地类人工林土壤物理性状的监测分析.pdf

第 2 5 卷第 3 期 2 0 0 56月 水土保持通报 B u l l e t i n o f S o i l a n d Wa t e r C o n s e r v a t i o n Vo l 2 5 J u n No 3 2 0 0 5 黄土丘陵区不同土壤地类人工林 土壤物理性状的监测分析 曹世雄 李德 陈莉3 张惠茹3 高旺盛 1 中国农业大学农学院区域农业发展研究中心 北京 1 0 0 0 9 4 2 延长县气象局 陕西 延长 7 1 7 1 0 0 3 延安市水土保持研究所 陕西 延安 7 1 6 0 0 0 摘要 在我国黄土高原丘陵沟壑区 分布着黄绵土 红胶泥土以及土壤与岩石过渡类型 风化岩沫土 等土壤类型 研究结果表明 各类树种和配置对以上土壤物理性状均有改良作用 以浅根性沙棘 刺槐和 树根穿透力强的侧柏 杨树及其混交配置表现最好 乔灌混交在加速成林的同时能有效减少土壤耗水量 同时发现 造林使风化岩沫土土壤地类孔隙度和0 8 0 c m土层含水量增加 反映了这类土壤植树造林的潜 力较大 这在我国水土流失不断加剧的今天是非常有意义的发现 关键词 劣质土壤 人工造林 黄绵土 红胶泥 风化岩沫土 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 2 8 8 X 2 0 0 5 0 3 0 0 6 1 0 4中图分类号 5 7 1 4 2 O b s e r v a t i o n a n d A n a l y s i s o n P h y s i c a l P r o p e r t i e s i n D i f f e r e n t T y p e s o f S o i l U n d e r A r t i f i c a l F o r e s t s i n L o e s s H i l l y g u l l y R e g i o n C A O S h i x io n g i L I D e 2 C H E N L i3 Z H A N G H u i r u 3 G A O W a n g s h e n g t 1 R e g io n a l A g r i c u l t u r e R a n d D C e n t r e C o l l e g e o f A g r o n o m y a n d B i o t e c h n o l o g y C h i n a A g r i c u l t u r e U n i v e r s i t y B e ij i n g 1 0 0 0 9 4 C h i n a 2 W e a t h e r B u r e a u o f Y a n c h a n g C o u n t y Y a n c h a n g C o u n t y 7 1 7 1 0 0 3 S h a a n x i P r o v i n c e C h i n a 3 I n s t i t u t e o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n Y a n a n C i t y 7 1 6 0 0 3 S h a a n x i P r o v n c e C h i n a A b s t r a c t I n l oes s h i l l y g u l l y r e g i o n t h e r e e x i s t i n g m a n y t y p e s o f s o i l s u c h a s l o e s s a l s o i l r e d c l a y m a n t l e r o c k s o i l a n d s o o n B a s e d o n o b s e r v a t i o n a n d t e s t i n g a f t e r p l a n t i n g d i f f e r e n t k i n d s o f t r e e s i n l oes s a l s o i l r e d c l a y a n d m a n t l e r o c k s o i l t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t p l a n t i n g d i f f e r e n t t r e e s c a n i m p r o v e t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s o i l E s p e c i a l l y p l a n t i n g助p o p h a e r h a m n o i d e s l o c u s t o r i e n t a l a r b o r v i t a e p o p l a r a n d m i x e d p l a n t e d w i t h t h e s e f o u r t r e e s a r e b e t t e r t h a n o t h e r t r e e s Mi x e d p l a n t i n g c a n a c c e l e r a t e t h e t r e e g r o w i n g a s w e l l a s d e c r e a s e s o i l w a t e r u s e e f f e c t i v e l y A n d t h e s o i l p o r o s i t y i n m a n t l e r o c k s o i l a n d t h e s o i l w a t e r c o n t e n t b e t w e e n 0 8 0 c m h a d i n c r e a s e d t h i s s h o w e d t h a t p l a n t e d t r e e s i n m a n t l e r o c k s o i l h a d c e r t a i n p o t e n t i a l w h i c h i s v e ry s i g n i f i c a n t f o r h o l d i n g b a c k t h e t r e n d o f s o i l a n d w a t e r l o s s i n loes s h i l l y g u l l y r e g i o n K e y w o r d s p o o r s o i l a r t i f i c i a l f o res t s l o e s s a l s o i l r e d c l a y m a n t l e r o c k s o i l 1 9 世纪末 由于人工纯林树种配置和利用的单美国麦迪逊举行了恢复生态学学术研讨会 1 9 8 5 年 一性 导致病虫害加剧 系统退化和生产力下降 给林美国学者A t e r 和J e r d e n 出版了 恢复生态学 近自 业发展造成一系列负面影响 1 8 8 0 年 德国 林学家然修复 成为生态学研究的热点 1 2 1 0 G a y e r 提出了 接近自 然林 N e a r n a t u r l F o r e s t ry 林随着我国 生态环境建设事业的 不断发展 广大科 业经营理论 认为人类要尽可能地按照自 然规律来从学家和科技工作者在人工造林方面做了很多探索 如 事林业活动 进人2 0 世纪7 0 年代以 后 由于生态环立地条件 气候 土地类型对人工造林的影响等等 在 境恶化和人工林的进一步退化引发的一系列生态 经土地类型方面的着眼点主要放在了前期利用方面 济和社会问题 生物多样性的重要性受到高度重视 如把土地类型划分为荒地 退耕地等被称作宜林 近自 然林 的思想在欧洲 特别是在中欧受到广泛关土地 关于劣质土壤地类自 身特点及人工造林对其影 注 其技术和理论得到进一步完善 1 9 8 4 年 1 0 月在响方面的研究尚未引起人们的足够重视 在广大黄 收稿日 期 2 0 0 4 1 0 1 5 资助项目 国家重点基础研究发展规划项目 6 2 0 0 0 0 1 8 6 0 6 延河流域世行贷款项目 3 2 2 2 C H A 作者简介 曹世雄 1 9 6 5 男 汉族 陕西延川人 高级工程师 博士 主要研究方向为水土保持等 电话 0 1 0 6 2 7 3 1 1 6 3 E m a i l s h i x io n g c a o O 1 6 3 c o mo 水土保持通报第 2 5 卷 土高原丘陵沟壑区 从表层向深层依次分布着黄绵土 土层 红胶泥土层以及土壤与岩石过渡类型 风化 岩沫土土层 土壤流失后岩石分化形成的最初土壤类 型 也称石漠化土壤 由于水土流失的长期切割作 用 以上3 种土壤依次裸露了出来 从而形成 3 种不 同 的 土 壤 地类 一 从1 9 9 6 年起 我们在延安市下贬沟流域开展了 劣质土壤造林实验 该项研究的着眼点主要放在了土 壤特征与树木生长之间的关系方面 研究这一地区人 工造林对各类土壤的影响 1 2 3 观测指标与方法每年汛期 4 1 0 月 每月 1 0 2 0 3 0日 对各样区和坡耕地土壤含水量进行定期 测定 随机选点取土 深度为2 0 4 0 6 0 8 0 c m 每个 小区每次选3 个取土点取平均值 每年4 月 1 0日 和 1 0 月 1 0日2 次对各区和坡耕地土壤孔隙度进行定 期测定 工具为环刀 取土深度为2 0 c m 每个小区每 次选 3 个取土点 1 项目概况 1 1 试验区自然概况 试验区位于中国黄土高原陕西省延安市下贬沟 小流域 东经1 0 9 0 2 6 1 5 北纬3 6 0 3 2 3 0 流域内 植被 破坏严重 地形破碎 属黄土丘陵区 海拔高度9 9 3 7 一1 1 9 1 2 m 下贬沟试验区面积 1 2 1 k m 2 土壤类型从沟底 至山顶依次为风化岩沫土 红胶泥土和黄绵土土壤 它们分别占整个试验区面积的 5 3 9 2 8 5 5 以上3 种土层厚度分别为0 2 0 5 0 5 一 2 5 和2 0 一1 5 0 m 土壤侵蚀强烈 年侵蚀模数1 5 0 0 0 t k m 2 年平均气温9 4 9C 年平均降水5 4 7 4 m m 多 年汛期平均降水4 1 3 6 m m 1 9 9 7 2 0 0 1 年汛期降水 3 6 4 0 m m 其中7 1 2 集中于6 9 月份 年无霜期 1 4 7 d o 1 2 试验材料与方法 1 2 1 树种与土壤类型试验选用杨树 P o p u l u s d a v i d i a n a D o d e 沙棘 H i p p o p h a e r h a m n o i d e s L 柏树 B i o t a p s e u d o a c a c i a L 柠条 C a r a g a n a K o r s h i n s k i i K o m 刺槐 R o b i n i a p s e u d o a c a c i a L 元宝枫 A c e r t r u n c a t u m B g e 6 个树种 配置方式为 单一型 纯种林 和混交林 混交配置共 3 种 分别为 沙棘与杨树混交 沙棘与柏树混交 刺槐与柠条混交 每 1 种配置方式布设在不同的3 种土壤地类 黄绵土 地类 红胶泥地类 风化岩沫土地类 1 2 2 试验设计 共设2 个试验区 背坡 阳 坡各一 个 每一试验区由3 个土壤类型小区组成 每一个土 壤类型小区上有9 种配置模式 每种模式面积不小于 5 mx 2 0 m 根据地形条件确定 各种土壤地类统一 按宽1 5 m 边坎3 0 c m X 3 0 c m水平沟整地 栽植方 式为穴植 单一型 纯林 密度统一为行距 2 m 株距 l m 混交配置乔木行距 4 m 株距2 m 每2 株乔木 间栽一株灌木 栽植时间统一为 1 9 9 7 年春天 除土 壤类型不同外其它条件力求一致 2 实验结果与分析 2 1 风化岩沫土土壤地类不同林种配置土壤水分和 物理性状监测分析 研究测量结果表明 风化岩沫土土壤地类混交林 对土壤物理性状的改良作用最明显 5 a 内使土壤孔 隙度增加了1 2 3 2 其次是乔木林和灌木林 分别 增加了1 0 1 9 和9 4 3 混交林中沙棘与杨树混 交林的改土作用最明显 5 a 内土壤孔隙度增加了 1 3 2 沙棘与柏树混交 刺槐与柠条混交分别增加 了1 2 0 7 和1 1 6 9 乔木林中 刺槐改土作用最明 显 5 a 内使土壤孔隙度增加了1 1 3 2 其次为柏 树 杨树和元宝枫 分别增加了1 0 9 4 9 4 3 和 9 0 5 灌木林中沙棘改土作用较柠条强 5 a 内土 壤孔隙度增加了1 2 0 7 柠条增加了6 7 9 0 从土壤含水量来看 混交林含水量最高 5 a 平均 为 1 2 3 0 高出对照 3 5 0 2 其次为灌木林 1 1 0 8 和乔木林 1 0 7 3 分别比对照高2 1 6 2 和 2 1 1 9 o混交林中 沙棘与柏树混交含水量最高 5 a 平均为1 2 6 0 其次为沙棘与杨树混交1 2 4 5 和 刺槐与柠条混交 1 1 8 5 分别比对照高 3 8 3 1 3 6 6 6 和3 0 0 8 在乔木林中 刺槐林含水量最 高 5 a平均含水量为 1 2 5 2 其次为柏树林 1 0 7 4 杨树林1 0 0 6 和元宝枫林9 6 0 分别比 对照高3 7 4 5 1 7 8 9 1 0 4 3 和5 3 8 灌木 林中 沙棘表现好于柠条 分别为1 2 5 4 和1 0 0 6 比对照高3 7 6 5 和1 0 4 3 见表 1 风化岩沫土 土壤地类造林后土壤水分不仅没有减少反而增加 其 中具有旺盛生命力的沙棘 刺槐 柏树以及它们的混 交林对风化岩沫土的改良 作用更为突出 表层土壤水 分含量也显著提高 标志着这类土壤在人工造林方面 的巨大潜力 2 2 红胶泥土壤不同林种配置土壤水分和物理性状 监测分析 观测研究结果表明 红胶泥土壤地类混交林对土 壤物理性状的改良 作用更明显 5 a 内土壤孔隙度增 加了1 1 5 7 其次是灌木林和乔木林 分别增加了 9 0 6 和8 4 9 0 混交林中 沙棘与杨树混交表现较 第 3 期曹世雄等 黄土丘陵区不同土壤地类人工林土壤物理性状的监测分析 好 5 a 内土壤孔隙度增加了1 2 0 7 其次是沙棘与 柏树混交和刺槐与柠条混交 分别增加了1 1 6 9 和 1 0 9 4 灌木林中沙棘改良 效果比 柠条明显 孔隙 度分别增加了1 0 9 4 和 7 1 7 乔木林对土壤改 良作用依次为刺槐 杨树 柏树和元宝枫 5 a 内孔隙 度分别增加了1 0 1 8 9 0 5 7 9 2 和6 7 9 0 表 1 不同土壤地类布设前后土壤物理性状监测分析 土壤类型风 化 岩 沫 土 土 壤红 胶 泥 土 壤黄 绵 土 土 壤 第五年 第四年 第三年 第二年 第一年 布设前 第五年 第四年 第三年 第二年 第一年 布设前 第五年 第四年 第三年 第二年 第一年 树布 赘 项目 氰 置 含水量 容重 g c m 孔隙度 9 7 88 1 3 1 0 8 6 1 0 8 8 1 3 1 2 1 0 1 3 9 7 6 9 7 8 1 7 2 2 1 0 8 0 1 4 4 3 9 5 9 3 1 5 4 1 4 9 1 4 7 1 4 4 1 3 3 1 2 7 1 4 6 1 4 2 1 3 5 1 3 4 9 6 5 1 6 2 0 1 0 4 5 1 4 3 9 1 2 4 1 2 7 1 2 5 1 1 9 8 8 5 1 1 9 8 5 3 1 1 7 4 1 8 9 4 3 8 7 4 4 7 2 4 5 8 5 4 9 9 3 5 2 0 8 4 4 9 1 4 6 4 2 4 8 9 6 4 9 6 2 5 1 4 2 5 3 4 0 5 2 0 8 5 2 9 2 5 5 0 0 5 4 9 9 5 6 0 4 5 6 8 9 乔木林 含 水 量 1 0 8 6 1 1 3 4 1 3 7 3 1 0 4 0 1 0 1 2 9 8 3 1 7 2 2 1 0 8 3 1 4 5 1 9 6 4 9 8 4 9 6 8 1 6 2 0 9 7 3 1 3 9 8 8 5 7 8 1 1 7 6 6 容 重 g c m 3 1 5 4 1 5 0 1 4 6 1 4 5 1 3 6 1 2 9 1 4 6 1 3 9 1 3 7 1 3 4 1 2 7 1 2 2 1 2 7 1 2 4 1 1 7 1 1 3 1 1 3 1 1 2 孔 隙 度 4 1 8 9 4 3 4 0 4 4 9 1 4 5 4 8 4 8 8 7 5 1 3 2 4 4 9 1 4 7 5 5 4 8 4 9 4 9 6 2 5 2 2 7 5 3 9 7 5 2 0 8 5 3 4 0 5 6 0 4 5 7 5 5 5 7 5 5 5 7 9 3 灌木林 1 0 8 6 1 2 5 0 1 5 3 8 1 1 6 8 1 1 2 2 1 0 7 1 1 7 2 2 1 0 7 8 1 4 4 7 9 6 2 9 9 8 9 6 6 1 6 2 0 1 0 1 6 1 4 1 2 8 5 6 8 3 9 8 0 2 3 1 5 4 1 4 7 1 4 7 1 4 3 1 5 3 1 2 1 1 4 6 1 4 0 1 3 4 1 3 5 1 2 2 1 1 5 1 2 7 1 2 5 1 1 9 1 1 9 1 1 4 1 1 1 4 1 8 9 4 4 5 3 4 4 4 0 4 6 1 6 4 9 6 9 5 4 2 1 4 4 9 1 4 7 1 7 4 9 3 1 4 9 0 6 5 3 8 3 5 6 4 8 5 2 0 8 5 2 9 6 5 4 9 7 5 4 9 7 5 6 8 6 5 8 2 4 平含 水 量 容重 g c m 均 孔隙度 1 0 8 6 1 1 5 7 1 4 0 8 1 0 8 4 1 0 3 7 1 0 1 1 1 7 2 2 1 0 8 0 1 4 4 7 9 6 2 9 8 7 9 6 6 1 6 2 0 1 0 1 1 1 4 1 6 8 6 6 8 3 4 7 9 4 一 3 1 5 4 1 4 9 1 4 7 1 4 4 1 4 1 1 2 6 1 4 6 1 4 0 1 3 5 1 3 4 1 2 6 1 2 0 1 2 7 1 2 5 1 1 8 1 1 7 1 1 5 1 1 2 4 1 8 9 4 3 9 3 4 4 6 8 4 5 8 3 4 9 5 0 5 2 5 4 4 4 9 1 4 7 0 5 4 8 9 2 4 9 4 3 5 2 5 1 5 4 6 2 5 2 0 8 5 3 0 9 5 5 3 4 5 5 8 4 5 6 8 2 5 7 6 9 含 水 量 1 0 8 6 9 4 8 1 1 5 1 8 7 7 8 3 2 8 0 7 1 7 2 2 1 1 8 1 1 5 8 3 1 0 5 0 1 0 9 3 1 0 6 3 1 6 2 0 1 1 8 2 1 6 0 6 1 0 0 7 9 5 2 9 2 3 容重 g c m 3 1 5 4 1 5 4 1 5 3 1 5 4 1 5 3 1 5 3 1 4 6 1 4 6 1 4 5 1 4 6 1 4 5 1 4 4 1 2 7 1 2 7 1 2 6 1 2 7 1 2 6 1 2 6 孔 隙 度 4 1 8 9 4 1 8 9 4 2 2 6 4 1 8 9 4 2 2 6 4 2 2 6 4 4 9 1 4 4 9 1 4 5 2 8 4 4 9 1 4 5 2 8 4 5 6 6 5 2 0 8 5 2 0 8 5 2 4 5 5 2 0 8 5 2 4 5 5 2 4 5 坡耕地 从土壤含水量角度来看 树木消耗了更多的水 分 尽管工程和生物措施能有效拦蓄降水 但其土壤 含水量还是低于相同土壤的坡耕地 混交林 灌木林 和乔木林 5 a 平均土壤水分含量分别为 1 0 9 0 1 0 9 0 和 1 0 8 5 分别比坡耕地减少 8 7 1 8 7 1 和9 1 3 乔 灌及混交配置之间没有明显差 异 混交林中沙棘与杨树混交土壤含水量最低 为 1 0 5 5 沙棘与柏树混交和刺槐与柠条混交 分别为 1 0 6 8 和1 1 4 7 比坡耕地少 1 1 6 4 1 0 5 5 和 3 9 4 灌木林中沙棘土壤含水量相对较低 为 1 0 5 9 柠条林为1 1 2 1 分别比 相同土壤坡耕地 少1 1 3 1 和6 1 1 乔木林中 杨树林含水量最低 5 a 平均为 1 0 4 6 其次为刺槐 1 0 4 9 柑树 1 1 1 5 元宝枫1 1 2 1 分别比 相同土壤坡耕地少 1 2 4 0 1 2 1 4 6 6 2 和6 1 1 见表 1 树木 生长速度越快 表层土壤水分亏损越严重 2 3 黄绵土土壤不同林种配置土壤水分和物理性状 监测分析 研究观测结果表明 黄绵土地类混交林对土壤物 理胜 状改良作用最明显 5 a内土壤孔隙度增加了 6 1 6 其次是灌木林和乔木林 分别增加了5 8 5 和4 8 1 混交林中沙棘与杨树混交改土作用最显 著 其次为刺槐与柠条混交和沙棘与柏树混交 5 a 内 土壤孔隙度分别增加了7 1 7 6 0 3 和5 2 8 0 在黄绵土地类 柠条改土作用比沙棘略好 5 a 内土壤 孔隙度分别增加了6 0 3 和5 6 6 乔木林中杨树 改土作用略好于刺槐 其次为元宝枫和侧柏 5 a 内土 壤孔隙度分别增加了6 7 9 6 0 3 3 7 7 和 2 6 4 见表 1 杨树略好于刺槐是因为杨树在塌地 上生长优于刺槐的原因 从土壤含水量来看 黄绵土造林后土壤含水量也 明显低于相同土壤的坡耕地 混交林 乔木 灌木0 8 0 c m土层含水量分别为9 8 5 1 0 0 7 和9 6 3 5 a 平均分别比坡耕地减少 1 3 1 4 1 1 2 0 和 1 5 0 8 混交林中沙棘与杨树混交土壤含水量最低 为8 6 3 沙棘与柏树混交和刺槐与柠条混交略高 为1 0 0 3 和1 0 8 9 分别比 坡耕地减少2 3 9 0 1 1 5 5 和3 9 7 灌木林中沙棘土壤含水量较低 为8 5 6 柠条林为 1 0 6 5 分别比坡耕地减少 2 4 5 1 的6 0 8 乔木林中杨树林含水量最低为 8 5 4 其次为刺槐 9 5 6 元宝枫 1 1 0 6 和柏树 1 1 1 1 分别比对照减少2 4 6 9 1 5 9 0 2 4 7 和2 0 3 林木生长量与土壤水分含量呈明显负相 关关系 水土保持通报第 2 5 卷 3 结论 植树造林对土壤有明 显的改良 作用 研究结果表 明 无论什么树种 也无论在什么样的土壤地类 造林 后土壤孔隙度呈逐年增大趋势 容重呈逐年缩小趋势 见表 1 其中5 a 内红胶泥土壤地类土壤孔隙度增 加了1 6 9 2 风化岩沫土土壤增加了1 1 3 2 黄绵 土土壤增加了9 0 2 从含水量角度来看 树木耗水 量大于作物 林地土壤中含水量低于相同土壤的坡耕 地 5 a 平均黄绵土地类减少了3 4 红胶泥地类减 少了2 2 8 相反 风化岩沫土土壤地类含水量增 加了2 1 7 这可能是人工植树造林时对土壤扰动 和树木对土壤的改良 作用 一方面大大提高了土壤的 持水能力 另一方面树木根系深人岩石缝隙 促进了 地下水的供给 或叫提吸作用 造林使风化岩沫土 土壤孔隙度和0 8 0 c m土层含水量增加 反映了这 类土壤植树造林的潜力较大 这在我国基本建设大发 展和水土流失不断加剧的今天是非常有意义的发现 土壤水分含量受降水 地下水位高度 地表蒸发等多 种因素的影响 研究结果表明 风化岩沫土土壤分布 在沟谷的最底部 地下水位最高 因此0 8 0 c m表层 土壤含水量随降雨量变化的变化幅度最小 5 a 内林 地土壤水分变化幅度为3 9 7 对应坡耕地变化幅 度为3 4 2 而红胶泥土壤变化幅度分别为7 6 0 和6 7 2 黄绵土变化幅度最高 分别为 7 8 6 和 6 9 7 风化岩沫土土壤地类较为稳定的含水量为 造林树种的选择提供了更大可能 从林种类型来看 各类树种和配置对土壤物理性 状均有改良作用 以浅根性沙棘 刺槐和树根穿透力 强的侧柏 杨树及其混交配置表现最好 乔灌混交在 加速成林的同时能有效减少土壤耗水量 随着我国 基本建设的进一步发展和水土流失长期性的基本国 情 风化岩沫土和红胶泥土壤地类的面积呈快速增加 趋势 这两类土壤位于黄绵土的底部和沟谷两岸 是 发生沟蚀和泥石流最严重的土壤类型 这两类土壤地 类的治理具有成效快和效益高特点 填补了一些学者 认为这2 种土壤地类不宜造林的空白 建议进一步加 强对这2 类土壤水土保持工作的研究 参考文献 川M o s d n