不同植被帶生態恢復過程土壤團聚體及其穩定性
——以黃土高原為例

徐紅偉 ,吳 陽 ,喬磊磊 ,李袁澤 ,薛 萐 1,*,瞿 晴 (1.中國科學院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100；2.中國科學院大學,北京 10009；.西北農林科技大學資環學院,陜西 楊凌 712100；.西北農林科技大學水土保持研究所,陜西 楊凌 712100；.西北農林科技大學林學院,陜西 楊凌 712100)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元,也是有機質的載體,與土壤的結構和理化性質關系密切[1],其數量和大小分布直接影響著土壤質量[2],良好的土壤結構和穩定的團聚體對于提高土壤孔隙度、穩定性及改善土壤肥力具有重要作用[3].植被覆蓋可以減少濺蝕,有利于抵抗土壤侵蝕,進而增加土壤團聚體的穩定性[4].植被生長良好的關鍵取決于土壤團聚體的穩定性[5].一般把粒徑大于 0.25mm團聚體稱為大團聚體[6],相對其他粒徑的團聚體,其更能充分地體現土壤團聚體的穩定性,其含量的多少在一定程度上反映了土壤結構好壞、持水性、通透性的高低,其基本性質是決定土壤穩定性、抗侵蝕能力和土壤肥力的關鍵因素[7],其含量越高土壤質量越好[8].土壤有機質對土壤結構穩定性和土壤資源的可持續利用起著重要的作用[9].植被恢復是生態環境建設的有效措施,研究團聚體的穩定性是了解植被恢復效果與土壤質量好壞的有效途徑.

土壤團聚體穩定性除了與母質、有機質、氣候、微生物活動等內在理化性質有關外[10],還受植被帶、植被類型、恢復年限等外部因素的間接影響.相關研究表明,林地土壤團聚體穩定性顯著高于荒地或農地[11-14],也有研究認為天然草地土壤團聚體穩定性高于灌木林地[15];同時,研究認為隨植被恢復年限的增加土壤團聚體穩定性逐漸增加[16-18].從以上分析看出目前多數研究主要集中于土地利用方式和恢復年限對團聚體穩定性的影響,而在區域尺度上的研究相對較少.已有的對黃土高原森林帶和森林草原帶的研究區域尺度相對較小,在反映區域對土壤團聚體及其穩定性的影響上存在一定不足.因此,本研究選擇不同緯度的不同植被恢復類型和恢復年限的土壤為研究對象,分析了土壤團聚體及其穩定性的分異特征,并在此基礎上定量分析植被帶、恢復類型和恢復年限對上述因子的影響程度.研究旨在從區域尺度揭示黃土高原地區植被恢復對土壤團聚體穩定性能的影響機制,為黃土高原區域生態恢復可持續健康發展和土壤質量管理與評價提供數據支持和理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究按照黃土高原緯度梯度從北至南選擇草原帶(神木)、森林草原帶(綏德和安塞)和森林帶(宜川和淳化)3個植被帶的5個地區為研究區域(圖1),在每個植被帶根據野外調查情況選取不同恢復類型和年限的樣地,其中草原帶主要為不同年限的恢復草地,森林草原帶為不同恢復年限的撂荒草地、檸條和刺槐,森林帶為不同恢復年限的刺槐和撂荒草地.各研究區基本概況見表1.

1.2 土壤樣品的采集與分析

結合各研究區植被類型、地形特征和恢復年限等因素,在 3個研究區選取不同植被恢復類型下的樣點共計 43個(草原帶 8個、森林草原帶24個,森林帶11個),所選樣點盡量保證具有典型性、代表性和一致性(植物群落特征、土壤類型、地形、坡度、坡位、坡向等環境條件應盡量保證一致或相似),樣點基本情況見表2.每個樣點設置3個10m×10m的樣地,各樣地距離間隔10m以上,在每個樣地用土鉆按隨機點取樣法采集0～20cm土層土壤樣品 10鉆,充分混勻,用于測定土壤理化性質.每個樣地用鋁盒多點采集 0～20cm 深度原狀土樣,在野外將 3個樣地的原狀土按照各三分之一混合為一個原狀土密封帶回實驗室,然后沿土壤自然結構面輕輕掰開直徑約 1cm的小團塊,自然風干后去除枯枝落葉和石塊,用于測定土壤團聚體等指標.

圖1 樣點地理位置示意Fig.1 Geographic location map of sample points

表1 研究區基本概況Table 1 Basic introduction of the experimental areas

表2 樣點基本情況表Table 2 Basic information of sample plots

機械穩定性團聚體測定用干篩法[20],水穩性團聚體的測定采用濕篩法[20],有機質測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[21].

1.3 數據處理

為了全面準確的反映土壤團聚體分布及其穩定性特征,選取大于 0.25mm團聚體含量(WR0.25)、水穩性團聚體平均重量直徑(EWMD)、水穩性團聚體幾何平均直徑(EGMD)、分形系數(D)、團聚體結構破壞率(PAD)、有機質含量(SOM)和土壤可蝕性因子(K)作為分析指標.文中團聚體為樣點原狀土混合樣品測定的平均值,而化學性質指標為3個樣地樣品的平均值.

具體計算公式如下:

大于0.25mm團聚體含量WR0.25(%)[22]:

式中:Mr＞0.25為直徑大于 0.25mm 團聚體濕篩質量,g;MT為團聚體總質量,g.

水穩性團聚體的平均重量直徑EMWD(mm)[22]和水穩性團聚體的幾何平均直徑EGMD(mm)[23]:

式中:為第i級的團聚體平均直徑,mm;Wi為第i級的團聚體組分的干重,g.

分形維數D[24]:

式中: Xmax為最大團聚體的粒徑,mm;mi為粒徑小于Xi的團聚體總質量,kg;M為各粒級團聚體質量之和,kg.

防腐涂料：托架焊縫提高抗腐蝕能力，防銹底漆為特制環氧富鋅、中間漆為云鐵環氧、面漆為灰鋁粉石墨醇酸，其質量應符合TB/T 1527—2011《鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術條件》第5涂裝體系的相關規定[5]。

團聚體結構破壞率PAD(%)[25]:

土壤可蝕性因子K[26]:

采用Excel2013和SPSS21.0對數據進行初步整理和統計分析,Duncan法進行差異顯著性檢驗,顯著性水平0.05;采用 Origin 9.0 進行數據繪圖;冗余分析(RDA)應用CANOCO5.0進行.

2 結果與分析

2.1 植被帶對團聚體分布及穩定性的影響

不同植被帶對土壤團聚體分布及穩定性的影響有較顯著差異(P＜0.05)(圖 2).在草地恢復類型中,WR0.25、EMWD、EGMD和 SOM(圖 2A、B、C、G)在 3個植被帶均呈現出相同的變化趨勢,即森林帶＞森林草原帶＞草原帶,草原帶和森林草原帶與森林帶均達到顯著差異水平,而草原帶和森林草原帶差異不顯著;PAD(圖 2F)呈現出相反的變化趨勢,且森林帶與森林草原帶和草原帶差異顯著;D(圖 2D)和 K(圖 2E)在 3個植被帶差異不顯著.在喬木恢復類型中,除D(圖2D)、K(圖2E)和 PAD(圖 2F)外均表現為森林帶＞森林草原帶,且差異顯著; D(圖2D)和K(圖2E)在3個植被帶差異不顯著; PAD(圖 2F)均表現為森林草原帶＞森林帶,差異顯著.

圖2 不同植被帶土壤團聚體含量及穩定性指標變化Fig.2 Changes of soil aggregate content and stability index in different vegetation zones

圖3 不同緯度區域土壤團聚體及穩定性指標變化特征Fig.3 The stability of soil water-stable aggregates of different latitude in vegetation zones

通過對團聚體及穩定性指標和緯度進行擬合分析,表明除D以外其余各指標均與緯度有較強的相關性(圖 3),其中 WR0.25(圖 3A)、EMWD(圖3B)、EGMD(圖 3C)和 SOM(圖 3G)隨緯度變化均呈現為隨緯度增大逐漸降低的變化趨勢;D(圖3D)隨緯度增大無顯著變化; PAD(圖3F)和K(圖3E)隨緯度增大逐漸增加.

2.2 植被恢復類型對團聚體分布及穩定性的影響

不同植被類型對土壤團聚體分布及穩定性影響較小(表3),除在森林草原帶SOM表現為灌木＞喬木＞草地(其中灌木與草地差異達到顯著水平),在森林帶SOM表現為喬木顯著大于草地外,各指標在不同植被帶均未達到顯著水平.

2.3 植被恢復年限對團聚體分布及穩定性的影響

表3 不同植被恢復類型土壤團聚體及穩定性指標變化Table 3 Changes of soil aggregates and stability indexes in different vegetation restoration types

圖4 不同恢復年限土壤團聚體及穩定性指標變化特征Fig.4 Characteristics of soil aggregates and stability indexes of soil aggregates in different restoration ages

2.4 團聚體分布及其穩定性影響因子分析

通過對植被帶、植被恢復類型和恢復年限3個因素與WR0.25、EMWD、EGMD、D、K、PAD、SOM進行RDA分析,以分析各因素對各穩定性指標影響的程度.結果表明植被帶、植被恢復類型和恢復年限均與WR0.25、EMWD、EGMD、D、K、PAD和SOM存在相關關系(圖5).在3個影響因子中植被帶和恢復年限與WR0.25、EMWD、EGMD和SOM存在較強的正相關性,與K和PAD存在較強的負相關性,且植被帶箭頭長,表明植被帶對它們影響程度大于恢復年限.植被恢復類型與WR0.25、EMWD、EGMD、D和SOM相關性較弱,且與植被帶和恢復年限呈銳角,其對土壤團聚體分布與穩定性的作用受兩者的綜合影響.

圖5 植被帶、植被類型和年限與土壤穩定性因子的RDA排序Fig.5 RDA sort graph of vegetation zones, vegetation types and ages, and soil stability factors

3 討論

土壤團聚體結構對土壤質量產生重要的影響,其數量的多少決定了土壤蓄水保墑、儲存養分及穩定性等能力的高低[27].大于 0.25mm團聚體含量[28]、水穩性團聚體平均重量直徑[22]、水穩性團聚體幾何直徑[23]、分形維數[16]、土壤可蝕性因子[29]、團聚體結構破壞率[15]、土壤有機質含量[30]常作為反映土壤團聚體穩定性的重要指標.本研究中,RDA結果顯示植被帶是影響團聚體分布及其穩定性的重要因素,其中土壤團聚體穩定性總體呈現森林帶＞森林草原帶＞草原帶.這與前人關于黃土丘陵區土壤團聚體研究結果類似[18].首先,微生物對團聚體形成和團聚體的穩定性具有重要作用[31].由于水熱條件可以直接影響微生物活性[32],隨緯度增大,黃土高原地區降雨量和溫度逐漸降低[33],降低了微生物活性,減弱了土壤腐化作用和產糖能力[31],從而使團聚體凝結力減小,團聚體穩定性降低.其次,隨著緯度增加,植物生物量降低,歸還到土壤中的有機物來源減少[34],導致對團聚體的黏結作用降低[35];隨著水分和溫度的降低,有機物分解減弱[32],根系分泌物降低,減弱了土壤團聚體的形成.此外,土壤有機質含量是影響團聚體穩定性的內在因素[10],本研究結果表明緯度越大,有機質含量越低,進而降低土壤的團聚性.

本研究中植被恢復類型對土壤團聚體穩定性影響較小,這與已有研究認為植被恢復類型是土壤團聚體穩定性重要影響因素的結論不一致[11-12,14],導致結果不一致的原因主要是前人研究多關注同一恢復年限下不同植被類型團聚體穩定性研究;同時,相同的植被恢復類型下土壤團聚體穩定性受植被帶的影響較大[18],而本研究中涉及相同植被帶不同植被恢復類型下不同恢復年限,隨著恢復年限增加,各指標整體呈現顯著變化趨勢,這樣導致本研究中植被類型對土壤團聚體分布及其穩定性的影響不顯著.因此為了減弱年限在植被類型中的影響,本研究按照恢復年限對不同階段下的各恢復類型的土壤團聚體穩定性分別進行分析(圖 6),結果表明,在恢復年限＜10a時和＞10a時均表現出恢復類型對各指標具有顯著的影響,也印證了植被恢復類型是影響土壤團聚體穩定性的一個重要的因子.進一步分析發現在相同恢復年限,森林草原帶與森林帶的草地恢復和喬木恢復類型呈現相反的變化趨勢,而同一植被帶不同恢復年限下的各恢復類型也整體呈現相反的變化趨勢.表明植被帶、恢復類型和恢復年限都是影響土壤團聚體分布與穩定性的重要因子,而三個因子在不同情景下的作用機制與影響程度不同,存在一定的交互作用.

圖6 不同恢復年限對團聚體及穩定性指標的影響Fig.6 Effects of different ages on agglomerates and stability indexes

從前面的分析結果表明植被恢復年限對土壤團聚體穩定性有顯著影響,其穩定性隨植被恢復年限增加逐漸增強,這與 Wang等[36]和陳文媛等[37]研究結果一致.大量研究已經證實隨著植被恢復,植物生物量逐漸增加,歸還到土壤中的枯落物也顯著增加,促進了土壤有機質的增加[38-39].同時,隨著植被恢復,土壤微生物量和多樣性顯著增加,促進了枯落物和有機質的分解,增加了對土壤顆粒的粘結作用[40].此外植被恢復增加了根系生物量和根系分泌物,改善土壤結構[41],促進了土壤團聚體的形成與結構穩定.

4 結論

4.1 不同植被帶對土壤團聚體分布與穩定性影響顯著,整體表現為森林帶＞森林草原帶＞草原帶.

4.2 隨著植被恢復年限增加,各恢復類型土壤團聚體分布與穩定性整體呈現增加趨勢.

4.3 不同植被帶下,不同植被類型對土壤團聚體分布與穩定性的影響存在差異,森林草原帶表現為灌木＞草地＞喬木,森林帶則為喬木＞草地.

4.4 植被類型對土壤團聚體穩定性的影響作用要低于植被帶和恢復年限,但是與兩個因素具有較強的交互作用.

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