李程程,曾全超,賈培龍,安韶山,,*

1 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所,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

土壤團聚體是土粒經(jīng)各種作用形成的直徑為10—0.25 mm的結構單位[1],它是土壤中各種物理、化學和生物作用的結果。它是土壤結構構成的基礎,影響土壤的各種理化性質(zhì),土壤團聚體的穩(wěn)定性直接影響土壤表層的水、土界面行為,特別是與降雨入滲和土壤侵蝕關系十分密切。各粒徑水穩(wěn)性團聚體的分布規(guī)律可以反映土壤團聚體的質(zhì)量,因此土壤團聚體的數(shù)量、特征可以反映土壤結構的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[1]。許多學者用平均重量直徑來評價土壤團聚體的穩(wěn)定性,用土壤可蝕性值來表示土壤的抗侵蝕能力。植被恢復有利于促進土壤團聚體的形成,土壤團聚體的組成和穩(wěn)定性是衡量土壤結構和質(zhì)量的主要指標。通過測定土壤團聚體的粒徑分布及穩(wěn)定性可間接地量化土壤的可蝕性能力[2- 4]。

黃土高原是世界黃土分布最典型的區(qū)域,具有獨特侵蝕溝壑地貌,極易發(fā)生侵蝕,是世界上水土流失最為嚴重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。解決黃土高原的水土流失問題,主要是防治土壤侵蝕,提高土壤的抗侵蝕能力。土壤侵蝕的主要影響因素有自然因素和人為因素,包括氣候、地形、土壤、植被、地質(zhì)和人為活動。在植被自然恢復過程中,土壤團聚體結構隨著植被群落由1年生草本-多年生灌草-半灌木-灌木-喬木演替過程逐漸趨于穩(wěn)定[5]。森林土壤團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力最高[6- 7]。此外增加植被的覆蓋度能有效地改善土壤侵蝕提高土壤的抗侵蝕能力[8]。有關黃土高原土壤性質(zhì)和抗侵蝕能力的研究有很多,有關土壤的理化性質(zhì)研究主要集中在不同樹種枯落葉分解[9]、退耕地復墾[10]、不同植被覆蓋[11]、不同耕作方式[12]、演替階段[13]等對土壤性質(zhì)的影響。有關于土壤抗侵蝕能力主要是對草地植被[14]、森林植被[8]、沙棘人工林[15]等地的土壤進行研究。黃土高原草地植被帶不同立地條件下的土壤團聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性表現(xiàn)出較大差異[14]。有關黃土高原地區(qū)的土壤性質(zhì)和抗侵蝕能力隨經(jīng)度變化的研究較少,黃土高原從東到西的土壤性質(zhì)變化如何,土壤團聚體穩(wěn)定性怎樣變化。本研究選取黃土高原地區(qū)土壤為研究對象,在不同經(jīng)度上設置采樣點,研究其土壤性質(zhì)與抗蝕性能力變化,有助于了解黃土高原土壤性質(zhì)及土壤團聚體穩(wěn)定性規(guī)律,為其生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和退耕還林還草工程提供理論支持和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原地區(qū)(34°40′52.22″—36°49′40.06″N,104°17′12.70″—113°20′45.81″E),屬于半干旱大陸性季風氣候區(qū),年均溫度為9.5℃,年均降雨量為520.4 mm,平均海拔為1568 m。本研究從東到西在黃土高原林帶上選擇了武鄉(xiāng)、古縣、吉縣、黃龍、子午嶺、西峰、平?jīng)觥⑶f浪和定西九個采樣點,采樣原則是盡量選取人類干擾少的樣地。黃土高原地區(qū)的土壤類型是黃棉土,土體疏松,軟綿,主要特征是剖面發(fā)育不明顯,土壤侵蝕嚴重(圖1、2,表1)。

圖1 年平均溫度和平均降雨圖Fig.1 Annual average temperature and average rainfall maps

圖2 研究區(qū)域及樣點分布Fig.2 Distribution of sample sites

1.2 樣品采集與測定分析

2017年7月12日到8月1日,對研究地區(qū)的植被和地形條件進行調(diào)查,選取黃土高原從東到西的九個典型地區(qū)進行采樣,樣地基本情況見表1。采樣植物選取的是喬木(或灌木),為了更好地描述地區(qū)的現(xiàn)狀,在每個地區(qū)選擇2—3個優(yōu)勢植物。在每個樣地內(nèi)設置3個樣方,樣方大小為10 m×10 m。在樣方內(nèi)按著“S”形采樣法取點共9個點,用鋁盒分別采集0—20 cm、20—40 cm兩個土層的原狀土樣,共18個樣品；同時在每個樣點用土鉆取土,采集0—20 cm和20—40 cm的土壤樣品,九個樣點共計土壤樣品162個。收集好的土樣帶回實驗室,將原狀土按照其結構掰成直徑為5 cm的小塊,挑出植物、細根、石塊等雜物,處理好后放在通風處自然風干；土鉆收集的土壤樣品,挑出雜物,混勻、風干、過篩后裝入自封袋中,供室內(nèi)分析使用。

采用干篩法將土塊按照不同粒級進行分類,測得土壤各級團粒含量,取一份風干土樣(300 g)進行干篩,分別獲得>7、5—7、3—5、2—3、1—2、0.5—1、0.25—0.5、0—0.25 mm的土壤團粒質(zhì)量,計算土壤團粒各粒級質(zhì)量百分比。根據(jù)干篩法得到的各粒級團粒質(zhì)量比例配成兩個50 g的土樣,進行濕篩,得到土壤水穩(wěn)性團粒含量。用團聚體分析儀進行濕篩,將50 g土樣放在濾紙上,用蒸餾水全部潤濕即可(注意不要放太多蒸餾水),放置30 min后,將土樣全部倒進團聚體分析儀的小桶中,小桶中有一整套篩子,盛水深度剛好沒過最上邊的篩子上端(保證土全部在水中),使用團聚體分析儀濕篩1 min,將各粒級的篩子取出,用水將篩子上的團聚體清洗到質(zhì)量已知的燒杯中,分別得到>5、2—5、1—2、 0.5—1、0.25—0.5、<0.25 mm粒級的水穩(wěn)性團粒,用沙浴法烘干,冷卻到室溫后稱重,計算得各粒級土壤水穩(wěn)性團粒百分比。

將風干土壤過2 mm篩,再采用馬爾文激光粒度儀測定土壤的機械組成；土壤pH值采用水土比2.5∶1的玻璃電極法測定；土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤全氮采用硫酸-混合催化劑消煮,凱氏定氮儀(KDY- 9380,KETUO)進行測定；土壤全磷(TP)采用HClO4-H2SO4消煮后鉬藍比色法比色,利用紫外分光光度計測定[16]。樣地土壤基本化學性質(zhì)見圖3。

1.3 計算方法

土壤團聚體平均重量直徑(MWD/mm)(使用濕篩團聚體粒級計算)和土壤可蝕性因子K值(土壤理化性質(zhì)有限的情況下,只考慮土壤幾何平均粒徑)具體計算公式[17- 18]如下：

(1)

(2)

(3)

式中,xi為每個粒級下的團聚體平均直徑(mm),wi為每個粒級下的團聚體質(zhì)量百分數(shù)。

表1 樣地基本信息

圖3 樣地土壤基本化學性質(zhì)Fig.3 Basic chemical properties of the soil

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進行處理；采用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)的相關性分析；采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對不同經(jīng)度地區(qū)的pH值和土壤有機碳等進行分析,用Pearson法(α=0.05)對MWD值、K值、土壤有機碳及其他指標間的相關性進行分析；采用Origin 9.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 森林帶土壤的基本理化性質(zhì)

由圖2可知,并分別計算各個地區(qū)理化性質(zhì)的均值可得,土壤pH在5.67—8.87之間變化。其中0—20 cm和20—40 cm土層,土壤有機碳含量變化規(guī)律相似,都是武鄉(xiāng)地區(qū)的含量最高,定西地區(qū)的最低,其變化范圍分別為10.23—49.17 g/kg、5.52—34.06 g/kg；同一地區(qū)的土壤有機碳含量上層土壤比下層的高,0—20 cm土層和20—40 cm土層都是隨著經(jīng)度的升高,土壤有機碳含量總體呈增加趨勢,且0—20 cm土層比20—40 cm的含量高,古縣地區(qū)到武鄉(xiāng)的含量增加顯著(P<0.05)。0—20 cm土層武鄉(xiāng)地區(qū)的全氮含量最高,定西的最低,其變化范圍為1.10—3.95 g/kg；20—40 cm土層,武鄉(xiāng)地區(qū)的土壤全氮含量最高,定西地區(qū)的最低,變化范圍為0.62—2.91 g/kg,0—20 cm土層全氮含量比20—40 cm土層的高,0—20 cm土層和20—40 cm土層變化規(guī)律相似,兩個土層的全氮含量都是隨著經(jīng)度的升高總體呈增加趨勢,古縣地區(qū)到武鄉(xiāng)地區(qū)的含量增加顯著(P<0.05)。全氮含量變化規(guī)律與土壤有機碳含量變化規(guī)律相似。0—20 cm與20—40 cm土層的土壤總磷含量變化規(guī)律不明顯,變化幅度小,都在0.42—0.66 g/kg之間波動。

2.2 不同經(jīng)度下土壤團聚體粒徑分布特征

水穩(wěn)性團聚體結果顯示(圖4),一般地大于5 mm的團聚體含量在20.00%左右,在0—20 cm土層中,定西地區(qū)例外,含量是最低的,它的大于5 mm的團聚體含量為8.30%,武鄉(xiāng)地區(qū)大于5 mm的團聚體含量為18.86%,其余地區(qū)的含量都超過了20.00%,其中含量最高的是莊浪和平?jīng)龅貐^(qū),其含量為42.58%；在20—40 cm土層中,古縣地區(qū)大于5 mm的團聚體含量最高為35.26%,西峰地區(qū)的含量最低為22.39%。有研究指出,土壤水穩(wěn)性團聚體含量特別是>0.25 mm團聚體含量是反映土壤可蝕性的最佳指標之一。由圖2可知,在0—20 cm土層中,定西地區(qū)大于0.25 mm的團聚體含量最低,含量為29.87%,莊浪和平?jīng)龅貐^(qū)其含量最高為87.42%；在20—40 cm土層中,定西地區(qū)其大于0.25 mm的團聚體含量為54.20%,也是研究地區(qū)中含量最低的,黃龍和吉縣地區(qū)中大于0.25 mm的團聚體百分含量為82.98%,含量是最高的。

圖4 土壤水穩(wěn)性團聚體的粒級分布Fig.4 Size distributions of soil water-stable aggregates

2.3 不同經(jīng)度下土壤團聚體平均重量直徑(MWD)分布特征

由圖5可知,無論是0—20 cm土層還是20—40 cm土層中,定西地區(qū)的土壤平均重量直徑(MWD)值都是最小的,其他幾個地區(qū)的MWD值差異不顯著。在0—20 cm土層中,定西地區(qū)的MWD值最小為1.02,平?jīng)龅貐^(qū)的MWD值最大為3.10,其他地區(qū)的MWD值均大于2.00；莊浪、平?jīng)觥⒆游鐜X、黃龍、吉縣和古縣的MWD值的差異不明顯。在20—40 cm土層中,定西地區(qū)的MWD值為1.90,西峰地區(qū)的為1.91,黃龍的MWD值為2.91,其他地區(qū)的MWD值均大于2.30；每個地區(qū)上層和下層土壤的MWD值變化規(guī)律不明顯。

圖5 不同經(jīng)度下MWD變化Fig.5 MWD changes under different longitudes

2.4 土壤可蝕性K值比較

土壤可蝕性K值是土壤抵抗水蝕能力大小的一個相對綜合的指標,K值越大,土壤抗侵蝕能力越弱；相反,K值越小,土壤抗侵蝕能力越強。由圖6可知,上層土壤和下層的變化趨勢相同,都隨著經(jīng)度的升高,K值先降低后增加,之后變化趨于平緩。上下兩個土層中,定西地區(qū)的土壤可蝕性值K都顯著地高于其他地區(qū)。在0—20 cm土層中,其中平?jīng)龅貐^(qū)的K值最小,值為0.023,定西地區(qū)的K值最大,值為0.210；在20—40 cm土層中,其中黃龍地區(qū)的K值最小,值是0.023,定西地區(qū)的K值最大,值是0.131。

圖6 不同經(jīng)度下的K值變化Fig.6 Changes of soil erodibility at different longitudes

2.5 相關性分析

由表2可知,MWD值與溫度成極顯著性正相關；與K值、全磷成極顯著性負相關。K值與pH、全磷、海拔成顯著性正相關；與經(jīng)度、溫度成極顯著性負相關；與有機碳、降雨量成顯著性負相關。土壤有機碳與全氮、全磷、經(jīng)度和海拔成極顯著性正相關,與溫度成顯著性正相關；與pH 、降雨量成極顯著性負相關。全氮與全磷、經(jīng)度和海拔成極顯著性正相關；與pH、降雨量成極顯著性負相關。土壤的pH與溫度和經(jīng)度成極顯著性負相關,與海拔成顯著性負相關。

表2 經(jīng)度尺度上土壤基本理化性質(zhì)與團聚體的性質(zhì)和環(huán)境因子相關性分析

Table 2 Correlation analysis between basic physical and chemical properties of soil and the properties of agglomerates and environmental factors on longitude scale

因子 FactorMWDKLpH SOCTNTPRTAMWD1-0.756**0.042-0.0260.0820.050-0.292**-0.0150.287**-0.024K1-0.311**0.191*-0.200*-0.1670.172*-0.222*-0.407**0.181*L1-0.613**0.557**0.555**0.1680.1370.609**-0.216*pH 1-0.539**-0.525**0.0140.117-0.318**-0.271*SOC10.972**0.404**-0.355**0.182*0.341**TN10.459**-0.327**0.1240.325**TP1-0.069-0.1550.012R10.141-0.748**T1-0.468**A1

MWD：平均重量直徑, Mean weight diameter; K: 土壤可蝕性值, Soil erodibility value; L: 海拔, Longitude; SOC: 土壤有機碳, Soil organic carbon; TN: 全氮, Total nitrogen; TP: 全磷, Total phosphorus; R: 降雨量, Rainfall; T: 溫度, Temperature; A: 海拔, Altitude; **在0.01水平(雙側)上顯著相關, *在0.05水平(雙側)上顯著相關

3 討論

3.1 土壤理化性質(zhì)沿經(jīng)度變化規(guī)律

該研究中,黃土高原林線地區(qū)緯度在35°—36°N變化,差異很小,經(jīng)度有所不同且呈梯度變化,因而各個地區(qū)土壤的立地條件是不相同的。根據(jù)測定的實驗結果表明,土壤pH在5.67—8.87之間變化,隨著經(jīng)度的增加,pH值逐漸減??；隨著經(jīng)度的變化,全磷含量的變化浮動小；土壤有機碳含量隨著經(jīng)度的升高,總體上呈現(xiàn)明顯增加的趨勢,但是莊浪和平?jīng)龅貐^(qū)的含量不同,其有機碳含量比子午嶺地區(qū)的要高。土壤的全氮與有機碳含量的變化趨勢相同[19-20],相關性分析表明,兩者具有極顯著性相關性；土壤有機碳、全氮含量在0—20 cm土層中都是高于20—40 cm土層的,這個結論與很多研究是相同的[21- 23]。凋落葉是土壤有機質(zhì)的主要來源,研究區(qū)的植被多為喬木或者灌木,其覆蓋度大,枯枝落葉多,因而凋落物分解歸還的養(yǎng)分主要集中在表層土壤,所以上層的含量高于下層[23],這與朱秋蓮等[24]對黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被區(qū)得出的結論相同。土壤有機碳和全氮含量隨經(jīng)度的變化規(guī)律與呼倫貝爾草原區(qū)的研究[25]相似,相關性分析表明兩者都與經(jīng)度成極顯著性相關關系；而全磷含量在呼倫貝爾草原區(qū)隨著經(jīng)度的升高而顯著增加,黃土高原地區(qū)隨著經(jīng)度的升高土壤全磷含量變化無規(guī)律。呼倫貝爾草原區(qū),植被類型是以草地為主,而本研究區(qū)植被類型是喬木(或者灌木),植被不相同,再加上氣候條件上明顯的不同,因而土壤全磷變化含量隨著經(jīng)度變化的規(guī)律有一定差別。磷是一種沉積性礦物,不易被遷移[26],所以土壤中磷含量在上下層中含量差異不顯著。土壤全磷含量主要受土壤類型、地區(qū)氣候、植被類型的影響[27- 28]。根據(jù)相關分析可知,代表氣候的年平均降雨量、年平均溫度與土壤全磷之間差異不顯著；土壤類型的影響,這幾個地區(qū)均是黃棉土,因而造成黃土高原地區(qū)土壤全磷含量差異不顯著的原因應該是植被類型,研究區(qū)研究植被類型是喬木(或灌木),喬木植被高大,覆蓋度大,枯枝落葉也豐富,大量的枯落葉分解對于土壤全磷具有重要的影響,所以黃土高原土壤全磷含量變化不明顯。

經(jīng)度上的變化,歸根是各地區(qū)的水熱條件不同,具體表現(xiàn)為年平均降雨量、年平均溫度不相同,從而影響著土壤理化性質(zhì)。相關性分析數(shù)據(jù)表明,土壤有機碳、全氮與全磷、經(jīng)度和海拔都呈極顯著性正相關關系,定西地區(qū)的主要植被是灌木檸條,其他地區(qū)是喬木,植被的類型會影響土壤有機碳、全氮含量,植被覆蓋度越高,其枯枝落葉越豐富,凋落物分解歸還給土壤的養(yǎng)分越多,土壤有機碳的含量也就越大,并且定西地區(qū)的年降雨量、年平均溫度都是最低的,海拔是幾個地區(qū)中最高的,所以定西地區(qū)的土壤有機碳、全氮含量最低主要受限制因素可能是植被類型、降雨量和溫度。莊浪和平?jīng)龅貐^(qū)的土壤有機碳、全氮含量不同,比西峰、子午嶺地區(qū)的要高,莊浪、平?jīng)龅貐^(qū)與西峰、子午嶺地區(qū)相比,年平均溫度差異不大,年均降雨量值小,而海拔高,這幾個地區(qū)植被類型均為喬木,有研究表明土壤有機碳含量總體上隨著海拔的上升而有升高的變化趨勢[29],主要原因是海拔高,地表溫度低,影響了土壤中的微生物活性,影響了微生物對凋落物的分解作用,導致土壤有機碳累積增加,土壤有機碳與全氮具有極顯著性正相關,所以海拔因素可能是莊浪和平?jīng)龅貐^(qū)的土壤有機碳含量比西峰、子午嶺地區(qū)高的主要原因。綜上所述,土壤有機碳、全氮含量受氣候、土壤、植被、海拔等自然環(huán)境和人為活動的綜合因素的影響。

3.2 經(jīng)度變化下土壤團聚體穩(wěn)定性的差異

土壤團聚體是土壤成分的基本單元,是土壤養(yǎng)分的儲存庫[30- 31]。土壤團聚體穩(wěn)定性的大小與土壤有機質(zhì)、礦質(zhì)養(yǎng)分、水分和pH值等理化性質(zhì)有關外,還受植被類型[32]、立地條件[33]等外部因素的間接影響。土壤平均重量直徑(MWD值)與土壤可蝕性(K值)是表明土壤團聚體穩(wěn)定性的兩個指數(shù)。黃土高原土壤團聚體的穩(wěn)定性變化,研究區(qū)緯度差異不大,由于經(jīng)度有所不同,其不同立地條件下的土壤團聚體穩(wěn)定性有所不同。0—20 cm與20—40 cm土層變化規(guī)律略有不同,MWD值最小的都出現(xiàn)在定西地區(qū),K值最大的也出現(xiàn)在定西地區(qū),說明定西地區(qū)的土壤容易被侵蝕破壞,其土壤相對于其他地區(qū)的土壤更容易被侵蝕,抵抗侵蝕性能是最弱的。有研究表明植被類型不同,會影響土壤團聚體穩(wěn)定性,因而會產(chǎn)生MWD值、K值與其他地區(qū)不相同,植被類型對團聚體的形成也有關系[27- 28],植被群落越穩(wěn)定,其枯枝落葉越多,再加上樹葉的繁密,減少了降雨等對土壤團聚體結構的破壞作用,所以土壤團聚體穩(wěn)定性就越高[5]。大于0.25 mm的土壤團聚體(大團聚體)的含量可以表明土壤團聚體穩(wěn)定性[34],0—20 cm土層,只有定西地區(qū)大于0.25 mm的含量為34%,其他地區(qū)的均大于70%,差異較??；20—40 cm土層中,只有定西地區(qū)大于0.25 mm的含量為54%,其他地區(qū)的均大于65%,大團聚體含量越高,說明土壤團聚體越穩(wěn)定,所以定西地區(qū)的土壤團聚體穩(wěn)定性較其他地區(qū)的較低,其他地區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性較好。

土壤團聚體的穩(wěn)定性可能與溫度有關系,根據(jù)相關性分析數(shù)據(jù)可知,MWD、K值兩個指數(shù)都與溫度呈極顯著性相關關系,隨著溫度的升高,微生物的活動量增加,微生物在土壤團聚體形成和穩(wěn)定中發(fā)揮著重要的作用[35],可能促進土壤團聚體的形成,使得土壤團聚體更加穩(wěn)定。土壤有機碳對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響,隨著經(jīng)度的升高,土壤有機碳含量呈現(xiàn)明顯增加趨勢,研究結果表明,除定西地區(qū)外,其他地方土壤團聚體的穩(wěn)定性差異不大,所以影響土壤團聚體的穩(wěn)定性的主要因素不是土壤有機碳含量。土壤團聚體穩(wěn)定性與土壤類型關系[36- 37],黃土高原研究區(qū)的土壤是黃綿土,特點是土層深厚、質(zhì)地均一、多孔疏松、透水透氣,易于耕作,土壤類型基本相同,由于植被類型有所不同,定西的主要植物為灌木,其他研究區(qū)的主要植物是喬木,因而土壤團聚體分布有所不同,穩(wěn)定性有差異,綜上所述,土壤團聚體穩(wěn)定性是土壤類型、植被類型、環(huán)境條件、土壤有機碳含量綜合作用的結果,該研究區(qū)植被類型可能是土壤團聚體形成的主要影響因素。

4 結論

通過測定黃土高原九個地點的理化性質(zhì)及土壤各級團粒含量,經(jīng)過計算并研究得出,黃土高原土壤理化性質(zhì)隨著經(jīng)度的變化呈現(xiàn)不同的特征。土壤有機碳和全氮含量分布具有空間一致性,都隨經(jīng)度的增加呈現(xiàn)增加趨勢,全磷含量隨著經(jīng)度的升高,變異較小。隨著經(jīng)度的變化喬木林下的土壤團聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性表現(xiàn)差異較小,而土壤團聚體穩(wěn)定性與其植被類型有很大關系。黃土高原的定西地區(qū)主要植物為檸條,該區(qū)的土壤團聚體穩(wěn)定性比喬木的弱,土壤可蝕性值較喬木的大,定西地區(qū)容易發(fā)生土壤侵蝕,因此黃土高原地區(qū)喬木林土壤抗蝕性較好。