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

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,也是有機(jī)質(zhì)的載體,與土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)關(guān)系密切[1],其數(shù)量和大小分布直接影響著土壤質(zhì)量[2],良好的土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的團(tuán)聚體對于提高土壤孔隙度、穩(wěn)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(jìn)而增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[4].植被生長良好的關(guān)鍵取決于土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[5].一般把粒徑大于 0.25mm團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體[6],相對其他粒徑的團(tuán)聚體,其更能充分地體現(xiàn)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,其含量的多少在一定程度上反映了土壤結(jié)構(gòu)好壞、持水性、通透性的高低,其基本性質(zhì)是決定土壤穩(wěn)定性、抗侵蝕能力和土壤肥力的關(guān)鍵因素[7],其含量越高土壤質(zhì)量越好[8].土壤有機(jī)質(zhì)對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤資源的可持續(xù)利用起著重要的作用[9].植被恢復(fù)是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的有效措施,研究團(tuán)聚體的穩(wěn)定性是了解植被恢復(fù)效果與土壤質(zhì)量好壞的有效途徑.

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性除了與母質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、氣候、微生物活動等內(nèi)在理化性質(zhì)有關(guān)外[10],還受植被帶、植被類型、恢復(fù)年限等外部因素的間接影響.相關(guān)研究表明,林地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于荒地或農(nóng)地[11-14],也有研究認(rèn)為天然草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性高于灌木林地[15];同時,研究認(rèn)為隨植被恢復(fù)年限的增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸增加[16-18].從以上分析看出目前多數(shù)研究主要集中于土地利用方式和恢復(fù)年限對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響,而在區(qū)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(qū)域尺度相對較小,在反映區(qū)域?qū)ν寥缊F(tuán)聚體及其穩(wěn)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(fù)類型和恢復(fù)年限的土壤為研究對象,分析了土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性的分異特征,并在此基礎(chǔ)上定量分析植被帶、恢復(fù)類型和恢復(fù)年限對上述因子的影響程度.研究旨在從區(qū)域尺度揭示黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性能的影響機(jī)制,為黃土高原區(qū)域生態(tài)恢復(fù)可持續(xù)健康發(fā)展和土壤質(zhì)量管理與評價提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(qū)為研究區(qū)域(圖1),在每個植被帶根據(jù)野外調(diào)查情況選取不同恢復(fù)類型和年限的樣地,其中草原帶主要為不同年限的恢復(fù)草地,森林草原帶為不同恢復(fù)年限的撂荒草地、檸條和刺槐,森林帶為不同恢復(fù)年限的刺槐和撂荒草地.各研究區(qū)基本概況見表1.

1.2 土壤樣品的采集與分析

結(jié)合各研究區(qū)植被類型、地形特征和恢復(fù)年限等因素,在 3個研究區(qū)選取不同植被恢復(fù)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(huán)境條件應(yīng)盡量保證一致或相似),樣點基本情況見表2.每個樣點設(shè)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(jī)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(zhì).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(jié)構(gòu)面輕輕掰開直徑約 1cm的小團(tuán)塊,自然風(fēng)干后去除枯枝落葉和石塊,用于測定土壤團(tuán)聚體等指標(biāo).

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

表1 研究區(qū)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體測定用干篩法[20],水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定采用濕篩法[20],有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[21].

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了全面準(zhǔn)確的反映土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性特征,選取大于 0.25mm團(tuán)聚體含量(WR0.25)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(EWMD)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾何平均直徑(EGMD)、分形系數(shù)(D)、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率(PAD)、有機(jī)質(zhì)含量(SOM)和土壤可蝕性因子(K)作為分析指標(biāo).文中團(tuán)聚體為樣點原狀土混合樣品測定的平均值,而化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為3個樣地樣品的平均值.

具體計算公式如下:

大于0.25mm團(tuán)聚體含量WR0.25(%)[22]:

式中:Mr＞0.25為直徑大于 0.25mm 團(tuán)聚體濕篩質(zhì)量,g;MT為團(tuán)聚體總質(zhì)量,g.

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

式中:為第i級的團(tuán)聚體平均直徑,mm;Wi為第i級的團(tuán)聚體組分的干重,g.

分形維數(shù)D[24]:

式中: Xmax為最大團(tuán)聚體的粒徑,mm;mi為粒徑小于Xi的團(tuán)聚體總質(zhì)量,kg;M為各粒級團(tuán)聚體質(zhì)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(huán)氧富鋅、中間漆為云鐵環(huán)氧、面漆為灰鋁粉石墨醇酸，其質(zhì)量應(yīng)符合TB/T 1527—2011《鐵路鋼橋保護(hù)涂裝及涂料供貨技術(shù)條件》第5涂裝體系的相關(guān)規(guī)定[5]。

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率PAD(%)[25]:

土壤可蝕性因子K[26]:

采用Excel2013和SPSS21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和統(tǒng)計分析,Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗,顯著性水平0.05;采用 Origin 9.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖;冗余分析(RDA)應(yīng)用CANOCO5.0進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 植被帶對團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響

不同植被帶對土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響有較顯著差異(P＜0.05)(圖 2).在草地恢復(fù)類型中,WR0.25、EMWD、EGMD和 SOM(圖 2A、B、C、G)在 3個植被帶均呈現(xiàn)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(dá)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(xiàn)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(fù)類型中,除D(圖2D)、K(圖2E)和 PAD(圖 2F)外均表現(xiàn)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(xiàn)為森林草原帶＞森林帶,差異顯著.

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

圖3 不同緯度區(qū)域土壤團(tuán)聚體及穩(wěn)定性指標(biāo)變化特征Fig.3 The stability of soil water-stable aggregates of different latitude in vegetation zones

通過對團(tuán)聚體及穩(wěn)定性指標(biāo)和緯度進(jìn)行擬合分析,表明除D以外其余各指標(biāo)均與緯度有較強(qiáng)的相關(guān)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(xiàn)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(fù)類型對團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響

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

2.3 植被恢復(fù)年限對團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響

表3 不同植被恢復(fù)類型土壤團(tuán)聚體及穩(wěn)定性指標(biāo)變化Table 3 Changes of soil aggregates and stability indexes in different vegetation restoration types

圖4 不同恢復(fù)年限土壤團(tuán)聚體及穩(wěn)定性指標(biāo)變化特征Fig.4 Characteristics of soil aggregates and stability indexes of soil aggregates in different restoration ages

2.4 團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性影響因子分析

通過對植被帶、植被恢復(fù)類型和恢復(fù)年限3個因素與WR0.25、EMWD、EGMD、D、K、PAD、SOM進(jìn)行RDA分析,以分析各因素對各穩(wěn)定性指標(biāo)影響的程度.結(jié)果表明植被帶、植被恢復(fù)類型和恢復(fù)年限均與WR0.25、EMWD、EGMD、D、K、PAD和SOM存在相關(guān)關(guān)系(圖5).在3個影響因子中植被帶和恢復(fù)年限與WR0.25、EMWD、EGMD和SOM存在較強(qiáng)的正相關(guān)性,與K和PAD存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,且植被帶箭頭長,表明植被帶對它們影響程度大于恢復(fù)年限.植被恢復(fù)類型與WR0.25、EMWD、EGMD、D和SOM相關(guān)性較弱,且與植被帶和恢復(fù)年限呈銳角,其對土壤團(tuán)聚體分布與穩(wěn)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(wěn)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(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對土壤質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響,其數(shù)量的多少決定了土壤蓄水保墑、儲存養(yǎng)分及穩(wěn)定性等能力的高低[27].大于 0.25mm團(tuán)聚體含量[28]、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑[22]、水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾何直徑[23]、分形維數(shù)[16]、土壤可蝕性因子[29]、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率[15]、土壤有機(jī)質(zhì)含量[30]常作為反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo).本研究中,RDA結(jié)果顯示植被帶是影響團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性的重要因素,其中土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性總體呈現(xiàn)森林帶＞森林草原帶＞草原帶.這與前人關(guān)于黃土丘陵區(qū)土壤團(tuán)聚體研究結(jié)果類似[18].首先,微生物對團(tuán)聚體形成和團(tuán)聚體的穩(wěn)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(qū)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(chǎn)糖能力[31],從而使團(tuán)聚體凝結(jié)力減小,團(tuán)聚體穩(wěn)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(jī)物來源減少[34],導(dǎo)致對團(tuán)聚體的黏結(jié)作用降低[35];隨著水分和溫度的降低,有機(jī)物分解減弱[32],根系分泌物降低,減弱了土壤團(tuán)聚體的形成.此外,土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的內(nèi)在因素[10],本研究結(jié)果表明緯度越大,有機(jī)質(zhì)含量越低,進(jìn)而降低土壤的團(tuán)聚性.

本研究中植被恢復(fù)類型對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響較小,這與已有研究認(rèn)為植被恢復(fù)類型是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性重要影響因素的結(jié)論不一致[11-12,14],導(dǎo)致結(jié)果不一致的原因主要是前人研究多關(guān)注同一恢復(fù)年限下不同植被類型團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究;同時,相同的植被恢復(fù)類型下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)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(fù)類型下不同恢復(fù)年限,隨著恢復(fù)年限增加,各指標(biāo)整體呈現(xiàn)顯著變化趨勢,這樣導(dǎo)致本研究中植被類型對土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)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(fù)年限對不同階段下的各恢復(fù)類型的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性分別進(jìn)行分析(圖 6),結(jié)果表明,在恢復(fù)年限＜10a時和＞10a時均表現(xiàn)出恢復(fù)類型對各指標(biāo)具有顯著的影響,也印證了植被恢復(fù)類型是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的一個重要的因子.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在相同恢復(fù)年限,森林草原帶與森林帶的草地恢復(fù)和喬木恢復(fù)類型呈現(xiàn)相反的變化趨勢,而同一植被帶不同恢復(fù)年限下的各恢復(fù)類型也整體呈現(xiàn)相反的變化趨勢.表明植被帶、恢復(fù)類型和恢復(fù)年限都是影響土壤團(tuán)聚體分布與穩(wěn)定性的重要因子,而三個因子在不同情景下的作用機(jī)制與影響程度不同,存在一定的交互作用.

圖6 不同恢復(fù)年限對團(tuán)聚體及穩(wěn)定性指標(biāo)的影響Fig.6 Effects of different ages on agglomerates and stability indexes

從前面的分析結(jié)果表明植被恢復(fù)年限對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著影響,其穩(wěn)定性隨植被恢復(fù)年限增加逐漸增強(qiáng),這與 Wang等[36]和陳文媛等[37]研究結(jié)果一致.大量研究已經(jīng)證實隨著植被恢復(fù),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(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的增加[38-39].同時,隨著植被恢復(fù),土壤微生物量和多樣性顯著增加,促進(jìn)了枯落物和有機(jī)質(zhì)的分解,增加了對土壤顆粒的粘結(jié)作用[40].此外植被恢復(fù)增加了根系生物量和根系分泌物,改善土壤結(jié)構(gòu)[41],促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.

4 結(jié)論

4.1 不同植被帶對土壤團(tuán)聚體分布與穩(wěn)定性影響顯著,整體表現(xiàn)為森林帶＞森林草原帶＞草原帶.

4.2 隨著植被恢復(fù)年限增加,各恢復(fù)類型土壤團(tuán)聚體分布與穩(wěn)定性整體呈現(xiàn)增加趨勢.

4.3 不同植被帶下,不同植被類型對土壤團(tuán)聚體分布與穩(wěn)定性的影響存在差異,森林草原帶表現(xiàn)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(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響作用要低于植被帶和恢復(fù)年限,但是與兩個因素具有較強(qiáng)的交互作用.

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