含量显著高于其余3种林地(表2)。

表2 不同林地土壤含水量Tab.2 Soil moisture of different plantation types %

注：同一行不同大写字母表示一种林地不同土层土壤含水量差异显著(P<0.05)；同一列不同小写字母表示不同林地同一土层土壤含水量差异显著(P<0.05)。Notes: The different uppercase letters at the same row of data in the table refer to significant differences(P<0.05). The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences(P<0.05).

根据各林地土壤含水量垂直变化趋势，将0～100 cm土层分为0～20、20～60和60～100 cm 3个层次。6种林地0～20 cm土层的含水量均较低，介于3.66%～6.36%之间，沙棘林土壤含水量最高，其次是23 a华北落叶松林，11 a油松林与17 a油松+柠条混交林相差不大，21 a油松林和柠条林最低；20～60 cm土层，6种林地平均土壤含水量介于4.78%～9.25%之间，沙棘林土壤含水量显著高于其余5种林地。除23 a华北落叶松林外，其他5种林地土壤含水量均较0～20 cm土层有所增加，其中，17 a油松+柠条混交林增加不明显，其他林地土壤含水量均增加显著；在较深的60～100 cm土层，23 a华北落叶松林和21 a油松林土壤平均含水量较20～60 cm土层有所降低，其他4种林地则不同程度增加。6种林地平均土壤含水量大小顺序依次为：11 a油松林>沙棘林>柠条林>17 a油松+柠条混交林>21 a油松林>23 a华北落叶松林。

3.2 不同林地土壤粒度组成

表3列出了6种林地的土壤粒度组成。可以看出：6种林地土壤粒度组成均以极细砂和粉粒为主，二者含量之和达73.74%～78.36%；其次为细砂，含量在15.31%～19.07%之间；黏粒、中砂、粗砂、极粗砂含量均较少。7个粒级中，11 a油松林、21 a油松林、23 a华北落叶松林和17 a油松+柠条混交林的极细砂含量在各粒度分级中所占比例最大，柠条林和沙棘林则为粉粒含量占比最大。方差分析结果显示，各林地之间除极粗砂含量未表现出显著差异外，其他粒级含量均存在显著差异。

图1 不同林地土壤水分含量随深度的变化Fig.1 Variation of soil moisture in different profile in different plantation types

表3 不同林地粒度组成特征Tab.3 Characteristics of granularity distribution in different plantation types %

注：同一列不同小写字母表示不同林地类型的粒度组成差异显著(P<0.05)。Notes: The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences(P<0.05).

图2为各林地土壤颗粒随深度的变化。0～100 cm深度内，各林地黏粒、粗砂含量随土层深度增加变化不大，粉粒、极细砂、细砂、极粗砂含量随土层深度增加变化起伏较大。受侵蚀作用影响，表层土壤中的细颗粒组分容易流失。与10～20 cm土层相比，6种林地0～10 cm土层粉粒所占比例均呈现降低趋势，降幅在1.45%～6.94%之间，21 a油松林和23 a华北落叶松林降幅较大，柠条林降幅较小。

图2 不同林地土壤颗粒随深度的变化Fig.2 Variation of soil particle with soil depth in different plantation types

3.3 不同林地土壤粒度参数变化特征

6种林地土壤粒径状况详见表4。在0～100 cm深度，6种林地土壤平均粒径分布在63.26～77.24 μm范围，由大至小排序依次为：23 a华北落叶松林>11 a油松林>21 a油松林>17 a油松+柠条混交林>沙棘林>柠条林。不同林地类型各层段土壤粒度特征表现出不同的变化趋势。

根据Folk和Wald(1957)粒度参数分级标准[17](表5)得到6种林地表层粒度参数特征(表6)。分选系数反映固体颗粒大小的均匀程度和沉积分选的好坏。如果粒级少、主要粒径突出且所占比例高，分选系数就越小，分选性就越好[16]。本研究中6种林地的分选系数介于1.26～1.98之间，分选性均较差。偏度可以判别分布的对称性，如11 a油松林表现为极正偏，表明粒度在粗粒部分比较集中；峰度是度量粒度分布趋向形态的一种尺度，用以度量粒度分布的中部和尾部展开度之比[16]，柠条林表现出较尖的峰度值，21 a油松林峰度值与其他5种林地相比有较大差异。

表4 不同林地土壤粒径状况Tab.4 Variation of average grain size in different profile of different plantation types μm

注：同一行不同大写字母表示一种林地不同土层土壤平均粒径差异显著(P<0.05)；同一列不同小写字母表示不同林地同一土层平均粒径差异显著(P<0.05)。Notes: The different uppercase letters at the same row of data in the table refer to significant differences(P<0.05). The different lowercase letters at the same column of data in the table refer to significant differences(P<0.05).

表5 Folk和Wald(1957年)粒度参数分级标准Tab.5 Grading standard of grain size parameters in Folk and Wald (1957)

表6 不同林地表层粒度参数特征Tab.6 Characteristics of granularity for the top layer of different plantation types

4 讨论

6种林地中，沙棘林0～100 cm土壤平均含水量最高，说明沙棘林具有较强的水分截持能力。通常情况下，土壤表层含水量较低，主要是由于该层水分运动剧烈所致[3]。林地类型不同，蒸腾耗水、根系分布深度及密度具有很大差异[11]，由此引起的土壤水分垂直变化特征也不相同。11 a油松林由于处在幼龄期，郁闭度较小，个体间竞争平缓，林分对土壤水分要求较低，因而0～100 cm深度土壤含水量相对较高；与11 a油松林相比，柠条林和17 a油松+柠条混交林土壤含水量均较低，这主要是植被盖度较大导致的土壤耗水；而林龄和盖度更大的23 a华北落叶松林和21 a油松林对深层土壤耗水更多，土壤水分被强烈地干燥。值得注意的是，23 a华北落叶松林表层土壤含水量相对较高，这与林地表面较厚的枯落物增加入渗，减少地表蒸发有很大关系。

受风水两相侵蚀作用影响，表层土壤细粒物质极易流失。本研究6种林地0～10 cm土层粉粒含量相较于10～20 cm土层均呈现降低趋势。其中，17 a油松+柠条混交林、21 a油松林和23 a华北落叶松林平均粒径较大，说明较多细颗粒物质发生了流失。我们发现，这3个样地位于下坡位，坡度较陡，加上林下草本较少，因而土壤极易被冲刷；而同样位于下坡位的柠条林，由于林下草本覆盖度高，起到了降低近地表风速、拦截细粒物质和改良固持土壤的作用，因而平均粒径较小。沙棘林极高的郁闭度同样也起到了减少侵蚀的作用。

环境因子对土壤水分含量有一定影响。一般认为，阴坡相对阳坡有更好的水分条件，坡度越大，入渗率越低，侵蚀力越强。与其他4种林地相比，11 a油松林位于半阳坡向，坡度较缓，更有利于降雨入渗和保存，因而一定程度上可能会使土壤水分含量保持相对较高水平；但本研究认为，幼龄期郁闭度低，平均冠幅较小，根系分布密度低，个体间竞争平缓，林分对土壤水分需求较低是该林地土壤水分含量较高的主要原因。

5 结论

1)6种林地0～100 cm深度平均土壤含水量范围在4.62%～8.30%；平均土壤含水量由大到小依次为：沙棘林>11 a油松林>柠条林>17 a油松+柠条混交林>23 a华北落叶松林>21 a油松林；0～20 cm土层土壤含水量相对较低，较深土层土壤水分受植物蒸腾耗水、根系分布深度及密度影响。

2)6种林地0～100 cm深度土壤粒度组成以极细砂和粉粒为主。7个粒级中，柠条林和沙棘林粉粒占比最大，其他林地极细砂含量占比最大；不同林地类型在0～100 cm深度土壤平均粒径由大到小依次为：23 a华北落叶松林>11 a油松林>21 a油松林>17 a油松+柠条混交林>沙棘林>柠条林。

3)沙棘林较高的郁闭度增加了林冠截流，加上其发达的根系固持土体、提高土壤抗冲性的同时促进水分入渗，因而保持了较高的土壤含水量。沙棘林和柠条林下的腐殖质和草被增加了土壤中细颗粒的体积分数，土壤结构得到改善。因而在晋北风沙区植被恢复过程中可以优先选择沙棘和柠条进行造林。

4)研究区经过多年植被恢复，人工林耗水量增加。有必要根据土壤水分状况结合植被耗水特性、生长阶段开展人工林的科学管护，如适当调整植被盖度，加强林下草本和枯落物保护等确保区域生态可持续发展。

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