全 文 ：第 17 卷 第 1 期
Vol. 17 No . 1
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2009 年 1 月
Jan. 2009
半干旱典型草原区封育草地土壤结构特征研究
赵勇钢1, 2 , 赵世伟1* , 华 娟1, 2, 张 扬1, 2
( 1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100;
2. 中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘要 :以宁夏固原云雾山自然保护区典型草原为研究对象, 采用空间序列代替时间序列的方法,以坡耕地为对照,
对封育演替草地百里香( T hymus mongolicus Ronn. )、铁杆蒿( A r temisia sacr orum Ledeb. )、大针茅( Stipa g randis
P. Smirn. )和本氏针茅( S tipa bungeana T rin. )群落 0~ 10 cm 表层土壤水稳性团聚体分布、孔隙度及土壤结构评
价指标进行了研究和分析。结果表明:草地实施封育措施能明显改善土壤结构特征, 随着草地植被自然演替,土壤
的结构稳定性和孔隙状况逐步得到提高;在演替过程中, 封育草地土壤的> 0. 25 mm 水稳性团聚体含量( WSAC)、
平均重量直径( MWD)、几何平均直径( GMD)和孔隙分形维数( Dp )逐渐增加, 团聚体分形维数( Da)逐渐减少,说明
植被演替能促进形成良好的土壤结构;同时, 土壤结构影响因素随着草地植被演替过程表现出有机碳含量显著增
加,容重显著降低, 毛管孔隙度逐渐增大,非毛管孔隙度逐渐降低。本研究还比较了多项土壤结构评价指标 ,表明
与 MWD 和 GMD 相比,指标 WSAC( > 0. 25 mm)、D a 及 D p 能更好地反映出各封育草地群落之间土壤结构的差
异,并与大部分影响因素具有相关关系, 适宜作为该地区土壤结构的评价指标。
关键词:半干旱区; 封育草地;植被演替; 土壤结构特征
中图分类号: Q498. 154; S15 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2009) 01-0106-07
Soil Structural Properties of Enclosed Steppe in the Semiarid Area
ZHAO Yong-gang
1, 2
, ZHAO Sh-i w ei
1*
, HUA Juan
1, 2
, ZHANG Yang
1, 2
( 1. State Key Laboratory of S oil E rosion and Dryland Farming on Loess Plateau , Inst itute of S oil and Water Conservat ion,
Chin ese Academy of Sciences an d Min ist ry of Water Resources, Yangl ing, S haanxi Province 712100, China;
2. Gradu ate School, C hinese Academy of S cien ces , Beijing 100049, China)
Abstract: Enclo sure managements in the semiarid steppe ar e expected to improve so il st ructures. The
ef fects o f enclosure t reatment on soil st ructural propert ies w ere invest ig ated using spat ial sequence instead
of temporal sequence method and soil samples in four enclosed sites ( Thymus mongol icus Ronn. , A r temis-
ia sacror um Ledeb. , St ip a gr andis P. Smirn. , and St ip a bung eana Trin. communit ies) and slope- t illage
as the CK were col lected from 0-10 cm depth at Yunwu M ountain, Guyuan, Ningx ia Hui Autonomous Re-
g ion in August 2006. Soil st ructural propert ies such as w ater-stable aggregates dist ribut ion, po rosity, and
st ructural parameters w ere determined. The results indicate that so il st ructur al properties o f enclosed plo ts
in the sem-i arid steppe w ere signif icant ly promoted, and soil structural stability and por e status w ere grad-
ually improved during the natural succession of vegetat ion. T he process of natur al succession g radual ly in-
creased the > 0. 25 mm water-stable aggregate content ( WSAC) , mean w eight diameter ( MWD) , geomet-
r ic mean diameter ( GMD) , and soil pore fr actal dimension ( Dp ) and decreased the so il ag gregate fractal d-i
mension ( Da ) . So il st ructure impact factors, e. g. org anic car bon content and capillary po rosity,
increased, w hile the bulk density and non-capillary porosity decreased. In comparison with MWD and GMD,
收稿日期: 2008-05-08; 修回日期: 2008-09-01
项目名称: 十一五国家科技支撑计划重大项目( 2006BCA01A07) ;黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金项目( 10501- 152)
作者简介:赵勇钢( 1980- ) ,男,博士研究生,主要从事水土保持环境效应研究, E-mail: zhaoyg04@ m ails . gucas. ac. cn; * 通讯作者 Auth or
for correspondence, E- mail : swzhao@ m s. isw c. ac. cn
第 1期 赵勇钢等:半干旱典型草原区封育草地土壤结构特征研究
soil st ructural parameters of WSAC, Da and Dp had signif icant correlat ions w ith most of soil st ructure im-
pact factor s and could bet ter reflect the differ ence of so il str uctural propert ies among dif ferent enclosed
sites, so these three par ameters could be suitable to evaluate so il structural propert ies in this area.
Key words: Sem-i arid r eg ion; Enclosed steppe; Natural succession o f vegetat ion; Soil st ructural proper ty
草地植被演替过程是土壤环境与植被相互作用
协同演变的生态学过程, 不仅地上植物群落结构与
组成发生变化[ 1, 2] , 而且土壤养分状况[ 3, 4]、水分物
理性质[ 5, 6]和结构特征[ 7~ 9]也发生了变化。土壤结
构是维持土壤功能表现的基础, 其特征变化对草地
生态系统的物质传输利用、水土流失控制 [ 10]等方面
具有重要作用。草地生态系统施行封育措施能够排
除人为因素和牲畜对系统的影响,使其在自身弹性
下进行演替 [ 2]。因此研究封育草地自然演替过程中
土壤结构特征的变化规律, 有助于了解草原生态系
统的土壤环境状况, 为生态环境建设提供参考依据。
土壤结构评价一般分为形态描述评价、团聚体
数量和质量评价以及孔隙性、透水性或结构性等的
评价[ 11] 。常用的评价指标包括> 0. 25 mm 水稳性
团聚 体含 量 ( w ater-stable agg regates content ,
WSAC)、平均重量直径 ( mean w eight diameter,
MWD)、几何平均直径 ( geometric mean diameter,
GMD)、结构系数等。近年来,土壤学研究中借鉴和
应用分形理论, 用土壤颗粒和团聚体粒径的重量分
布描述土壤颗粒组成, 团聚体组成的土壤颗粒分形
维数(以下简称分维)和土壤团聚体分维( soil ag gre-
gate f ractal dimension, Da )
[ 7, 10, 12~ 14]
,并推导出包含
土壤孔隙分维( soil por e f ractal dimension, Dp )的
水分特征曲线模型[ 15] ,使定量描述土壤结构特征成
为可能。但目前对草地生态系统土壤结构评价指标
的选择和分析仍以单项为主, 缺乏对多项指标综合
分析,以及对指标适宜性方面的讨论。
云雾山自然保护区位于宁夏固原市东北部, 始
建于 1982年, 是我国西北地区保护最完整, 黄土高
原保护最早的以本氏针茅( St ipa bungeana Trin. )
为建群种的典型草原生态系统自然保护区[ 16] , 对该
地区封育自然演替草地群落的土壤结构和适宜性指
标方面的研究尚不多见。本文选择保护区内封育
24年的百里香( T hymus mongol icus Ronn. )群落、
铁杆蒿( Ar temisia sacr or um Ledeb. )群落、大针茅
( St ip a gr andis P. Smirn. )群落和本氏针茅群落,
以坡耕地为对照,对表层 0~ 10 cm 的土壤水稳性团
聚体分布、孔隙度和土壤结构评价指标进行研究和
分析,探讨半干旱典型草原区封育草地的土壤结构
及评价指标的适宜性, 以期为黄土高原退耕封育草
地植被建设的土壤环境效应评价提供理论依据。
1 研究区自然概况
保护区位于东经 10624~ 10628,北纬 3613
~ 3619,海拔 1800~ 2148 m,总面积 7000 hm2 ,属
中温带半干旱气候区,年平均气温 4~ 6 , 干燥度
1. 5~ 2. 0, 年降雨量 400 ~ 450 mm( 1983 - 2003
年) ,一般丰水年占 28. 0%, 平水年占 35. 5% , 枯水
年占 36. 5% , 7- 9 月份降雨量占全年降雨量的 65
~ 75% , 蒸发量 1330~ 1640 mm; 10 积温为
2100~ 3200 ,年均无霜期为 112- 137 d。地势南
低北高,阳坡平缓,阴坡较陡,属温凉半干旱黄土覆
盖的低山丘陵区, 土壤为黄土母质上发育的淡黑垆
土和黄绵土,土层分布均匀深厚, 地下水位深,补水
能力差[ 16] 。
保护区自 1982年开始封山禁牧,经过 24年,草
地植被盖度多在 90%以上, 主要以本氏针茅、百里
香、铁杆蒿、大针茅、冷蒿 ( A r temisia f r ig ida
Willd. )群落为主, 伴生种以猪毛蒿( Ar temisia sco-
par ia Waldst . et Kitag. )、厚穗冰草( A neur olep id-
ium dasy stachy s ( T rin. ) Kitag. )、星毛委陵菜( Po-
tent il la acauli s L. )等为主,其中丛生禾本科植物本
氏针茅在该区分布范围最广 [ 17]。
2 材料与方法
2. 1 样地情况及试验设计
邹厚远等 [ 1]实际观测了云雾山自然保护区内弃
耕地自然恢复演替序列, 表现为弃耕地 香茅草
( Cymbopogon f lexuosus ( Nees ex Steud. ) Wats. )
群落百里香+ 杂类草群落 本氏针茅+ 百里香群
落 本氏针茅+ 铁杆蒿群落 本氏针茅+ 大针茅群
落,最近贾晓妮等 [ 18]的研究表明未封区本氏针茅+
大针茅群落具有向封育后大针茅+ 本氏针茅群落演
替的趋势。保护区由退耕地香茅草群落恢复演替到
本氏针茅群落需要四、五十年的时间[ 1] , 1982 年保
护区建立的时候, 管理处选择并建立了几个不同植
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草 地 学 报 第 17卷
被演替阶段的长期定点观测样方, 分别是杂草群落、
百里香群落、铁杆蒿群落、大针茅群落和本氏针茅群
落,为本研究的样地选择提供了条件。
本研究的主要方法是通过在空间上选择完整的
封育草地群落演替序列来重建时间上草地群落自然
演替过程,以此来研究演替过程中土壤结构特征的
变化。半干旱区现有草地群落大部分为原坡耕地弃
耕并施行封育措施后形成,与坡耕地受人为因素和
耕作方式的影响相反, 弃耕地封育是在自然因素作
用下进行植被恢复和演替。本实验以坡耕地为对
照,选取四个封育演替群落样地(百里香、铁杆蒿、大
针茅和本氏针茅群落) ,对比分析草地施行封育措施
对土壤结构特征的影响, 并讨论植被演替过程中土
壤结构状况的变化,具体样地情况见表 1。
表 1 样地基本情况
T able 1 Characterist ics o f the sampling sites
样号
Code
样地
Sampling site
海拔( m)
Alt itude
坐标
C oordin ate
坡向
Aspect
植被类型
Vegetation type
S 1 坡耕地
Slope-t illage
2037 1062305. 4E
361542. 5N
SW79半阳坡
Sem-i sunny
大燕麦
A v ena magna L.
S 2 百里香群落
T . mong oli cus community
2038 1062320. 4E
361506. 2N
NW29半阴坡
S em-i shady
本氏针茅+ 百里香- 铁杆蒿+ 大针茅
S . bung eana+ T. mongol icu s- A . sacrorumt+ S . g rand i s
S3 铁杆蒿群落
A . sacr or um community
2074 1062325. 9E
361542. 0N
SW49阳坡
Sunn y
铁杆蒿- 大针茅+ 阿尔太狗娃花+ 百里香
A . sacr or um- S . g rand i s+ H e ter op ap p us ala tai cus
( Willd. ) Novopokr. + T . mong ol i cus
S4 大针茅群落
S. g rand is commun ity
2056
1062313. 2E
361508. 4N
NE21 半阴坡
S em-i shady
大针茅+ 本氏针茅- 铁杆蒿
S . gr andi s+ S. bu ngeana- A . sacrorum
S5 本氏针茅群落
S . bung eana community
2028 1062306. 7E
361519. 4N
NE31 半阴坡
S em-i shady
本氏针茅+ 大针茅- 铁杆蒿
S . bung eana+ S . g rand i s- A . sacrorum
注:样地 S1种植年限大于 30年;样地 S2- S5为 1982年封育时邹厚远[ 1]调查所定的研究样地
Note: T illage t ime of S 1 is over 30 y ears; Sampl ing sites S 2-S5 w ere enclos ed in 1982 and same as the ones in vest igated and r eserved b y
ZOU Hou-yuan[ 1]
2. 2 样品采集与测定方法
于 2006年 8月 2 日, 在每个样地中, 随机选择
定点观测样方周围与观测样方内植被类型相近(坡
耕地除外)的 3个样点进行样品采集。采样前先剪
掉地上植物部分并去掉枯枝落叶层,采样深度 0~
10 cm, 挖土壤坡面,并用塑料盒分别采集原状土和
混合样,在剖面旁用 100 cm3 的环刀采集环刀样, 每
个样地 3次重复。原状土带回实验室后, 沿土壤自
然结构掰成小土块, 剔除掉石块和粗根,铺开在阴凉
通风处自然风干后, 用沙维诺夫法[ 19] 测定分别为>
5 mm、2~ 5 mm、1~ 2 mm、0. 5~ 1 mm、0. 25~ 0. 5
mm 和 < 0. 25 mm 粒径的水稳性团聚体含量
( WSAC) ,并据此计算平均重量直径( MWD)、几何
平均直径( GMD)和团聚体分维( D a )。混合样自然
风干后分成两个子样, 一个子样过 1 mm 筛后用
MS2000激光颗粒分析仪测定土壤颗粒组成, 另一
个子样过 0. 25 mm 筛后用重铬酸钾外加热法[ 19] 测
定有机质含量。环刀样先用离心机法 [ 20]测定土壤
水分特征曲线, 实验完成后将环刀内土样烘干 ( 105
~ 110 , 10 h) , 计算土壤容重; 对水分特征曲线拟
合计算土壤孔隙分维( Dp ) [ 15]、毛管孔隙度和非毛管
孔隙度[ 6] ;土壤总孔隙度计算公式如下:总孔隙度=
( 1- 土壤容重/土壤比重) 100% , 土壤比重取值
2. 65 g/ cm3。样地表层 0~ 10 cm 土壤颗粒分布为
砂粒( 0. 05~ 1 mm) 31. 4% ~ 34. 3 %, 粗粉粒( 0. 05
~ 0. 01 mm) 51. 4%~ 54. 8 % ,粘粒( < 0. 001 mm)
1. 2%~ 2. 3 %。
2. 3 数据处理
用 DPS 数据处理系统 [ 21] 进行单因素方差分
析,并用 LSD法进行差异显著性比较。
3 结果与分析
3. 1 土壤水稳性团聚体分布特征
从 0~ 10 cm 土层水稳性团聚体粒径分布可知
(表 2) , 与坡耕地相比, 封育草地群落> 2 mm 粒径
大团聚体含量显著提高了 2. 6~ 3. 3倍,且百里香、
铁杆蒿、大针茅和本氏针茅群落依次增大; 0. 25~ 2
mm粒径团聚体含量表现出与> 2 mm 粒径相反的
变化趋势;封育草地群落< 0. 25 mm 土壤微团聚体
含量显著低于坡耕地( P< 0. 05) , 并随着演替过程
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第 1期 赵勇钢等:半干旱典型草原区封育草地土壤结构特征研究
逐渐减少,本氏针茅群落最低,说明草地封育演替过
程中大团聚体含量逐渐增加,微团聚体含量逐渐减少。
WSA C( > 0. 25 mm)、MWD[ 22] 和 GMD[ 23]常被
用来评价土壤团聚体的稳定性。MWD是各级团聚
体的综合指标, 其值随着大粒级团聚体含量的增加
而增大,说明团聚体稳定性较好; GMD是对团聚体
在主要粒级分布的描述, 其值越大,团聚体含量在大
粒级上的分布越多, 孔隙度则越好。从表 2可看出,
封育草地群落的 MWD 和 GMD 显著大于坡耕地
( P< 0. 05) ,分别是坡耕地的 2. 36和 2. 37倍,但封
育草地群落之间的 MWD 和 GMD并无显著差异。
封育草地群落的WSA C( > 0. 25 mm)也显著高于坡
耕地( P< 0. 05) , 并表现出依照百里香、铁杆蒿、大
针茅和本氏针茅群落顺序增大的趋势, 本氏针茅群
落最高,达到 66. 6% , 说明经过 24 年封育演替后,
各封育草地群落的土壤团聚体稳定性和孔隙状况较
坡耕地均有提高, 其中本氏针茅群落最好。
表 2 不同样地表土层( 0~ 10 cm)土壤水稳性团聚体粒径分布
Table 2 Size distr ibut ion of so il w ater- stable aggr egate o f 0~ 10 cm sur face so il layer in different sampling sites
样号
Code
样地
Sampling site
土壤水稳性团聚体粒径分布
S ize dist rib ut ion of s oil w ater-stable aggregates, %
> 5
mm
5-2
mm
2-1
mm
1- 0. 5
mm
0. 5-0. 25
mm
< 0. 25
mm
> 0. 25
mm
MWD
mm
GMD
mm
S1 坡耕地
S lope-t illage
6. 9 3. 8b 6. 9 1. 3c 7. 6 0. 6a 14. 1 2. 4a 8. 2 0. 1a 56. 3 0. 7a 43. 7 0. 7c 0. 91 0. 14b 0. 35 0. 02b
S2 百里香群落
T . mong oli cus
community
28. 8 2. 5a 7. 1 0. 1c 5. 5 0. 4b 10. 3 1. 8ab 6. 5 0. 1b 41. 8 1. 4b 58. 2 1. 4b 1. 93 0. 12a 0. 68 0. 05a
S3 铁杆蒿群落
A . sacrorum
community
27. 1 5. 2a 14. 5 1. 3ab 5. 9 0. 1b 8. 1 2. 1b 4. 8 0. 6c 39. 6 4. 0bc 60. 4 4. 0ab 2. 08 0. 29a 0. 78 0. 15a
S4 大针茅群落
S . gr andi s
community
32. 7 1. 3a 12. 2 1. 4b 5. 9 0. 1b 8. 6 1. 1b 4. 6 0. 3c 36. 0 0. 8bc 64. 0 0. 8ab 2. 28 0. 01a 0. 89 0. 01a
S5 本氏针茅群落
S . bung eana
community
30. 7 5. 5a 15. 3 0. 7a 7. 5 0. 4a 8. 9 1. 8b 4. 2 0. 1c 33. 4 4. 8c 66. 6 4. 8a 2. 31 0. 29a 0. 97 0. 20a
注: MWD- 平均重量直径; GMD-几何平均直径;同列不同字母表示差异显著( P< 0. 05) , 下同
Note: M WD- M ean w eight diameter; GMD- Geomet ric mean diameter; mean s w ith dif feren t let ters in the same colum ns are signif icant-
ly dif feren t at the 0. 05 level; the same as below
3. 2 土壤结构分维特征
土壤团聚体分维( Da )反映了团聚体含量对土
壤结构稳定性的影响趋势,其值越小,结构稳定性越
好,反之, 则越差。由图 1可知,与坡耕地相比较, 封
育草地的 Da 显著降低了 5. 5 %( P< 0. 05) ,而在封
育草地群落中, 百里香、铁杆蒿、大针茅和本氏针茅
群落 Da 逐渐降低,且本氏针茅群落与百里香群落差
异显著( P< 0. 05)。可见草地封育使土壤结构得到
明显改善,而且在封育草地群落演替过程中, 土壤结
构稳定性逐渐提高。
土壤孔隙分维( Dp )能够反映土壤中孔隙的均
匀性和连通性, 其值越大, 说明孔隙越均匀, 连通性
越好。由图 2可知,封育草地大针茅和本氏针茅群
落的 Dp 显著( P< 0. 05)比坡耕地、百里香及铁杆蒿
群落大,而后三者之间的差异并不显著。坡耕地、百
里香和铁杆蒿群落之间的 Dp 虽然没有统计学上的
差异,但它们孔隙状况的形成原因却不相同, 坡耕地
是在人为因素或机械耕作影响下形成的, 而百里香
和铁杆蒿群落却是演替过程中自身改变形成的。大
针茅和本氏针茅群落是本区域的较高级群落,它们
的 D p 值较大, 说明其土壤具有较好的孔隙均匀度
和连通性。
图 1 0~ 10 cm土层不同样地土壤团聚体分形维数
F ig 1 Soil ag gr egate fractal dimension at 0~ 10 cm depth
in different sampling sites
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草 地 学 报 第 17卷
图 2 0~ 10 cm土层不同样地土壤孔隙分形维数
F ig 2 So il por e fractal dimension at 0~ 10 cm depth
in different sampling sites
3. 3 土壤结构影响因素及评价指标分析
3. 3. 1 土壤结构影响因素 五个样地之间 0~ 10
cm 土壤表层有机碳含量差异显著 ( P < 0. 05) (表
3) ,百里香、铁杆蒿、大针茅、本氏针茅群落有机碳含
量依次增加,分别是对照坡耕地的 1. 76、2. 03、2. 18
和 2. 38倍,且四个封育草地群落的有机碳平均值为
2 8. 03g / kg , 比坡耕地提高了108. 73% , 说明草地
封育措施和群落演替过程显著增加了土壤表层的有
机碳含量。
受人为耕作影响, 坡耕地表层土壤容重一般较
低,但与坡耕地( 0. 97 g/ cm3 )相比,四个封育草地群
落的容重平均值( 0. 86 g/ cm3 )降低了 11. 3 %, 尤其
百里香、大针茅和本氏针茅群落容重值为 0. 83~
0. 84 g/ cm3 (表 3) ,更加说明草地封育措施能有效
降低表层土壤容重。
土壤孔隙度能够反映土壤的疏松程度及水分、
空气容量的大小, 常用指标为总孔隙度、毛管孔隙度
和非毛管孔隙度。对草原生态系统而言, 总孔隙度
反映了土壤潜在调节降雨和蓄水的能力, 毛管孔隙
度和非毛管孔隙度则反映了草原植被持水利用和滞
留水分的能力。如表 3所示,封育草地的总孔隙度
和毛管孔隙度均显著高于坡耕地( P< 0. 05) , 封育
草地群落表现出随着演替过程而逐渐增大的趋势;
非毛管孔隙度的变化趋势与毛管孔隙度相反。说明
封育草地植被具有较好的改善土壤孔隙状况的作
用,并且这种作用随着群落演替逐渐增强。
表 3 不同样地表土层( 0~ 10 cm)土壤有机碳含量和土壤物理性质
Table 3 Soil or ganic C content and physical char acteristics of the surface soil ( 0~ 10 cm) in different sampling sites
样号
Code
样地
Sampling site
有机碳含量
Soil organic C content
g k g- 1
容重
Bulk density
g cm- 3
总孔隙度
T otal porosity
%
毛管孔隙度
Capil lary porosi ty
%
非毛管孔隙度
Non- capil lary porosity
%
S1 坡耕地
Slope-t illage
13. 43 1. 06e 0. 97 0. 01a 63. 53 0. 10b 21. 39 0. 91d 42. 14 1. 02b
S2 百里香群落
T. mongoli cu s comm unity
23. 68 0. 57d 0. 83 0. 05b 68. 75 1. 78a 24. 21 0. 44c 44. 53 0. 71a
S3 铁杆蒿群落
A. sacr orum community
27. 28 0. 53c 0. 95 0. 10a 64. 18 2. 01b 24. 34 0. 69c 39. 84 0. 25c
S4 大针茅群落
S. g rand is community
29. 26 0. 10b 0. 83 0. 05b 68. 83 3. 60a 28. 79 0. 76b 40. 04 0. 82c
S5 本氏针茅群落
S. bu ngeana comm unity
31. 91 0. 13a 0. 84 0. 11b 68. 38 4. 07a 31. 30 0. 62a 37. 08 0. 79 d
3. 3. 2 土壤结构影响因素与评价指标的关系 如
表 4 所示, 五个评价指标: WSAC ( > 0. 25 mm)、
MWD、GMD、Da、Dp 均与有机碳含量显著相关( P<
0. 05)。此外, WSA C( > 0. 25 mm)、D a 与容重具有
显著( P< 0. 05)相关关系, 与毛管孔隙度具有极显
著( P< 0. 01)相关关系; Dp 也与毛管、非毛管孔隙
度之间具有极显著( P< 0. 01)相关关系。但 MWD
仅与毛管孔隙度相关, GMD与其他因素无相关性。
从而, WSAC( > 0. 25 mm)、D a 及 Dp 与大部分的影
响因素显著或极显著相关, 说明它们能够较全面地
反映出影响因素导致的土壤结构差异; 而 MWD、
GMD仅与少部分影响因素相关, 在反映影响因素
作用下土壤真实结构特征方面有所欠缺。
3. 3. 3 土壤结构评价指标分析 土壤结构评价指
标不仅是土壤自身结构特征的综合反映, 也是各种
影响因素作用的结果体现。由于每个评价指标对土
壤结构的评价角度具有差别,所以与不同影响因素
的相关性也不同。因此, 选择适宜的评价指标不仅
应该最大程度地反映出样地间土壤结构特征的差
异,也应充分体现出各影响因素作用的差异,即与更
多的影响因素相关。
对于坡耕地与封育草地之间土壤结构特征的差
110
第 1期 赵勇钢等:半干旱典型草原区封育草地土壤结构特征研究
表 4 土壤结构指标与影响因素之间的相关关系
Table 4 Relationship between of so il str uctural parameters and their influencing factor s
影响因素
I nfluencing facto r
土壤结构指标 So il str uctural parameter
> 0. 25 mm
水稳性团聚体含量
> 0. 25mm WSAC
平均重量直径
MWD
几何平均直径
GMD
团聚体分维
Soil ag gr egate
f ractal dimension
孔隙分维
So il agg regate
fractal dimension
有机碳含量
Soil o rg anic C content , g kg - 1
0. 97** 0. 84** 0. 79** - 0. 95** 0. 66*
容重
Bulk density, g cm- 3
- 0. 60* - 0. 21 - 0. 19 0. 61* - 0. 04
毛管孔隙度
P ipe por osit y, %
0. 80** 0. 62* 0. 52 - 0. 83** 0. 89**
非毛管孔隙度
Non-pipe po rosit y, %
- 0. 36 - 0. 48 - 0. 40 0. 39 - 0. 89**
* P < 0. 05, * * P< 0. 01, n= 15
异,五个评价指标均能很好地描述,且每个评价指标
所表现的趋势也与草地演替过程及影响因素表现的
相一致,但是对于四个封育草地群落之间差异的描
述以及与影响因素的相关性, 不同指标表现不一。
比较可知, 在黄土高原半干旱典型草原区, W SAC
( > 0. 25 mm)、Da 及 D p 能够较大程度地反映出封
育草地群落之间土壤结构特征的差异, 并且与大部
分的影响因素有相关关系, 因此相对比较适宜作为
该地区封育草地的土壤结构特征评价指标, 而
MWD、GMD在本研究中不能体现出各个封育草地
群落之间的土壤结构特征差异, 并且仅与较少的影
响因素具有相关关系, 因此作为土壤结构特征评价
指标有所欠缺, 但由于样地土壤不可避免地存在空
间变异性现象, 对这两个指标适宜性的研究仍需进
一步讨论和明确。综上所述, WSA C( > 0. 25 mm)、
Da 及 Dp 更适宜于作为半干旱典型草原区封育草地
土壤结构特征的评价指标。
4 结论与讨论
良好的土壤结构应具有稳定的团聚体和良好的
孔隙状况,使土壤中的水、气、热能够顺利地进行运
移和利用, 并能抵抗土壤侵蚀。本实验中半干旱典
型草原区坡耕地的各项土壤结构性质均显著低于封
育草地,说明施行封育措施能明显改善土壤结构。
封育草地在演替过程中, 土壤大团聚体含量逐渐增
加,微团聚体含量逐渐减少, WSAC ( > 0. 25 mm)、
MWD、GMD和 Dp 逐渐增加, D a 逐渐减少, 说明封
育演替促进了良好土壤结构的形成。安韶山等[ 7] 对
云雾山自然保护区内不同植被恢复年限的封育草地
进行了水稳性团聚体含量和团聚体分维研究,
WSAC( > 0. 25 mm)在 40~ 50 %之间, D a 在2. 75
~ 2. 86之间,本实验中WSA C( > 0. 25 mm)在 58. 2
~ 66. 6 %之间, Da 在 2. 65~ 2. 74 之间, 其结果的
变化趋势与本文一致。
土壤结构影响因素随着封育草地群落的演替过
程表现出如下变化趋势:土壤有机碳含量显著增加,
容重显著降低,毛管孔隙度逐渐增大,非毛管孔隙度
逐渐降低。董杰等 [ 24]和苏永中等[ 25] 对退化草地围
栏封育恢复的研究表明,随着围封年限的增加, 有机
碳含量显著增加, 土壤容重逐渐下降,孔隙度增大,
与本文结果基本一致。土壤有机碳含量是气候、植
被、微生物、管理等因素影响土壤有机碳输入与输出
之间平衡的结果[ 26] ,草地植被演替过程中更多的凋
落物积累,在土壤微生物的作用下使更多的有机碳
输入土壤内[ 26, 27] 。草地在施行封育措施并在演替
过程中,随着土壤有机碳含量的增加及植物根系和
微生物对土壤的作用, 土壤容重逐渐降低,总孔隙度
和毛管孔隙度逐渐增大, 从而使土壤结构影响因素
得到较好地改善。
土壤结构评价常采用传统指标( WSA C( > 0. 25
mm)、MWD 和 GMD 等) 和基于分形理论的指
标[ 7 , 12~ 15, 27] ,在前人的研究中多采用单项指标进行
分析[ 7, 12~ 15, 22, 23, 27] , 而对多项指标和指标适宜性的
讨论较少[ 28]。周萍等 [ 29]运用分形理论对黄土丘陵
区不同恢复年限草地的研究认为, 分维可有效地表
征草地土壤结构的变化趋势,表土层分维随植被恢
复年限的增加而减少, 分维与容重及非活性孔度存
111
草 地 学 报 第 17卷
在正相关性,与活性孔度及有机质表现出负相关, 这
与本实验中 Da 的结果一致。梁向锋等 [ 28]分析了子
午岭天然次生植被 D a、Dp 和 MWD 等 3 个指标在
描述土壤结构稳定性方面的差异, 表明 Da、Dp 均可
作为评价指标, 而 MWD仅可作为大团聚体含量的
评价指标。在本实验中, 适宜的评价指标应该充分
地反映出样地间土壤结构的差异,并且也应该与影
响因素更好的相关。实验结果表明, 与 MWD 和
GMD相比较, 土壤结构评价指标 WSAC ( > 0. 25
mm)、Da 及 Dp 能够较好地反映出封育草地群落之
间土壤结构特征的差异, 并且与大部分的影响因素
有相关关系,因此更适宜作为该地区封育草地的土
壤结构特征评价指标。该研究结果对研究地区的土
壤环境效应评价具有一定的参考价值, 但本文中对
土壤结构特征因子与各指标之间的具体相关关系未
做深入探讨,需做进一步研究。
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(责任编辑 李 扬)
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