黃土丘陵區(qū)人工檸條種植年限和坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

高 冉,趙勇鋼,劉小芳,栗文玉,杜雨佳,張星星

山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 臨汾 041000

植被恢復(fù)是干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要措施。自20世紀(jì)90年代黃土高原地區(qū)實(shí)施的退耕還林(草)工程,顯著增加了植被覆蓋率,促進(jìn)了土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)積累,是控制區(qū)域水土流失和提升土壤質(zhì)量的重要舉措[1]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,其穩(wěn)定性與土壤抗侵蝕、固碳效應(yīng)、水文過(guò)程和土壤肥力等土壤功能的表達(dá)密切相關(guān)[2]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性除了與土壤母質(zhì)、有機(jī)碳含量、微生物多樣性等內(nèi)在理化性質(zhì)有關(guān)外,還受植被類型、恢復(fù)年限、立地條件等外在因素的影響[3- 6]。許多研究已表明,由于植被恢復(fù)類型的不同,致使植物地上和地下生物量以及凋落物輸入及根系結(jié)構(gòu)的差異,影響其土壤團(tuán)聚體的形成過(guò)程和穩(wěn)定性[7]。劉夢(mèng)云等[8]研究表明,黃土臺(tái)塬區(qū)灌木林地的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于恢復(fù)草地或耕地。An等[9]發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)顯著提高>0.25 mm團(tuán)聚體含量,且草地恢復(fù)7年后、人工造林實(shí)施3年后,團(tuán)聚體穩(wěn)定性將維持在較高的穩(wěn)定狀態(tài)。程曼等[10]對(duì)寧南山區(qū)不同植被恢復(fù)措施和年限下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在天然草地和25a檸條相對(duì)較大,15a檸條次之,坡耕地最小。這些研究表明了隨著植被恢復(fù)進(jìn)程延續(xù),土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性也會(huì)隨之改變。由于土壤團(tuán)聚體形成及其穩(wěn)定性具有較大的復(fù)雜性,其在不同植被恢復(fù)方式及時(shí)間演變下的變化規(guī)律仍需進(jìn)一步的研究。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性也受坡位的影響。在坡面尺度上,土壤團(tuán)聚體的形成除了受土壤剖面縱向上各種因子的影響外,也受降雨和徑流在坡面橫向上的影響[11]。降雨和徑流作用下的侵蝕-沉積過(guò)程會(huì)使土壤顆粒及物質(zhì)元素沿坡面產(chǎn)生流動(dòng)和分布,影響坡面土壤生境狀況[12]。如Gregorich和Anderson[13]發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量從坡頂?shù)狡履_逐漸增加,土層逐漸增厚。Zou等[14]對(duì)不同坡位的6種灌木林研究發(fā)現(xiàn),大團(tuán)聚體(>5 mm)和小團(tuán)聚體(<0.25 mm)受坡位的影響最大,在下坡>5 mm占比較大,<0.25 mm在上坡通常更為普遍。從目前的研究來(lái)看,團(tuán)聚體穩(wěn)定性除了與植被因素密切相關(guān)外,與坡位也有重要關(guān)系,其在兩者耦合作用下的變化仍有進(jìn)一步研究的必要[15]。

檸條(CaraganakorshinskiiKom.)是寧、陜、晉、甘等黃土高原地區(qū)的主要人工種植灌木樹種之一,在水土流失控制和脆弱生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)中發(fā)揮了重要作用[16]。檸條多以條帶狀種植,并結(jié)合如水平階、水平溝反坡臺(tái)、魚鱗坑等微地形改造措施進(jìn)行,這使得地表起伏發(fā)生改變,水分與物質(zhì)的連通性與分布在坡面具有較大空間差異性[17],并可能對(duì)坡面土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。目前,有關(guān)坡面尺度上黃土丘陵區(qū)檸條種植年限與坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響的研究還較少。此外,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的測(cè)定結(jié)果與研究采用的方法有關(guān)[9,18- 19]。Le Bissonnais[20]提出了快速潤(rùn)濕(fast wetting,FW)、慢潤(rùn)濕潤(rùn)(slow wetting,SW)和預(yù)濕后擾動(dòng)(wet stirring,WS)3種處理的一種方法(簡(jiǎn)稱LB法),可以區(qū)分消散作用、粘粒膨脹和機(jī)械打擊對(duì)團(tuán)聚體破壞的不同機(jī)制,但應(yīng)用該方法分析不同坡位土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面的研究還不多。因此,本研究以寧南黃土丘陵區(qū)人工檸條地為對(duì)象,運(yùn)用LB法測(cè)定不同坡位和種植年限下團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征,并分析其影響因素,以期為揭示黃土高原植被恢復(fù)改善土壤結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)河川鄉(xiāng)上黃村的中科院水利部水土保持研究所固原生態(tài)試驗(yàn)站(106°26′—106°30′E,35°59′—36°03′N),屬半干旱溫帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為6.9 ℃,干燥度1.55—2.00,海拔高度1534—1822 m,多年平均降水量為419.1 mm,降水主要集中在7—9月。研究區(qū)屬黃土高原梁狀丘陵區(qū),土壤類型以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主。研究區(qū)水土流失嚴(yán)重,林草覆蓋度由初期(1982年)的1.9%上升到“十五”期間的51.7%,土壤侵蝕模數(shù)也由6000 t km-2a-1降到“十五”期間的1000 t km-2a-1[21]。植被類型為森林草原帶向典型草原帶過(guò)渡的灌叢草原類型。土地利用方式主要由灌木、草地和農(nóng)田組成。灌木主要是自1984開(kāi)始分批次種植的檸條。天然草本植物主要有長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、大針茅(Stipagrandis)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、百里香(Thymusmongolicus)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取檸條種植年限分別以15年(2004年種植)、25年(1994年種植)、35年(1984年種植)為樣地,以相鄰的荒草地為對(duì)照?；牟莸亓袒臅r(shí)間大于40年,主要植被有鐵桿蒿、大針茅和長(zhǎng)芒草等。各研究樣地基本概況見(jiàn)表1。在坡面從上至下分為上坡、中坡和下坡,上坡距離峁頂約20 m,中坡與上坡和下坡各相距約30—50 m。在每個(gè)坡位沿坡面10 m范圍內(nèi)水平設(shè)置取樣條帶,設(shè)置3個(gè)10×10 m的樣方,作為重復(fù),每個(gè)樣方間距約10 m。檸條為條帶種植,種植前有微地形水平階整地,種植檸條階面寬0.5—1 m,反坡約3°—5°,開(kāi)挖最大深度為10—20 cm,相鄰檸條間為2—3 m長(zhǎng)的荒草地自然坡面。

2018年8月進(jìn)行采樣。每個(gè)樣方在水平溝內(nèi)距檸條莖干約30 cm處挖40 cm深的土壤剖面,分別采集0—10、10—20、20—30 cm和30—40 cm共4個(gè)土層的原狀土,裝入塑料盒帶回實(shí)驗(yàn)室,去除植物根系等雜質(zhì)按紋理掰成小塊,風(fēng)干待測(cè)。同時(shí),采取3個(gè)樣方各土層的混合樣,室內(nèi)風(fēng)干后分別過(guò)0.15 mm和2 mm篩,分別用于SOC和機(jī)械組成測(cè)定分析。

1.3 樣品測(cè)定

土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性根據(jù)LB法[20]進(jìn)行測(cè)定。該方法包括慢速濕潤(rùn)、快速濕潤(rùn)和預(yù)濕后擾動(dòng)3種處理。本文在該方法基礎(chǔ)上有部分調(diào)整:篩取風(fēng)干的3—5 mm團(tuán)聚體,在烘箱中40 ℃烘干24 h,使土壤含水量恒定后分別進(jìn)行3種處理。每種處理有3個(gè)重復(fù)。FW處理將土樣迅速浸入去離子水中,相反SW處理將土樣置于加入95%乙醇的海綿上進(jìn)行濕潤(rùn)；WS處理則是將土樣先浸入95%乙醇中,再轉(zhuǎn)到加去離子水的三角瓶中翻轉(zhuǎn)晃動(dòng)。上述處理之后,吸去多余水分,使用乙醇將團(tuán)聚體洗入預(yù)先放在乙醇溶液中的篩子(0.053 mm),再將篩子上的團(tuán)聚體洗入小燒杯后烘48 h。之后,與LB法不同,本研究過(guò)2、0.25 mm和0.053 mm套篩,精確稱量后,計(jì)算得到>2(較大大團(tuán)聚體,larger macro-aggregate)、2—0.25(較小大團(tuán)聚體,smaller macro-aggregate)、0.25—0.053 mm(微團(tuán)聚體,micro-aggregate)和<0.053 mm(粉粘粒級(jí)團(tuán)聚體)粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù),并據(jù)此進(jìn)行團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析指標(biāo)選取平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)[22]、相對(duì)消散指數(shù)(relative slaking index,RSI)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)(relative mechanical breakdown index,RMI)[23],計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中,ωi為第i級(jí)團(tuán)聚體重量百分含量,xi為第i級(jí)的團(tuán)聚體平均直徑(mm)；分別用MWDSW、MWDFW和MWDWS表示慢速濕潤(rùn)(SW)、快速濕潤(rùn)(FW)和預(yù)濕后擾動(dòng)(WS)的計(jì)算結(jié)果。

土壤機(jī)械組成利用激光分散法(Mastersizer 2000,Malvern Instruments, Malvern, England)進(jìn)行測(cè)定,SOC含量采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測(cè)定[24]。

表1 樣地基本信息

CK:荒草地Natural grassland；N15:檸條種植15年15-year-oldCaraganakorshinskiiKom. shrubland；N25:檸條種植25年25-year-oldCaraganakorshinskiiKom. shrubland；N35:檸條種植35年35-year-oldCaraganakorshinskiiKom. shrubland

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)每種LB處理在不同樣地、坡位和深度土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)分布以及MWD、RSI和RMI的差異,并采用最小顯著性差異法(least significant difference,LSD)進(jìn)行多重比較,顯著性水平為0.05。所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 17.0軟件(SPSS,Inc.,Chicago,IL,USA)完成。利用冗余分析(Redundancy analysis,RDA)分析土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與影響因素之間的關(guān)系。RDA分析應(yīng)用CANOCO 5.0軟件完成，其余采用Origin 9.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果

2.1 SOC和機(jī)械組成

檸條種植年限和坡位對(duì)SOC含量及機(jī)械組成有顯著影響(P<0.05,表2)。SOC含量在上坡和中坡均在種植35年最高,但下坡荒草地則顯著高于檸條種植樣地(P<0.05)。有機(jī)碳和粘粉粒含量在同一年限不同坡位表現(xiàn)為坡下>坡上>坡中。隨檸條種植年限增加,上坡和中坡的粘粒和粉粒含量均呈增加趨勢(shì),下坡則是先降低后增加,種植15年檸條地顯著低于其他樣地(P<0.05)。砂粒含量與粘粉粒含量呈相反變化規(guī)律。

表2 不同種植年限與坡位0—40 cm土層SOC和機(jī)械組成

A:種植年限Stand age；P:坡位Slope position；A×P:種植年限和坡位的交互作用Interaction effect of stand age and slope position；不同小寫字母表示同一坡位不同種植年限差異顯著(P<0.05)；*P<0.05,***,P<0.01

2.2 土壤團(tuán)聚體粒徑分布

種植年限、坡位和土層深度對(duì)3種處理下的各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量具有顯著影響,除了坡位對(duì)SW處理中的<0.053 mm和WS處理中的0.25—0.053 mm粒級(jí)無(wú)顯著影響(表3)。隨著土壤深度的增加,3種處理下>0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量均呈降低趨勢(shì),種植年限對(duì)土壤深度的影響主要在0—20 cm(圖1)。SW處理下,0—40 cm土層的>2 mm團(tuán)聚體含量占比最多,約為總土重的65.7%—92.5%,并且總體表現(xiàn)下坡高于上坡和中坡。在上坡和中坡>2 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為隨種植年限增長(zhǎng)而增加,在下坡則為先降低后增加。FW和WS處理下的各粒級(jí)團(tuán)聚體含量隨種植年限的變化趨勢(shì)與SW處理相似。FW處理下,0—20 cm土層>0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體約占56.84%,且主要為>2 mm粒級(jí),但在20—40 cm土層>0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體約為54.09%,且以2—0.25 mm粒級(jí)為主。WS處理下團(tuán)聚體分布特征與FW處理相似,但WS處理在<0.25 mm粒級(jí)(尤其是<0.053 mm粒級(jí))的團(tuán)聚體含量要低于FW處理。

表3 不同Le Bissonnais處理下種植年限、坡位和土層團(tuán)聚體分布和MWD的方差分析

Table 3 Variance analysis for the effects of stand age， slope position and soil depth on soil aggregate distribution and MWD under Le Bissonnais method

處理Treatment粒級(jí)等因子Factors種植年限(A)Stand age坡位(P)Slope position土層(D)Soil depthA×PA×DP×DA×P×DSW>2 mm9.40???11.94???27.80???4.00???0.730.620.572—0.25 mm4.98???14.89???38.66???10.29???0.921.771.150.25—0.053 mm16.28???12.69???22.90???4.54???1.861.271.79?<0.053 mm9.68???2.225.66???1.930.741.441.01FW>2 mm7.60???17.44???94.23???1.750.455.28???1.122—0.25 mm5.69???7.06???21.45???2.46?2.583.04???2.30???0.25—0.053 mm9.88???25.81???20.33???4.25???5.41???4.10???2.43???<0.053 mm24.76???4.68?24.81???2.83?11.14???4.95???5.61???WS>2 mm12.35???3.28?59.27???9.60???1.22.011.32—0.25 mm5.79???14.37???30.43???3.14???1.271.111.280.25—0.053 mm7.92???2.0636.87???6.45???2.68???3.40???3.03???<0.053 mm3.53?5.21???6.69???2.46?5.44???2.91?1.55穩(wěn)定指標(biāo)MWDSW10.88???11.09???25.62???3.27?0.740.750.6Stability indexMWDFW8.99???15.28???90.39???1.560.745.32???1.34MWDWS11.84???3.30?55.50???9.59???1.532.151.43RSI5.17???16.32???74.08???0.670.756.80???1.06RMI4.19???0.7623.79???4.53???1.271.330.90

A:種植年限Stand age；P:坡位Slope position；D:土層Soil depth；A×P:種植年限和坡位交互作用Interaction effect of stand age and slope position；A×D:種植年限和土層交互作用Interaction effect of stand age and soil depth；P×D:坡位和土層交互作用Interaction effect of slope position and soil depth；A×P×D:種植年限、坡位和土層交互作用Interaction effect of stand age、slope position and soil depth；SW:慢速濕潤(rùn)Slow wetting；FW:快速濕潤(rùn)Fast wetting；WS:預(yù)濕后擾動(dòng)Wet stirring；MWD:平均重量直徑Mean weight diameter；RSI:相對(duì)消散指數(shù)Relative slaking index；RMI:相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)Relative mechanical breakdown index；*P<0.05,***P<0.01

圖1 Le Bissonnais方法三種處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates in the three treatments by Le Bissonnais methodCK:荒草地Natural grassland；N15:檸條種植15年15-year-old Caragana korshinskii Kom. shrubland；N25:檸條種植25年25-year-old Caragana korshinskii Kom. shrubland；N35:檸條種植35年35-year-old Caragana korshinskii Kom. Shrubland；SW:慢速濕潤(rùn)Slow wetting；FW:快速濕潤(rùn)Fast wetting；WS:預(yù)濕后擾動(dòng)Wet stirring；0—10、10—20、20—30和30—40分別代表土層深度

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

種植年限、坡位和土層深度對(duì)3種處理下MWD值有顯著影響(表3,圖2)。MWDSW、MWDFW和MWDWS變化范圍分別為2.47—3.27、0.40—2.00 mm和0.98—2.46 mm。隨著種植年限的增加,3種處理MWD值在上坡和中坡表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),在下坡則是先降低后增加。并且同一種植年限不同坡位的MWD值,均表現(xiàn)為坡下>坡上>坡中。3種處理下同一樣地的MWD值均隨土層深度的增加而減小。MWDSW和MWDFW主要在0—20 cm土層有顯著差異,MWDWS則在上坡0—40 cm、中坡0—20 cm和下坡0—30 cm土層有顯著差異(P<0.05)。與30—40 cm土層相比,不同坡位0—10 cm土層的MWDSW、MWDFW和MWDWS分別增加了5.38%—25.94%、51.88%—380.91%和29.79%—137.33%。

RSI值總體呈坡下>坡上,并且隨土層深度增加而增大。種植年限僅對(duì)上坡10—20 cm和下坡0—10 cm土層RSI值有顯著影響(P<0.05,圖3)。隨著種植年限增加,RSI值先增大后降低,種植15年樣地有最大值(0.80)。RMI值總體為中坡>上坡>下坡,并且也隨土層深度增加而增大。不同種植年限樣地RMI值在坡上和坡下0—20 cm以及坡中0—10 cm土層存在顯著差異(P<0.05,圖3)。RMI值在下坡變化規(guī)律與RSI值一致,但上坡和中坡則隨種植年限增加逐漸下降,荒草地有最大值(0.60)。

圖2 Le Bissonnais三種處理方法下土壤的MWD值變化Fig.2 Changes of MWD values in the three treatments by Le Bissonnais method 誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)差,不同小寫字母表示同一坡位同一土層不同種植年限差異顯著(P<0.05)

圖3 Le Bissonnais處理下土壤的敏感性指標(biāo)變化Fig.3 Changes of soil sensitivity index in the three treatments by Le Bissonnais method

2.4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響因子

通過(guò)對(duì)外在因素(檸條種植年限、坡位和土層)和土壤內(nèi)在性質(zhì)(有機(jī)碳、粘粒、粉粒和砂粒)7個(gè)因素分別與3種不同處理下的MWD、RSI和RMI進(jìn)行冗余分析,以分析各因素對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響程度(圖4)。種植年限、坡位、土層、有機(jī)碳和粘粉砂粒均與MWD、RSI和RMI值存在相關(guān)關(guān)系。3種處理下,內(nèi)外因素對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響占土壤團(tuán)聚體的變異值分別為56.06%(F=8.9,P=0.02)、60.01%(F=10.3,P=0.002)和57.98%(F=9.6,P=0.002)。其中在WS處理中,年限和粘粉粒對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定指標(biāo)的影響最大,分別解釋了30.4%和9.86%的變異,其次是SOC(8.69%),土層(2.75%),而坡位對(duì)其的解釋量?jī)H是0.61%。RDA分析中種植年限和粘粉粒與MWD呈較強(qiáng)的正相關(guān)性,與RSI和RMI呈負(fù)相關(guān),SOC的影響程度次之。坡位、土層和砂粒對(duì)RSI和RMI為正貢獻(xiàn),但坡位的貢獻(xiàn)程度較小。

圖4 環(huán)境因子與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis among stability indexes of soil aggregates and environmental factors Soil depth:土層深度；Stand age:種植年限；Slope position:坡位；Clay:粘粒；Slit:粉粒；Sand:砂粒；SOC:土壤有機(jī)碳Soil organic carbon；MWD:平均重量直徑Mean weight diameter；RMI:相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)Relative slaking index；RSI:相對(duì)消散指數(shù)Relative mechanical breakdown index

3 討論

3.1 植被恢復(fù)年限對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

本研究中RDA分析結(jié)果表明,檸條種植年限是影響土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的主要因素(圖4),并且>0.25 mm團(tuán)聚體含量和MWD值總體均隨年限增加而升高(圖1、圖2),說(shuō)明檸條種植年限的增加提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。安韶山和黃懿梅[25]對(duì)寧南區(qū)人工檸條林的研究也有類似的結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn)種植檸條與耕地相比顯著增加了>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和>0.01 mm微團(tuán)粒含量。此外隨著檸條種植年限的增加,SOC和粘粉粒也有同樣增加的趨勢(shì)(表2),并且RDA分析表明SOC、粘粉粒與MWD相關(guān)性較強(qiáng)(圖4)。這說(shuō)明檸條種植年限的增加有利于增加SOC和黏粒含量,促進(jìn)土壤的團(tuán)聚作用而形成較大粒徑團(tuán)聚體,從而提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。一般認(rèn)為,土壤團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性主要依賴土壤中各膠結(jié)物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì),其中SOC和黏粒是最主要的膠結(jié)物質(zhì)[26]。SOC主要來(lái)源于植物地上凋落物和地下根系死亡分解后的輸入[27]。在研究區(qū),與灌木林地土壤相比,表層荒草土壤的根系密度和周轉(zhuǎn)率較高[28],但檸條種植后,隨著年限的增加,其凋落物和根系死亡累積量要較荒草地更大,可能更有利于增加土壤中有機(jī)質(zhì)的積累,從而提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。此外,植被恢復(fù)過(guò)程可能通過(guò)增加土壤微生物量和多樣性、根系生物量和分泌物[29- 31]、細(xì)根與菌根真菌相互作用產(chǎn)生的滲出物和結(jié)合劑[32]等多方面促進(jìn)土壤團(tuán)聚體間的粘結(jié)作用,提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。Deng等[33]研究也發(fā)現(xiàn),由于植物枯枝落葉等的投入,SOC和微生物活性增加,增加了土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性。但這種影響會(huì)隨著土層深度的增加而降低,這與宋麗萍等[34]的研究基本一致。因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體的水穩(wěn)性依賴于有機(jī)物質(zhì)的膠結(jié)作用,植物根系和真菌菌絲的機(jī)械絆纏作用對(duì)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定極為重要[35],隨著土壤由表層過(guò)渡到下層,土壤有機(jī)質(zhì)含量降低,導(dǎo)致其團(tuán)聚體的水穩(wěn)性亦隨之降低[36]。

3.2 不同坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

坡地地形影響土壤的形成和發(fā)育,不同坡位的SOC、顆粒等條件和侵蝕過(guò)程不同,致使土壤屬性可能產(chǎn)生差異。Lal[12]研究發(fā)現(xiàn)坡面侵蝕使得細(xì)顆粒和有機(jī)碳含量損失,這改變了坡面尺度景觀的土壤質(zhì)地,并導(dǎo)致坡底中較高的富集,周萍等[37]和劉世梁等[38]也有類似研究結(jié)果。從坡面尺度來(lái)看,本研究中荒草地(對(duì)照)和不同種植年限檸條地不同坡位的MWD值和大團(tuán)聚體(>0.25 mm)、SOC和粘粉粒含量均表現(xiàn)為坡下>坡上>坡中(圖1,圖2,表2),說(shuō)明坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其影響因素具有明顯影響。由于坡面的侵蝕-沉積作用,坡上和坡中為“侵蝕區(qū)”,侵蝕強(qiáng)度較大,因此土壤有機(jī)質(zhì)、黏粉粒等易被沖刷淋溶,土壤團(tuán)聚作用減弱；而下坡多為“沉積區(qū)”,具有相對(duì)較強(qiáng)的“匯”的功能,土壤物質(zhì)元素在此減速、沉積,有利于土壤團(tuán)聚體的形成[14]。

本研究也發(fā)現(xiàn)條帶性檸條種植其年限和坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響具有耦合效應(yīng)。與荒草地相比,種植檸條樣地的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在上中坡均較強(qiáng)且隨種植年限的增加而增強(qiáng),但在下坡則呈現(xiàn)先降后增的轉(zhuǎn)折性變化(圖1和圖2)。冗余分析表明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與種植年限的相關(guān)性比坡位更強(qiáng)(圖4)。Garten和Ashwood[39]有類似的結(jié)果,對(duì)不同景觀地貌SOC固定的研究發(fā)現(xiàn)植被對(duì)其的影響要高于地形因子。檸條種植所形成的阻隔帶對(duì)整體坡面降雨分配和土壤侵蝕過(guò)程有分割攔截作用,會(huì)改變其原有徑流、土壤顆粒、易溶性物質(zhì)等的傳輸路徑,從而影響土壤水分、養(yǎng)分等土壤性質(zhì)在坡面的空間分布(尤其是對(duì)下坡的輸入影響較大)。而這些因素的差異又會(huì)影響檸條的生長(zhǎng)和土壤有機(jī)碳的積累,從而間接影響土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性。一些研究表明檸條種植生長(zhǎng)狀況在不同坡位下有所差異并對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[40]。王子婷等[41]對(duì)黃土區(qū)小流域不同坡位檸條林研究發(fā)現(xiàn),下坡位土壤水分及養(yǎng)分條件良好,大株檸條的灌木高度和冠幅長(zhǎng)度高于中上坡位。劉思禹等[42]對(duì)不同坡位檸條根系分布研究也表明均呈現(xiàn)坡位越低,根系分布越集中的趨勢(shì),土壤結(jié)構(gòu)越良好。這可能由于植被枯落物和根系及其分泌物不斷在土壤中積累,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程并為土壤微生物提供碳源[43],這一過(guò)程也更加促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[44]。

3.3 三種處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞的實(shí)際意義

本研究區(qū)屬干旱半干旱地區(qū),降雨具有偏少且集中在夏秋之際的特征。LB法根據(jù)團(tuán)聚體的崩解原因區(qū)分其不同機(jī)制,SW處理模擬的是小雨較平緩等實(shí)際條件下的狀況,FW處理模擬夏季暴雨條件下的消散作用,WS處理模擬機(jī)械擾動(dòng)的破壞機(jī)制[20]。研究結(jié)果表明,SW處理土壤MWD明顯高于FW和WS處理(圖2),說(shuō)明土壤孔隙中由于氣體封閉造成的爆破產(chǎn)生消散作用和機(jī)械擾動(dòng)是黃土丘陵區(qū)土壤團(tuán)聚體破壞的主要機(jī)制。RSI和RMI結(jié)果表明,中上坡對(duì)消散作用和機(jī)械破碎作用較敏感,下坡的下層土壤對(duì)破碎作用更敏感(圖3)；檸條種植35年后敏感性最低,抵抗消散作用及機(jī)械打擊破壞的能力也越強(qiáng)。這說(shuō)明荒草坡地引入檸條種植后,年限和坡位耦合作用下土壤與植被產(chǎn)生的互饋?zhàn)饔眉把葑兏窬质沟猛寥赖钠扑闄C(jī)制產(chǎn)生差異,這也反向說(shuō)明了檸條種植年限和坡位對(duì)團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定性的顯著影響[45- 46]。

4 結(jié)論

黃土丘陵區(qū)種植檸條后主要對(duì)0—20 cm土層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著影響,在坡面上表現(xiàn)為下坡>上坡>中坡。隨著檸條種植年限增加,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在上中坡表現(xiàn)出逐漸提升的趨勢(shì),但在下坡則表現(xiàn)出先降低后增強(qiáng)的趨勢(shì)。LB法結(jié)果表明,中上坡對(duì)消散作用和機(jī)械破碎作用較敏感,下坡的下層土壤對(duì)破碎作用更敏感,檸條種植35年后抵抗消散作用及機(jī)械打擊破壞的能力最強(qiáng)。冗余分析結(jié)果表明,種植年限是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素,坡位和土層次之,SOC和黏粒含量與MWD值有顯著相關(guān)關(guān)系?？傮w上,檸條種植的年限增加促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提升,檸條條帶性種植方式增強(qiáng)了上坡和中坡土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,對(duì)下坡則是先降后增。因此,在黃土高原地區(qū)大面積種植檸條背景下,在對(duì)檸條恢復(fù)下土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和固碳機(jī)制揭示、生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)估以及實(shí)際檸條種植方式時(shí),需注意考慮坡面尺度的坡位特征和種植年限的綜合作用。