寧南黃土丘陵區(qū)撂荒地恢復(fù)過程中土壤水穩(wěn)性團聚體的變化特征

王月玲， 王思成， 馬 璠， 許 浩， 董立國， 蔡進軍， 韓新生

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，寧夏銀川 750002； 2.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室，寧夏銀川 750011)

撂荒地是指曾經(jīng)被耕種而現(xiàn)在不被繼續(xù)耕種以致荒蕪的土地[1]，耕地撂荒是耕地邊際化的極端表現(xiàn)。耕地出現(xiàn)嚴(yán)重撂荒的主要原因，一是城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展引起農(nóng)村人口的外遷和非農(nóng)化，導(dǎo)致山區(qū)農(nóng)業(yè)勞動力大量減少；二是農(nóng)資價格上漲、生態(tài)條件惡劣導(dǎo)致土地利用純收益下降；其中勞動力析出是撂荒的直接原因[2]。耕地撂荒不僅是對土地資源的一種浪費，也影響生態(tài)環(huán)境。撂荒地現(xiàn)象從20世紀(jì)下半葉開始，在全球范圍內(nèi)都有發(fā)生，特別在發(fā)達資本主義國家開始，直到現(xiàn)在，歐美等國家時有發(fā)生。我國耕地撂荒主要是從近20年開始的，而近年來愈演愈烈，所以也成為研究的熱點[3]。棄耕演替為進展演替可以為生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃提供指導(dǎo)，但要恢復(fù)為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)可能會經(jīng)歷很長一段時間[4]。黃土丘陵區(qū)是我國乃至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，水土流失、土壤退化等已成為困擾該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富的主要問題[5]。明確棄耕地撂荒后植被的自然演替是否引起土壤結(jié)構(gòu)的變化，以及這種變化是否增強土壤的抗蝕性能，對于評價耕地撂荒解決水土流失問題至關(guān)重要。

土壤團聚體的形成與動態(tài)變化及團聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容[6]。作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，土壤團聚體與土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)，其含量與粒級分布不僅影響作物生長發(fā)育，而且對土壤抗蝕性和土壤可持續(xù)利用等有重要影響[7]。具有良好團聚體結(jié)構(gòu)的土壤，不僅具有高度的空隙性和持水性，而且有良好的通透性，在植物生長期能夠很好地調(diào)節(jié)植物需要的水、肥、氣、熱諸因素[8]。近年來，國內(nèi)外對紫土、黑土等土壤條件下土地利用方式或不同肥力水平對土壤團聚體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性影響[9-16]研究較多，但對寧南黃土丘陵區(qū)不同年限撂荒地對土壤水穩(wěn)性團聚體影響的研究鮮有報道，急需加強研究。筆者以寧南黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)域，采用Yoder濕篩法[17]測定不同年限棄耕撂荒地土壤水穩(wěn)性團聚體，使用土壤團聚體MWD、GMD和分形維數(shù)D等指標(biāo)來分析和評價土壤水穩(wěn)性團聚體的結(jié)構(gòu)特征與穩(wěn)定性，以期為寧南黃土丘陵區(qū)的植被恢復(fù)和土壤質(zhì)量的改善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于彭陽縣東北13 km處的白陽鎮(zhèn)中莊村，該村總面積16.5 km2，耕地面積1 076 hm2，地貌類型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面傾斜度大，平均海拔在 1 600～1 700 m。年平均氣溫7.6 ℃，≥10 ℃的積溫2 200～2 750 ℃，境內(nèi)年蒸發(fā)量較大，干燥度為3.58，無霜期140～160 d。降雨是雨水資源量的決定因素，研究區(qū)多年平均年降水量475 mm，降水量集中且年內(nèi)分配不均，雨量集中月份常以暴雨形式出現(xiàn)，易發(fā)局地暴雨洪水。研究區(qū)土壤類型以普通黑壚土為典型土壤，土壤母質(zhì)為黃土及黃土狀物，pH值在8.0～8.5，土層深厚，土質(zhì)疏松。植被類型以草原植被為基礎(chǔ)，生長著長茅草(S.bungeanaTrin.)、角蒿(I.SinensisLam.)、星毛委陵菜(P.acaulisL.)等，其次還有中生和早中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山桃(P.davidianaFranch.)、沙棘(H.rhamnoidesL.)、山杏(Prunusarmeniaca)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取 2017年4月在野外全面踏查的基礎(chǔ)上，根據(jù)植物群落組成、結(jié)構(gòu)和對當(dāng)?shù)鼐用竦脑L問調(diào)查結(jié)果，在保證樣地黃土母質(zhì)相同的情況下，本試驗選取了無人為干擾或人為干擾相對較少且立地條件相似的不同撂荒年限樣地共5塊進行土壤水穩(wěn)性團聚體測定，撂荒年限分別為2、5、10、15、17年。樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本情況

1.2.2 土壤樣品的采集 2017年5月在各樣地內(nèi)隨機挖取2個深30 cm的剖面，按從上到下斜對角線方式用鋁盒和 100 cm3的環(huán)刀分別采取0～10 cm、>10～20 cm、>20～30 cm 的原狀土樣，每層取3個重復(fù)，帶回實驗室。鋁盒在通風(fēng)處自然風(fēng)干，環(huán)刀烘干測定土壤容重。

1.2.3 水穩(wěn)性團聚體的測試方法 本研究采用Yoder濕篩法對水穩(wěn)性團聚體含量進行測定。利用日本產(chǎn)DIK-2001型土壤團粒分析儀進行測試，1次可以分析4個樣品，套篩孔徑依次為2、1、0.5、0.25、0.106 mm。采集回來的土壤樣品自然風(fēng)干后進行測定，每組樣品測定的振蕩時間為30 min，振蕩結(jié)束后將留在篩子上的各級團聚體用清水沖入碗中，接著用濾紙過濾團聚體，然后把濾紙和土壤團聚體一起放入烘箱 55 ℃ 風(fēng)干，在空氣中平衡2 h，不同粒級團聚體的土樣分別稱質(zhì)量。

1.3 結(jié)果計算

(1)不同粒級水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量百分比

(1)

式中：Wi為某級水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；WWi為該級水穩(wěn)性團聚體的風(fēng)干質(zhì)量(g)；MT為水穩(wěn)性團聚體的風(fēng)干總質(zhì)量(g)。

(2)水穩(wěn)性大團聚體的質(zhì)量百分比

(2)

式中：W0.25為水穩(wěn)性大團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(>0.25 mm)；Mi>0.25為大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量(g)；MT為水穩(wěn)性團聚體的風(fēng)干總質(zhì)量(g)。

(3)水穩(wěn)性團聚體的土壤平均質(zhì)量直徑(MWD)

MWD=∑xiyi。

(3)

式中：xi為土壤粒級的平均直徑(mm)；yi為不同土壤粒級團聚體占總團聚體的比例。

(4)水穩(wěn)性團聚體的土壤幾何平均直徑(GMD)

(4)

式中：mi為土壤不同粒級團聚體的質(zhì)量(g)；lnxi為土壤粒級平均直徑的自然對數(shù)。

(5)水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)(D)

土壤團聚體的質(zhì)量分形維數(shù)(D)是基于假設(shè)不同粒級的土壤密度相同提出來的。公式如下：

(5)

兩邊取以10為底的對數(shù)：

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和作圖，用DPS 16.05和SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析和相關(guān)分析，不同參數(shù)之間多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團聚體的分布特征

在撂荒地的植被恢復(fù)過程中，隨著植被恢復(fù)年限的增長，土壤水穩(wěn)性團聚體含量也發(fā)生相應(yīng)的變化。從表2可以看出，水穩(wěn)性團聚體以<0.25 mm和>2 mm粒級為主，0～10 cm 土層各年限撂荒地<0.25 mm粒級水穩(wěn)性微團聚體含量平均值最高，為61.7%，>0.25 mm粒級水穩(wěn)性大團聚體含量為38.3%，>2 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量為21.44%，>1～2 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量最小，為4.32%。>10～20 cm土層各年限撂荒地<0.25 mm粒級水穩(wěn)性微團聚體含量平均值為75.47%，>0.25 mm粒級水穩(wěn)性大團聚體含量為24.53%，>2 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量為 13.02%，>1～2 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量最小，為 2.92%。>20～30 cm土層<0.25 mm粒級水穩(wěn)性微團聚體含量平均值為85.53%，>0.25 mm粒級水穩(wěn)性大團聚體含量為14.47%，>2 mm粒級的水穩(wěn)性團聚體含量最小，為1.09%。且0～30 cm土層不同年限撂荒地，基本呈現(xiàn)出隨著粒級減小，團聚體所占的質(zhì)量百分比逐漸增大。

不同土層的水穩(wěn)性團聚體含量隨著恢復(fù)年限增加存在一定的差異。2、5年的撂荒地的變化規(guī)律相同，10、15、17年撂荒地出現(xiàn)兩頭大、中間小的變化規(guī)律。在0～10 cm土層中不同年限撂荒地>2 mm水穩(wěn)性大團聚含量變化順序為17年>15年>10年>5年>2年，總體表現(xiàn)出>2 mm水穩(wěn)性大團聚含量隨著撂荒年限的延長而不斷增加，在2～10年前期撂荒演替中，各年限間差異不顯著，但與15、17年差異顯著。在>10～20 cm土層中不同年限撂荒地>2 mm水穩(wěn)性大團聚含量變化順序為17年>15年>2年>5年>10年，不同年限間差異不顯著。在20～30 cm土層中不同年限撂荒地>2 mm水穩(wěn)性大團聚含量變化順序為15年>2年>5年>17年>10年，不同年限間差異不顯著。<0.106 mm水穩(wěn)性團聚體含量在0～30土層中，隨著撂荒年限的延長呈先增加后降低趨勢，不同年限間差異顯著。

表2 不同撂荒年限地0～30 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體分布特征

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 土壤水穩(wěn)性大團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表3可以看出，>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體所占比例隨著撂荒年限的延長先降低后增加。撂荒初期2年的土壤水穩(wěn)性大團聚體含量較高，0～30 cm土層平均為33.22%，隨著撂荒年限的延長，5～10年撂荒地土壤水穩(wěn)性大團聚體含量開始下降，在10年處最低平均為10.20%，然后又開始增加，撂荒17年0～30 cm土層土壤水穩(wěn)性大團聚體含量達到最大，平均為34.72%。在0～10 cm土層，2、10、17年撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體所占比例差異顯著；在 10～20 cm土層，2、5、10年撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體所占比例差異顯著；在20～30 cm土層，2、5、10年撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體所占比例差異顯著。在0～30 cm土層，不同年限撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體所占比例隨著土層深度的加深而減少。

表3 不同撂荒年限0～30 cm土層>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體比例

注：同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和分形維數(shù)

從表4、表5可以看出，從團聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑來看，在0～30 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD的變化趨勢是相同的。在0～10 cm土層，撂荒2年團聚體MWD和GMD較小，隨著撂荒年限的延長，5～17年間總體呈現(xiàn)增加趨勢。在>10～20 cm土層，撂荒2年團聚體MWD和GMD較小，5年處略有增加，在10年處明顯下降，隨后在15～17年開始增加。在>20～30 cm土層，也是撂荒2年團聚體MWD和GMD較小，隨后5～17年變化不是很明顯。0～30 cm不同土層間，土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD隨著土層的加深呈減小趨勢，表明表土層0～10 cm土壤團聚體較下層>10～30 cm穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力較強。從表4、表5可以看出，在0～10 cm土層，2～5年與10～17年撂荒地團聚體MWD和GMD差異顯著，在>10～20 cm土層，10年與15～17年撂荒地團聚體MWD、GMD差異顯著，在>20～30 cm土層，各年限撂荒地團聚體MWD、GMD差異不顯著。

表4 土壤水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量直徑

注：同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著，表5、表6同。

土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越差。從表6可以看出，0～30 cm，2、5、10年撂荒地分形維數(shù)曲線比較接近，變化不是很明顯，15、17年撂荒地變化比較明顯。尤其在0～10 cm 土層，15、17年撂荒地土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)明顯下降，說明10年之后，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性開始變好。分析結(jié)果表明，表土層0～10 cm，2～10年與17年撂荒地土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)差異顯著，20～30 cm不同年限撂荒地土壤水穩(wěn)性團聚體差異不顯著。

表5 土壤水穩(wěn)性團聚體幾何平均直徑

表6 土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)

2.4 土壤容重、水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性

通過土壤容重(SBD)、水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)來評價土壤團聚體數(shù)量組成對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

從表7可以看出，在表土層0～10 cm，土壤容重與分形維數(shù)相關(guān)不顯著；土壤容重與土壤水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD和>2 mm大團聚體所占比例呈極顯著、顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.49、-0.44、-0.32；土壤容重與>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體所占比例呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為0.40。土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)與MWD、GMD、>2 mm呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.56、-0.66、-0.88；分形維數(shù)與>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm 和<0.106 mm呈顯著、極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.35、0.45、0.87；其中，<0.106 mm的相關(guān)系數(shù)為0.87，貢獻最大。土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD與 >2 mm 呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.92；與其他徑級呈極顯著負(fù)相關(guān)。分形維數(shù)與MWD、GMD的影響因子相反，>2 mm 的土壤水穩(wěn)性大團聚體越多，MWD和GMD的值越大，分形維數(shù)值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強，反之，則越差。MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.98

從表8可以看出，在土層>10～20 cm，土壤容重與分形維數(shù)相關(guān)不顯著；土壤容重與土壤水穩(wěn)性團聚體GMD和 >2 mm 大團聚體所占比例呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.32、0.29；土壤容重與>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm土壤水穩(wěn)性團聚體所占比例呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.51、-0.44、-0.41、-0.43。土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)與MWD、GMD、>2 mm 呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.75、-0.77、-0.90；分形維數(shù)與<0.106 mm呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.60。土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD與>2 mm呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.93。分形維數(shù)與MWD、GMD的影響因子相反，>2 mm的土壤水穩(wěn)性大團聚體越多，MWD和GMD的值越大，分形維數(shù)值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強，反之，則越差。MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99。

表7 0～10 cm土壤容重、水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性分析

注：**、*分別為0.01、0.05水平上顯著相關(guān)，表8、表9同。

表8 >10～20 cm土壤容重、水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性分析

從表9可以看出，在土層>20～30 cm，土壤容重與分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)；土壤容重與>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm、<0.106 mm土壤水穩(wěn)性團聚體所占比例呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)。土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)與MWD、GMD、>2 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm、<0.106 mm土壤水穩(wěn)性團聚體所占比例呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD與>2 mm、<0.106 mm呈極顯著正相關(guān)，其中，與>2 mm的相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.95，貢獻最大。分形維數(shù)D與MWD、GMD的影響因子相反，>0.5 mm的土壤水穩(wěn)性大團聚體越多，MWD和GMD的值越大，分形維數(shù)D值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強，反之則越差。MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99。

表9 >20～30 cm土壤容重、水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

通過以上分析，在寧南黃土丘陵區(qū)撂荒地植被恢復(fù)過程中，不同撂荒年限對土壤水穩(wěn)性團聚體含量有很大的影響。(1)不同年限撂荒地0～30 cm土層土壤的水穩(wěn)性團聚體分布以<0.25 mm、>2 mm粒級為主，0～10 cm、>10～20 cm、>20～30 cm土層各年限撂荒地>0.25 mm粒級水穩(wěn)性大團聚體含量分別為38.3%、24.53%、14.47%，且0～30 cm 土層不同年限撂荒地基本呈現(xiàn)出隨著粒級減小，團聚體所占的質(zhì)量百分比逐漸增大。(2)不同土層的水穩(wěn)性團聚體含量隨著恢復(fù)年限增加存在一定的差異。2、5年的撂荒地的變化規(guī)律相同，10、15、17年撂荒地出現(xiàn)兩頭大、中間小的變化規(guī)律。>2 mm水穩(wěn)性大團聚含量在0～10 cm土層中不同年限撂荒地變化順序為17年>15年>10年>5年>2年，總體表現(xiàn)出>2 mm水穩(wěn)性大團聚含量隨著撂荒年限的延長而不斷增加；>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體所占比例在 0～30 cm土層隨著撂荒年限的延長先降低后增加。(3)不同年限撂荒地 0～30 cm 土層，從土壤MWD、GMD和分形維數(shù)值來看，10年撂荒地土壤抗蝕能力較弱，從10年以后，隨著撂荒時間的延長，土壤抗侵蝕能力逐漸增強。(4)通過土壤容重與水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，粒級>2 mm的水穩(wěn)性團聚體對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有較大的影響。