陕北半干旱黄土丘陵区不同植被恢复对土壤理化性质的影响

The influence of different vegetation restoration types on soil physical and chemical properties in the semi-arid loess hilly area of northern Shaanxi

摘要

半干旱黄土丘陵区经过长期的植被恢复工程，生态环境得到了有效的改善。而系统分析植被恢复与土壤养分的空间关系，是研究黄土高原生态保护与修复的理论基础。本研究选取沙棘、杜梨、柠条这三种植被恢复类型，以及撂荒地作为对照，分析了不同植被类型土壤养分的关系。结果发现：植被类型差异显著调控了土壤理化性质，杜梨林在提高土壤孔隙度以及维持土壤水分方面具有优势；沙棘林在土壤pH以及磷元素含量显著高于其他植被；而柠条林的有机质含量最高。综合各项指标发现，沙棘林对土壤质量综合提升较高，其次为杜梨林、柠条林，撂荒地。不同植被类型土壤质量指数随土层深度的增加出现下降趋势，垂直分布特征显著。半干旱黄土丘陵区植被恢复有利于改善土壤理化性质，提高土壤质量，人工种植灌木林地对研究区土壤养分的维持具有相对积极的意义。

Abstract

The ecological environment in the semi-arid loess hilly area has been effectively improved through long-term vegetation restoration projects. The systematic analysis of the spatial relationship between vegetation restoration and soil nutrients is the theoretical basis for studying ecological protection and restoration in the Loess Plateau. Based on this， this study selected three types of vegetation restoration， namely sea buckthorn， pear， and caragana， as well as abandoned land， as controls to analyze the relationship of soil nutrients among different vegetation types. It was found that he significant differences in vegetation types regulate the physical and chemical properties of the soil. The Pyrus betulaefolia has advantages in increasing soil porosity and maintaining soil moisture. The sea buckthorn forest land has advantages in soil pH and phosphorus fixation， while the caragana forest land has a higher organic matter content. Based on a comprehensive assessment of various indicators， it was found that sea buckthorn forests have a relatively high overall improvement effect on soil quality， followed by pear forests， caragana forests， and abandoned land. The soil quality index of different vegetation types shows a downward trend with the increase of soil layer depth， and the vertical distribution characteristics are significant.The vegetation restoration in the semi-arid loess hilly area is conducive to improving the physical and chemical properties of the soil and enhancing soil quality. The artificial planting of shrub forest land plays a significant positive rolefor the maintenance of soil nutrients in the study area.

Graphical abstract

关键词

半干旱黄土丘陵区 / 植被类型 / 土壤质量

Key words

semi-arid loess hilly region / vegetation restoration type / soil quality

半干旱黄土丘陵区是我国重要的生态保护区。由于土质、降雨量低以及人类不合理的干扰等原因，使得自然植被严重破坏，土壤侵蚀和退化剧烈，是我国水土流失最为严重的地区之一^［1-2］。长期以来，在黄土丘陵沟壑区以退耕还林工程为主的植被恢复政策实施后，为区域生态的改善和提升做出了重要贡献。植被覆盖率的增加可以有效提高土壤有机碳含量^［3-4］，同时碳通过植物根系分泌物及残留物的形式转移到不同土层中，土壤中的碳和氮储量也随之增加^［5-6］，同时土壤水分与植被根系分布的密度、深度关联度较大^［7-10］。芦东旭等^［11］指出黄土丘陵区刺槐林地土壤N、P含量与林龄的增加呈显著升高趋势；马建业等^［12］表明黄土高原丘陵区的生态修复方式下土壤水库蓄水能力自然恢复（荒草地）优于人工修复（刺槐）；梁香寒等^［13］表明柠条林龄与草本群落多样性具有明显关联，与土层深度对土壤有机碳、全氮、全钾均具有显著的影响；土壤因子又是影响植被草本群落生长发育的关键因子^［14］。然而，人工恢复种植树种单一且以深根速生为主，导致生长慢、存活率低等现象，恶化了土壤的理化性质，形成“小老头”等衰败现象，阻碍了植被的生长发育^［15］。有研究指出在人工林植被演替过程中，土壤固肥保水性出现不同程度的退化现象^［16］。杨磊等^［17］表明半干旱黄土丘陵区人工植被均存在不同程度的土壤水分亏缺，阻碍了黄土高原生态的可持续发展。在植被恢复过程中，土壤养分对植被群落的个体生长产生影响，而植被也会通过土壤养分的利用和消耗来影响土壤的理化性质，土壤容重随恢复年限增加而减小，总孔隙度增加，土壤渗透性能和持水能力显著提高，两者是一种相互依赖和制约的关系。

因此，本研究以陕北半干旱黄土丘陵区不同人工植被恢复为研究对象，对其土壤理化性状进行综合研究，以期深入理解不同植被对土壤肥力的影响，从而对陕北地区植被恢复治理及生态建设具有一定参考价值。

1 研究区概况

研究区位于陕北榆林市横山区，位于鄂尔多斯草原向黄土高原过渡地带，毛乌素沙漠南缘，僻处内蒙古、陕西交界，地处108°56′~110°01′E，37°21′~38°14′N范围内。常年干燥少雨，年内降雨分配不均，大部分降雨多发生于7~9月，2023年降水量为456.3 mm，年平均日照时数2 815.8 h，2023年平均气温为10.8 ℃，≥10 ℃有效积温2 800 ℃，无霜期148 d。代表植被有沙棘（Hippophae rhamnoides）、柠条（Caragana microphylla）、杜梨（Pyrus betulaefolia）、侧柏（Platycladus orientalis）等。

2 材料与方法

2.1 样地布设

2023年7月，选取沙棘、杜梨、柠条、撂荒地4个不同植被类型为研究样地。样地详细信息见表1。

2.2 土壤样品采集

在不同植被恢复样地内以直径为5 cm的土钻进行土壤取样，取样分3层，分别为0~<20 cm、20~<40 cm、40~60 cm，深度共计60 cm，并各选取2个20 m×20 m样方作为重复，共设置12个样方。每层土样分别混合均匀，装袋、编号、记录，带回实验室分析。

2.3 指标测定

采用环刀浸水-烘干法测定并计算土壤容重和自然含水量、饱和含水率和总孔隙度，分别采用pH计和电导率仪测定土壤pH（水土比为2.5∶1）和电导率（水土比为5∶1）、采用硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比测法测定土壤全磷、采用重铬酸钾氧化法—外加热法测定土壤有机质^［18］。

2.4 统计方法

各指标隶属度值通过模糊隶属度函数计算，函数类型依据其与土壤质量变异呈正相关或负相关而定^［19］，通过土壤质量指数计算的得分，该值越高，代表土壤质量越好。

用Excel（2010）软件对数据进行整理及制图，通过SPSS（22.0）软件对实验所取得数据整合后进行单方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型对土壤物理性质的影响

由图1可以看出，不同植被类型的土壤物理性质存在显著差异。4种不同植被类型土壤含水量顺序为杜梨（3.70%）>撂荒地（3.29%）>沙棘（3.15%）>柠条（2.79%）。在0~<40 cm土层，撂荒地土壤含水量显著低于其他植被类型（P<0.05），而在40~60 cm土层，土壤含水量则以撂荒地最高（3.50%）。

4种不同植被类型土壤饱和含水量顺序为撂荒地（47.72 g/kg）>柠条（42.69 g/kg）>杜梨（41.62 g/kg）>沙棘（38.51 g/kg）。4种不同植被类型在0~<20 cm土层土壤饱和含水量撂荒地最高（49.14 g/kg），显著高于其他植被，沙棘最低（40.08 g/kg），与柠条无显著差异，且显著低于杜梨和撂荒地；4种不同植被类型在20~<40 cm土层土壤饱和含水量撂荒地最高（49.40 g/kg），显著高于其他植被，沙棘最低（38.02 g/kg），与杜梨无显著差异，且显著低于柠条和撂荒地；4种不同植被类型在40~60 cm土层土壤饱和含水量撂荒地最高（44.62 g/kg），与柠条无显著差异，显著高于其他植被，沙棘最低（37.43 g/kg），与杜梨无显著差异，显著低于其他植被。

4种不同植被类型土壤总孔隙度顺序为杜梨（52.37%）>柠条（51.49%）>撂荒地（51.39%）>沙棘（48.24%）。4种不同植被类型在0~<20 cm土层土壤总孔隙度杜梨最高（56.81%），与撂荒地无显著差异，显著高于其他植被，柠条最低（50.97%），与沙棘无显著差异，显著低于其他植被；4种不同植被类型在20~<40 cm土层土壤总孔隙度柠条最高（51.18%），与杜梨、撂荒地无显著差异，显著高于沙棘，沙棘最低（46.69%），与撂荒地无显著差异，显著低于其他植被；4种不同植被类型在40~60 cm土层土壤总孔隙度柠条最高（52.02%），与杜梨、撂荒地无显著差异，显著高于沙棘，沙棘最低（45.75%），显著低于其他植被。

4种不同植被类型土壤容重顺序为沙棘（1.25 g/cm³）>杜梨（1.24 g/cm³）>柠条（1.21 g/cm³）>撂荒地（1.13 g/cm³）。4种不同植被类型在0~<20 cm土层土壤容重沙棘最高（1.29 g/cm³），显著高于其他植被，撂荒地最低（1.20 g/cm³），显著低于其他植被；4种不同植被类型在20~<40 cm土层土壤容重杜梨最高（1.27 g/cm³），与沙棘、柠条无显著差异，显著高于撂荒地，撂荒地最低（1.13 g/cm³），显著低于其他植被；4种不同植被类型在40~60 cm土层土壤容重撂荒地最高（1.23 g/cm³），柠条最低（1.13 g/cm³），之间无显著差异。

3.2 不同植被类型对土壤化学性质的影响

由图2可以看出，不同植被类型的土壤化学性质存在显著差异。4种不同植被类型土壤pH顺序为沙棘（7.99）>杜梨（7.97）>柠条（7.75）>撂荒地（7.48）。4种不同植被类型在0~<20 cm土层pH沙棘最高（8.08），与杜梨、柠条无显著差异，显著高于撂荒地，撂荒地最低（7.63），与柠条无显著差异，显著低于其他植被；4种不同植被类型在20~<40 cm土层pH杜梨最高（8.40），显著高于其他植被，柠条最低（7.37），显著低于其他植被；4种不同植被类型在40~60 cm土层pH沙棘最高（7.90），与柠条无显著差异，显著高于其他植被，撂荒地最低（7.43），与杜梨无显著差异，显著低于其他植被。4种不同植被类型土壤电导率顺序为沙棘（118.47 μS/cm）>杜梨（99.41 μS/cm）>柠条（99.08 μS/cm）>撂荒地（92.29 μS/cm），且在各土层沙棘电导率最高。4种不同植被类型土壤有机质顺序为柠条（10.93 g/kg）>沙棘（7.97 g/kg）>杜梨（5.52 g/kg）>撂荒地（1.68 g/kg）。4种不同植被类型在0~<20 cm、20~<40 cm、40~60 cm土层有机质最高均为柠条（14.56 g/kg）、（10.02 g/kg）、（8.20 g/kg），显著高于其他植被，最低均为撂荒地（2.07 g/kg）、（1.70 g/kg）、（1.27 g/kg），显著低于其他植被。

4种不同植被类型土壤全磷顺序为沙棘（0.38 mg/kg）>杜梨（0.32 mg/kg）>柠条（0.31 mg/kg）=撂荒地（0.31 mg/kg）。4种不同植被类型在0~<20 cm土层深度时土壤全磷沙棘最高（0.38 mg/kg），与杜梨、柠条无显著差异，撂荒地最低（0.28 mg/kg），显著低于其他植被；4种不同植被类型在20~<40 cm土层土壤全磷沙棘最高（0.36 mg/kg），杜梨最低（0.31 mg/kg），之间无显著性差异；4种不同植被类型在40~60 cm土层土壤全磷沙棘最高（0.39 mg/kg），显著高于其他植被，柠条最低（0.28 mg/kg），与杜梨、撂荒地无显著差异，显著低于沙棘。

3.3 基于线性评价模型的土壤质量评价

由图3可以看出，研究区不同植被类型土壤质量指数存在显著差异，基于全部数据集的线性评价模型土壤质量指数介于0.32~0.65，不同植被类型土壤质量指数从大到小表现为沙棘（0.54）>杜梨（0.49）>柠条（0.45）>撂荒地（0.37）。

4 讨论与结论

土壤水分是区域林草植被生长恢复关键因素，随着土层深度的增加，其剖面水分含量及时空变异特征存在显著差异^［20］。本研究表明杜梨土壤含水量最高，柠条最低，在不同植被类型间土壤含水量也呈现显著差异，植被恢复的群落结构、生物量以及叶片特征的差异导致其蒸腾耗水量明显不同^［21-23］。杜梨的抵御干旱胁迫的能力能够保持自身叶片气孔的正常形态，具有较强的光合能力和较高的水分利用效率。柠条林随着林龄的增加，容易形成“小老树”，保水和固土有所降低^［13］。在黄土高原地区乔灌草结构丰富，半干旱黄土丘陵区土壤土质为黄绵土，土壤质地较为均一，且植被根系分布错综复杂，导致不同植被类型在20~60 cm土层深度时，土壤容重差异性较小。黄土高原地区丰富的乔灌草空间布局在改善土壤结构、增加土壤孔隙度、提高土壤蓄水、保水功能等方面具有显著作用。柠条饱和含水量高于杜梨和沙棘，改善土壤结构优于其他两种灌木，这与田昕等^［24］研究结果类似。在0~<20 cm土层深度时，研究区土壤饱和含水量和总孔隙度高于其他土层，与表层存在生物结皮有关^［25］，随着土层深度的增加，呈现降低的趋势，这与周琳等研究结果类似^［26］。本研究结果显示，植被类型差异显著调控了土壤物理性质，杜梨在提高土壤孔隙度以及维持土壤水分方面具有优势。

土壤养分时空分布特征与植物生长之间存在反馈机制，植被演替影响土壤生态系统的发育，土壤养分制约植物的生长。土壤理化性质、土壤质地、水盐状况及其相互关系等共同决定着群落物种组成及其多样性^［27-28］。在本研究中，由于植物表面凋落物的质量、组成、分解速度不同等原因，导致不同植被类型土壤pH、电导率、有机质、全磷在不同土层间存在显著性差异。在0~60 cm土层深度，沙棘土壤化学指标平均值高于其他3种植被，高pH通过影响土壤脲酶活性可以有效减少土壤中氮素的流失，使得植物可以更好的利用氮素^［29-30］。沙棘属于固氮植物，其固氮能力强，植株的凋落物归还养分多，根系分泌有机物以及植物表层的残落物，使得沙棘灌木根际土壤有机质含量较高，可以有效促进植被-土壤理化性质之间共同演替发展^［31］。

土壤养分状况对植被生长影响显著，半干旱黄土丘陵区存在土壤养分贫瘠现象，且生态环境较差，改善土壤肥力状况是生态重建的关键^［32］。本研究中基于全部数据集的线性与非线性评价模型撂荒地土壤质量指数均小于其他植被类型，与前人研究结果相同。沙棘、柠条、杜梨根系可有效改善土壤结构、固定沙土，减少养分流失，枯落物和腐殖质则削弱了水蚀风蚀时地表土壤分化^［33-34］。撂荒地植被覆盖率较低，人为干扰严重，降水时土壤侵蚀以及养分流失较为严重，所以撂荒地土壤质量较差。

植被类型差异显著调控了土壤理化性质，杜梨在提高土壤孔隙度以及维持土壤水分方面具有优势，沙棘林地在土壤pH以及磷元素固定方面具有优势，而柠条林地具有较高的有机质。综合各项指标发现，沙棘林对土壤质量综合提升最高，其次为杜梨林、柠条林，撂荒地。不同植被类型土壤质量指数随土层深度的增加出现下降趋势，垂直分布特征显著。

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基金资助

延安大学科研项目(2023JBZR-20)