喀斯特退耕地不同植被恢復階段土壤團聚體穩定性特征

董天富,鄧志豪,楊靜,戴全厚,聶云鵬

(1.貴州大學林學院,貴陽 550025;2.中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站,廣西環江 547100;3.中國科學院亞熱帶農業生態研究所,長沙 410125)

黃壤和石灰土是貴州省最主要的土壤類型,其中黃壤分布面積最廣,占貴州省土壤總面積的41.21%;石灰土次之,占比為26.10%[1]。貴州省地處西南喀斯特中心,其土層淺薄、基巖裸露率高,極易發生水土流失[2-3]。近代以來,由于人為活動的影響,導致該區植被破壞、水土流失加劇、產生了以石漠化為代表的嚴重的生態問題[4]。為此,我國實施了“退耕還林還草工程”和一系列的石漠化綜合治理工程,喀斯特區植被得以明顯恢復,水土流失得到有效控制,石漠化得到有效遏制[5]。很明顯,退耕還林還草工程取得了巨大成效,但在同一區域內,不同土壤類型下退耕效益是否有差異還尚不清楚。

退耕還林還草可以明顯改善土壤理化性質,提高土壤生產力和抵抗侵蝕的能力[6-7]。土壤團聚體作為土壤結構的基本單元,對土壤的孔隙性、持水性、滲透性和抗蝕性有極大影響,其穩定性是決定土壤抗侵蝕能力和退化速率的重要因素[8-9]。因此,土壤團聚體特征常被作為評價土壤抗蝕能力的重要指標。研究發現,退耕可以增加土壤有機質含量,促進土壤團聚體的形成,且退耕后不同植被措施下的土壤團聚體有所不同,團聚體穩定性存在差異[10]。袁瀛等[11]發現,隨著退耕植被演替程度加深,＞5 mm 團聚體含量顯著增加,團聚體平均重量直徑(MWD)顯著增大,其穩定性提高;由政等[12]也發現類似的結果。但是,王妙倩等[13]發現雖然退耕后土壤團聚體MWD有所增加,但并未呈現隨演替程度增加而增加的趨勢。在喀斯特地區,也有研究發現坡耕地退耕還林后,土壤水穩性大團聚體含量有明顯提高,且小粒徑團聚體有向大粒徑明顯轉化的趨勢[14];隨著退耕地植被的不斷恢復,土壤團聚體越來越穩定,抗侵蝕能力越來越強[15]。由此可知,退耕可以影響土壤的團聚體特征和分布,增強土壤團聚體穩定性。但是,土壤團聚體穩定性是否會隨退耕后的植被演替加深而增加還沒有定論;同一氣候條件下,黃壤和石灰土退耕后各階段土壤團聚體穩定性是否有差異也尚不明確。

因此,本研究在黔中喀斯特黃壤和石灰土發育區,選擇耕地和退耕后不同恢復階段3種典型植被類型下的土壤為研究對象,對比0—30 cm 土層土壤團聚體的組成特征,探討不同土壤類型退耕后在不同恢復階段下的土壤團聚體穩定性差異,以期能為喀斯特區水土流失防治和退耕地恢復植被效益評價提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省貴陽市花溪區內,其中所選石灰土發育區4 種植被類型位于花溪區花溪水庫附近(北緯26°26′—27°22′,東經106°38′—107°42′),黃壤發育區4種植被類型位于花溪區歪腳村(北緯26°17′—26°22′,東經106°42′—106°45′)?；ㄏ獏^位于黔中地區,該區總面積964.32 km2,屬中亞熱帶濕潤溫和型氣候,氣候溫和,年均氣溫15.6℃,全年日照1 162.2 h,降雨充沛,年降雨量約為1 215.7 mm,降水多集中于5—6月。該區多山地丘陵,成土母質以石灰巖、白云巖、砂頁巖等為主,地表土壤以黃壤和石灰土為主,平均土層厚度為20—40 cm。耕地以坡耕地為主,面積為202.37 km2。

1.2 樣地設置和土樣采集

結合土壤類型分布圖和實地走訪調查,于研究區選擇了黃壤和石灰土條件下3種不同退耕年限、處于不同恢復階段〔草地(CD)、灌叢(GC)和林地(LD)〕的地塊作為研究對象,并以耕地(YM)作為對照。分別設置3個20 m×20 m 的重復樣地,調查并記錄樣地基本信息(表1)。在2021年5—6月在各樣地沿“S”曲線隨機選取5個1 m×1 m 樣方,去除表面枯落物,按0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm 分層取原狀土和擾動土各1 kg。原狀土帶回實驗室后將土塊沿自然縫隙掰成直徑約為10 mm 小土塊后風干,用于土壤團聚體性質測定;擾動土風干研磨過篩后用于土壤理化性質的測定。

表1 研究樣地基本信息Table 1 Basic information of the study sample sites

1.3 土壤指標測定方法

(1)土壤機械穩定性團聚體測定:稱取100.0 g風干土樣,置于孔徑為5,2,1,0.5,0.25 mm 的套篩上,利用電動篩分儀震蕩5 min計算各粒級團聚體的質量百分比,每份土樣3個重復。

(2)土壤水穩性團聚體測定:將干篩法測定各粒徑團聚體按比例配置50 g土樣,放入土壤團粒分析儀,調整套篩水面高度,使土樣充分濕潤,5 min后啟動土壤團粒分析儀(XDB0601 型),以30 次/min 的頻率、3 cm 振幅上下振動30 min。用清水將各粒級篩中的團聚體洗入鋁盒中,在65℃下烘干至恒重,計算得到各粒級水穩性團聚體含量。

(3)土壤理化性質采用常規測定方法[16]:有機質采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定;土壤全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測定;全磷(TP)采用鉬銻抗比色法;全鉀(TK)采用熔融-火焰光度計法測定,土壤機械組成采用鮑氏比重計法測定。

1.4 數據分析與處理

為探究兩種土壤類型退耕地不同植被恢復階段對土壤團聚體穩定性特征的影響,本文選取土壤團聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和團聚體結構破壞率(PAD)作為評價指標,其計算公式如下。

(1)平均重量直徑(MWD,mm)、幾何平均直徑(GMD,mm)計算公式為[17-18]:

式中:Mi為第i粒級中的土壤團聚體質量分數(%);Xi為相鄰兩粒級團聚體的平均粒徑(mm)。

(2)土壤團聚體破壞率(PAD,%)計算公式為:

式中:R＞0.25為＞0.25 mm 機械團聚體含量(%);WR＞0.25為＞0.25 mm 水穩性團聚體含量(%)。

原始數據利用Excel軟件進行整理,SPSS 20軟件的Pearson相關系數法進行相關性分析,One way ANOVN和Duncan法對數據進行差異性分析,Origin 2018軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同恢復階段退耕地土壤基本理化性質

由表2可知,在黃壤發育區,砂粒、粉粒含量均隨植被恢復程度加深而增加,黏粒則相反;砂粒含量隨土層加深而降低,而粉粒、黏粒含量增加?？傮w而言,YM 的TN 和TP最高,SOM 和TK 含量高于CD 而低于GC 和LD。退耕后不同恢復階段土壤表現為SOM,TN 和TK 隨恢復程度加深先減小后增加;各養分指標均表現出隨土層深度增加而降低的趨勢。

表2 黃壤不同恢復階段土壤理化指標Table 2 Physicochemical indicators of soils in different recovery stages of loess

在石灰土發育區(表3),砂粒含量隨植被恢復程度加深而增加,黏粒則降低;其中,LD 砂粒含量最高,而YM 黏粒含量最高。各土層YM 的TP 均最高,而TK 最低;SOM 和TN 僅略高于CD。退耕后,SOM,TN 和TP 隨植物恢復程度加深先減小后增加,而TK 隨植物恢復程度加深逐漸增加;各養分指標均隨土層加深而降低。

表3 石灰土不同恢復階段土壤理化指標Table 3 Physicochemical indicators of soils in different restoration stages of lime soils

綜合可知,黃壤和石灰土各植被恢復階段土壤機械組成均以黏粒為主,且黃壤黏粒含量高于石灰土,砂粒則相反。石灰土不同植被恢復階段的各養分含量整體均高于黃壤同種植被類型下的含量,黃壤和石灰土各養分含量均在表層最高,隨土層深度的增加而逐漸降低。

2.2 不同恢復階段退耕地土壤團聚體特征

由圖1可知,在黃壤發育區,土壤機械團聚體以＞1 mm 團聚體為主,其平均占比為82.45%;＜0.25 mm團聚體占比最小,均值為2.99%,各粒徑團聚體含量隨粒徑減小而降低。5～2 mm 團聚體含量隨土層加深而增加,同土層各恢復階段退耕地的不同粒徑團聚體占比無顯著差異。濕篩后,團聚體以＞5 mm 和5～2 mm為主,其平均占比分別為24.49%和29.04%;0.5～0.25 mm 團聚體含量最低,平均占比為5.72%。水穩性團聚體含量隨粒徑減小表現為先降低后增加,＞1 mm 團聚體相較于同粒級機械團聚體占比減少。＜0.25 mm 團聚體含量YM 最高,其他粒級YM 和不同恢復階段退耕地間無顯著差異。

圖1 兩種土壤不同恢復階段土壤團聚體組成特征Fig.1 Composition characteristics of soil aggregates at different restoration stages for two soils

與黃壤類似,石灰土發育區土壤機械團聚體也以＞1 mm 團聚體為主,平均占比為84.01%;＜0.25 mm 團聚體占比最小,均值為1.97%,各粒級團聚體含量隨粒徑減小而降低。2～1 mm 和1～0.5 mm 團聚體隨土層加深而增加,＞1 mm 團聚體在YM 中最高,而＜0.5 mm 團聚體在YM 中最低。濕篩后,團聚體以＞5 mm(27.55%)和5～2 mm(27.06%)為主,0.5～0.25 mm 團聚體最少,平均占比為5.34%。水穩性團聚體含量隨粒徑減小先降低后增加,＞1 mm團聚體相較于同粒級機械團聚體占比減少,＜1 mm 團聚體占比則增加。各土層＞5 mm 團聚體在YM 中最低,而＜0.25 mm 團聚體在YM 最高。

總體上,黃壤和石灰土耕地和各恢復階段退耕地土壤機械團聚體以＞1 mm 團聚體為主,各粒級團聚體含量隨粒徑減小而降低;濕篩后＞1 mm 團聚體相較于同粒級機械團聚體占比減少,且＞0.25 mm 水穩性團聚體含量黃壤整體上要高于石灰土。兩種土壤條件下,＞0.25 mm 機械團聚體含量均為YM 最高,而＞0.25 mm 水穩性團聚體含量則表現為YM 最低,由此可見退耕后土壤抵抗水蝕的能力有所增加。

2.3 不同恢復階段退耕地土壤團聚體穩定性

由圖2可知,在黃壤發育區,土壤水穩性團聚體MWD 均值變化范圍為2.30～3.09 mm,隨土層加深有減小的趨勢,YM 和各恢復階段退耕地間差異不明顯;GMD 均值變化范圍為1.56～2.27 mm,其變化趨勢與MWD相似。PAD變化范圍為2.11%～8.21%,其各層最高值均出現在YM 中,說明其穩定性最差。在石灰土發育區,水穩性團聚體MWD 變化范圍為2.10～3.22 mm,退耕后各恢復階段各層MWD均高于YM,其中GC 和LD 有隨土層加深MWD增大的趨勢;GMD 變化范圍為1.34～2.37 mm,其變化趨勢與MWD 相似。PAD 變化范圍為3.44%～10.80%,各層均以YM 最高,說明其穩定性最差;各恢復階段退耕地間無顯著差異,其穩定性相當且均高于YM。

圖2 兩種土壤不同恢復階段退耕地土壤團聚體穩定性特征Fig.2 Stability characteristics of soil aggregates in fallow land at different restoration stages for two soils

整體而言,兩種土壤類型下均表現為YM 的MWD 和GMD 最低而PAD 最高,說明其穩定性最差。兩種土壤退耕后各恢復階段MWD 和GMD 無顯著差異,而石灰土各階段的PAD 整體上均高于黃壤,說明黃壤退耕地的團聚體穩定性相對更好。

2.4 土壤團聚體穩定性影響因素分析

由表4可知,在黃壤發育區,MWD與SOM,TN 顯著正相關,GMD與SOM 顯著正相關,PAD與粉粒顯著正相關(p＜0.05)。在石灰土發育區,MWD,GMD與砂粒、TK顯著正相關(p＜0.05),與TP呈極顯著負相關,PAD與砂粒、TK 極顯著負相關(p＜0.01),與TP極顯著正相關,與黏粒顯著正相關(p＜0.05),WR＞0.25與砂粒極顯著正相關,與TP極顯著負相關(p＜0.01),與TK 顯著正相關,與黏粒顯著負相關(p＜0.05)。

表4 土壤水穩性團聚體穩定性指標與土壤理化性質的相關性分析Table 4 Correlation analysis of soil water stability agglomerate stability indicators with soil physicochemical properties

根據多因素方差分析可知(表5和表6),土層深度、植被類型和土壤類型均對團聚體穩定性指標影響的主體效應顯著(p＜0.05),從不同影響因素的交互作用對土壤團聚體穩定性指標MWD 和GMD 的影響來看,土壤類型×植被類型、土壤類型×土層深度、植被類型×土層深度、土壤類型×植被類型×土層深度對MWD 和GMD 均有顯著影響(p＜0.05)。這說明土壤類型、植被類型和土層深度均為喀斯特區土壤團聚體穩定性特征的主要因素。

表5 影響水穩性團聚體MWD值變化的各因素主體間效應Table 5 Inter-subject effects of factors affecting the variation of MWD values of water-stable agglomerates

表6 影響水穩性團聚體GMD值變化的各因素主體間效應Table 6 Inter-subject effects of various factors affecting the variation of GMD values of water-stable agglomerates

3 討論

3.1 土壤團聚體組成特征

土壤團聚體組成、分布以及穩定性特征對形成良好的土壤結構起重要作用,進而有利于土壤抵抗侵蝕和保持養分[18]。土壤團聚體組成和穩定性特征是多種因素綜合作用的結果,其中植被類型和土壤理化性質可以直接影響土壤團聚體特征[19]。本研究發現,在黃壤區和石灰土區,土壤機械團聚體均以＞1 mm團聚體為主,＜0.25 mm 粒徑團聚體分布最少,團聚體含量隨粒徑減小而降低,該結果與白怡婧[20]和俞月鳳[21]等對喀斯特地區所得黃壤和石灰土團聚體分布規律和組成的研究結果相似。其主要原因可能是黃壤具有很高的黏粒含量,易粘結形成黏團[22-23],加之黃壤p H 值呈弱酸性,可降低土壤負電荷物質中的靜電排斥作用[24-25],提高鋁化合物、水合鐵以及黏土礦物等對有機質的吸附能力,增強有機物質和礦物的結合作用[26],從而增加黃壤大團聚體含量。而石灰土中有大量游離的鹽基粒子和有機質形成的膠結物質,促進了大團聚體的形成導致的[27]。

在黃壤和石灰土發育區,不同恢復階段退耕地＞0.25 mm 水穩性團聚體含量均高于YM,說明退耕可以促進土壤＞0.25 mm 水穩性團聚體的形成,增加其含量,該結果與董亞輝等[14]和林立文[15]研究結果相似。這主要是由于耕地退耕后,土壤植被覆蓋類型發生改變,土壤大氣環境、土壤輸入有機碳量和土壤微生物群落改變,以及缺少了耕作和人為活動的影響,改變了土壤理化性質,促進團聚體的聚集。

3.2 土壤團聚體穩定性特征

土壤水穩性團聚體MWD,GMD 和PAD 是評價土壤團聚體穩定性的主要指標,MWD 和GMD 值越大,PAD 值越小,土壤團聚體越穩定,抗蝕能力越強[28]。本研究發現,在黃壤發育區,土壤水穩性團聚體MWD變化范圍在2.30～3.09 mm,GMD 在1.56～2.27 mm,PAD 在2.11%～8.21%,隨土層加深MWD和GMD 表現為減小的趨勢,且表層土壤PAD值最低。石灰土發育區水穩性團聚體MWD 變化范圍在2.10～3.22 mm,GMD 在1.34～2.37 mm,PAD在3.44%～10.80%,MWD,GMD 隨土層加深GC,LD 有逐漸增加的趨勢,PAD 變化趨勢與黃壤相似。兩種土壤類型的MWD,GMD 值均較大,PAD 較小,表明兩種土壤均有較好的穩定性和抵抗侵蝕的能力。

不同土壤類型下退耕地植被恢復過程中土壤團聚體穩定性存在差異,對比兩種土壤類型下土壤團聚體穩定性指標發現,兩種土壤退耕后各恢復階段MWD 和GMD無顯著差異,而石灰土各階段PAD整體上均高于黃壤,說明黃壤退耕地的團聚體穩定性相對更好。這可能是因為石灰土發育區母質改變了土壤游離的鹽基粒子量,黏粒含量較黃壤低,SOM 較高導致大孔隙較高,養分容易遷移到深層土壤導致的[29-30]。

對不同退耕恢復階段植被的土壤團聚體穩定性指標進行分析得出,在黃壤和石灰土發育區,退耕后各恢復階段MWD 和GMD 均高于YM,PAD 均低于YM,說明YM 穩定性最差,退耕后植被恢復提高了土壤團聚體的穩定性。結果與前人相似[15],進一步確認了退耕后植物恢復各階段土壤團聚體相較耕地更穩定的結論,可見在喀斯特區同氣候不同土壤類型上退耕措施依然可以提升土壤穩定性。研究也有與前人不同之處,本研究得出3種恢復階段間土壤團聚體穩定性不存在顯著差異,與王妙倩等[13]結果有所不同,這可能是地域差異導致的。

4 結論

(1)黃壤和石灰土發育區4種不同植被類型的土壤機械團聚體含量隨粒徑減小而降低,以＞1 mm團聚體為主,濕篩過后則是以＞5,5～2 mm 為主,團聚體含量隨粒徑減小表現為先降低后上升。

(2)兩種土壤類型4種不同植被類型水穩性團聚體MWD,GMD 值均較大,PAD 值較小,WR＞0.25較大,說明黃壤和石灰土發育區土壤均有較高的穩定性。黃壤退耕地的團聚體穩定性相對于石灰土更好,耕地退耕后不同植被恢復階段土壤團聚體穩定性均比耕地要好,退耕利于土壤大團聚體形成,提高了土壤的穩定性。

(3)相關性分析得出,在黃壤發育區,MWD 與SOM,TN 顯著相關,GMD 與SOM 顯著正相關,PAD 則是與粉粒顯著正相關(p＜0.05),與SOM 相關系數最高,SOM 對土壤團聚體穩定性影響最大;在石灰土發育區,MWD,GMD 與砂粒、TK 顯著正相關(p＜0.05),與TP 呈極顯著負相關,PAD 與砂粒、TK 極顯著負相關,與TP極顯著正相關(p＜0.01),與黏粒顯著正相關(p＜0.05)。多因素方差分析得出,植被類型、土層深度和土壤類型均是影響土壤團聚體穩定性的重要因素。