退耕還林后黑土表層土壤可蝕性動(dòng)態(tài)變化1)

楊淼焱 楊小燕 馬燕娥

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

韓孟光 姜 峰 徐嘉暉 徐智文 陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:張 玉。

土壤可蝕性是表征土壤對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)，是進(jìn)行土壤侵蝕和水土流失定量評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，國(guó)際上通常采用土壤可蝕性因子K值衡量［1］。大量研究表明，土壤可蝕性是由土壤理化性質(zhì)共同作用決定的，土壤團(tuán)聚體作為土壤的重要組成部分，其水穩(wěn)性可以用于評(píng)價(jià)土壤物理性質(zhì)及抗侵蝕能力［2］。水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑＞0．25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(團(tuán)聚體比例)、團(tuán)聚體破壞率、分形維數(shù)、平均質(zhì)量直徑、平均質(zhì)量比表面積［2－3］等指標(biāo)，能很好的反映土壤團(tuán)聚體的分布及抗蝕性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)從農(nóng)業(yè)管理措施［4］、土地利用方式［5］及林分類型［6］等方面，研究了土壤團(tuán)聚體的變化與土壤可蝕性的關(guān)系，認(rèn)為提高土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量，可在一定程度上降低土壤的可蝕性。

退耕還林，是一項(xiàng)旨在解決我國(guó)重點(diǎn)地區(qū)水土流失等重大環(huán)境問題的生態(tài)造林工程。東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧基地，由于長(zhǎng)期不合理的土地利用及對(duì)植被的破壞，水土流失嚴(yán)重。在國(guó)家退耕還林政策尚未正式頒布之前，率先建立了退耕還林工程試點(diǎn)。目前，關(guān)于退耕還林工程方面的研究已有不少報(bào)道，但主要集中于植物材料的選擇、林種配置以及生態(tài)功能評(píng)價(jià)等方面［7－8］，有關(guān)土壤可蝕性的研究較少，且以紫色土和黃土為主［1，9－11］。為此，通過東北典型黑土區(qū)不同退耕年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征指標(biāo)及可蝕性因子K值的分析，探討退耕還林過程中土壤可蝕性的動(dòng)態(tài)變化，旨在為進(jìn)一步完善土壤可蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)、科學(xué)評(píng)價(jià)退耕還林工程生態(tài)恢復(fù)效果和為黑土區(qū)退耕還林的建設(shè)與調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1．1 樣品的采集與制備

研究地位于黑龍江省克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場(chǎng)(48°12'～48°23'N、125°8'～125°37'E)。土壤類型以黏化濕潤(rùn)均腐土(Luvic phaeozems)為主，屬典型黑土區(qū)［12］。2013年7月，在克山農(nóng)場(chǎng)農(nóng)業(yè)科技園區(qū)內(nèi)，選擇退耕年限分別為6、11、25、36、43年生興安落葉松(Larix gmelini)林為研究對(duì)象;分別設(shè)置20 m×20 m的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地各3塊，在設(shè)置的臨時(shí)樣地內(nèi)按照“S”布點(diǎn)，采集0～10 cm土層土樣，自然風(fēng)干后過篩網(wǎng)直徑為2 mm土壤篩，用于土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)的測(cè)定;同時(shí)采集原狀土，在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)掰成小塊，風(fēng)干后過篩網(wǎng)直徑為10 mm土壤篩，用于土壤團(tuán)聚體的測(cè)定。試驗(yàn)樣地林分特征及土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 不同退耕年限落葉松林分特征及土壤基本理化性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

1．2 指標(biāo)與分析方法

采用由篩網(wǎng)直徑分別為5．00、2．00、1．00、0．50、0．25 mm的土壤篩組成的套篩，通過干篩和濕篩，分別測(cè)定和計(jì)算了粒徑＞0．25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wa0．25)、粒徑＞1．00 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wa1．00)、團(tuán)聚體破壞率(Pad0．25)、分形維數(shù)(D)［13］、平均質(zhì)量直徑(Dmw)、平均質(zhì)量比表面積(Amw)［3］等團(tuán)聚體特征指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)4次重復(fù)。

土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤機(jī)械組成，采用比重計(jì)法;土壤可蝕性因子K值，采用以下公式計(jì)算［14］。

K={0．2+0．3exp［－0．025 6ws(1－wf/100)］}·［wf/(wn+wf)］－0．3·{1．0－0．25wc/［wc+exp(3．72－2．95wc)］}·{1．0－0．7ws1/［ws1+exp(－5．51+22．9ws1)］}。

式中:ws為砂粒(粒徑為2．00～0．05 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);wf為粉粒(粒徑為0．05～0．02 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);wn為黏粒(粒徑＜0．002 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);wc為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。ws1=1－ws/100。計(jì)算的K值為美國(guó)習(xí)慣用單位，將其乘以0．131 7則可轉(zhuǎn)變?yōu)閲?guó)際制單位。

1．3 數(shù)據(jù)處理

用Excel2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;用SPSS16．0軟件，通過單因素方差分析LSD－t方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，對(duì)土壤可蝕性指標(biāo)等進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成特征的變化

土壤不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分的保持和供應(yīng)、孔隙組成和水力性質(zhì)作用不同，其分布狀況是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)［15］。從表2可見，表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成隨退耕年限的增加呈明顯的規(guī)律性，表現(xiàn)為:粒徑(d)d＞5．00、2．00＜d≤5．00、1．00＜d≤2．00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨退耕年限的增加逐漸升高;0．50＜d≤1．00、0．25＜d≤0．50、d≤0．25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均呈降低趨勢(shì);且在前11 a內(nèi)，這種變化格局最為顯著(p＜0．05)。退耕36 a后，除d＞5．00、2．00＜d≤5．00 mm外，各粒徑所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)則呈不明顯波動(dòng)?？梢哉J(rèn)為，退耕還林過程中，隨退耕年限的延長(zhǎng)，顯著促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體由較小粒徑向較大粒徑轉(zhuǎn)變，土壤團(tuán)聚作用增強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性得到有效改善［9］，且在前11 a內(nèi)，這種改善作用最明顯。這可能是由于，一方面，退耕后，隨著植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，林冠郁閉度、林冠截留量逐漸提高，同時(shí)人為干擾因素的減少使地表枯落物增多，表層土壤受到水蝕的強(qiáng)度減弱;另一方面，興安落葉松是淺根性樹種，須根(具菌根)呈束狀密集分布，且在1～10 cm表層土壤中分布最多［16］，根系的穿插和黏結(jié)作用，有效促進(jìn)了表層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)由小粒徑向大粒徑轉(zhuǎn)變。

表2還表明，不同退耕年限，表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成，由退耕6 a林地以粒徑≤1．00 mm為主，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤剑?．00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其中，退耕6 a土壤粒徑≤1．00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)82．13%，其他4個(gè)退耕年限土壤粒徑＞1．00 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)則在49．08%～67．42%之間變化。

表2 不同退耕年限林地表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2．2 土壤可蝕性參數(shù)的變化

水穩(wěn)性團(tuán)聚體wa0．25、wa1．00、Pad0．25，可以用于反映土壤水穩(wěn)性特征的變化。統(tǒng)計(jì)分析表明(見表3)，wa0．25、wa1．00隨 退 耕 年 限 的 增 加 逐 漸 升 高，而Pad0．25呈相反的變化趨勢(shì);且在前11 a內(nèi)，這種變化格局最為顯著(p＜0．05)。退耕36 a后，土壤3種水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)，均無明顯波動(dòng)。由此可見，退耕在一定程度上促進(jìn)了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的團(tuán)聚，增加了土壤滲透性，提高了土壤抗侵蝕能力，且在退耕的初期變化最為顯著，退耕至36 a后趨于穩(wěn)定。這與不同退耕年限表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的變化規(guī)律相吻合。差異顯著性結(jié)果表明，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體wa0．25、wa1．00、Pad0．25，僅以wa1．00在不同退耕年限之間的差異達(dá)顯著(p＜0．05)，36、43 a除外。而Pad0．25僅退耕6 a與其他4個(gè)退耕年限的差異達(dá)顯著水平外，其他均差異不顯著。可以認(rèn)為，wa1．00對(duì)不同退耕年限表層土壤水穩(wěn)性特征變化的響應(yīng)較為靈敏。

表3 不同退耕年限林地土壤可蝕性參數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑和平均質(zhì)量比表面積，均為反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)。Dmw值越大，團(tuán)聚體的團(tuán)聚度越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，抗侵蝕能力越強(qiáng);相反，Amw值越大，則表明土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，抗侵蝕能力越弱。從表3還可看出，退耕6～36 a，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體Dmw隨退耕年限的增加逐漸升高，Amw逐漸降低，且均以退耕11 a的變化幅度最大(p＜0．05)。退耕36 a后，Dmw、Amw處于動(dòng)態(tài)平衡中。這是由于退耕還林過程中，地表枯落物增多，在土壤動(dòng)物及微生物的活動(dòng)下分解轉(zhuǎn)化形成的有機(jī)質(zhì)含量增大。有機(jī)質(zhì)可促進(jìn)土壤中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，平均質(zhì)量直徑增大［17］，增強(qiáng)了土壤抵抗雨滴的沖擊能力，提高了土壤抗蝕性。

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)(D)，反映了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢(shì)。不同退耕年限，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)在2．43～2．79之間變化，隨退耕年限的延長(zhǎng)呈逐漸降低的趨勢(shì);以退耕11 a降低幅度最大，較退耕6 a降低了7．89%;除退耕25 a與43 a未達(dá)顯著水平外，其他退耕年限之間均差異顯著(p＜0．05)。這與李陽兵等［18］發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)隨著林齡增加逐漸降低的變化規(guī)律相似。

此外，不同退耕年限，土壤可蝕性因子K值的變化范圍為0．039 5～0．044 2，與我國(guó)土壤可蝕性K值在0．001～0．040之間相吻合［19］。隨退耕年限的延長(zhǎng)，土壤可蝕性因子K值呈逐漸降低的趨勢(shì)，且退耕6、11 a，均分別與退耕25、36、43 a之間的K值差異達(dá)顯著水平(p＜0．05)，退耕年限達(dá)25 a后，土壤可蝕性因子K趨于不明顯波動(dòng)狀態(tài)?？梢?，退耕還林后，土壤本身結(jié)構(gòu)的變化使其對(duì)侵蝕外營(yíng)力分離和搬運(yùn)作用的敏感性降低，同時(shí)使土壤保持水土、自我培肥的功能得到明顯增強(qiáng)。

2．3 可蝕性因子K值與團(tuán)聚體各參數(shù)間的相關(guān)性

已有研究表明，土壤可蝕性K值的大小，主要取決于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;而土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體wa0．25、Pad0．25、Dmw等指標(biāo)，則能有效地定量表達(dá)土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性［3］。為此，通過對(duì)黑土區(qū)土壤可蝕性因子K與水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤可蝕性因子K值與水穩(wěn)性團(tuán)聚體Amw和分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)(p＜0．05)，與wa0．25、wa1．00和Dmw呈顯著負(fù)相關(guān)相關(guān)(p＜0．05)(見表4)。可以認(rèn)為，水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)wa0．25、wa1．00、Dmw、Amw和D，均可作為反映黑土區(qū)退耕還林地土壤可蝕性的有效指標(biāo)，這與白秀梅等［2］研究結(jié)論相吻合。

表4 水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征指標(biāo)之間及其與可蝕性因子K值間的相關(guān)性

粒徑大于0．25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wa0．25)，是目前常用的評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)及抗蝕性的重要指標(biāo)之一［21］。本研究表明，水穩(wěn)性團(tuán)聚體wa0．25、wa1．00，均分別與Pad0．25、Dmw、Amw、D呈極顯著相關(guān)(p＜0．01);但wa1．00較wa0．25與可蝕性因子K的相關(guān)性更強(qiáng)。表明，在東北黑土區(qū)，wa1．00不僅可以和wa0．25、Pad0．25、Dmw、Amw、D一起作為表征土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征的有效指標(biāo)，而且能有效反映黑土土壤的抗侵蝕能力，進(jìn)一步驗(yàn)證了wa1．00較wa0．25對(duì)不同退耕年限表層土壤可蝕性變化的響應(yīng)更為敏感。

3 結(jié)論

退耕還林過程中，隨退耕年限的延長(zhǎng)，對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響，主要表現(xiàn)在相對(duì)提高較大粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上，提高了其水穩(wěn)性。

對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體wa0．25、wa1．00、Pad0．25、Dmw、Amw、D及土壤可蝕性因子K值等指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，表層土壤結(jié)構(gòu)隨退耕年限的增加得到不斷改善，土壤水穩(wěn)性增強(qiáng)，可蝕性降低;且以退耕11 a的變化最為明顯，退耕36 a后逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，土壤抵抗侵蝕的能力達(dá)到一定的水平。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體wa0．25、wa1．00、Dmw、Amw、D，相互之間的關(guān)系達(dá)顯著水平，并均與土壤可蝕性因子K值呈顯著相關(guān)(p＜0．05);可以作為表征黑土區(qū)退耕還林地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征和可蝕性的指標(biāo)。其中，對(duì)黑土區(qū)不同退耕年限土壤可蝕性的響應(yīng)，wa1．00比wa0．25，更為敏感。

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