不同植被类型对黄河三角洲贝壳堤土壤水文功能的影响

魏晓明，夏江宝，孔雪华，任加云，杨吉华

贝壳堤是由海生贝壳及其碎片和细砂、粉砂、泥炭、淤泥质黏土薄层组成，与海岸大致平行或交角很小的堤状地貌堆积体。黄河三角洲位于渤海西南岸，境内分布有两道贝壳堤，向北与天津、河北地区的贝壳堤相连，形成国内独有的贝壳滩脊海岸，在此基础上发育了该生境特殊的堆积型链状岛群［1］。黄河三角洲贝壳堤在维持与稳定海岸地貌、海平面变化及气候变化等方面占有极其重要的地位。贝壳堤土壤及淡水资源缺乏，常受海风和风暴潮袭击；同时受人为干扰的影响，植被呈现不同程度的退化，导致水土流失加剧。贝壳堤生境下的植被恢复与重建可起到防风固沙、保持水土的功能，对改善区域生态环境和维持生态系统稳定具有重要意义［2－3］。随着距离海岸带远近的不同，贝壳堤植被呈现一定的地带性特征，目前对贝壳砂生境不同植被类型下的生态水文物理特性尚不明确，以致于基于土壤水文功能和蓄水保土效益为经营目的的植被模式配置受到较大限制。

土壤层是森林水文作用的第3个活动层，被称为大气降水的“蓄存库”和“调节器”，而土壤质地及植被类型的不同使土壤层蓄水保土能力有较大差异［4－6］。土壤水文物理特征是森林生态系统水分循环中林分结构与功能的综合体现，常被作为评价土壤质量的重要指标［7－8］。土壤层的贮蓄及调节水能力与土壤容重、孔隙度等基本物理指标和土层厚度密切相关［4－5，7］。土壤水分入渗是明确地表径流调节机制及土壤侵蚀防治研究的重要指标，与土壤理化性质关系较大［9－10］。目前对土壤蓄水功能的研究主要以山丘区的不同植被类型为主［5－8］，而对海岸带防护林的土壤改良及其保持水土功能研究较少［11－12］。黄河三角洲贝壳堤生境不同立地类型下的植被改善土壤水文物理性质及涵养水源能力的分析尚未见报道，在一定程度上限制了贝壳堤防护林植物材料的选择及其栽植管理。为此，本研究选取距离泥质海岸带由远到近的向海侧、滩脊地带及向陆侧的三种植被类型为分析对象，对其改良盐碱状况、土壤物理性状、渗透性能及土壤层贮蓄水分能力进行对比分析，以期为黄河三角洲贝壳堤水土保持防护林的空间布局及模式配置提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于山东滨州市无棣县中东部滨海低地的汪子岛（38°14′30″N，117°54′38″E），属于暖温带东亚季风大陆性半湿润气候区，年均降水量为550 mm，6—9月降雨量占全年降雨量的71%，蒸降比为4.4。贝壳堤海拔在5m以下，地下水水位浅，矿化度高。贝壳砂平均厚度达1.0～2.5m，土壤类别主要是贝壳砂土类和滨海盐土类，向海侧和向陆侧以滨海盐渍土为主，成土母质由风积物和钙质贝壳土壤组成。植被类型以杠柳（Periploca sepium）、酸枣（Ziziphus jujuba var.spinosa）和柽柳（Tamarix chinensis）等灌木树种和二色补血草（Limonium bicolor）、翅碱蓬（Suaeda salsa）和狗尾草（Setaria viridis）等草本植物为主。

2 研究方法

2.1 样地设置

2012年7月中旬，在山东省滨州市贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区的汪子岛内，以距离海岸带远近选取3种典型植被类型，各植被类型基本状况详见表1。分别为向海侧分布的以柽柳、二色补血草为主的盐生灌草植被，滩脊地带分布的以酸枣、杠柳及狗尾草为主的旱生灌草植被，向陆侧分布的以翅碱蓬为主的盐生草本植被，并以滩涂贝壳砂裸地作为对照。每种植被类型下选取3个10m×10m的标准地，每标准地内按S形均匀布设5个取样点，按0—20cm和20—40cm分层取样，风干后分层混匀进行土壤pH值和含盐量测定；同步挖取土壤剖面测定土壤容重与孔隙度。植被覆盖度采用网格目估法进行测定，每树种各选取30株进行树高和基茎的测定。

表1 贝壳堤不同植被类型的基本状况

2.2 测定方法

土壤pH值采用pH值计（水土比5∶1）测定；可溶性盐采用重量法测定，水土比按5∶1浸提，振荡30 min后静置过滤，吸取10ml过滤液至称过重量的蒸发皿中，110℃下加热烘干至恒重，并加入50%H2O2氧化残留的有机质，最后称重。双环法测定水分在土壤中的渗透速度，内、外环直径分别为30和50cm，双环高度均为35cm，用橡胶锤打入土壤中20cm，人工定量加水到水头深10cm，双环在试验时维持最低水深5cm，秒表计时，利用内环中的标尺读取在单位时间内所消耗的水量，达到稳渗时测定结束。烘干法测定土壤含水量；环刀浸水法测定土壤容重、孔隙度等，并计算土壤贮水量等各项土壤水文物理指标［9，13］。不同植被类型土壤水文功能的综合评价采用模糊数学隶属函数法，计算公式为：

式中：X（u）——隶属函数值；Xi——各植被类型某指标的平均值；Xmin，Xmax——不同植被类型中某指标内的最小值和最大值。如果所测指标与质效呈负相关关系，则反隶属函数值为1－X（u）。

3 结果与讨论

3.1 不同植被类型下的土壤容重和孔隙度

由表2可以看出，在土壤垂直结构上，除滩涂裸地外，滩脊地带的旱生灌草、向海侧的盐生灌草植被及向陆侧的盐生草本植被等3种植被类型的土壤容重均表现为0—20cm低于20—40cm，可见贝壳堤土壤表层土质较疏松，土壤紧实度降低，即植被覆盖下表层土的土壤孔隙度较大。这与其地表有枯落物分解形成一定厚度的腐殖质层有很大关系，土壤孔隙度较大也利于改善表层土的土壤结构，促其形成团粒结构。旱生灌草植被两个土层的土壤毛管孔隙度占总孔隙度的比例分别为81.3%和82.0%，而盐生灌草和盐生草本植被两个土层的比例分别为74.2%，73.8%和70.9%，71.7%。表明贝壳堤旱生灌草植被土壤中有效水的贮存容量较大，利于树木根系对水分的有效利用，有利于形成土壤微生物生存、土壤有机质分解、土壤养分形成与积累的物理环境。因此，贝壳堤岛滩脊地带旱生灌草植被下的土壤可提供酸枣、杠柳等灌木利用土壤有效水分的潜力较大。

在0—40cm的土层内，旱生、盐生灌草植被及盐生草本植被的土壤容重均值分别比裸地降低20.8%，14.5%和8.5%，而3种植被类型下的土壤总孔隙度分别比裸地高46.1%，21.8%和17.1%。这可能与滩脊地带旱生灌草植被茂盛，凋落物丰厚，利于贝壳砂土壤的分解细化有关；而向海侧经常受海浪侵蚀，植被郁闭度低，柽柳退化严重，季节性淹水使草本植被生长也较弱；向陆侧盐分含量高，草本植被覆盖度低，从而土壤改良效应较弱。3种植被类型下的土壤孔隙比分别表现为：旱生灌草地（1.20）＞盐生灌草地（0.83）＞盐生草地（0.78）＞裸地（0.60），不同植被类型的土壤上、下土层孔隙比的大小变化规律也基本一致。造成3种植被类型土壤物理性质存在差异的原因，可能与不同植被类型覆盖下的枯落物组成、分解状况和地下根系的生长发育不同有一定关系［6］。从土壤容重和孔隙度综合分析，滩脊地带旱生灌草植被的土壤通气、透水及持水状况均比较协调，表明滩脊地带旱生灌草植被改良土壤基本物理性能最好。因此，在黄河三角洲贝壳堤3种植被类型中，土壤基本物理性状表现为滩脊地带的旱生灌草植被好于向海侧的盐生灌草植被，而向陆侧的盐生草本植被改良土壤容重和孔隙度效果较差。

表2 贝壳堤不同植被类型的土壤容重和孔隙度

3.2 不同植被类型下的土壤pH值和含盐量

土壤含盐量和pH值变化状况是黄河三角洲盐碱地反映植被改良土壤效应的重要参数［13－14］。由图1可知，贝壳砂生境3种植被类型各土层的土壤pH值和含盐量均低于滩涂裸地各土层的对应值，其中0—40cm土层土壤pH值均值大小表现为：旱生灌草地＜盐生灌草地＜盐生草地＜裸地，分别比裸地降低11.6%，1.7%和0.5%。旱生灌草、盐生灌草、盐生草本植被的土壤含盐量均值分别比裸地下降了88.2%，59.0%和54.2%。这与向海侧和向陆侧微地形下土壤本身盐碱含量较高，而且地表覆盖度低、蒸发量大有关。而滩脊地带由于海拔较高，植被覆盖度高，在一定程度上抑制了地表蒸发，因此，滩脊地带灌草植被降盐功能较好。向海侧盐生灌草植被中柽柳为典型的泌盐植物，所以降盐抑碱功能优于向陆侧的单一草本植被。从垂直变化来看，3种植被类型下的土壤含盐量均表现为0—20cm低于20—40cm土层；而pH值除裸地和旱生灌草植被表土层高于20—40cm土层外，盐生灌草和草本植被均表现为表土层低于20—40cm土层。可见，在贝壳砂生境下，不同类型的植被对土壤均具有一定的压碱抑盐效果，表土层由于受枯枝落叶分解及覆盖的影响，改良盐碱效果优于20—40cm土层。

图1 贝壳堤不同植被类型下的土壤含盐量和pH值

3.3 不同植被类型下的土壤入渗特征

土壤表层的入渗特征对地表径流的产生和流域产流量产生重要影响，是分析地表径流产生与否的前提和基础［15－16］。由图2可以看出，贝壳堤3种植被类型土壤表层的渗透能力表现为：向陆侧盐生草＜滩脊地带旱生灌草＜向海侧盐生灌草＜裸地，其中初始入渗率分别比裸地（10.34mm／min）下降了58.2%，44.9%和25.9%；稳渗速率分别比裸地（5.78mm／min）下降了66.3%，46.1%和24.6%。一般来说，林地土壤的渗透性能越大，越利于降雨的下渗，不易形成地表径流，利于土壤水分的贮存，但由于沙地土壤孔隙较大，易漏水、保水性能差，因此，在一定程度上，土壤渗透性能的减弱有利于土壤水分的贮存［11－12］。滩脊地带的旱生灌草和向陆侧的盐生灌草两种植被类型，均表现为土壤渗透性降低，即土壤沙性减弱，土壤表现出一定的保水性能，并且旱生灌草植被低于盐生灌草植被。但向陆侧的盐生草本植被，由于贝壳砂中混有较多的泥质盐碱土，土壤密实性较大，通气和透水性能降低，严重抑制了水分的下渗，因此其土壤贮蓄降雨的能力较弱。而滩涂裸地由于受海风的吹蚀，使其表层细小颗粒移动较大，表层土壤沙化严重，大颗粒贝壳砂较多，因此，初始入渗和稳定入渗能力均较强，漏水严重，不利于土壤水分的贮存。可见，贝壳砂滩脊地带旱生灌草植被改善土壤物理状况的效果最佳，其土壤水分渗透能力比滩涂裸地的明显降低，有利于土壤水分和肥力的保持，其次为向海侧的盐生灌草植被，而向陆侧盐生草本植被的土壤渗透能力最低，易形成地表径流。

3.4 不同植被类型下的土壤蓄水性能

土壤蓄水能力的增强能有效渗蓄降水，防止水土流失的发生［8－10］。由表3可以看出，3种植被类型下的土壤饱和贮水量表现为：滩脊地带旱生灌草＞向海侧盐生灌草＞向陆侧盐生草，0—40cm土层的土壤饱和贮水量分别是裸地的1.46，1.22和1.17倍，表明不同植被类型在减少地表径流，增强贝壳砂土壤蓄水及防止水土流失等方面均有一定作用，但不同植被类型之间差别较大，其中最大的是滩脊地带旱生灌草植被，其次为向海侧的盐生灌草植被，而向陆侧的草本植被由于土壤通气和透水性能差，其土壤水分贮蓄及调节能力均较弱。土壤蓄水能力主要表现在土壤毛管贮水能力上，土壤毛管贮水能力越高，土壤蓄水能力就越强。旱生灌草、盐生灌草及盐生草本植被0—40cm土层的毛管贮水量分别是裸地的1.85，1.40和1.29倍；表明不同植被类型改善了土壤蓄水性能，但以滩脊地带旱生灌草植被下的土壤蓄水性能最佳。

图2 贝壳堤不同植被类型下的土壤入渗过程

表3 贝壳堤不同植被类型的土壤蓄水性能

0—40cm土层的非毛管贮水量大小表现为：旱生灌草＜盐生灌草＜盐生草＜裸地。表明贝壳堤滩脊地带更利于贮存供植物生长利用的土壤水分，向陆侧盐生草本植被的土壤蓄水能力较弱，这与其草本层植被覆盖度低，土壤盐分含量高有一定关系。从垂直结构来看，3种植被类型的土壤蓄水能力均表现为0—20cm高于20—40cm土层，表明表层土壤贮存水分的能力较强，这与其枯枝落叶分解形成一定厚度的腐殖质层和根系微生物活动有一定关系。

3.5 不同植被类型的土壤水文生态功能评价

贝壳堤3种植被类型土壤水文功能评价共选取12个指标，分别为土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、孔隙比、pH值、含盐量、初始入渗速率、稳定渗透速率、毛管贮水量、非毛管贮水量和饱和贮水量。3种植被类型下各指标的隶属函数值详见表4。由表4可知，向海侧盐生灌草下隶属函数值较高的指标为土壤容重、非毛管孔隙度、含盐量、初始入渗率、稳渗速率和非毛管贮水量，主要表现在土壤容重和渗透特征上。滩脊地带旱生灌草下隶属函数值较高的指标为土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、孔隙比、pH值、含盐量、毛管贮水量和饱和贮水量，主要表现在土壤孔隙结构、降盐抑碱和贮水量特征上。向陆侧盐生草本下隶属函数值较高的指标为非毛管孔隙度、含盐量和非毛管贮水量上。由隶属函数总合计值可知，3种植被类型的土壤水文功能表现为滩脊地带旱生灌草土壤水文功能最佳，其次为向海侧盐生灌草，而向陆侧盐生草本较差。

表4 贝壳堤不同植被类型下各指标的隶属函数值

4 结论

（1）黄河三角洲贝壳堤三种植被类型具有一定的改善土壤物理结构、增强土壤通气性和透水性能的作用，使贝壳砂土壤容重减小、孔隙度增大，且这种作用效果上层明显高于下层土壤。3种植被类型对土壤均有一定的压碱抑盐效应，滩脊地带旱生灌草植被的土壤盐碱改良效果最佳，其次为向海侧的盐生灌草植被，而向陆侧的盐生草本植被降盐抑碱效果较差，并且不同植被类型表土层降盐碱效果优于20—40cm土层。

（2）在以向海侧和滩脊地带贝壳砂为主的梯度带内，土壤渗透能力的降低在一定程度上有利于土壤保水保肥供植物利用；随着距离海岸带的变远，土壤的渗透能力逐渐减弱。0—40cm土层的土壤饱和贮水量和毛管贮水量表现为：滩脊地带旱生灌草＞向海侧盐生灌草＞向陆侧盐生草＞裸地，而非毛管贮水量则与之相反。3种植被类型的土壤贮水能力均为0—20cm高于20—40cm土层。

（3）采用模糊数学隶属函数评价，从土壤的水分物理指标及盐碱改良状况综合来看，贝壳堤3种植被类型的土壤水文功能表现为：滩脊地带的旱生灌草植被＞向海侧的盐生灌草植被＞向陆侧的盐生草本植被较差。

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