黄土高原不同草地类型对水稳性团聚体粒径分布及稳定性的影响

黄泽，田福平，刘玉，张静鸽,，苗海涛,，武高林,*

(1.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，甘肃 兰州 730050；3.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

黄土高原不同草地类型对水稳性团聚体粒径分布及稳定性的影响

黄泽1,2,3，田福平2，刘玉1，张静鸽1,2，苗海涛1,2，武高林1,2*

(1.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，甘肃 兰州 730050；3.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

本研究在甘肃兰州选择了4种不同类型的人工草地与天然草地为研究对象，分别为苜蓿草地、冰草草地、柠条灌木草地及针茅草地，其中针茅草地为天然草地。分析了4种草地类型0～40 cm土层的土壤水稳性团聚体粒径分布特征、平均重量直径(mean weight diameter, MWD)以及它们之间的差异性和相关性。结果表明，gt;2 mm和lt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体为优势粒径；在土壤表层0～20 cm，针茅草地gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体显著高于其他草地类型(Plt;0.05)，而在20～40 cm土层，苜蓿草地最高，说明在表层针茅草地对土壤结构的改良最优，随土层加深苜蓿草地对土壤结构的改良效果突出；苜蓿草地MWD值由表层0～10 cm的1.04 mm降低到30～40 cm的0.72 mm，下降了31%，而其他草地类型下降了50%～80%，说明苜蓿草地对不同层次土壤结构改良效果的差异性最小。MWD值与gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量和有机质呈极显著的正相关关系，与土壤容重呈极显著的负相关关系，表明水稳性大团聚体和有机质含量的增加可有效促进土壤结构的改良，加强土壤结构的稳定性，提高土壤的抗侵蚀能力。

草地类型；土壤结构；平均重量直径；有机质

黄土高原生态环境脆弱，植被退化严重，土壤侵蚀剧烈，1950年实施退耕还林还草工程以来，区域生态环境得以恢复，土壤侵蚀得到控制[1]。土壤侵蚀与土壤结构的改变有着密切联系，土壤团聚体是土壤结构的基本单位，其组成和稳定性是土壤结构变化的重要指示因子，对水土流失和入渗能力有重要影响[2-3]。各粒径水稳性团聚体的比例可以反映土壤团聚体的质量[4]，因此土壤水稳性团聚体的数量和特征可以反映土壤结构的稳定性和抗侵蚀能力[5-6]。gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体可以作为评价土壤结构的指标，其含量越高，说明土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强[7-8]。植被恢复有利于促进土壤大团聚体的形成[5]。不同的植物群落对团聚体稳定性影响不同[9]。黄土高原受水分条件限制，植被恢复方式多以种草为主，草本植物根系能固持土壤，改良土壤结构，促进水稳性团粒的形成，降低土壤侵蚀[10]。

土壤团聚体的大小和稳定性，是反应土壤物理性质的重要指标，因此可作为监测和评估草地恢复或退化的指示因子，很少有人研究自然植被恢复和人工植被恢复土壤团聚体粒径分布和稳定性的差异，因此本研究选择了4种不同植被类型的人工草地与天然草地，研究其水稳性团聚体粒径分布以及平均重量直径(mean weight diameter,MWD)之间的差异和相关性。通过量化分析水稳性团聚体在不同草地类型之间的差异，评价不同草地类型恢复方式下土壤结构的稳定性，进而选择合适的植被类型，有助于黄土高原干旱区草地的恢复与重建。

1 材料与方法

1.1研究区概况

研究区设在农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，地处甘肃省兰州市七里河区彭家坪乡龚家湾村大洼山(103°45′ E， 36°01′ N)，属黄土高原半干旱丘陵沟壑区，主要土壤类型为灰钙土。海拔为1698～1823 m，年均气温9.3 ℃，多年平均降水量为324.5 mm，集中发生在7-9月，多年平均蒸发量为1450 mm。

1.2试验设计与方法

试验选取了天然草地和3种典型的人工草地为研究对象，其中天然草地的优势物种为针茅(Stipacapillata)。人工草地分别为2002年开始种植的苜蓿(Medicagosativa)、冰草(Agropyroncristatum)草地，以及柠条(Caraganakorshinskii)灌木草地。各试验地邻近，地势平坦，土壤水分的补给只有天然降水。

于2015年6月采集土壤样品，采样深度为0～40 cm，每10 cm取一层土样，每个样地3次重复。采样前去除地表的植物及枯落物。采集原状土装在硬质饭盒带回实验室，避免碰撞挤压。将风干后的土样沿土壤的自然结构掰成小块，大小约为1 cm，挑出石块及根系。另外取的土样风干后，过0.25 mm的土筛，测定土壤有机质。

1.3样品测定

土壤水稳性团聚体使用DIK-2001土壤团粒分析器测定。根据土壤水稳性团聚体粒径的分布计算平均重量直径(MWD)[8]。土壤容重采用环刀法测定[11]，土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法[12]测定。

1.4数据分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0软件进行数据统计与分析，Sigmaplot 12.5软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1土壤水稳性团聚体粒径分布

结果表明，在0～40 cm土层，gt;2 mm和lt;0.25 mm两个粒级水稳性团聚体含量最多；随土壤深度增加，gt;2 mm粒径的水稳性团聚体含量逐渐减少，而lt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量逐渐增加。在0～20 cm土层，针茅草地gt;2 mm粒径的水稳性团聚体含量显著高于其他三类草地(Plt;0.05)；各草地类型间2.0～1.0、1.0～0.5、0.5～0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量无显著性差异(Pgt;0.05)。在20～30 cm土层，苜蓿草地gt;2 mm粒径的水稳性团聚体含量显著高于冰草草地和柠条灌木草地(Plt;0.05)；在20～40 cm土层，苜蓿与针茅草地2.0～1.0、1.0～0.5、0.5～0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量高于冰草草地与柠条灌木草地。在30～40 cm土层，苜蓿草地gt;2 mm粒径的水稳性团聚体含量显著高于其他草地类型(Plt;0.05)，柠条灌木草地lt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量最高(图1)。

图1 不同草地类型0～40 cm土壤水稳性团聚体粒径分布Fig.1 Composition of water-stable aggregate of 0-40 cm soil depth under different grassland types 同一粒径不同小写字母表示差异显著(Plt;0.05)，下同。Different lowercase letters within the same partical size show significant difference (Plt;0.05). The same below.

通过分析各草地类型间gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量可知，在0～10 cm土层，针茅草地gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量是最高的[(80.84±13.40)%]，显著高于其他草地类型(Plt;0.05)，其次是冰草草地[(62.25±5.60)%]gt;苜蓿草地[(61.46±2.43)%]gt;柠条灌木草地[(51.55±11.34)%]。在10～20 cm土层，针茅草地gt;柠条灌木草地gt;苜蓿草地gt;冰草草地；在20～30 cm和30～40 cm土层，苜蓿草地gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量显著高于其他草地(Pgt;0.05)，针茅草地次之，而柠条灌木草地含量最少(图2)。

图2 不同草地类型0～40 cm土层gt;0.25 mm粒径水稳性团聚体含量Fig.2 Water-stable aggregate content of gt;0.25 mm particle size of 0-40 cm soil depth under different grassland types

2.2土壤水稳性团聚体平均重量直径分布特征

表层0～10 cm各草地的MWD值是最大的，随土壤深度增加，MWD值逐渐降低，苜蓿草地MWD值下降了31%，冰草、针茅、柠条草地分别下降了58%，77%和65%。在0～10 cm土层，针茅草地的MWD值比苜蓿、冰草草地及柠条灌木草地分别高40%，27%和58%。在20～30 cm土层，苜蓿草地的MWD值最高，比冰草草地和柠条灌木草地高60%，比针茅草地高45%(图3a)。MWD与gt;0.25 mm土壤水稳性团聚体含量呈极显著正相关关系(R2=0.9674)，MWD值越大，gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量越高，土壤大粒径的水稳性团聚体含量越多(图3b)。

图3 不同草地类型0～40 cm土壤平均重量直径变化(a)及与gt;0.25 mm土壤水稳性团聚体含量关系(b)Fig.3 Mean weight diameter variation (a) and the relation (b) with gt;0.25 mm particle size of water-stable aggregate of 0-40 cm soil depth under different grassland types

项目ItemMWDgt;2.0mm2.0～1.0mm1.0～0.5mm0.5～0.25mmlt;0.25mm容重Bulkdensitygt;2.0mm0.997**2.0～1.0mm0.452**0.389**1.0～0.5mm0.2250.1670.675**0.5～0.25mm0.1630.1080.664**0.679**lt;0.25mm-0.984**-0.969**-0.581**-0.377**-0.322*容重Bulkdensity-0.386**-0.380**-0.228-0.138-0.1470.393**有机质Soilorganicmatter0.587**0.567**0.497**0.344*0.294*-0.623**-0.186

注：** 表示在0.01水平上显著相关 ；* 表示在0.05水平上显著相关。

Notes: ** indicate statistical significant correlation atPlt;0.01； * indicate statistical significant correlation atPlt;0.05.

2.3相关性分析

MWD与gt;2.0 mm和2.0～1.0 mm粒径的水稳性团聚体含量呈极显著正相关关系，与lt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体呈极显著的负相关关系(表1)。土壤容重与MWD及gt;2.0 mm粒径的水稳性团聚体呈极显著负相关关系。土壤有机质与MWD及gt;2.0 mm和2.0～1.0 mm粒径的水稳性团聚体含量呈极显著的正相关关系(Plt;0.01)。

3 讨论

土壤团聚体与土壤的理化性质直接相关，其含量与粒径分布与土壤抗蚀性密切相关，水稳性团聚体能准确地反映不同草地类型对土壤结构的影响[8]。水稳性团聚体含量及粒径分布直接影响土壤抗侵蚀能力[13]。随土壤深度增加，gt;2 mm粒径的水稳性团聚体逐渐减少，而lt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量逐渐增加。有研究表明，表层大团聚体含量较高，越下层大团聚体含量越少，微团聚体含量增加[14]，说明上层土壤的团聚体稳定性要高于下层土壤。gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量越高，说明土壤结构越稳定[7]。在0～10 cm土层， gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量表现为针茅草地gt;冰草草地gt;苜蓿草地gt;柠条灌木草地，说明天然草地相对于人工草地能更有效提高表层土壤团聚体稳定性；在20～40 cm土层，苜蓿草地的水稳性团聚体含量最高，其次是针茅草地，而柠条草地含量最低，说明苜蓿草地对深层土壤结构的改良效果优于其他草地类型。针茅草地和苜蓿草地对土壤结构改善的效果相对明显。MWD值越大，团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强，土壤结构性越好[8]。在0～20 cm土层针茅草地土壤结构性最优，而在20～40 cm土层，苜蓿草地的土壤结构性最优。MWD与gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量呈极显著的正相关关系，说明gt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体，尤其是较大粒径的水稳性团聚体含量越多，MWD值越大，土壤团聚体稳定性越强，土壤的抗侵蚀能力也越强。

土壤容重与gt;2 mm粒径的水稳性团聚体含量及MWD值呈极显著的负相关关系(Plt;0.01)，与lt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量呈极显著的正相关关系(Plt;0.01)。容重越大，土壤的抗侵蚀能力弱。而土壤水稳性大团聚体含量越高，土壤容重越小，进而增加土壤通透性和稳定性，提高土壤的抗侵蚀能力。Plante等[15]研究发现，土壤团聚体因土壤有机质的变化而变化。土壤有机质在土壤团聚体形成中起胶结作用，并且影响团聚体的稳定性[8,16]。本研究中，gt;2 mm及2～1 mm粒径的水稳性团聚体含量及MWD值与有机质呈极显著的正相关关系(Plt;0.01)，与lt;0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量呈极显著的负相关关系(Plt;0.01)，说明在黄土高原地区有机质对土壤团聚体稳定性具有重要的影响，增加土壤中有机质含量，可以促进水稳性团聚体的形成，提高土壤结构的稳定性，增强土壤的抗侵蚀能力。

4 结论

MWD值越大说明大粒径团聚体数量越多，土壤结构性越好。在土壤表层针茅草地的土壤结构性最优，随土壤深度增加，苜蓿草地对土壤结构的改良效果优于针茅草地，柠条灌木草地的土壤结构性最差。苜蓿与针茅的混种对土壤团聚体的形成有更好的促进作用。容重越大，土壤水稳性团聚体含量越低，土壤结构性越差。增加有机质可以促进团聚体稳定性，防止土壤侵蚀。

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EffectsofdifferentgrasslandtypesonparticlesizedistributionandstabilityofwaterstableaggregateontheLoessPlateau

HUANG Ze1,2,3, TIAN Fu-Ping2, LIU Yu1, ZHANG Jing-Ge1,2, MIAO Hai-Tao1,2, WU Gao-Lin1,2*

1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A amp; F University, Yangling 712100, China; 2.Lanzhou Institute of Husbandry and Pharmaceutical Sciences of Chinese Academy of Agricultural Sciences, The Lanzhou Scientific Observation and Experiment Field Station of Ministry of Agriculture for Ecological System in the Loess Plateau, Lanzhou 730050, China; 3.College of Forestry, Northwest A amp; F University, Yangling 712100, China

Vegetation restoration can promote the formation of soil aggregates. The stability of soil structure is related to the water-stable aggregate content. The higher the content of water-stable aggregates, the more is the improvement in the soil erosion-resistance. Different plants have different effects on the water-stable aggregate component of soils. To evaluate the stability of soil structure under different grasslands, we studied different artificial grasslands and natural grasslands, includingMedicagosativa,Agropyroncristatum,CaraganakorshinskiiandStipacapillatain Lanzhou city, Gansu province. A soil aggregate analyzer was used to measure the size distribution of water-stable aggregates. The aggregate size differences and correlation of particle size distribution and mean weight diameter (MWD) of water-stable aggregate of the four different grasslands were analysed for the 0-40 cm soil depth. The results showed that the most abundant particle size of water-stable aggregates was gt;2 mm or lt;0.25 mm. For the 0-20 cm depth the proportion of water-stable aggregates of gt;0.25 mm particle size inS.capillatagrassland was significantly higher than other grasslands (Plt;0.05). For the 20-40 cm depth, the proportion of water-stable aggregates of gt;0.25 mm particle size was highest inM.sativagrassland. Hence,S.capillatagrassland had the most improved soil structure for the 0-20 cm depth, while theM.sativagrassland had a better effect on soil structure at greater depth in the soil profiles. The MWD value for soil samples fromM.sativagrassland decreased 31% from 1.04 mm in the 0-10 cm depth to 0.72 mm in 30-40 cm soil depth. These results indicate that inM.sativagrassland, soil structure improvement does not greatly differ between soil depths. There were extremely significant correlations between the MWD value, the proportion of water-stable aggregate in gt;0.25 mm particle size category and soil organic matter content. Generally, the MWD value and soil bulk density were significantly and negatively correlated. The results demonstrate that increase in the proportion of soil water-stable macro-aggregate and soil organic matter are effective ways to promote soil structure improvement, and enhance soil structure stability and resistance to erosion.

grassland types; soil structure; mean weight diameter; soil organic matter

10.11686/cyxb2017053http//cyxb.lzu.edu.cn

黄泽, 田福平, 刘玉, 张静鸽, 苗海涛, 武高林. 黄土高原不同草地类型对水稳性团聚体粒径分布及稳定性的影响. 草业学报, 2017, 26(11): 216-221.

HUANG Ze, TIAN Fu-Ping, LIU Yu, ZHANG Jing-Ge, MIAO Hai-Tao, WU Gao-Lin. Effects of different grassland types on particle size distribution and stability of water stable aggregate on the Loess Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(11): 216-221.

2017-02-17；改回日期：2017-05-04

国家自然科学基金项目(41525003, 31372368)，中国科学院“西部之光”项目(XAB2015A04), 中国科学院青年创新促进会(2011288)和中国农业科学院创新工程专项资金项目(CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)资助。

黄泽(1991-),女，宁夏银川人，在读硕士。E-mail: huangzee130@163.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: gaolinwu@gmail.com