滇東喀斯特山原紅壤退化過程中土壤剖面團聚體和有機質變異
2015-03-15 01:35:58王嘉學肖夢景劉保強余潔芳
水土保持通報 2015年4期
張 磊, 王嘉學, 肖夢景, 劉保強, 趙 茜, 余潔芳
(云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500)
滇東喀斯特山原紅壤退化過程中土壤剖面團聚體和有機質變異
張 磊, 王嘉學, 肖夢景, 劉保強, 趙 茜, 余潔芳
(云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500)
摘要：[目的] 揭示山原紅壤的退化機理及效應，為滇東高原的石漠化效應研究及水土保持工作的開展提供科學依據。 [方法] 以滇東山原紅壤典型發育地帶為研究對象，對山原紅壤退化過程中灌叢、草地、松林、紅裸土剖面的團聚體特征和有機質分布規律進行研究分析。 [結果] 山原紅壤退化過程中干篩法結果顯示以大團聚體為主，并隨著土層深度的增加而減少；濕篩法結果顯示以微團聚體含量最高，灌叢、草地、松林在剖面上整體呈現出與干篩大團聚體一致的規律，紅裸土呈現出：0—90 cm層(B層)>90—100 cm層(C層)。土壤的穩定性和有機質含量在退化過程中基本呈現出：灌叢>草地>松林>紅裸土；隨著土層深度的增加，灌叢、草地、松林土壤團聚體穩定性和物理性質逐漸劣化，有機質含量減少，紅裸土則呈現出相反的規律；與A層、B層相比，較深層次的C層團聚體穩定性和有機質含量差異顯著降低。 [結論] 有機質與平均重量直徑、幾何平均直徑、>2 mm粒級水穩性團聚體含量呈極顯著正相關，與分形維數呈極顯著負相關，增加有機質的含量應該是恢復和改良紅裸土結構的重要手段。
關鍵詞：山原紅壤; 剖面; 團聚體; 有機質
地表巖石—土壤—生物—水—大氣相互作用帶被稱之為地球關鍵帶，土壤—植被界面是控制物質循環和生態系統演化以及人類生存環境改變的重要界面，是認識生態系統演化規律及其實質的理論基礎[1-2]。山原紅壤是云貴高原主要的土壤類型之一，分布面積約2.97×104km2，主要分布于滇東高原，目前多認為是在第三紀末期以來，早期高溫高濕條件下經脫硅富鋁化形成的大面積深厚高富鋁紅色風化殼，伴隨著新構造運動大面積間歇性均衡抬升隆起后發育形成的[3]。該區廣布喀斯特地貌，水熱條件較好，地勢平緩，土體深厚，適宜多種林木、牧草和農作物生長。近年來，山原紅壤退化嚴重，局部地段已多年裸露，呈現出一種與石漠化相伴生的特殊“土漠化”景觀——紅裸土。土壤退化指在自然因素和人為因素下導致土壤的農業生產能力或者土地利用和環境調控潛力以及其可持續下降甚至完全喪失的物理、化學、生物學過程，不僅地表植物群落結構與組成發生了變化，土壤的養分狀況和物理性質也會隨之變化[4-5]。認識山原紅壤退化的機理、過程及效應，既是云貴高原關鍵地段關鍵帶研究的重要科學問題，也是解決云貴高原山地水土流失和石漠化生態系統修復的關鍵。土壤在物理性質方面的退化主要表現為土壤結構的退化，團聚體作為土壤結構的基本單元，是決定土壤侵蝕、壓實、板結等物理過程速度和幅度的關鍵指標，影響著土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蝕性[6-7]，本研究選擇滇東喀斯特山原紅壤區未受人為耕作影響的4種不同覆被條件下土壤剖面團聚體和有機質進行分析，以更客觀地揭示山原紅壤退化中團聚體和有機質在剖面的自然變化規律，為滇東高原的石漠化效應及水土保持工作提供科學依據。
1研究區概況
云貴高原喀斯特山原紅壤區地形復雜、景觀破碎，耕作土受人為活動的影響較大，同一區域同一坡面不同覆被條件的自然土壤樣品能更好地揭示山原紅壤退化中的表層團聚體變化規律，但山原紅壤區同一坡面同時包含林地、灌叢、草地和裸地的地方并不多見。經過野外考察和室內遙感資料分析，在遴選的14個坡面綜合分析基礎上，選擇云南省富源縣海田后山西南向坡面作為研究樣區。樣區位于小江斷裂東側的烏蒙山脈中段的準高原面上，均為山原紅壤，下伏二疊紀淺海相灰巖，同時具有云南松林、火棘灌叢、草地(主要為扁茅)和裸地(“紅裸土”)4種覆被條件，基本情況詳見表1。
該區屬低緯高原季風氣候，夏半年受西南季風和東南季風控制，溫暖濕潤，冬半年受熱帶大陸氣團控制，干燥少雨[8]。年降水量在1 000～1 500mm之間，近30 a平均降雨為1 084 mm，90%的降水集中在4—11月，極端最高溫33 ℃，年平均氣溫14 ℃左右，年日照時數在1 328～1 800 h，pH值在5.26～7.50之間，屬于酸性土和中性土。山頂部位及部分坡面石漠化嚴重，云南松林、火棘灌叢、扁茅及紅裸土斑塊呈面積不大的散塊狀與裸巖相伴。坡麓及坡面局部為低產坡耕地，部分已撂荒。
表1 樣地基本情況
2材料與方法
2.1 樣品的采集
2013年9月在研究地選取松林、灌叢、草地、紅裸土4種不同覆被條件下的山原紅壤進行剖面采樣，考慮其下伏基巖均為二疊紀灰巖，坡度、坡向和海拔等環境條件大體相似，使用GPS定位，在不同的覆被條件下選取代表性地段，設置3個(1 m×1 m)樣方，用陶瓷工具(避免對測定微量元素的影響)每層10 cm，按照土壤發生層次采集剖面土壤樣品(紅裸土缺失A層)，將同種類型樣方同一層土壤樣品進行混合，總重量控制在1.5 kg左右，以備實驗室對土壤團聚體的測定(數據為重復3次平均值)。在采集和運輸過程中盡量減少對土壤樣品的擾動，以免破壞土壤團聚體。
2.2 土壤性質的測定
(1) 團聚體的測定。將采集的原裝土帶回實驗室后，沿著土壤自然結構掰成直徑約1 cm的小土塊，除去植物殘體、小石塊以及動物遺體，自然風干后，采用沙維諾夫干篩和濕篩法[9]測定>5 mm，5~2 mm，2~1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm，<0.25 mm 土壤粒級含量。干篩法：取100 g風干土樣置于套篩(孔徑依次為5，2，1，0.5和0.25 mm)頂部，以30次/min手工上下震蕩5 min，測定各孔徑篩子上團聚體重量。濕篩法：將50 g風干土樣置于1 L量筒中，沿量筒邊緣緩慢加去離子水至飽和，然后將飽和土樣轉移至放置于水桶中的套篩(孔徑依次為5，2，1，0.5和0.25 mm)頂部，利用震蕩儀以30次/min 上下震蕩5 min，將各級孔徑篩子上土樣置于鋁盒烘干(105 ℃)稱重，并據此計算平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、分形維數(FD)。
(1)
(2)
式中:GMD——指幾何平均直徑； lnxi——指土壤粒級平均直徑的自然對數。
(3)
(2) 有機質分析。采用室內水合熱—光電比色法測定。
3結果與分析
3.1 土壤團聚體粒級組成
試樣團聚體組成分析結果表明(表2)，干篩處理時>0.25 mm粒級的團聚體平均含量為(84.09±9.06)%，在剖面上整體呈現出隨著深度增加逐漸增大的規律。其中>5 mm粒級的團聚體平均含量為(21.65±12.54)%，5～2 mm粒級的團聚體平均含量為(25.75±7.36)%，2～1 mm粒級的團聚體平均含量為(15.01±3.89)%，1～0.5 mm粒級的團聚體平均含量為(20.68±6.62)%(n=11)，0.5～0.25 mm粒級的團聚體平均含量為(1.00±0.46)%，<0.25 mm粒級的團聚體平均含量為(15.91±9.06)%。
表2 試樣土壤團聚體的組成
注：a為干篩法[9]，b為濕篩法[9]； 樣本數n=11。
用濕篩法測得的土壤團聚體含量表現出較大的差異(表2)，濕篩>0.25 mm粒級的團聚體平均含量為(51.56±10.43)%，其中>5 mm粒級的團聚體平均含量為(3.47±4.47)%，5～2 mm粒級的團聚體平均含量為(12.22±4.69)%，2～1 mm粒級的團聚體平均含量為(11.73±2.54)%，1～0.5 mm粒級的團聚體平均含量為(22.83±4.92)%，0.5～0.25 mm粒級的團聚體平均含量為(1.31±0.39)%；<0.25 mm粒級的團聚體平均含量為(48.44±10.43)%。灌叢、草地、松林在剖面上整體呈現出與干篩>0.25 mm粒級的團聚體含量一致的規律，紅裸土呈現出：B層>C層。
山原紅壤的風干團聚體和濕篩團聚體組成表明，風干團聚體以大團聚體含量為主，穩定性較好；經過濕篩后，>5 mm，5~2 mm粒級團聚體含量分別減少了84%，53%左右，<0.25 mm粒級團聚體含量增加了204%，濕篩團聚體以微團聚體含量為主，表明經過濕篩后大粒級團聚體更易破碎；風干團聚體和濕篩團聚體在各粒級分布不均勻，均以0.5~0.25 mm粒級含量含量最少。總體上，干篩大團聚體數量遠多于濕篩大團聚體含量，這主要是由于風干團聚體中包括水穩性與非水穩性團聚體，而濕篩過程中非水穩性大粒級團聚體發生破碎分解為小粒級團聚體，因此，水穩性團聚體粒級分布更能反映山原紅壤剖面團聚體的特征。
3.2 土壤水穩性團聚體特征
平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)可以反映土壤團聚體粒級大小分布狀況，其值越大表示團聚體的平均粒級團聚度越高，穩定性越好[10]。研究區不同覆被下土壤MWD的平均值在0.66~1.26 mm之間(圖1)，呈現出：草地>灌叢>松林>紅裸土，其中灌叢、草地、松林的差異不顯著，而紅裸土的值顯著減少，僅為0.66 mm，表明山原紅壤的退化使得土壤團聚體穩定性變差，其中又以紅裸土的整體穩定性最差。MWD在松林、灌叢、草地剖面上呈映出：A層>B層>C層，而在紅裸土剖面上呈映出：C層>B層，這是由于植被被破壞，導致紅裸土的B層抗蝕能力減弱。MWD在A層呈現出草地>松林>灌叢的規律，在B層呈現出：灌叢>草地>松林>紅裸土，在C層呈現出：松林>草地>灌叢>紅裸土的規律。
圖1 研究區土壤退化過程中不同覆被土壤水穩性團聚體特征
GMD的平均值在0.44~0.73 mm之間(圖1)，在不同覆被下呈現出與MWD一致的規律，其中灌叢、草地、松林之間差異不顯著，紅裸土的值顯著變小；GMD和MWD在不同覆被剖面上反映出一致的規律；GMD在A層和B層呈現出與MWD一致的規律，在C層呈現出：松林>灌叢>草地>紅裸土的規律。
土壤團聚體分形維數(FD)用于表征團聚體的穩定性以及物理性質的優劣，其值越小，結構穩定性、物理性質越好，反之越差[11]。山原紅壤退化過程中的土壤剖面團聚體分形維數(FD)平均值在2.71~2.88之間(圖1)，呈現出：紅裸土>松林>灌叢>草地的規律，其中，草地、灌叢、松林差異不顯著，而紅裸土的FD顯著增大，說明與松林、灌叢、草地相比，紅裸土的結構穩定性和物理性質劣化。松林、灌叢、草地的土壤團聚體分形維數(FD)和MWD，GMD在剖面上表現出的規律相反，說明隨著土壤深度的增加，土壤的物理性質和結構穩定性越差；紅裸土的剖面上則表現出：B層>C層的規律。
綜上分析可知，土壤的團聚體的穩定性在退化過程中基本呈現出：灌叢>草地>松林>紅裸土的規律，灌叢、草地、松林之間穩定性差異不顯著，紅裸土的穩定性最差，抗蝕能力弱，易崩解。土壤的穩定性在灌叢、草地、松林剖面上呈現出：A層>B層>C層的規律，紅裸土呈現出：C層>B層的規律。表明紅裸土的形成和山原紅壤退化過程中A層植被破壞，導致土壤的穩定性和物理性質劣化有直接的關系。
3.3 有機質含量的變異
由圖2可知，山原紅壤退化過程中土壤剖面平均有機質含量表現為：灌叢>草地>松林>裸地。灌叢、草地、松林在剖面上均呈現出：A層>B層>C層，隨著深度的增加有機質含量減少，紅裸土呈現出：B層
3.4 土壤水穩性團聚體各粒級含量及其各參數之間相關性
利用相關分析評價土壤水穩性團聚體各粒級含
量及其各參數之間的關系(表3)。MWD和GMD之間的相關系數達到0.99，周虎等[13]對不同層位不同耕作方式土壤團聚體的研究和董莉麗等[14]對不同土地利用類型下土壤水穩性團聚體MWD和GMD之間的相關系數均達到0.95。土壤有機質含量與MWD，GMD 呈極顯著正相關，與FD呈極顯著負相關，表明有機質對團聚體的數量和穩定性具有促進作用，這與前人的研究結果基本一致[15-18]。>5 mm，5~2 mm粒級與MWD，GMD呈極顯著正相關，表明土壤水穩性團聚體中>2 mm粒級越多，土壤團聚體結構越穩定。FD與>5 mm，5~2 mm，2~1 mm粒級呈極顯著負相關，相關系數分別達到-0.90，-0.89和-0.64，說明>1 mm粒級團聚體含量越多，團聚體分形維數越小，土壤穩定性和物理性質越優；與0.5~0.25 mm粒級呈顯著負相關，與<0.25 mm粒級呈極顯著負相關，相關系數分別為0.65和0.95，說明土壤團聚體分形維數與較大粒級團聚體含量呈負相關，與較小粒級團聚體呈正相關，表明分形維數能反映土壤退化過程中土壤的剖面團聚體特征，這與張保華等[19]、董莉麗等[14]的研究結果一致。FD與MWD，GMD，SOM之間的相關系數分別為-0.99，-0.99和-0.87，均達到極顯著水平。
圖2 土壤剖面有機質含量
指標 MWDGMDFDSOM>5mm5~2mm2~1mm1~0.5mm0.5~0.25mm<0.25mmMWD1.00GMD 0.99**1.00FD~0.99**~0.99**1.00SOM 0.89** 0.86**~0.87**1.00>5mm 0.92** 0.92**~0.90** 0.84**1.005~2mm 0.89** 0.87**~0.89** 0.78**0.66*1.002~1mm0.64* 0.73**~0.64* 0.400.37 0.81** 1.001~0.5mm~0.02 0.06~0.05 ~0.01 ~0.07 ~0.11 ~0.251.000.5~0.25mm~0.66* ~0.65* 0.65*~0.51* ~0.54 ~0.71* ~0.60*0.241.00<0.25mm~0.92**~0.94** 0.95**~0.78**~0.76* ~0.85** ~0.63**~0.34 0.55*1.00
注:*表示在p<0.05水平顯著相關，**表示在p<0.01水平極顯著相關。MWD為平均重量直徑，GMD為幾何平均直徑，FD為分形維數，SOM為有機質含量。
4結 論
(1) 山原紅壤的團聚體組成分析表明，風干團聚體以大團聚體含量為主，穩定性較好；經過濕篩后，團聚體以微團聚體含量最高。風干團聚體和濕篩團聚體在各粒級分布不均勻，均以0.5~0.25 mm粒級含量最少，水穩性團聚體粒級分布可更好地反映山原紅壤團聚體特征。
(2) 水穩定團聚體MWD 的平均值在0.66~1.26 mm之間，GMD的平均值在0.44~0.73 mm之間，FD的平均值在2.71~2.88之間，土壤的穩定性在不同的退化過程中基本呈現出：灌叢>草地>松林>紅裸土的規律，其中，灌叢、草地、松林在MWD，GMD均反映出：A層>B層>C層，在FD反映出：A層
(3) 有機質含量平均值在19.43~34.78 g/kg之間，灌叢、草地、松林呈現出：A層>B層>C層的規律，紅裸土呈現出：B層 (4) 有機質含量與MWD，GMD，>2 mm粒級團聚體含量呈極顯著正相關，與FD呈極顯著負相關，表明有機質對團聚體的穩定性具有促進作用，水穩性大團聚體的形成主要依靠有機質的膠結作用。因此，合理利用紅裸土這一尚存的土壤物質載體，采用地形改造、人工施肥、配植植被等措施提高紅裸土B層有機質含量，是山原紅壤退化區生態恢復的重要手段。 [參考文獻] [1]李小雁.干旱地區土壤—植被—水文耦合、響應與適應機制[J].中國科學(D輯):地球科學,2011,41(12):1721-1730. [2]劉叢強,郎赟超,李思亮,等.喀斯特生態系統生物地球化學過程與物質循環研究:重要性、現狀與趨勢[J].地學前緣,2009,16(6):1-12. [3]周樂福.云南土壤分布的特點及地帶性規律[J].山地學報,1983,1(4):31-38. [4]張磊,王嘉學,劉保強,等.喀斯特山原紅壤退化過程中表層團聚體變化規律[J].山地學報,2015,33(1):8-15. [5]王佩將,戴全厚,丁貴杰,等.喀斯特植被恢復過程中的土壤分形特征[J].水土保持學報,2012,26(4):178-183. [6]吳堯,姚健,吳永波.岷江上游典型植被下土壤分形特征及對水分入滲的影響[J].水土保持通報,2012,32(2):12-16. [7]趙世偉,蘇靜,楊永輝,等.寧南黃土丘陵區植被恢復對土壤團聚體穩定性的影響[J].水土保持研究,2005,12(3):27-29. [8]陳虎,王嘉學,胡燦燦,等.滇東喀斯特地區石漠化裸露紅土的表層有機質含量分析[J].中國巖溶,2012,31(4):423-425. [9]何淑勤,鄭子成,楊玉梅.茶園土壤團聚體分布特征及其對有機碳含量影響的研究[J].水土保持學報,2009,23(5):187-191. [10]王宇,韓興,趙蘭坡.黑土坡面土壤團聚體組成特征研究[J].水土保持通報,2010,30(5):88-90. [11]龔偉,胡庭興,王景燕.川南天然常綠闊葉林人工更新后土壤團粒結構的分形特征[J].植物生態學報,2007,31(1):56-65. [12]戴萬宏,黃耀,武麗,等.中國地帶性土壤有機質含量與酸堿度的關系[J].土壤學報,2009,46(5):851-860. [13]周虎,呂貽忠,楊志臣,等.保護性耕作對華北平原土壤團聚體特征的影響[J].中國農業科學,2007,40(9):1973-1979. [14]董莉麗.不同土地利用類型下土壤水穩性團聚體的特征[J].林業科學,2011,47(4):95-100. [15]李陽兵,謝德體.不同土地利用方式對巖溶山地土壤團粒結構的影響[J].水土保持學報,2001,15(4):122-125. [16]嚴寧珍,白仲才,徐衛紅,等.喀斯特山地土地利用方式對土壤團粒的影響:以重慶黔江為例[J].中國巖溶,2011,30(1):72-77. [17]杜立宇,李天來,梁成華,等.長期不同施肥處理對設施土壤團聚體組成及其穩定性的影響[J].水土保持通報,2012,32(1):38-42. [18]柴仲平,王雪梅,陳波浪,等.新疆典型小流域土壤水穩性團聚體分布特征研究[J].水土保持通報,2009,29(3):94-96. [19]張保華,劉子亭,何毓,蓉,等.應用分形維數研究土壤團聚體與低吸力段持水性的關系[J].土壤通報,2006,37(5):857-860. Variations of Aggregates and Organic Matter in Soil Profile During Degradation Process of Mountainous Red Soil in Karst Area of East Yunnan Province ZHANG Lei, WANG Jiaxue, XIAO Mengjing, LIU Baoqiang, ZHAO Qian, YU Jiefang (SchoolofTourismandGeographicalScience,YunnanNormalUniversity,Kunming,Yunnan650500,China) Abstract：[Objective] The mechanism and effects of red soil degradation were elucidated in order to provide scientific basis to soil and water conservation and rocky desertification effect of the east Yunnan Platean. [Methods] This study examined the mountainous red soil based on the analysis of soil profile aggregates associated with different vegetation types, as well as the distribution of organic matter. Particularly, soil samples were taken from area covered with pine, shrubland, grassland or unvegetated red soils respectively in the karst area of east Yunnan Province. [Results] The degraded soils were characterized by large aggregates after dry sieving, the contents of which generally decreased with depth. The highest content was micro-aggregates after wet sieving and samples from vegetation-covered area showed a similar trend as that with dry sieving, while the red bare soil showed the a trend of 0—90 cm (B layer)>90—100 cm (C layer). Degree of stability and content of organic matter displayed a trend of shrub lands>pineland>grassland>red bare soil during the degradation process. Soil aggregate stability and physical properties of soils from shrubland, pineland and grassland gradually decreased and soil organic matter(SOM) deteriorated with increase of depth. On the contrary, all the proxies of red bare soil showed an opposite trend. In contrast to A and B layers, the structural property became inferior, and the content of SOM of C layer decreased significantly. [Conclusion] There was a significant and positive correlation between the content of SOM and mean weight diameter, geometric mean diameter and >2 mm size aggregate content, but a significant negative correlation between SOM and fractal dimension. All these suggest the possible and viable way to improve the structural condition of red bare soil by increasing the content of SOM. Keywords:mountainous red soil; soil profile; aggregates; organic matter 文獻標識碼：A 文章編號：1000-288X(2015)04-0053-06 中圖分類號：S153.6， P642.25 通信作者：王嘉學(1972—),男(漢族),云南省富源縣人,博士,教授,主要從事景觀過程與控制研究。E-mail:wjxynsd@163.com。 收稿日期：2014-05-22修回日期：2014-06-25 資助項目：國家自然科學基金項目“滇東石漠化地區紅裸土景觀的形成研究”(41061021); 云南省科技計劃項目(2012CA024) 第一作者：張磊(1989—),男(漢族),陜西省商洛市人,碩士研究生,研究方向為區域環境與土壤修復。Email:646595296@qq.com。
