赵世伟等：黄土高原植被演替下土壤孔隙的定量分析 能明显改善土壤结构状况.并随若植被自然恢复演 80-100m的红十钙积层碳酸钙含量在20g-30%之 替的讲行十瑰隙府逐渐增大十瑰誉水及持水能 l.nH为78.代换量为1020cm0lM 力逐步得到提高但目前已有研究多见于植被恢 午林区是黄土高原地区目前保存最为完整 复和演替对士壤孔隙度大 分布的总体分析， 而非 的天然 ,在植被区划 L原数量 分布及 状况的 这将很大程度上限制对黄土高原地区植被土壤水循 在明清时期 是人为破环 消失殆尽，1862年当地人口% 外迁用 在弃耕地基 环过程和机理的深入研究， 上植被逐渐自然恢复，形成现在的次生落叶阔叶林 近年来，应用X射线CT扫描技术分析士壤的孔 目前，该区还保存有时间跨度约150年，空间上完整 隙度、孔隙分形维数 和孔隙空间分布状况等成为 的植被正向演替系列，即弃耕地先锋群落→草本程 土壤孔隙特征研究新的研究方法0 Rachman等P 落→灌从群落，早期森林群落→乔木群落。气候性 比较了利用CT扫描方法和利用传统的土壤持水量推 演替顶极群落为辽东栎(Quercus liaotungensis)林P网 算法所测定的大孔隙度数据.发现两种方法所得到 的结果十分接近CT扫描方法且有成像速度快，对十 12样地选择及土样采集 体非破坏性分析、分析精度较高（毫米至微米尺度四 本文以空间上选择完整的演特序列.来重建时 间上植被恢复演替过程的方法，在黄土高原子午岭 部结构 ×洗取不同植被谊梦阶段的代表性植被群落样地 植被土壤系统是陆地生态系统中的 一个重要到 作为时间序列下植被 分，它是动态的和发展的.其中土壤的发展是随着相 2007年 月 的 据植被 被的演替过程而发展的 个莲续过程，井道间F与 恢复年限、结构、群落组成利 当地居民访问的结男 演替顶极相话应的平衡2)土壤孔隙是土壤性状中 在演替序列中选择由弃耕地至辽东栎群落的5个润 的重要部分，因此，定量分析黄土高原柏被前林过程 替阶段(8个样点)作为处理，分别为弃耕地阶段（弃耕 中土壤孔照特征演变的过程和机理，对于该地区陆 6年)、草地群落阶段铁杆嵩(Artenmisia sacrorum)群 地生态系统水循环过程的研究有着重要的作用，基 落和白羊草(Bothriochloa1 schemum)群落)、灌从群落 于此 子最为完整 阶段（沙(H nhae rhamnoides群落和狼牙 列的 子午岭林 为 (Sop 先锋 ra ve 乔木阶段（山杨( 样区，利用CT扫描技术对不同植被自然恢复演替 ma)群落)和顶级群 阶段（峁项 段下样地的土壤孔隙特征进行测定和分析，旨在 群落)，样地具体情况详见表 析土壤孔隙参数的变化规律并探讨其影响因子， 选择当地林场进行长期林分监测的典型样地 期为黄土高原的生态环境建设及土壤水库功能的恢 在每个样地选择3个植被盖度较为一致的样方（乔木 复重建提供科学依据 10m×10m.灌木5m×5m.草地1m×1m进行地上 植被调查、原状土柱和土壤样品的采集.原状土柱采 1材料与方法 样容哭为pVC质管内直径为85Cm壁厚为 采样 每个样点采取3个原状土柱 11研究区概况 个调查样 以8个样 研究区甘肃省合水县连家砭林场(10810 24个土柱样品 用容积为100cm'的环刀取土样 10908E,3503'-3637N)位于黄土高原子午龄林区 回实验室后用烘干法测定(105~110℃，24h)土壤客 北部属蕾十高原丘凌沟壑区该区海拔12111453 重列每个样点采取3个样品（样方内取）.共计24个 m.相对高差200m左右.为半干早季风气候.年均 环刀罪品十靠笔品采集深度为08cm每个竿5 气温7.4℃年均隆雨量587.6mm ≥10℃积温 采取3个样品（样方内取）.将样品混合并室内风干、 26710℃干燥度0.97，阴闲坡无气候的垂直带状变 过筛后，用重铬酸钾外加热法测定士壤有机质含 化P阿 土壤皆发有于原生或次生黄土，其下为厚约 量2可 湿合样品重3 224 赵世伟等: 黄土高原植被演替下土壤孔隙的定量分析 224 能明显改善土壤结构状况, 并随着植被自然恢复演 替的进行, 土壤孔隙度逐渐增大, 土壤蓄水及持水能 力逐步得到提高[8~11]. 但目前已有研究多见于植被恢 复和演替对土壤孔隙度大小、分布的总体分析, 而非 常缺乏对孔隙数量、分布及形态等“真实”状况的反映, 这将很大程度上限制对黄土高原地区植被-土壤水循 环过程和机理的深入研究. 近年来, 应用 X 射线 CT 扫描技术分析土壤的孔 隙度、孔隙分形维数[12~14]和孔隙空间分布状况等成为 土壤孔隙特征研究新的研究方法[15~20]. Rachman等[21] 比较了利用 CT 扫描方法和利用传统的土壤持水量推 算法所测定的大孔隙度数据, 发现两种方法所得到 的结果十分接近. CT 扫描方法具有成像速度快、对土 体非破坏性分析、分析精度较高(毫米至微米尺度) [22] 等优点, 还可通过连续切片图像的重组进行土体内 部结构的三维重建[23,24]. 植被-土壤系统是陆地生态系统中的一个重要组 分, 它是动态的和发展的, 其中土壤的发展是随着植 被的演替过程而发展的一个连续过程, 并趋向于与 演替顶极相适应的平衡[25]. 土壤孔隙是土壤性状中 的重要部分, 因此, 定量分析黄土高原植被演替过程 中土壤孔隙特征演变的过程和机理, 对于该地区陆 地生态系统水循环过程的研究有着重要的作用. 基 于此, 本文以黄土高原地区目前保存最为完整且空 间上有完整植被恢复演替系列的子午岭林区为研究 样区, 利用 CT 扫描技术对不同植被自然恢复演替阶 段下样地的土壤孔隙特征进行测定和分析, 旨在分 析土壤孔隙参数的变化规律并探讨其影响因子, 以 期为黄土高原的生态环境建设及土壤水库功能的恢 复重建提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 研究区概况 研究区甘肃省合水县连家砭林场 (108°10′~ 109°08′E, 35°03′~36°37′N)位于黄土高原子午岭林区 北部, 属黄土高原丘陵沟壑区. 该区海拔 1211~1453 m, 相对高差 200 m 左右, 为半干旱季风气候, 年均 气温 7.4℃, 年均降雨量 587.6 mm, ≥10℃积温 2671.0℃, 干燥度 0.97, 阴阳坡无气候的垂直带状变 化[26]. 土壤皆发育于原生或次生黄土, 其下为厚约 80~100 m 的红土, 钙积层碳酸钙含量在 20%~30%之 间, pH 为 7~8, 代换量为 10~20 cmol/kg. 子午岭林区是黄土高原地区目前保存最为完整 的天然次生林, 在植被区划上属暖温带北部落叶栎 林亚地带[10,11,26]. 在明清时期植被受人为破坏影响几 乎消失殆尽, 1862 年当地人口外迁后, 在弃耕地基础 上植被逐渐自然恢复, 形成现在的次生落叶阔叶林. 目前, 该区还保存有时间跨度约 150 年, 空间上完整 的植被正向演替系列, 即弃耕地先锋群落→草本群 落→灌丛群落→早期森林群落→乔木群落, 气候性 演替顶极群落为辽东栎(Quercus liaotungensis)林[26]. 1.2 样地选择及土样采集 本文以空间上选择完整的演替序列, 来重建时 间上植被恢复演替过程的方法, 在黄土高原子午岭 区选取不同植被演替阶段的代表性植被群落样地, 作为时间序列下植被恢复演替的过程进行试验研究. 据此, 2007 年 5 月在野外勘查的基础上, 根据植被的 恢复年限、结构、群落组成和当地居民访问的结果, 在演替序列中选择由弃耕地至辽东栎群落的 5 个演 替阶段(8 个样点)作为处理, 分别为弃耕地阶段(弃耕 6 年)、草地群落阶段(铁杆蒿(Artenmisia sacrorum)群 落和白羊草(Bothriochloa ischemum)群落)、灌丛群落 阶 段 ( 沙 棘 (Hippophae rhamnoides) 群落和狼牙刺 (Sophora viciifdia)群落)、先锋乔木阶段(山杨(Populus davidiana)群落)和顶级群落阶段(峁顶和阴坡辽东栎 群落), 样地具体情况详见表 1. 选择当地林场进行长期林分监测的典型样地, 在每个样地选择 3 个植被盖度较为一致的样方(乔木 10 m×10 m, 灌木 5 m×5 m, 草地 1 m×1 m)进行地上 植被调查、原状土柱和土壤样品的采集. 原状土柱采 样容器为 PVC 硬质管, 内直径为 8.5 cm, 壁厚为 3 mm, 采样深度 0~8 cm, 每个样点采取 3 个原状土柱 (每个调查样方内采取 1 个原状土柱), 8 个样点, 共计 24 个土柱样品. 用容积为 100 cm3 的环刀取土样, 带 回实验室后用烘干法测定(105~110℃, 24 h)土壤容 重[27], 每个样点采取 3 个样品(样方内取), 共计 24 个 环刀样品. 土壤样品采集深度为 0~8 cm, 每个样点 采取 3 个样品(样方内取), 将样品混合并室内风干、 过筛后, 用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含 量[27], 每个混合样品重复 3 次