徂徠山植被類型對不同坡位土壤團聚體特征的影響

李 巖王如巖董 智劉冰倩劉瑞琳吳其聰

(1.泰安市水文中心,山東 泰安271000;2.山東農業大學 林學院/泰山森林生態系統國家定位觀測研究站,山東 泰安271018)

土壤團聚體是土壤的基本結構單元,其組成與穩定性在保持水分、維持生物多樣性、抵御洪水、侵蝕和滑坡等方面具有重要作用[1-2],對促進“土壤—降水—植被”間的水循環具有重要影響,已成為近10 a來土壤學、水文學、水土保持等學科的研究熱點[3-4]。影響土壤團聚體穩定性的因素主要有土壤有機質、土地利用方式、管理措施、氣候條件、土壤微生物、植被覆蓋情況等[5]。其中,植被能夠促進土壤結構形成與質量提升,降低土壤的可蝕性,抑制土壤侵蝕的發生發展,被認為是影響坡面水土流失的關鍵因子[6-7]。然而,當前研究主要關注不同植被類型對土壤團聚體穩定性及坡面水土流失的單一影響,較少考慮不同坡位帶來的協同影響。有研究[8]證實,在相同植被覆蓋下,不同坡位的土壤團聚體穩定性有所差異,土壤大團聚體含量呈現出:上坡＞下坡＞坡底＞中坡的趨勢。這表明植被類型與坡位可能會存在交互效應,并對土壤團聚體穩定性產生影響。然而,植被類型與坡位如何協同影響土壤團聚體穩定性,尤其是在植被稀少、土壤貧瘠、氣候干旱和水土流失危害嚴重的我國北方土石山區[9],不同植被類型與不同坡位下,土壤團聚體組成與穩定性如何響應,尚不明確。因此,研究不同植被類型以及不同坡位下土壤團聚體組成與穩定性對明確土壤結構優劣以及抗侵蝕能力具有重要意義。

本研究選取山東省泰安市徂徠山水土保持綜合觀測站板栗、刺槐×麻櫟混交林等當地常見的植被類型為研究對象,開展定位研究。分析不同植被類型及不同坡位對土壤團聚體組成與穩定性的影響。研究結果可為北方土石山區植被恢復與水土流失防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省泰安市徂徠山水土保持綜合觀測站(36°4′36″N,117°14′16″E),屬暖溫帶大陸性季風氣候,年平均降水量1 000 mm,年日照時數2 494 h,年平均氣溫13.9℃,年無霜期215 d。徑流場的土壤以山地棕壤為主,周邊植被以常綠針葉林和落葉闊葉林為主,主要是刺槐(Robiniapseudoacacia)、赤松(Pinusdensiflora)、麻櫟(Quercusacutissima)、板栗(Castaneamollissima)等。林下植被主要有小蓬草(Erigeroncanadensis)、鴨跖草(Commelinacommunis)、莎草(Cyperusrotundus)、黃花蒿(Artemisiaannua)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)等。

徂徠山水土保持綜合觀測站中4個試驗小區基本情況詳見表1。

表1 試驗小區基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 2021年7月在徂徠山水土保持綜合觀測站選取CM1,CM2,RQ1,RQ2共4個徑流小區作為樣地,在坡上、坡下沿對角線分別選取3個1 m×1 m樣方。每個樣方沿對角線采集3個0—20 cm原狀土壤樣品用作土壤團聚體組成分析,同時采集0—20 cm環刀樣品。

1.2.2 指標測定與計算 土壤容重(BD)采用環刀法[10]測定,土壤總孔隙度(TP)、毛管孔隙度(CP)、非毛管孔隙度(NCP)、土壤飽和含水量(SW)和田間持水量(FC)通過環刀浸泡法[11-12]測定,采用干濕篩結合的方法[13]測定土壤機械穩定性團聚體組成與水穩定性團聚體組成。

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、不穩定團粒指數(ELT)、團聚體破壞率(PAD)、土壤三相結構距離(STPSD)和廣義土壤結構指數(GSSI)等,在一定程度上可以表征土壤結構優劣。其中MWD,GMD,GSSI值越大,團聚體穩定性越強,土壤結構越好;ELT,PAD和STPSE值越小,團聚體越穩定,土壤結構越好。

式中:Xi表示每個篩分粒徑的團聚體的平均直徑;Wi特定尺寸范圍內的團聚體重量。

式中:WR＞0.25指顆粒直徑＞0.25 mm的團聚體的質量;Wt指團聚體總質量。

式中:DR0.25為直徑＞0.25 mm的機械穩定性大團聚體含量(干篩法測得);WR0.25為直徑＞0.25 mm的水穩定性大團聚體含量(濕篩法測得)。

式中:S為土壤固相體積百分比(＞25%);L為土壤液相體積百分比(＞0);G為土壤氣相體積百分比

公式(6)—(8)均可以計算土壤三相結構距離。其中,理想的土壤三相比:固相50%,液相25%,氣相25%。樣品的土壤三相:固相S(%),液相L(%),氣相G(%)。通過計算樣品與理想土壤三相的距離,來量化土壤結構的優劣。

1.3 統計分析

采用IBM SPSS Statistics 20軟件進行方差分析,使用Canoco 5等軟件進行RDA分析,使用Origin 2021b繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤機械穩定性團聚體及水穩定性團聚體組成

不同植被類型及不同坡位下,均未發現＞2 mm粒徑的土壤機械穩定性團聚體與水穩定性團聚體(粗大團聚體)。機械穩定性團聚體組成中,2～0.25 mm粒級(細大團聚體)含量最高,所占比例為55.60%～72.76%;其次為0.25～0.053 mm粒級(微團聚體),所占比例為25.11%～41.98%;＜0.053 mm粒級(粉黏粒)含量最低,所占比例為0.60%～3.75%(圖1)。各粒級中僅＜0.053 mm粒級在不同處理下存在顯著性差異,其中板栗林(CM1,CM2)＜0.053 mm粒級機械穩定性團聚體含量略高于刺槐×麻櫟混交林(RQ1,RQ2)。與RQ2坡上處理(RQ2U)的＜0.053 mm粒級含量相比,CM2坡上處理(CM2U)顯著提高5.25倍(p＜0.05)。與RQ2坡下處理(RQ2D)的＜0.053 mm粒級含量相比,CM2坡下處理(CM2D)提高53%(p＞0.05)。

圖1 研究區土壤機械穩定性團聚體組成

與機械穩定性團聚體類似,水穩定性團聚體組成中2～0.25 mm粒級含量最高,所占比例為40.18%～53.42%;其次為0.25～0.053 mm粒級,所占比例為31.44%～50.66%;＜0.053 mm粒級含量最低,所占比例為7.78%～16.26%(圖2)。同一粒級中,各處理間差異不顯著。與板栗林相比,刺槐×麻櫟混交林坡上2～0.25 mm粒級含量略高,而0.25～0.053 mm粒級含量略低(p＞0.05)。具體表現為:與CM1U相比,RQ1U和RQ2U處理的2～0.25 mm粒級含量分別增加23.77%和24.40%,0.25～0.053 mm粒級含量分別降低30.20%和21.59%;與CM2U相比,RQ1U和RQ2U處理的2～0.25 mm粒級含量分別增加15.57%和16.15%,0.25～0.053 mm粒級含量分別降低24.99%和15.74%。

圖2 研究區土壤水穩定性團聚體組成

2.2 土壤團聚體結構穩定性

通過干篩法獲得的土壤機械穩定性團聚體,表征其機械穩定性的指標MWD,GMD,ELT在不同植被類型下表現出顯著差異(表2)。其中,與板栗林處理相比,刺槐×麻櫟混交林的MWD提高10.51%(p＜0.05),GMD提高7.51%(p＜0.01),ELT降低19.01%(p＜0.05)。

表2 研究區不同植被類型及坡位下土壤團聚體參數

然而,通過濕篩法獲得的土壤水穩定性團聚體,表征其水穩定性的指標MWD,GMD,ELT在不同植被類型及不同坡位均未表現出顯著差異。廣義土壤結構指數(GSSI)在不同植被類型下表現出顯著差異,與板栗林處理相比,刺槐×麻櫟混交林的GSSI提高20.13%(p＜0.01)。

2.3 土壤固液氣三相比及其結構距離

理想值與各處理在固液氣三相圖中的分布情況如圖3所示。

圖3 各處理不同坡位土壤固液氣三相比

由圖3可知,各處理土壤固相體積所占比例為56.46%～66.15%,液相體積所占比例為21.66%～36.56%,氣相體積所占比例為4.40%～12.19%。通過計算土壤三相結構距離(STPSD)來量化各處理與理想值之間的差距,結果如圖4所示。與板栗林相比,刺槐×麻櫟混交林的STPSD更小,約減少8.87%,可見刺槐×麻櫟混交林的土壤結構穩定性更強。

圖4 各處理不同坡位土壤三相結構距離

2.4 土壤團聚體組成與三相結構的關系

RDA分析結果顯示了土壤各指標對團聚體分布總方差的貢獻,以及土壤各指標、樣品和團聚體組成之間的關系(圖5)。RDA圖中軸1和軸2的特征值分別為0.34,0.16,共同解釋了團聚體分布總變異的35.53%。由表3可知,兩個最大的解釋變量是S和CP,解釋量分別為25.0%(p＜0.05)和13.6%(p＞0.05)。S與機械穩定性細大團聚體(D為2～0.25 mm)、水穩定性細大團聚體(W為2～0.25 mm)、水穩定性粉黏粒(W＜0.053 mm)沿軸1正軸方向呈正相關。相反,S與機械穩定性微團聚體(D為0.25～0.053 mm)、機械穩定性粉黏粒(D＜0.053 mm)和水穩定性微團聚體(W為0.25～0.053 mm)沿軸1的負軸呈負相關。同時,S與板栗林各處理有呈負相關的趨勢,而與刺槐×麻櫟混交林有呈正相關的趨勢。

圖5 各處理土壤團聚體組成與土壤性質的RDA分析

表3 RDA分析中土壤性質的解釋量

3 討論

刺槐×麻櫟混交林與板栗相比,其MWD顯著提高10.51%,GMD顯著提高7.51%,ELT顯著降低19.01%,表明其土壤團聚體機械穩定性顯著高于板栗純林?？赡艿脑蚴?純林淺層土壤容易受外力干擾而破壞大粒級團聚體,而混交林由于冠層特征、枯落物的質量和數量、植被空間結構等特征可減少降雨和地面徑流對土壤的直接沖刷進而減少大團聚體的破壞,從而提高土壤抗沖擊能力,對團聚體起到保護作用,促進了土壤結構的形成與穩定[14]。我們的調查結果也表明徂徠山徑流小區刺槐×麻櫟混交林的植被蓋度與郁閉度,相較于板栗純林具有一定優勢(表1),這為刺槐×麻櫟混交林土壤團聚體機械穩定性顯著高于板栗純林提供了直接證據。不同坡位間坡下土壤團聚體穩定性有高于坡上的趨勢,但差異不顯著。這可能是由于坡下土壤養分一般高于坡上[15],有利于坡下土壤動物與微生物的積聚以及植物根系的生長[16],促進了土壤團聚體的形成與穩定,但由于坡長僅有20 m,坡上坡下之間的差異并沒有凸顯出來。然而,劉鵬等[8]在巖溶斷陷盆地高原面洼地不同坡位土壤團聚體穩定性的研究中,發現坡上表層土壤團聚體穩定性顯著高于坡中以及坡下。這與我們的結果存在較大差異,可能的原因是該研究地處巖溶斷陷盆地高原面洼地,地質作用強烈,相對高差大,更容易受到重力的影響,坡下土壤結構穩定性差,更易受到侵蝕而損失;而本研究中徂徠山地處北方土石山區,在侵蝕性降雨發生時,坡上土壤隨水流下,在坡下累積并形成更穩定的結構。

通過土壤三相比計算得到的土壤三相結構距離(STPSD)和廣義土壤結構指數(GSSI)是評價土壤結構優劣的重要參數。本研究結果顯示,與板栗林相比,刺槐×麻櫟混交林的STPSD減少約8.87%,GSSI顯著提高20.13%,表明其土壤結構穩定性更強。這與團聚體穩定性的結果趨于一致。主要原因可能是土壤顆粒與土壤顆粒間的孔隙主導了團聚體的組成。本研究冗余分析的結果很好地證實了這一推論,即土壤三相中固相體積比(S)與毛管孔隙度(CP)是團聚體組成的兩個最大的解釋變量,分別解釋25.0%和13.6%。其中,S與機械穩定性細大團聚體(D為2～0.25 mm)、水穩定性細大團聚體(W為2～0.25 mm)、水穩定性粉黏粒(W＜0.053 mm)呈正相關;CP與機械穩定性微團聚體(D為0.25～0.053 mm)、機械穩定性粉黏粒(D＜0.053 mm)和水穩定性微團聚體(W為0.25～0.053 mm)呈正相關。同時,S與板栗林各處理有呈負相關的趨勢,而與刺槐×麻櫟混交林有呈正相關的趨勢。這表明固相體積比在土壤三相結構中更為重要,可能是評價團聚體組成與穩定性的關鍵指標。另外,需要注意的是目前土壤三相比的理想值參考的是旱作農業土壤的相關參數,未來應探索林地土壤理想土壤三相比,不斷完善廣義土壤結構指數和土壤三相結構距離等表征土壤結構的指標在林業土壤當中的應用。

4 結論

研究區土壤機械穩定性團聚體與水穩定性團聚體組成均表現出細大團聚體(2～0.25 mm)＞微團聚體(0.25～0.053 mm)＞粉黏粒(＜0.053 mm)的趨勢。刺槐×麻櫟混交林土壤團聚體機械穩定性顯著優于板栗林,而水穩定性與板栗林無顯著差異。不同坡位之間,土壤團聚體組成與穩定性無顯著差異。刺槐×麻櫟混交林的土壤結構穩定性更強。不同坡位土壤GSSI與STPSD均未表現出顯著差異。固相體積所占比例可作為評價團聚體組成的重要指標。