高 冉,趙勇鋼,劉小芳,栗文玉,杜雨佳,張星星
山西師范大學生命科學學院, 臨汾 041000
植被恢復是干旱半干旱地區生態環境建設的重要措施。自20世紀90年代黃土高原地區實施的退耕還林(草)工程,顯著增加了植被覆蓋率,促進了土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)積累,是控制區域水土流失和提升土壤質量的重要舉措[1]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元,其穩定性與土壤抗侵蝕、固碳效應、水文過程和土壤肥力等土壤功能的表達密切相關[2]。土壤團聚體穩定性除了與土壤母質、有機碳含量、微生物多樣性等內在理化性質有關外,還受植被類型、恢復年限、立地條件等外在因素的影響[3- 6]。許多研究已表明,由于植被恢復類型的不同,致使植物地上和地下生物量以及凋落物輸入及根系結構的差異,影響其土壤團聚體的形成過程和穩定性[7]。劉夢云等[8]研究表明,黃土臺塬區灌木林地的土壤團聚體穩定性顯著高于恢復草地或耕地。An等[9]發現植被恢復顯著提高>0.25 mm團聚體含量,且草地恢復7年后、人工造林實施3年后,團聚體穩定性將維持在較高的穩定狀態。程曼等[10]對寧南山區不同植被恢復措施和年限下土壤團聚體穩定性研究發現土壤團聚體穩定性在天然草地和25a檸條相對較大,15a檸條次之,坡耕地最小。這些研究表明了隨著植被恢復進程延續,土壤團聚體穩定性也會隨之改變。由于土壤團聚體形成及其穩定性具有較大的復雜性,其在不同植被恢復方式及時間演變下的變化規律仍需進一步的研究。
土壤團聚體穩定性也受坡位的影響。在坡面尺度上,土壤團聚體的形成除了受土壤剖面縱向上各種因子的影響外,也受降雨和徑流在坡面橫向上的影響[11]。降雨和徑流作用下的侵蝕-沉積過程會使土壤顆粒及物質元素沿坡面產生流動和分布,影響坡面土壤生境狀況[12]。如Gregorich和Anderson[13]發現土壤有機質含量從坡頂到坡腳逐漸增加,土層逐漸增厚。Zou等[14]對不同坡位的6種灌木林研究發現,大團聚體(>5 mm)和小團聚體(<0.25 mm)受坡位的影響最大,在下坡>5 mm占比較大,<0.25 mm在上坡通常更為普遍。從目前的研究來看,團聚體穩定性除了與植被因素密切相關外,與坡位也有重要關系,其在兩者耦合作用下的變化仍有進一步研究的必要[15]。
檸條(CaraganakorshinskiiKom.)是寧、陜、晉、甘等黃土高原地區的主要人工種植灌木樹種之一,在水土流失控制和脆弱生態系統功能恢復中發揮了重要作用[16]。檸條多以條帶狀種植,并結合如水平階、水平溝反坡臺、魚鱗坑等微地形改造措施進行,這使得地表起伏發生改變,水分與物質的連通性與分布在坡面具有較大空間差異性[17],并可能對坡面土壤團聚體穩定性產生重要影響。目前,有關坡面尺度上黃土丘陵區檸條種植年限與坡位對土壤團聚體穩定性影響的研究還較少。此外,土壤團聚體穩定性的測定結果與研究采用的方法有關[9,18- 19]。Le Bissonnais[20]提出了快速潤濕(fast wetting,FW)、慢潤濕潤(slow wetting,SW)和預濕后擾動(wet stirring,WS)3種處理的一種方法(簡稱LB法),可以區分消散作用、粘粒膨脹和機械打擊對團聚體破壞的不同機制,但應用該方法分析不同坡位土壤團聚體穩定性方面的研究還不多。因此,本研究以寧南黃土丘陵區人工檸條地為對象,運用LB法測定不同坡位和種植年限下團聚體穩定性特征,并分析其影響因素,以期為揭示黃土高原植被恢復改善土壤結構的作用機制提供一定的科學依據。
研究區位于寧夏回族自治區固原市原州區河川鄉上黃村的中科院水利部水土保持研究所固原生態試驗站(106°26′—106°30′E,35°59′—36°03′N),屬半干旱溫帶季風氣候,年平均氣溫為6.9 ℃,干燥度1.55—2.00,海拔高度1534—1822 m,多年平均降水量為419.1 mm,降水主要集中在7—9月。研究區屬黃土高原梁狀丘陵區,土壤類型以黃土母質上發育的黃綿土為主。研究區水土流失嚴重,林草覆蓋度由初期(1982年)的1.9%上升到“十五”期間的51.7%,土壤侵蝕模數也由6000 t km-2a-1降到“十五”期間的1000 t km-2a-1[21]。植被類型為森林草原帶向典型草原帶過渡的灌叢草原類型。土地利用方式主要由灌木、草地和農田組成。灌木主要是自1984開始分批次種植的檸條。天然草本植物主要有長芒草(Stipabungeana)、大針茅(Stipagrandis)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、百里香(Thymusmongolicus)等。
選取檸條種植年限分別以15年(2004年種植)、25年(1994年種植)、35年(1984年種植)為樣地,以相鄰的荒草地為對照。荒草地撂荒時間大于40年,主要植被有鐵桿蒿、大針茅和長芒草等。各研究樣地基本概況見表1。在坡面從上至下分為上坡、中坡和下坡,上坡距離峁頂約20 m,中坡與上坡和下坡各相距約30—50 m。在每個坡位沿坡面10 m范圍內水平設置取樣條帶,設置3個10×10 m的樣方,作為重復,每個樣方間距約10 m。檸條為條帶種植,種植前有微地形水平階整地,種植檸條階面寬0.5—1 m,反坡約3°—5°,開挖最大深度為10—20 cm,相鄰檸條間為2—3 m長的荒草地自然坡面。
2018年8月進行采樣。每個樣方在水平溝內距檸條莖干約30 cm處挖40 cm深的土壤剖面,分別采集0—10、10—20、20—30 cm和30—40 cm共4個土層的原狀土,裝入塑料盒帶回實驗室,去除植物根系等雜質按紋理掰成小塊,風干待測。同時,采取3個樣方各土層的混合樣,室內風干后分別過0.15 mm和2 mm篩,分別用于SOC和機械組成測定分析。
土壤團聚體分布和穩定性根據LB法[20]進行測定。該方法包括慢速濕潤、快速濕潤和預濕后擾動3種處理。本文在該方法基礎上有部分調整:篩取風干的3—5 mm團聚體,在烘箱中40 ℃烘干24 h,使土壤含水量恒定后分別進行3種處理。每種處理有3個重復。FW處理將土樣迅速浸入去離子水中,相反SW處理將土樣置于加入95%乙醇的海綿上進行濕潤;WS處理則是將土樣先浸入95%乙醇中,再轉到加去離子水的三角瓶中翻轉晃動。上述處理之后,吸去多余水分,使用乙醇將團聚體洗入預先放在乙醇溶液中的篩子(0.053 mm),再將篩子上的團聚體洗入小燒杯后烘48 h。之后,與LB法不同,本研究過2、0.25 mm和0.053 mm套篩,精確稱量后,計算得到>2(較大大團聚體,larger macro-aggregate)、2—0.25(較小大團聚體,smaller macro-aggregate)、0.25—0.053 mm(微團聚體,micro-aggregate)和<0.053 mm(粉粘粒級團聚體)粒徑團聚體質量分數,并據此進行團聚體穩定性指標計算。土壤團聚體穩定性分析指標選取平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)[22]、相對消散指數(relative slaking index,RSI)和相對機械破碎指數(relative mechanical breakdown index,RMI)[23],計算公式如下:
(1)
(2)
(3)
式中,ωi為第i級團聚體重量百分含量,xi為第i級的團聚體平均直徑(mm);分別用MWDSW、MWDFW和MWDWS表示慢速濕潤(SW)、快速濕潤(FW)和預濕后擾動(WS)的計算結果。
土壤機械組成利用激光分散法(Mastersizer 2000,Malvern Instruments, Malvern, England)進行測定,SOC含量采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定[24]。

表1 樣地基本信息
CK:荒草地Natural grassland;N15:檸條種植15年15-year-oldCaraganakorshinskiiKom. shrubland;N25:檸條種植25年25-year-oldCaraganakorshinskiiKom. shrubland;N35:檸條種植35年35-year-oldCaraganakorshinskiiKom. shrubland
利用單因素方差分析(ANOVA)檢驗每種LB處理在不同樣地、坡位和深度土壤團聚體的粒級分布以及MWD、RSI和RMI的差異,并采用最小顯著性差異法(least significant difference,LSD)進行多重比較,顯著性水平為0.05。所有數據統計分析利用SPSS 17.0軟件(SPSS,Inc.,Chicago,IL,USA)完成。利用冗余分析(Redundancy analysis,RDA)分析土壤團聚體穩定性指標與影響因素之間的關系。RDA分析應用CANOCO 5.0軟件完成,其余采用Origin 9.0 軟件繪圖。
檸條種植年限和坡位對SOC含量及機械組成有顯著影響(P<0.05,表2)。SOC含量在上坡和中坡均在種植35年最高,但下坡荒草地則顯著高于檸條種植樣地(P<0.05)。有機碳和粘粉粒含量在同一年限不同坡位表現為坡下>坡上>坡中。隨檸條種植年限增加,上坡和中坡的粘粒和粉粒含量均呈增加趨勢,下坡則是先降低后增加,種植15年檸條地顯著低于其他樣地(P<0.05)。砂粒含量與粘粉粒含量呈相反變化規律。

表2 不同種植年限與坡位0—40 cm土層SOC和機械組成
A:種植年限Stand age;P:坡位Slope position;A×P:種植年限和坡位的交互作用Interaction effect of stand age and slope position;不同小寫字母表示同一坡位不同種植年限差異顯著(P<0.05);*P<0.05,***,P<0.01
種植年限、坡位和土層深度對3種處理下的各粒級土壤團聚體含量具有顯著影響,除了坡位對SW處理中的<0.053 mm和WS處理中的0.25—0.053 mm粒級無顯著影響(表3)。隨著土壤深度的增加,3種處理下>0.25 mm粒級團聚體含量均呈降低趨勢,種植年限對土壤深度的影響主要在0—20 cm(圖1)。SW處理下,0—40 cm土層的>2 mm團聚體含量占比最多,約為總土重的65.7%—92.5%,并且總體表現下坡高于上坡和中坡。在上坡和中坡>2 mm團聚體含量表現為隨種植年限增長而增加,在下坡則為先降低后增加。FW和WS處理下的各粒級團聚體含量隨種植年限的變化趨勢與SW處理相似。FW處理下,0—20 cm土層>0.25 mm粒級團聚體約占56.84%,且主要為>2 mm粒級,但在20—40 cm土層>0.25 mm粒級團聚體約為54.09%,且以2—0.25 mm粒級為主。WS處理下團聚體分布特征與FW處理相似,但WS處理在<0.25 mm粒級(尤其是<0.053 mm粒級)的團聚體含量要低于FW處理。
表3 不同Le Bissonnais處理下種植年限、坡位和土層團聚體分布和MWD的方差分析
Table 3 Variance analysis for the effects of stand age, slope position and soil depth on soil aggregate distribution and MWD under Le Bissonnais method

處理Treatment粒級等因子Factors種植年限(A)Stand age坡位(P)Slope position土層(D)Soil depthA×PA×DP×DA×P×DSW>2 mm9.40???11.94???27.80???4.00???0.730.620.572—0.25 mm4.98???14.89???38.66???10.29???0.921.771.150.25—0.053 mm16.28???12.69???22.90???4.54???1.861.271.79?<0.053 mm9.68???2.225.66???1.930.741.441.01FW>2 mm7.60???17.44???94.23???1.750.455.28???1.122—0.25 mm5.69???7.06???21.45???2.46?2.583.04???2.30???0.25—0.053 mm9.88???25.81???20.33???4.25???5.41???4.10???2.43???<0.053 mm24.76???4.68?24.81???2.83?11.14???4.95???5.61???WS>2 mm12.35???3.28?59.27???9.60???1.22.011.32—0.25 mm5.79???14.37???30.43???3.14???1.271.111.280.25—0.053 mm7.92???2.0636.87???6.45???2.68???3.40???3.03???<0.053 mm3.53?5.21???6.69???2.46?5.44???2.91?1.55穩定指標MWDSW10.88???11.09???25.62???3.27?0.740.750.6Stability indexMWDFW8.99???15.28???90.39???1.560.745.32???1.34MWDWS11.84???3.30?55.50???9.59???1.532.151.43RSI5.17???16.32???74.08???0.670.756.80???1.06RMI4.19???0.7623.79???4.53???1.271.330.90
A:種植年限Stand age;P:坡位Slope position;D:土層Soil depth;A×P:種植年限和坡位交互作用Interaction effect of stand age and slope position;A×D:種植年限和土層交互作用Interaction effect of stand age and soil depth;P×D:坡位和土層交互作用Interaction effect of slope position and soil depth;A×P×D:種植年限、坡位和土層交互作用Interaction effect of stand age、slope position and soil depth;SW:慢速濕潤Slow wetting;FW:快速濕潤Fast wetting;WS:預濕后擾動Wet stirring;MWD:平均重量直徑Mean weight diameter;RSI:相對消散指數Relative slaking index;RMI:相對機械破碎指數Relative mechanical breakdown index;*P<0.05,***P<0.01

圖1 Le Bissonnais方法三種處理下土壤水穩性團聚體分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates in the three treatments by Le Bissonnais methodCK:荒草地Natural grassland;N15:檸條種植15年15-year-old Caragana korshinskii Kom. shrubland;N25:檸條種植25年25-year-old Caragana korshinskii Kom. shrubland;N35:檸條種植35年35-year-old Caragana korshinskii Kom. Shrubland;SW:慢速濕潤Slow wetting;FW:快速濕潤Fast wetting;WS:預濕后擾動Wet stirring;0—10、10—20、20—30和30—40分別代表土層深度
種植年限、坡位和土層深度對3種處理下MWD值有顯著影響(表3,圖2)。MWDSW、MWDFW和MWDWS變化范圍分別為2.47—3.27、0.40—2.00 mm和0.98—2.46 mm。隨著種植年限的增加,3種處理MWD值在上坡和中坡表現出增加的趨勢,在下坡則是先降低后增加。并且同一種植年限不同坡位的MWD值,均表現為坡下>坡上>坡中。3種處理下同一樣地的MWD值均隨土層深度的增加而減小。MWDSW和MWDFW主要在0—20 cm土層有顯著差異,MWDWS則在上坡0—40 cm、中坡0—20 cm和下坡0—30 cm土層有顯著差異(P<0.05)。與30—40 cm土層相比,不同坡位0—10 cm土層的MWDSW、MWDFW和MWDWS分別增加了5.38%—25.94%、51.88%—380.91%和29.79%—137.33%。
RSI值總體呈坡下>坡上,并且隨土層深度增加而增大。種植年限僅對上坡10—20 cm和下坡0—10 cm土層RSI值有顯著影響(P<0.05,圖3)。隨著種植年限增加,RSI值先增大后降低,種植15年樣地有最大值(0.80)。RMI值總體為中坡>上坡>下坡,并且也隨土層深度增加而增大。不同種植年限樣地RMI值在坡上和坡下0—20 cm以及坡中0—10 cm土層存在顯著差異(P<0.05,圖3)。RMI值在下坡變化規律與RSI值一致,但上坡和中坡則隨種植年限增加逐漸下降,荒草地有最大值(0.60)。

圖2 Le Bissonnais三種處理方法下土壤的MWD值變化Fig.2 Changes of MWD values in the three treatments by Le Bissonnais method 誤差棒表示標準差,不同小寫字母表示同一坡位同一土層不同種植年限差異顯著(P<0.05)

圖3 Le Bissonnais處理下土壤的敏感性指標變化Fig.3 Changes of soil sensitivity index in the three treatments by Le Bissonnais method
通過對外在因素(檸條種植年限、坡位和土層)和土壤內在性質(有機碳、粘粒、粉粒和砂粒)7個因素分別與3種不同處理下的MWD、RSI和RMI進行冗余分析,以分析各因素對團聚體穩定性指標的影響程度(圖4)。種植年限、坡位、土層、有機碳和粘粉砂粒均與MWD、RSI和RMI值存在相關關系。3種處理下,內外因素對土壤團聚體穩定性的影響占土壤團聚體的變異值分別為56.06%(F=8.9,P=0.02)、60.01%(F=10.3,P=0.002)和57.98%(F=9.6,P=0.002)。其中在WS處理中,年限和粘粉粒對團聚體穩定指標的影響最大,分別解釋了30.4%和9.86%的變異,其次是SOC(8.69%),土層(2.75%),而坡位對其的解釋量僅是0.61%。RDA分析中種植年限和粘粉粒與MWD呈較強的正相關性,與RSI和RMI呈負相關,SOC的影響程度次之。坡位、土層和砂粒對RSI和RMI為正貢獻,但坡位的貢獻程度較小。

圖4 環境因子與土壤團聚體穩定性指標的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis among stability indexes of soil aggregates and environmental factors Soil depth:土層深度;Stand age:種植年限;Slope position:坡位;Clay:粘粒;Slit:粉粒;Sand:砂粒;SOC:土壤有機碳Soil organic carbon;MWD:平均重量直徑Mean weight diameter;RMI:相對機械破碎指數Relative slaking index;RSI:相對消散指數Relative mechanical breakdown index
本研究中RDA分析結果表明,檸條種植年限是影響土壤團聚體分布及穩定性的主要因素(圖4),并且>0.25 mm團聚體含量和MWD值總體均隨年限增加而升高(圖1、圖2),說明檸條種植年限的增加提高了土壤團聚體穩定性。安韶山和黃懿梅[25]對寧南區人工檸條林的研究也有類似的結果,他們發現種植檸條與耕地相比顯著增加了>0.25 mm水穩性團聚體和>0.01 mm微團粒含量。此外隨著檸條種植年限的增加,SOC和粘粉粒也有同樣增加的趨勢(表2),并且RDA分析表明SOC、粘粉粒與MWD相關性較強(圖4)。這說明檸條種植年限的增加有利于增加SOC和黏粒含量,促進土壤的團聚作用而形成較大粒徑團聚體,從而提高團聚體穩定性。一般認為,土壤團聚體的形成及穩定性主要依賴土壤中各膠結物質的數量和性質,其中SOC和黏粒是最主要的膠結物質[26]。SOC主要來源于植物地上凋落物和地下根系死亡分解后的輸入[27]。在研究區,與灌木林地土壤相比,表層荒草土壤的根系密度和周轉率較高[28],但檸條種植后,隨著年限的增加,其凋落物和根系死亡累積量要較荒草地更大,可能更有利于增加土壤中有機質的積累,從而提高土壤團聚體穩定性。此外,植被恢復過程可能通過增加土壤微生物量和多樣性、根系生物量和分泌物[29- 31]、細根與菌根真菌相互作用產生的滲出物和結合劑[32]等多方面促進土壤團聚體間的粘結作用,提高團聚體穩定性。Deng等[33]研究也發現,由于植物枯枝落葉等的投入,SOC和微生物活性增加,增加了土壤團聚體水穩定性。但這種影響會隨著土層深度的增加而降低,這與宋麗萍等[34]的研究基本一致。因為土壤團聚體的水穩性依賴于有機物質的膠結作用,植物根系和真菌菌絲的機械絆纏作用對水穩性大團聚體的形成與穩定極為重要[35],隨著土壤由表層過渡到下層,土壤有機質含量降低,導致其團聚體的水穩性亦隨之降低[36]。
坡地地形影響土壤的形成和發育,不同坡位的SOC、顆粒等條件和侵蝕過程不同,致使土壤屬性可能產生差異。Lal[12]研究發現坡面侵蝕使得細顆粒和有機碳含量損失,這改變了坡面尺度景觀的土壤質地,并導致坡底中較高的富集,周萍等[37]和劉世梁等[38]也有類似研究結果。從坡面尺度來看,本研究中荒草地(對照)和不同種植年限檸條地不同坡位的MWD值和大團聚體(>0.25 mm)、SOC和粘粉粒含量均表現為坡下>坡上>坡中(圖1,圖2,表2),說明坡位對土壤團聚體穩定性及其影響因素具有明顯影響。由于坡面的侵蝕-沉積作用,坡上和坡中為“侵蝕區”,侵蝕強度較大,因此土壤有機質、黏粉粒等易被沖刷淋溶,土壤團聚作用減弱;而下坡多為“沉積區”,具有相對較強的“匯”的功能,土壤物質元素在此減速、沉積,有利于土壤團聚體的形成[14]。
本研究也發現條帶性檸條種植其年限和坡位對土壤團聚體穩定性的影響具有耦合效應。與荒草地相比,種植檸條樣地的土壤團聚體穩定性在上中坡均較強且隨種植年限的增加而增強,但在下坡則呈現先降后增的轉折性變化(圖1和圖2)。冗余分析表明土壤團聚體穩定性與種植年限的相關性比坡位更強(圖4)。Garten和Ashwood[39]有類似的結果,對不同景觀地貌SOC固定的研究發現植被對其的影響要高于地形因子。檸條種植所形成的阻隔帶對整體坡面降雨分配和土壤侵蝕過程有分割攔截作用,會改變其原有徑流、土壤顆粒、易溶性物質等的傳輸路徑,從而影響土壤水分、養分等土壤性質在坡面的空間分布(尤其是對下坡的輸入影響較大)。而這些因素的差異又會影響檸條的生長和土壤有機碳的積累,從而間接影響土壤團聚體的形成和穩定性。一些研究表明檸條種植生長狀況在不同坡位下有所差異并對土壤團聚體穩定性產生影響[40]。王子婷等[41]對黃土區小流域不同坡位檸條林研究發現,下坡位土壤水分及養分條件良好,大株檸條的灌木高度和冠幅長度高于中上坡位。劉思禹等[42]對不同坡位檸條根系分布研究也表明均呈現坡位越低,根系分布越集中的趨勢,土壤結構越良好。這可能由于植被枯落物和根系及其分泌物不斷在土壤中積累,促進有機質轉化過程并為土壤微生物提供碳源[43],這一過程也更加促進水穩性團聚體的形成[44]。
本研究區屬干旱半干旱地區,降雨具有偏少且集中在夏秋之際的特征。LB法根據團聚體的崩解原因區分其不同機制,SW處理模擬的是小雨較平緩等實際條件下的狀況,FW處理模擬夏季暴雨條件下的消散作用,WS處理模擬機械擾動的破壞機制[20]。研究結果表明,SW處理土壤MWD明顯高于FW和WS處理(圖2),說明土壤孔隙中由于氣體封閉造成的爆破產生消散作用和機械擾動是黃土丘陵區土壤團聚體破壞的主要機制。RSI和RMI結果表明,中上坡對消散作用和機械破碎作用較敏感,下坡的下層土壤對破碎作用更敏感(圖3);檸條種植35年后敏感性最低,抵抗消散作用及機械打擊破壞的能力也越強。這說明荒草坡地引入檸條種植后,年限和坡位耦合作用下土壤與植被產生的互饋作用及演變格局使得土壤的破碎機制產生差異,這也反向說明了檸條種植年限和坡位對團聚體形成和穩定性的顯著影響[45- 46]。
黃土丘陵區種植檸條后主要對0—20 cm土層土壤團聚體穩定性有顯著影響,在坡面上表現為下坡>上坡>中坡。隨著檸條種植年限增加,土壤團聚體穩定性在上中坡表現出逐漸提升的趨勢,但在下坡則表現出先降低后增強的趨勢。LB法結果表明,中上坡對消散作用和機械破碎作用較敏感,下坡的下層土壤對破碎作用更敏感,檸條種植35年后抵抗消散作用及機械打擊破壞的能力最強。冗余分析結果表明,種植年限是影響團聚體穩定性的主要因素,坡位和土層次之,SOC和黏粒含量與MWD值有顯著相關關系。總體上,檸條種植的年限增加促進了土壤團聚體穩定性的提升,檸條條帶性種植方式增強了上坡和中坡土壤團聚體穩定性,對下坡則是先降后增。因此,在黃土高原地區大面積種植檸條背景下,在對檸條恢復下土壤結構穩定和固碳機制揭示、生態系統功能評估以及實際檸條種植方式時,需注意考慮坡面尺度的坡位特征和種植年限的綜合作用。