寧夏黃土丘陵區(qū)典型林草植被類型對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

陳國靖,蔡進(jìn)軍,馬 璠,許 浩,董立國,韓新生,李生寶

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,銀川 750021; 2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 荒漠化治理研究所,銀川 750002)

土壤團(tuán)聚體是土壤的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元[1-2]，是由土壤的物理、化學(xué)、生物三大特性綜合作用產(chǎn)生，同時(shí)也影響著土壤的物理、化學(xué)、生物性狀，如透氣性、持水性等物理性質(zhì)，對(duì)土壤中微生物的活動(dòng)、酶活性以及土壤養(yǎng)分的存儲(chǔ)等生物、化學(xué)性狀也起到很大的作用。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是體現(xiàn)土壤抗侵蝕能力最好的指標(biāo)[3]，通常用土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、分形維數(shù)(D)三大指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[4]，且粒徑>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體被看作是結(jié)構(gòu)性最好的團(tuán)聚體[5]，其含量越高表明土壤的抗侵蝕能力越強(qiáng)。

不同的土地利用方式對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響十分顯著[6-7]，有研究表明灌叢、林地土壤的團(tuán)聚體較農(nóng)地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定；天然林地的土壤團(tuán)聚體比人工林地團(tuán)聚體含量高。董莉麗[8]對(duì)陜北黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明林地土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)均比農(nóng)地和果園大，土壤結(jié)構(gòu)明顯比農(nóng)地好。

寧夏南部山區(qū)位于黃土高原西部，屬于半干旱黃土梁狀丘陵區(qū)，地形破碎、植被覆蓋率較低，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。多年來，隨著退耕還林還草、封山禁牧、天然林保護(hù)等生態(tài)治理工程的實(shí)施，生態(tài)環(huán)境明顯改善，但受黃土高原特殊的地形地貌影響，水土流失仍然是該區(qū)域主要的生態(tài)問題。隨著生態(tài)文明建設(shè)步伐加快，在揭示黃土高原區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律和維持機(jī)制前提下，合理評(píng)價(jià)現(xiàn)有植被類型下的生態(tài)效果，闡明區(qū)域典型植被類型的水土保持效果，進(jìn)而提出以控制土壤侵蝕為目的的林草結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，集成區(qū)域水土流失綜合治理技術(shù)體系十分必要。本文以寧夏黃土丘陵區(qū)典型林草植被類型為研究對(duì)象，研究不同植被類型土壤團(tuán)聚體的MWD，GMD，D值對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響，分析不同植被類型下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的差異，為評(píng)價(jià)該地區(qū)不同植被利用類型土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)功能提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于寧夏彭陽縣白陽鎮(zhèn)中莊流域，處于彭陽縣城東北方21 km(106°41′—106°45′E，35°51′—35°55′N)。地貌類型屬于梁狀丘陵區(qū)，平均海拔在1 600～1 700 m，溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.6℃，年平均風(fēng)速2.7 m/s，≥10℃的積溫為2 200～2 750℃，無霜期140～160 d。流域多年平均降水量420～500 mm，降水量集中且分配不均，主要集中在7—9三個(gè)月，且降水的年際變差系數(shù)較大，常以暴雨形式出現(xiàn)，易發(fā)生局部地區(qū)洪水。土壤類型以普通黑壚土為典型土壤，土壤母質(zhì)為黃土及黃土狀物，pH值在8～8.5，土層深厚，土質(zhì)疏松。流域地帶性植被類型為干草原類，主要分布有長芒草(StipabungeanaTri.)、百里香(ThymusquinquecostatusCelak.)、西山委陵菜(PotentillasishanensisBge.ex Lehm.)、星毛委陵菜(PotentillaacaulisL.)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica(Laxm.)Schindl)等草本植物。其次還有中生和旱中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工林草植物主要包括山桃(PrunusdavidianaFranch.)、山杏(PrunussibiricaL.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、檸條(CaraganaKorshinskiiKom.)等。

2 研究方法

2.1 植被類型選擇

選擇當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘牧植葜脖活愋蜕教伊?、山杏林、沙棘林、苜蓿地、山杏×檸條混交林、撂荒地，其中林地均為人工林地，山杏、山桃、沙棘是人工純林，山杏×檸條是人工混交林地，均為2007年左右栽種，種植年限基本一致，苜蓿地為無人刈割的棄耕苜蓿地，撂荒地為棄耕10 a以上的農(nóng)地(表1)。

表1 不同林草植被結(jié)構(gòu)的基本信息

2.2 土樣的采集

于2016年9月在中莊小流域，山桃林、山杏林、沙棘林、苜蓿地、山杏×檸條混交林、撂荒地每個(gè)樣地選取6個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)均分5層采樣，即0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土壤層次，采集原狀土樣，每層取3個(gè)重復(fù)。裝入鋁盒避免擠壓，盡量保持土樣的原狀性，帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后待測。

2.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測試方法

本研究采用Yoder濕篩法對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量進(jìn)行測定。測定所用主要設(shè)備為日本產(chǎn)DIK-2001型土壤團(tuán)粒分析儀，其套篩孔徑依次為2 mm，1 mm，0.5 mm，0.25 mm，0.106 mm。每組樣品測定的震蕩時(shí)間為30 min，震蕩結(jié)束后分別將各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體用清水沖洗到碗中，再將碗中的各級(jí)團(tuán)聚體沖入已烘干稱重的濾紙中進(jìn)行過濾，待過濾完后將帶有團(tuán)聚體的濾紙收起來放入烘箱烘干后稱取各級(jí)團(tuán)聚體的重量。

2.4 計(jì)算方法

(1) 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的土壤平均重量直徑(MWD)

(1)

式中：xi為土壤粒級(jí)的平均直徑(mm)；mi為土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量(g)。

(2) 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的土壤幾何平均直徑(GMD)

(2)

式中：mi為土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量(g)；lnxi為土壤粒級(jí)平均直徑的自然對(duì)數(shù)。

(3) 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)(D)

土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量分形維數(shù)(D)是基于假設(shè)不同粒級(jí)的土壤密度相同提出來的。公式如下：

(3)

兩邊取以10為底的對(duì)數(shù)：

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林草植被類型水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

由表2可以看出，各林草植被類型下各粒徑土壤團(tuán)聚體含量均呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，即>2 mm和0.106～0.25 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量所占比例較高?；旖涣?2 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最多，撂荒地的含量最少，其他粒徑團(tuán)聚體含量分布較為均勻，沒有明顯的變化規(guī)律。通過方差分析表明，各林草植被類型間<0.5 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布基本無顯著差異(p<0.05)。

表2 不同林草植被結(jié)構(gòu)下土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)差,小寫字母表示p<0.05水平下的差異性。

3.2 不同土層深度>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

通常>0.25 mm的土壤團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，是最穩(wěn)定、最好的結(jié)構(gòu)體，對(duì)于土壤的水肥熱狀況有很大的影響[9-10]。由表3可以看出，各林草植被類型下，土壤>0.25 mm團(tuán)聚體隨土層深度的增加逐漸減少；0-20cm土層深度不同林草植被類型土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例為混交林地最高，撂荒地最少，分別是0.67，0.41；各林草植被類型下>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為混交>山杏>山桃>沙棘>撂荒>苜蓿。通過方差分析表明，各林草植被類型間土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體在土層深度>60 cm后基本無顯著差異(p<0.05)。

表3 不同土層深度土壤的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例

注：卑鄙號(hào)內(nèi)數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)差,小寫字母代有p<0.05的差異性。

3.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑和分形維數(shù)差異

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD是反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。其值越大，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)D越大，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越差[11-12]。由圖1A、B看出，混交林地的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD值均比其他類型大，圖1C可以看出混交林地分形維數(shù)D值明顯小于其他林草植被類型說明混交林地的團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好。而苜蓿地和撂荒地的MWD，GMD值較其他林地略小，D值較其他林地略大，說明苜蓿地和撂荒地的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，土壤恢復(fù)不夠好。

根據(jù)方差分析顯示，各林草植被類型之間差異基本不顯著,各土層深度之間，0—60 cm深度差異顯著，>60 cm差異基本不顯著(差異顯著水平p<0.05)。

3.4 土壤容重及土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性

通過土壤容重(SBD)及水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性來評(píng)價(jià)土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。如表4所示，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)D值與MWD，GMD、>2 mm呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.98；-0.99，-0.98，MWD，GMD與>2 mm呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.95，0.98，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)最大。MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99。

圖1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)

4 討 論

土壤團(tuán)聚體是土壤最基本的結(jié)構(gòu)單元，其中團(tuán)聚體的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)土壤的肥力和性質(zhì)起到了決定性的作用，對(duì)土壤的持水性、通透性和孔隙性也有很大的影響，且決定了土壤的抗侵蝕能力[1-3]。粒徑>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體被看作是結(jié)構(gòu)性最好的團(tuán)聚體[5]，其數(shù)量越多，土壤的抗蝕能力越強(qiáng)。劉艷[13]、呂文星[14]等的研究表明相同林地不同深度的土層下，土壤>0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體顆粒隨著土層深度逐漸減少，丁文峰[15]等對(duì)林地及農(nóng)地土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明>0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體含量越高，則土壤的穩(wěn)定性越好。本研究結(jié)果表明：各林草植被結(jié)構(gòu)下，土壤>0.25 mm團(tuán)聚體隨土層深度的增加逐漸減少,>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量混交林最高，苜蓿地、撂荒地相對(duì)較少，其含量依次為混交>山杏>山桃>沙棘>撂荒>苜蓿。說明混交林地土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較好，主要是因?yàn)榛旖涣值匚锓N較其他單一林地豐富，凋落物、枯死的細(xì)根歸還量大，為土壤輸入了大量的有機(jī)質(zhì)，提供了促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，從而有效地改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤中的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[16]；人工純林物種單一，凋落物和枯死細(xì)根的歸還量要顯著小于混交林[17]。<0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體隨著土層深度反而增加，說明上層土壤受到根系、枯落物的影響較大，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；土層越深，團(tuán)聚體粒徑就越小，因?yàn)樵酵赂祵?duì)土壤的影響就越小。表層土壤大團(tuán)聚體含量最大的是混交林地，最少的是撂荒地，可能是因?yàn)榱袒牡鼗謴?fù)不徹底，還沒有恢復(fù)到被破壞前的水平。

表4 土壤容重及水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性分析

注：**為0.01水平上顯著相關(guān)，*為0.05水平上顯著相關(guān)。

土壤分形維數(shù)(D)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)是反映土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性影響的趨勢。D，MWD，GMD 3個(gè)指標(biāo)均可作為土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中分形維數(shù)D既可以反映土壤顆粒的大小，還能反映土壤質(zhì)地的均一程度[4]。分形維數(shù)D值越大，團(tuán)聚體的分散度越大，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。本研究結(jié)果表明：苜蓿地的D值明顯比其他土地高，主要原因是前期耕作、播種等人為干擾較大，對(duì)土壤的團(tuán)聚體破壞大，覆蓋率低，受到雨水沖刷等自然因素影響較大，后無人刈割后恢復(fù)年限短，還沒有恢復(fù)到被破壞前的狀態(tài)；混交林地的D值最小。不同林草植被類型下的的土壤分形維數(shù)D值維持在2.71～2.89，與安韶山[18]等對(duì)云霧山草原自然保護(hù)區(qū)的土壤分形維數(shù)研究值(2.75～2.86)基本一致。

方差分析結(jié)果顯示，不同林草植被類型相同土層深度的MWD，GMD，D值在0—60 cm深度范圍內(nèi)均呈顯著性差異，60 cm以下各林草植被類型土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的各指標(biāo)差異不顯著，深層土壤受到根系、枯落物的影響小，土層深度越深，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量越少，微生物活動(dòng)越少，對(duì)土壤顆粒的影響很小。

5 結(jié) 論

(1) 混交林地的>0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、MWD，GMD值最大，土壤的結(jié)構(gòu)最好，抗侵蝕能力最強(qiáng)，撂荒地的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的各指標(biāo)值最小，土壤結(jié)構(gòu)最差，抗侵蝕能力最差。

(2) 土壤分形維數(shù)D值苜蓿地、撂荒地大于林地，苜蓿地土壤受到人為因素干擾后恢復(fù)年限短，土壤顆粒分散，土壤穩(wěn)定性差。

(3) 植被對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響一般在0—60 cm深度范圍內(nèi)，>60 cm影響較小。