王 磊, 劉晴廙, 史經(jīng)攀, 李俊杰, 韓夢(mèng)豪, 陳 斌, 陳 杭, 關(guān)慶偉

(1.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院, 南京 210037; 2.豐縣水利局, 江蘇 徐州 221799;3.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

土壤團(tuán)聚體是土壤顆粒在各種有機(jī)無機(jī)膠結(jié)劑作用下形成的基本土壤結(jié)構(gòu)單元,其穩(wěn)定性與土壤質(zhì)量、抗蝕能力和固碳潛力密切相關(guān)[1-2]。不同植被類型因自身形態(tài)特征、地表凋落物和根系返還不同,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)輸入、微生物活性和理化性質(zhì)存在差異,進(jìn)而影響土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定[3-4]。An等[5]研究發(fā)現(xiàn),森林和人工灌叢通過提高有機(jī)質(zhì)水平增加原土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。任榮秀等[6]研究表明,自然恢復(fù)和營(yíng)造刺槐人工林可以促進(jìn)表土層有機(jī)質(zhì)累積,提高土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此,有機(jī)碳是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素,但土壤團(tuán)聚體不同粒徑有機(jī)碳含量存在差異,Ayoubi等[7]指出土壤大團(tuán)聚體比例高與有機(jī)碳存量高有關(guān)。Wang等[8]研究表明,植被恢復(fù)15 a后土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高,而李娟等[9]研究認(rèn)為<0.25 mm微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳含量最高。上述研究表明,團(tuán)聚體不同粒徑有機(jī)碳分布及其對(duì)團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定的影響尚不明確。此外,崔芯蕊等[10]研究表明根質(zhì)量密度是團(tuán)聚體穩(wěn)定性最大的影響因子。章明奎等[11]指出,在土壤有機(jī)質(zhì)水平較低時(shí),鐵鋁氧化物是團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定性的主要膠結(jié)物質(zhì)?？傮w來說,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響與土壤有機(jī)碳及環(huán)境因素密切相關(guān),但受成土母質(zhì)和氣候條件等環(huán)境條件的影響,研究結(jié)果不盡相同。

江蘇省北部平原沙土區(qū)受黃河泛濫和沖擊的影響,發(fā)育形成了以潮土和風(fēng)沙土為主的結(jié)構(gòu)疏松、抗侵蝕能力弱的土壤類型,加之區(qū)域內(nèi)降雨集中、降雨強(qiáng)度大以及長(zhǎng)期以來對(duì)水土資源的過度利用,加劇了水土流失的進(jìn)程[12]。河岸帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)過渡帶,具有過濾污染物和防止水土流失的功能[13-14]。目前,對(duì)不同植被類型河岸帶研究主要集中于泥沙遷移[15]、氮磷淋失[16]和土壤理化指標(biāo)等[17]方面,而對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳分布及環(huán)境因素關(guān)系的研究缺乏深入討論。因此,明確造林初期不同植被類型下河岸帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及影響因素,對(duì)提高河岸帶土壤顆粒黏聚力和抗蝕能力,降低沙土區(qū)水土流失具有重要意義。

為此,本文以豐縣復(fù)新河中游河岸帶楊樹(Populuseuramevicanacv.46)純林、柳樹(Salix×jiangsuensis“J172”)純林、楊柳混交林3種植被類型及對(duì)照為對(duì)象,探究土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布和穩(wěn)定性指標(biāo)及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量特征,旨在明晰不同植被類型下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其影響因子,以期為提高平原沙土區(qū)河岸帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗蝕能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于江蘇省豐縣復(fù)新河中游(116°21′15″—116°52′03″E,34°24′25″—34°56′27″N),屬黃泛沖積平原,海拔34.5～48.2 m。屬暖溫帶季風(fēng)氣候,四季分明,光照充足,雨量適中,雨熱同期,無霜期200 d左右。年均降雨量630.4 mm,年均氣溫15.3℃。試驗(yàn)地土壤以微堿性潮土為主[18],土壤濕潤(rùn),土質(zhì)分布均勻,周邊區(qū)域以農(nóng)業(yè)為主。主要喬木樹種有楊樹、柳樹、泡桐(Paulowniatomentosa)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、女貞(Ligustrumlucidum)。

1.2 樣地設(shè)置和采樣方法

試驗(yàn)地為2006年河道整治形成地勢(shì)平坦的河岸緩沖帶,寬約40 m,長(zhǎng)約6 km,沿河道依次營(yíng)造長(zhǎng)2 km林齡相同楊樹純林(PPP)、柳樹純林(PWP)和楊柳混交林(PWM)。楊樹品種為“46-楊”,柳樹品種為“蘇柳172”,林齡為15 a,初始營(yíng)造密度為500株/hm2。楊樹純林、柳樹純林、楊柳混交林下皆有天然更新的灌木和草本,其中灌木主要有枸杞(Lyciumchinense)、苧麻(Boehmerianivea)等;草本植物主要有狗尾草(Setariaviridis)、沼生水馬齒(Callitrichepalustris)等。試驗(yàn)地基本概況見表1。

采樣時(shí)間為2022年3月。每種植被類型分別設(shè)置3個(gè)面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地間距大于300 m,根據(jù)試驗(yàn)地踏勘情況,設(shè)置撂荒地為對(duì)照(CK),樣地布設(shè)同上,撂荒地植被以狗尾草等草本植物為主。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中按“S”型選取5個(gè)采樣點(diǎn)挖取土壤剖面,去除地表凋落物,分0—20 cm,20—40 cm和40—60 cm 3個(gè)土壤層次分別采集土壤樣品,將各土層樣品充分混勻,作為該標(biāo)準(zhǔn)樣地的樣品,用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。在每個(gè)采樣點(diǎn)以同樣方法分0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm 3個(gè)土壤層次分別采集原狀土500 g,裝在塑料盒中帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干,并在風(fēng)干過程中按自然結(jié)構(gòu)剝成小土塊,并用鑷子除去土樣中的樹根和石塊。

風(fēng)干后采用Elliot[19]的土壤團(tuán)聚體濕篩法將200 g原狀土通過一套2 mm,0.25 mm和0.053 mm的3個(gè)篩子,得到>2 mm,0.25～2 mm,0.053～0.25 mm和<0.053 mm的4個(gè)粒徑團(tuán)聚體組分,烘干后稱重,用于計(jì)算各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)。使用內(nèi)徑為9 cm、高為20 cm的根鉆,在5個(gè)采樣點(diǎn)分3個(gè)土壤層次分別采集1份土芯,混合為一份裝袋,帶回實(shí)驗(yàn)室用0.2 mm細(xì)篩淘洗,篩選出直徑<2 mm的細(xì)根。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的小樣方,收集各小樣方地表凋落物混合為該標(biāo)準(zhǔn)樣地的凋落物樣。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤、凋落物和細(xì)根的全碳和全氮含量運(yùn)用元素分析儀(Elementar Vario EL, Germany)測(cè)定,團(tuán)聚體各粒徑有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定。其余土壤理化指標(biāo)參考鮑士旦[20]的分析方法。容重和含水率采用環(huán)刀法測(cè)定,pH值采用電位法(水土比為2.5∶1)測(cè)定,全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法測(cè)定,土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表2 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soil in the sample plots

1.4 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果與分析

R0.25,MWD,GMD和D的計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[21-22]。用Excel 2019進(jìn)行R0.25,MWD,GMD和D的計(jì)算和數(shù)據(jù)整理,用SPSS 21進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較土壤團(tuán)聚體粒徑分布、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳含量差異,統(tǒng)計(jì)圖用Origin 2018制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下土壤團(tuán)聚體粒徑組成

由圖1可知,試驗(yàn)地3種植被類型和對(duì)照土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在不同粒徑間存在差異,呈現(xiàn)隨粒徑減小而增大趨勢(shì)。試驗(yàn)地土壤以<0.25 mm微團(tuán)聚體為主,>2 mm和0.25～2 mm粒徑土壤團(tuán)聚體含量范圍分別為4.76%～22.85%和13.10%～31.95%,在不同植被類型間均有顯著差異(p<0.05),表現(xiàn)為3種植被類型高于對(duì)照;其中>2 mm團(tuán)聚體含量在各土層間均表現(xiàn)為楊樹純林>柳樹純林>楊柳混交林>對(duì)照。3種植被類型和對(duì)照>2 mm和0.25～2 mm粒徑土壤團(tuán)聚體含量隨土層增加而降低,0.053～0.25 mm和<0.053 mm團(tuán)聚體含量整體隨土層增加而增加。

注：不同大寫字母表示相同土層不同植被類型之間差異顯著(p<0.05)。不同小寫字母表示相同植被類型不同土層之間差異顯著(p<0.05),下同。

2.2 不同植被類型下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異

如圖2所示,濕篩法獲得的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體R0.25,MWD和GWD范圍分別為20.00%～49. 67%,0.35～0.81 mm和0.13～0.37 mm,在不同植被類型間具有顯著性差異(p<0.05)。各土層R0.25,MWD和GMD表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)。與對(duì)照相比,3種植被類型R0.25,MWD和GMD分別提高了41.77%～91.28%,29.89%～79.08%和37.60%～94.32%,其中楊樹純林提升效果最好。其中0—20 cm和40—60 cm土層均為楊樹純林提升效果最好,在20—40 cm土層表現(xiàn)為柳樹純林提升效果最好,3種植被間團(tuán)聚體穩(wěn)定性無顯著差異。隨土層降低,R0.25,MWD和GMD呈現(xiàn)降低趨勢(shì),但在土層間無顯著性差異。分形維數(shù)D范圍為2.59～2.86,與對(duì)照相比,D分別降低了1.69%～5.77%;其中楊樹純林和柳樹純林與對(duì)照存在顯著性差異(p<0.05)。隨土層變化,D無明顯規(guī)律。

圖2 不同植被類型下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)

2.3 不同植被類型下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量特征

如圖3所示,3個(gè)土層深度土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量范圍為1.51～6.48 g/kg。與對(duì)照相比,3種植被類型下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量提高了31.67%～71.68%,楊樹純林土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于柳樹純林和楊柳混交林(p<0.05)。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨粒徑降低而降低,說明大粒徑團(tuán)聚體能保護(hù)更多的有機(jī)碳。

圖3 不同植被類型下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

0—20 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量范圍為1.97～6.48 g/kg,3種植被類型各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于對(duì)照。楊樹純林和柳樹純林>2 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳顯著高于楊柳混交林和對(duì)照(p<0.05)。20—40 cm和40—60 cm土層團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化范圍分別為1.59～5.44 g/kg和1.51～3.75 g/kg,其中3種植被類型>2 mm和0.25～2 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量為柳樹純林>楊樹純林>楊柳混交林,且楊樹純林和柳樹純林均顯著高于對(duì)照(p<0.05)。

2.4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳含量的相關(guān)性

如圖4所示,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與總有機(jī)碳含量(TOC)顯著相關(guān)。>2 mm和0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)性大于0.25～2 mm和0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,說明有機(jī)碳主要作用于大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。

圖4土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與有機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系

2.5 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和環(huán)境因子的相關(guān)性

由圖5可知,環(huán)境因子中細(xì)根生物量、全氮含量、碳氮比和土壤含水率是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性重要指標(biāo)。其中細(xì)根生物量和土壤全氮含量與R0.25、MWD、GMD呈正相關(guān)關(guān)系,與D呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;土壤碳氮比和含水量與R0.25、MWD、GMD呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與D呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

3 討 論

3.1 不同植被類型對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布的影響

本研究中,各植被類型下土壤團(tuán)聚體主要以<0.25 mm的微團(tuán)聚體形式存在,質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為50.33%～80.00%,說明沙土區(qū)土壤穩(wěn)定性較低,抗侵蝕能力較差,與胡磊等[23]在黃土丘陵區(qū)的研究結(jié)果一致。一般來說,土壤大團(tuán)聚體含量與有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)[24],本研究地為沙土區(qū),土壤有機(jī)質(zhì)水平較低(圖3),并且試驗(yàn)地為河岸帶,土壤含水率較高,易受地表徑流侵蝕,不利于大團(tuán)聚體的形成。本研究發(fā)現(xiàn),植被覆蓋可以提高各土層大團(tuán)聚體含量,促進(jìn)了黏粉粒和微團(tuán)聚向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變,這與劉雷等[25]研究結(jié)果一致。其原因主要是營(yíng)造人工林增加了地表凋落物和細(xì)根生物量(表1),提高了土壤有機(jī)質(zhì)水平,增加了土壤顆粒間的黏聚力[4],從而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。此外,人工林具有較高的郁閉度和凋落物厚度(表1),可以通過林冠截留和凋落物覆蓋,降低雨水動(dòng)能,避免水滴的擊濺侵蝕和地表徑流沖刷,減少了土壤大團(tuán)聚體的破壞,同時(shí)植被恢復(fù)也降低了土壤含水率(表2和圖5),削弱了土壤顆粒表面的結(jié)合水膜,增加了土壤顆?！諝饨缑娴恼掣?從而促進(jìn)了顆粒間的凝聚[26]。在3種植被類型中,楊樹純林>2 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,其原因是楊樹是速生喜濕樹種,對(duì)困難立地適應(yīng)能力更強(qiáng),河岸帶較高的土壤含水率也滿足了其水分需求,加速其生長(zhǎng),因此根系較其他兩種植被類型更為發(fā)達(dá),通過根系交錯(cuò)、纏繞和釋放分泌物提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性[27]。此外,楊樹純林較高的郁閉度造成林下光照弱,凈降雨量少,降低了土壤水分入滲和蒸發(fā)過程,削弱了干濕交替引發(fā)的土壤團(tuán)聚體破碎[28]。

3.2 不同植被類型對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD和GWD值越大,D值越低,表明土壤團(tuán)聚度越高,土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[22,29]。本研究發(fā)現(xiàn)3種植被類型均能提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,其中楊樹純林提升效果最好。結(jié)合線性回歸分析,表明大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量是影響不同植被類型中團(tuán)聚體穩(wěn)定的主要因素(圖4)。團(tuán)聚體形成需要有機(jī)質(zhì)等膠結(jié)物質(zhì)參與,大團(tuán)聚體主要是微團(tuán)聚體通過有機(jī)質(zhì)膠結(jié)形成[1]。當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低時(shí),鐵鋁氧化物的膠結(jié)作用起主導(dǎo)作用,而沙土區(qū)有機(jī)質(zhì)水平較低。有研究發(fā)現(xiàn)[30],土壤氮素含量的不足會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化能力加強(qiáng)。楊樹純林中相對(duì)較高的土壤氮素含量無法刺激土壤有機(jī)碳的礦化,反而促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定(圖5)。此外,楊樹純林降低了土壤碳氮比,有利于微生物生長(zhǎng)發(fā)育,而微生物活動(dòng)產(chǎn)生的多糖和疏水物質(zhì)是團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)[31],能夠?qū)⑼寥佬☆w粒黏聚成較大的團(tuán)聚體,有效提高土壤團(tuán)聚穩(wěn)定性(表2和圖5)。0—20 cm土層楊樹純林土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好,主要是因?yàn)闂顦浼兞指抵饕杏诘乇?且有更多的枯枝落葉,表土層有機(jī)碳含量更高,隨著土層加深,地表凋落物影響降低,柳樹純林較深的根系及分泌物可能提供了更高的土壤有機(jī)質(zhì)含量,從而使得20—40 cm土層柳樹純林團(tuán)聚體穩(wěn)定性更高。本研究中,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨土層加深呈下降趨勢(shì),這是因?yàn)榈蚵湮锖透抵饕杏诘乇?使得表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高,有利于團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定,隨土層加深,有機(jī)質(zhì)水平下降,團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降。

3.3 不同植被類型對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

相同立地條件下,植被自身生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性對(duì)土壤有機(jī)碳的積累和含量影響顯著[32]。研究區(qū)3種植被類型中,楊樹純林生長(zhǎng)狀況最好,郁閉度最高,地上凋落物生物量高于其他植被類型,在提高土壤有機(jī)碳輸入的同時(shí)減少雨水對(duì)土壤團(tuán)聚體的侵蝕破壞,降低了團(tuán)聚體中有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率[33],因此楊樹純林團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于柳樹純林和混交林。3種植被類型和對(duì)照凋落物和根系多分布于表層,分解產(chǎn)出的有機(jī)質(zhì)多集中于表層,隨土層增加,各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量有所下降。土壤團(tuán)聚體各粒徑有機(jī)碳分布反映了團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用[34]。3種植被類型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為>2 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高,這與王冰等[3]研究結(jié)果一致。因?yàn)橹脖惶岣咄寥烙袡C(jī)碳含量促進(jìn)微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體的同時(shí),使得有機(jī)碳向大團(tuán)聚體集中,且大團(tuán)聚體的形成有助于微團(tuán)聚體更好地保護(hù)顆粒有機(jī)質(zhì)。

4 結(jié) 論

綜上所述,楊樹純林通過增加凋落物和細(xì)根生物量提高土壤有機(jī)碳含量,促進(jìn)了大團(tuán)聚體形成,并且其高郁閉度和豐富的地表凋落物降低了雨水對(duì)土壤的擊濺侵蝕、地表徑流沖刷作用,減少了大團(tuán)聚體的破壞。楊樹純林也通過增加土壤氮含量,降低土壤含水率和碳氮比,提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。因此,在蘇北平原沙土區(qū)河岸帶植被構(gòu)建中,楊樹純林更有利于提高河岸帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,增加土壤抗蝕能力。