不同土地利用方式對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其導(dǎo)水率的影響

袁曉良, 李俊雅, 葛 樂(lè), 李 潛, 劉 毅

(1.中國(guó)科學(xué)院 武漢植物園/水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 3.大自然保護(hù)協(xié)會(huì), 北京 100600; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，對(duì)土壤系統(tǒng)功能的維持和穩(wěn)定起著重要的作用[1-2]。土壤團(tuán)聚體的組成和特性不僅是評(píng)估土壤侵蝕、板結(jié)等物理過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，也被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是維持土壤肥力的基礎(chǔ)[3]。目前，評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)主要有大團(tuán)聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑等[4]。在團(tuán)聚體分類(lèi)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出一般以0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體為界[5-6]，>0.25 mm粒徑的為大團(tuán)聚體，粒徑<0.25 mm的作為微團(tuán)聚體，大團(tuán)聚體又可細(xì)分為0.25～1 mm，1～2 mm，2～5 mm和>5 mm共4個(gè)類(lèi)別。不同粒級(jí)的團(tuán)聚體對(duì)改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、促進(jìn)土壤生物活動(dòng)、協(xié)調(diào)和保持土壤營(yíng)養(yǎng)成分具有不同的作用[7-10]。

土壤有機(jī)碳作為土壤碳庫(kù)的一個(gè)重要部分，它對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤有效水保持能力、土壤生物多樣性的穩(wěn)定等有著重大影響[11-12]。土壤水力性質(zhì)包括飽和導(dǎo)水率、水分特征曲線、比水容重等。土壤團(tuán)聚體的水力特性(如導(dǎo)水率、入滲、吸水性和持水性等)對(duì)水分和溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移起決定性的作用[13]。研究發(fā)現(xiàn)，植物生長(zhǎng)和水分入滲均需要一定的土壤有效孔隙度，土壤團(tuán)聚體粒級(jí)過(guò)大，對(duì)植物的生長(zhǎng)不利；而穩(wěn)定的團(tuán)聚體可以使土壤不易形成塊狀結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)和內(nèi)部相連的孔隙，以提高滲透性[14-15]。因此，有必要尋找土壤水力特性、團(tuán)聚體及其有機(jī)質(zhì)含量間的關(guān)系，以準(zhǔn)確地評(píng)估土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性的水土保持功能。

丹江口水庫(kù)是我國(guó)水質(zhì)最好的大型水庫(kù)之一，成為南水北調(diào)中線工程的水源地，它位于漢江中上游，水庫(kù)面積橫跨湖北、河南兩省。自南水北調(diào)工程開(kāi)展以來(lái)，庫(kù)區(qū)和庫(kù)區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境一直是學(xué)術(shù)界的關(guān)注熱點(diǎn)[16]。但隨著水庫(kù)周邊區(qū)域城市化進(jìn)程的加快，以及旅游業(yè)的快速發(fā)展，庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境卻遭到一定程度的破壞[17]。本研究以丹江口庫(kù)區(qū)漢江庫(kù)尾范圍內(nèi)的3種不同土地利用方式(旱地、林地、水田)為研究對(duì)象，測(cè)定不同土壤團(tuán)聚體組成、有機(jī)碳含量和飽和導(dǎo)水率等，通過(guò)分析單個(gè)指標(biāo)在不同土壤中的差異以及各個(gè)指標(biāo)的相互關(guān)系，旨在根據(jù)最終結(jié)論為丹江口流域土壤環(huán)境問(wèn)題的治理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于丹江口庫(kù)區(qū)漢江庫(kù)尾。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，平均年降水量約為824 mm，年均溫約13～16℃，采樣點(diǎn)多為海拔250～500 m的丘陵，區(qū)域內(nèi)耕地、林地、草地、水域、建筑用地及其他用地面積分別占總面積的22.97%，27.05%，0.48%，47.91%，1.53%，0.05%[18]。植被覆蓋以森林、灌木和草地為主，但近年來(lái)，植被覆蓋率嚴(yán)重下降，庫(kù)區(qū)森林覆蓋率已經(jīng)由70%下降到35.14%。丹江口流域生態(tài)環(huán)境本就比較脆弱，森林覆蓋率的降低進(jìn)一步加劇了水土流失，造成了水庫(kù)、河道淤積等一系列環(huán)境問(wèn)題[19]。

1.2 供試土壤

供試土壤于2018年8月采自丹江口庫(kù)區(qū)漢江庫(kù)尾鄖陽(yáng)區(qū)的庫(kù)周范圍。根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋乩们闆r，選取旱地、水田和林地3種不同土地利用方式。其中水田夏季種植水稻，冬季休耕或種植小麥、油菜；旱地夏季種植玉米、花生等作物，冬季種植油菜或小麥；林地主要樹(shù)種為松樹(shù)、柏樹(shù)等[20]。每一個(gè)土地利用方式下布設(shè)10個(gè)樣點(diǎn)作為重復(fù)，在每一個(gè)取樣點(diǎn)處隨機(jī)采集3個(gè)表層(0—20 cm)土樣，并混合為一個(gè)重復(fù)樣本，裝于樣品盒中，同時(shí)每一樣點(diǎn)采集環(huán)刀土樣。

1.3 測(cè)定方法

將采集的土壤置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，去除土壤中的根系、石頭等雜物后，采用干篩法[21]將土壤分為>5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.25～1 mm，<0.25 mm共5個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體，稱(chēng)重獲得不同粒徑土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；之后采用外加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定不同粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量；不同土地利用方式土壤的飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016，SPSS 20.0，Sigma Plot 14.0等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體組成及其直徑分析

由表1可知， 3種土地利用方式下均以直徑>5 mm的團(tuán)聚體所占比例最多，其中旱地土壤直徑>5 mm團(tuán)聚體占比接近50%。從不同土地利用方式來(lái)看，旱地和林地直徑<0.25 mm的團(tuán)聚體占比最少，水田占比最少的是直徑1～2 mm的團(tuán)聚體。<0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體表現(xiàn)為水田>林地>旱地；0.25～5 mm的中等團(tuán)聚體所占比例分別為48.09%，46.59%，43.27%，表現(xiàn)為林地>水田>旱地，并無(wú)太大差異。3種土地利用方式下的>0.25 mm的大團(tuán)聚體含量分別為旱地(93.07%)>林地(86.40%)>水田(82.63%)。這與藺芳等[22]的研究結(jié)果相近，大團(tuán)聚體含量是表征土壤生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)，其含量越高，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定。

表1 不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體組成 %

注：同列不同字母表示不同土地利用方式間差異顯著(p<0.05)。

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)普遍被作為評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要參考指標(biāo)。干篩條件下的MWD和GMD越大，說(shuō)明土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性越強(qiáng)[23]。不同土地利用方式下的MWD和GMD值見(jiàn)圖1。研究結(jié)果表明，MWD值表現(xiàn)為旱地>水田>林地，但未達(dá)到顯著性水平。而GMD值表現(xiàn)為旱地顯著高于水田，兩者與林地?zé)o顯著差異。綜合大團(tuán)聚體含量，可以說(shuō)明3種土地利用方式下，旱地土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性最好，林地次之，水田最差。這可能與水田土壤長(zhǎng)時(shí)間浸于水中密切相關(guān)，而林地采樣點(diǎn)多為山地，土層薄且成土母質(zhì)多為易風(fēng)化的花崗巖和砂礫巖，故其土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性較差。此外，水田土壤的MWD和GMD值分布更為集中，變幅較小，這表明水田土壤團(tuán)聚體的機(jī)械性穩(wěn)定性主要受淹水環(huán)境控制，而旱地和林地土壤的MWD和GMD變幅較大，表明不同采樣點(diǎn)的生境條件的改變對(duì)旱地和林地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響較大，也說(shuō)明丹江口水庫(kù)庫(kù)周不同區(qū)域的土壤環(huán)境存在較大差異。

注:圖中不同小寫(xiě)字母表示不同土地利用方式間差異顯著(p<0.05),下表同。

圖1 不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體MWD和GMD值

2.2 不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量分析

從土地利用方式來(lái)看，土壤有機(jī)碳含量以旱地最少，顯著低于林地和水田；林地稍高于水田，但未達(dá)到顯著性水平(圖2)。在<0.25 mm和0.25～1 mm粒徑的團(tuán)聚體中，有機(jī)碳含量表現(xiàn)為林地>水田>旱地，且在林地和旱地中，<0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均達(dá)到最高水平。而在1～2 mm，2～5 mm和>5 mm粒徑的團(tuán)聚體中，有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為水田>林地>旱地。其可能原因是由于旱地經(jīng)常被翻耕，土壤通透性大大增加，從而促進(jìn)了有機(jī)碳的礦化過(guò)程[24]，而且當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物在收獲之后秸稈基本不還田，土壤有機(jī)碳無(wú)法得到補(bǔ)充，這都導(dǎo)致了旱地的有機(jī)碳含量遠(yuǎn)低于林地和水田。水田有機(jī)碳含量較高，是因?yàn)樗镩L(zhǎng)期淹水，厭氧環(huán)境下有利于有機(jī)碳的累積[25]。而林地有植被覆蓋，土壤表層有大量植物凋落物積累，為微生物提供了較好的生存環(huán)境和豐富的能量物質(zhì)，因此土壤表層的生物活性增加，真菌的生長(zhǎng)和土壤動(dòng)物的生命活動(dòng)增強(qiáng)，這都有助于團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳的形成。該部分結(jié)果表明農(nóng)業(yè)耕地各粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量要低于林地。這與毛艷玲等[26]的研究結(jié)果一致。

圖2 不同土地利用方式下土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

從不同粒徑土壤團(tuán)聚體來(lái)看，有機(jī)碳含量也有明顯差異。具體表現(xiàn)為，隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的增加，林地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體呈減少趨勢(shì)，<0.25 mm和0.25～1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于>5 mm團(tuán)聚體(p<0.05)；水田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體分布比較均勻，粒徑在0.25～1 mm時(shí)有機(jī)碳含量最高，粒徑>5 mm時(shí)有機(jī)碳含量最低，均未達(dá)到顯著性水平；旱地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量先減少，后增加，粒徑<0.25 mm時(shí)有機(jī)碳含量最高，粒徑在0.25～1 mm時(shí)有機(jī)碳含量最低，也未達(dá)到顯著性水平。3種土地利用方式下的土壤有機(jī)碳含量都是在<1 mm粒徑的團(tuán)聚體中最高，說(shuō)明小團(tuán)聚體更有利于土壤有機(jī)碳的積累和保存。

2.3 土壤飽和導(dǎo)水率分析

眾多研究表明，土壤飽和導(dǎo)水率受土壤結(jié)構(gòu)及孔隙特征控制，同時(shí)也受土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響[27]。本研究中不同土地利用方式下的平均土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為：林地>旱地>水田，其中林地顯著高于水田(p<0.05)，旱地則與其他兩種土地利用方式無(wú)顯著差異(圖3)。林地飽和導(dǎo)水率高于旱地和水田，是因?yàn)榱值赝寥辣韺佑斜姸嘀参锏蚵湮?，有機(jī)碳含量高，植物根系對(duì)土壤的穿插和破碎作用可以增加土壤孔隙度，降低土壤緊實(shí)度，從而提高土壤飽和導(dǎo)水率[28]。這與張君玉等[29]的研究結(jié)果相似，發(fā)現(xiàn)飽和導(dǎo)水率的大小與有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。而水田的有機(jī)碳含量較高，飽和導(dǎo)水率卻最低，可能是因?yàn)橥寥谰o實(shí)，孔隙度小，孔隙度的影響已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有機(jī)碳的影響。旱地雖然有機(jī)碳含量最低，土壤飽和導(dǎo)水率卻比水田要高，可能是人為擾動(dòng)更多，土質(zhì)疏松導(dǎo)致土壤孔隙度較水田更大。

圖3 不同土地利用方式下的土壤飽和導(dǎo)水率

2.4 土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性、有機(jī)碳含量及飽和導(dǎo)水率的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明，土壤有機(jī)碳與飽和導(dǎo)水率呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表2)，說(shuō)明土壤有機(jī)碳在影響土壤導(dǎo)水率上發(fā)揮著重要作用。此外，土壤有機(jī)碳和MWD，GMD均呈顯著負(fù)相關(guān)，也證明土壤有機(jī)碳在保持土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性上發(fā)揮著重要作用。有機(jī)碳在不同粒徑的土壤團(tuán)聚體中的分布不同也證明了這一點(diǎn)。隨團(tuán)聚體直徑的增加，旱地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量先減少后增加，有機(jī)碳主要集中在粒徑<0.25 mm和>5 mm的團(tuán)聚體中；水田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量先增加，后減少，有機(jī)碳分布較為均勻；林地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則表現(xiàn)出隨著團(tuán)聚體直徑的增大而減少的趨勢(shì)，有機(jī)碳主要集中在粒徑<1 mm的團(tuán)聚體中。鄭健等[30]的研究也證明影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因素包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、容重以及黏粒含量等。但是從本次的研究結(jié)果來(lái)看，土壤團(tuán)聚體MWD值、GMD值和飽和導(dǎo)水率相關(guān)性均沒(méi)有達(dá)到顯著水平，這可能是樣本總量較少的原因，也可能與本次研究采用的是干篩法篩分土樣有關(guān)。

表2 土壤有機(jī)碳含量與飽和導(dǎo)水率以及MWD，GMD的相關(guān)性

注：*表示在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 結(jié) 論

土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性在不同土地利用方式下表現(xiàn)為旱地最高，林地次之，水田最低。土壤有機(jī)碳含量則是林地最高，水田次之，旱地最低。同時(shí)3種土地利用方式下各粒徑團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量分布也不盡相同，旱地土壤有機(jī)碳在粒徑<0.25 mm的團(tuán)聚體中含量最高，水田土壤有機(jī)碳分布較為均勻，林地土壤有機(jī)碳主要集中在粒徑<1 mm的團(tuán)聚體中。飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為林地>旱地>水田。相關(guān)性分析表明飽和導(dǎo)水率與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，但與團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性沒(méi)有明顯關(guān)系。同時(shí)土壤MWD值和GMD值與有機(jī)碳含量都呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性和土壤導(dǎo)水率方面都起著重要的作用。