王月玲， 王思成， 馬 璠， 許 浩， 董立國， 蔡進(jìn)軍， 韓新生

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，寧夏銀川 750002； 2.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室，寧夏銀川 750011)

撂荒地是指曾經(jīng)被耕種而現(xiàn)在不被繼續(xù)耕種以致荒蕪的土地[1]，耕地撂荒是耕地邊際化的極端表現(xiàn)。耕地出現(xiàn)嚴(yán)重撂荒的主要原因，一是城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展引起農(nóng)村人口的外遷和非農(nóng)化，導(dǎo)致山區(qū)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大量減少；二是農(nóng)資價(jià)格上漲、生態(tài)條件惡劣導(dǎo)致土地利用純收益下降；其中勞動(dòng)力析出是撂荒的直接原因[2]。耕地撂荒不僅是對(duì)土地資源的一種浪費(fèi)，也影響生態(tài)環(huán)境。撂荒地現(xiàn)象從20世紀(jì)下半葉開始，在全球范圍內(nèi)都有發(fā)生，特別在發(fā)達(dá)資本主義國家開始，直到現(xiàn)在，歐美等國家時(shí)有發(fā)生。我國耕地撂荒主要是從近20年開始的，而近年來愈演愈烈，所以也成為研究的熱點(diǎn)[3]。棄耕演替為進(jìn)展演替可以為生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃提供指導(dǎo)，但要恢復(fù)為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)可能會(huì)經(jīng)歷很長一段時(shí)間[4]。黃土丘陵區(qū)是我國乃至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，水土流失、土壤退化等已成為困擾該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富的主要問題[5]。明確棄耕地撂荒后植被的自然演替是否引起土壤結(jié)構(gòu)的變化，以及這種變化是否增強(qiáng)土壤的抗蝕性能，對(duì)于評(píng)價(jià)耕地撂荒解決水土流失問題至關(guān)重要。

土壤團(tuán)聚體的形成與動(dòng)態(tài)變化及團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容[6]。作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，土壤團(tuán)聚體與土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)，其含量與粒級(jí)分布不僅影響作物生長發(fā)育，而且對(duì)土壤抗蝕性和土壤可持續(xù)利用等有重要影響[7]。具有良好團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的土壤，不僅具有高度的空隙性和持水性，而且有良好的通透性，在植物生長期能夠很好地調(diào)節(jié)植物需要的水、肥、氣、熱諸因素[8]。近年來，國內(nèi)外對(duì)紫土、黑土等土壤條件下土地利用方式或不同肥力水平對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性影響[9-16]研究較多，但對(duì)寧南黃土丘陵區(qū)不同年限撂荒地對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響的研究鮮有報(bào)道，急需加強(qiáng)研究。筆者以寧南黃土丘陵區(qū)為研究區(qū)域，采用Yoder濕篩法[17]測(cè)定不同年限棄耕撂荒地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，使用土壤團(tuán)聚體MWD、GMD和分形維數(shù)D等指標(biāo)來分析和評(píng)價(jià)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)特征與穩(wěn)定性，以期為寧南黃土丘陵區(qū)的植被恢復(fù)和土壤質(zhì)量的改善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于彭陽縣東北13 km處的白陽鎮(zhèn)中莊村，該村總面積16.5 km2，耕地面積1 076 hm2，地貌類型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面傾斜度大，平均海拔在 1 600～1 700 m。年平均氣溫7.6 ℃，≥10 ℃的積溫2 200～2 750 ℃，境內(nèi)年蒸發(fā)量較大，干燥度為3.58，無霜期140～160 d。降雨是雨水資源量的決定因素，研究區(qū)多年平均年降水量475 mm，降水量集中且年內(nèi)分配不均，雨量集中月份常以暴雨形式出現(xiàn)，易發(fā)局地暴雨洪水。研究區(qū)土壤類型以普通黑壚土為典型土壤，土壤母質(zhì)為黃土及黃土狀物，pH值在8.0～8.5，土層深厚，土質(zhì)疏松。植被類型以草原植被為基礎(chǔ)，生長著長茅草(S.bungeanaTrin.)、角蒿(I.SinensisLam.)、星毛委陵菜(P.acaulisL.)等，其次還有中生和早中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山桃(P.davidianaFranch.)、沙棘(H.rhamnoidesL.)、山杏(Prunusarmeniaca)等為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取 2017年4月在野外全面踏查的基礎(chǔ)上，根據(jù)植物群落組成、結(jié)構(gòu)和對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦脑L問調(diào)查結(jié)果，在保證樣地黃土母質(zhì)相同的情況下，本試驗(yàn)選取了無人為干擾或人為干擾相對(duì)較少且立地條件相似的不同撂荒年限樣地共5塊進(jìn)行土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定，撂荒年限分別為2、5、10、15、17年。樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本情況

1.2.2 土壤樣品的采集 2017年5月在各樣地內(nèi)隨機(jī)挖取2個(gè)深30 cm的剖面，按從上到下斜對(duì)角線方式用鋁盒和 100 cm3的環(huán)刀分別采取0～10 cm、>10～20 cm、>20～30 cm 的原狀土樣，每層取3個(gè)重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室。鋁盒在通風(fēng)處自然風(fēng)干，環(huán)刀烘干測(cè)定土壤容重。

1.2.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)試方法 本研究采用Yoder濕篩法對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量進(jìn)行測(cè)定。利用日本產(chǎn)DIK-2001型土壤團(tuán)粒分析儀進(jìn)行測(cè)試，1次可以分析4個(gè)樣品，套篩孔徑依次為2、1、0.5、0.25、0.106 mm。采集回來的土壤樣品自然風(fēng)干后進(jìn)行測(cè)定，每組樣品測(cè)定的振蕩時(shí)間為30 min，振蕩結(jié)束后將留在篩子上的各級(jí)團(tuán)聚體用清水沖入碗中，接著用濾紙過濾團(tuán)聚體，然后把濾紙和土壤團(tuán)聚體一起放入烘箱 55 ℃ 風(fēng)干，在空氣中平衡2 h，不同粒級(jí)團(tuán)聚體的土樣分別稱質(zhì)量。

1.3 結(jié)果計(jì)算

(1)不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比

(1)

式中：Wi為某級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；WWi為該級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的風(fēng)干質(zhì)量(g)；MT為水穩(wěn)性團(tuán)聚體的風(fēng)干總質(zhì)量(g)。

(2)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比

(2)

式中：W0.25為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(>0.25 mm)；Mi>0.25為大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量(g)；MT為水穩(wěn)性團(tuán)聚體的風(fēng)干總質(zhì)量(g)。

(3)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的土壤平均質(zhì)量直徑(MWD)

MWD=∑xiyi。

(3)

式中：xi為土壤粒級(jí)的平均直徑(mm)；yi為不同土壤粒級(jí)團(tuán)聚體占總團(tuán)聚體的比例。

(4)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的土壤幾何平均直徑(GMD)

(4)

式中：mi為土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量(g)；lnxi為土壤粒級(jí)平均直徑的自然對(duì)數(shù)。

(5)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)(D)

土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量分形維數(shù)(D)是基于假設(shè)不同粒級(jí)的土壤密度相同提出來的。公式如下：

(5)

兩邊取以10為底的對(duì)數(shù)：

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，用DPS 16.05和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析，不同參數(shù)之間多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布特征

在撂荒地的植被恢復(fù)過程中，隨著植被恢復(fù)年限的增長，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量也發(fā)生相應(yīng)的變化。從表2可以看出，水穩(wěn)性團(tuán)聚體以<0.25 mm和>2 mm粒級(jí)為主，0～10 cm 土層各年限撂荒地<0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量平均值最高，為61.7%，>0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量為38.3%，>2 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為21.44%，>1～2 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最小，為4.32%。>10～20 cm土層各年限撂荒地<0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量平均值為75.47%，>0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量為24.53%，>2 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為 13.02%，>1～2 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最小，為 2.92%。>20～30 cm土層<0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量平均值為85.53%，>0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量為14.47%，>2 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最小，為1.09%。且0～30 cm土層不同年限撂荒地，基本呈現(xiàn)出隨著粒級(jí)減小，團(tuán)聚體所占的質(zhì)量百分比逐漸增大。

不同土層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著恢復(fù)年限增加存在一定的差異。2、5年的撂荒地的變化規(guī)律相同，10、15、17年撂荒地出現(xiàn)兩頭大、中間小的變化規(guī)律。在0～10 cm土層中不同年限撂荒地>2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚含量變化順序?yàn)?7年>15年>10年>5年>2年，總體表現(xiàn)出>2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚含量隨著撂荒年限的延長而不斷增加，在2～10年前期撂荒演替中，各年限間差異不顯著，但與15、17年差異顯著。在>10～20 cm土層中不同年限撂荒地>2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚含量變化順序?yàn)?7年>15年>2年>5年>10年，不同年限間差異不顯著。在20～30 cm土層中不同年限撂荒地>2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚含量變化順序?yàn)?5年>2年>5年>17年>10年，不同年限間差異不顯著。<0.106 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在0～30土層中，隨著撂荒年限的延長呈先增加后降低趨勢(shì)，不同年限間差異顯著。

表2 不同撂荒年限地0～30 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表3可以看出，>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例隨著撂荒年限的延長先降低后增加。撂荒初期2年的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量較高，0～30 cm土層平均為33.22%，隨著撂荒年限的延長，5～10年撂荒地土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量開始下降，在10年處最低平均為10.20%，然后又開始增加，撂荒17年0～30 cm土層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量達(dá)到最大，平均為34.72%。在0～10 cm土層，2、10、17年撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例差異顯著；在 10～20 cm土層，2、5、10年撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例差異顯著；在20～30 cm土層，2、5、10年撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例差異顯著。在0～30 cm土層，不同年限撂荒地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例隨著土層深度的加深而減少。

表3 不同撂荒年限0～30 cm土層>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例

注：同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和分形維數(shù)

從表4、表5可以看出，從團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑來看，在0～30 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD的變化趨勢(shì)是相同的。在0～10 cm土層，撂荒2年團(tuán)聚體MWD和GMD較小，隨著撂荒年限的延長，5～17年間總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在>10～20 cm土層，撂荒2年團(tuán)聚體MWD和GMD較小，5年處略有增加，在10年處明顯下降，隨后在15～17年開始增加。在>20～30 cm土層，也是撂荒2年團(tuán)聚體MWD和GMD較小，隨后5～17年變化不是很明顯。0～30 cm不同土層間，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD隨著土層的加深呈減小趨勢(shì)，表明表土層0～10 cm土壤團(tuán)聚體較下層>10～30 cm穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力較強(qiáng)。從表4、表5可以看出，在0～10 cm土層，2～5年與10～17年撂荒地團(tuán)聚體MWD和GMD差異顯著，在>10～20 cm土層，10年與15～17年撂荒地團(tuán)聚體MWD、GMD差異顯著，在>20～30 cm土層，各年限撂荒地團(tuán)聚體MWD、GMD差異不顯著。

表4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑

注：同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著，表5、表6同。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越差。從表6可以看出，0～30 cm，2、5、10年撂荒地分形維數(shù)曲線比較接近，變化不是很明顯，15、17年撂荒地變化比較明顯。尤其在0～10 cm 土層，15、17年撂荒地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)明顯下降，說明10年之后，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性開始變好。分析結(jié)果表明，表土層0～10 cm，2～10年與17年撂荒地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)差異顯著，20～30 cm不同年限撂荒地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體差異不顯著。

表5 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾何平均直徑

表6 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)

2.4 土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性

通過土壤容重(SBD)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)來評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體數(shù)量組成對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

從表7可以看出，在表土層0～10 cm，土壤容重與分形維數(shù)相關(guān)不顯著；土壤容重與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、GMD和>2 mm大團(tuán)聚體所占比例呈極顯著、顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.49、-0.44、-0.32；土壤容重與>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為0.40。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)與MWD、GMD、>2 mm呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.56、-0.66、-0.88；分形維數(shù)與>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm 和<0.106 mm呈顯著、極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.35、0.45、0.87；其中，<0.106 mm的相關(guān)系數(shù)為0.87，貢獻(xiàn)最大。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD與 >2 mm 呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.92；與其他徑級(jí)呈極顯著負(fù)相關(guān)。分形維數(shù)與MWD、GMD的影響因子相反，>2 mm 的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體越多，MWD和GMD的值越大，分形維數(shù)值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)，反之，則越差。MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.98

從表8可以看出，在土層>10～20 cm，土壤容重與分形維數(shù)相關(guān)不顯著；土壤容重與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和 >2 mm 大團(tuán)聚體所占比例呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.32、0.29；土壤容重與>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.51、-0.44、-0.41、-0.43。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)與MWD、GMD、>2 mm 呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.75、-0.77、-0.90；分形維數(shù)與<0.106 mm呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.60。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD與>2 mm呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.93。分形維數(shù)與MWD、GMD的影響因子相反，>2 mm的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體越多，MWD和GMD的值越大，分形維數(shù)值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)，反之，則越差。MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99。

表7 0～10 cm土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性分析

注：**、*分別為0.01、0.05水平上顯著相關(guān)，表8、表9同。

表8 >10～20 cm土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性分析

從表9可以看出，在土層>20～30 cm，土壤容重與分形維數(shù)呈極顯著正相關(guān)；土壤容重與>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm、<0.106 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)與MWD、GMD、>2 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm、<0.106 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD與>2 mm、<0.106 mm呈極顯著正相關(guān)，其中，與>2 mm的相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.95，貢獻(xiàn)最大。分形維數(shù)D與MWD、GMD的影響因子相反，>0.5 mm的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體越多，MWD和GMD的值越大，分形維數(shù)D值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)，反之則越差。MWD與GMD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.99。

表9 >20～30 cm土壤容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

通過以上分析，在寧南黃土丘陵區(qū)撂荒地植被恢復(fù)過程中，不同撂荒年限對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有很大的影響。(1)不同年限撂荒地0～30 cm土層土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布以<0.25 mm、>2 mm粒級(jí)為主，0～10 cm、>10～20 cm、>20～30 cm土層各年限撂荒地>0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量分別為38.3%、24.53%、14.47%，且0～30 cm 土層不同年限撂荒地基本呈現(xiàn)出隨著粒級(jí)減小，團(tuán)聚體所占的質(zhì)量百分比逐漸增大。(2)不同土層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著恢復(fù)年限增加存在一定的差異。2、5年的撂荒地的變化規(guī)律相同，10、15、17年撂荒地出現(xiàn)兩頭大、中間小的變化規(guī)律。>2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚含量在0～10 cm土層中不同年限撂荒地變化順序?yàn)?7年>15年>10年>5年>2年，總體表現(xiàn)出>2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚含量隨著撂荒年限的延長而不斷增加；>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例在 0～30 cm土層隨著撂荒年限的延長先降低后增加。(3)不同年限撂荒地 0～30 cm 土層，從土壤MWD、GMD和分形維數(shù)值來看，10年撂荒地土壤抗蝕能力較弱，從10年以后，隨著撂荒時(shí)間的延長，土壤抗侵蝕能力逐漸增強(qiáng)。(4)通過土壤容重與水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，粒級(jí)>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有較大的影響。