石漠化區(qū)林草恢復(fù)與傳統(tǒng)農(nóng)耕對土壤團聚體和有機碳含量的影響

王進, 劉子琦, 張國, 李淵, 鮑恩俁

(貴州師范大學喀斯特研究院， 國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心， 貴陽 550001)

石漠化是指在亞熱帶脆弱喀斯特生態(tài)環(huán)境背景下，人類不合理的土地利用方式等社會經(jīng)濟活動造成植被破壞、人地矛盾突出、水土流失加劇、巖石裸露、土地生產(chǎn)力下降甚至喪失，地表呈現(xiàn)類似荒漠化景觀的過程或結(jié)果[1-2]。貴州是我國西南喀斯特最為集中的地區(qū)，也是石漠化較為嚴重的地區(qū)之一，貧困人口較為集中[1]，人地矛盾突出，坡地植被一旦被破壞，水土流失作用加劇，導(dǎo)致大量土壤養(yǎng)分、水分流失，土地生產(chǎn)能力銳減[2]，而土壤團聚體對維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和土壤養(yǎng)分的截留具有重要意義[3]。石漠化已成為制約我國西南喀斯特區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的重大生態(tài)問題[4]。因此，推進石漠化治理生態(tài)恢復(fù)，改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤生產(chǎn)能力，防止水土流失等已是迫在眉睫。張曼夏等[5]研究顯示，造林后植被恢復(fù)促進了土壤有機碳的恢復(fù)，顯著增加了土壤大團聚體中有機碳含量占總有機碳量的比例，從而促進團聚體的形成，提高團聚體的穩(wěn)定性。黃宗勝等[6]研究表明，喀斯特森林的自然恢復(fù)有效改善了土壤團聚體結(jié)構(gòu)和土壤有機碳的積累。而翻耕會導(dǎo)致5～8 mm團聚體崩解，受團聚體保護的閉蓄態(tài)有機碳釋放后，迅速礦化是喀斯特土壤有機碳損失的主要機制[7]。

土壤團聚體是土壤的重要組成部分，是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[8]，團聚體能維持土壤結(jié)構(gòu)，保持土壤養(yǎng)分，影響土壤的生產(chǎn)能力和抗侵蝕能力[9]。土壤團聚體是通過微生物菌絲和細根等含多糖類物質(zhì)將土壤顆粒粘結(jié)在一起形成的結(jié)合體。因此，土壤有機碳的含量和性質(zhì)影響團聚體的形成和穩(wěn)定性[10]。團聚體的穩(wěn)定性受有機碳含量、持水性能、緊實度、滲透率、孔隙度、地表徑流等各種因素的影響[11]。不同土地利用方式和管理措施通過改變土壤性質(zhì)和周圍環(huán)境，進而影響團聚體的形成和穩(wěn)定性[12]。一些研究表明，不同土地利用方式和管理方式下，土壤團聚體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性存在較大差異。毛艷玲等[13]的研究表明，農(nóng)業(yè)用地不同粒級團聚體有機碳含量顯著低于林業(yè)用地。姜敏等[14]對丹江口庫區(qū)的研究表明，林地(人工林和自然林)土壤團聚體穩(wěn)定性和抗蝕性更好，旱作農(nóng)地(果園和旱地)土壤團聚結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性較弱?？梢?，土地利用方式對土壤團聚體分布及團聚體有機碳的影響具有重要作用。目前的研究表明，喀斯特石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)能夠增加土壤有機碳含量[15-16]，但是缺乏相關(guān)機制研究。本文通過研究不同石漠化治理方式與傳統(tǒng)種植方式土壤團聚體的分布、穩(wěn)定性和有機碳含量，分析了土壤有機碳增加的機制，以期為石漠化治理區(qū)土壤結(jié)構(gòu)改善、土壤碳庫維持與提高、區(qū)域土地利用調(diào)控與管理、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與穩(wěn)定提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于貴州省關(guān)嶺縣與貞豐縣交界處的北盤江河谷兩岸，地理坐標為105°36′30″—105°46′30″E，25°39′13″—25°41′00″N。研究區(qū)巖石以白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主，是典型的喀斯特高原峽谷地貌。地勢起伏大，地表裸露破碎，海拔450—1 450 m之間，相對高差1 000 m。該區(qū)域年均降雨量1 100 mm，降雨主要分布在5—10月。研究區(qū)植被主要以人工林頂壇花椒(Zanthoxylumplanispinumvar. Dintanensis)、火龍果(Hylocereusundulatus)、核桃(Juglansregia)、金銀花(Lonicerajaponica)和柚木(Tectonagrandis)以及野生的香椿(Toonasinensis)、救軍糧(Pyracanthafortuneana)、光皮樺(Betulaluminifera)等為主。

1.2 土壤樣品的采集

2018年5月份在研究區(qū)內(nèi)選擇具有代表性的、坡度和坡位基本一致的金銀花地、火龍果地、花椒地、玉米地和草地5種土地利用方式樣地，樣地基本概況見表1，各樣地土壤基本理化性質(zhì)見表2。在5種土地利用方式同一樣地各設(shè)置3個10 m×10 m的大樣方，各樣地之間距離大于10 m，在大樣方內(nèi)4個角落及中間設(shè)置5個1 m×1 m的小樣方。然后，在大樣方中選擇一條對角線上的3個小樣方，并在每個小樣方的對角線上挖3個20 cm的土壤剖面并采集樣品。樣品采集的順序分別是0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm和15—20 cm。將小樣方內(nèi)同一層的土壤樣品混合在一起放入塑料盒子中，保持原有的結(jié)構(gòu)并帶回實驗室。按照其原有的自然結(jié)構(gòu)剝成能通過8 mm篩子的樣品。除去碎石和樹根等雜質(zhì)，待自然風干后，測定土壤團聚體。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic overview of sampling plots

表2 不同土地利用方式下土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of soil under different land use types

1.3 土壤樣品分析

采用濕篩法分析土壤團聚體的粒徑分布。具體方法如下：采取100 g風干土放置于團聚體分析儀(XY-100，北京祥宇偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司)套篩最上一層的篩子內(nèi)。調(diào)整桶內(nèi)水位，使水位恰好能淹沒風干土，浸泡5 min后，啟動土壤團聚體分析儀，調(diào)整為振幅3 cm振動30 min，然后根據(jù)孔篩的大小分離出<0.25 mm、0.25～2 mm、2～5 mm、>5 mm 4級團聚體組分。將團聚體套篩輕輕地從桶內(nèi)移出，放置于試驗臺上，利用藥匙、洗瓶和蒸餾水將團聚體組分從各級篩中先后移至燒杯中，將各級水土混合物轉(zhuǎn)移到已編好號碼的鋁盒中，放入溫度設(shè)置為50 ℃的烘箱中烘干。烘干后的各級團聚體組分分別移至稱量紙上稱重，記錄好各級組分的質(zhì)量，最后將各級組分分別裝入編好號碼的自封袋中，用于測定土壤團聚體有機碳。有機碳的測定采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定。

1.4 計算公式

①某粒徑團聚體組分的質(zhì)量百分比含量=該級團聚體的質(zhì)量/各粒徑團聚體質(zhì)量之和的總質(zhì)量×100%

(1)

②土壤水穩(wěn)(濕篩)性大團聚體含量(R>0.25)(>0.25 mm的團聚體)計算公式[14]如下。

(2)

式中，M>0.25為大團聚體含量，MT為篩分之前土壤總量。

③平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，計算公式[14]如下。

(3)

(4)

④團聚體對土壤有機碳的貢獻率=該級團聚體中有機碳含量×該級團聚體百分含量/土壤總有機碳含量×100%[17]

(5)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013、SPSS 19.0和Origin 2017軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團聚體組成分析

水穩(wěn)性團聚體組成特征對衡量土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要作用，也是表征土壤抗侵蝕能力的主要指標之一。不同樣地土壤團聚體分布如表3所示，草地以>5 mm粒級團聚體所占質(zhì)量分數(shù)最高，為51.67%～64.75%，顯著高于金銀花地、火龍果地、花椒地和玉米地(P<0.05)；且草地在>5 mm粒級團聚體含量分別在0—5 cm和15—20 cm土層中含量最高。火龍果地和花椒地的>5 mm粒級團聚體均以0—5 cm土層含量最高。在2～5 mm粒級中，金銀花地土壤團聚體含量最高，為48.89%；而該粒級在0—20 cm土層中表現(xiàn)出金銀花地(37.80%)>火龍果地(26.64%)>玉米地(25.30%)>花椒地(22.27%)>草地(17.00%)，玉米地在該粒級中優(yōu)于花椒地和草地?；瘕埞亍⒒ń返睾陀衩椎卦?—20 cm土層中土壤團聚體含量均以0.25～2 mm粒級所占比例最高；其中花椒地為46.59%～50.19%，顯著高于其他土地利用方式(P<0.05)；玉米地次之，且顯著高于<0.25 mm粒級團聚體含量(P<0.05)；火龍果地在0.25～2 mm粒級團聚體含量在各土層中基本一致。5種研究樣地在0—20 cm土層中土壤團聚體含量均以<0.25 mm粒級含量最少，且顯著低于其他粒級團聚體(P<0.05)。

表3 不同土地利用方式下土壤團聚體分布特征Table 3 Distribution characteristics of soil aggregates under different land use types

2.2 土壤團聚體的穩(wěn)定性特征

大團聚體(R>0.25)含量及數(shù)量的多少與土壤穩(wěn)定性狀況呈正相關(guān)關(guān)系，是定量評價土壤穩(wěn)定性的重要指標[18]。土壤團聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，MWD和GMD值越大，表明土壤團聚體的團聚度越高，團聚體的穩(wěn)定性就越好[19]。由表4可知，隨著土層的加深，金銀花地R>0.25值逐漸降低，其他樣地則無明顯規(guī)律。在0—20 cm土層內(nèi)，草地和金銀花地的R>0.25、MWD和GMD值均顯著高于其他土地利用方式(P<0.05)，其中草地的R>0.25、MWD和GMD平均值分別為92.69%、3.77 mm和2.88 mm，金銀花地為90.86%、2.96 mm和2.12 mm；最低為花椒地，分別為85.88%、2.11 mm和1.34 mm，玉米地為86.18%、2.27 mm和1.88 mm。表明草地更有利于提高土壤團聚體穩(wěn)定性。總體而言，5種樣地土壤團聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)出草地>金銀花地>火龍果地>玉米地>花椒地。表明除花椒地外，其他樣地土壤團聚體穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)種植方式的玉米地，說明林草植被恢復(fù)有助于提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強土壤抗侵蝕能力，有利于改善喀斯特石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境。

表4 不同土地利用方式下土壤團聚體的穩(wěn)定性Table 4 Stability of soil aggregates under different land use types

2.3 土壤團聚體有機碳分布特征

土壤團聚體與土壤有機碳的質(zhì)量和數(shù)量有著密切的關(guān)系，有機質(zhì)是土壤團聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)[20]，土壤有機碳對團聚體的形成有促進作用，在土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上起到了積極的作用。同時土壤團聚體又是有機質(zhì)轉(zhuǎn)化和積累的關(guān)鍵場所，通過物理保護作用有效減少生物對團聚體內(nèi)部有機碳的分解，對土壤碳匯和肥力具有重要的意義[21-22]。如圖1所示，5種樣地各粒級土壤團聚體有機碳含量均表現(xiàn)出0—5 cm土層最高，各粒級土壤團聚體有機碳隨著土壤深度的增加而降低。在0—5 cm土層中，除金銀花地外，其他樣地隨著團聚體粒級的減小，土壤有機碳先減少后增加。在0—10 cm土層中，金銀花地各粒級土壤團聚體有機碳含量均最高，為25.95～36.29 g·kg-1，顯著高于其他樣地，而玉米地最低，為10.78～20.80 g·kg-1；在10—20 cm土層，最高為金銀花地和草地，兩者差異性均不顯著，而玉米地土壤團聚體有機碳含量相對較低，且與花椒地相應(yīng)各粒級團聚體有機碳含量均不顯著?？傮w上，土壤團聚體有機碳含量表現(xiàn)為：金銀花地>草地>火龍果地>花椒地>玉米地，各粒級團聚體中，大多以0.25～2 mm和<0.25 mm粒級團聚體有機碳含量最高。而玉米地總有機碳含量最低，說明林草植被恢復(fù)后不同粒徑團聚體和總有機碳含量均有提高，植被恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境的改善促進了有機質(zhì)的恢復(fù)，從而促進團聚體的形成，提高團聚體穩(wěn)定性。因此，在喀斯特石漠化地區(qū)應(yīng)改變傳統(tǒng)農(nóng)耕種植方式，發(fā)展經(jīng)濟林產(chǎn)業(yè)。

注：同一土地利用方式下不同英文字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義，同一粒徑下不同希臘字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different English letters under the same land use type indicate significant difference at P<0.05 level, different Greek letters under the same particle size indicate significant difference at P<0.05 level.圖1 不同土地利用方式下土壤剖面土壤團聚體有機碳含量Fig.1 Organic carbon content of soil aggregates in soil profiles under different land use types

2.4 土壤團聚體有機碳貢獻率

圖2顯示，在整個土壤剖面中，草地土壤團聚體有機碳總體上在>5 mm粒級上含量最高，有機碳貢獻率為45.92%～62.42%。在0—20 cm土層中，金銀花地以2～5 mm粒級團聚體有機碳貢獻率最高；火龍果地、花椒地和玉米地則以0.25～2 mm粒級團聚體有機碳貢獻率最大，分別為38.22%～41.13%、39.63%～49.17%和32.15%～51.22%。在本研究中，除金銀花10—15 cm土層外，其他樣地在同一樣地不同土層間，不同粒級團聚體對土壤團聚體有機碳的貢獻率基本一致。而草地和金銀花地有機碳貢獻率較大的主要集中在>5 mm粒級和2～5 mm粒級團聚體，而玉米地主要在0.25～2 mm粒級，說明在該石漠化區(qū)將傳統(tǒng)玉米種植轉(zhuǎn)變?yōu)榻疸y花或草地更有利于提高土壤的穩(wěn)定性和土壤有機碳的積累。

圖2 不同土地利用方式下土壤剖面團聚體有機碳貢獻率Fig.2 Contribution rate of organic carbon in aggregates of soil profiles under different land use types

3 討論

3.1 土壤團聚體粒徑分布特征及其影響

土壤團聚體形成過程是一個復(fù)雜的生物學、物理、化學和生物化學過程[23]?，F(xiàn)有研究已明確了土壤團聚體的組成會受到不同土地利用方式影響。本研究結(jié)果顯示，不同林草植被和傳統(tǒng)農(nóng)作物玉米地土壤團聚體均以<0.25 mm含量最低，表明>0.25 mm粒徑是該區(qū)域不同土地利用方式下團聚體的主要存在形式。這與李娟等[24]對該區(qū)域的研究結(jié)果基本一致。張祎等[25]通過研究坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄尽⒉莸?、林地和梯田后土壤團聚體的分布特征得出，大團聚體破碎化降低，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，微團聚體向中間團聚體和大團聚體轉(zhuǎn)化。本研究中，以玉米地為對照，除花椒地未有明顯變化外，草地、金銀花地和火龍果地大團聚體均有明顯增加。土地利用方式的改變使得土壤管理方式和區(qū)域環(huán)境的變化，特別是農(nóng)向林或草的轉(zhuǎn)變，增加枯枝落葉，根系和菌絲以及微生物分解形成粘結(jié)物，導(dǎo)致土壤團聚體的分布發(fā)生改變[26-27]。這也可能是導(dǎo)致傳統(tǒng)農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟林地和草地后，大團聚體發(fā)生重大變化的主要原因。此外，草地>5 mm團聚體粒徑含量明顯高于其他土地利用方式，并為玉米地的3.38倍。Tisdall[28]和Oades等[29]研究認為，大團聚體是由微團聚體形成后在根系和菌絲的纏繞作用下形成，而草地受人為擾動較少，可能更有利于>5 mm團聚體的形成。

3.2 土壤團聚體的穩(wěn)定性及影響

土壤團聚體是土壤的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)是土壤肥力的基礎(chǔ)，它可以體現(xiàn)出土壤供應(yīng)養(yǎng)分的能力、持水性和通透性等[30]。MWD和GMD通常是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量越多，質(zhì)量越高，表明土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好，抗侵蝕能力越強[31]。在本研究中，大團聚體>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量表現(xiàn)出草地>金銀花地>火龍果地>玉米地>花椒地。說明草地土壤結(jié)構(gòu)最好，穩(wěn)定性最好，抗侵蝕能力最強。且所有土地利用方式大團聚體(>0.25 mm)含量均表現(xiàn)在85%以上，說明5種土地利用方式土壤團粒結(jié)構(gòu)以大團聚體(>0.25 mm)為主。而MWD和GMD的值越高，則表明土壤團聚體穩(wěn)定性越強[32]。本研究表明，在水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD中都表現(xiàn)出草地>金銀花地>火龍果地>玉米地>花椒地，進一步佐證了草地土壤團聚體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定?？λ固厥貐^(qū)是我國土壤侵蝕相對較為嚴重的地區(qū)之一，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好，土壤抗侵蝕能力越強，因此，草地抗侵蝕能力較強。

影響土壤團聚體穩(wěn)定性的因素很多，主要有土壤有機質(zhì)、土壤微生物、土地利用方式、管理措施、氣候條件等[33]。Tisdall[28]研究表明，人為擾動容易使土壤大團聚體優(yōu)先遭到破壞繼而形成微團聚體。草地和金銀花覆蓋面積大，受人類活動干擾少，草地和金銀花地地表大量凋落物，微生物和根系分解為多糖等膠結(jié)物質(zhì)，促進菌根菌絲等有機膠結(jié)物質(zhì)的生長，有利于菌絲對土壤的纏繞作用，從而促進土壤>0.25 mm團聚體的形成，提高團聚體的穩(wěn)定性[34]。其次，由于金銀花匍匐生長覆蓋度好，草地覆蓋物較多，降雨對這兩種樣地的淋溶作用減弱，也有利于提高大團聚體(>0.25 mm)的含量，增強團聚體穩(wěn)定性[35]。對于火龍果地和花椒地而言，土地使用頻率和耕作強度較高，土壤受人類活動干擾較大，團聚體破壞嚴重，但火龍果地由于人工施肥(農(nóng)家肥、化肥等)，增加土壤有機質(zhì)的來源，促進土壤微生物的活動，增進土壤顆粒間的相互膠結(jié)作用[36]，最終促進大團聚體(>0.25 mm)的形成，提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。而花椒地施肥較少，難以形成有效的補充。此外，翻耕會導(dǎo)致玉米地大團聚體破碎化，大團聚體數(shù)量銳減。因此,5種土地利用方式中，花椒和玉米的土壤團聚體穩(wěn)定性較差。

3.3 土壤團聚體有機碳的分布及有機碳貢獻率特征

在整個土壤剖面中，不同樣地土壤各粒級團聚體有機碳含量隨著土層深度的加深而減少。這與黃曉強等[37]的研究結(jié)果一致，這可能是由于地表積累大量凋落物和動植物殘體以及在微生物的分解下有機碳進入土壤中，增加表層不同粒級團聚體的有機碳含量，而隨著土層深度的加深，這種作用逐漸減弱，導(dǎo)致土層越深有機碳含量越小。本研究顯示，不同土地利用方式下土壤團聚體有機碳含量隨著粒徑減小而增加，這與譚秋錦等[17]和Arrouays等[38]的研究結(jié)果一致，是因為小團聚體中有機和無機膠體緊密結(jié)合固持碳，受到更強的物理保護，固持的有機碳不易被微生物分解并釋放[38]。而水穩(wěn)性團聚體有機碳對土壤團聚體有機碳的貢獻率，均以大團聚體(R>0.25)貢獻最大，<0.25 mm的貢獻率較小，這與譚秋錦等[17]和盧凌霄等[39]得出的大團聚體有機碳含量對土壤有機碳貢獻率高于小團聚體有機碳的貢獻率的結(jié)論基本一致。通過對比不同粒級團聚體有機碳的分布特征以及不同土地利用方式對有機碳含量的影響，可以揭示出土壤有機碳的增加機制。本研究中，除花椒地外，金銀花地、火龍果地和草地土壤總有機碳和不同粒級團聚體有機碳含量均顯著高于農(nóng)耕地玉米地土壤有機碳含量。相比于金銀花地、火龍果地和花椒地，玉米地翻耕會影響有機質(zhì)的氧化和作物根系生長，從而會影響有機質(zhì)對團聚體的膠結(jié)作用和作物根系的固結(jié)作用，以及各粒級團聚體結(jié)合有機碳的含量，進而減少了各粒級團聚體有機碳含量和總有機碳量[40]。其次，玉米地地表光禿，地表土壤入滲率和吸水量降低，降雨會使大團聚體濺散，而且地表產(chǎn)生的超滲徑流還會進一步?jīng)_蝕表土，致使大團聚體遭到破壞，團聚體內(nèi)部有機質(zhì)礦化，進一步減少有機質(zhì)含量[41]。

在本研究中，土壤總有機碳含量和各粒級團聚體有機碳含量均表現(xiàn)出金銀花地>草地>火龍果地>花椒地>玉米地，這是由于金銀花地和草地受人類活動干擾較少有關(guān)，土壤團聚體穩(wěn)定性較強，同時金銀花地和草地表層大量的凋落物被微生物降解給土壤帶來豐富的有機質(zhì)，補充土壤有機碳含量。相對而言，由于火龍果地和花椒地人為干擾較多，水穩(wěn)性大團聚體(>0.25 mm)遭到破壞導(dǎo)致團聚體穩(wěn)定性降低，同時大團聚體的破碎導(dǎo)致活性有機質(zhì)釋放并提高微生物活性，土壤有機質(zhì)又被微生物消耗，從而導(dǎo)致有機質(zhì)含量下降[32]。其次，果農(nóng)在管理火龍果和花椒的過程中，花椒果實采摘會將枝葉與果實一同修剪帶走，減少了火龍果地和花椒地土壤有機物質(zhì)的投入，而單一的施肥不能有效提高土壤有機碳，因此會使土壤有機碳含量降低。