姜勇祥,藍(lán)家程,龍家輝
(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院,貴州 貴陽 550001;3.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽 550001)
中國西南喀斯特地區(qū)受特殊水文地質(zhì)背景、氣候、地形地貌和人類活動影響,石漠化和水土流失問題嚴(yán)重[1]。石漠化是制約中國西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)因素[2],其形成的核心問題是水土流失[3]。自1999年中國實(shí)施“退耕還林還草工程”和一系列石漠化綜合治理工程,植被恢復(fù)明顯,水土流失得到有效控制,石漠化發(fā)展趨勢得到有效遏制[4]。植被恢復(fù)能夠增加土壤有機(jī)碳含量,促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成,改善土壤環(huán)境和生態(tài)功能,有效遏制水土流失[5]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是決定土壤抗侵蝕能力和退化速率的重要因素[6-7]。因此,開展喀斯特石漠化地區(qū)不同退耕模式對土壤團(tuán)聚體組成和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究,對石漠化地區(qū)植被恢復(fù)模式的選擇具有重要意義。土壤團(tuán)聚體可劃分為粗大團(tuán)聚體(>2 mm)、細(xì)大團(tuán)聚體(>0.25~2 mm)、微團(tuán)聚體(0.25~0.053 mm)和粉-黏結(jié)合團(tuán)聚體(<0.053 mm)[8]。已有研究表明,林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾螅?0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量顯著下降,<0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體含量顯著增加[9];喬木林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后,粗大團(tuán)聚體含量明顯下降,<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量顯著上升,團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降[10];相反,植被由荒地轉(zhuǎn)變?yōu)榱止?、灌叢和草地,明顯增加了>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性,提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性[11]??梢姡脖蛔兓@著影響土壤團(tuán)聚體分布,進(jìn)而影響土壤穩(wěn)定性。土層深度對土壤團(tuán)聚體也有顯著影響。如,植被恢復(fù)(恢復(fù)年限為3~30 a)后,表層(0~10 cm)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(Mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(Geometric mean diameter,GMD)和團(tuán)聚體破壞率(Percentage of aggregate destruction,PAD)均顯著大于底層(25~40 cm)[12]。胡陽等[11]研究認(rèn)為,巖溶山區(qū)植被恢復(fù)樣地表層土>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量明顯高于下層。對貴州花江喀斯特小流域內(nèi)35 a生和14 a生花椒林研究發(fā)現(xiàn),2種年限花椒林土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈現(xiàn)先增加后減少的倒“V”形分布,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量以>0.5~5 mm 粒徑為主;與旱地相比,花椒林地并未顯著增加大粒徑團(tuán)聚體,相反,>2~5 mm 粒徑反而增加,表明耕作并未明顯減少大團(tuán)聚體含量[13]。不同研究結(jié)果有所差異,甚至不一致性,主要是因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體形成和穩(wěn)定受多方面因素影響。如,植被類型、土地利用類型、土層以及土壤有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)影響。已有研究對喀斯特地區(qū)土壤團(tuán)聚體分布多是從自然恢復(fù)角度[14-15],也有探討不同種植年限花椒林土壤團(tuán)聚體特征[13]。對自然退耕還林和人工林對土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性影響的對比研究不足。板貴花椒(Zanthoxylum)是貴州喀斯特高原干熱河谷石漠化地區(qū)常見的造林樹種,在石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。然而,近些年黔中石漠化地區(qū)花椒表現(xiàn)出了衰老退化現(xiàn)象[16],相應(yīng)的土壤結(jié)構(gòu)是否發(fā)生退化仍需研究。探究喀斯特石漠化地區(qū)自然退耕喬木林、人工種植花椒林模式對土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性的影響,以期為石漠化地區(qū)不同植被恢復(fù)模式的水土保持效益評估提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于貴州省關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn)喀斯特峽谷石漠化綜合治理示范區(qū)內(nèi)的峽谷村、五里村、壩山村 (105°36′48″~105°39′55″E, 25°40′26″~25°41′52″N)。氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ц蔁岷庸葰夂?,多年平均降水量約1 100 mm,冬春季節(jié)溫暖干旱,夏秋季節(jié)高溫多雨,雨季集中在5~10月,多年平均氣溫18.4 ℃。該區(qū)地貌為典型的喀斯特高原峽谷地貌,海拔約為456~1 313 m,垂直高差約857 m。高原峽谷地貌河谷深切發(fā)育,坡度陡峻,水土流失嚴(yán)重,巖石裸露率高、植被覆蓋率低,石漠化發(fā)育。土壤以碳酸鹽巖風(fēng)化發(fā)育的石灰土為主。
1.2.1 樣地設(shè)置及樣品的采集
選取研究區(qū)耕地(對照)、自然退耕喬木林地、人工花椒林地土壤為研究對象。2018年11月,在研究區(qū)選取4個耕地樣地、4個人工花椒林樣地和3個喬木林樣地,每個樣地分別設(shè)置3個10 m×10 m樣方,采集0~10 cm、>10~20 cm、>20~40 cm土層原狀土壤,每個樣地采集9個土樣。喬木林地主要生長有香椿 (Toonasinensis)、欒樹 (Koelreuteriapaniculata)、楹樹 (Albiziachinensis(Osbeck) Merr.)等?;ń?Zanthoxylum)林為當(dāng)?shù)刂饕氖卫斫?jīng)濟(jì)灌木樹種。耕地主要種植玉米,種植歷史50 a以上。研究區(qū)位置及樣地分布見圖1。
圖1 研究區(qū)位置及樣地分布Fig.1 Location and sampling location distribution of the study area
1.2.2 土壤團(tuán)聚體分離
在研究區(qū)采集原狀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,室內(nèi)風(fēng)干至土壤塑限時,沿自然結(jié)構(gòu)面掰成10 mm大小,剔除植物根系、石塊及動植物殘體等,繼續(xù)風(fēng)干;取風(fēng)干土樣500 g,利用機(jī)械篩分儀 (型號F—SD200,轉(zhuǎn)速3 000 r/min,頻率50 Hz) 將土樣分離出>5~10 mm、>2~5 mm、>1~2 mm、0.25~1 mm、<0.25 mm土壤粒徑,分別稱重。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析采用濕篩法,步驟為:按照不同粒徑比例配比50 g干篩土樣,置于5 mm、2 mm、1 mm、 0.25 mm、0.053 mm組成的套篩上,將套篩置于裝有去離子水的水桶中浸泡5 min后,利用團(tuán)聚體振蕩篩分儀(型號DS—100)機(jī)械篩分10 min (振幅3 cm,頻率30 次/min),每個樣品重復(fù)3次,振蕩結(jié)束后分別收集各粒徑孔篩和桶中土樣于鋁盒中,將>5 mm和>2~5 mm混合,在 60 ℃下烘干至恒重并稱重。
1.2.3 數(shù)據(jù)處理
運(yùn)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,采用SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析(Oneway ANOVA)和Pearson相關(guān)分析,方差分析的差異顯著性水平(P<0.05) 通過最小顯著差異法( LSD) 進(jìn)行檢驗(yàn),相關(guān)分析的顯著性水平為P<0.05。使用Origin9.0進(jìn)行圖件制作。
1.2.4 指標(biāo)計算
采用>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)行評價,各指標(biāo)計算公式[17]如下。
(1)
(2)
(3)
(4)
通過濕篩法獲得研究區(qū)不同退耕模式下土壤團(tuán)聚體含量,見表1。從表1可見,不同土地利用類型均以粗大團(tuán)聚體和細(xì)大團(tuán)聚體為主。其中,喬木林地以粗大團(tuán)聚體占主導(dǎo),耕地以細(xì)大團(tuán)聚體占主導(dǎo),花椒林地粗大團(tuán)聚體含量和細(xì)大團(tuán)聚體含量相當(dāng)。不同退耕模式對土壤團(tuán)聚體分布有顯著影響。耕地退耕為喬木林和花椒林均顯著增加了不同土層粗大團(tuán)聚體含量(P<0.05)。喬木林地和花椒林地0~40 cm土層粗大團(tuán)聚體平均含量分別比耕地增加了41.3%和23.2%,且增加的幅度隨土層深度增加而減??;相反,耕地退耕為喬木林和花椒林顯著減少了不同土層細(xì)大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉-黏結(jié)合團(tuán)聚體含量(P<0.05),且減小比例隨團(tuán)聚體粒徑增加而增加,隨土層深度增加而減小。喬木林地和花椒林地0~40 cm土層細(xì)大團(tuán)聚體平均含量分別較耕地減小了47.9%和30.6%;微團(tuán)聚體平均含量分別較耕地減小了71.3%和26.5%;粉-黏結(jié)合團(tuán)聚體平均含量分別較耕地減小了62.7%和28.7%。
由表1可知,3種不同土地利用方式,土層團(tuán)聚體分布有所差異。耕地中,不同土層粗大團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為>20~40 cm土層顯著高于0~10 cm和>10~20 cm土層;花椒林地不同土層不同粒徑團(tuán)聚體含量無顯著差異;土層對喬木林地團(tuán)聚體分布影響顯著,其中粗大團(tuán)聚體含量隨土層深度增加而顯著減小,其余粒徑團(tuán)聚體含量隨土層深度增加而顯著增加。
表1 研究區(qū)不同退耕模式下土壤團(tuán)聚體組成Tab.1 Composition of soil aggregates under different de-farming patterns in the study area
2.2.1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量R0.25分析
由圖2可知,喬木林地各土層水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量均顯著高于耕地和花椒林地(P<0.05),耕地和花椒林地?zé)o顯著差異。0~10 cm土層,喬木林地R0.25值較耕地和花椒林地分別增加15.42%和9.26%;>10~20 cm土層,分別增加13.1%和4.4%;>20~40 cm土層,分別增加4.63%和5.54%。
注:不同大寫字母表示同一土層深度不同退耕模式間差異顯著(P<0.05);不同小寫字母表示同一退耕模式不同土層深度間差異顯著(P<0.05)。下同。
2.2.2 土壤團(tuán)聚體MWD與GMD分析
土壤團(tuán)聚體MWD與GMD是評價團(tuán)聚體穩(wěn)定性時較常用的重要評價指標(biāo),MWD與GMD值越大,土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越高,反之土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越低[18]。不同退耕模式對土壤團(tuán)聚體MWD(圖3,A)與GMD(圖3,B)值影響顯著??傮w上,不同土層土壤團(tuán)聚體MWD和GMD值均表現(xiàn)為:喬木林地>花椒林地>耕地,隨著土層深度的增加,不同土地利用間差異在減小。退耕后,喬木林地0~10 cm土層MWD、GMD值分別顯著增加了183%和275%;>10~20 cm土層分別顯著增加了109%和140%;>20~40 cm土層分別顯著增加了56%和67%?;ń妨值?~10 cm土層MWD、GMD值分別較耕地顯著增加了79%和76%;>10~20 cm土層分別顯著增加了80%和86%;>20~40 cm土層分別增加了32%和26%,但無顯著差異。總體上,喬木林的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性好于花椒林地。
從同一土地利用不同土層看,花椒林地不同土層MWD和GMD值無顯著差異,耕地和喬木林地不同土層MWD和GMD值均顯著差異(圖3)。但耕地不同土層MWD和GMD值隨土層深度增加而增加,喬木林地則呈相反趨勢。這一結(jié)果與粗大團(tuán)聚體含量和R0.25值變化趨勢相似。
圖3 研究區(qū)不同退耕模式下土壤團(tuán)聚體MWD及GMD值Fig.3 The values of MWD and GMD of soil aggregates under different de-farming patterns in the in the study area
2.2.3 土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D分析
不同土地利用土壤分形維數(shù)如圖4所示。不同土層土壤團(tuán)聚體團(tuán)聚體分形維數(shù)D值均表現(xiàn)為耕地>花椒林地>喬木林地(P<0.05),這一結(jié)果與MWD和GWD值相反。從不同土層來看,耕地中,>20~40 cm土層團(tuán)聚體分形維數(shù)D值顯著高于0~10 cm和>10~20 cm土層(P<0.05);花椒林地各土層團(tuán)聚體分形維數(shù)D值均無顯著差異;喬木林地0~10 cm土層團(tuán)聚體分形維數(shù)D值顯著低于>10~20 cm和>20~40 cm土層(P<0.05)。
圖4 研究區(qū)不同退耕模式土壤分形維數(shù)DFig.4 Soil fractal dimension D under different de-farming patterns in the study area
2.2.4 土壤團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性指標(biāo)相關(guān)分析
土壤團(tuán)聚體組成與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)、全土有機(jī)碳(SOC)含量相關(guān)性分析見表3。由表3可知,R0.25與MWD、GMD呈極顯著正相關(guān)(P<0.01,下同);MWD與GMD呈極顯著正相關(guān);分形維數(shù)D與R0.25、MWD、GMD均呈極顯著負(fù)相關(guān)。各粒徑團(tuán)聚體含量與R0.25、MWD、GMD和分形維數(shù)D均呈極顯著相關(guān),正負(fù)相關(guān)性以2 mm為界(>2 mm為正,<2 mm為負(fù))。SOC含量與R0.25、MWD、GMD均呈極顯著正相關(guān),與分形維數(shù)D呈極顯著負(fù)相關(guān),與粗大團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān),與其余粒徑團(tuán)聚體含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)。
表2 研究區(qū)土壤團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)、全土有機(jī)碳相關(guān)性分析Tab.2 Correlation between of soil aggregates contents, aggregate stability indexes and total soil organic carbon in the study area
研究發(fā)現(xiàn),退耕為喬木林地和花椒林地顯著增加了粗大團(tuán)聚體含量、R0.25、MWD和GWD值,顯著減小了細(xì)大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉-黏結(jié)合團(tuán)聚體含量以及分形維數(shù)D值,說明退耕使細(xì)大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉-黏結(jié)合團(tuán)聚體向粗大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化,促進(jìn)了土壤團(tuán)聚化,增強(qiáng)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性。許多研究也表明,退耕顯著增加了大團(tuán)聚體含量,顯著降低了小團(tuán)聚體含量,促進(jìn)了團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定[19-23]。退耕后,細(xì)大團(tuán)聚體含量減小的比例明顯大于微團(tuán)聚體和粉-黏結(jié)合團(tuán)聚體含量減小的比例,表明退耕主要促進(jìn)細(xì)大團(tuán)聚體形成粗大團(tuán)聚體,而耕作加快了土壤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn),粗大團(tuán)聚體不斷破壞成更小的團(tuán)聚體??赡茉蚴牵?)植被恢復(fù)增加了植物殘體的輸入、根系分泌物,促進(jìn)了土壤顆粒團(tuán)聚化[24]。本研究中喬木林地枯枝落葉層約4~5 cm,腐殖質(zhì)層約2~3 cm,花椒林地枯枝落葉層較薄 (約1 cm),耕地幾乎沒有任何植物殘體輸入。同時,植被恢復(fù)減少了人為破壞,促進(jìn)了團(tuán)聚體形成[25]。2)長期的耕作破壞了土壤大團(tuán)聚體,降低了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。3)土壤有機(jī)碳對小團(tuán)聚體的膠結(jié)作用是大團(tuán)聚體形成的重要機(jī)制[19-21]。本研究中土壤有機(jī)碳含量與粗大團(tuán)聚體含量、MWD、GWD顯著正相關(guān),與分形維數(shù)D顯著負(fù)相關(guān),表明土壤有機(jī)碳含量的增加能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。喬木林地和花椒林地由于增加了植被地表和地下生物量,使得輸入土壤的生物量也越大[26],有利于土壤有機(jī)碳的積累。而耕地由于每年的收割,大大減少了農(nóng)作物殘余物輸入土壤的數(shù)量,土壤有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充較少,加上長期翻耕,加快了土壤有機(jī)碳分解。喬木林土壤粗大團(tuán)聚體含量、R0.25、MWD和GWD值較花椒林地大,表明自然退耕還林較人工種植花椒林更有利于促進(jìn)粗大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定,這可能與不同退耕模式的管理方式、植被覆蓋、樹種類型和退耕年限等有關(guān)?;ń妨值夭扇∵m當(dāng)?shù)娜藶槭┓?、耕作,并定期裁枝收取花椒,且花椒林齡較短(5~10 a),根系分布較淺;喬木林地以自然恢復(fù)為主,大多樹種退耕10 a以上,根系發(fā)達(dá),地表和地下生物量豐富,因此喬木林地粗大團(tuán)聚體含量較高,團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好。但種植花椒既可以提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,又具有一定經(jīng)濟(jì)效益,是一種兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的退耕措施。因此,對于適合自然退耕還林的區(qū)域,可以選擇生態(tài)效益為主的自然恢復(fù)模式;而對于海拔較低區(qū)域,可以選擇種植花椒模式,但要注意科學(xué)管理。
土層深度對不同土地利用方式土壤團(tuán)聚體分布的影響有所差異。喬木林地和花椒林地土壤粗大團(tuán)聚體含量、R0.25、MWD和GWD值表現(xiàn)出隨土層深度的增加而減小的趨勢,這可能與凋落物和根系主要在表層積累有關(guān)。花椒林地不同土層間團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)差異不顯著,一方面與花椒林林齡較短(5~10 a),根系分布較淺,對深層土壤的影響有限有關(guān);另一方面可能是因?yàn)槿斯せń妨值厥┓实然顒?,需要定期翻耕,并且長期單一種植,使土壤恢復(fù)較慢。耕地不同土層間土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性指標(biāo)無顯著差異,主要是因?yàn)殚L期的翻耕使得表層和底層土混合。此外,與耕地相比,喬木林地和花椒林地團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性指標(biāo)變化幅度隨土層深度的增加而減小,說明表層土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性的變化對土地利用變化的響應(yīng)更為敏感。
土壤MWD、GWD和粗大團(tuán)聚體含量在不同利用方式和土層間變化趨勢相似,D值則與粗大團(tuán)聚體含量的變化趨勢相反。相關(guān)分析表明,粗大團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)顯著相關(guān),表明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性主要由粗大團(tuán)聚體含量決定。土壤各粒徑團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)顯著相關(guān),且正負(fù)相關(guān)性以2mm粒徑為界,證明退耕促進(jìn)了細(xì)大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉-黏結(jié)合團(tuán)聚體形成粗大團(tuán)聚體,增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。這與姜敏等[17]研究發(fā)現(xiàn)的MWD、GMD值與各粒徑團(tuán)聚體含量的正負(fù)相關(guān)性以1 mm為界不同,可能與石灰土粗大團(tuán)聚體含量較高,團(tuán)聚體穩(wěn)定性較強(qiáng)有關(guān)。此外,MWD、GMD和D值與>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量的相關(guān)系數(shù)較與<0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體含量相關(guān)系數(shù)高,且>0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體含量顯著高于<0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體含量,說明微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化過程中,0.25 mm是一個關(guān)鍵的臨界值。姜敏等[17]和劉毅等[27]的研究也表明,土壤團(tuán)聚體從微團(tuán)粒(<0.25 mm)到團(tuán)粒(>0.25 mm)的轉(zhuǎn)化中,0.25 mm粒徑分界對土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)和土壤結(jié)構(gòu)起重要作用。
1)貴州關(guān)嶺花江石漠化綜合治理示范區(qū)不同退耕模式顯著影響土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性。退耕顯著增加了粗大團(tuán)聚體含量和R0.25、MWD、MGD值,顯著降低了<2 mm粒徑團(tuán)聚體含量和分形維數(shù)D,表明退耕為喬木林和花椒林均促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定,改善了土壤結(jié)構(gòu)。
2)退耕為喬木林模式較人工花椒林模式對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的改善效果更好。然而,花椒林模式兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益,可能仍然是該區(qū)域石漠化治理的有效措施。
3)退耕后,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增強(qiáng)主要由粗大團(tuán)聚體含量增加決定,土壤團(tuán)聚化過程中2 mm和0.25 mm粒徑是關(guān)鍵的臨界點(diǎn);土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性指標(biāo)變化幅度隨土層深度的增加而減小,說明表層土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性的變化對土地利用變化的響應(yīng)更為敏感。