李楊波, 劉 楠, 韓進(jìn)斌, 郭勇強(qiáng), 李變?nèi)A, 申彥科
(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院, 山西 太原 030024; 2.山西省林業(yè)廳,山西省五臺(tái)山樹木園, 山西 忻州 035500; 3.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司, 天津 300220)
中高緯度和高海拔地區(qū)隨著溫度的改變,晚秋到早春會(huì)出現(xiàn)土壤凍融現(xiàn)象,使其土壤團(tuán)聚體組成改變[1-3]。高山林線附近區(qū)域是全球變暖的敏感指示體,又是生態(tài)交錯(cuò)帶,在氣候變化背景下,該區(qū)氣候、植被覆蓋情況、覆雪深度等都可能發(fā)生變化,進(jìn)而影響該區(qū)土壤凍融循環(huán)頻率和強(qiáng)度,導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體組成及分形維數(shù)等土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)改變[4-7],最終可能影響與之相關(guān)的生物地球化學(xué)過程及坡面穩(wěn)定,特別是在秋冬、冬春兩個(gè)季節(jié)交替時(shí)期。然而,季節(jié)性凍融對(duì)高山林線附近土壤結(jié)構(gòu)的影響仍有待進(jìn)一步研究。因此,本研究擬選擇山西五臺(tái)山林線附近典型植被草甸(CD)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii, HL)和云杉(Piceameyeri, YS),采用土柱野外原位培養(yǎng)法,探索凍融作用對(duì)其土壤的影響,以期為該區(qū)氣候變化背景下的土壤生態(tài)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
五臺(tái)山位于山西省東北部(38°27′—39°15′N,112°48′—113°55′E),山體橫跨五臺(tái)縣、代縣和繁峙縣,屬太行山系的北段,是太行山系支脈,位于黃土高原東部的森林草原交錯(cuò)地帶,海河流域上游。其主峰北臺(tái)(葉斗峰)海拔3 061.1 m,是華北最高峰。
五臺(tái)山位于暖溫帶濕潤半濕潤氣候區(qū),山頂屬于高寒氣候。根據(jù)多年觀測(cè)數(shù)據(jù),中臺(tái)氣象站(海拔高度2 895.8 m)年均氣溫為-4.2 ℃,極端最低氣溫為-44.8 ℃,年均降雨量880.6 mm,是太行山氣溫最低、降水量最高,濕度和風(fēng)力最大的地區(qū)[8-10]。五臺(tái)山具有較完整的植被垂直帶譜,植被帶從山麓至山頂依次為:灌草叢及農(nóng)田帶—山地灌叢帶—針、闊葉混交林帶—針葉林帶—亞高山灌叢帶—亞高山、高山草甸帶[11]。五臺(tái)山植被對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、涵養(yǎng)水源、水土保持、保持生物多樣性等方面有著舉足輕重的作用。
(1) 樣地選擇。樣地分草甸(CD)、華北落葉松(HL)和云杉(YS)3個(gè)典型植被樣地,樣地具體信息見表1。
表1 樣地基本信息
注:CD為草甸樣地;HL為華北落葉松樣地;YS為云杉樣地。下同。
(2) 采樣點(diǎn)的布置。土柱:在每個(gè)群落內(nèi),分別在坡上、坡中、坡下設(shè)置一個(gè)20 m×20 m的固定樣地,每個(gè)樣地設(shè)置2個(gè)原位觀測(cè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)設(shè)置7根土柱(PVC管,內(nèi)徑10 cm,長20 cm)。土柱垂直打入土壤中,盡量不破壞土壤的原狀結(jié)構(gòu)。
紐扣式溫度記錄儀(iButton DS1 992 L):在每個(gè)群落布置2個(gè)溫度記錄儀(埋在土壤10 cm深處),每小時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤溫度。根據(jù)溫度記錄儀記錄的溫度,得出圖1。
圖1 樣地土壤溫度記錄
取樣時(shí)間涵蓋了整個(gè)變化周期,包括初凍期、深凍期、融化期,以及生長季。土柱7個(gè)采集時(shí)間點(diǎn)為:2015年9月26日,2015年10月30日,2015年12月20日,2016年3月15日,2016年5月20日,2016年7月26日,2016年9月26日。取樣時(shí)間點(diǎn)表示一個(gè)時(shí)段的起始和結(jié)束,該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微團(tuán)聚體含量代表微團(tuán)聚體含量經(jīng)過一個(gè)時(shí)間段后的含量,如(20151030)表示生長季末期結(jié)束和初凍期起始,該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微團(tuán)聚體含量為經(jīng)過生長季末期后最終含量。7個(gè)時(shí)間采集點(diǎn)將培養(yǎng)期分成6個(gè)時(shí)間段。詳細(xì)情況見表2。
表2 研究取樣時(shí)間每段時(shí)期的分類
使用烘干法檢測(cè)土壤含水量,用密度計(jì)法進(jìn)行土壤微團(tuán)聚體的測(cè)量。
根據(jù)楊培嶺等[12]的分形維數(shù)公式:
D=3-lg(wi/w0)lg(di/dmax)
式中:D——土壤粒徑結(jié)構(gòu)分形維數(shù);di——第i級(jí)粒徑和第i+1粒徑平均值(mm);dmax——最大粒級(jí)土粒平均直徑(mm);wi——直徑小于di的累積質(zhì)量(g);w0——土壤樣品總質(zhì)量(g)。土壤樣品分形維數(shù)計(jì)算方法為:首先求出土壤樣品不同粒徑(di)的1 g(di/dmax)和1 g(wi/wo)值,然后以前者為橫坐標(biāo),后者為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖,直線回歸后求得斜率(K)最終用公式D=3-K求出土壤質(zhì)量分形維數(shù)。
采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。
2.1.1 不同樣地土壤微團(tuán)聚體隨時(shí)間變化特征 圖2表明培養(yǎng)期內(nèi)不同樣地各粒徑微團(tuán)聚體含量變化。由圖2得,在土壤溫度變化劇烈的生長季末期、初凍期和融化期3個(gè)時(shí)期內(nèi),微團(tuán)聚體含量發(fā)生顯著變化,且不同樣地微團(tuán)聚體含量變化也不同。生長季末期,草旬樣地0.25~0.05 mm,0.02~0.002,<0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著增加(p<0.05),2~0.25 mm,0.05~0.02 mm顆粒含量顯著降低(p<0.05);華北落葉松樣地2~0.25 mm顆粒含量顯著增加(p<0.05),0.02~0.002 mm,<0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著降低(p<0.05);云杉樣地2~0.25 mm,0.05~0.02 mm,<0.002 mm顆粒含量顯著增加(p<0.05),0.25~0.05 mm,0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著降低(p<0.05)??梢娫谏L季末期,草甸樣地較大粒徑土壤顆粒有向更小粒徑微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化的趨勢(shì),而華北落葉松和云杉樣地正相反,雖然云杉樣地0.05~0.02 mm,<0.002 mm微團(tuán)聚體含量也顯著增加,但其增長的絕對(duì)數(shù)量,遠(yuǎn)低于2~0.25 mm團(tuán)聚體(圖2)。
注:不同小寫字母表示微團(tuán)聚體含量在不同時(shí)段內(nèi)差異性顯著(p<0.05)。
圖2樣地微團(tuán)聚體含量隨時(shí)間變化
這與婁鑫等[13]的研究結(jié)果相似,溫度變化劇烈,粒徑較大的團(tuán)聚體含量上升。但也有研究表明[14]土壤溫度越穩(wěn)定,越有利于土壤團(tuán)聚體之間聚合,這可能是在其研究中,土壤溫度(20 ℃左右)遠(yuǎn)高于凍融期,以及土壤含水量、有機(jī)碳等差異性所導(dǎo)致。而草甸樣地微團(tuán)聚體的變化,可能是由于在生長季末期植物出現(xiàn)凋零,其根系活性也隨之下降,根對(duì)土壤顆粒的纏繞,特別是細(xì)根對(duì)土壤顆粒的纏繞減弱,致使較大粒徑團(tuán)聚體分散,土壤中粒徑更小的微團(tuán)聚體含量顯著增加。隨著土壤溫度的下降,土壤動(dòng)物、微生物活性的改變,也可能會(huì)造成草甸樣地團(tuán)聚體發(fā)生這種變化。對(duì)于云杉和華北落葉松樣地,可能由于海拔低、枯落物較厚,再加上林木具有一定的郁閉度(表1),土壤外部環(huán)境可能較草甸樣地穩(wěn)定,所以這兩個(gè)樣地植物根系、土壤動(dòng)物及土壤微生物的活性得以保持,且可能高于草甸樣地,土壤顆粒間膠結(jié)物質(zhì),如生物分泌物等無明顯減少,土壤顆粒間的作用力沒有明顯減弱,因此,華北落葉松和云杉兩個(gè)樣地土壤微團(tuán)聚體可能會(huì)持續(xù)凝結(jié),導(dǎo)致較大粒徑團(tuán)聚體含量增加(圖2)。特別是對(duì)于海拔最低、枯落物層最厚的云杉樣地(表1),其2~0.25 mm團(tuán)聚體增加量明顯高于華北落葉松樣地(圖2)。此外,土壤有機(jī)質(zhì)含量及其隨時(shí)間變化的差異性,也會(huì)造成研究區(qū)不同樣地團(tuán)聚體變化分異,彭新華等[15]和李鑒霖[16]認(rèn)為土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降會(huì)使更小顆粒重新凝結(jié),增大微團(tuán)聚體粒徑,但對(duì)于本研究區(qū)仍待進(jìn)一步研究。
初凍期,草甸樣地0.05~0.02 mm和華北落葉松樣地0.25~0.05 mm微團(tuán)聚體含量顯著降低(p<0.05);草甸樣地和云杉樣地0.25~0.05 mm微團(tuán)聚體含量均顯著增加(p<0.05)。融化期,草甸樣地和云杉樣地0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著下降(p<0.05),草甸樣地和華北落葉松樣地0.05~0.02 mm微團(tuán)聚體含量顯著增加(p<0.05)。初凍期和融化期,季節(jié)性凍融對(duì)草甸樣地土壤微團(tuán)聚體的影響大于其余2個(gè)樣地??赡苁且?yàn)?,草甸樣地沒有林木覆蓋,且積雪較其余樣地淺,基本沒有枯落物覆蓋,溫度變幅較其余2個(gè)樣地更劇烈,土壤水發(fā)生頻繁相變,致使土壤微生物活性受到影響而降低。而對(duì)于華北落葉松和云杉樣地,土壤表面枯落物和積雪作為保溫層,使其土壤與外界環(huán)境隔絕,減少土壤溫度變幅。同時(shí),喬木層也作為保溫層,一定程度上減少了下墊面熱量向大氣傳輸,致使這兩個(gè)樣地土壤生物所在環(huán)境也較為穩(wěn)定,活性也相對(duì)較高。草甸樣地土壤含水量與2~0.25 mm,0.05~0.02 mm和<0.002 mm微團(tuán)聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05),與0.25~0.05 mm微團(tuán)聚含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。而對(duì)于華北落葉松和云杉樣地,其土壤微團(tuán)聚體含量與土壤含水量之間無顯著相關(guān)性,這可能是因?yàn)槠渫寥罍囟容^草甸樣地穩(wěn)定,另一方面華北落葉松和云杉樣地的樣地條件(表1),使得積雪之下一些苔蘚和地衣等在寒冷時(shí)期能夠繼續(xù)存活,土壤中的生物活性可能高于草甸樣地,最終也許是因?yàn)檫@些原因的干擾,導(dǎo)致這2個(gè)樣地土壤含水量與其土壤微團(tuán)聚體含量無顯著相關(guān)。所以,在初凍期和融化期,草甸樣地更多粒徑團(tuán)聚體含量變化顯著。
深凍期樣地土壤微團(tuán)聚含量變化也相對(duì)穩(wěn)定,只有草甸和云杉樣地0.25~0.05 mm,云杉樣地0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著下降(p<0.05)。深凍期初始階段,云杉樣地土壤溫度在0 ℃上下波動(dòng),而在深凍期內(nèi)草甸樣地土壤溫度雖然始終處于0 ℃以下,但也存在一定程度的波動(dòng)(圖1),一方面土壤中未凍水和冰晶可能因此出現(xiàn)相變,特別是云杉樣地,其土壤溫度波動(dòng)階段,可能使得一部分積雪融化進(jìn)入土壤表層,增加了其土壤含水量,接下來土壤溫度又進(jìn)入0 ℃以下,這部分水的相變將會(huì)引起土壤顆粒的變化;另一方面土壤中的生物活性可能因溫度變化而改變,因?yàn)樵谏顑銎谶@個(gè)全年溫度最低、環(huán)境最嚴(yán)酷的時(shí)期,土壤生物活性對(duì)溫度變化的敏感性可能增強(qiáng)。因此,導(dǎo)致這兩個(gè)樣地土壤微團(tuán)聚體含量顯著變化(p<0.05,圖2)。
生長季前期,草甸樣地<0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著上升(p<0.05);華北落葉松樣地0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著下降(p<0.05);云杉樣地2~0.25 mm顯著下降,0.25~0.05 mm,0.02~0.002 mm和<0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著上升(p<0.05)。生長季中期,草甸樣地0.05~0.02 mm微團(tuán)聚體含量顯著下降(p<0.05),0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著上升(p<0.05);華北落葉松樣地0.05~0.02 mm和<0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著下降(p<0.05);云杉樣地0.05~0.02和<0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著下降(p<0.05),0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著上升(p<0.05)。生長季前、中期,土壤溫度回升,土壤生物活性恢復(fù)。植物根系在土壤中穿插、網(wǎng)羅、固結(jié)、纏繞及其分泌物的膠黏作用,土壤動(dòng)物和微生物的活動(dòng),使得土壤顆粒發(fā)生重新排列、組合[17-19]。同時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)含量也隨土壤生物活性變化而變化。這些都顯著改變了各樣地土壤微團(tuán)聚體組成,也使該時(shí)期土壤微團(tuán)聚體相比季節(jié)性凍融期間,出現(xiàn)了更加頻繁而顯著的變化。
2.1.2 不同樣地微團(tuán)聚體含量的差異性 各樣地土壤微團(tuán)聚體含量在培養(yǎng)期間差異性見表3。
表3 研究區(qū)不同樣地微團(tuán)聚體含量比較
注:不同大寫字母表示在同一時(shí)間點(diǎn)不同樣地之間微團(tuán)聚體含量差異顯著(p<0.05)。
生長季,各級(jí)微團(tuán)聚體含量在樣地之間都有顯著差異(p<0.05);初凍期和深凍期,除0.25~0.05 mm和0.05~0.02 mm微團(tuán)聚體外(p<0.05),樣地間土壤微團(tuán)聚體含量無顯著差異;融化期,僅有華北落葉松樣地0.25~0.05 mm,0.05~0.02 mm和0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量與其余樣地之間有顯著差異(p<0.05)??梢姡?個(gè)樣地在生長季土壤微團(tuán)聚體含量的差異明顯多于季節(jié)性凍融期間,這可能是植被組成的不同,以及由此引起的土壤生物活性與有機(jī)質(zhì)含量的差異,最終導(dǎo)致不同樣地間土壤微團(tuán)聚體含量和組成的顯著差異。
由圖3可知,在生長季末期,各樣地土壤微團(tuán)聚體質(zhì)量分形維數(shù)減小,表明此時(shí)土壤的孔隙度增加,結(jié)構(gòu)性變好,但是在初凍期、深凍期和融化期,土壤溫度在0 ℃上下變化以及降低至0 ℃以下,土壤分形維數(shù)逐漸增加,表明在整個(gè)凍融期內(nèi)樣地土壤結(jié)性逐漸減弱。這與王恩姮等[20-21]的研究結(jié)果相似,然而,Lehrsch等[22-23]、王展等[24]卻得出相反結(jié)果,土壤經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后,土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)降低,微團(tuán)聚體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性變好。原因可能是本研究與王恩姮同樣采用野外原位培養(yǎng)法,且試驗(yàn)樣地植被相似;而Lehrsch、王展則采用室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn),樣地為農(nóng)田。再者本試驗(yàn)樣地土壤含水量遠(yuǎn)高于王展試驗(yàn)樣地土壤含水量,也可能是造成結(jié)果不一致的原因。
圖3 研究區(qū)樣地土壤分形維數(shù)變化趨勢(shì)
生長季,植物根系的活性逐漸恢復(fù),對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改善具有促進(jìn)作用。而且土壤動(dòng)物和微生物活性也得以恢復(fù)。首先,土壤動(dòng)物活動(dòng)頻繁,土壤受到擾動(dòng)發(fā)生破碎和移動(dòng)[20];動(dòng)物排泄物會(huì)增加,土壤有機(jī)物含量升高,從而使得土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng),土壤結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)[25-26]。其次,微生物如細(xì)菌、真菌等自身的菌絲纏繞和它們自身釋放的化學(xué)物質(zhì)與土壤顆粒相結(jié)合[27],從而使得草甸和華北落葉松樣地土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)降低,土壤的結(jié)構(gòu)性增強(qiáng),然而在生長季初期,云杉樣地卻出現(xiàn)土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)增加的趨勢(shì),祝憶偉等[28]也得出了相似的結(jié)論,其研究表明,樣地土壤<0.002 mm和0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量與土壤分形維數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,而本研究云杉樣地土壤分形維數(shù)同0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。此外,由圖2可知,生長季初期,云杉樣地0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量顯著增加(p<0.05),致使其土壤分形維數(shù)逐漸增加,也表明在此階段,云杉樣地土壤分形維數(shù)主要受0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量控制,與其余徑級(jí)微團(tuán)聚體含量無關(guān)。
總之,3個(gè)樣地土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)均具有周期性變化特征,即在經(jīng)歷了季節(jié)性凍融期的逐步增加之后,于生長季期間又逐漸降低,恢復(fù)至原有水平附近。從圖3還可看出,云杉樣地土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)在季節(jié)性凍融期間總是小于其余兩個(gè)樣地,而華北落葉松樣地土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)雖然在深凍期超過了草甸樣地,但是進(jìn)入融化期又變得小于草甸樣地,表明凍融作用對(duì)云杉樣地土壤結(jié)構(gòu)破壞性要小于草甸和華北落葉松樣地,這主要與云杉樣地優(yōu)越的樣地環(huán)境有關(guān)(表1)。進(jìn)入生長季前期和中期,則是草甸樣地的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)小于其余兩個(gè)樣地,可能是草甸樣地在該時(shí)期大量的草本植物活性恢復(fù),且高于其余2個(gè)樣地,而喬木根系在表層土壤中有可能少于草本植物,因此根系對(duì)草甸表層土壤作用較強(qiáng),優(yōu)化了草甸土壤結(jié)構(gòu)。在生長季末期則相反,草甸樣地的土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)大于其余兩個(gè)樣地,華北落葉松樣地最小,可能因?yàn)橛糸]度、枯落物厚度等原因,華北落葉松和云杉樣地土壤溫度得以較好的保持,不易隨外界溫度變化而劇烈變化,草甸樣地則不然,因此,其草本植物根系活性下降較其余兩個(gè)樣地大,導(dǎo)致其土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)較高,但這更能體現(xiàn)出草本植物根系對(duì)表層土壤結(jié)構(gòu)的作用。然而,3個(gè)樣地土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)僅在生長季末期開始時(shí)存在顯著差異(p<0.05),其余無顯著差異。這與胡小蘭[29]、甘鳳玲等[30]的研究一致,可能是不同植被覆蓋下的土壤中<0.002 mm和0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量差異顯著(p<0.05)引起的(表3),且以上兩者研究結(jié)果都表明土壤分形維數(shù)都與<0.002 mm和0.02~0.002 mm微團(tuán)聚體含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05),且0.02~0.002 mm與土壤分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)(0.962 6)大于<0.002 mm微團(tuán)聚體(0.713 7)。
3個(gè)樣地土壤含水量與土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。結(jié)合圖3—4可知,研究區(qū)土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù),即土壤結(jié)構(gòu)性的周期性變化,與土壤含水量在季節(jié)性凍融循期的周期性變化密切相關(guān)。因?yàn)樵诩竟?jié)性凍融期內(nèi),植物根系、土壤動(dòng)物和微生物活性降低,對(duì)土壤顆粒的作用效果不顯著,此時(shí),含水量和溫度可能是影響土壤分形維數(shù)的兩個(gè)主要因素。而在生長季,土壤溫度逐漸升高至合適水平,再加上恰當(dāng)?shù)耐寥篮?,有利于植物、土壤?dòng)物和微生物活性恢復(fù),因而它們對(duì)土壤顆粒作用效果較顯著,土壤結(jié)構(gòu)性明顯增強(qiáng),分形維數(shù)降低。
圖4 研究區(qū)樣地土壤含水量變化趨勢(shì)
(1) 3個(gè)樣地土壤微團(tuán)聚體含量受到季節(jié)性凍融的影響發(fā)生改變,但比生長季土壤微團(tuán)聚體的變化要少,且主要發(fā)生在初凍期和融化期。不過在深凍期,由于土壤溫度波動(dòng)和積雪保溫作用,草甸樣地和云杉樣地土壤微團(tuán)聚體含量也發(fā)生顯著變化,但其變化仍然不及初凍期和融化期。
(2) 季節(jié)性凍融期間,樣地植被不同造成的土壤微團(tuán)聚體含量差異主要發(fā)生在融化期,而這一因素的影響在生長季期間表現(xiàn)的更加明顯。
(3) 3個(gè)樣地土壤微團(tuán)聚體分形維數(shù)呈現(xiàn)一致變化趨勢(shì),都是在季節(jié)性凍融期間增加,進(jìn)入生長季減少,體現(xiàn)出周期性變化規(guī)律和一定土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力。