劉 雷，安韶山，2，3，* ，黃華偉

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100;3.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100)

延河流域地處黃土高原腹地，水土流失嚴重。經(jīng)過多年的退耕還林還草措施，水土流失量減少，地表植被得到恢復，生態(tài)環(huán)境得到改善。一般說來，隨恢復時間的增長，地上和地下生物量增加，繼而使土壤有機物質(zhì)輸入增加，引起土壤物理、化學和生物性質(zhì)發(fā)生變化，因此，恢復的植被類型將直接影響土壤特性［1-3］。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，影響著土壤的孔隙性、保水性和抗侵蝕性，而水穩(wěn)性團聚體是反映黃土高原土壤抗蝕性的最佳指標［4-6］。只要能提高土壤團聚體的水穩(wěn)性以及水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和質(zhì)量，就能提高土壤的抗侵蝕能力［7-11］。Le Bissonnais(LB)法作為一種新的土壤團聚體穩(wěn)定性測定方法，在國內(nèi)應用不多，且主要集中在南方紅壤區(qū)域［12-15］，在黃土丘陵區(qū)的應用較少［16］。因此，本研究選取黃土丘陵區(qū)延河流域作為研究對象，應用LB法的3種處理方式測定不同植被類型下土壤水穩(wěn)性團聚體含量，通過計算團聚體平均重量直徑(MWD)和可蝕性因子K值，探討黃土丘陵區(qū)植被類型與土壤團聚體含量之間的關(guān)系，揭示植被類型改善土壤生態(tài)環(huán)境的作用機制，旨在為正確評價黃土丘陵區(qū)植被類型對土壤團聚體穩(wěn)定性影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)所在區(qū)域?qū)俚湫偷拇箨懶园敫珊导撅L氣候，夏秋多雨，冬季嚴寒干燥。年日照時數(shù)2415.5 h，輻射總量 480.1 kJ/cm2，無霜期 160—180 d，平均氣溫 8.8 ℃，≥10 ℃ 活動積溫 3177.4 ℃，多年平均降水量 505.3 mm，年蒸發(fā)量1645.4 mm。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷牧横範钋鹆隃羡謪^(qū)，土壤侵蝕十分強烈。

洞子溝流域位于延河流域一級支流西川流域，地處安塞縣樓坪鄉(xiāng)(36°31'13″—36°35'26″N，109°7'34″—109°10'34″E)，屬森林植被類型，海拔1166—1490 m，流域總面積20.61 km2。土壤類型以黃綿土為主，間有復鈣紅粘土、沖積土，土地利用以林地為主。

張家河流域位于延河上游干流，地處安塞縣譚家營鄉(xiāng)(36°59'33″—37°2'40″N，109°11'58″—109°14'39″E)，屬森林草原植被類型。海拔1118—1505 m。流域總面積10.77 km2。土壤類型以黃綿土為主，間有沖積土。土地利用以草地和耕地為主，兼有零星林地。

1.2 樣品采集及測定

2010年7月，在延河流域黃土丘陵區(qū)選取兩個典型小流域—洞子溝、張家河。洞子溝為森林植被類型，選取8個樣點，張家河為森林草原植被類型，選取13個樣點，每個樣點內(nèi)設置兩個重復，各樣地信息見表1，表2。采集0—10 cm和10—20 cm土層原狀土，裝入鋁盒帶回實驗室，風干。干篩法選取3—5 mm團聚體。根據(jù)LB的3種處理方法［17-18］和Yoder法［19］測定所有樣地的土壤水穩(wěn)性團聚體重量百分含量。

表1 森林植被樣地描述Table 1 The description of forest sample sites

表2 森林草原植被樣地描述Table 2 The description of forest-steppe sample sites

快速濕潤法(FW)(1)取5—10 g過3—5 mm篩的土壤團聚體;(2)將50 mL去離子水注入250 mL的燒杯中，將已稱的團聚體樣品輕輕地浸沒其中，靜置10 min;(3)用吸管吸干水分，再用乙醇將團聚體洗入預先浸在乙醇中的0.05 mm銅篩;(4)均勻用力將篩子在乙醇中螺旋形振蕩5次;(5)將篩上的團聚體洗入蒸發(fā)皿內(nèi);(6)40 ℃烘干 48 h，過套篩(2，1，0.5，0.2，0.1，0.05 mm)，稱量，精確至 0.0001 g，獲取各粒級團聚體的質(zhì)量分數(shù)。

慢速濕潤法(SW)(1)取5—10 g過3—5 mm篩的土壤團聚體放在濾紙上，再放入墊有3 cm海綿的250 mL的燒杯中;(2)將乙醇加入到2.5 cm海綿處，靜置60 min;(3)然后用乙醇將團聚體洗入浸在乙醇中的0.05 mm銅篩;(4)重復FW處理的步驟(5)—(6)。

預濕后擾動法(WS)(1)取5—10 g過3—5 mm篩的土壤團聚體;(2)在250 mL的燒杯中加入50 mL乙醇，將土樣輕輕地浸沒其中，靜置30 min;(3)用吸管吸出多余的液體，往錐形燒瓶中加入50 mL去離子水;(4)用去離子水洗瓶將土樣沖入錐形瓶中，再沿著錐形瓶壁加入去離子水至200 mL;(5)將錐形瓶翻轉(zhuǎn)搖動10次，靜置30 min;(6)用吸管吸出多余的水，用乙醇將團聚體洗入浸在乙醇中的0.05 mm銅篩內(nèi);(7)重復FW處理的步驟(5)—(6)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤團聚體平均重量直徑 (MWD，mm)和土壤可蝕性因子K值具體計算公式如下［20-21］:

式中，χi為每個粒級下的團聚體平均直徑(mm)，ωi為每個粒級下的團聚體質(zhì)量百分含數(shù)。

應用最小顯著性差異(LSD)方法檢驗LB法3種處理與Yoder法之間的差異，利用回歸分析研究土壤團聚體平均重量直徑(MWD)及＞0.2 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析利用Excel 2007和SPSS 16.0 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林植被類型下土壤水穩(wěn)性團聚體的粒徑分布特征

森林植被類型中，干篩得到的3—5 mm土壤團聚體在不同處理下形成的水穩(wěn)性團聚體各粒級質(zhì)量分數(shù)分布結(jié)果見圖1和圖2。由圖1可以看出:在森林植被類型下，0—10 cm土層，對于SW處理，＞2 mm團聚體占絕大部分比例，團聚體質(zhì)量分數(shù)變化幅度為74.47%—96.95%，其他粒級團聚體所占比例很小，變化范圍僅在0.24%—9.17%，說明該過程對土壤團聚體的破壞作用較小;對于FW處理，仍以＞2 mm團聚體為主，在6.20%—68.50%之間變化，其他粒級團聚體變化范圍在2.72%—41.87%之間。對于WS處理，各粒級分布比較均勻，各粒級質(zhì)量分數(shù)變幅不大，＞2 mm變化范圍為4.57%—50.43%，其他粒級團聚體質(zhì)量分數(shù)變化范圍為3.91%—42.45%，這是由于溶液由水換成了酒精，去除了消散及物理性粘粒濕潤膨脹的影響。

由圖2可以看出:在10—20 cm土層，3種濕潤處理的結(jié)果同0—10 cm土層類似。對于SW處理，＞2 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)變化處于82.81%—97.3%，占主要部分。其他粒級變化僅在0.19%—5.80%之間。對于FW處理，＞2 mm團聚體變化處于3.46%—48.58%，略低于0—10 cm土層。其他粒級質(zhì)量分數(shù)范圍為2.89%—52.21%。對于WS處理，＞2 mm團聚體變化處于0.73%—31.69%，同0—10 cm土層相比，＞2 mm團聚體所占比例略小。其他粒級質(zhì)量分數(shù)范圍為4.22% —34.23%。

綜上可以得出，在森林植被類型下，0—10 cm和10—20 cm土層土壤團聚體各粒級分布規(guī)律相同，＞0.2 mm團聚體所占比例表現(xiàn)為SW＞FW＞W(wǎng)S。由此可知，在LB法3種濕潤處理下，預濕后擾動處理對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的破壞程度最大，其次為快速濕潤處理，而慢速濕潤處理對土壤團聚體的破壞程度最小。10—20 cm土層土壤＞0.2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量大于0—10 cm土層。

其中

圖1 Le Bissonnais法3種處理下森林植被類型0—10 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體粒級分布Fig.1 Size distribution of water-stable aggregates of forest soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in the 0—10 cm depth

圖2 Le Bissonnais法3種處理下森林植被類型10—20 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體粒級分布Fig.2 Size distribution of water-stable aggregates of forest soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in the 10—20 cm depth

2.2 森林草原植被類型土壤水穩(wěn)性團聚體的粒徑分布特征

森林草原植被類型中，干篩得到的3—5 mm土壤團聚體應用LB法測定不同濕潤處理下形成的水穩(wěn)性團聚體各粒級質(zhì)量分布結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 Le Bissonnais法3種處理下森林草原植被類型0—10 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體粒級分布Fig.3 Size distribution of water-stable aggregates of forest steppe soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in 0—10 cm depth

由圖3可以看出:在0—10 cm土層，對于SW處理，以＞2 mm團聚體為主，變化范圍在70.82%—95.68%之間，1—2 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)0.95%—18.79%，其他粒級均在5.16%以下。對于WS處理，在0—10 cm土層，＞2 mm、＜0.05 mm 團聚體質(zhì)量百分數(shù)分別為 0.58%—25.06%，14.5%—26.56%。對于 FW 處理，在 0—10 cm土層，＞2、＜0.05 mm 團聚體質(zhì)量百分數(shù)分別為 1.02%—49.15%，0.71%—7.94%。

由圖4可以看出:10—20 cm土層，在 SW、WS、FW處理下，＞2 mm團聚體分別處于75.36%—95.49%、1.64%—13.45%和1.88%—24.55%。在森林草原植被類型，LB法3種處理下，2—5 mm粒徑土壤團聚體所占比例表現(xiàn)為SW＞FW＞W(wǎng)S;1—2 mm團聚體所占比例FW＞W(wǎng)S＞SW;0.5—1 mm團聚體所占比例FW≈WS＞SW;0.2—0.5 mm團聚體所占比例表現(xiàn)為FW≈WS＞SW;＜0.2 mm團聚體所占比例表現(xiàn)為WS＞FW＞SW。因此，在森林草原植被類型，對土壤團聚體破壞作用最大的是預濕后擾動處理。在＞0.2 mm團聚體的平均百分含量上，0—10 cm 土層，SW、WS 和FW 3 種處理分別為94.66%、39.00%和49.00%;10—20 cm 土層，SW、WS 和FW依次為93.72%、33.06%和39.55%?？梢钥闯觯谙嗤奶幚項l件下，該地區(qū)0—10 cm土壤要比10—20 cm土壤更穩(wěn)定。

圖4 Le Bissonnais法3種處理下森林草原植被類型10—20 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體粒級分布Fig.4 Size distribution of water－stable aggregates of forest steppe soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in 10—20 cm depth

2.3 不同方法對兩個植被類型土壤團聚體穩(wěn)定性的評價

森林植被類型土壤采用Yoder法和LB法3種處理后，計算出的土壤團聚體平均重量直徑(MWD)值如表3所示。土壤團聚體平均重量直徑越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強。由表3可知:在森林植被類型內(nèi)，0—10 cm和10—20 cm土壤MWD值均為SW＞FW＞W(wǎng)S。這說明在0—10 cm和10—20 cm，LB法3種處理的土壤團聚體的穩(wěn)定性規(guī)律一致，即慢速濕潤＞快速濕潤＞預濕后擾動，說明3種處理中，慢速濕潤處理的土壤抗侵蝕能力最強，預濕后擾動處理的土壤抗侵蝕能力最弱，快速濕潤介于二者之間。

表3 Yoder法與Le Bissonnais法3種處理下森林植被類型土壤的團聚體平均重量直徑(MWD)值Table 3 MWD Value of forest soil under Yoder method and 3 treatments of Le Bissonnais method

森林草原植被類型土壤采用Yoder法和LB法3種處理后，計算出的土壤團聚體平均重量直徑(MWD)值如表4所示?？芍?在森林草原植被類型，MWD值同樣為SW＞FW＞W(wǎng)S。另外在相同的處理方式下，森林植被類型的MWD值比森林草原植被類型大，說明森林植被類型的土壤團聚體的水穩(wěn)性高于森林草原植被類型，這個結(jié)論與上面由團聚體分布情況得出的規(guī)律一致。植被能夠使土壤團聚體由小顆粒向大顆粒轉(zhuǎn)變，土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，在黃土丘陵區(qū)，森林植被對土壤結(jié)構(gòu)的改善作用優(yōu)于森林草原植被。

表4 Yoder法與Le Bissonnais法3種處理下森林草原植被類型土壤的MWD變化Table 4 Changes of forest steppe soil MWD under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

由表5可知，森林植被類型0—10 cm和10—20 cm土層，LB法3種處理中，慢速濕潤處理后的土壤可蝕性K值平均值均為最小，說明和其他2種處理相比，慢速濕潤處理后的土壤抗侵蝕能力最強，這與根據(jù)MWD值分析得出的規(guī)律一致。Yoder法處理結(jié)果土壤可蝕性K值平均值最大，說明Yoder法處理對土壤團聚結(jié)構(gòu)破壞程度最大，而且LB法中預濕后擾動處理結(jié)果與Yoder法處理結(jié)果更為接近。

表5 Yoder法與Le Bissonnais法3種處理下森林植被類型土壤可蝕性K值變化Table 5 Changes of forest soil erodibility values under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

由表6可知，森林草原植被類型0—10 cm及10—20 cm土層，土壤可蝕性K值規(guī)律跟森林植被類型一致，即慢速濕潤處理后土壤抗侵蝕性最強，Yoder法處理后土壤抗侵蝕性最差。同時也可以看出森林植被類型與森林草原植被類型對應土層用相同方法處理結(jié)果相比，森林植被類型土壤抗侵蝕性優(yōu)于森林草原植被類型。

表6 Yoder法與Le Bissonnais法3種處理下森林草原植被類型土壤可蝕性K值變化Table 6 Changes of forest steppe soil erodibility values under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

2.4 四種處理方法測定的土壤團聚體穩(wěn)定性結(jié)果的相關(guān)性分析

從表7可以看出，在0—10 cm土層，森林植被類型中的WS和FW處理呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，說明森林植被類型0—10 cm土壤團聚體在機械擾動下的崩解作用和使團聚體崩解的消散作用呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

表7 Yoder法與Le Bissonnais法3種處理下森林植被類型土壤團聚體穩(wěn)定性結(jié)果(MWD值)的相關(guān)性Table 7 Correlation of forest soil MWD under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

如表8所示，在0—10 cm處，森林草原植被類型中的WS和FW處理極顯著正相關(guān)，SW和Yoder法顯著正相關(guān)。在10—20 cm處，WS和SW呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，和FW則呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性。說明森林草原植被類型0—10 cm土壤團聚體在機械擾動下的崩解作用和消散作用顯著相關(guān)，慢速濕潤處理和傳統(tǒng)濕篩法(Yoder法)顯著正相關(guān)。10—20 cm土壤團聚體在機械擾動下的崩解作用和由土壤粘粒膨脹引起的崩解作用具有顯著的正相關(guān)性，和消散作用則具有極顯著的正相關(guān)性。這表明LB法中團聚體崩解的3種機制之間具有內(nèi)在聯(lián)系。

表8 Yoder法與Le Bissonnais法3種處理下森林草原植被類型土壤團聚體穩(wěn)定性結(jié)果(MWD值)的相關(guān)性Table 8 Correlation of forest steppe soil MWD under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

3 討論

3.1 植被類型對土壤團聚體粒徑分布的影響

不同植被對土壤性質(zhì)會產(chǎn)生很大的影響，植被對土壤的影響主要表現(xiàn)在植物根系對土壤的擠壓、穿插和分割作用;死亡根系和枯枝落葉產(chǎn)生的有機質(zhì)及根際分泌物對土壤性質(zhì)的影響等方面。在同一成土母質(zhì)基礎上發(fā)育的土壤，因植被類型不同，團聚體的組成和數(shù)量都可發(fā)生很大的變化，說明植被類型對土壤團聚體的形成具有較大的影響［22-23］。其中最直接的影響就是植被演替形成的有機質(zhì)有利于土壤團聚作用［24］，有機碳含量越高，土壤團聚體水穩(wěn)性程度也越好［25］。在研究中，森林草原植被類型0—10 cm、10—20 cm土層＞0.2 mm團聚體平均含量，均比森林植被類型團聚體平均含量低?？梢娊?jīng)過LB法3種處理后，在森林植被類型土壤大顆粒團聚體(＞0.2 mm)平均百分含量在0—10 cm、10—20 cm土層均大于森林草原植被類型，植被恢復能夠改善土壤表層團聚體的性質(zhì)［25］。在黃土丘陵區(qū)，植被群落由1年生草本—多年生灌草—半灌木—灌木—喬木方向的演替過程中，土壤水穩(wěn)性團聚體由小粒徑向大粒徑方向轉(zhuǎn)變，土壤結(jié)構(gòu)會趨于相對穩(wěn)定，這與已有研究一致［16］。

3.2 植被類型對土壤抗蝕性因子K值的影響

森林草原植被類型與森林植被類型土壤可蝕性K值相比，采樣相同處理方式，0—10 cm和10—20 cm土層均為森林草原植被類型土壤可蝕性K值較大，說明森林草原植被類型土壤對侵蝕營力分離和搬運作用敏感性強于森林植被類型，土壤抗蝕性能低于森林植被類型，土壤更加容易遭受侵蝕，因此在同一單位降雨侵蝕力作用下土壤越易侵蝕產(chǎn)沙［26］。從土壤抗蝕性的角度來看，黃土高原植被恢復重建取得明顯生態(tài)效果，盡管本研究中森林植被類型樣地喬木、灌木植物的數(shù)量還較少，但已經(jīng)在植物群落多樣性和結(jié)構(gòu)等方面開始發(fā)揮重要影響［27-28］，表現(xiàn)出重要的生態(tài)和景觀功能。特別是溝谷地，已經(jīng)形成喬灌草共存的植被群落，其根系系統(tǒng)及生態(tài)調(diào)控功能將對控制溝谷地的侵蝕［29-30］產(chǎn)生積極影響。從本研究可以看出，森林植被類型較森林草原植被類型在提高土壤抗蝕性方面的作用較為明顯，造成這種差異的主要原因是由于喬木覆蓋下土壤枯枝落葉等調(diào)落物含量更高，根系更為發(fā)達，隨著根系分泌物的分解，釋放養(yǎng)分歸還土壤，土壤有機質(zhì)含量逐漸增加，土壤肥力水平提高，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，從而增強了土壤的抗蝕性。

3.3 LB法3種處理下土壤水穩(wěn)性團聚體破壞機制的現(xiàn)實意義

LB法是根據(jù)團聚體崩解的原因區(qū)分了其破壞的不同機制:FW處理模擬干燥土壤在快速濕潤條件下(如暴雨或灌溉條件)由于封閉的氣體爆破而產(chǎn)生的破壞機制，強調(diào)的是濕潤破壞機制的消散作用;SW處理模擬小雨或者滴灌等條件下，土壤結(jié)構(gòu)由毛細作用等破壞，強調(diào)的則是土壤粘粒膨脹作用;WS處理主要強調(diào)的是機械擾動作用［17］。在本研究中，預濕后擾動處理對團聚體的破壞程度最大，說明暴雨或灌溉是黃土丘陵區(qū)土壤團聚體破壞的主要影響因素;慢速濕潤對團聚體破壞程度最小，說明小雨或滴灌對此區(qū)域土壤團聚體破壞作用不大。不同人工灌溉方式對該地區(qū)團聚體破壞作用不同，除去降雨等自然因素，應采取對團聚體破壞程度較小的灌溉方式以減輕土壤侵蝕。綜合以上分析，本研究認為，黃土丘陵區(qū)土壤團聚體破壞的主要機制是土壤孔隙中的氣泡爆破產(chǎn)生的消散作用和機械擾動，這也與已有報道一致［16］。

3.4 Le Bissonnais法與 Yoder法比較

MWD是評價土壤結(jié)構(gòu)的有效方法，土壤可蝕性K指標是表征土壤性質(zhì)對侵蝕敏感程度的指標，二者均為土壤侵蝕和水土流失定量評價的重要參考依據(jù)。在黃土丘陵區(qū)的不同植被類型下，根據(jù)MWD和K值計算結(jié)果說明，在LB法的3種處理中，預濕后擾動的測定結(jié)果與傳統(tǒng)的濕篩法更接近。LB法不僅可以代表傳統(tǒng)濕篩法處理結(jié)果，還能從團聚體崩解機理方面對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行區(qū)別評價，比Yoder法處理結(jié)果提供的信息更為全面，有助于判斷土壤結(jié)構(gòu)破壞過程的作用來源。

4 結(jié)論

(1)在LB法3種濕潤處理下，預濕后擾動處理(WS)對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的破壞程度最大，處理后土壤水穩(wěn)性團聚體以＜0.2 mm為主;慢速濕潤處理(SW)對團聚體的破壞程度最小，處理后土壤水穩(wěn)性團聚體主要以＞2 mm團聚體為主;而快速濕潤處理(FW)對團聚體的破壞程度介于WS和SW之間。黃土丘陵區(qū)土壤團聚體破壞的主要機制是土壤孔隙中的氣泡爆破產(chǎn)生的消散作用和機械擾動。除去自然因素，應采取對團聚體破壞程度較小的人工灌溉方式以減輕土壤侵蝕。

(2)從LB法3種處理方式下計算出的MWD值和土壤可蝕性因子K值可以看出:森林植被類型土壤團聚體穩(wěn)定性高于森林草原植被類型。土壤水穩(wěn)性團聚體由小顆粒向大顆粒轉(zhuǎn)變，土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。不同植被類型下土壤有機質(zhì)含量不同，土壤團聚體形成過程及土壤團聚度也有差異，因而造成土壤可蝕性和土壤抗蝕性能不同。

(3)LB法的3種處理結(jié)果中預濕后擾動的測定結(jié)果與傳統(tǒng)的濕篩法(Yoder法)更接近，此外，快速濕潤處理和預濕后擾動處理能模擬不同降雨和灌溉方式對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響，應用LB法能夠全面、準確的測定土壤團聚體結(jié)構(gòu)，適宜作為黃土丘陵區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性評價方法。

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