石漠化地區(qū)林草復(fù)合治理對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的影響

陳 靜, 陳 海, 朱大運(yùn), 陳 滸

(貴州師范大學(xué) 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)

土壤團(tuán)聚體是指成土過程中受有機(jī)—無機(jī)物凝聚而成、具有多孔特征的團(tuán)塊，是土壤結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成單元[1]，是調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱的基礎(chǔ)，其含量及穩(wěn)定性水平是影響土壤物理性質(zhì)的重要因素[2]。耕作管理制度、土地利用方式和施肥方式對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有顯著影響[3-5]。研究表明：免耕秸稈覆蓋、不同肥料配施能有效提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[3,6]，水田和林地能維持土壤有機(jī)質(zhì)含量，減少土壤結(jié)構(gòu)破壞[7]。團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑、分形維數(shù)、大團(tuán)聚體含量常用于評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征[8]。同時(shí)不少學(xué)者認(rèn)為團(tuán)聚體穩(wěn)定性對(duì)土壤可蝕性具有顯著影響，通過增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量能有效提高土壤抗蝕性能[9]。20世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者從團(tuán)聚體形成機(jī)理、穩(wěn)定性特征、研究方法以及影響因素等角度進(jìn)行大量研究，但研究區(qū)域集中于成土條件較好的地區(qū)，而喀斯特石漠化地區(qū)團(tuán)聚體的相關(guān)研究則相對(duì)較少。

林草復(fù)合模式作為農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的重要組成部分[10]，能有效增加地表植被覆蓋、提高土壤含水量，在土壤養(yǎng)分循環(huán)、植被恢復(fù)和水土保持方面發(fā)揮重要的作用[11-12]。喀斯特石漠化地區(qū)水土流失嚴(yán)重，林草復(fù)合模式作為一種獨(dú)特的農(nóng)林復(fù)合模式，能調(diào)整草地和森林系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，充分發(fā)揮兩者的耦合效益，有利于改善石漠化地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)石漠化治理的目的[13]。畢節(jié)撒拉溪是貴州省典型的潛在—輕度石漠化區(qū)域，林草復(fù)合模式作為該區(qū)域石漠化治理的重要措施之一，至今已經(jīng)達(dá)到一定的規(guī)模，對(duì)維持其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定且進(jìn)行有效的生態(tài)修復(fù)與重建具有較大的作用。目前，國內(nèi)外有關(guān)石漠化地區(qū)土壤侵蝕、綜合治理措施、水土流失狀況等研究較多，但是針對(duì)石漠化治理措施對(duì)土壤團(tuán)聚體影響方面的研究報(bào)道較為鮮見。本文以石漠化地區(qū)天然灌草地為對(duì)照，選擇4種不同林草復(fù)合配置模式開展對(duì)比研究，旨在揭示不同林草配置模式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及可蝕性特征，評(píng)價(jià)不同林草模式治理效果為石漠化的進(jìn)一步治理篩選優(yōu)化的林草模式。

1 研究區(qū)概況

撒拉溪喀斯特高原山地石漠化綜合治理區(qū)位于貴州省畢節(jié)市西部，地理位置為105°02′03″—105°09′33″E，27°11′34″—27°18′48″N，海拔為1 600～1 950 m，總面積86 km2，喀斯特占全域面積的74.25%。年均溫12℃，多年平均降水量900 mm。區(qū)內(nèi)主要出露石灰?guī)r，土壤以地帶性黃壤為主，間有少量石灰土和黃棕壤，大部分地區(qū)土層厚度在20 cm左右。天然植被主要包括馬尾松(Pinusmassoniana)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、光皮樺(Betulaluminifera)等，潛在石漠化環(huán)境為金絲桃(Hypericumkouytchense)、火棘(Pyracanthafortuneana)等為主的次生灌叢，輕度石漠化環(huán)境為西南懸鉤子(Rubusassamensis)、火棘等為主的次生灌叢。地表景觀以農(nóng)用耕地和次生林地為主。該區(qū)域石漠化治理中分別實(shí)施了封山育林、林草復(fù)合、生態(tài)經(jīng)濟(jì)林等林草植被恢復(fù)模式，其中林草復(fù)合治理形成了較大的規(guī)模。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

研究區(qū)內(nèi)的核桃(Caryacathayensis)、刺梨(Rosaroxburghii)在石漠化治理初期生長迅速，有效地提高區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋率，并且還為該區(qū)域發(fā)展核桃、刺梨加工產(chǎn)業(yè)提供原料，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此2018年4月，在研究區(qū)選擇以地帶性黃壤為背景的人工草地(黑麥草Loliumperenne)、林草混種模式(核桃+黑麥草)、灌草套種模式(刺梨+黑麥草)以及林灌草混種模式(核桃+刺梨+黑麥草)4種典型配置模式和天然灌草地布設(shè)10 m×10 m樣地，“Z”字形法采集0—20 cm土層的原狀土樣，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)業(yè)處理，搬運(yùn)過程避免翻倒，將大土塊剝落為10 mm左右，剔除石子、根系等雜質(zhì)，風(fēng)干后過10 mm篩，用于土壤團(tuán)聚體的測(cè)定，按照>5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm以及<0.25 mm 6個(gè)級(jí)別進(jìn)行篩分處理。研究樣地信息及其土壤基本性質(zhì)詳見表1—2。

2.2 土壤團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移矩陣分析

為進(jìn)一步掌握機(jī)械團(tuán)聚體與水穩(wěn)定性團(tuán)聚體間的轉(zhuǎn)化過程，采用轉(zhuǎn)移矩陣[14]評(píng)價(jià)不同林草配置模式下團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)變化趨勢(shì)。將干濕篩處理后團(tuán)聚體含量所占比例分別構(gòu)成矩陣Mi和Ni，并且把保留在各個(gè)粒徑范圍內(nèi)的保存幾率標(biāo)記為X1,X2,X3,…,Xi，據(jù)此得到XM=N，把各粒級(jí)的保存幾率綜合成為團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指數(shù)：ASI=X1+X2+X3+…+Xi。

表1 研究樣地基本特征

表2 研究樣地土壤基本理化性質(zhì)

2.3 指標(biāo)計(jì)算

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對(duì)團(tuán)聚體相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，基于SPSS 22(Statistical Product and Service Solutions)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，采用Origin 2018進(jìn)行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林草配置模式下土壤團(tuán)聚體組成分析

干篩結(jié)果如圖1所示。4種配置模式下，團(tuán)聚體組成均以>0.25 mm粒級(jí)為主，團(tuán)聚體粒徑逐漸增大，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量隨之上升。除林灌草種植之外，其余3種配置模式均以2～5 mm的團(tuán)聚體組成最多；微團(tuán)聚體所占比例最小。具體而言，>5 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體表現(xiàn)為人工草地>林灌草地>天然灌草地>林草地>人工灌草地，<0.25 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體表現(xiàn)為人工灌草地>林草地>林灌草地>天然灌草地>人工草地。此外，不同林草模式下同一粒級(jí)團(tuán)聚體組成和同一林草模式下不同粒級(jí)團(tuán)聚體組成之間的差異顯著性不同(α<0.05)。

注：不同小寫字母表示在p≤0.05水平差異顯著，下圖同。

圖1 不同林草種植模式下機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

如圖2所示，各種模式下，水穩(wěn)性團(tuán)聚體占主體的是<0.25 mm和>5 mm的級(jí)別，分布在20.05%～26.61%，隨著粒級(jí)減小其含量呈先下降后上升的態(tài)勢(shì)。粒徑范圍為0.25～0.5 mm的團(tuán)聚體最少，除人工灌草地外，其他模式所占比例均不足10%。此外，天然灌草地分布<0.25 mm團(tuán)聚體最多，>5 mm團(tuán)聚體以林草配置模式最高?？傮w而言，4種林草配置模式下各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布差異不顯著(α<0.05)。

圖2 不同林草種植模式下水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

3.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

天然灌草地和人工林草地團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征明顯不同，見表3。大團(tuán)聚體(>0.25 mm)表現(xiàn)為人工草地>天然灌草>林灌草>林草>人工灌草，濕篩處理后，各種模式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均出現(xiàn)一定程度的下降，含量最高值出現(xiàn)在林草地，最低值出現(xiàn)在天然灌草地。結(jié)構(gòu)破壞率計(jì)算表明，天然灌草地團(tuán)聚體PAD最高，人工草地和林灌草地差異不大，而人工灌草的結(jié)構(gòu)破壞率最低，顯然相較于其他3種配置模式，人工灌草地團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高。干濕篩處理得到的團(tuán)聚體直徑(MWD，GMD)變化趨勢(shì)不同，干篩結(jié)果表明人工草地>林草地>天然灌草地>林灌草地>人工灌草地，而濕篩結(jié)果的團(tuán)聚體MWD、GMD最大值為林草地。與干篩處理結(jié)果相比，濕篩處理后各種植模式下團(tuán)聚體D值均有不同程度的提高，但是兩種處理所得到的結(jié)果差異較小。兩種不同處理所得到的結(jié)果具有不同的規(guī)律，干篩條件下人工灌草地D值最高，天然灌草地D值最低，而濕篩條件下D值表現(xiàn)為林灌草地>天然灌草地>林草地=人工草地>人工灌草。

表3 基于篩分處理下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

濕篩處理實(shí)質(zhì)是結(jié)構(gòu)體破壞能量的輸入過程[19]，當(dāng)輸入能量大于土粒間集聚力時(shí)其發(fā)生崩解破碎，因此通過轉(zhuǎn)移矩陣分析濕潤條件下各級(jí)別團(tuán)聚體保存幾率，能有效反映出土壤結(jié)構(gòu)在水蝕條件下的變化特征[14]。從表4可以看出，不同配置模式下團(tuán)聚體保存幾率表現(xiàn)出明顯差異性。干濕篩法主要破壞1～2 mm的團(tuán)聚體，其保存幾率處于0.3～0.48，其次是2～5 mm粒徑的團(tuán)聚體；林草地和天然灌草地>5 mm的級(jí)別保存率最高，二者均高于0.85，但人工灌草地、林灌草地團(tuán)聚體保存率最高的是0.25～0.5 mm；同時(shí)各種種植模式下團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)差異明顯，大小排序?yàn)锳SI林草地>ASI天然灌草地>ASI人工灌草地>ASI林灌草地>ASI人工草地,可見，相較于天然灌草地而言，林草復(fù)合種植下團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)更高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。

表4 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體保存率及穩(wěn)定性指數(shù)

3.3 土壤可蝕性K值特征

天然灌草地和4種人工治理模式下土壤可蝕性K值呈現(xiàn)明顯差異，但是差異達(dá)到顯著性水平的只有天然灌草地和林草地。由圖3可知，天然灌草地的K值高于人工種植的草地、林草以及林灌草地，因此，相比于其他的林、灌、草混種模式而言，天然灌草地更易遭受侵蝕。此外，不同人工配置模式對(duì)K值具有一定的影響，但其差異較小，具體表現(xiàn)為人工草地>人工灌草地>林灌草地>林草地，說明林草地土壤可蝕性最低，抵抗侵蝕的能力最強(qiáng)。

圖3 不同配置模式下土壤可蝕性K值

3.4 土壤團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體參數(shù)的關(guān)系

由表5—6可知，機(jī)械穩(wěn)定性、水穩(wěn)性團(tuán)聚體分別與其相關(guān)參數(shù)呈不同顯著水平的線性相關(guān)。<0.25 mm，0.25～0.5 mm以及0.5～1 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與WMD，GMD呈負(fù)相關(guān)，其中<0.25 mm，0.25～0.5 mm粒級(jí)和直徑指標(biāo)(WMD，GMD)呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別是-0.916，-0.891，-0.966，-0.958，而1～2 mm，2～5 mm以及>5 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和WMD，GMD呈正相關(guān)，其系數(shù)為0.896，0.893，且與>5 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體達(dá)到顯著水平，由此可知1 mm團(tuán)聚體為正負(fù)相關(guān)的界線。濕篩處理后，除>5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體和MWD，GMD呈顯著正相關(guān)，其余均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中0.25～0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體與MWD，GMD間負(fù)相關(guān)達(dá)到顯著水平。同時(shí)，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D值和MWD，GMD呈顯著負(fù)相關(guān)，其系數(shù)分別是-0.924，-0.977，表明團(tuán)聚體直徑指標(biāo)與分形維數(shù)呈逆向變化特征；但水穩(wěn)性團(tuán)聚體D值與之相關(guān)水平并未達(dá)到顯著水平。從團(tuán)聚體D值與含量分析結(jié)果來看，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D值與<0.25 mm，0.25～0.5 mm，0.5～1 mm這3個(gè)粒徑含量呈正相關(guān)關(guān)系，且與<0.25 mm，0.25～0.5 mm級(jí)別達(dá)到顯著性水平；而與1～2 mm，2～5 mm以及>5 mm粒徑呈負(fù)相關(guān)，說明1 mm為機(jī)械團(tuán)聚體正負(fù)相關(guān)的界線。水穩(wěn)性團(tuán)聚體D值與其含量的相關(guān)性規(guī)律不明顯，不存在明顯的正負(fù)分界線；此外，濕篩條件下僅2～5 mm級(jí)別的團(tuán)聚體與D值呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.991。

表5 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析

注：*代表相關(guān)性達(dá)到顯著水平(p<0.05)；**代表相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。MWD為土壤平均重量直徑，GMD為幾何平均直徑，PAD為結(jié)構(gòu)破壞率，D為分形維數(shù)，K為土壤可蝕性因子，下表同。

表6 土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體各參數(shù)間相關(guān)性分析

4 討 論

喀斯特石漠化地區(qū)由于獨(dú)特的二元地貌結(jié)構(gòu)，地表、地下水土流失嚴(yán)重[20-21]，林草復(fù)合模式有利于石漠化地區(qū)退化生境的恢復(fù)[13]。已有研究證實(shí)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性受植被覆蓋、結(jié)構(gòu)體特征、種植年限、植物根系等方面的影響[22-25]，林草復(fù)合模式能有效地增加地表植被覆蓋率，促進(jìn)根系正常生長，改善土壤基本性質(zhì)，提高土壤抗蝕性[13,26-27]。本研究中干篩條件下，以>0.25 mm的機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體為主，這與汪三樹等[9]的研究結(jié)果一致。濕篩處理后，風(fēng)干土結(jié)構(gòu)體被破壞導(dǎo)致大團(tuán)聚體含量降低，微團(tuán)聚體含量增加，這是因?yàn)樵跐駶櫁l件下，部分團(tuán)聚體容易發(fā)生斷裂破碎[7]。相較于天然灌草地，4種林草配置模式下土壤機(jī)械穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量較高，結(jié)構(gòu)破壞率較低，這是因?yàn)榱植輳?fù)合系統(tǒng)能有效提高土粒團(tuán)聚程度[28]，再加上部分天然灌草地表土流失，巖石裸露面積較大所致。這也表明林草復(fù)合模式有利于減少團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

林草復(fù)合模式作為一種新型的土地利用方式[29]，直接改變地表植被類型，有效提高植被覆蓋水平，會(huì)引起團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化。多數(shù)研究表明[8,15,30]，團(tuán)聚體MWD，GMD指數(shù)越大，表明土粒集聚程度越高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能越好。本研究綜合考慮篩分結(jié)果發(fā)現(xiàn)，林草復(fù)合系統(tǒng)中林草混種模式下MWD和GMD最高，灌草套種模式下MWD和GMD最低，核桃是一種典型的落葉喬木，林下凋落物豐富，凋落物中所含腐殖質(zhì)是影響團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)[31]，同時(shí)其有利于增加林下土壤動(dòng)物的數(shù)量和提高土壤微生物活性，從而提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[32]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，干濕篩處理所得到的結(jié)果差異明顯，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D值依次排列為人工灌草地>林灌草地>林草地>人工草地>天然灌草，而水穩(wěn)性團(tuán)聚體D值為天然灌草地>林灌草地>林草地=人工草地>人工灌草，這主要是因?yàn)樗€(wěn)性團(tuán)聚體D值僅反映部分團(tuán)聚體的影響[33]。

本研究表明4種林草配置模式下的K值明顯小于天然灌草地，且林草地和天然灌草地的差異性達(dá)到顯著性水平，不同林草模式間K值差異較小。說明天然灌草地土壤的抗侵蝕能力弱，不同的林草復(fù)合模式有利于提高土壤抵抗侵蝕的能力，這是由于不同林草復(fù)合模式下基巖裸露面積較小，在降雨時(shí)地表植被能有效減緩對(duì)土壤的破壞作用[34]。相關(guān)性分析表明，團(tuán)聚體含量和機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD以及D值均以1 mm為正負(fù)相關(guān)性分界線；水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD，GMD以及D值與少部分級(jí)別團(tuán)聚體呈顯著性相關(guān)，其中團(tuán)聚體含量與MWD，GMD正負(fù)相關(guān)性的分界線為5 mm，與其D值分界線為2 mm。這說明在土壤團(tuán)聚化過程中，1，2，5 mm是重要的臨界點(diǎn)。姜敏等[4]研究也認(rèn)為在1 mm和5 mm粒徑的分界在微團(tuán)聚體(<0.25 mm)—大團(tuán)聚體(>5 mm)轉(zhuǎn)化過程中具有重要作用，能有效影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征。

喀斯特石漠化是我國生態(tài)環(huán)境治理的重要部分，目前林草植被恢復(fù)模式是多數(shù)學(xué)者進(jìn)行石漠化治理研究的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。石漠化問題較為突出的西南八省實(shí)施的林草植被恢復(fù)措施主要包括封山育林、人工造林、人工種草修復(fù)、生態(tài)林治理以及林草復(fù)合治理等[13]。董瑩珠[35]研究發(fā)現(xiàn)，云南省鶴慶縣實(shí)行封山育林與人工造林相結(jié)合的治理模式后，地表植被覆蓋率在3年增加了2%，土壤肥力得到提高；四川省鹽源縣較為典型的治理措施為經(jīng)果林治理模式，主要樹種是青花椒、蘋果、核桃等，有效地減少了水土流失[36]；張靖宙等[37]通過模型研究得到不同石漠化治理模式對(duì)土壤碳儲(chǔ)功能的提升有重要的影響。本文從團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性的角度評(píng)價(jià)目前實(shí)行的林草配置模式優(yōu)劣性。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比天然灌草地，其余人工林、灌、草種植模式下團(tuán)聚體穩(wěn)定性更優(yōu)，并且林草(核桃+黑麥草)混種模式的效果最好。

5 結(jié) 論

就團(tuán)聚體組成而言，相比天然灌草地，不同林草配置模式能有效增加機(jī)械穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)破壞率，有利于提高團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。不同林草復(fù)合模式下，林草地和人工草地的MWD，GMD高于天然灌草地，而D值則較低，且穩(wěn)定性指數(shù)表明ASI林草地>ASI天然灌草地>ASI人工灌草>ASI林灌草地>ASI人工草地，總體而言，表明林草地土壤結(jié)構(gòu)更優(yōu)。在土壤可蝕性方面，相較天然灌草地而言，各林草配置模式下K值較低，不同林草復(fù)合模式對(duì)K值有明顯的影響，但其差異未達(dá)到顯著性水平。相關(guān)性分析顯示，團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體MWD，GMD和D值呈線性相關(guān)，其相關(guān)性水平差異較大，且在土壤團(tuán)聚化過程中，1，2，5 mm是較為重要的臨界點(diǎn)。

綜合不同的人工林草模式，林草(核桃+黑麥草)混種模式在提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗蝕性方面最優(yōu)，是一種較好的配置模式，宜于在該區(qū)域?qū)嵤┖屯茝V。