呂文強，黨宏忠，王立，黨漢瑾，何修道

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091)

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黃土高原帶狀植被土壤理化性質(zhì)空間分異特征

呂文強1，黨宏忠2*，王立1，黨漢瑾2，何修道1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091)

為探究帶狀格局植被對土壤理化性質(zhì)的影響及在空間上的差異，選取我國黃土高原檸條和山杏兩種典型的帶狀植物籬為研究對象，并對其0～60 cm土層理化性質(zhì)空間特征進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明,(1)檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤容重、最大持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度差異顯著(P<0.05)；山杏植物籬系統(tǒng)與梯田土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度差異顯著(P<0.05)；各部位間土壤水分物理性質(zhì)因植物籬類型不同而分異明顯。(2)兩種帶狀植物籬系統(tǒng)土壤小團(tuán)聚體(粒徑0.25～2.00 mm)和微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)各部位分異顯著(P<0.05)，植物籬對粒徑<2.00 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間分異產(chǎn)生明顯影響。(3)兩種帶狀植物籬土壤砂粒(粒徑0.05～2 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)、粘粒(粒徑<0.002 mm)含量差異均不顯著(P>0.05)，但植物籬能改變砂粒、粉粒、粘粒的相對組成。(4)檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為帶內(nèi)(3.57%、Ⅱ級)>帶后(3.09%、Ⅱ級)>帶間(2.72%、Ⅲ級)>帶前(2.64%、Ⅲ級)，且各部位間分異明顯；山杏植物籬系統(tǒng)土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為帶間(1.47%、Ⅳ級)>帶內(nèi)(1.41%、Ⅳ級)，分異不明顯；不同植物籬類型間有機質(zhì)分異不同。(5)植物籬土壤砂粒和水穩(wěn)性小團(tuán)聚體與有機質(zhì)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；粉粒和粘粒與有機質(zhì)均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；土壤容重、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體均與土壤有機質(zhì)無明顯相關(guān)關(guān)系。

帶狀植被；土壤理化性質(zhì)；水分物理性質(zhì)；機械組成；空間分異

黃土高原由于獨特的自然地理景觀、氣候條件和長期不合理的人為活動，導(dǎo)致土壤侵蝕強烈、養(yǎng)分流失嚴(yán)重、土地生產(chǎn)力低下，嚴(yán)重制約著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。改善生態(tài)環(huán)境、再造良好的生態(tài)家園尤為重要[1-3]。植被恢復(fù)重建能控制水土流失、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，成為黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要途徑[4-7]。植物籬因其攔蓄徑流和泥沙[8]、增強土壤抗蝕性[9]、改善土壤理化性質(zhì)[10]、提高土壤養(yǎng)分含量[11]、控制農(nóng)業(yè)面源污染[12]、固定土壤有機碳和氮以及增加土壤微生物數(shù)量[13-14]等作用在黃土高原被廣泛應(yīng)用。土壤作為植被生長的載體，其理化性質(zhì)對植被的生長有著重要的影響。植物籬下良好的土壤性質(zhì)是其發(fā)揮生態(tài)作用的關(guān)鍵。近年來，國內(nèi)外展開了對植物籬與土壤性質(zhì)方面的研究。有研究發(fā)現(xiàn)植物籬能顯著增加土壤非毛管孔隙度、飽和導(dǎo)水率、土壤pH值，并能減小土壤容重，從而提高土地生產(chǎn)力、增加作物產(chǎn)量[15-17]。植物籬通過改善土壤滲透性，使養(yǎng)分流在植物籬帶內(nèi)蓄積，進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分含量，并且其枯枝落葉返還表土也能增加土壤養(yǎng)分[18]。此外，植物籬還通過對土壤機械組成和團(tuán)聚體含量及分形特征產(chǎn)生影響[19]，達(dá)到控制水土流失的效果。

對以上研究進(jìn)行對比分析，可以看出，植物籬在一定程度上改善了土壤物理結(jié)構(gòu)、增加了土壤養(yǎng)分含量、提高了土壤生產(chǎn)力。但對帶狀格局下植物籬土壤理化性質(zhì)的空間特征并未做出說明和解釋。為此，本文在已有研究基礎(chǔ)上，以黃土高原常見的檸條(Caraganakorshinskii)和山杏(Armeniacasibirica)兩種帶狀植物籬為研究對象，對帶狀植被土壤理化性質(zhì)空間特征進(jìn)行詳實說明。旨在探討黃土高原植被恢復(fù)與土壤相互關(guān)系及旱區(qū)植被的生態(tài)服務(wù)功能，為植被恢復(fù)所伴生的生態(tài)效益提供支撐及合理配置植被模式提供科學(xué)指導(dǎo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于土地利用類型全面、 植物籬長勢良好的甘肅省定西市石家岔小流域(104°39′14.00″ E、35°43′17.60″ N)，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，主要土壤類型為黑壚土，海拔2350 m，屬于溫帶大陸性半干旱氣候，年平均氣溫5.7～7.7 ℃，全年無霜期146 d，多年平均降水量為410.2 mm，多年平均蒸發(fā)量為1529.4 mm。

1.2樣地選擇和樣方設(shè)置

樣地選擇在具有典型帶狀植物籬的石家岔小流域，以檸條(28年)帶狀植物籬和山杏(10年)帶狀植物籬為研究對象。其中，檸條植物籬為單行種植模式，平均株高為1.6 m，帶寬(平均冠幅)1.0～1.5 m，株距0.2 m，帶間距為4 m，籬帶間為退耕荒坡，坡度為28°，帶間植被覆蓋度為40%，主要分布有天然草本植物長芒草(Stipabungeana)、冰草(Agropyroncristatum)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)和中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)等；山杏植物籬為單行栽植模式，采用水平階整地方式種植，山杏平均株高2 m，株距2 m，籬帶間距為4 m，帶寬(平均冠幅)1.3 m，坡度為20°，籬帶間種植紫花苜蓿(Medicagosativa)。

圖1　帶狀植物籬系統(tǒng)單元示意Fig.1　Schematic diagram of banded hedgerow system unit單箭頭方向表示坡向由上而下。The single arrow indicate the direction of slope from top to bottom.

分別在檸條和山杏帶狀植物籬中設(shè)置永久樣方，樣方大小以包含一個完整的植物籬系統(tǒng)單元為原則確定，并將完整的植物籬系統(tǒng)沿坡面由上而下依次設(shè)置為帶前、帶內(nèi)、帶后、帶間4個部位(圖1)。于2015年6月至7月分別在檸條植物籬系統(tǒng)帶前、帶內(nèi)、帶后、帶間4個部位和山杏植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)和帶間2個部位以及梯田(CK)土層0～60 cm(開挖60 cm深的土壤剖面，在剖面隨機取土)內(nèi)用環(huán)刀(內(nèi)徑：50.5 mm，高：50 mm，體積：100 cm3)取原狀土，同時用自封袋取相同部位土樣，均重復(fù)5次，混合均勻帶回實驗室測定。

1.3指標(biāo)測定

土壤容重(g/cm3)、土壤最大持水量(%)、毛管持水量(%)、最小持水量(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)、總孔隙度(%)等土壤水分物理性質(zhì)指標(biāo)均按照中國林業(yè)科學(xué)研究院《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》(LY/T 1215-1999)標(biāo)準(zhǔn)[20]用環(huán)刀法測定，有機質(zhì)按照中國林業(yè)科學(xué)研究院《森林土壤有機質(zhì)的測定及碳氮比的計算》(LY/T 1237-1999)進(jìn)行測定[21]，機械組成用英國馬爾文公司生產(chǎn)的Malvern 2000激光粒度分析儀進(jìn)行測定，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體用TTF-100土壤團(tuán)粒體分析儀測定。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行Duncan法多重比較，并用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1兩種帶狀植物籬土壤水分物理性質(zhì)空間分異特征

用Duncan法對檸條和山杏植物籬系統(tǒng)各部位及梯田土壤水分物理性質(zhì)各指標(biāo)進(jìn)行多重比較(表1)。檸條和山杏植物籬系統(tǒng)土壤容重均低于梯田(1.08 g/cm3)，這說明植物籬能顯著降低土壤容重，這是植物根系與土壤相互作用的結(jié)果。檸條植物籬系統(tǒng)各部位土壤容重差異顯著(P<0.05)，且表現(xiàn)為帶前(1.10 g/cm3)>帶后=帶間(1.05 g/cm3)>帶內(nèi)(0.99 g/cm3)，空間分異明顯；山杏植物籬系統(tǒng)土壤容重表現(xiàn)為帶間(1.02 g/cm3)>帶內(nèi)(0.98 g/cm3)；兩種植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤容重均為帶內(nèi)最小，且均低于1 g/cm3。這說明植物籬降低土壤容重的能力隨距植被帶距離的增加而減弱，植被類型對植物籬減小土壤容重在空間上的分異產(chǎn)生影響。檸條和山杏植物籬系統(tǒng)土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量均高于梯田(57.69%、48.61%、36.53%)，說明植物籬能明顯提高土壤持水性能。檸條植物籬系統(tǒng)各部位土壤最大持水量差異顯著(P<0.05)，并表現(xiàn)為帶內(nèi)(67.63%)>帶間(61.72%)>帶后(59.13%)>帶前(52.94%)。而檸條和山杏植物籬系統(tǒng)土壤毛管持水量和田間持水量各部位差異均不顯著(P>0.05)，但兩種植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤毛管持水量均為帶內(nèi)最高，田間持水量均為帶內(nèi)最低。這說明植物籬能改善土壤持水性能，且在空間上存在分異。就土壤孔隙性來說，檸條和山杏植物籬系統(tǒng)土壤毛管孔隙度和總孔隙度均高于梯田(51.57%、61.50%)，而非毛管孔隙度均低于梯田(9.94%)。這是植物籬根系及微生物活動疏松了土壤結(jié)構(gòu)所致。檸條和山杏植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位非毛管孔隙度差異顯著(P<0.05)，且均為帶內(nèi)顯著最高。檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤毛管孔隙度差異不顯著(P>0.05)，而山杏植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位毛管孔隙度差異顯著(P<0.05)。對土壤總孔隙度而言，檸條植物籬系統(tǒng)各部位差異顯著(P<0.05)，山杏植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位差異不顯著(P>0.05)，但均為帶內(nèi)最高,分別達(dá)到65.95%、69.54%。這在一定程度上說明植物籬改善土壤孔隙性的效果最明顯，也最集中地體現(xiàn)在帶內(nèi)，其他3部位效果沒有帶內(nèi)明顯。對比上述分析，綜合植物籬對土壤容重、持水性能、孔隙性能的影響可知，植物籬能顯著減小土壤容重、提高土壤持水性和孔隙性，且在空間上存在分異，這種分異受到植被類型的一定影響。

表1　兩種帶狀植物籬土層0～60 cm土壤水分物理性質(zhì)對比

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示P<0.05條件下的顯著性，數(shù)據(jù)格式為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。下同。

Note: Different lowercase letters behind the data within the same column represent significance at 5% level, data format is that the mean±standard error, the same below.

2.2兩種帶狀植物籬土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間分異特征

土壤團(tuán)聚體是土壤的主要組成部分其穩(wěn)定性表征著土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布狀況能很好地反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕的能力，對土壤水、肥、氣的調(diào)節(jié)和養(yǎng)分循環(huán)有著重要的影響[22]。對檸條和山杏兩種植物籬系統(tǒng)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(粒徑>2.00 mm)、小團(tuán)聚體(粒徑0.25～2.00 mm)、微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)、團(tuán)聚體總量進(jìn)行比較(表2)。檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤微團(tuán)聚體差異顯著(P<0.05)，且表現(xiàn)為帶間(31.04%)>帶前(28.44%)>帶內(nèi)(27.10%)>帶后(11.22%)，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體、團(tuán)聚體總量各部位差異均不顯著(P>0.05)。山杏植物籬系統(tǒng)各部位與梯田土壤水穩(wěn)性小團(tuán)聚體差異顯著(P<0.05)，并表現(xiàn)為帶間(21.35%)>帶內(nèi)(15.52%)>梯田(12.33%)，而水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、團(tuán)聚體總量差異不顯著(P>0.05)。這說明植物籬能顯著影響土壤小團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體。即植物籬能明顯提高粒徑<2.00 mm的團(tuán)聚體含量。從整個植物籬系統(tǒng)單元來看，檸條和山杏植物籬系統(tǒng)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、團(tuán)聚體總量均高于梯田，植物籬能提高土壤各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，改善土壤結(jié)構(gòu)。就植物籬系統(tǒng)四個部位而言，檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤大團(tuán)聚體為帶內(nèi)(3.58%)最高、帶后(1.33%)最低，小團(tuán)聚體為帶后(22.47%)最高、帶前(21.47%)最低，微團(tuán)聚體和團(tuán)聚體總量均為帶間最高、帶后最低。山杏植物籬系統(tǒng)土壤大團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體、團(tuán)聚體總量均為帶間最高、帶內(nèi)最低，而微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)表現(xiàn)恰好相反為帶內(nèi)(33.40%)最高、帶間(28.27%)最低。由此可以看出，兩種帶狀植物籬系統(tǒng)土壤大團(tuán)聚體和團(tuán)聚體總量各部位分異不明顯，而小團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體各部位分異顯著。植物籬對粒徑<2.00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間分異產(chǎn)生影響。

2.3兩種帶狀植物籬土壤機械組成空間分異特征

土壤機械組成即土壤各粒級的相對含量，是土壤的基本物理性質(zhì)之一，決定著土壤質(zhì)地。按照美國制將帶狀植物籬土壤粒徑劃為砂粒(粒徑0.05～2 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)、粘粒(粒徑<0.002 mm)三級。由表3知，檸條和山杏植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤砂粒、粉粒、粘粒含量差異均不顯著(P>0.05)，檸條和山杏植物籬系統(tǒng)土壤砂粒含量均高于梯田(12.12%)，而粘粒含量均低于梯田(24.88%)，粉粒含量三者相差不大。這說明植物籬能提高土壤砂粒含量，對粉粒含量影響不明顯。這是因為植被雖能在一定程度上改變砂粒、粉粒、粘粒的相對含量，但由于土壤粒徑的大小主要取決于成土礦物的自身性質(zhì)及環(huán)境因素。就植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位而言，檸條植物籬帶內(nèi)土壤砂粒表現(xiàn)為帶后(24.12%)>帶前(20.12%)>帶間(19.12%)>帶內(nèi)(16.12%)，而山杏植物籬帶內(nèi)(17.12%)砂粒含量高于帶間(15.12%)。這說明植被類型對砂粒(粒徑0.05～2 mm)含量的帶間分布分異有一定的影響，這是因為檸條根系特征與山杏不同，導(dǎo)致根系微生物的種類和數(shù)量不同，因此與土壤顆粒的作用不同。而檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤粘粒含量表現(xiàn)與砂粒含量基本相反為帶內(nèi)(20.88%)>帶間=帶前(19.88%)>帶后(18.88%)，而山杏植物籬系統(tǒng)內(nèi)土壤粘粒含量表現(xiàn)與砂粒一致為帶內(nèi)(20.88%)高于帶間(19.88%)，從兩種植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)和帶間二相結(jié)構(gòu)來說，兩者相同部位(帶內(nèi)、帶間)粘粒含量相同，這說明植被類型對粘粒含量無影響，完全取決于土壤礦物自身性質(zhì)和環(huán)境。粉粒含量在檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)為帶內(nèi)(63.00%)高于帶間(61.00%)，而在山杏植物籬系統(tǒng)內(nèi)為帶內(nèi)(62.00%)低于帶間(65.00%)，這說明植被類型對粉粒的空間分布有一定的影響。綜合上述可得，植物籬能改變砂粒、粉粒、粘粒的相對組成。植物籬類型對砂粒和粉粒的空間分布有一定影響，但對粘粒的空間分布影響不明顯。

表2　兩種帶狀植物籬土層0～60 cm各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體比較

表3　兩種帶狀植物籬土層0～60 cm土壤機械組成對比

2.4兩種帶狀植物籬土壤有機質(zhì)空間分異特征

土壤有機質(zhì)是指存在于土壤中所有含碳的有機物質(zhì)，作為土壤的重要組分，雖只占土壤質(zhì)量的很小一部分，但對土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)發(fā)展都具有重要作用。對兩種植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤有機質(zhì)含量進(jìn)行對比，并采用全國第二次土壤普查有機質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)[23]進(jìn)行分級(圖2)?？芍簷帡l植物籬系統(tǒng)各部位土壤有機質(zhì)含量均高于山杏植物籬和梯田(1.64%)，而山杏植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)(1.41%)和帶間(1.47%)土壤有機質(zhì)含量略小于梯田(1.64%)。這說明檸條植物籬增加土壤有機質(zhì)含量的能力高于山杏，不同植物籬類型之間土壤有機質(zhì)含量差異明顯。從土壤有機質(zhì)分級來看，檸條植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)、帶后均為Ⅱ級，帶前和帶間均為Ⅲ級，各部位間分級分異明顯。山杏植物籬帶內(nèi)和帶間均為Ⅳ級，分級分異不明顯?？芍?，檸條植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)和帶后有機質(zhì)較為豐富，帶前和帶間相對而言為中等，而山杏植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)、帶間以及梯田(CK)相對來說貧乏。這是因為檸條帶內(nèi)由于其根系分布最多，有利于有機質(zhì)的形成，枯枝落葉及腐爛的種子在帶內(nèi)蓄積使土壤有機質(zhì)含量相對較高，帶后由于植物籬植株本身創(chuàng)造了一個陰濕的環(huán)境有利于微生物活動，而帶間由于遠(yuǎn)離根系，加之土壤結(jié)皮改變表層土壤結(jié)構(gòu)(如阻礙入滲)，從而影響了有機質(zhì)的含量。而山杏植物籬帶內(nèi)和帶間基本相同，這可能是因為山杏生長過程消耗利用了部分有機質(zhì)。由于人工施肥作為梯田有機質(zhì)的一個重要來源，才使其有機質(zhì)含量稍高于山杏植物籬。綜上可得，檸條植物籬系統(tǒng)土壤有機質(zhì)分級高于山杏植物籬和梯田，且各部位間土壤有機質(zhì)分異明顯；而山杏植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位間土壤有機質(zhì)分異不明顯；不同植物籬類型之間土壤有機質(zhì)含量差異顯著。

圖2　兩種帶狀植物籬土層0～60 cm有機質(zhì)對比Fig.2　Comparisons of soil organic matter in soil 0-60 cm of two banded hedgerows

2.5帶狀植物籬土壤因子間相關(guān)性分析

對兩種帶狀植物籬土壤容重、機械組成、各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體及有機質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)?？梢钥闯觯寥廊葜嘏c機械組成、各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機質(zhì)均無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)，只與水穩(wěn)性微團(tuán)聚體呈負(fù)的弱相關(guān)(R=-0.26<0.30)。植物籬土壤砂粒與有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而粉粒與有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，粘粒與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體、有機質(zhì)均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。植物籬土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、總量均與土壤有機質(zhì)無明顯相關(guān)性，而水穩(wěn)性小團(tuán)聚體與土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。這說明種植植物籬后，土壤有機質(zhì)含量增加，從而對砂粒和土壤水穩(wěn)性小團(tuán)聚體產(chǎn)生積極影響，使其含量增加。但對土壤粉粒和粘粒起了相反作用，使其相對含量減少。另一個方面也表明植物籬土壤有機質(zhì)對土壤機械組成和水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響顯著，對土壤容重影響不明顯。這說明有機質(zhì)對土壤容重會產(chǎn)生部分影響，但不是決定影響。由此可以這樣認(rèn)為，植物籬通過增加土壤有機質(zhì)含量對土壤機械組成和水穩(wěn)性小團(tuán)聚體產(chǎn)生影響。

表4　植物籬各土壤因子相關(guān)性

*P<0.05，**P<0.01.

3　討論

土壤容重、持水性能、孔隙性能作為土壤的基本屬性對植被恢復(fù)與構(gòu)建有著重要影響。在三峽庫區(qū)，植物籬作為一種坡地常見的水土保持措施能顯著減小土壤容重和田間持水量，增加土壤非毛管孔隙度，飽和導(dǎo)水率，飽和含水量[16]。本研究發(fā)現(xiàn)檸條和山杏兩種植物籬土壤容重和非毛管孔隙度均低于梯田，而土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量均高于梯田(表1)，與已有研究存在分歧。這可能是因為研究地域不同，土壤類型不同所致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)植物籬能顯著增加土壤毛管孔隙度和總孔隙度，可以作為植物籬能顯著增加土壤持水性能的佐證，也證實了植物籬能顯著減小土壤容重。本研究還發(fā)現(xiàn)，檸條和山杏植物籬系統(tǒng)各部位間各土壤水分物理性質(zhì)存在分異，并且植物籬種類是產(chǎn)生分異的一個重要因素。但有研究發(fā)現(xiàn)，植物籬土壤性質(zhì)的差異主要體現(xiàn)在坡位(坡上、坡下)上，而不是植物籬類型之間[24]。由此可知，植物籬土壤性質(zhì)在空間上的差異在坡位之間和植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位(帶前、帶內(nèi)、帶后、帶間)間都有體現(xiàn)。但不同植物籬之間由于構(gòu)成植物籬植物的自身特征(如冠層結(jié)構(gòu)、根系分布)不同，會對所在土壤產(chǎn)生不同的影響。有研究通過對喬木類、灌木類、草本類3類植物籬土壤性質(zhì)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，3類不同植物籬帶內(nèi)的土壤物理性質(zhì)存在顯著差異[25]。植物籬的栽植年限和所在區(qū)域的氣候條件在一定程度也會對植物籬改善土壤性質(zhì)的程度產(chǎn)生影響。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)、肥力、增強土壤抗蝕性具有重要意義。在本研究中，檸條和山杏兩種植物籬土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(粒徑>2.00 mm)和團(tuán)聚體總量各部位分異不明顯，而小團(tuán)聚體(粒徑0.25～2.00 mm)和微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)各部位分異顯著(P<0.05)，且各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均高于梯田。植物籬農(nóng)作復(fù)合模式能顯著增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，可達(dá)37.80%～55.60%，且在上下坡位之間存在差異[19]。這充分說明植物籬能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。對于帶狀植物籬二相結(jié)構(gòu)來說，檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量為帶內(nèi)(3.58%)高于帶間(1.71%)，而山杏植物籬則為帶內(nèi)(1.48%)低于帶間(4.17%)；檸條植物籬系統(tǒng)土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體、團(tuán)聚體總量均為帶內(nèi)低于帶間；山杏植物籬土壤微團(tuán)聚體為帶內(nèi)(33.40%)高于帶間(28.27%)，土壤水穩(wěn)性微團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體分布與檸條植物籬一致。由此可以看出，除了局部地形對植物籬土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分異產(chǎn)生影響外，植物籬類型也是其產(chǎn)生分異的一個重要因素。有研究還發(fā)現(xiàn)，土地管理方式(耕作、灌溉等)、土壤有機碳也對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間分異產(chǎn)生影響[22,26-27]。這是因為土壤耕層是水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要分布區(qū)域，而土壤有機碳和水分之間相互作用對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成產(chǎn)生影響。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，植物籬對粒徑<2.00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間分異產(chǎn)生影響最為明顯(表2)，也就是說與梯田相比，植物籬能顯著增加粒徑<2.00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。已有研究表明，植物籬能明顯增加<2.00 mm粒級土壤微團(tuán)粒含量[28]。本研究恰好從側(cè)面印證了這一觀點。這是因為較大土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成較難，除了土壤本身性質(zhì)(如土壤母質(zhì))外，還受到氣候環(huán)境、人為因素(如人工施肥)等的影響。

植物籬作為水土流嚴(yán)重區(qū)常見的水土保持植物措施，在改善坡地土壤結(jié)構(gòu)、控制水土流失方面有著顯著效果。植物籬能改變土壤機械組成，主要體現(xiàn)在能顯著減少土壤粘粒含量，且最高可達(dá)1.97%[29]。在本研究中，兩種植物籬系統(tǒng)土壤粘粒含量均低于梯田(24.88%)，而砂粒含量均顯著高于梯田(12.12%)?？芍?，植物籬能改變土壤黏重，使土壤逐漸向砂粒化轉(zhuǎn)變。而砂粒又是土壤有機質(zhì)的一個來源，可以提高土壤肥力。這是植物籬改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤水肥、從而控制水土流失、發(fā)揮水土保持生態(tài)效益的關(guān)鍵所在。就植物籬系統(tǒng)內(nèi)部土壤粒徑分布來看，檸條植物籬系統(tǒng)砂粒含量為帶內(nèi)最低、帶后最高，粘粒含量為帶內(nèi)最高、帶后最低，砂粒和粘粒在植物籬系統(tǒng)內(nèi)部分布恰好相反。而山杏植物籬系統(tǒng)砂粒和粘粒含量均為帶內(nèi)高于帶間。這說明土壤機械組成在植物籬系統(tǒng)內(nèi)存在分異，不同植物籬類型間分異表現(xiàn)不同。這是因為砂粒在植物籬帶前聚集，而粘粒在植物籬帶內(nèi)富集，并在不同坡位之間出現(xiàn)分異[30]。這是因為徑流所攜帶的泥沙沿坡面由上而下，速度逐漸減弱，又遇到植物籬的攔蓄阻礙使粘粒在帶內(nèi)就地聚集。而砂粒由于動能較大在帶后被攔蓄聚集。有研究發(fā)現(xiàn)，不同植物籬根系特征不同導(dǎo)致土壤組成不同[31]。這是因為不同根系微生物種類和數(shù)量不同，與土壤的相互作用不同所致。也有研究認(rèn)為植物籬帶間的風(fēng)力特征對粒徑在0.005～0.02 mm內(nèi)土粒的分布產(chǎn)生影響。這是因為土粒在風(fēng)速超過啟動風(fēng)速時被攜帶形成運動的二相流隨風(fēng)運移，從而使土粒分布發(fā)生變化。但這對砂粒(粒徑0.05～2.00 mm)影響不明顯。這也在一定程度上證明了植物籬的防風(fēng)蝕效應(yīng)所在。

土壤有機質(zhì)對土壤肥力有著重要影響，植物籬能改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)并顯著增加土壤有機質(zhì)含量[32]。在本研究中，土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為檸條植物籬系統(tǒng)>梯田>山杏植物籬系統(tǒng)，檸條植物籬能顯著增加土壤有機質(zhì)含量，但山杏植物籬系統(tǒng)土壤有機質(zhì)含量低于梯田。這可能是因為山杏植物籬種植年限較少(10年)，而植物籬對土壤有機質(zhì)含量的改變需要較長的時間累計過程，因為土壤有機質(zhì)受土壤母質(zhì)的影響。而檸條植物籬栽植年限為28年，較山杏植物籬較長；梯田由于人工施肥對其有機質(zhì)含量產(chǎn)生了影響；另外，植物籬枝葉還田對有機質(zhì)的含量也會產(chǎn)生影響。檸條植物籬枯枝落葉就地蓄積腐爛產(chǎn)生的腐殖酸成為有機質(zhì)的主要來源，而山杏植物籬落葉較稀疏，且作為日常燒柴被當(dāng)?shù)鼐用袷占饋?。因此可以看出植物籬能顯著增加土壤有機質(zhì)的含量但受到栽植年限、植物籬自身特征和人為作用等因素的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)含量在植物籬系統(tǒng)間出現(xiàn)差異并沿坡面表現(xiàn)為籬上高于坡下[33-34]。而在本研究中，檸條植物籬系統(tǒng)土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為帶內(nèi)(3.57%)>帶后(3.09%)>帶間(2.72%)>帶前(2.64%)，這與前述研究有些相悖。有研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)含量與三大微生物菌群數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系[35]。這可能是帶內(nèi)由于植物籬根系與微生物的活動有助于有機質(zhì)的形成，加之帶內(nèi)植物籬枯枝落葉蓄積較多、分解還田最多所致。而帶后由于植物籬改變了坡面微地形并在帶后形成籬坎能機械攔蓄徑流所攜帶的砂粒，且砂粒的礦化是形成有機質(zhì)的途徑，而檸條植物籬系統(tǒng)砂粒為帶后高于帶間和帶前(表3)。而植物籬帶前由于徑流侵蝕破壞了土壤結(jié)構(gòu)導(dǎo)致土壤肥力降低，從而有機質(zhì)含量最低。但山杏植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)和帶間土壤有機質(zhì)含量相差不明顯，這說明植物籬類型會對有機質(zhì)的空間分異產(chǎn)生影響。綜上所述，植物籬結(jié)構(gòu)、類型、地形共同作用對土壤有機質(zhì)的空間分異產(chǎn)生影響，但植物籬自身特征是主導(dǎo)因素。

4　結(jié)論

檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤容重、最大持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度差異顯著(P<0.05)，山杏植物籬系統(tǒng)與梯田土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度差異顯著(P<0.05)，各部位間土壤水分物理性質(zhì)分異明顯，且受到植物籬類型的影響。

兩種帶狀植物籬系統(tǒng)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(粒徑>2.00 mm)和團(tuán)聚體總量各部位分異不明顯，而小團(tuán)聚體(粒徑0.25～2.00 mm)和微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)各部位分異顯著(P<0.05)。植物籬對粒徑<2.00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體空間分異產(chǎn)生明顯影響。

兩種帶狀植物籬土壤砂粒(粒徑0.05～2 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)、粘粒(粒徑<0.002 mm)含量差異均不顯著(P>0.05)，但植物籬能改變砂粒、粉粒、粘粒三者的相對組成。

檸條植物籬系統(tǒng)內(nèi)各部位土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為帶內(nèi)(3.57%、Ⅱ級)>帶后(3.09%、Ⅱ級)>帶間(2.72%、Ⅲ級)>帶前(2.64%、Ⅲ級)，且各部位間分異明顯，山杏植物籬系統(tǒng)土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為帶間(1.47%、Ⅳ級)>帶內(nèi)(1.41%、Ⅳ級)，不同植物籬間分異不同。

植物籬土壤砂粒和水穩(wěn)性小團(tuán)聚體與有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；粉粒和粘粒與有機質(zhì)均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；土壤容重、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體均與土壤有機質(zhì)無明顯相關(guān)關(guān)系。

本文對黃土高原坡面兩種典型植物籬模式下土壤理化性質(zhì)的空間分異進(jìn)行了詳述與討論，為該區(qū)植被恢復(fù)重建提供了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但由于黃土高原獨特的氣候條件與地貌特征對研究也有影響，因此對黃土高原植被的生態(tài)功能應(yīng)做更深、更全面的研究，如考慮氣象條件等。

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The spatial differentiation of soil properties under banded vegetation systems on the Loess Plateau

LV Wen-Qiang1, DANG Hong-Zhong2*, WANG Li1, DANG Han-Jin2, HE Xiu-Dao1

1.College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2.Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

In order to explore the effects of banded vegetation on soil properties and their spatial differentiation, an analysis was carried out on the Loess Plateau of the 0-60 cm soil layers of typical banded hedgerows made up ofCaraganakorshinskiiandArmeniacasibirica. The results showed that: (1) There were significant spatial differences in soil moisture physical properties within the hedgerow systems and these also varied across the different types of hedgerow. Soil bulk density, maximum water holding capacity, non-capillary porosity and total porosity varied significantly under theC.korshinskiihedgerow system (P<0.05), and soil capillary porosity and non-capillary porosity varied significantly under the A. sibirica system (P<0.05). (2) Under the two types of hedgerows, there were significant differences in the contents of water-stable micro-aggregates (<0.25 mm) and small aggregates (0.25-2 mm) (P<0.05). The spatial differentiation of water-stable aggregates with particle sizes less than 2 mm was obviously affected by the hedgerows. (3) There were no significant differences in the contents of soil sand (0.05-2 mm), silt (0.002-0.05 mm) and clay (<0.002 mm) under the two hedgerow systems, although hedgerows can change the relative composition of these three components. (4) There were differences in the content of soil organic matter under the two hedgerow systems. The content of soil organic matter was distributed as follows: for the C. korshinskii system, inner-band (3.57%, grade Ⅱ)>behind band (3.09%, grade Ⅱ)>inter-band (2.72%, grade Ⅲ)>in front of band (2.64%, grade Ⅲ); for theA.sibiricasystem, inter-band (1.47%, grade Ⅳ)>inner-band (1.41%, grade Ⅳ). (5) Soil sand and water-stable small aggregates showed a significant positive correlation with soil organic matter (P<0.01). Silt and clay showed a significant negative correlation with soil organic matter (P<0.05). There were no significant correlations between soil organic matter and either soil bulk density, water-stable macro-aggregates or micro-aggregates.

banded vegetation; soil properties; soil moisture physical properties; mechanical composition; spatial differentiation

10.11686/cyxb2015484

2015-10-21；改回日期：2015-11-30

十二五國家科技支撐計劃課題“農(nóng)田水土保持生物防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)”(2011BAD31B02)資助。

呂文強(1990-)，男，甘肅會寧人，在讀碩士。 E-mail：wenqlv@126.com

Corresponding author. E-mail：hzdang@caf.ac.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

呂文強, 黨宏忠, 王立, 黨漢瑾, 何修道. 黃土高原帶狀植被土壤理化性質(zhì)空間分異特征. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(10): 21-30.

LV Wen-Qiang, DANG Hong-Zhong, WANG Li, DANG Han-Jin, HE Xiu-Dao. The spatial differentiation of soil properties under banded vegetation systems on the Loess Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 21-30.