北方土石山區(qū)土地利用方式對褐土團聚體穩(wěn)定性的影響

安 娟,王 富,吳元芝,吳希媛

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室,臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山東 臨沂 276005;2.河北環(huán)京工程咨詢有限公司,石家莊 050011)

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是評價土壤質(zhì)量和健康的重要指標(biāo)[1]。土壤團聚體穩(wěn)定性決定了土壤分離和徑流搬運能力[2]，而其穩(wěn)定性的大小與土地利用方式密切相關(guān)。陳山等[3]在紅壤區(qū)的研究表明，水田和林地利用方式可顯著提高土壤團聚體穩(wěn)定性，而果園利用方式則大幅削弱了團聚體穩(wěn)定性。羅曉虹等[4]認(rèn)為在紫色土區(qū)，林地、荒草地和果園利用方式對團聚體穩(wěn)定性的影響無明顯差異。豫西黃土丘陵和遼河干流中下游流域沙化地區(qū)的研究表明，耕地土壤團聚體穩(wěn)定性高于林地和草地[5-6]。同一土地利用方式下，團聚體穩(wěn)定性還取決于外界破碎機制[7]。Le Bissonnais[8]認(rèn)為侵蝕過程中團聚體的破碎機制主要包括：消散作用，即土壤快速潤濕時，團聚體內(nèi)的閉蓄空氣壓縮爆破所引起的團聚體崩解；團聚體內(nèi)膨脹黏土不均勻膨脹收縮導(dǎo)致的微小裂隙作用；機械振蕩引起的團聚體破碎(雨滴打擊和徑流)。一般認(rèn)為消散作用是引起土壤團聚體破碎的主要機制[9-10]。雖然關(guān)于不同土地利用方式下土壤團聚體穩(wěn)定性的研究已開展了多年，但主要集中于南方紅壤區(qū)和紫色土區(qū)。

北方土石山區(qū)是我國主要水土流失類型區(qū)之一，該區(qū)地表土石混雜、石多土少、地面極易砂礫化或石化[11]。褐土是該區(qū)的代表性土壤，土層淺薄，土壤涵蓄水源能力低。水土流失成為制約作為該區(qū)可持續(xù)發(fā)展最主要的生態(tài)環(huán)境問題。為應(yīng)對此問題，該區(qū)大力實施水土保持措施，改變土地利用方式，如：種植金銀花，撂荒等。然而，關(guān)于北方土石山區(qū)土地利用方式對團聚體穩(wěn)定性影響的研究明顯不足。因此，本文選取了北方土石山區(qū)耕地、荒地、休閑地和金銀花地這4種典型土地利用方式為研究對象，基于Le Bissonnais法，分析不同破碎機制下團聚體的粒徑分布，并基于團聚體平均重量直徑、相對消散指數(shù)、相對機械破碎指數(shù)和土壤可蝕性K值等指標(biāo)，探討土地利用方式對團聚體穩(wěn)定性的影響，以期為北方土石山區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的改良及土地的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東南部的費縣(117°36′—118°18′E,35°01′—35°33′N)。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫13.6℃，年均降水量860 mm，其中6—9月汛期降雨量占全年降雨量的75%。成土母巖主要包括花崗巖、片麻巖等酸性巖石和石灰?guī)r等碳酸類巖石，其中在石灰?guī)r基礎(chǔ)上發(fā)育的土壤為褐土。土地利用方式主要包括耕地、林地、荒地、休閑地等。

1.2 樣品采集與分析

通過對研究區(qū)域巖石、土壤和土地利用方式的調(diào)查，選取褐土土壤類型下的耕地、荒地、休閑地和金銀花地(LonicerajaponicaThunb)為采樣地，樣地基本情況見表1。在保持坡向和坡度一致的情形下，各樣地內(nèi)選取3個1 m×1 m的采樣單元，用鋁飯盒分別采集0—5，5—10，10—15，15—20 cm原狀土樣。土樣自然風(fēng)干后，沿紋理輕輕地掰成小塊，并去除植物根系和石塊等雜物。干篩法獲得3～5 mm團聚體，放于鋪有棉花的塑料盒中保存。測定前，為保持土壤含水量一致，將團聚體放置于40℃烘箱中烘24 h。根據(jù)Le Bissonnais法的3種處理，即快速濕潤(FW)、機械振蕩(WS和慢速濕潤(SW)，對粒徑3～5 mm團聚體進(jìn)行分析[8]。其中，快速濕潤處理主要模擬消散作用對團聚體的破碎及干燥土壤在快速濕潤條件下由于“氣爆”而產(chǎn)生的破碎；機械振蕩處理主要模擬雨滴打擊對土壤團聚體的破壞作用；慢速濕潤處理模擬連陰雨情況下黏粒膨脹引起的團聚體崩解。Le Bissonnais法試驗中對每個樣品每種處理均重復(fù)3次。

表1 樣地基本情況

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤團聚體平均重量直徑(MWD，mm)是評價團聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其值越低表示團聚體穩(wěn)定性越差[12]。具體計算公式如下：

(1)

相對消散指數(shù)(RSI)和相對機械破碎指數(shù)(RMI)分別表征消散作用和機械破壞作用對團聚體的破壞程度，二者的值越大表明土壤團聚體對消散作用和機械振蕩作用的敏感程度越高[13]。計算如下：

(2)

(3)

式中：MWDSW，MWDFW和MWDWS分別表示慢速濕潤，快速濕潤和機械振蕩處理下團聚體平均重量直徑。

土壤可蝕性因子K值是土壤抗蝕能力一個相對綜合指標(biāo)，是綜合表征團聚體穩(wěn)定性特征的重要參數(shù)。基于幾何粒徑模型估算K值[14]，計算方法如下：

(4)

利用SPSS 18.0軟件下的方差分析(ANOVA)對4種土地利用方式下的MWD，RSI，RMI和K值進(jìn)行顯著性檢驗。基于最小顯著性差異法(LSD)開展多重比較，并在0.05水平上達(dá)到顯著。采用Origin 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團聚體粒徑分布特征

2.1.1 快速濕潤處理下土壤團聚體的粒徑分布 快速濕潤處理下，4種土地利用方式各土層深度的土壤團聚體均受到較強的破壞作用。耕地、荒地和休閑地利用方式下破碎團聚體集中分布于<0.5 mm，其累計百分比分別為88.56%～92.19%，80.41%～86.05%和74.02%～76.97%(圖1)。這與汪三樹等[15]在石漠化區(qū)桑樹地埂開展的土壤團聚體穩(wěn)定性的研究結(jié)果一致。然而，金銀花地方式下破碎后團聚體主要集中于>0.2 mm，所占比例達(dá)69.56%～78.67%。其中，0.2～0.5 mm團聚體分布最多，耕地、荒地、休閑地和金銀花地中其比例均大于23%。但是，所占比例最小的團聚體，耕地和荒地為2～5 mm (2.98%和4.65%)，休閑地為0.5～1 mm (6.75%)，而金銀花地則為<0.05 mm (6.46%)。此外，2～5，1～2，0.5～1 mm團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為金銀花地>休閑地>荒地>耕地，且土地利用方式間2～5 mm團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異最明顯。與耕地相比，荒地、休閑地和金銀花地2～5 mm團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加-13.72%～122.63%，132.03%～218.18%和293.99%～543.88%。表明，快速濕潤處理對土壤團聚體破碎的影響表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。說明，消散作用下，耕地土壤團聚體的破碎程度最大，荒地次之，而金銀花地團聚體的破碎程度最弱。

圖1 快速濕潤處理下土壤團聚體粒徑分布

2.1.2 機械振蕩處理下土壤團聚體的粒徑分布 機械振蕩處理下，耕地、荒地、休閑地和金銀花地利用方式下土壤團聚體破碎后的粒徑主要集中于>0.2 mm，其累計比例分別為63.35%～70.44%，70.68%～75.02%，72.80%～81.04%和74.14%～79.89%(圖2)。其中，1～2 mm團聚體所占比例最高，4種土地利用方式下均超過21%。但是，曾全超等[16]對黃土高原森林植被帶土壤團聚體穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)WS處理后土壤團聚體分布較為分散，以0.2～0.1，0.1～0.05和<0.05 mm為主。團聚體中分布最少的粒級，耕地、荒地、休閑地和金銀花地分別是2～5，0.1～0.2，0.1～0.2，0.05～0.1 mm，其比例均小于8.5%。此外，2～5，1～2 mm團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為金銀花地>休閑地>荒地>耕地，而0.05～1和<0.05 mm團聚體的比例均表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。其中，不同土地利用方式下2～5 mm團聚體比例差異最明顯。金銀花地、休閑地和荒地2～5 mm團聚體比例較耕地分別增加1.26～5.07，1.69～4.89，1.22～1.85倍。表明機械振蕩處理對耕地土壤團聚體的影響最大，荒地次之。即，機械破壞作用下，耕地土壤團聚體的破碎程度最強，其次為荒地。

圖2 機械振蕩處理下土壤團聚體粒徑分布

2.1.3 慢速濕潤處理下土壤團聚體的粒徑分布 由圖3看出，慢速濕潤處理下，耕地、荒地、休閑地和金銀花地利用方式下土壤團聚體破碎后主要集中于粒徑>0.2 mm，累計比例分別為79.00%～86.53%，84.36%～88.00%，84.92%～92.92%和86.43%～93.86%。以往研究，將>0.2 mm團聚體含量作為土壤可蝕性指標(biāo)之一，其值越大表明土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[17]。說明，金銀花地土壤團聚體的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。同時，3種破碎機制下，SW處理>0.2 mm團聚體含量均高于FW和WS處理，說明慢速濕潤處理對土壤的團聚體的破壞最弱。

圖3 慢速濕潤處理下土壤團聚體粒徑分布

4種土地利用方式下0.1～0.2，0.05～0.1和<0.05 mm團聚體的比例均不小于8%。所占比例最高的團聚體，耕地為0.2～0.5 mm (29.08%～40.14%)，荒地為1～2 mm (25.11%～27.50%)，而休閑地和金銀花地則為2～5 mm(30.85%～42.94%和29.58%～43.11%)。2～5，1～2 mm團聚體的比例均表現(xiàn)為金銀花地>休閑地>荒地>耕地。另外，土地利用方式間破碎團聚體分布差異最明顯的是2～5 mm團聚體。金銀花地、休閑地和荒地2～5 mm團聚體的質(zhì)量含量較耕地分別增加58.58%～269.37%，87.82%～188.89%和4.65%～63.19%。表明慢速濕潤處理對耕地團聚體的影響最大，荒地次之。即黏粒膨脹作用下，耕地團聚體的破碎程度最嚴(yán)重，荒地次之。

2.2 土壤團聚體的穩(wěn)定性

2.2.1 土壤團聚體平均重量直徑 土壤團聚體平均重量直徑值越大，表明土壤團聚體穩(wěn)定性越強。FW處理下，各土層深度的MWD均表現(xiàn)為：金銀花地>休閑地>荒地>耕地(圖4)。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地土壤團聚體的MWDFW分別顯著增加134.41%～182.11%，62.34%～85.85%和16.08%～51.09%。WS處理下，土壤團聚體的MWD大小順序為休閑地>金銀花地>荒地>耕地。休閑地、金銀花地和荒地土壤團聚體MWDWS較耕地分別顯著增加54.72%～105.18%，40.00%～104.65%和31.30%～47.16%。SW處理下，土層深度0—10 cm內(nèi)，土壤團聚體MWD表現(xiàn)為休閑地>金銀花地>荒地>耕地，而10—20 cm內(nèi)則為金銀花地>休閑地>荒地>耕地。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地土壤團聚體的MWDSW分別顯著增加43.39%～122.56%，47.44%～89.46%和5.18%～39.32%。表明，3種破碎機制下金銀花地土壤團聚體的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，而耕地團聚體穩(wěn)定性最差。

注：圖中不同字母表示在p<0.05水平差異顯著，下同。

通過3種破碎機制下團聚體的MWD對比發(fā)現(xiàn)，4種土地利用方式下各土壤層次土壤團聚體穩(wěn)定性均呈現(xiàn)出MWDSW>MWDWS>MWDFW的趨勢(圖4)。即團聚體破壞作用按照作用程度表現(xiàn)為：消散作用>機械破壞作用>黏粒膨脹作用。根據(jù)Le Bissonnais[8]的團聚體穩(wěn)定性分級水平，不同處理導(dǎo)致破碎團聚體處于不同的穩(wěn)定狀態(tài)。FW處理下，除金銀花地外，耕地、荒地和休閑地各土層深度團聚體穩(wěn)定性大多處于不穩(wěn)定性級別(0.40.8)。表明，引起褐土土壤團聚體破碎的主要機制為消散作用，其次為機械破壞作用，這與郭偉等[18]在紅壤區(qū)的研究結(jié)果一致。

2.2.2 相對消散指數(shù)(RSI)和相對機械破碎指數(shù)(RMI) RSI表征快速濕潤情況下土壤孔隙中空氣受壓而造成團聚體的分散程度，而RMI 則體現(xiàn)了雨滴打擊、徑流剪切等外應(yīng)力作用下土壤團聚體的穩(wěn)定性[19]。耕地、荒地、休閑地和金銀花地利用方式下的RSI 顯著大于RMI，RSI較RMI分別增加1.24～2.33，1.93～3.81，1.19～4.12，0.49～1.10倍(圖5)。表明，4種土地利用方式各土層深度下的土壤團聚體對消散作用的敏感程度高于機械破壞作用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下的RSI表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地的RSI分別減少15.50%～36.74%，-6.36%～7.01%和-9.67%～14.03%。說明，耕地土壤團聚體對消散作用最為敏感，荒地次之。

圖5 不同土地利用方式下的相對消散指數(shù)(RSI)和相對機械破碎指數(shù)(RMI)

2.2.3 土壤可蝕性因子K值 為進(jìn)一步表征不同破碎機制下土壤團聚體的穩(wěn)定性，采用土壤可蝕性因子K值進(jìn)行量化。FW，WS和SW處理下，K值均表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地(圖6)。FW處理下，與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地的K值分別減少49.00%～59.21%，4.93%～22.63%和6.86%～13.45%；WS處理下相應(yīng)的減少率分別為69.43%～85.89%，65.04%～82.15%和19.92%～55.35%，而SW處理下相應(yīng)的減少率分別為45.18%～80.40%，54.24%～79.24%和35.01%～53.71%。另外，4種土地利用方式下各土壤層次土壤可蝕性K值均呈現(xiàn)FW>WS>SW。說明，3種破壞機制下，金銀花地的抗侵蝕能力最強，而耕地最差；FW處理下土壤的抗侵蝕能力最弱。

圖6 不同處理下土壤可蝕性因子K值

3 討 論

土地利用是人類最直接管理土壤的活動，土地利用方式的變化將改變土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[20]。北方土石山區(qū)作為我國的四大水土流失區(qū)之一，豐水年月降雨量達(dá)800～1 000 mm，日降雨量高達(dá)300～500 mm，經(jīng)常發(fā)生大雨或暴雨，易導(dǎo)致土壤團聚體結(jié)構(gòu)的破壞。擇選合理的土地利用方式，改良土壤結(jié)構(gòu)，成為北方土石山區(qū)土壤侵蝕防治需解決的重點問題。

本文研究結(jié)果表明對于不同土地利用方式，LB法3種處理下MWD均表現(xiàn)為：金銀花地>休閑地>荒地>耕地，而K值則表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。

說明，金銀花地土壤團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力在4種土地利用方式下最高，休閑地次之，耕地最低。這是因為金銀花的死根和落葉在分解過程中促進(jìn)了有機質(zhì)的累積，增加了水穩(wěn)性大團聚體形成所需的膠結(jié)物質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)團聚體數(shù)量和穩(wěn)定性的增加。其次，金銀花地表覆蓋物的增加，可增強土壤入滲能力，并能有效防止雨滴打擊對土壤團聚體的破碎作用，進(jìn)而有利于土壤團聚體結(jié)構(gòu)的保持,使得土壤團聚體穩(wěn)定性得以提高，土壤抗侵蝕能力有所增強?；牡睾托蓍e地因枯枝落葉物較少，有機質(zhì)積累程度較低，導(dǎo)致土壤團聚體穩(wěn)定性略低。然而，耕地利用方式下主要是通過種植作物玉米或者小麥根部的生長與土壤微生物作用而形成團粒結(jié)構(gòu)[1]，且頻繁的翻耕破壞了土壤結(jié)構(gòu)，加之有機質(zhì)暴露于空氣中，加劇了其礦化速率。因此，對于土層淺薄的北方土石山區(qū)，提高金銀花的種植面積可增強團聚體的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高抗侵蝕能力。耕地可通過秸稈還田、添加生物炭等措施進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)的改良。

4 結(jié) 論

(1) FW處理下，耕地、荒地和休閑地利用方式下破碎團聚體集中分布于<0.5 mm，金銀花地則為>0.2 mm；WS和SW處理下，4種土地利用方式均以>0.2 mm 團聚體為主。3種處理下，土地利用方式間粒徑分布差異最明顯的是2～5 mm團聚體。

(2) 4種土地利用方式下土壤團聚體的MWD均表現(xiàn)為：MWDSW>MWDWS>MWDFW，而土壤可蝕性K值則為FW>WS>SW，且RSI 較RMI顯著增加0.49～4.12倍。

(3) 3種處理下，土壤團聚體MWD均表現(xiàn)為：金銀花地>休閑地>荒地>耕地，且FW處理下差異尤為明顯。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地土壤團聚體MWDFW分別顯著增加134.41%～182.11%，62.34%～85.85%和16.08%～51.09%。

(4) RSI和K值的大小順序為：耕地>荒地>休閑地>金銀花地。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地的RSI分別減少15.50%～36.74%，-6.36%～7.01%和-9.67%～14.03%，而相應(yīng)的K值減少率分別為45.18%～85.89%，4.93%～82.15%和6.86%～55.35%。