2種水土保持林土壤微團聚體組成及其在不同坡位和不同土層間的分布特征1)

卜慶雨 王秀偉 陳桂蘭 谷會巖

(東北林業大學,哈爾濱,150040)

土壤微團聚體,是有機-無機復合體經過多次聚合而形成,以不同粒級微團聚體的形式組合在土體內,它的含量和分布對土壤一系列物理性質都有重要影響[1]。微團聚體是土壤結構形成的重要基礎,其不同的粒級組成比例對土壤養分供給、改善土壤的通氣、滲水性、水力學性質發揮著不同的作用[2-3],也是養分的主要載體[4],它對土壤物理性質和植物生長具有良好的作用。

分形理論自上世紀70年代產生后發展迅速,在描述復雜幾何形狀方面的優勢越來越顯著,很快引起了各個學科領域的關注。自20世紀80年代起,分形理論被應用到土壤學科中[5],之后,Tyler et al.[6]、楊培嶺等[7]提出了土壤顆粒粒徑分布的質量分形維數計算公式;這雖然為土壤值的合理表達提出了一種新的概念,但土壤顆粒質量分形模型的提出,是依據不同粒級土壤顆粒具有相同密度這一不合理假設條件的,因此受到一些學者的質疑。隨著土壤顆粒測定方法和精度的提高,其顆粒體積的大小和數量可以利用激光衍射技術準確測量。2005年,王國梁等提出了土壤顆粒體積分形維數的概念,并用土壤體積分形模型對其進行分析驗證后認為,土壤顆粒體積分形維數比質量分形維數更具合理性[8-9]。微團聚體分形維數能夠反映土壤顆粒大小和質地組成特征,是描述土壤結構的重要指標,也可以反映林地內土壤物理、化學等變化特征[10]。因此,通過分形維數定量化描述坡林地土壤顆粒結構的非均勻性、復雜性程度,明確土壤顆粒粒徑組成結構和土壤特性的定量關系以及分形維數和主要養分在坡面的分布特征,在探究土壤結構組成分形之間的關系方面具有重要的應用價值。

東北黑土區不僅是我國重要的商品糧生產基地,也是水土流失較為嚴重的區域之一[11]。水土保持林則是治理水土流失的有效生物措施[12]。目前,關于東北黑土區水土保持林坡林地的土壤微團聚體坡面分形特征研究的較少,為此,本研究在黑龍江省齊齊哈爾市克山縣境內的克山農場,選擇位置相鄰,坡度、坡向、坡長、林齡基本一致的樟子松水土保持林、楊樹水土保持林、坡耕地(對照)為研究對象;在選定的坡面上沿著和坡面等高線垂直的方向分別布設3條樣線,每條樣線從坡頂至坡底分別設置10個取樣點;使用環刀法,按照土層深度(h)采集土壤表層(0

1 研究地概況

研究地位于黑龍江省齊齊哈爾市克山縣境內的克山農場(48°11′～48°24′N、125°7′～125°37′E),地處訥河市與克山縣交界處,位于松嫩平原東北部。屬于小興安嶺西南麓向松嫩平原過渡的典型黑土區核心地帶,地勢丘陵漫崗,地貌類型以漫川漫崗為主。海拔240～340 m。該區域土壤類型以黏化濕潤均腐土為主,只在部分低洼處鑲嵌分布少量的草甸土,屬典型黑土區。屬溫帶大陸性季風氣候,四季溫差大,霜凍早,低溫時間較長,嚴寒干燥。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與處理

在克山農場選擇位置相鄰,坡度、坡向、坡長、林齡基本一致的樟子松水土保持林地、楊樹水土保持林地、坡耕地(對照)為研究對象,2022年8月份收獲農作物之后,在選定的坡面上沿著和坡面等高線垂直的方向分別布設3條樣線作為3個重復,每2條樣線之間間隔3 m,每條樣線從坡頂至坡底分別設置了10個取樣點,每個取樣點之間間隔30 m。使用100 cm3的環刀,按照土層深度(h)采集土壤表層(0

2.2 土壤樣品指標及測定方法

采用激光粒度分布儀(BT-9300ST)測定土壤微團聚體的粒徑分布、比表面積,土壤粒徑分級采用美國農業部制定的土壤粒級(d)標準：d<0.002 mm為黏粒、0.002 mm≤d<0.020 mm為細粉粒、0.020 mm≤d<0.050 mm為粗粉粒、0.050 mm≤d<0.100 mm為極細砂粒、0.100 mm≤d<0.250 mm為細砂(本研究中將0.050 mm≤d<0.250 mm統稱為砂粒)。pH,采用電位計法測定;全磷質量分數,采用硫酸-高氯酸消解鉬銻抗比色法測定;有效磷質量分數,采用氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法測定;全氮質量分數,采用半微量凱氏法測定;土壤密度、孔隙度,采用環刀法[13]測定。

2.3 數據處理

根據土壤微團聚體組成不同粒級的體積分數,參考王國梁等[8]提出的分形模型,計算不同粒徑土壤微團聚體分形維數(D,以下將體積分形維數簡稱為分形維數)。

計算關系式VR/VT=(R/λV)3-D,對公式兩邊取對數可得lg(VR/VT)=(3-D)lg(R/λV)。式中,λV為土壤顆粒分級中最大的粒徑、R為某一特定粒徑、VR為土壤粒徑小于D的顆?？傮w積、VT為土壤顆?？傮w積、D為土壤顆粒體積分形維數。然后分別以lg[V(r

通過Excel2010對實驗所得數據進行整理;用SPSS26.0軟件對所測數據進行相關性分析。

3 結果與分析

3.1 土壤微團聚體組成特征

運用回歸分析方法,計算出樟子松林地、楊樹林地、坡耕地(CK)土壤表層和下層微團聚體分形維數。本研究對土壤微團聚體不同粒級(d)范圍(d<0.002 mm、0.002 mm≤d<0.020 mm、0.020 mm≤d<0.050 mm、0.050 mm≤d<0.250 mm)占總體積比例(體積分數)情況進行測定,對微團聚體組成粒徑進行分級(見表1),供試土壤的分形維數在2.404～2.431之間。3塊試驗地的微團聚體的組成比例較為相似,可以看出,本研究的2種水土保持林地和坡耕地,微團聚體的主要粒級為細粉粒和粗粉粒2個粒級。細粉粒體積分數最高(為40.47%～46.64%),土壤表層和下層細粉粒體積分數由大到小依次為對照樣地、樟子松林地、楊樹林地;其次是粗粉粒體積分數(為31.07%～35.04%),土壤表層粗粉粒體積分數由大到小依次為坡耕地、樟子松林地、楊樹林地,土壤下層粗粉粒體積分數由大到小依次為坡耕地、楊樹林地、樟子松林地;其余的黏粒和砂粒2個粒級占的比例很小,特別是黏粒體積分數僅為5.57%～6.36%,且在土壤下層樟子松林地、楊樹林地的土壤黏粒體積分數比坡耕地分別增加了11.05%、13.54%,土壤表層增加量較大。砂粒體積分數為12.72%～22.15%,各土層砂粒體積分數由大到小均依次為楊樹林地、樟子松林地、坡耕地。

表1 土壤微團聚體粒徑組成及體積分形維數

土壤分形維數是描述土壤物理性質與結構的重要指標之一,通過分析土壤微團聚體粒級分布的分形維數可以定量了解土壤質量特征。本研究中,坡耕地分形維數最低;這與任婷婷等[13]研究結果相反,該研究結果認為,在不同的土地類型中,由于坡耕地的人為影響因素導致坡耕地的大的顆粒被不斷細化,所以分形維數最大;產生這樣的結果,是研究地點不同導致結果有差異。本研究區坡耕地土壤結構松散,加之單一的耕作方式,促使土壤養分和粉粒、黏粒不斷淋溶流失,致使小粒級結構的減少、土質粗化;此外,耕地現在難以通過秸稈焚燒的方式增加有機質,有機質減少導致土壤的黏結作用降低[14],所以分形維數最低。本研究表明,土壤下層坡面分形維數,水土保持林的明顯高于坡耕地的;是因為林地人為因素強度較小,且植物根系通過與土壤之間的相互作用,使微團聚體組成細化,同時枯落物也會攔截降雨,減少地表徑流[15],枯落物分解后還會增加土壤有機質質量分數,使土壤黏粒、粉粒增加[16],進而提高了分形維數。

3.2 土壤微團聚體粒徑組成與分形維數相關性

由表2可見：土壤下層的分形維數,分別與黏粒、細粉粒體積分數呈顯著正相關,與粗粉粒、砂粒體積分數呈顯著負相關。對于土壤表層,2種水土保持林地和坡耕地的分形維數,都與黏粒體積分數呈顯著正相關;坡耕地和楊樹林地的土壤分形維數,與細粉粒體積分數呈顯著相關;只有坡耕地土壤的分形維數,與砂粒體積分數呈顯著負相關。

由圖1可見：黏粒、細粉粒體積分數,與分形維數呈顯著正相關,其中,分形維數與黏粒體積分數決定系數(R2=0.977)最大,表明黏粒體積分數與土壤分形維數的相關性最強;分形維數,與細粉粒、粗粉粒體積分數相關性不強;而砂粒體積分數與分形維數的決定系數為負數,說明無函數線性關系。

圖1 分形維數與各粒級體積分數的相關關系回歸結果

微團聚體分形維數能夠有效地反映土壤微團聚體的顆粒組成和質地特征,表現出土壤顆粒粒級越小、黏粒體積分數越高,土壤分形維數越高[17-19]。黏粒、細粉的體積分數越大,分形維數越大;粗粉粒、砂粒體積分數越大,分形維數越小。

土壤微團聚體是土壤自動調節能力的物質基礎[20],其粒徑組成影響土壤的水分的分布和利用,進而對土壤的理化性質也會產生影響。本研究表明,只有黏粒體積分數與分形維數全部呈顯著正相關(P<0.01),相關系數在0.964～0.999之間,線性擬合結果優度也遠超于其他粒級。這表明,黏粒體積分數是反映土壤表面特性關系非常密切的,與其他粒級相比,黏粒的優勢更明顯,其次是細粉粒體積分數。

3.3 土壤分形維數的坡面分布

由表3可見：樟子松林地、楊樹林地去除個別取樣點,整體趨勢表現為土壤下層分形維數大于土壤表層分形維數,且土壤表層分形維數的數值波動大于土壤下層分形維數的數值波動。從林地類型分析,土壤表層,坡耕地、樟子松林地的分形維數整體趨勢較為平緩,楊樹林地分形維數在坡面呈波浪式上升。坡耕地的分形維數最低,樟子松林地、楊樹林地分形維數在各個取樣地點的上升和下降趨勢基本表現一致。

表3 各樣地土壤表層和下層分形維數的坡面分布

土壤下層的耕地微團聚體分形維數最低,樟子松林地微團聚體分形維數比楊樹林地微團聚體分形維數波動稍大。從坡頂至距坡頂180 m之間,樟子松林地和楊樹林地的微團聚體分形維數都是較平穩的波動,在距坡頂180 m至距坡頂300 m之間,楊樹林地的微團聚體分形維數呈波浪上升趨勢,樟子松林地微團聚體分形維數則是先下降后上升,并且在距坡頂270 m時微團聚體分形維數達到最低點。土壤微團聚體分形維數越高,黏粒體積分數越高,越容易形成穩定的團聚體,土壤結構越穩定[21-22]。土壤下層整個坡面,坡耕地的分形維數明顯小于樟子松林地、楊樹林地的分形維數,這說明水土保持林的林下土壤的土質優于耕地。

3.4 土壤主要養分的坡面分布

由表4可見：全磷質量分數,在坡面上的分布趨勢較為穩定,土壤表層、下層全磷質量分數,由大到小依次為耕地、楊樹林地、樟子松林地。

表4 各樣地土壤全磷質量分數的坡面分布

由表5可見：土壤表層,楊樹林地的土壤有機質質量分數波動較大,耕地土壤有機質質量分數較為平穩,樟子松林地的有機質質量分數整體呈現下降趨勢;土壤下層,楊樹林地土壤有機質質量分數較為穩定,樟子松林地土壤有機質質量分數整體偏下降趨勢。

表5 各樣地土壤有機質質量分數的坡面分布

由表6可見：土壤表層、下層,土壤有效磷質量分數由大到小依次為耕地、樟子松林地、楊樹林地,且耕地的有效磷質量分數遠超出林地,這是由于人為施肥因素的影響。

耕地的全磷質量分數、有效磷質量分數,遠高于林地的全磷質量分數。原因是人為因素影響過大,林地土壤下層的全磷質量分數受坡面位置的影響更明顯,且波動較小,隨著距坡頂位置越來越遠,全磷質量分數也隨之下降。根據有機質質量分數、全磷質量分數、有效磷質量分數這3個指標的坡面分布特征,判斷楊樹林地、樟子松林地哪個樹種維持養分效果較好,但并不能直接說明哪種林地的好與壞;因為不同樹種制造利用養分的機制不同,不同類型的水土保持林養分質量分數差異大[23]。

表6 各樣地土壤有效磷質量分數的坡面分布

3.5 3個樣地土壤微團聚體組成特征與土壤理化性質的關系

由表7可見：本研究的樟子松林地、楊樹林地、坡耕地黏粒體積分數,僅與全磷質量分數、有效磷質量分數呈顯著負相關,與微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關;細粉粒體積分數,與有效磷質量分數、土壤密度、微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關,與有機質質量分數、土壤pH、總孔隙度、全氮質量分數呈顯著負相關;粗粉粒體積分數,與有效磷質量分數、全磷質量分數、土壤密度呈顯著正相關,與有機質質量分數、土壤pH、總孔隙度、全氮質量分數呈顯著負相關;砂粒體積分數,與有機質質量分數、土壤pH、總孔隙度、全氮質量分數呈顯著正相關,與有效磷質量分數、全磷質量分數、土壤密度、微團聚體顆粒比表面積呈顯著負相關;分形維數,僅與全磷質量分數、有效磷質量分數呈顯著負相關,與微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關。

表7 土壤微團聚體粒徑組成、土壤理化指標及微團聚體分形維數的相關性分析結果

土壤微團聚體粒級組成,影響土壤的質地、養分等理化性質;分形維數對土壤的養分特征也具有一定的影響[24]。本研究中,各個粒級體積分數與土壤理化性質相關性較強;分形維數,僅與全磷質量分數、有效磷質量分數呈顯著負相關,與微團聚體顆粒比表面積呈顯著正相關,與其他理化指標均未達到顯著水平;土壤各養分質量分數的變化,對分形維數(D)沒有顯著影響。是因為本研究區地處黑土區,近年來東北水土流失與土壤退化嚴重,本研究中的水土保持林為人工林,在植被恢復過程中土壤基本養分狀況得到改善;但土壤粒徑組成性狀卻不能及時得到改善[25]。不同的研究方法,研究區域和植被類型等因素的不同影響,使得研究結果也不盡相同,這也為進一步探討土壤質量結構、分形維數與土壤養分間的定量化關系將有非常重要的意義。

4 結論

坡面主要土壤養分質量分數,全磷質量分數(土壤表層、下層),由大到小依次為耕地、楊樹林地、樟子松林地;有效磷質量分數(土壤表層、下層),由大到小依次為耕地、樟子松林地、楊樹林地;有機質質量分數,土壤表層由大到小依次為楊樹林地、樟子松林地、耕地,土壤下層由大到小依次為楊樹林地、耕地、樟子松林地。

分形維數與有效磷質量分數、全磷質量分數、微團聚體顆粒比表面積顯著相關;分形維數在一定程度上可用于表征土壤的養分狀況。

土壤下層整個坡面,坡耕地的分形維數明顯小于樟子松林地、楊樹林地的分形維數,說明水土保持林的林下土壤的土質優于耕地。

根據坡面土壤微團聚體分布特征及其趨勢、坡面養分分布特征綜合對比,楊樹林地土質優于樟子松林地。

目前關于不同土地利用類型的團聚體分形特征研究較多,這些研究也表示不同土地利用類型的粒徑組成差異較大;本研究選擇同一坡度、同一類型土壤的耕地與不同樹種林地,分析分形維數更具有可靠性。本研究樣地中的對照樣地為坡耕地,人為干擾因素較大,但研究中的粒徑組成及其與理化性質的關系,可為今后黑土區的土壤質量的改良與評價提供參考。