張鴻齡, 唐雪寒, 王斅譽

(沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

河岸帶是河流和陸地生態(tài)系統(tǒng)進行物質(zhì)、能量交換的重要過渡帶[1],但由于河岸帶具有復雜性等特點,易受自然災害及人為活動干擾而發(fā)生水土流失及坡體失穩(wěn)。河岸植被帶通過阻滯、截留、吸附及滲透作用可以有效阻滯泥沙、減緩污染物入河、保護水土。因此,河岸植被在水土穩(wěn)定和生態(tài)功能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[2]。良好的土壤結(jié)構(gòu)能夠豐富土壤的生物群落,調(diào)節(jié)土壤質(zhì)量,而穩(wěn)定的土壤團聚體是評價土壤質(zhì)量的重要指標。土壤團聚體穩(wěn)定性影響水分入滲、土壤抵抗侵蝕能力等,所以增強土壤團聚體穩(wěn)定性對提高土壤質(zhì)量、防止土壤退化引起的其他問題起到至關(guān)重要的作用[3]。

土壤穩(wěn)定性不僅取決于有機質(zhì)、團聚體等,而且受控于生態(tài)系統(tǒng)植被組成、根系生長、根際生物、土地利用等因素。Pinheiro等[7]研究發(fā)現(xiàn),草場轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)地后,土壤團聚體質(zhì)量分數(shù)下降,更易受到侵蝕。因此,河岸帶不同植被模式對河岸土壤團聚體組成、結(jié)構(gòu)、土壤穩(wěn)定性、抗蝕性的影響研究對穩(wěn)定河岸、降低水土流失、提升河岸生態(tài)穩(wěn)定及保持河流健康具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼河是遼寧的母親河,自20世紀東北工業(yè)迅速崛起開始,遼河受到嚴重污染,沿岸的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。為改善遼河沿岸生態(tài)環(huán)境,于2010年3月設(shè)立的遼河保護區(qū)成為中國第一個大型河流保護區(qū)。遼河保護區(qū)范圍是從東、西遼河交匯處鐵嶺昌圖縣福德店沿遼河干流到盤錦入?？?全長538 km,貫穿遼西北、沈陽經(jīng)濟區(qū)和遼寧沿海經(jīng)濟帶3大經(jīng)濟區(qū)域。遼河保護區(qū)河岸帶自2012年實施自然封育、退耕還林、還草、還濕策略后,課題組于鐵嶺段構(gòu)建河岸植被緩沖帶試驗區(qū)(42°19′763″N, 123°50′410″E),試驗區(qū)面積0.55 km2,共分為6種植被恢復模式:草本緩沖帶(CB)、杞柳緩沖帶(QL)、水蠟緩沖帶(SL)、農(nóng)田撂荒帶(NT)、紫穗槐緩沖帶(ZH)以及刺槐緩沖帶(CH)。2012年前該區(qū)域土地利用方式均為農(nóng)田,種植作物主要以玉米為主,2012年后對試驗區(qū)進行土壤平整,去除地面植被,分割為不同植被種植帶,其中水蠟、杞柳、紫穗槐種植1～2年生幼苗,刺槐種植2～3年生苗木,草本帶不進行人工干預,主要以自然生長的草本植物為主,而農(nóng)田區(qū)則以繼續(xù)種植農(nóng)作物為主,直至2020年變?yōu)榱袒牡?作為對照處理。試驗區(qū)設(shè)置如圖1所示。

圖1 試驗區(qū)植被

1.2 樣品采集與預處理方法

為研究遼河保護區(qū)不同河岸植被緩沖帶下土壤的穩(wěn)定性變化,于2021年5月在試驗區(qū)內(nèi)采集不同植被緩沖帶土壤。每個植被帶內(nèi)設(shè)置2～3個采樣樣方,面積為10 m×10 m,每個樣方內(nèi)隨機設(shè)置5個樣點,以梅花采樣法采集0～10 cm表層土壤1～2 kg,混合均勻,密封。采集后的土壤樣品剔除大的礫石、草根等異物,土樣均勻鋪開并置于通風處自然風干,采用四分法將土壤樣品分別過篩后備用。

1.3 樣品測定指標與測定方法

容重采用環(huán)刀法測定,通過激光衍射法(Mastersize 2000)測定土壤機械顆粒組成;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外-加熱法測定;土壤微團聚體采用吸管法測定;土壤團聚體篩分方式包括干篩法和濕篩法。干篩法是指將土壤置于篩孔直徑為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的土壤篩組成的套篩,上下?lián)u晃,直至土粒不再落下,計算稱量各級粒徑團聚體所占的百分比;濕篩法是將土壤置于套篩頂部(套篩篩孔直徑依次為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm,加入去離子水浸沒土壤,潤濕5 min,上下振蕩5 min。將套篩從水中緩慢取出靜置,隨后將各級篩層上的土壤洗入燒杯,烘干稱重。

1.4 土壤抗蝕性指標選取

土壤侵蝕能夠直接或間接地影響土壤質(zhì)量,土壤的抗蝕性指標是反映土壤抗蝕性強弱的一些特征值。因此,通過查閱文獻及相關(guān)學者的研究[8-10],并結(jié)合現(xiàn)場試驗研究結(jié)果,綜合選擇無機黏粒類、團聚體及微團聚體類和土壤理化性質(zhì)類,共14個特征指標作為評價土壤抗蝕性的指標,記為Y1～Y14,見表1。結(jié)合不同直徑的土壤團聚體不同的質(zhì)量分數(shù),通過式(1)～式(4)計算土壤團聚體穩(wěn)定性指數(shù),即:

表1 土壤抗蝕性指標

干篩團聚體平均重量直徑、濕篩團聚體平均重量直徑、干篩團聚體幾何重量直徑及濕篩團聚體幾何重量直徑。

式中:DMWD代表干篩團聚體的平均重量直徑,mm;DWMWD代表濕篩團聚體平均重量直徑,mm;DGWD代表干篩團聚體幾何重量直徑,mm;DWGWD代表濕篩團聚體幾何重量直徑,mm;ri代表第i級干篩團聚體/濕篩團聚體的平均直徑,mm;ωi代表土壤樣本中第i級團聚體質(zhì)量分數(shù),%;n代表團聚體粒級分組數(shù)。土壤質(zhì)量指標如式(5)所示:

(5)

式中:SI代表土壤質(zhì)量指標;ωSOC代表土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),g·kg-1;ωsilt代表土壤粉粒質(zhì)量分數(shù),%;ωclay代表土壤細黏粒質(zhì)量分數(shù),%。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著性差異(LSD)(P<0.05)分析不同植被緩沖帶土壤理化性質(zhì)和土壤抗蝕性指標的差異;采用Person相關(guān)分析和簡單線性回歸分析土壤性質(zhì)之間關(guān)系;采用主成分分析篩選衡量土壤抗蝕性的最佳指標。運用Microsoft Excel 2016、SPSS 26對實驗數(shù)據(jù)進行分析,運用Origin 2021繪制試驗數(shù)據(jù)分析圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被模式對河岸帶土壤理化性質(zhì)的影響

不同植被緩沖模式下土壤機械組成均以砂粒占優(yōu)勢,細黏粒質(zhì)量分數(shù)最低,如圖2所示。砂粒質(zhì)量分數(shù)在58%～68%范圍內(nèi),粉粒質(zhì)量分數(shù)在30%～40%范圍內(nèi),與河岸初期土壤相比(表2),砂粒質(zhì)量分數(shù)明顯降低,粉粒質(zhì)量分數(shù)增加,根據(jù)國際制土壤分級標準,土壤質(zhì)地由壤質(zhì)砂土轉(zhuǎn)變?yōu)樯百|(zhì)壤土。實施河岸植被模式后,緩沖帶砂粒質(zhì)量分數(shù)從大到小依次為QL、SL、CB、CH、ZH、NT,粉粒質(zhì)量分數(shù)排列相反。根據(jù)土壤機械組成間的相關(guān)性分析結(jié)果(表3)可知,砂粒與粉粒、細黏粒質(zhì)量分數(shù)呈極顯著負相關(guān)(p<0.01),即實施6種不同植被模式的土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)與粉粒質(zhì)量分數(shù)呈反比,土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)越高,粉粒質(zhì)量分數(shù)、細黏粒質(zhì)量分數(shù)越低。這可能是由于農(nóng)田撂荒地(NT)受植物根系擾動小、細小土壤顆粒不易流失造成的[11]。

表2 河岸緩沖帶初始土壤理化性質(zhì)

表3 土壤性質(zhì)間相關(guān)性分析

圖2 不同植被緩沖模式下土壤機械組成

不同河岸植被緩沖帶的土壤樣品理化性質(zhì)如表4所示, 6種河岸植被模式下土壤孔隙度最小值和土壤容重最高值均出現(xiàn)在NT,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在12.0～28.1 g·kg-1內(nèi)。根據(jù)土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性分析結(jié)果(表3),土壤機械組成與土壤理化性質(zhì)之間存在相關(guān)性,砂粒質(zhì)量分數(shù)與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、孔隙度呈顯著正相關(guān)(p<0.05),即砂粒質(zhì)量分數(shù)的增加,導致土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、孔隙度隨之增加,容重降低。與河岸初期土壤理化性質(zhì)相比,河岸植被對土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響,pH值增加,大部分河岸植被緩沖帶土壤由弱酸性轉(zhuǎn)變?yōu)橹行曰蛉鯄A性;土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)明顯增加;孔隙度均提高至90%以上;容重大幅度降低。綜上,杞柳緩沖帶、水蠟緩沖帶促進土壤有機質(zhì)、土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)增加,使土壤保水、保肥能力提高。除此之外,植被模式下土壤孔隙度增大,發(fā)生水分入滲、蒸發(fā)作用等,使得土壤容重降低[12]。

表4 不同河岸植被緩沖帶的土壤理化性質(zhì)

2.2 不同河岸緩沖帶土壤團聚體狀況

土壤樣品經(jīng)干篩、濕篩后各粒級團聚體質(zhì)量分數(shù)如圖3所示,經(jīng)干篩法后各粒級土壤團聚體比例均小于20%。對于干篩法來說,粒級直徑為0.25～0.50 mm是QL、CH、NT、CB、ZH區(qū)域的主要成分,占土壤總質(zhì)量的15%～20%,最高值出現(xiàn)在QL區(qū)域,為19.12%。粒級直徑>5.00 mm的團聚體占比最少,占土壤總質(zhì)量的1%～9%。經(jīng)濕篩法后各粒級土壤水穩(wěn)性團聚體比例均小于30%。對于濕篩法來說,粒級直徑為0.25～0.50 mm是CH、NT、CB、ZH、SL區(qū)域的主要成分,占土壤總質(zhì)量的14%～25%,粒級直徑>5.00 mm的團聚體最少,圖2(b)中除CB外幾乎看不到,質(zhì)量分數(shù)均未超過1%。

圖3 不同河岸植被緩沖帶土壤團聚體組成

通過計算可得到干篩團聚體的平均重量直徑(DMWD)、幾何重量直徑(DGWD)、土壤質(zhì)量指數(shù)(SI),通過土壤質(zhì)量指數(shù)可知6種植被緩沖帶的土壤質(zhì)量差距較大,最高值出現(xiàn)在QL,最小值出現(xiàn)在CB,相差55.24,緩沖帶質(zhì)量指數(shù)從大到小依次為QL、SL、CH、ZH、NT、CB。通過土壤團聚體穩(wěn)定性指數(shù)與土壤質(zhì)量指數(shù)之間的線性擬合(圖4)可知,土壤團聚體指數(shù)與土壤質(zhì)量指數(shù)之間存在顯著相關(guān)性(p<0.001),即土壤質(zhì)量指數(shù)是可以反映土壤團聚體穩(wěn)定性的指標。

圖4 土壤團聚體不同穩(wěn)定指數(shù)與土壤質(zhì)量指數(shù)之間的關(guān)系

2.3 不同河岸緩沖帶的土壤抗蝕性

為了更好地衡量不同植被模式下土壤的抗蝕性,選取14個土壤特征指標,表1表明了14個指標的具體分類。由圖5可知,各指標與土壤理化性質(zhì)之間存在一定的相關(guān)性,因此運用主成分分析法選擇衡量土壤抗蝕性的最佳指標。如表5所示,主成分分析提取出5個主成分(F1～F5),累積貢獻率達90.364%。第1個主成分中,Y2、Y10的因子載荷最高;在第2個主成分中Y4、Y6的因子載荷最高;第3個主成分中Y7的因子載荷最高;第4個主成分中,Y3因子載荷最高;第5個主成分中,Y5因子載荷最高。因此,粒級直徑<0.002 mm的細黏粒質(zhì)量分數(shù)、結(jié)構(gòu)性顆粒、粒級直徑>0.250 mm的水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、粒級直徑>0.500 mm的水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、粒級直徑>0.250 mm的團聚體破壞率、粒級直徑>0.500 mm的團聚體破壞率、團聚狀況這7個指標可作為表征研究區(qū)域土壤抗侵蝕性能的指標。根據(jù)主成分的因子得分和5個主成分的特征值加權(quán)計算抗蝕性綜合得分并進行排名,如表6所示?？刮g性綜合得分越高、土壤抗蝕性能越好[13],因此6種河岸植被模式下土壤的抗蝕綜合得分從大到小依次為QL、SL、ZH、CH、NT、CB。

表5 旋轉(zhuǎn)后主成分載荷值

表6 河岸植被模式抗蝕性綜合得分及排名

圖5 土壤機械組成與可蝕性指標的相關(guān)性

3 討 論

土壤質(zhì)地對土壤穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[14]。研究表明良好的土壤質(zhì)地為植物提供適宜生長的土壤環(huán)境,進而使植物產(chǎn)生更穩(wěn)固的根系布局,減少土壤損失,抵抗土壤侵蝕[15]。本研究中河岸初始土壤的機械組成含砂量較高,土壤透氣性好,但蓄水保肥能力較差,土壤易受到風蝕或降水侵蝕。實施河岸植被模式后,土壤質(zhì)地改變,QL砂粒質(zhì)量分數(shù)最高,是因為杞柳在砂壤土中生長狀態(tài)良好,抗雨澇,細顆粒易隨地表徑流作用流失。不同的植被恢復方式導致土壤質(zhì)地的差異,劉寬梅等[16]研究表明喀斯特地區(qū)不同植被類型的土壤的粒徑組成存在差異,針葉林和灌叢的表層土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)高,影響土壤蓄水保肥能力,土壤抗蝕性較低;楊軍嚴等[17]發(fā)現(xiàn),陜北采煤沉陷區(qū)黃土坡面由于開采沉陷導致土壤粒徑組成發(fā)生變化,進而降低土壤抗蝕性,加劇了水土流失和土壤侵蝕。

本研究中,土壤孔隙度與河岸初始孔隙度相比有明顯的提高,這表明實行植被模式后的土壤增加了水分儲存,適宜植物生長。疏松多孔的土壤有利于植物根系延伸,從而增加土壤微生物的聚集,使有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)累積,不斷改善土壤的環(huán)境條件[18]。Hao等[19]研究表明,土壤經(jīng)5年植被恢復后,草本種植后的孔隙度顯著大于裸土壤。本研究發(fā)現(xiàn)NT、CB有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低于其他區(qū)域,而NT區(qū)域容重大于其他區(qū)域,是因為農(nóng)田傳統(tǒng)的耕作方式破壞了表層土壤,形成松散的、可侵蝕的土壤侵蝕層[20],導致大量的有機質(zhì)流失[21]。武均等[22]研究表明傳統(tǒng)耕作措施加劇對土層的擾動,減緩土壤自身調(diào)節(jié)作用和恢復過程,破壞土壤穩(wěn)定性和連續(xù)性,而Wang等[23]研究發(fā)現(xiàn)灌木、林地由于缺乏耕作措施造成容重小于農(nóng)田,這與本研究的研究結(jié)果相同;陳山等[24]研究表明,不同土地利用方式對土壤有機質(zhì)有極大的影響,相比于水田和林地,旱地和果園利用方式則影響土壤有機質(zhì),造成土壤侵蝕問題。以上結(jié)果表明,土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)是土壤穩(wěn)定性和抗蝕性的重要體現(xiàn)。

本研究發(fā)現(xiàn),與干篩法相比,濕篩法處理后粒級直徑>0.500 mm的水穩(wěn)性團聚體占比下降,而0.250～0.500 mm的水穩(wěn)性團聚體占比明顯增加。干篩法和濕篩法篩分團聚體分布差異是因為對土壤施加不同作用產(chǎn)生的能量不同[25],導致濕篩法的大團聚體質(zhì)量分數(shù)少于干篩法。研究表明,水的破壞力將穩(wěn)定性弱的大團聚體分解為較小的團聚體,濕篩法通常會使大團聚體的比例降低,而土壤團聚體僅在干篩法下受到土粒間摩擦作用的沖擊[26-27]。這表明,土壤中粒級直徑>0.500 mm的大尺寸的水穩(wěn)性團聚體更容易受到風蝕或雨水侵蝕遭到破壞,侵蝕影響水穩(wěn)性團聚體的形成[28]。Hong等[29]通過濕篩法評價60年內(nèi)長期耕作土壤與未開墾土壤的水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性,結(jié)果表明,長期耕作后的粒級直徑>1.000 mm的水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性顯著下降(P<0.05)。土壤團聚體對不同河岸植被緩沖帶表現(xiàn)敏感[30],土壤團聚體穩(wěn)定性影響著土壤抗蝕性能,是反映土壤抗侵蝕能力的重要指標之一。根據(jù)土壤團聚體指數(shù)與土壤質(zhì)量的線性擬合結(jié)果,本研究發(fā)現(xiàn),QL、SL區(qū)域土壤團聚體穩(wěn)定性和抗蝕性能較好。QL、SL屬于灌木,它成活率高,適應惡劣土壤環(huán)境,常應用于河岸植被修復工程中。Dou等[31]研究表明相比于廢棄地土壤,灌木的土壤團聚體穩(wěn)定性和抗蝕能力最強。劉麗娜[32]研究發(fā)現(xiàn)柳樹具有良好的耐水性,其根系在表層土壤中形成保護層,抵抗河水等沖刷,這與本研究結(jié)果一致。

根據(jù)主成分分析結(jié)果,直徑<0.002 mm的細黏粒質(zhì)量分數(shù)(Y2)、結(jié)構(gòu)性顆粒(Y3)、粒級直徑>0.250 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)(Y4)、粒級直徑>0.500 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)(Y5)、粒級直徑>0.250 mm團聚體破壞率(Y6)、粒級直徑>0.500 mm團聚體破壞率(Y7)、團聚狀況(Y10)是決定土壤抗蝕性的重要指標。由圖5可知,土壤機械組成與Y12、Y3、Y4存在顯著相關(guān)性,Y14與Y2、Y4存在顯著相關(guān)性,因此土壤砂粒、粉粒、細黏粒、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和粒級直徑>0.250 mm的水穩(wěn)性團聚體是影響土壤抗蝕性和穩(wěn)定性的主要因素。水穩(wěn)性團聚體是反映土壤可蝕性的最重要指標之一,有機質(zhì)則是土壤團聚體水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)的重要膠結(jié)劑[33-34],作為土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和聚集的主要貢獻者,有機質(zhì)可以有效促進團聚體的形成[35]。所以,緩沖帶植被模式通過改變機械組成、團聚體狀況和有機質(zhì)含量對土壤穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。An等[36]研究發(fā)現(xiàn)森林和人工灌木植被恢復措施通過增加有機質(zhì)和總氮含量,增強土壤團聚體穩(wěn)定性,加速修復被侵蝕土壤。Ma等[37]研究發(fā)現(xiàn)植被恢復過程中有機質(zhì)含量增加,提高了土壤團聚體穩(wěn)定性,恢復土壤肥力并改善土壤結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

本文研究了遼河保護區(qū)鐵嶺段不同河岸植被緩沖帶土壤穩(wěn)定性能,結(jié)果表明,與河岸初始土壤性質(zhì)相比,土壤質(zhì)地由壤質(zhì)砂土轉(zhuǎn)變?yōu)樯百|(zhì)壤土,有機質(zhì)含量增加;經(jīng)干篩法和濕篩法篩分發(fā)現(xiàn),粒級直徑>0.500 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)下降,粒級直徑為0.250～0.500 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體占比明顯增加;通過主成分分析篩選出粒級直徑<0.002 mm的細黏粒質(zhì)量分數(shù)、結(jié)構(gòu)性顆粒、粒級直徑>0.250 mm的水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、粒級直徑>0.500 mm的水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)、粒級直徑>0.250 mm的團聚體破壞率、粒級直徑>0.500 mm的團聚體破壞率、團聚狀況這7個指標可作為表征研究區(qū)域土壤抗侵蝕性能的指標,并根據(jù)主成分加權(quán)計算權(quán)重得出抗蝕性得分,從大到小依次為QL、SL、ZH、CH、NT、CB。

河岸植被緩沖帶對土壤穩(wěn)定性影響的后續(xù)研究還應考慮不同深度土層團聚體和有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、微生物活性、微生物量、土壤內(nèi)力等因素。