林培松,高全洲
(1.嘉應(yīng)學院 地理科學與旅游學院,廣東 梅州,514015;2.中山大學 地理科學與規(guī)劃學院,廣州510275)
土壤結(jié)構(gòu)是土壤的一項重要物理性質(zhì)。大量研究表明,團粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的中心調(diào)節(jié)器,影響著土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蝕性,任何土壤的退化首先將表現(xiàn)為團粒結(jié)構(gòu)的消失。團聚體的數(shù)量和大小是決定土壤侵蝕、壓實、板結(jié)等物理過程速度和幅度的關(guān)鍵指標,其穩(wěn)定性也是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標之一[1-2]。因此,作為土壤研究的重要方面,土壤團聚體組成及其結(jié)構(gòu)特性的研究備受國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注,眾多研究者已從不同角度對其開展了大量研究工作,但目前國內(nèi)主要集中在黃土高原、西南山區(qū)、川中丘陵區(qū)及閩西贛北紅壤區(qū)等區(qū)域[3-7],而關(guān)于粵東北不同土地利用方式下紫色土結(jié)構(gòu)特性變化的研究仍鮮見報道。梅江中上游河谷盆地是粵東北韓江流域的典型區(qū),紫色沉積巖廣泛分布,紫色土為該區(qū)主要土壤類型之一。由于紫色土質(zhì)地松軟,抗蝕性弱,加之該區(qū)域降雨集中且強度大、人口密集、土地墾殖率高等原因,從而導致該區(qū)水土流失較為嚴重,目前該區(qū)是韓江流域水土流失重點防治區(qū)之一。本文以粵東北梅江中上游河谷盆地紫色土為例,對不同利用方式紫色土團聚體組成及其結(jié)構(gòu)特性變化進行研究,探討紫色土質(zhì)量退化特征,對于區(qū)域水土保持、控制土壤退化、土地資源可持續(xù)利用具有重要的理論價值與指導意義。
研究區(qū)位于粵東北梅江中上游河谷盆地,梅州市梅南鎮(zhèn)境內(nèi),位于116°02′-116°09′E,24°04′-24°02′N,是韓江流域水文生態(tài)典型區(qū)。地形主要以低山、丘陵和河流沖積階地為主。氣候?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L氣候,四季分明,雨量充沛,年均溫21.2℃,年均降雨量1 472.9mm,無霜期300d以上,年積溫7 700℃。土壤主要有紫色土、赤紅壤和水稻土等,地帶性植被為亞熱帶季風常綠闊葉林。由于人類活動干擾,近年來區(qū)域內(nèi)原始地帶性植被面積大幅度減少,土壤侵蝕退化普遍嚴重。本研究選取梅江干流河谷的紫色土坡地,采樣區(qū)主要土地利用方式為茶園、柚果園、旱地、林地和撂荒地。
由于紫色土風化成土作用弱,對母巖巖性的繼承性強,而紫色母巖因成巖時代和環(huán)境的差異,不同地質(zhì)年代巖石間顆粒組成、化學性質(zhì)差異較大,即使同一地質(zhì)年代不同層段也有差異[8]。因此在紫色土結(jié)構(gòu)特性研究中,選取的各土地利用類型土壤均起源于相同母巖類型,且所選樣地坡度、坡向和海拔等環(huán)境條件大體相似,以排除因發(fā)育條件不同而導致的土壤特性上的差異,從而突顯因人為和自然環(huán)境變化引起的土壤變化過程。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)土地利用方式、地形等因素進行樣方的選擇,在每一土地利用方式下布設(shè)3個樣方。在每一樣方內(nèi)按“S”形進行設(shè)置采樣點,并分0-20cm、20-40cm土層用塑料飯盒采集原狀土樣,帶回實驗室沿土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕剝開,將原狀土剝成直徑為10~12mm的小土塊,棄去其中的礫石和粗根等雜物,風干備用。同時按土層取混合土樣用于測定其理化性質(zhì)。
待原狀土樣室內(nèi)風干后,用干篩法和濕篩法分別測定>5mm,5~2mm,2~1mm,1~0.5mm,0.5~0.25mm的各級風干團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量(沙維諾夫法),并計算團聚體平均重量直徑(MWD);用環(huán)刀取原狀土測定土壤容重、孔隙和水分特性;土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀-外加熱法測定;土壤顆粒組成用比重計法測定;其他土壤基本性質(zhì)采用常規(guī)方法測定[9-10]。采用 Excel、SPSS等分析軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。
由于土地利用情況不同,導致了土壤養(yǎng)分的差異,進而影響了土壤性質(zhì),而土壤性質(zhì)的差異又會引起土壤結(jié)構(gòu)性的變化[11]。因此,對土壤的基本性質(zhì)進行分析,可以為土壤結(jié)構(gòu)特性變化研究提供依據(jù)。章明奎等[12]研究表明,土壤水穩(wěn)定性大團聚體的形成主要靠有機質(zhì)和黏粒的膠結(jié)作用。由表l可見,同一紫色母質(zhì)不同土地利用方式下,土壤pH值、有機質(zhì)和黏粒含量等基本性質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)的變化,其中土壤表層(0-20cm)有機質(zhì)含量順序依次為:林地>果園>茶園>撂荒地>旱地;黏粒含量林地最高,其次為茶園,旱地最小。土壤底層(20-40cm)有機質(zhì)和黏土含量變化趨勢與表層大體相似,但變化幅度較表層小。在不同利用條件下,研究區(qū)紫色土pH值在5.97~6.71之間變化,說明此類紫色巖發(fā)育而成的土壤酸堿性差異不大。總的來看,土壤pH值與成土母質(zhì)相關(guān)性較大,而有機質(zhì)和黏粒含量則受土地利用方式的影響明顯。由表1可看出,供試土壤的有機質(zhì)和黏粒含量基本符合林地>果園>旱地的變化規(guī)律,說明植被覆蓋和合理的土地利用可以涵養(yǎng)水源、保留養(yǎng)分,維持土壤良好的結(jié)構(gòu)性,提高土壤抗蝕能力[13]。
土壤團聚體數(shù)量和組成決定了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,特別是大于1mm的大團聚體對調(diào)節(jié)土壤通氣與持水以及養(yǎng)分平衡釋放有著重要意義[14]。表1、表2分析了供試土壤干篩和濕篩團聚體組成及團聚體破壞率,可見,利用方式對土壤團聚體的形成有較大影響。分析結(jié)果表明:研究區(qū)紫色土表層風干團聚體含量較高,干篩>0.25mm的團聚體含量均大于91%,平均達到94.17%,且主要以大粒徑的團聚體為主,其中>5mm的團聚體含量平均達到48.49%;5~2 mm的團聚體平均為22.63%;2~1mm的團聚體平均為9.07%;1~0.25mm 團聚體平均為13.98%,這說明表土層各級風干團聚體分布不均勻,大團聚體含量較多,團聚性好。土壤底層風干團聚體含量相對較小。土樣經(jīng)濕篩處理后,不穩(wěn)定的團聚體崩解為較小的單元,各土層>0.25mm團聚體明顯減少,且以>5mm團聚體減少為最多。>0.25mm水穩(wěn)性團聚體總量變化為46.40%~66.92%,平均54.36%??梢?,各紫色土樣之間風干團聚體差異不大,而水穩(wěn)性團聚體之間差別較大。
表1 不同土地利用方式土壤基本性質(zhì)與風干團聚體組成
水穩(wěn)性團聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要作用,同時也是衡量土壤抗侵蝕能力的指標之一。從表2可看出,不同利用類型土壤各土層水穩(wěn)性團聚體變化基本相同。從土壤表層來看,>5mm、5~2mm和>0.25mm水穩(wěn)定性團聚體含量順序皆表現(xiàn)為:林地>果園>茶園>撂荒地>旱地;底土層>0.25mm水穩(wěn)定性團聚體含量順序為:林地>茶園>果園>撂荒地>旱地,而>5mm和5~2mm水穩(wěn)定團聚體含量變化情況則與表土層相似。
林地、果園土壤表層和底層水穩(wěn)定性團聚體皆以>2mm為主,而茶園、撂荒地和旱地>2mm的水穩(wěn)定團聚體比例相對較小,這說明人為耕作活動影響最大的是大水穩(wěn)定性團聚體,且由于人為干擾活動,研究區(qū)紫色土出現(xiàn)了一些大水穩(wěn)定性團聚體向較小水穩(wěn)定性團聚體轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。土壤團聚體破壞率也說明了這一點,各供試土壤團聚體破壞率變化范圍為31.12%~47.60%,變化幅度為16.48%,其中旱地、撂荒地和茶園的破壞率較高,林地、果園的破壞率較低??梢姡值睾凸麍@地具較好的結(jié)構(gòu)性,團聚體最穩(wěn)定;而人為干擾較大的旱地、撂荒地土壤團聚體數(shù)量明顯下降,土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最差。同一母質(zhì)發(fā)育的土壤因利用方式不同,導致團聚體的組成和質(zhì)量發(fā)生明顯變化,這說明利用方式對土壤團聚體的形成有較大的影響。
表2 不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性團聚體組成 %
土壤團聚體平均重量直徑(MWD)是反映土壤團聚體穩(wěn)定性和大小分布狀況的常用指標,該值越大表示土壤團聚度越高,穩(wěn)定性越好,土壤抗侵蝕能力越強,其數(shù)量因土壤團聚體分組的數(shù)量和粒徑大小而不同[7,15]。分析圖1可知,研究區(qū)不同利用方式紫色土各土層干篩團聚體MWD變化趨勢大體一致。各土地利用類型表土層干篩團聚體MWD值表現(xiàn)為:林地>果園>茶園>撂荒地>旱地,且各利用類型之間相比差異不顯著,說明不同土地利用方式對土壤風干團聚體大小分布的影響不顯著,這與張保華等[16]研究結(jié)果相同。底土層風干團聚體MWD變化趨勢與表層大體相似,但各利用類型間差異進一步減小。濕篩處理后,各土層團聚體MWD明顯減小,不同利用方式下各土樣之間MWD差異增大。在0-20cm和20-40cm土層,5種土地利用類型中均以林地水穩(wěn)性團聚體MWD為最大,撂荒地和旱地最小,其中林地表土層 MWD分別是撂荒地和旱地的1.94倍、2.66倍,這說明土地利用方式對水穩(wěn)性團聚體MWD影響較大。5種土地利用方式中林地的穩(wěn)定性最好,撂荒地和旱地的穩(wěn)定性最差,說明保護森林植被有利于保持土壤的穩(wěn)定性,提高土壤抗侵蝕能力。
圖1 不同土地利用方式土壤團聚體平均重量直徑(MWD)變化
隨土壤深度增加,林地、果園和茶園土壤濕篩團聚體MWD呈逐漸減少的變化趨勢,而旱地則正好相反,隨土壤層次的增加而遞增。5種利用類型土壤濕篩MWD剖面垂直變化差異不一,其中林地土層間差異最大(達0.41mm),其次是果園(0.29mm),撂荒地最?。▋H0.03mm)。這現(xiàn)象與不同利用類型土地的經(jīng)營措施有關(guān),林地表土層團聚體MWD明顯大于底土層,這可能與其表層土壤有機質(zhì)含量較高有關(guān),豐富的有機質(zhì)有利于促進土壤團聚體的形成[17];果園雖為人工種植培育,但通常是栽種初期撫育、除草等人為活動較多,長成后人類擾動明顯減少,因此其土壤團聚體MWD與林地表現(xiàn)出相類似的特征;茶園和旱地需經(jīng)常除草撫育,致使表層土壤相對疏松,且地表植被不多,其抗侵蝕能力較弱;而撂荒地主要以草本為主,其根系主要集中于土壤表面,對底土層影響較小,故土壤團聚體MWD較小,且后期人為活動干擾不多,以致土層間MWD差異亦較小。
土壤孔隙是水分和空氣的通道和儲存所,它的組成狀況直接影響土壤水、熱及通氣狀況和根系穿插的難易,是土體構(gòu)造的主要指標之一[18]。而土壤容重主要取定于土壤孔隙及土壤固體的數(shù)量,其大小反映出土壤透水性、通氣性和根系伸展時的阻力狀況[19]。因此,土壤容重的變化,對土壤的多孔性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響,并影響著土壤的滲透性和保水能力。
不同利用方式紫色土各土層孔隙組成狀況存在一定的差異(表3)。研究區(qū)5種土地利用類型中,林地、果園的土壤結(jié)構(gòu)特性比相應(yīng)的撂荒地和旱地優(yōu)越。與撂荒地和旱地相比,林地、果園表層土壤容重分別降低7.06%、和7.50%,總孔隙度則分別提高11.39%和10.87%,底層20-40cm土壤亦表現(xiàn)出類似規(guī)律,但各土地利用類型間差異相對較小。以上結(jié)果表明人類干擾較小的林地土地利用方式有利于改善土壤結(jié)構(gòu)、增強容蓄能力,更有利于土地蓄水保土和植被生長。
表3 不同土地利用方式土壤孔隙組成
土壤非毛管孔隙數(shù)量多少主要反映土體在壘結(jié)上的松緊狀態(tài),反映土壤動態(tài)涵蓄水能力[18]。由表3可見,5種土地利用類型各土層總孔隙度介于38.20%~45.28%,其中,0-20cm土層非毛管孔隙度相對順序為:林地>果園>茶園>撂荒地>旱地,林地、果園表層土壤非毛管孔隙度分別比撂荒地和旱地增加24.89%、17.68%。底層土壤非毛管孔隙亦有類似變化規(guī)律。這表明林地和果園紫色土具有較好的孔隙狀況,大小孔隙比例較為適中,通氣狀況和蓄水能力較好。土地利用方式轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)耕地后紫色土總孔隙數(shù)量下降,大孔隙減少,土壤構(gòu)造變得較為緊實,從而降低了土壤通氣性和透水性,這種孔隙狀況反過來又對土壤水穩(wěn)性團粒的形成產(chǎn)生不良影響。
(1)研究區(qū)5種土地利用類型紫色土表土層各級干篩團聚體分布不均勻,表土層風干團聚體以大粒徑為主,團聚性好。各土地利用方式土壤之間風干團聚體差異不大,而水穩(wěn)性團聚體之間差別則較大,濕篩處理后,各土層>0.25mm團聚體明顯減少,表明不同土地利用方式對紫色土水穩(wěn)性團聚體有較大影響。
(2)不同利用方式紫色土各土層水穩(wěn)性團聚體變化基本相同,>5mm、5~2mm和>0.25mm表土層水穩(wěn)性團聚體含量順序均表現(xiàn)為:林地>果園>茶園>撂荒地>旱地,>5mm水穩(wěn)性團聚體數(shù)量及團聚體的水穩(wěn)定性與有機質(zhì)和黏粒含量成正相關(guān)。結(jié)構(gòu)體破壞率則表現(xiàn)為旱地>撂荒地>茶園>果園>林地,表明農(nóng)耕地由于人為擾動,團聚體水穩(wěn)性較園地、林地差。
(3)紫色土各土層團聚體MWD變化趨勢大體一致,均以林地為最大,撂荒地和旱地最小。不同土地利用方式對土壤風干團聚體大小分布影響不顯著,但濕篩處理后,各土層團聚體MWD明顯減小,各利用類型之間團聚體MWD差異增大,表明土地利用方式對水穩(wěn)性團聚體MWD影響較大。5種利用類型土壤濕篩MWD剖面垂直變化差異不一,這與不同利用類型土地的經(jīng)營措施有關(guān)。
(4)不同利用方式紫色土各土層孔隙組成狀況存在一定的差異,林地、果園土壤在總孔隙數(shù)量、大小孔隙比例等結(jié)構(gòu)特性方面比相應(yīng)的撂荒地和旱地優(yōu)越。因此,研究區(qū)應(yīng)保護好地帶性森林植被,維持林地土壤良好結(jié)構(gòu),提高土壤肥力。同時通過合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),有效改善土壤結(jié)構(gòu),防止水土流失,以達到紫色土資源持續(xù)利用。
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