喀斯特退耕地不同植被恢復階段土壤團聚體穩(wěn)定性特征

董天富,鄧志豪,楊靜,戴全厚,聶云鵬

(1.貴州大學林學院,貴陽 550025;2.中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站,廣西環(huán)江 547100;3.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長沙 410125)

黃壤和石灰土是貴州省最主要的土壤類型,其中黃壤分布面積最廣,占貴州省土壤總面積的41.21%;石灰土次之,占比為26.10%[1]。貴州省地處西南喀斯特中心,其土層淺薄、基巖裸露率高,極易發(fā)生水土流失[2-3]。近代以來,由于人為活動的影響,導致該區(qū)植被破壞、水土流失加劇、產(chǎn)生了以石漠化為代表的嚴重的生態(tài)問題[4]。為此,我國實施了“退耕還林還草工程”和一系列的石漠化綜合治理工程,喀斯特區(qū)植被得以明顯恢復,水土流失得到有效控制,石漠化得到有效遏制[5]。很明顯,退耕還林還草工程取得了巨大成效,但在同一區(qū)域內(nèi),不同土壤類型下退耕效益是否有差異還尚不清楚。

退耕還林還草可以明顯改善土壤理化性質(zhì),提高土壤生產(chǎn)力和抵抗侵蝕的能力[6-7]。土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,對土壤的孔隙性、持水性、滲透性和抗蝕性有極大影響,其穩(wěn)定性是決定土壤抗侵蝕能力和退化速率的重要因素[8-9]。因此,土壤團聚體特征常被作為評價土壤抗蝕能力的重要指標。研究發(fā)現(xiàn),退耕可以增加土壤有機質(zhì)含量,促進土壤團聚體的形成,且退耕后不同植被措施下的土壤團聚體有所不同,團聚體穩(wěn)定性存在差異[10]。袁瀛等[11]發(fā)現(xiàn),隨著退耕植被演替程度加深,＞5 mm 團聚體含量顯著增加,團聚體平均重量直徑(MWD)顯著增大,其穩(wěn)定性提高;由政等[12]也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。但是,王妙倩等[13]發(fā)現(xiàn)雖然退耕后土壤團聚體MWD有所增加,但并未呈現(xiàn)隨演替程度增加而增加的趨勢。在喀斯特地區(qū),也有研究發(fā)現(xiàn)坡耕地退耕還林后,土壤水穩(wěn)性大團聚體含量有明顯提高,且小粒徑團聚體有向大粒徑明顯轉(zhuǎn)化的趨勢[14];隨著退耕地植被的不斷恢復,土壤團聚體越來越穩(wěn)定,抗侵蝕能力越來越強[15]。由此可知,退耕可以影響土壤的團聚體特征和分布,增強土壤團聚體穩(wěn)定性。但是,土壤團聚體穩(wěn)定性是否會隨退耕后的植被演替加深而增加還沒有定論;同一氣候條件下,黃壤和石灰土退耕后各階段土壤團聚體穩(wěn)定性是否有差異也尚不明確。

因此,本研究在黔中喀斯特黃壤和石灰土發(fā)育區(qū),選擇耕地和退耕后不同恢復階段3種典型植被類型下的土壤為研究對象,對比0—30 cm 土層土壤團聚體的組成特征,探討不同土壤類型退耕后在不同恢復階段下的土壤團聚體穩(wěn)定性差異,以期能為喀斯特區(qū)水土流失防治和退耕地恢復植被效益評價提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)內(nèi),其中所選石灰土發(fā)育區(qū)4 種植被類型位于花溪區(qū)花溪水庫附近(北緯26°26′—27°22′,東經(jīng)106°38′—107°42′),黃壤發(fā)育區(qū)4種植被類型位于花溪區(qū)歪腳村(北緯26°17′—26°22′,東經(jīng)106°42′—106°45′)。花溪區(qū)位于黔中地區(qū),該區(qū)總面積964.32 km2,屬中亞熱帶濕潤溫和型氣候,氣候溫和,年均氣溫15.6℃,全年日照1 162.2 h,降雨充沛,年降雨量約為1 215.7 mm,降水多集中于5—6月。該區(qū)多山地丘陵,成土母質(zhì)以石灰?guī)r、白云巖、砂頁巖等為主,地表土壤以黃壤和石灰土為主,平均土層厚度為20—40 cm。耕地以坡耕地為主,面積為202.37 km2。

1.2 樣地設置和土樣采集

結(jié)合土壤類型分布圖和實地走訪調(diào)查,于研究區(qū)選擇了黃壤和石灰土條件下3種不同退耕年限、處于不同恢復階段〔草地(CD)、灌叢(GC)和林地(LD)〕的地塊作為研究對象,并以耕地(YM)作為對照。分別設置3個20 m×20 m 的重復樣地,調(diào)查并記錄樣地基本信息(表1)。在2021年5—6月在各樣地沿“S”曲線隨機選取5個1 m×1 m 樣方,去除表面枯落物,按0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm 分層取原狀土和擾動土各1 kg。原狀土帶回實驗室后將土塊沿自然縫隙掰成直徑約為10 mm 小土塊后風干,用于土壤團聚體性質(zhì)測定;擾動土風干研磨過篩后用于土壤理化性質(zhì)的測定。

表1 研究樣地基本信息Table 1 Basic information of the study sample sites

1.3 土壤指標測定方法

(1)土壤機械穩(wěn)定性團聚體測定:稱取100.0 g風干土樣,置于孔徑為5,2,1,0.5,0.25 mm 的套篩上,利用電動篩分儀震蕩5 min計算各粒級團聚體的質(zhì)量百分比,每份土樣3個重復。

(2)土壤水穩(wěn)性團聚體測定:將干篩法測定各粒徑團聚體按比例配置50 g土樣,放入土壤團粒分析儀,調(diào)整套篩水面高度,使土樣充分濕潤,5 min后啟動土壤團粒分析儀(XDB0601 型),以30 次/min 的頻率、3 cm 振幅上下振動30 min。用清水將各粒級篩中的團聚體洗入鋁盒中,在65℃下烘干至恒重,計算得到各粒級水穩(wěn)性團聚體含量。

(3)土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)測定方法[16]:有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定;土壤全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測定;全磷(TP)采用鉬銻抗比色法;全鉀(TK)采用熔融-火焰光度計法測定,土壤機械組成采用鮑氏比重計法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

為探究兩種土壤類型退耕地不同植被恢復階段對土壤團聚體穩(wěn)定性特征的影響,本文選取土壤團聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和團聚體結(jié)構(gòu)破壞率(PAD)作為評價指標,其計算公式如下。

(1)平均重量直徑(MWD,mm)、幾何平均直徑(GMD,mm)計算公式為[17-18]:

式中:Mi為第i粒級中的土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)(%);Xi為相鄰兩粒級團聚體的平均粒徑(mm)。

(2)土壤團聚體破壞率(PAD,%)計算公式為:

式中:R＞0.25為＞0.25 mm 機械團聚體含量(%);WR＞0.25為＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量(%)。

原始數(shù)據(jù)利用Excel軟件進行整理,SPSS 20軟件的Pearson相關(guān)系數(shù)法進行相關(guān)性分析,One way ANOVN和Duncan法對數(shù)據(jù)進行差異性分析,Origin 2018軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復階段退耕地土壤基本理化性質(zhì)

由表2可知,在黃壤發(fā)育區(qū),砂粒、粉粒含量均隨植被恢復程度加深而增加,黏粒則相反;砂粒含量隨土層加深而降低,而粉粒、黏粒含量增加?？傮w而言,YM 的TN 和TP最高,SOM 和TK 含量高于CD 而低于GC 和LD。退耕后不同恢復階段土壤表現(xiàn)為SOM,TN 和TK 隨恢復程度加深先減小后增加;各養(yǎng)分指標均表現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的趨勢。

表2 黃壤不同恢復階段土壤理化指標Table 2 Physicochemical indicators of soils in different recovery stages of loess

在石灰土發(fā)育區(qū)(表3),砂粒含量隨植被恢復程度加深而增加,黏粒則降低;其中,LD 砂粒含量最高,而YM 黏粒含量最高。各土層YM 的TP 均最高,而TK 最低;SOM 和TN 僅略高于CD。退耕后,SOM,TN 和TP 隨植物恢復程度加深先減小后增加,而TK 隨植物恢復程度加深逐漸增加;各養(yǎng)分指標均隨土層加深而降低。

表3 石灰土不同恢復階段土壤理化指標Table 3 Physicochemical indicators of soils in different restoration stages of lime soils

綜合可知,黃壤和石灰土各植被恢復階段土壤機械組成均以黏粒為主,且黃壤黏粒含量高于石灰土,砂粒則相反。石灰土不同植被恢復階段的各養(yǎng)分含量整體均高于黃壤同種植被類型下的含量,黃壤和石灰土各養(yǎng)分含量均在表層最高,隨土層深度的增加而逐漸降低。

2.2 不同恢復階段退耕地土壤團聚體特征

由圖1可知,在黃壤發(fā)育區(qū),土壤機械團聚體以＞1 mm 團聚體為主,其平均占比為82.45%;＜0.25 mm團聚體占比最小,均值為2.99%,各粒徑團聚體含量隨粒徑減小而降低。5～2 mm 團聚體含量隨土層加深而增加,同土層各恢復階段退耕地的不同粒徑團聚體占比無顯著差異。濕篩后,團聚體以＞5 mm 和5～2 mm為主,其平均占比分別為24.49%和29.04%;0.5～0.25 mm 團聚體含量最低,平均占比為5.72%。水穩(wěn)性團聚體含量隨粒徑減小表現(xiàn)為先降低后增加,＞1 mm 團聚體相較于同粒級機械團聚體占比減少。＜0.25 mm 團聚體含量YM 最高,其他粒級YM 和不同恢復階段退耕地間無顯著差異。

圖1 兩種土壤不同恢復階段土壤團聚體組成特征Fig.1 Composition characteristics of soil aggregates at different restoration stages for two soils

與黃壤類似,石灰土發(fā)育區(qū)土壤機械團聚體也以＞1 mm 團聚體為主,平均占比為84.01%;＜0.25 mm 團聚體占比最小,均值為1.97%,各粒級團聚體含量隨粒徑減小而降低。2～1 mm 和1～0.5 mm 團聚體隨土層加深而增加,＞1 mm 團聚體在YM 中最高,而＜0.5 mm 團聚體在YM 中最低。濕篩后,團聚體以＞5 mm(27.55%)和5～2 mm(27.06%)為主,0.5～0.25 mm 團聚體最少,平均占比為5.34%。水穩(wěn)性團聚體含量隨粒徑減小先降低后增加,＞1 mm團聚體相較于同粒級機械團聚體占比減少,＜1 mm 團聚體占比則增加。各土層＞5 mm 團聚體在YM 中最低,而＜0.25 mm 團聚體在YM 最高。

總體上,黃壤和石灰土耕地和各恢復階段退耕地土壤機械團聚體以＞1 mm 團聚體為主,各粒級團聚體含量隨粒徑減小而降低;濕篩后＞1 mm 團聚體相較于同粒級機械團聚體占比減少,且＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量黃壤整體上要高于石灰土。兩種土壤條件下,＞0.25 mm 機械團聚體含量均為YM 最高,而＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量則表現(xiàn)為YM 最低,由此可見退耕后土壤抵抗水蝕的能力有所增加。

2.3 不同恢復階段退耕地土壤團聚體穩(wěn)定性

由圖2可知,在黃壤發(fā)育區(qū),土壤水穩(wěn)性團聚體MWD 均值變化范圍為2.30～3.09 mm,隨土層加深有減小的趨勢,YM 和各恢復階段退耕地間差異不明顯;GMD 均值變化范圍為1.56～2.27 mm,其變化趨勢與MWD相似。PAD變化范圍為2.11%～8.21%,其各層最高值均出現(xiàn)在YM 中,說明其穩(wěn)定性最差。在石灰土發(fā)育區(qū),水穩(wěn)性團聚體MWD 變化范圍為2.10～3.22 mm,退耕后各恢復階段各層MWD均高于YM,其中GC 和LD 有隨土層加深MWD增大的趨勢;GMD 變化范圍為1.34～2.37 mm,其變化趨勢與MWD 相似。PAD 變化范圍為3.44%～10.80%,各層均以YM 最高,說明其穩(wěn)定性最差;各恢復階段退耕地間無顯著差異,其穩(wěn)定性相當且均高于YM。

圖2 兩種土壤不同恢復階段退耕地土壤團聚體穩(wěn)定性特征Fig.2 Stability characteristics of soil aggregates in fallow land at different restoration stages for two soils

整體而言,兩種土壤類型下均表現(xiàn)為YM 的MWD 和GMD 最低而PAD 最高,說明其穩(wěn)定性最差。兩種土壤退耕后各恢復階段MWD 和GMD 無顯著差異,而石灰土各階段的PAD 整體上均高于黃壤,說明黃壤退耕地的團聚體穩(wěn)定性相對更好。

2.4 土壤團聚體穩(wěn)定性影響因素分析

由表4可知,在黃壤發(fā)育區(qū),MWD與SOM,TN 顯著正相關(guān),GMD與SOM 顯著正相關(guān),PAD與粉粒顯著正相關(guān)(p＜0.05)。在石灰土發(fā)育區(qū),MWD,GMD與砂粒、TK顯著正相關(guān)(p＜0.05),與TP呈極顯著負相關(guān),PAD與砂粒、TK 極顯著負相關(guān)(p＜0.01),與TP極顯著正相關(guān),與黏粒顯著正相關(guān)(p＜0.05),WR＞0.25與砂粒極顯著正相關(guān),與TP極顯著負相關(guān)(p＜0.01),與TK 顯著正相關(guān),與黏粒顯著負相關(guān)(p＜0.05)。

表4 土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性指標與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil water stability agglomerate stability indicators with soil physicochemical properties

根據(jù)多因素方差分析可知(表5和表6),土層深度、植被類型和土壤類型均對團聚體穩(wěn)定性指標影響的主體效應顯著(p＜0.05),從不同影響因素的交互作用對土壤團聚體穩(wěn)定性指標MWD 和GMD 的影響來看,土壤類型×植被類型、土壤類型×土層深度、植被類型×土層深度、土壤類型×植被類型×土層深度對MWD 和GMD 均有顯著影響(p＜0.05)。這說明土壤類型、植被類型和土層深度均為喀斯特區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性特征的主要因素。

表5 影響水穩(wěn)性團聚體MWD值變化的各因素主體間效應Table 5 Inter-subject effects of factors affecting the variation of MWD values of water-stable agglomerates

表6 影響水穩(wěn)性團聚體GMD值變化的各因素主體間效應Table 6 Inter-subject effects of various factors affecting the variation of GMD values of water-stable agglomerates

3 討論

3.1 土壤團聚體組成特征

土壤團聚體組成、分布以及穩(wěn)定性特征對形成良好的土壤結(jié)構(gòu)起重要作用,進而有利于土壤抵抗侵蝕和保持養(yǎng)分[18]。土壤團聚體組成和穩(wěn)定性特征是多種因素綜合作用的結(jié)果,其中植被類型和土壤理化性質(zhì)可以直接影響土壤團聚體特征[19]。本研究發(fā)現(xiàn),在黃壤區(qū)和石灰土區(qū),土壤機械團聚體均以＞1 mm團聚體為主,＜0.25 mm 粒徑團聚體分布最少,團聚體含量隨粒徑減小而降低,該結(jié)果與白怡婧[20]和俞月鳳[21]等對喀斯特地區(qū)所得黃壤和石灰土團聚體分布規(guī)律和組成的研究結(jié)果相似。其主要原因可能是黃壤具有很高的黏粒含量,易粘結(jié)形成黏團[22-23],加之黃壤p H 值呈弱酸性,可降低土壤負電荷物質(zhì)中的靜電排斥作用[24-25],提高鋁化合物、水合鐵以及黏土礦物等對有機質(zhì)的吸附能力,增強有機物質(zhì)和礦物的結(jié)合作用[26],從而增加黃壤大團聚體含量。而石灰土中有大量游離的鹽基粒子和有機質(zhì)形成的膠結(jié)物質(zhì),促進了大團聚體的形成導致的[27]。

在黃壤和石灰土發(fā)育區(qū),不同恢復階段退耕地＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量均高于YM,說明退耕可以促進土壤＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體的形成,增加其含量,該結(jié)果與董亞輝等[14]和林立文[15]研究結(jié)果相似。這主要是由于耕地退耕后,土壤植被覆蓋類型發(fā)生改變,土壤大氣環(huán)境、土壤輸入有機碳量和土壤微生物群落改變,以及缺少了耕作和人為活動的影響,改變了土壤理化性質(zhì),促進團聚體的聚集。

3.2 土壤團聚體穩(wěn)定性特征

土壤水穩(wěn)性團聚體MWD,GMD 和PAD 是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的主要指標,MWD 和GMD 值越大,PAD 值越小,土壤團聚體越穩(wěn)定,抗蝕能力越強[28]。本研究發(fā)現(xiàn),在黃壤發(fā)育區(qū),土壤水穩(wěn)性團聚體MWD變化范圍在2.30～3.09 mm,GMD 在1.56～2.27 mm,PAD 在2.11%～8.21%,隨土層加深MWD和GMD 表現(xiàn)為減小的趨勢,且表層土壤PAD值最低。石灰土發(fā)育區(qū)水穩(wěn)性團聚體MWD 變化范圍在2.10～3.22 mm,GMD 在1.34～2.37 mm,PAD在3.44%～10.80%,MWD,GMD 隨土層加深GC,LD 有逐漸增加的趨勢,PAD 變化趨勢與黃壤相似。兩種土壤類型的MWD,GMD 值均較大,PAD 較小,表明兩種土壤均有較好的穩(wěn)定性和抵抗侵蝕的能力。

不同土壤類型下退耕地植被恢復過程中土壤團聚體穩(wěn)定性存在差異,對比兩種土壤類型下土壤團聚體穩(wěn)定性指標發(fā)現(xiàn),兩種土壤退耕后各恢復階段MWD 和GMD無顯著差異,而石灰土各階段PAD整體上均高于黃壤,說明黃壤退耕地的團聚體穩(wěn)定性相對更好。這可能是因為石灰土發(fā)育區(qū)母質(zhì)改變了土壤游離的鹽基粒子量,黏粒含量較黃壤低,SOM 較高導致大孔隙較高,養(yǎng)分容易遷移到深層土壤導致的[29-30]。

對不同退耕恢復階段植被的土壤團聚體穩(wěn)定性指標進行分析得出,在黃壤和石灰土發(fā)育區(qū),退耕后各恢復階段MWD 和GMD 均高于YM,PAD 均低于YM,說明YM 穩(wěn)定性最差,退耕后植被恢復提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性。結(jié)果與前人相似[15],進一步確認了退耕后植物恢復各階段土壤團聚體相較耕地更穩(wěn)定的結(jié)論,可見在喀斯特區(qū)同氣候不同土壤類型上退耕措施依然可以提升土壤穩(wěn)定性。研究也有與前人不同之處,本研究得出3種恢復階段間土壤團聚體穩(wěn)定性不存在顯著差異,與王妙倩等[13]結(jié)果有所不同,這可能是地域差異導致的。

4 結(jié)論

(1)黃壤和石灰土發(fā)育區(qū)4種不同植被類型的土壤機械團聚體含量隨粒徑減小而降低,以＞1 mm團聚體為主,濕篩過后則是以＞5,5～2 mm 為主,團聚體含量隨粒徑減小表現(xiàn)為先降低后上升。

(2)兩種土壤類型4種不同植被類型水穩(wěn)性團聚體MWD,GMD 值均較大,PAD 值較小,WR＞0.25較大,說明黃壤和石灰土發(fā)育區(qū)土壤均有較高的穩(wěn)定性。黃壤退耕地的團聚體穩(wěn)定性相對于石灰土更好,耕地退耕后不同植被恢復階段土壤團聚體穩(wěn)定性均比耕地要好,退耕利于土壤大團聚體形成,提高了土壤的穩(wěn)定性。

(3)相關(guān)性分析得出,在黃壤發(fā)育區(qū),MWD 與SOM,TN 顯著相關(guān),GMD 與SOM 顯著正相關(guān),PAD 則是與粉粒顯著正相關(guān)(p＜0.05),與SOM 相關(guān)系數(shù)最高,SOM 對土壤團聚體穩(wěn)定性影響最大;在石灰土發(fā)育區(qū),MWD,GMD 與砂粒、TK 顯著正相關(guān)(p＜0.05),與TP 呈極顯著負相關(guān),PAD 與砂粒、TK 極顯著負相關(guān),與TP極顯著正相關(guān)(p＜0.01),與黏粒顯著正相關(guān)(p＜0.05)。多因素方差分析得出,植被類型、土層深度和土壤類型均是影響土壤團聚體穩(wěn)定性的重要因素。