林草植被恢复类型对黄土团聚体稳定性和入渗特性的影响_帕力夏提·格明.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：国家自然科学基金项目“黄土丘陵区土壤斥水性及其对降水入渗机制的影响研究”（）；“植物根系构型与力学特性对黄土区浅层坡体稳定性的影响”（）；甘肃省科学院应用研究与开发项目“马兰黄土边坡土壤侵蚀降雨模拟研究”（）第一作者：帕力夏提格明（），女（哈萨克族），新疆维吾尔自治区巩留县人，硕士研究生，研究方向为草原利用与生态修复。：。通信作者：徐学选（），男（汉族），陕西省大荔县人，博士，研究员，主要从事土壤水分生态研究。：。林草植被恢复类型对黄土团聚体稳定性和入渗特性的影响帕力夏提格明，王 龙，徐学选，王维维，张连科，李梦瑶，杜 锋（西北农林科技大学 草业与草原学院，陕西 杨凌 ；中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 ；甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 ）摘要：目的对比不同林草植被恢复类型下黄土团聚体稳定性和入渗特性的差异，为黄土高原地区生态恢复模式的合理优化提供理论支持。方法以黄土区撂荒地（，对照）、苜蓿地（）、天然草地（）、油松侧柏混交林（）、刺槐侧柏混交林（）为对象，采用萨维诺夫法和单环双水头法分别测定了水稳性团聚体组成状况、饱和导水率（）。以平均质量直径（）、几何直径（）、颗粒分形维数（）、破坏率（）、水稳性团聚体占比（）和饱和导水率为评价指标，分析了不同林草植被恢复类型的土壤团聚体稳定性和入渗特性差异及其影响因素。结果 土层范围内，的 和最低，林草植被恢复类型的，表现为和和，而 和则相反。土层，的 水稳定团聚体含量最高（），其次是和，最低（）；而 土层，的 水稳定团聚体含量最高（处为 ，处为 ），最低（处为 ，处为）。不同林草植被恢复类型的表层土壤入渗特性变异系数均介于 ，的（）最大，的（）最小。团聚体稳定性指标（除外）和均与有机质、孔隙度、容重呈现显著或极显著相关。结论林草植被恢复有助于改善黄土团聚体稳定性和入渗特性，长期林地恢复类型（）的团聚体稳定性和入渗特性优于天然草地（），而短期林地恢复类型（）却不如天然草地（），植被恢复应注重时间的积累。关键词：植被恢复；团聚体稳定性；入渗特性；林草地；黄土文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：帕力夏提格明，王龙，徐学选，等林草植被恢复类型对黄土团聚体稳定性和入渗特性的影响水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，；.，）：（，DOI:10.13961/ki.stbctb.2023.01.002 ），（），（），（），.（），（），（），（），（），（，），（），（）（），（），（）（；），（；）（），（）（），：；黄土高原地区是中国典型的水土流失区，黄河流域大约 的水土流失面积分布于黄土高原。植被恢复是该区域水土流失防治的重要措施，良性的植被恢复类型可以改善土壤团聚体稳定性和入渗特性，从而达到增强土壤抗蚀性能，保持水土，防风固沙的生态效果。团聚体稳定性是土壤团聚体抵抗外力破坏的能力，在改善土壤孔隙结构、持水能力、渗透性和调节土壤肥力等方面具有重要作用，而且与土壤抗蚀性能关系密切。入渗特性是土壤对降水就地吸收的能力，对干旱缺水的黄土高原地区土壤水分补充非常重要，良好的入渗特性可以延长地表径流的产生时间，有助于减缓水土流失。目前国内外已有众多有关植被恢复对土壤团聚体稳定性或入渗特性的影响研究。冯璐对不同退耕年限草地的研究表明，相较于农地，草地在土壤团聚体稳定性和入渗性能方面具有显著的改善作用。海龙等的相关研究表明，种植苜蓿可促进团聚体稳定性，团聚体稳定性大小与种植年限有关。陈文媛等对比研究认为退耕还草比退耕还林土壤团聚体稳定性更强，入渗性能更好；而 等、等 研究证明林地比草地土壤团聚体稳定性更强，更有效地增加入渗和减少径流。可见，目前植被恢复对团聚体稳定性和入渗性能的影响研究，主要关注单一的植被恢复类型。植被恢复是黄土区生态修复的关键手段，多种植被恢复类型下土壤团聚体稳定性和入渗特性将如何变化，仍然缺乏关注，而且现有的黄土区多种植被恢复类型研究结果存在较大差异，因此有必要开展进一步研究。甘肃省兰州市地处黄土高原西部，自然因素和人为因素的双重影响导致兰州水土流失严重、生态环境恶化，从而严重制约了城市可持续发展。近年来兰州市对城市周边的南山、北山实施了系列植被恢复措施，使得当地植被覆盖率有所增加，生态环境得到了显著改善。本文开展不同植被恢复类型对当地黄土物理性质的影响研究，特别是对团聚体稳定性和入渗特性的影响，旨在为当地生态恢复模式的进一步合理优化提供理论支持。研究区概况研究区位于兰州市城关区（，），海拔 ，属于黄土丘陵沟壑区，自北向南可大致划分为北山、城区和南山，总面积约为 ，处于季风气候与非季风气候的过渡区，是典型的温带半干旱气候。年均降水量为 ，多集中在月，年均蒸发量为 ，年均日照时间 ，无霜期大于 ，第期帕力夏提格明等：林草植被恢复类型对黄土团聚体稳定性和入渗特性的影响年平均风速 为 。降 水 量 少 而 集 中，蒸 发强度大，温差较大以及日照充足。土壤多为马兰黄土母质发育而成的灰钙土，值介于之间。研究区平均年径流量约为 ，土壤侵蚀模数为 （）。研究方法样地选择本研究选取个样地：为侧柏油松混交林，林龄超过（具体时间不详），侧柏树高在，油松树高在，林下地表植被覆盖较少，但有明显的生物结皮；为侧柏刺槐混交林，于 年由农地退耕还林而来，刺槐树高在，侧柏树高在，长势较好，郁闭度较高，地表杂草覆盖度高，土壤表层有明显的枯枝落叶层；为撂荒地，撂荒时间始于 年；为苜蓿地，于 年开始种植并定期刈割，此前多种植小麦；为天然草地，位于研究区北山山顶，地表有明显的生物结皮。样地选择的依据：林地面积占研究区的，侧柏、油松、刺槐均为林地的主要绿化树种；草地面积占，面积在研究区草地类型中均占有相当的比重；，的选择均与当地的退耕还林政策和削山造地工程措施有密切关系，可以更好地对比探讨人工改变土地利用覆被后，不同植被恢复类型之间的水土保持效应差异。个样地中心点分布见图，每个样地面积不小于，所有采样点均布设在样地的缓坡段。各样地基本信息见表。表样地基本情况 样地植被类型样地编号海拔植被覆盖度群落结构侧柏油松混交林地 侧柏油松白茅白莲蒿侧柏刺槐混交林地 刺槐侧柏刺儿菜青杞小藜野青茅撂荒地 白莲蒿披碱草猪毛蒿苜蓿地 紫苜蓿紫菀披碱草白莲蒿猪毛蒿天然草地 长芒草多裂骆驼蓬注：表中植物学名分别为：侧柏 ，油松 ，白茅 ，白莲蒿 ，刺槐 ，刺儿菜 ，青杞 ，小藜 ，野青茅 ，披碱草 ，猪毛蒿 ，紫苜蓿 ，紫菀 ，长芒草 ，多裂骆驼蓬 。试验方法于 年月中下旬采集土样，每个样地采用形布点法布设个采样点，每个采样点分 ，共个土层采样，每个土层个重复。个样地共计 个土壤样品。土样装铝制盒密封带回实验室自然风干用于土壤理化性质测定。采样期间对表层（）土壤进行野外实地入渗特性测定，入渗特性采用单环双水头入渗仪（智明 ，中国）。单环双水头入渗仪由低水头供水马氏瓶、高水头供水马氏瓶、钢制入渗环、连通管和阀门等组成，两个马氏瓶高度差为，并共用一个底盘。入渗试验选择平整且未受人为扰动的样点，清理样方上的植被，将单环垂直坡面砸入地表 处，在 水头达到稳定入渗速率后，增加水头到 ，再次达到稳定入渗后停止试验，换另一个点位，如此重复试验次。记录好数据，分别计算低水头和高水头下的稳定入渗率，并通过公式计算饱和导水率。土壤水稳性团聚体组成测定采用萨维诺夫法，取风干后土样 进行干筛，称量获得，共个粒级的机械稳定性团聚体，称重并计算各粒级团聚体质量百分比。水稳性团聚体测定按照干筛法获得的各粒级团聚体比例配制成 土 样，置 入 团 聚 体 分 析 仪 内（型），在转速为 、振幅为 的设置下振荡 后取出，再用水将各级筛子上的团聚体洗入到已有编号的烧杯中，倾去上清液，烘干并称重，计算各 粒 级 土 壤 水 稳 性 团 聚 体 百 分 比，相 加 得 出 水稳性团聚体百分比。土壤团聚体稳定性和入渗特性相关指标计算（）土 壤 团 聚 体 稳 定 性 常 用 平 均 质 量 直 径（）、几何平均直径（）、颗粒分形维数（）和破坏率（）等指标进行评价，各指标的计算公式如下 ：（?）（）（）水土保持通报第 卷 （?）?（）（）式中：?为第粒级平均直径（）；为第粒级颗粒质量百分比（）；为相邻两级团聚体平均粒径（）；（?）为粒径?的颗粒质量百分比（）；为所有粒级颗粒质量百分比，即为 （）；为最大粒径，即；为样品干筛后颗粒直径 的质量百分比（）；为样品湿筛后颗粒直径 的质量百分比（）。（）饱和导水率（）是常用的入渗特性指标，采用 等 总结的计算公式，如下所示：（）（）（）（）（）式中：代表饱和导水率（）；是入渗速率（）；是土壤吸附特性与入渗仪几何形态的函数；是与土壤毛管长度有关的参数（）；是入渗环内积水的深度（）；是入渗环插入土壤中的深度（），在本试验中值为；为入渗环内部的半径（），在本试验中值为；和为参数，值分别为 与 ；等于，值为 。在使用单环双水头法测定饱和导水率时，需要和两个水头，为低水头，值在 左右，为高水头，值在 左右，对应的分别为和，即对应水头的稳定入渗率（）；对公式进行化简，则可消去并得到计算的公式，见公式（）。结果与分析不同林草植被恢复类型的土壤基本性质对不同林草植被恢复类型 土层的土壤基本性质进行了对比（如表所示）。随着土层深度的增加，不同植被恢复类型土壤的饱和含水率和孔隙度呈现增加的趋势；容重（除外）和根系生物量（除外）呈现减少的趋势（）。其中，和的饱和含水率、孔隙度和容重较优，说明侧柏油松混交林和天然草地的土壤疏松、多孔，表现出较好的透水气性；与相比，的饱和含水率、孔隙度和容重则较差，这可能与 退耕时间较短有关。容重最大，饱和含水率、孔隙度最小，并与其他样地的差异显著（），说明与撂荒地相比，其他林草植被恢复类型可以改善土壤结构，提高土壤蓄水能力。表不同林草植被恢复类型的土壤理化性质、根系生物量 样地编号土层深度 容重（）饱和含水率孔隙度有机质（）值根系生物量（）注：数据后不同大写字母表示同一样地不同土层深度间差异显著（），不同小写字母表示同一土层不同样地间差异显著（）。下同。不同林草植被恢复类型土壤有机质含量均呈现随土层深度的增加而减少的趋势（）。土层，和 有机质含量相对较高（分别为 ，），的有机质含量较低；而第期帕力夏提格明等：林草植被恢复类型对黄土团聚体稳定性和入渗特性的影响 和 土层，的有机质含量最低，说明侧柏刺槐混交林的枯枝落叶对中、下层土壤有机质的改善不明显。不同林草植被恢复类型的土壤团聚体稳定性平均质量直径（）与几何直径（）为表征团聚体稳定性常用的指标，其值越大，团聚体团聚程度越高，稳定性越强（图）。水稳性团聚体 与在不同植被恢复类型、不同土层的趋势具有一致性，均为随着土层深度的增加而逐渐降低。土层 和 大小表现为：；中下层为：，说明，土壤团聚体稳定性较好，次之，最差，这说明较之撂荒地，林草地类型有助于提高土壤团聚体结构的稳定性。破坏率（）、分形维数（）亦为表征团聚体稳定性的常用指标，和越小，团聚体结构越稳定。随土层深度的增加，不同林草植被恢复类型的 和均增加。土层，表现为：，则略有不同，表现为：；土层，和 均表现为：，且 与 土层呈现显著性差异（），这亦表明林草地对土壤团聚体结构具有改善作用。注：为平均质量直径；为几何平均直径；为颗粒分形维数；为破坏率；，为样地类型（详见表）。下同。图不同林草植被恢复类型的土壤团聚体稳定性指标 不同林草植被恢复类型土壤 水稳性团聚体含量（）见图。随 土 层深度的增 加，水稳性团聚体含量呈现减少。土层，的 水稳性团聚体含量最高为 ，其 次 是 和，而 的 含 量 最 低 为 ，这说明林草地的表层土壤团聚体稳定性优于撂荒地。土层，的 水稳性团聚体含量最高（处为 ；处为 ），其次是，而的含量最低（处为 ；处为）。的 土层团聚体稳定性远远低于 ，这可能是因为侧柏刺槐混交林的枯枝落叶层仅仅改善了表层土壤的团聚体结构，再者林下草本植物的生物量较少，根系分布较浅，亦不能对深层土壤团聚结构起到改善作用。总体而言，