黃土丘陵溝壑區(qū)不同年限苜蓿地土壤水穩(wěn)性團聚體分布特征及穩(wěn)定性研究

海 龍，姚 拓，張春紅，張文明，李林芝，路永莉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的場所，其組成和穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)變化的重要指示因子，能對土壤孔隙狀況以及水、肥、氣、熱產(chǎn)生重要影響[1-2]。目前，評價團聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)主要有大團聚體含量、土壤平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑以及分形維數(shù)等[3]。一般認(rèn)為，大團聚體含量、土壤平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑越大，土壤團聚體分布狀況與穩(wěn)定性越好[4]。而分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好，抗蝕能力越強[3]。因此，土壤團聚體的組成和穩(wěn)定性決定了土壤的可侵蝕性[5]，其不僅受土壤質(zhì)地、有機及無機膠結(jié)物影響，很大程度上也受土壤環(huán)境變化、植被類型以及人為生產(chǎn)活動的強烈影響[6]。

黃土高原是世界黃土分布最典型的區(qū)域，具有獨特侵蝕溝壑地貌，極易發(fā)生侵蝕，是世界上水土流失最為嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。解決黃土高原的水土流失問題，主要是防治土壤侵蝕，提高土壤的抗侵蝕能力[7]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種廣泛栽培的優(yōu)質(zhì)多年生豆科牧草，對修復(fù)該地區(qū)的脆弱生態(tài)環(huán)境、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，以及水土保持等方面都發(fā)揮著積極作用[8]。隨著種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，苜蓿種植面積逐年擴大，有效彌補了天然草場的不足，已成為黃土高原重要的草地生態(tài)系統(tǒng)[9-10]。然而，目前苜蓿草地的研究主要多集中在生產(chǎn)的可持續(xù)性和土壤水分方面，對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面的研究也有報導(dǎo)[11-14]，但都尚未將土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與無機、有機粘結(jié)劑聯(lián)合起來比較分析，尤其是在隴西地區(qū)人工草地苜蓿種植年限對土壤結(jié)構(gòu)特性影響方面的研究未見報道。為此，本研究以黃土丘陵溝壑隴西地區(qū)不同種植年限苜蓿草地土壤為研究對象，以農(nóng)田土壤為對照，應(yīng)用濕篩法分析土壤團聚體分布特征、穩(wěn)定性及其變化趨勢，并分析了土壤無機、有機粘結(jié)劑與團聚體穩(wěn)定性的關(guān)系，探討苜蓿種植對該區(qū)域土壤質(zhì)量的影響，為黃土丘陵溝壑區(qū)苜蓿草地持續(xù)利用、防止土壤質(zhì)量退化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗選在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的甘肅省定西市隴西縣，屬大陸性溫帶半干旱季風(fēng)氣候。平均海拔1 673 m，年均降水量445.8 mm，降水主要集中在6—9月份，年均氣溫7.7℃，無霜期146 d。試驗地土壤類型為黃綿土，近似于半干潤淡色始成土(Ustochnept)，相對應(yīng)于FAO分類系統(tǒng)中的鈣積始成土(CalcicCambisols)，成土母質(zhì)為第四紀(jì)風(fēng)成黃土。

1.2 樣品采集

在野外實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用空間分布代替時間序列的方法，綜合考慮坡向、坡位，于2018年5月選取了自然生態(tài)條件相同，種植年限分別為3、7、12、18 a的紫花苜蓿草地為研究對象，種植面積均在200 m2以上。每個樣地隨機布設(shè)3個典型樣方( 5 m ×5 m)，每個樣方設(shè)置3個樣點，逐層采集0～20、20～40、40～60 cm土層原狀土柱樣品，每一樣方取3個樣點的相同土層組成一個混合樣，裝入硬質(zhì)塑料盒中。基于從農(nóng)田更替為苜蓿草地，在苜蓿草地旁邊選取未曾種草、常規(guī)管理模式的農(nóng)田作為對照，按相同層次采集土壤樣品。將土樣帶回室內(nèi), 沿土塊自然裂隙輕輕剝成小于5 mm的小塊后，去除石塊和植物殘體，自然風(fēng)干后分成2個亞樣本, 其中一個用作團聚體分析, 另一個過篩后供其他項目的理化分析使用。

1.3 分析方法

土壤水穩(wěn)性團聚體的測定按照Li等[15]修訂的方法。稱取50 g風(fēng)干樣品置于套篩(2、1、0.5、0.25 mm)最上層，把篩子放入裝有蒸餾水的桶中浸泡10 min，以30次·min-1的頻率豎直上下振蕩5 min，振蕩幅度為3.5 cm，振蕩時要保證最上層的篩子浸沒在水中。篩分后，將各級篩層上土壤團聚體分別轉(zhuǎn)移至鋁盒中，105℃烘干稱重，計算各級團聚體的質(zhì)量百分比。

供試土壤總有機碳、碳酸鈣、容重和機械組成分別采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法、氣量法、環(huán)刀法和吸管法測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(>0.25 mm water-stable aggregate proportion，WSAP0.25)計算公式[17]為:

式中,M0.25為>0.25 mm團聚體重量(g)；MT為未篩分之前土壤總重(g)。

平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)和幾何平均值(geometric mean diameter，GMD)計算公式[18]為：

式中,Ri是某級別團聚體平均直徑(mm)，wi是該級別團聚體干重(g)。

分形維數(shù)(fractal dimension，D)計算公式[19]為：

式中，dmax為最大粒級團聚體的平均直徑(mm);di為兩篩分粒級的平均粒徑(mm);Wi(δ

采用Excel 2007和SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析，不同處理結(jié)果的多重比較采用鄧肯檢驗，顯著水平為P<0.05。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布

土壤水穩(wěn)性團聚體數(shù)量和分布反映了土壤團粒結(jié)構(gòu)狀況，是決定土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。由表1可知，苜蓿草地土壤水穩(wěn)性團聚體含量在土壤剖面中具有明顯的垂直分布性，即在0～60 cm土層，隨土壤深度的增加，>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量均逐漸減少，而<0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體數(shù)量逐漸增加。在各土層，無論農(nóng)田還是種植苜蓿，土壤水穩(wěn)性團聚體組成均隨著粒徑減小呈階梯式遞增態(tài)勢，增幅為1.22%～61.43%，以<0.25 mm的微團聚體占據(jù)優(yōu)勢級別，變化范圍為60.83%～79.72%，大部分土壤在70%以上，說明黃土丘陵溝壑區(qū)土壤水穩(wěn)性團聚體狀況普遍較差。

如表1所示，當(dāng)農(nóng)田更替為苜蓿草地后，在0～20 cm土層，>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量均從農(nóng)田到12 a生苜蓿草地顯著遞增(P<0.05)，分別是對照農(nóng)田的2.03～2.75倍、1.98～2.72倍、1.31～1.65倍和1.15～1.36倍。20～40 cm土層不同年限苜蓿草地土壤水穩(wěn)性團聚體含量與0～20 cm土層具有一致規(guī)律，但變化幅度較小，僅12 a生苜蓿草地土壤>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量與對照農(nóng)田達到了顯著性差異(P<0.05)。40～60 cm土層各處理土壤水穩(wěn)性團聚體呈現(xiàn)出含量均勻化態(tài)勢，處理間差異不顯著(P>0.05)。

通過分析>0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量(WSAP0.25)分布特征發(fā)現(xiàn)，不同年限苜蓿草地WSAP0.25在0～20 cm含量最多，隨土壤深度的增加逐漸減少，CK則在20～40 cm含量最多(圖1)。在0～20 cm土層，不同種植年限苜蓿草地WSAP0.25均顯著高于農(nóng)田(P<0.05)，12 a苜蓿草地最高，較3、7、18 a苜蓿草地和CK農(nóng)田分別提高了78.43%、29.68%、21.81%和14.55%，均呈顯著差異(P<0.05)。20～40 cm土層與0～20 cm土層具有一致規(guī)律，但變化幅度較小，僅12 a苜蓿草地WSAP0.25顯著高于農(nóng)田(P<0.05)。

表1 不同種植年限苜蓿草地土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布

2.2 土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性

土壤團聚體穩(wěn)定性與其粒徑分布是同等重要的質(zhì)量指標(biāo)，直接關(guān)系到土壤對不同環(huán)境的適應(yīng)與協(xié)調(diào)性能。由表2可知，表層(0～20 cm)不同年限苜蓿草地平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)最大，隨土壤深度增加，MWD和GMD逐漸減小，而農(nóng)田MWD和GMD在20～40 cm土層最大。其中，MWD在0～20 cm土層表現(xiàn)為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，且供試不同年限苜蓿草地與農(nóng)田之間差異均顯著(P<0.05)，12、18、7 a和3 a苜蓿草地分別較CK提高了104.63%、76.65%、60.33%和47.88%；20～40 cm與0～20 cm土層變化趨勢一致，但變幅小，僅12 a苜蓿草地顯著高于CK(P<0.05)。GMD變化趨勢與MWD相一致，0～20 cm土層各苜蓿草地與農(nóng)田均呈顯著性差異(P<0.05)。土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)(D)變化雖然不大，但在土壤表層也呈現(xiàn)出了從農(nóng)田到12 a生苜蓿草地逐漸遞減的規(guī)律性?？傊俎２莸赝寥浪€(wěn)性團聚性較農(nóng)田好，且隨苜蓿種植年限遞增至第12年達到最大。

2.3 土壤粒徑分布、總有機碳和碳酸鈣含量

由表3可知，不同種植年限苜蓿草地土壤粉粒(0.002～0.02 mm)含量最多，黏粒(<0.002 mm)次之，砂粒(0.02～2 mm)最少，在0～60 cm土層，各苜蓿草地粒徑分布與對照農(nóng)田之間無顯著性差異(P>0.05)。在0～20 cm土層，土壤總有機碳表現(xiàn)為12 a>18 a>7 a>3 a >CK，各苜蓿草地均顯著高于對照農(nóng)田(P<0.05)，20～40 cm土層與0～20 cm土層變化趨勢一致，但變幅小，僅12 a苜蓿草地顯著高于CK(P<0.05)。土壤碳酸鈣含量在各處理間差異均不顯著(P>0.05)。

注：相同土層不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters represent significant difference between treatments within the same soil layer (P<0.05).圖1 不同種植年限苜蓿草地0～60 cm土層WSAP0.25的變化Fig.1 Proportion of water-stable aggregate >0.25 mm particlesize under different growth years in 0～60 cm soil depth

2.4 土壤水穩(wěn)性團聚體性能指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性分析

土壤水穩(wěn)性團聚體性能指標(biāo)與土壤粒徑分布、總有機碳和碳酸鈣含量相關(guān)分析如表4所示。>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體和WSAP0.25、MWD、GMD均與TOC呈顯著正相關(guān)；<0.25 mm的微團聚體、土壤分形維數(shù)D與TOC呈負(fù)相關(guān)，其中TOC與<0.25 mm微團聚體相關(guān)性達極顯著水平(P<0.01)。砂粒、粉粒、黏粒和碳酸鈣與土壤水穩(wěn)性團聚體各指標(biāo)之間均無顯著相關(guān)性。

3 討 論

3.1 土壤水穩(wěn)性團聚體分布特征及穩(wěn)定性

土壤團聚體分布和數(shù)量不僅影響作物生長發(fā)育，而且與土壤抗侵蝕能力密切相關(guān)，特別是濕篩法獲得的土壤水穩(wěn)性團聚體更能準(zhǔn)確地反映出土地利用方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響[20]。隨土壤深度的增加，苜蓿草地>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量均逐漸減少，這與霍

表2 不同種植年限苜蓿土壤團聚體穩(wěn)定性

表3 不同種植年限苜蓿草地土壤粒徑分布、總有機碳和碳酸鈣含量

表4 土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

琳等[21]研究結(jié)果一致。以>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體為參照指標(biāo)，認(rèn)為>75%為優(yōu)良狀態(tài)，40%～75%為良好，30%～40%為較差，<30%為不良[22]。在0～20 cm土層，土壤團聚狀態(tài)從農(nóng)田的不良級別演化為苜蓿草地的較差狀態(tài)，而苜蓿草地20～60 cm土層均屬不良團聚狀態(tài)，級別雖然沒有變化，但是>0.25 mm團聚體在土壤剖面上存在明顯的遞減趨勢。農(nóng)田>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體在20～40 cm土層含量較0～20 cm土層多，是因為農(nóng)田表層土壤受人為活動干擾多，擾動頻繁，盡管有機質(zhì)含量高于下層，但在擾動過程中易于暴露，分解速度大于下層，弱化了對團聚體穩(wěn)定性的膠結(jié)作用，這也是耕地中難以形成更大團聚體的緣故。水穩(wěn)性團聚體直徑越小，表明團聚體在潤濕后抵抗破壞能力越小，浸水后土壤團聚體大部分都將散碎[23]。本研究得出水穩(wěn)性團聚體含量隨直徑減小而增加，<0.25 mm為數(shù)量優(yōu)勢級別，變化范圍為60.83%～79.83%，大部分土壤在70%以上，表明研究區(qū)域較大團聚體數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)松散。

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的值越大，分形維數(shù)(D)越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強[24]。本研究得出0～40 cm土層MWD表現(xiàn)為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，GMD與MWD變化趨勢基本一致，而D變化趨勢相反，說明種植苜蓿能提高土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。這與苜蓿根部能共生大量根瘤菌，隨生長年限的增加，其入土深度和根莖上分枝數(shù)增加[25]，能產(chǎn)生更多的根系分泌物有關(guān)[26]。首先，根系分泌物是土壤顆粒團聚的主要粘合劑[27-28]，分泌的多糖類有機碳是一種線性的高分子聚合體，其鏈上有大量的羥基(-OH)，可以不通過陽離子的作用，直接利用有機物的分子極性，與礦物晶面上的氧原子形成氫鍵，使得土壤團聚化[29]；再則，根系分泌物及其脫落物能夠促進微生物大量繁殖，會使微生物產(chǎn)生更多作為土壤顆粒膠結(jié)劑的粘液，進一步促進土壤顆粒的團聚[30]。本研究同時表明18 a生苜蓿草地土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性開始下降，這與黃土高原苜蓿草地超過一定的種植年限，地上和地下生物量開始下降有關(guān)[31]。

3.2 土壤水穩(wěn)性團聚體指標(biāo)與土壤有關(guān)參數(shù)的相關(guān)性

土壤團聚體粒徑分布和穩(wěn)定性與膠結(jié)物質(zhì)密切相關(guān)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分布、組成特征等是團聚體形成與穩(wěn)定的基礎(chǔ)及內(nèi)在動力[32]。土壤有機碳、黏粒和碳酸鈣是黃土高原土壤中的主要膠結(jié)物質(zhì)[33]。本研究得出黏粒與土壤水穩(wěn)性團聚體各指標(biāo)相關(guān)性均不顯著，但是這不能否定黏粒對土壤的團聚作用，只是在黃土丘陵溝壑區(qū)自然條件下土壤粘粒的數(shù)量和性質(zhì)對于礦物顆粒的膠結(jié)與團聚作用不夠明顯而已。有學(xué)者研究表明，黃土高原地區(qū)大部分屬于鈣鹽基飽和土壤[34-35]，蒙脫石有效面積比高嶺石大得多，土壤黏粒自身凝聚作用雖然強，但通過此作用形成的微團聚體穩(wěn)定性不高[29]，屬于一種穩(wěn)定性相對較差的膠結(jié)物質(zhì)[36]。已有研究指出，難溶性碳酸鈣對土壤團聚體水穩(wěn)性起重要作用[33]，碳酸鈣對黃土團粒的形成起決定性的作用[32]。而本研究表明，土壤碳酸鈣含量與土壤水穩(wěn)性團聚體各指標(biāo)相關(guān)性均不顯著，這和前面的研究結(jié)論不一致，還有待于進一步研究。苑亞茹等[37]研究發(fā)現(xiàn)，有機物不僅能增強團聚體之間的粘結(jié)力和抗張強度，同時較土壤礦物提高了吸收水的容量，水分的潤濕速率因而減緩，團聚體穩(wěn)定性提高。黃澤等[38]、羅珠珠等[20]的研究結(jié)果都表明，黃土高原半干旱區(qū)的土壤團聚體穩(wěn)定性和土壤有機質(zhì)密切相關(guān)，但沒有將土壤團聚體穩(wěn)定性和無機膠結(jié)劑聯(lián)系起來。本研究中，TOC與>0.25 mm各粒級土壤水穩(wěn)性團聚體、MWD、GMD均呈顯著正相關(guān)，與<0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明黃土丘陵溝壑區(qū)有機質(zhì)是土壤團聚體主要膠結(jié)物質(zhì)，在水穩(wěn)性團聚體的形成、促進土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、增強土壤的抗侵蝕能力方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。