祁連山淺山區(qū)退耕地土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳和全氮的分布特征

董彥麗,李澤霞,高金芳,張 峰,王亞竹,王彥武

(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所,甘肅 蘭州 730020;2.甘肅省水利科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730000)

土壤團(tuán)聚體是由分散的單粒經(jīng)過(guò)多次(多級(jí))復(fù)合、團(tuán)聚而形成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體[1]，其組成狀況和穩(wěn)定性不僅直接影響著土壤的孔隙度、持水性、通透性和抗沖性[2-3]，而且是抵抗外力作用或外部環(huán)境變化而保持其原有形態(tài)的能力[4]。土壤團(tuán)聚體含量、平均重量直徑(MWD)及幾何平均直徑(GWD)是表征土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[5]團(tuán)聚體是有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化與腐殖質(zhì)形成的重要場(chǎng)所[6]，有機(jī)碳對(duì)團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定性有著重要的影響，表層土壤中近90%的有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)[7]，因此團(tuán)聚體在維持土壤養(yǎng)分及其有效性、土壤結(jié)構(gòu)及孔隙系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面起著非常重要的作用[8]。

祁連山淺山區(qū)屬祁連山地與河西綠洲之間的過(guò)渡地帶，是連接山地森林生態(tài)系統(tǒng)和綠洲生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵紐帶，氣候類型屬于淺山荒漠草原氣候和淺山干草原氣候，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，也是水土流失最易發(fā)生的區(qū)域。近年，退耕還林草措施的實(shí)施推進(jìn)著植被恢復(fù)進(jìn)程，祁連山淺山區(qū)林草植被的恢復(fù)逐漸過(guò)渡至山地森林，鞏固著祁連山的生態(tài)系統(tǒng)。隨著生態(tài)環(huán)境的逐漸恢復(fù)，退耕地土壤也在發(fā)生著一系列變化。李秋嘉等[9]研究植被恢復(fù)可以有效促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，匯集養(yǎng)分和有機(jī)碳，而土壤有機(jī)質(zhì)影響團(tuán)聚體數(shù)量和穩(wěn)定性，保證土壤緩沖能力。李柏橋等[10]研究顯示退耕還林還草可顯著提高0—20 cm土層土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳含量，退耕還草15 a草地具有更好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和土壤肥力，土壤抗侵蝕能力更強(qiáng)，水土保持效應(yīng)更好。王國(guó)會(huì)等[11]研究了圍欄封育有利于荒漠草原土壤團(tuán)聚體的形成，隨年限增加，土壤微團(tuán)聚體(<0.25 mm)含量總體呈下降趨勢(shì)。張蕊等[12]對(duì)祁連山北坡亞高山草地區(qū)域的放牧天然草地、耕地、退耕還林草地土壤的研究表明，退耕還林草地混合植被對(duì)土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分具有重要的恢復(fù)和改善作用。目前祁連山淺山區(qū)的研究主要集中在退耕地造林封育后植被的恢復(fù)效果[13]，造林成活率[14]，林地水源涵養(yǎng)功能[15-16]等方面的研究，在退耕地植被恢復(fù)對(duì)土壤抗侵蝕具有重要影響的土壤團(tuán)聚體分布和養(yǎng)分方面的研究較少?；诖耍狙芯窟x取祁連山淺山區(qū)大黃山林區(qū)退耕沙棘林地、退耕封育草地、退耕未封育草地為研究對(duì)象，分析不同類型退耕地土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性，闡述不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮分布特征，以期為祁連山淺山區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)與重建及水土流失的防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)中部，甘肅省山丹縣大黃山林區(qū)(東經(jīng)101°00′—101°30′，北緯38°20′—38°30′)，海拔2 800 m左右。該區(qū)處于高寒半干旱氣候帶，年均降雨量428.6 mm，主要集中在6—8月份，隨海拔高度上升降雨量逐漸增加，氣溫逐漸降低，生長(zhǎng)期變短。>10 ℃的積溫在1 700 ℃，植物生長(zhǎng)期在120 d左右[15]。土壤類型有山地褐色土、灰褐土、輕壤土等，成土母質(zhì)以坡積、殘積母質(zhì)為主。

大黃山林區(qū)自2000年開(kāi)始實(shí)施退耕還林還草政策，至今已有2.00×104hm2退耕林草地，退耕還林以人工植苗造林為主，退耕還草以封育自然恢復(fù)草地為主，經(jīng)多年的退耕還林還草措施的實(shí)施，植物種類豐富多樣，主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)、金露梅(Potentillafruticosa)、山丹柳(Salixshandanensis)、檸條錦雞兒(Caragankorshinakii)等喬灌木樹(shù)種，珠芽蓼(Polygonumviviparum)、早熟禾(Poaannua)、針茅(Stipacapillata)等草本植物。

1.2 樣品采集

于2019年4月26日進(jìn)行野外采樣，為避免坡度、坡位的影響，選擇退耕年限、坡向、坡度基本相同的沙棘林地、封育草地、未封育草地3種典型退耕樣地(見(jiàn)表1)。在研究區(qū)每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，除去地表枯落物和植被后，在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的條件下，按0—10，10—20，20—40，40—60 cm共4層分別采集原狀土樣，每份樣品重量約1 kg，采集后立刻裝入采樣袋，所有樣品共計(jì)36份。

表1 研究樣地概況

1.3 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)處理

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，采用旋轉(zhuǎn)振篩儀，測(cè)定土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(>5，2～5，0.25～2，<0.25 mm)百分比含量。每份土樣分5次篩完，每次取200 g左右篩分5 min，篩分結(jié)束后利用靜電吸附剔除植物殘?jiān)?/p>

本研究利用重鉻酸鉀—外加熱法和半微量凱氏定氮法[17]分別測(cè)定全土和各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮含量。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性利用平均重量直徑(MWD，mm)表征，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ri為某級(jí)別團(tuán)聚體平均直徑；wi為該級(jí)別團(tuán)聚體干重。

各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮在土壤中的貢獻(xiàn)率根據(jù)公式(2)計(jì)算：

(2)

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)、圖表，利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用One-way ANOVA分析顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型退耕地土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性

2.1.1 土壤團(tuán)聚體分布特征 3種類型退耕地土壤團(tuán)聚體組成如圖1所示。由圖1可知，3種類型退耕地土壤團(tuán)聚體均表現(xiàn)為≥0.25 mm大團(tuán)聚體含量遠(yuǎn)高于<0.25 mm的微團(tuán)聚體的分布特征，其中>5 mm，0.25～2 mm的大團(tuán)聚體占總團(tuán)聚體70%以上。0—10 cm土層，沙棘林地>5 mm團(tuán)聚體含量高于封育草地5.56%，0.25～2 mm團(tuán)聚體低于封育草地15.07%，兩地類差異不顯著；沙棘林地>5 mm團(tuán)聚體高于未封育草地25.25%，0.25～2 mm團(tuán)聚體低于未封育草地19.38%，差異顯著；2～5 mm團(tuán)聚體和<0.25 mm團(tuán)聚體含量較低。10—20 cm土層，封育草地>5 mm團(tuán)聚體含量高于沙棘林地16.54%，高于未封育草地22.49%；0.25～2 mm團(tuán)聚體含量最高的是未封育草地，兩種退耕草地差異顯著；其他粒徑團(tuán)聚體含量較低，3種類型退耕地差異不顯著。20—40，40—60 cm土層中>5 mm團(tuán)聚體在封育草地中依然最高，但不同類型退耕地兩兩之間差異不顯著，說(shuō)明隨著土壤深度的增加，不同類型退耕地各級(jí)團(tuán)聚體含量變化不大。

2.1.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性 由表2可知，退耕地土壤團(tuán)聚體MWD在0—60 cm土層表現(xiàn)為：封育草地(4.46 mm)>沙棘林地(4.08 mm)>未封育草地(3.38 mm)，封育草地高于沙棘林地9.31%，高于未封育草地31.95%，封育草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最強(qiáng)。

表2 不同類型退耕地土壤團(tuán)聚體平均重量直徑 mm

經(jīng)方差分析，不同類型退耕地土壤團(tuán)聚體MWD差異性顯著，但經(jīng)多重比較分析，在0—10，10—20，20—40 cm土層，沙棘林地與封育草地差異不顯著，但二者與未封育草地差異顯著，表明退耕后，林地和封育草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性高于未封育草地。

注：不同大寫字母表示相同土層不同類型退耕地相同粒級(jí)間p<0.05水平差異顯著；不同小寫字母表示相同土層相同類型退耕地不同粒級(jí)間p<0.05水平差異顯著。下同。

2.2 不同類型退耕地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮分布特征

2.2.1 土壤有機(jī)碳和全氮分布 由表3可知，0—10 cm土層，封育草地土壤有機(jī)碳含量為32.59 g/kg，比沙棘林地和未封育草分別高32.80%，63.85%，方差分析表明3種退耕地差異顯著；10—20，20—40，40—60 cm土層，沙棘林地有機(jī)碳含量分別高于封育草地10.78%，11.41%和4.28%，高于未封育草地38.70%，96.51%和108.57%，這可能與沙棘林地根系分布較深、草地植物根系分布較淺有關(guān)，方差分析，沙棘林地與未封育草地差異顯著。0—10 cm土層，沙棘林地土壤全氮為1.57 g/kg，高于封育草地10.56%，高于未封育草地27.64%，但3種退耕地土壤全氮含量差異不顯著；10—20，20—40，40—60 cm土層，3種退耕地全氮含量變化不規(guī)律，沙棘林地和封育草地全氮含量有高有低。

表3 不同類型退耕地不同深度土壤有機(jī)碳和全氮分布

2.2.2 不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮分布 由表4可知，相比沙棘林地，封育草地中>5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高1.19%；2～5 mm和<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別低5.44%和3.72%，兩種退耕地差異不顯著。封育草地0.25～2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量低于沙棘林地14.78%，差異顯著。未封育草地各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在退耕地中最低，與沙棘林地和封育草地差異顯著。與有機(jī)碳相反，土壤團(tuán)聚體全氮含量則為封育草地>5 mm團(tuán)聚體低于沙棘林地，2～5 mm，0.25～2 mm，<0.25 mm團(tuán)聚體高于沙棘林地和未封育草地；3種類型退耕地>5 mm團(tuán)聚體全氮含量差異不顯著，封育草地與未封育草地2～5，0.25～2，<0.25 mm團(tuán)聚體差異顯著。通過(guò)對(duì)比分析，沙棘林地和封育草地土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分優(yōu)于未封育草地；0.25～2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳平均含量最高為26.20 g/kg，全氮平均含量在<0.25 mm的微團(tuán)聚體中最高為1.46 g/kg。

表4 不同類型退耕地不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮分布

2.3 不同類型退耕地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮貢獻(xiàn)率

由圖2可看出，退耕沙棘林地、封育草地各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率由大到小表現(xiàn)為：(>5 mm)>(0.25～2 mm)>(2～5 mm)>(<0.25 mm)，未封育草地團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為(0.25～2 mm)>(>5 mm)>(2～5 mm)>(<0.25 mm)，說(shuō)明退耕地有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)存的主體是0.25～2 mm和>5 mm團(tuán)聚體；沙棘林地和封育草地>5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率高于0.25～2 mm團(tuán)聚體，未封育草地則反之。經(jīng)方差分析，3種類型退耕地>5 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率差異不顯著，0.25～2團(tuán)聚體差異顯著；在有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較低的2～5 mm，<0.25 mm團(tuán)聚體中，沙棘林地與封育草地差異不顯著，封育草地與未封育草地差異顯著；3種類型退耕地各粒級(jí)團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率差異不顯著。

圖2 不同類型退耕地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率

3 討 論

土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚含量高低及組成是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體質(zhì)量的重要指標(biāo)[18]。大團(tuán)聚體含量的多少在一定程度上反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞，是決定土壤肥力、土壤抗侵蝕能力和土壤穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[19]。本研究中，祁連山淺山區(qū)3種類型退耕地0—60 cm土層，≥0.25 mm大團(tuán)聚體平均含量高于90%，在土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，且大團(tuán)聚體含量越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，其中>5 mm和0.25～2 mm團(tuán)聚體含量超過(guò)總團(tuán)聚體70%以上，說(shuō)明>5 mm和0.25～2 mm團(tuán)聚體是優(yōu)勢(shì)粒級(jí)。未封育草地≥0.25 mm大團(tuán)聚體平均含量低于沙棘林地和封育草地，這可能與團(tuán)聚體形成受動(dòng)物活動(dòng)影響有關(guān)。封育草地>5 mm團(tuán)聚體平均含量高于沙棘林地和未封育草地，這與陸琪[20]等研究的圍封禁牧草地土壤團(tuán)聚體以>5 mm粒級(jí)居多(41.7%～55.0%)相一致。土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)表征的是團(tuán)聚體穩(wěn)定性，MWD越大，表明團(tuán)聚體平均粒徑越高，其穩(wěn)定性越強(qiáng)。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性是土壤抵抗各種外力作用或外部環(huán)境變化而保持原有形態(tài)及協(xié)調(diào)功能的能力[21]。本研究封育草地MWD最高，平均達(dá)到4.46 mm，說(shuō)明退耕封育草地相比其他退耕地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性更強(qiáng)。封育年限越長(zhǎng)，植物根系越發(fā)達(dá)，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤穩(wěn)定性，對(duì)增加土壤抗蝕性起到重要作用[22]。

祁連山淺山區(qū)農(nóng)地退耕前多以坡地種植農(nóng)作物為主，退耕后降低了土壤養(yǎng)分的輸出，隨退耕年限的增加，植被枯落物及其根系在自然和土壤微生物環(huán)境的作用下養(yǎng)分返還至土壤中，使退耕后的林草地團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，土壤養(yǎng)分也會(huì)逐漸增多，張蕊等[12]在對(duì)祁連山退耕8 a的還林草地研究顯示土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量顯著升高。然而，退耕林草地如果不封育，依然放牧受牲畜啃食，植被覆蓋度降低，地上部分生物量和枯落物蓄積量就會(huì)降低[23]，影響土壤養(yǎng)分積累。本研究中，退耕后封育草地和沙棘林地土壤有機(jī)碳含量都高于未封育草地，且差異顯著，這可能與不同退耕方式凋落物在土壤中形成的腐殖質(zhì)層有關(guān)，不同植被凋落物的數(shù)量，質(zhì)量以及所處的環(huán)境條件，都會(huì)影響到土壤有機(jī)碳的含量[24]。沙棘林地和封育草地表層土壤全氮含量高于未封育草地，但差異不顯著，不同類型退耕地深層土壤全氮含量有高有低，可能與退耕地封育年限有關(guān)，段亞鋒等[25]研究了退耕10 a的林草地，土壤有機(jī)碳含量增加了，但土壤全氮的累積增量不明顯，他認(rèn)為是由于退耕后凋落物歸回量增加而植被恢復(fù)初期需氮量較大造成的。這3種類型退耕地>5 mm和0.25～2 mm的大團(tuán)聚體有機(jī)碳平均含量高于<0.25 mm的微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，這與宋莉群等[26]對(duì)紅壤區(qū)長(zhǎng)期退耕恢復(fù)下土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量均高于微團(tuán)聚體一致，而王進(jìn)等[19]對(duì)喀斯特石漠化區(qū)人工林草地的研究結(jié)果表明<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量最低，這可能與不同研究區(qū)土壤類型及地類有關(guān)。魏朝富[27]等研究全氮存在于土壤最細(xì)粒部分(細(xì)黏?；蝠ち＜?jí))，本研究中全氮含量在<0.25 mm的微團(tuán)聚體中最高，因此全氮含量較高的微團(tuán)聚體影響著大團(tuán)聚體的形成過(guò)程。團(tuán)聚體含量是引起團(tuán)聚體養(yǎng)分貢獻(xiàn)率變化的主導(dǎo)因素[25]，本研究中，3種類型退耕地>5 mm和2～5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率最高，占到70.15%～81.52%，是有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)存的主體，而且0.25～2 mm團(tuán)聚體和>5 mm團(tuán)聚體，占總團(tuán)聚體組成的70%以上，這與史薪鈺[28]等研究土壤團(tuán)聚體中的養(yǎng)分約90%來(lái)自>0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體研究結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

祁連山淺山區(qū)3種類型退耕地≥0.25 mm大團(tuán)聚體含量高于<0.25 mm微團(tuán)聚體，且以>5 mm，0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體為主；沙棘林地0—10 cm表層土壤>5 mm團(tuán)聚體含量高于封育草地和未封育草地，而2～5 mm，0.25～2 mm和<0.25 mm團(tuán)聚體含量則是未封育草地最高；隨土壤深度增加，退耕地間各粒級(jí)團(tuán)聚體含量差異不顯著。封育草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最強(qiáng)，MWD高于沙棘林地9.31%，差異不顯著，高于未封育草地31.95%，差異顯著，結(jié)果表明對(duì)退耕地進(jìn)行適度封育有利于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

未封育草地不同土層土壤有機(jī)碳和不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量都低于沙棘林地和封育草地，且差異顯著；3種類型退耕地不同土層土壤全氮含量有高有低，而在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中，全氮含量變化則與有機(jī)碳表現(xiàn)相反趨勢(shì)。沙棘林地和封育草地土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分含量?jī)?yōu)于未封育草地，在各級(jí)團(tuán)聚體中，0.25～2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳平均含量最高為26.20 g/kg，全氮平均含量在<0.25 mm的微團(tuán)聚體中最高為1.46 g/kg。

與團(tuán)聚體分布特征相同，退耕地有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)存主體為>5 mm和0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，其中沙棘林地和封育草地>5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率高于0.25～2 mm團(tuán)聚體，未封育草地則反之。