不同植被类型对土壤物理化学和力学性质的影响

钟伶志 李国荣 李进芳 陈文婷

摘要 [目的]分析不同植被類型对土壤物理化学和力学特性的影响，揭示植被多样性对土壤及生态环境的响应，为区域生物工程和生态环境修复提供理论依据。[方法]以青海省西宁盆地黄土区和互助北山森林区为研究对象，通过室内试验测定土体的物理化学和力学性质，探讨不同植被类型对土壤物理化学和力学性质的影响。[结果]植被类型的多样性对植被覆盖度的影响较大，且不同植被组合类型与根-土复合体含水量与植被覆盖度呈正相关，与土壤孔隙度呈负相关，其中随植被多样性的增加，土壤含水量增加8.88%～22.43%，土壤密度增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土层pH趋于弱酸性；同一区域土壤养分含量和根-土复合体黏聚力总体表现为乔灌草组合区﹥草灌区﹥草本区，说明植被类型、枯枝落叶及根系等对土壤养分的积累和表层土壤力学特性的影响较大。[结论]植被类型的多样性在改善生态环境方面起到积极作用，采用植被护坡和生态环境保护方面应考虑植被类型的多样性，实现植被-土壤-环境的良性循环。

关键词 植被多样性；根-土复合体；物理化学性质；力学性质；生态环境

中图分类号 S153文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）15-0112-05

Abstract [Objective]To study effects of different vegetation types on soil physical and mechanical properties and nutrient contents，and it reveals the response of vegetation diversity to soil and ecological environment，and provides theoretical basis for the restoration of regional biological engineering and ecological environment.[Method]Taking the loess area of Xining Basin and the mutual-aid Beishan forest area in Qinghai Province as the research object，the physicochemical and mechanical properties of soils were analyzed with a combination of in situ and indoor testing，the effects of different vegetation types on soil physical and mechanical properties and nutrient contents were discussed.[Result]The diversity of vegetation types had a great influence on the vegetation coverage，and there was a positive correlation between the vegetation types and moisture content of the root-soil composite and the vegetation coverage，but negatively correlated with the soil porosity，the soil water content increased with the vegetation diversity ranged from 8.88% to 22.43%，the soil density increased from 0.03 to 0.54 g/cm and the porosity decreased from 4.89% to 13.38%.The pH of the soil layer tended to be weakly acidic.In the same area，soil nutrient content and cohesion of root-soil composite generally showed as follows：Arbor-shrub-grass combination area>shrub-grass area>grass area，This showed that vegetation types，litter and roots had a great influence on soil nutrient accumulation and surface soil mechanics characteristics.[Conclusion]The diversity of vegetation types plays an active role in improving the ecological environment，and the diversity of vegetation types should be considered in vegetation slope protection and ecological environment protection so as to realize the virtuous circle of vegetation-soil-environment.

Key words Vegetation diversity；Root-soil composite；Physical and mechanical properties；Mechanical properties；Ecological environment

近几十年来，国家和地方对生态重视程度日益增加，十九大明确提出人与自然和谐共生的现代化要求，而青海省生态建设工作尤其迫切，具有十分重要的战略地位[1]。随着生态恢复和保护力度不断加强，遥感数据显示黄土高原生长季植被覆盖指数虽然有显著上升趋势，但由于西部寒旱地区植物生长的差异性[2]，加之青藏高原生态环境系统的特殊性、脆弱性、敏感性[3-5]，诸多地区的植被和生态环境出现恶化现象。因此，深入分析植被类型对土壤特性的影响对青藏高原东部特定土壤区的土壤特性研究十分必要，也是解决高寒干旱地区生态环境恶化的重要问题之一。

植被对土壤物理、化学和生物学性质有显著影响[6-7]，植物变化也在很大程度上影响土壤质地和养分[8-9]，而土壤作为生态系统的重要组成部分，其物理和化学性质对植物群落动态也具有显著影响[10]，尤其是水分和养分含量不仅影响草地植被的演替和生长发育[11]，也决定生态系统的生产力和结构[12-14]。关于植被对土壤理化性质的影响研究，主要集中在生态恢复区和生态敏感区，董扬红等[15]认为植被恢复除保持水土、减少土壤侵蚀外，还可通过土壤-植物复合系统改善土壤质量；王昭艳等[16]研究表明不同植被恢复模式土壤理化性质有差异；吕刚等[17]进一步指出随着物种多样性的增加，土壤理化性质逐渐改善，促进生态系统正向演替；也有学者结合根系生物量或植被丰富度等研究了土壤理化性质的变化[18-20]，然而有关不同植被类型对表层土壤力学性质及植被更替作用下的土壤理化特性的差异分析研究较少。笔者以青藏高原东部的黄土区和森林区为研究对象，结合植被类型多样性及其对土壤特性的影响，分析不同植被类型对土壤物理化学和力学特性的影响，揭示植被多样性对土壤及生态环境的响应，为区域生物工程和生态环境修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该研究拟定了2个研究区：研究区Ⅰ设在青海省西宁市城北区二十里铺西山，属青藏高原东北部的黄土区，地理坐标为101°77′ E、36°62′ N，区内平均海拔约2 378 m，气候类型属大陆性高原半干旱气候，多年平均气温7.6 ℃，年平均降水量380 mm，年均日照1 939.7 h，气候干燥少雨多风。在多年降水冲蚀作用下形成“V”型侵蚀沟，大部分地段为半裸露边坡。研究区Ⅱ设在青海省互助北山扎龙沟森林区，地处黄土高原向青藏高原过渡地带，该地区独特的地理位置和气候条件形成了多样性的生物圈[21]。地理坐标为101°46′ E、36°30′ N，林区年均气温4.8 ℃，海拔2 400 m，降雨集中在7—9月，森林覆盖率达64.3%，植物资源丰富。

2个研究区植被类型分为乔灌草组合、草灌组合、灌木区及草本区，其中黄土区灌木类型为柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii Kom.）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.），草本为针茅（Stipa capillata Linn.）、狗尾草[Setaria viridis （L.） Beauv.]、赖草（Leymus secalinus Tzvel.）；森林区乔木类型为油松（Pinus tabuliformis Carrière）、祁連圆柏（Sabina przewalskii Komar.）、青海云杉（Picea crassifolia）、桦树（Betula），灌木类型为小檗（Berberis thunbergii DC.）、刺梅（Euphorbia milii Ch.des Moulins）、杜鹃（Rhododendron simsii Planch.）、金露梅（Potentilla fruticosa）、银露梅（Potentilla glabra Lodd.），草本类型主要为扇穗茅（L.racemosa） 、碱茅（P.distans） 、白草（P.flaccidum） 、华扁穗草（B.sinocompressus） 、冰草（A.cristatum）、 矢车菊（C.cyanus）等。

1.2 试验方法 在试验区设定50 cm×50 cm的样框，分别在2个试验区坡度20°的各植被组合带取样。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤物理性质。分别采用烘干法、环刀法、比重瓶法测定土体含水率、土体密度和土粒比重，使用3相比例指标的相互换算公式计算出土体孔隙度，测试方法参照《土壤学实验指导》[22]测试方法，取样深度为10 cm，每类样品重复取样和测试10次。

1.3.2 土壤养分。主要包括土壤有机质、土壤腐殖质以及土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾。土壤养分含量在地表变化非常敏感，且土壤养分含量主要集中在表层土壤[23]，因此取样深度为地表0～2 cm，用取土刀轻轻切取表面薄层，然后放入密封袋送回土壤检测中心进行检测分析。土壤样品在2个试验区的各组合区分别取样，设10次重复，测试方法参照《土壤农化分析实验》[24]。

1.3.3 土壤力学强度指标。测试不同植被组合区的表层根-土复合体黏聚力，采用环刀法在地表10 cm内取样，样品经密封带回实验室开展剪切试验[25]。每种组合区设10次重复。

2 结果与分析

2.1 植被类型与覆盖度的关系

由图1和2可知，地表覆盖度大小与植被类型有密切关系，即在天然生态环境中，植被类型越多样化，则地表的覆盖度越高，同一地区组合型植被覆盖度显著大于单一植被的草本区和灌木区（P<0.05）。黄土区草灌混合生长情况下的植被覆盖度分别比草本区和灌木区增加14.9%和27.1%，森林区乔灌草植被覆盖度分别比草灌区和草本区增加6.3%和10.2%，这说明乔木、灌木、草本组合生长，在地上、地下空间相互组合与渗透，充分利用各类生态环境因子，植被及生态环境趋于良性发展。

2.2 不同植被类型对表层土壤物理性质的影响

由表1可知，不同植被类型对土壤物理性质的影响存在显著差异（P<0.05）。植被覆盖度越高，植被类型越复杂，其对土壤基本性质的改变越大，如2个研究区植被均有草本与灌木植物的组合生长形态，但发现在同一土层中，草灌区和乔灌草区的土壤含水量、密度均比单一植被生长区大，其中黄土区草灌组合区根土层的含水量比灌木区和草本区分别增加9.13%和8.88%，森林区乔灌草组合区含水量比草本区和草灌组合区增加了22.43%和10.44%，且2个研究区土壤密度随植被类型和覆盖度的增加而增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土层pH趋于弱酸性。出现上述结果的主要原因是植被多样性及其生长更替作用能够涵养水源、积累有机物质，并伴随植被根系数量的增加和增粗生长，浅层土壤受其挤压，导致土壤特性发生改变。

为了说明同一土层深度、不同植被类型对土壤含水量的影响，分别在黄土区和森林区选择不同植被覆盖区域，现场取样和分析了距离地表10 cm的根土复合体含水量随植被覆盖度的变化规律，结果见图3。从图3可以看出，根土层含水量随植被覆盖度的增加而增大，其中森林区表层土壤含水量的增加幅度较大，黄土区土壤含水量变化幅度较小。这说明植被覆盖度对土壤水分的影响较大[26]，且植被类型越复杂多样，植被覆盖度越高，地表生物量和地下根系数量均相对较多，植被对坡面防护和生态环境效应的改善越明显，这也是很多地区采用不同植被组合进行护坡或生态环境治理的重要原因之一。

研究还发现植被根量与表层土壤密度之间也呈正相关关系，即土层中植被的根系数量越多，则地表的覆盖度越大（图4），且在同一深度森林区土壤密度随覆盖度的变化幅度比黄土区大。此外，植被覆盖度与表层土壤孔隙度间存在负相关（图5），该规律与密度变化规律相对应，即土层中根系数量的增加和增粗生长，对根系周围的土体产生侧向挤压，使土壤颗粒间的孔隙率变小，密度增加，这一方面表现了不同土壤自身的物理特性，另一方面植被类型多样性及其差异，导致土壤性质发生变化。

2.3 不同植被类型对表层土壤养分含量的影响

土壤养分恢复是评价生态系统恢复的一个重要方面[27-29]，直接影响土壤培育植被、改善生态环境的能力[30]。调查发现土壤养分含量随植被覆盖度的降低而不断减小，也与植物根系和枯枝落叶有重要关联[31]。由表2可知，不同类型植被下土壤有机质含量及其他主要养分指标均存在显著差异（P<0.05），同一区域土壤养分含量总体表现为乔灌草组合区>草灌区>草本区，且森林区地表土壤整体养分含量比黄土区大，说明植被类型及其枯枝落叶的更替作用对土壤养分的积累具有重要作用和意义。研究还发现，植被影响土壤养分的变化主要集中在30 cm土层内，尤其是0～10 cm土层的养分含量随植被类型的变化较明显，且森林区的变化规律比黄土区相对明显，这不仅反映了大部分植被根系及枯枝落叶积累的影响范围主要在10 cm土层，也反映了植被多样性对土壤养分的积累具有显著影响[32]。

上述研究结果说明，土壤养分的积累速度和积累量受植被的控制，如果土壤侵蚀程度加大，植被的退化速度也随之加快，且土壤干旱化提高了有机质的矿化速率，尤其是植被稀疏、植被类型相对单一的黄土区，生态环境将开始恶性循环，这在一定层面上反映了土壤养分含量流失和植被退化将激发水土流失的内在机理。

2.4 不同植被類型对表层土壤力学强度的影响

由表3可知，力学强度与土层中的根系数量、根系体积比呈正相关，与含水量呈负相关（P<0.05）。由于植被多样性对土壤含水量产生影响，且植被类型越多，土层中的根系数量也越多，导致植被组合区表层根-土复合体黏聚力比单一植被区大，如黄土区草灌组合区的黏聚力比灌木区和草本区分别增加了1.56和5.01 kPa，森林区乔灌草组合区的黏聚力分别比草灌组合区和草本区大3.98和4.86 kPa，植被根-土复合体黏聚力表现为乔灌草组合区>草灌区>灌木区>草本区，说明植被多样性及其根系的增加进一步增强了土壤黏聚力。研究还发现，草本区根系数量较多，但其根土黏聚力比灌木区、草灌区或乔灌草组合区相对较小，这一方面说明灌木根系本身具有的弹性强度比草本根系大，另一方面在土壤体积不变的情况下，植物类型和根系数量不断增加，在一定程度上影响了土壤孔隙结构和根-土间的黏结性，因此在含有多种根系和灌木根系的土层黏聚力增加幅度相对较大，表现出植被类型多样性及其组合根系的固土效应对坡面土壤侵蚀方面具有重要的防护作用。

不同植被类型对土壤密度、孔隙结构、养分及力学特性等的影响，必将引起土壤渗透性的变化，也对地表水土流失产生一定的影响，今后在植被护坡和生态环境保护措施方面，应尽量考虑植被类型的多样性，在改善土壤环境条件的基础上，实现植被-土壤-环境的良性循环。有关不同植被类型作用下土壤流失规律以及植被根系作用下不同土壤渗透性变化特征等，有待于进一步研究。

3 结论

（1）植被类型的多样性对植被覆盖度的影响较大，且不同植被组合类型对土壤物理性质的影响具有显著差异，根土层含水量与植被覆盖度呈正相关，地表土壤孔隙度与植被覆盖度存在负相关，其中随植被多样性的增加，土壤含水量增加8.88%～22.43%，土壤密度增加0.03～0.54 g/cm 孔隙率降低4.89%～13.38%，根土层pH趋于弱酸性，显示植被类型越多样对土壤物理特性的影响越大。

（2）不同类型植被下土壤有机质含量及其他主要养分指标均存在显著差异，同一区域土壤养分含量总体表现为乔灌草组合区>草灌区>草本区，森林区表层土壤养分含量明显大于黄土区，且养分含量随植被类型的变化在0～10 cm土层较明显，说明植被类型及其枯枝落叶的更替作用对土壤养分的积累具有重要作用和意义。

（3）表层土壤力学强度与土层中的根系数量、根系体积比呈正相关，与含水量呈负相关，且植被根-土复合体黏聚力表现为乔灌草组合区>草灌区>灌木区>草本区，说明植被多样性及其根系的增加进一步增强了土壤黏聚力；植被稀疏及其类型单一将影响生态环境的变化，采用植被护坡和生态环境保护方面应考虑植被类型的多样性，实现植被-土壤-环境的良性循环。

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