不同降水下天然草地土壤水稳定性团聚体分布特征

王 婷，李建平,2，张 翼，井 乐，张 茹

（1. 宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2. 西北退化生态系统恢复与重建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021）

良好的土壤结构对土壤肥力及质量，具有积极的作用[1-2]。土壤团聚体是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标[3]，一方面其能协调土壤中的水、肥、气、热，稳定土壤疏松熟化层，另一方面其结构组成和形态稳定(尤其是水稳定性)对土壤肥力、结构、性质等方面具有重要影响[4]。因此，研究土壤团聚体结构组成及在不同土层的分布状态是土壤肥力恢复和土壤质量提高的重要内容。通常用以评价土壤团聚体稳定性的指标有分形维数(fractal dimension, D)、平均重量直径(mean weight diameter,MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)；D是反映土壤团聚体数量组成及质地均一性的综合性指标，MWD与GMD值越大，团聚体分布状况与稳定性越好[5-7]。

有研究表明，在降水条件下土壤团聚体的破碎机制主要是消散作用和机械作用[8-9]，消散作用主要发生在降水初期，而降水过程中土壤团聚体的破碎主要是因为雨滴对大团聚体的打击破坏和径流的搬运过程[10-12]。曹丹妮等[13]利用人工降水研究降水强度对红壤团聚体流失的影响，结果表明，相同放水流量下，随着降水强度增强，团聚体的MWD和GMD呈增大趋势，D呈减小趋势；胡波等[14]指出土壤团聚体稳定性在自然降水影响下也存在较大的动态变化，土壤水稳性团聚体对降水很敏感；卢嘉等[15]通过模拟降水试验发现，流失团聚体的MWD随降水强度的增加而减小，反映了大雨条件下雨滴打击对团聚体的分散作用；周一杨等[16]研究发现，10 - 17 cm土层内的MWD分别与0 - 10 cm和17 - 40 cm土层内MWD的差异达到显著水平(P ＜ 0.05)。基于土壤团聚体对土壤的重要作用，大量学者对其展开研究[17-20]，但对不同降水梯度下天然草地土壤水稳定性团聚体分布则鲜有报导。为此，本研究以固原云雾山封育12年天然草地为研究对象，通过遮雨装置模拟不同降水，分析表层土壤团粒结构及其稳定性的变化，以期为评价该地区不同植被利用类型的土壤结构及生态功能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设于宁夏回族自治区固原市东北部45 km处的云雾山国家自然保护区(106°21'-106°27' E，36°10'-36°17' N)，海拔 1 963 m，温带半干旱气候区，为典型的半干旱气候，植被类型为典型草原。年平均气温7 ℃，年平均降水量425 mm(1980-2018年的年平均值)，60%～75%的降水集中分布于夏季7 - 9月(冬季降雪占全年降水的1.2%)。土壤类型以山地灰褐土和黑垆土为主，水资源补给主要来源于大气降水。优势作物为长芒草(Stipa bungeana)、大针茅 (Stipa grandis)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、伏毛山莓草(Sibbaldia adpressa)、猪毛蒿(Artesmisia scoparia)和西山委陵菜(Potentilla chinensis)等[21]。

1.2 试验设计与样品采集

2017年5月在云雾山国家自然保护区(106°21'-106°27' E，36°10'-36°17' N)选取海拔、坡度和坡向相近的地段(表1)，建立水分控制装置，分别模拟50%降水(减水)、150%降水(增水)和100%降水(正常降水) (图1)，正常的气候条件下，该地区的平均年降水量为425 mm，减水区平均实际降水为212.5 mm，增水区平均实际降水量为637.5 mm。50%降水区，利用V形透明塑料板将1/2降水进行收集，并将降水收集于水箱；利用滴灌将收集水箱雨水即时滴灌至150%降水区，形成1.5倍增水区，如遇到降雪，将V形板上积雪均匀撒入150%降水区；每个水分控制小区(6 m × 6 m)四周利用1.2 m宽塑料板进行水分隔离，地下埋藏深度1.1 m，防止水分扩散，地上漏出10 cm阻止地表径流。水分控制装置如图1所示。

表 1 样地基本信息Table 1 Sample information

图 1 试验设计示意图Figure 1 Schematic diagram of experiment

于2018年5月，在100%、50%和150%降水试验区，各随机选择3个小区，每个小区随机选取3个取样点，用直径6 cm原状土-土钻分别采取0 -10、10 - 20、20 - 30 cm土样，3个取样点同一土层土壤混合成一个土壤样品，去除残留的枯落物及混杂物，共27个样品，取土时避免对土样的过分扰动，以免破坏团聚体结构。将取好的样品带回实验室自然风干，进行相关数据的测定。

1.3 样品的测定与计算

土壤水稳性团聚体的测定采用湿筛法[22]，即将500 g风干土放入孔径依次为 10、7、5、3、2、1、0.5、0.25 mm的套筛，利用机械力分散收集各孔径的力稳定性团聚体。计算各粒级团聚体质量比，再按比例将各孔径力稳定性团聚体配成200 g，将其通过TTF-100 型土壤团聚体分析仪的组合套筛，孔径分别为5、3、2、1、0.5 和 0.25 mm，先用水缓慢湿润10 min后，以每 40 r·min-1的频率，振荡20 min，将各筛上的团聚体分别冲洗至铝盒当中在60 ℃下烘干，称质量[23]。

本研究采用杨培岭等[24]建立的基于不同粒级重量分布的(1993)分型维数D的计算方法，计算公式：

对公式(1)两边取对数，得：

采用土壤团聚体分形维数(D)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)来衡量团聚体的稳定性。各指标的计算方法如下[25]：

1.4 数据处理与分析

数据用Excel 2010和SPSS22.0 (IBM Corporation,Aromonk, New York)统计软件进行方差分析和多重比较LSD法(Least Significant Difference)，显著性水平设定为P ＜ 0.05，用Origin 8.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同降水量下天然草地浅层土壤水稳性团聚体分布特征

0 - 10 cm土层，以 ＜ 0.25 mm的水稳定性团聚体为主，＞ 3 mm的团聚体在100%降水量处理下显著低于50%、150%降水量处理(P ＜ 0.05)；＜ 0.25 mm的水稳定性团聚体在150%降水量处理下显著低于100% 和 50% 降水处理 (P ＜ 0.05)；3～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm水稳定性团聚体各降水量处理下差异不显著(P ＞ 0.05) (图2)。10 - 20 cm土层，以 ＜ 0.25 mm的水稳定性团聚体为主，不同粒径水稳性团聚体各降水量处理下差异不显著(P ＞ 0.05)。20 - 30 cm土层，以 ＜ 0.25 mm的水稳性团聚体为主，＞ 3 mm的水稳定性团聚体在150%降水量处理下显著低于与50%降水量和100%降水量处理(P ＜0.05)；＜ 0.25 mm的团聚体在50%降水量处理下显著低于150%降水量和100%降水量处理(P ＜ 0.05)。

2.2 不同降水量下天然草地浅层土壤水稳定性团聚体分形维数及评价参数

随着降水量的减少或增加，天然草地浅层土壤水稳定性团聚体分形维数都会增加(表2)。不同降水量下，土壤平均重量直径(MWD)最低出现在100%降水10 - 20 cm土层，为0.95；最高出现在50%降水20 - 30 cm土层，为1.26。几何平均直径(GMD)最低出现在150 %降水0 - 10 cm土层，为1.14；最高出现在100%降水10 - 20 cm土层，为1.22。

2.3 土壤粒径分形维数与土壤各粒级组成之间的相关系数

土壤粒径分形维数与 ＞ 3 mm水稳定性团聚体显著正相关 (r = 0.43) (P ＜ 0.05)，与 ＜ 0.25 mm 的团聚体极显著负相关(r = -0.49) (P ＜ 0.01)，其他粒级水稳定性团聚体与土壤粒径分形维数之间均极显著正相关 (P ＜ 0.01) (表 3)。

50%和100%降水处理下，土壤粒径分形维数与各粒径水稳定性团聚体之间无相关性(表4、表5)。150%降水处理下，土壤粒径分形维数与 ＞ 3 mm的水稳定性团聚体显著正相关(r = 0.90) (P ＜ 0.01)，与其他土壤粒径的水稳定性团聚体之间无相关性(表6)。

图 2 各土层各级水稳性定团聚体百分比含量Figure 2 Distribution of water agglomerates among soil layers不同小写字母表示同一土壤粒径不同降水处理间差异显著(P ＜0.05)。Different lowercase letters for the same soil paritcal size grade indicate significant difference between different rainfall conditions at the 0.05 level.

3 讨论

GMD和MWD能够反映土壤粒径分布总体状况，其值的大小与团聚体的平均粒径团聚度和稳定性呈正比，GMD和MWD的值越大则表示团聚体的平均粒径团聚度和稳定性也越强[26]。本研究发现，不同降水量下，土壤MWD最低出现在100%降水10 - 20 cm土层，为0.95；最高出现在50%降水20 - 30 cm土层，为1.26。GMD最低出现在150%降水0 - 10 cm土层，为1.14；最高出现在100%降水10 - 20 cm土层，为1.22。

表 2 不同降水量下土壤水稳定性团聚体评价参数Table 2 Evaluation parameters of soil water stability aggregates under different precipitation amounts

表 3 不同降水下分形维数与各土壤粒径水稳性团聚体之间的相关性Table 3 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under different precipitation

表 4 50 %降水下分形维数与各各土壤粒径水稳性团聚体之间的相关性Table 4 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 50% precipitation

表 5 100%降水下分形维数与各土壤粒径水稳性团聚体之间的相关性Table 5 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 100% precipitation

表 6 150%降水下分形维数与各土壤粒径水稳性团聚体之间的相关性Table 6 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 150% precipitation

土壤粒径分布特征是影响土壤物理性质的最重要因素之一，它不仅对土壤侵蚀、土壤水分运动、土壤肥力状况等具有明显的影响，而且与土体结构、成土过程密切相关[27]。土壤团聚体增强了土壤的通气性和水分的入渗，为植物的生长提供了良好的条件，降低了土壤径流和土壤侵蚀，在土壤的表面形成了蒸发的界面[28]。黄土高原地区土地退化十分严重，使得土壤理化性质恶化，土壤的透水性和持水性都相应下降，土壤的保水性较差导致了土壤结构的稳定性也较差，不利于土壤颗粒的团聚，而人为不合理的土地利用又加剧了土壤肥力和质量的下降[29]。本研究发现，在0 - 20 cm土层，100%降水(正常降水)下的土壤粒径分形维数要低于50%降水量(减水)和150%降水量(增水)下的土壤粒径分形维数，表明0 - 20 cm浅层土壤在正常降水量下土壤团粒结构较松散，水稳性大团聚体较多，而50%降水量和150%降水量下土壤团粒结构较紧凑，表现为 ＜ 0.25 mm的粘粒占总比重较大，土壤质地均一，具有较好的团粒结构。在20 -30 cm土层，随着降水的增加土壤粒径分形维数逐渐降低，表现为在50%降水量下分形维数最高，且比在150%降水量下同等深度的分形维数高0.120 9。说明在20 - 30 cm土壤深度下，随着降水量的增加，土壤的结构与稳定性逐渐增强，土壤相对较松散，通透性较好。另外，本研究发现增加降水和减少降水使大颗粒团聚体增多，使小颗粒团聚体和粘粒减少，干旱和增水对团聚体的影响一致，都使大粒径的团聚体增多而使 ＜ 0.25 mm粒径的团聚体减少，这是由于固原云雾山所处地理位置有关，增水导致水土流失冲走表层细砂粒而留下颗粒较大的的土层，也有可能是由于减水但自然降水无法及时补给造成表土层干结成块。

土壤团粒结构粒径分布的分形维数越小，土壤越具有良好的结构和稳定性[30]。＜ 0.25 mm的水稳性团聚体含量越高、质地越细、分形维数越高，相应其分散度也越大，分形维数越小则表示团聚体主要由数量较少的大结构体组成[6]。这与本研究土壤粒径分形维数与 ＜ 0.25 mm的团聚体极显著负相关(P ＜ 0.01)相印证。另有研究指出，土壤团粒结构粒径分布的分形维数还会反映质地的均一程度[31]。土壤粒径分形维数不仅能准确地表示土壤颗粒大小组成，还是评价土壤质地差异的重要指标之一[32-33]。本研究发现，土壤粒径分形维数与 ＞ 3 mm的水稳定性团聚体呈极显著正相关(P ＜ 0.01)，与 ＜0.25 mm的团聚体呈极显著负相关(P ＜ 0.01)。表明土壤粒径分形维数随着水稳性团聚颗粒粒径的减小而增大，即水稳性团聚体颗粒粒径越小，分形维数值越高，这与前人研究结果相一致[34-37]。

4 结论

1)降水量的减少或增加，浅层土壤(0 - 30 cm)的D、MWD和GMD都会增加。

2)对降水较敏感的水稳定性团聚体粒径为 ＞ 3 mm和＜ 0.25 mm。

3)浅层土壤(0 - 30 cm)质量分形维数与 ＞ 3 mm水稳定性团聚体极显著正相关(P ＜ 0.01)，与 ＜ 0.25 mm的团聚体极显著负相关(P ＜ 0.01)。