石漠化地区林草复合治理对土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响

陈 静, 陈 海, 朱大运, 陈 浒

(贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001)

土壤团聚体是指成土过程中受有机—无机物凝聚而成、具有多孔特征的团块，是土壤结构的基本构成单元[1]，是调节土壤水肥气热的基础，其含量及稳定性水平是影响土壤物理性质的重要因素[2]。耕作管理制度、土地利用方式和施肥方式对土壤团聚体稳定性具有显著影响[3-5]。研究表明：免耕秸秆覆盖、不同肥料配施能有效提高团聚体稳定性[3,6]，水田和林地能维持土壤有机质含量，减少土壤结构破坏[7]。团聚体平均重量直径、几何平均直径、分形维数、大团聚体含量常用于评价土壤团聚体稳定性特征[8]。同时不少学者认为团聚体稳定性对土壤可蚀性具有显著影响，通过增加水稳性团聚体含量能有效提高土壤抗蚀性能[9]。20世纪以来，国内外学者从团聚体形成机理、稳定性特征、研究方法以及影响因素等角度进行大量研究，但研究区域集中于成土条件较好的地区，而喀斯特石漠化地区团聚体的相关研究则相对较少。

林草复合模式作为农林复合系统的重要组成部分[10]，能有效增加地表植被覆盖、提高土壤含水量，在土壤养分循环、植被恢复和水土保持方面发挥重要的作用[11-12]。喀斯特石漠化地区水土流失严重，林草复合模式作为一种独特的农林复合模式，能调整草地和森林系统的结构与功能，充分发挥两者的耦合效益，有利于改善石漠化地区土壤结构与质量，实现石漠化治理的目的[13]。毕节撒拉溪是贵州省典型的潜在—轻度石漠化区域，林草复合模式作为该区域石漠化治理的重要措施之一，至今已经达到一定的规模，对维持其生态系统稳定且进行有效的生态修复与重建具有较大的作用。目前，国内外有关石漠化地区土壤侵蚀、综合治理措施、水土流失状况等研究较多，但是针对石漠化治理措施对土壤团聚体影响方面的研究报道较为鲜见。本文以石漠化地区天然灌草地为对照，选择4种不同林草复合配置模式开展对比研究，旨在揭示不同林草配置模式下土壤团聚体稳定性及可蚀性特征，评价不同林草模式治理效果为石漠化的进一步治理筛选优化的林草模式。

1 研究区概况

撒拉溪喀斯特高原山地石漠化综合治理区位于贵州省毕节市西部，地理位置为105°02′03″—105°09′33″E，27°11′34″—27°18′48″N，海拔为1 600～1 950 m，总面积86 km2，喀斯特占全域面积的74.25%。年均温12℃，多年平均降水量900 mm。区内主要出露石灰岩，土壤以地带性黄壤为主，间有少量石灰土和黄棕壤，大部分地区土层厚度在20 cm左右。天然植被主要包括马尾松(Pinusmassoniana)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、光皮桦(Betulaluminifera)等，潜在石漠化环境为金丝桃(Hypericumkouytchense)、火棘(Pyracanthafortuneana)等为主的次生灌丛，轻度石漠化环境为西南悬钩子(Rubusassamensis)、火棘等为主的次生灌丛。地表景观以农用耕地和次生林地为主。该区域石漠化治理中分别实施了封山育林、林草复合、生态经济林等林草植被恢复模式，其中林草复合治理形成了较大的规模。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

研究区内的核桃(Caryacathayensis)、刺梨(Rosaroxburghii)在石漠化治理初期生长迅速，有效地提高区域内的植被覆盖率，并且还为该区域发展核桃、刺梨加工产业提供原料，促进了农业经济的发展。因此2018年4月，在研究区选择以地带性黄壤为背景的人工草地(黑麦草Loliumperenne)、林草混种模式(核桃+黑麦草)、灌草套种模式(刺梨+黑麦草)以及林灌草混种模式(核桃+刺梨+黑麦草)4种典型配置模式和天然灌草地布设10 m×10 m样地，“Z”字形法采集0—20 cm土层的原状土样，运回实验室内业处理，搬运过程避免翻倒，将大土块剥落为10 mm左右，剔除石子、根系等杂质，风干后过10 mm筛，用于土壤团聚体的测定，按照>5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm以及<0.25 mm 6个级别进行筛分处理。研究样地信息及其土壤基本性质详见表1—2。

2.2 土壤团聚体转移矩阵分析

为进一步掌握机械团聚体与水稳定性团聚体间的转化过程，采用转移矩阵[14]评价不同林草配置模式下团聚体稳定性指数变化趋势。将干湿筛处理后团聚体含量所占比例分别构成矩阵Mi和Ni，并且把保留在各个粒径范围内的保存几率标记为X1,X2,X3,…,Xi，据此得到XM=N，把各粒级的保存几率综合成为团聚体的稳定性指数：ASI=X1+X2+X3+…+Xi。

表1 研究样地基本特征

表2 研究样地土壤基本理化性质

2.3 指标计算

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 数据处理

利用Excel 2010对团聚体相关数据进行预处理，基于SPSS 22(Statistical Product and Service Solutions)统计软件进行方差分析和相关性分析，采用Origin 2018进行制图。

3 结果与分析

3.1 不同林草配置模式下土壤团聚体组成分析

干筛结果如图1所示。4种配置模式下，团聚体组成均以>0.25 mm粒级为主，团聚体粒径逐渐增大，机械稳定性团聚体含量随之上升。除林灌草种植之外，其余3种配置模式均以2～5 mm的团聚体组成最多；微团聚体所占比例最小。具体而言，>5 mm粒级的大团聚体表现为人工草地>林灌草地>天然灌草地>林草地>人工灌草地，<0.25 mm粒级的微团聚体表现为人工灌草地>林草地>林灌草地>天然灌草地>人工草地。此外，不同林草模式下同一粒级团聚体组成和同一林草模式下不同粒级团聚体组成之间的差异显著性不同(α<0.05)。

注：不同小写字母表示在p≤0.05水平差异显著，下图同。

图1 不同林草种植模式下机械稳定性团聚体组成

如图2所示，各种模式下，水稳性团聚体占主体的是<0.25 mm和>5 mm的级别，分布在20.05%～26.61%，随着粒级减小其含量呈先下降后上升的态势。粒径范围为0.25～0.5 mm的团聚体最少，除人工灌草地外，其他模式所占比例均不足10%。此外，天然灌草地分布<0.25 mm团聚体最多，>5 mm团聚体以林草配置模式最高。总体而言，4种林草配置模式下各粒径水稳性团聚体分布差异不显著(α<0.05)。

图2 不同林草种植模式下水稳定性团聚体组成

3.2 土壤团聚体稳定性特征

天然灌草地和人工林草地团聚体稳定性特征明显不同，见表3。大团聚体(>0.25 mm)表现为人工草地>天然灌草>林灌草>林草>人工灌草，湿筛处理后，各种模式下水稳性团聚体含量均出现一定程度的下降，含量最高值出现在林草地，最低值出现在天然灌草地。结构破坏率计算表明，天然灌草地团聚体PAD最高，人工草地和林灌草地差异不大，而人工灌草的结构破坏率最低，显然相较于其他3种配置模式，人工灌草地团聚体稳定性最高。干湿筛处理得到的团聚体直径(MWD，GMD)变化趋势不同，干筛结果表明人工草地>林草地>天然灌草地>林灌草地>人工灌草地，而湿筛结果的团聚体MWD、GMD最大值为林草地。与干筛处理结果相比，湿筛处理后各种植模式下团聚体D值均有不同程度的提高，但是两种处理所得到的结果差异较小。两种不同处理所得到的结果具有不同的规律，干筛条件下人工灌草地D值最高，天然灌草地D值最低，而湿筛条件下D值表现为林灌草地>天然灌草地>林草地=人工草地>人工灌草。

表3 基于筛分处理下土壤团聚体稳定性特征

湿筛处理实质是结构体破坏能量的输入过程[19]，当输入能量大于土粒间集聚力时其发生崩解破碎，因此通过转移矩阵分析湿润条件下各级别团聚体保存几率，能有效反映出土壤结构在水蚀条件下的变化特征[14]。从表4可以看出，不同配置模式下团聚体保存几率表现出明显差异性。干湿筛法主要破坏1～2 mm的团聚体，其保存几率处于0.3～0.48，其次是2～5 mm粒径的团聚体；林草地和天然灌草地>5 mm的级别保存率最高，二者均高于0.85，但人工灌草地、林灌草地团聚体保存率最高的是0.25～0.5 mm；同时各种种植模式下团聚体稳定性指数差异明显，大小排序为ASI林草地>ASI天然灌草地>ASI人工灌草地>ASI林灌草地>ASI人工草地,可见，相较于天然灌草地而言，林草复合种植下团聚体稳定性指数更高，结构稳定性更好。

表4 各粒级土壤团聚体保存率及稳定性指数

3.3 土壤可蚀性K值特征

天然灌草地和4种人工治理模式下土壤可蚀性K值呈现明显差异，但是差异达到显著性水平的只有天然灌草地和林草地。由图3可知，天然灌草地的K值高于人工种植的草地、林草以及林灌草地，因此，相比于其他的林、灌、草混种模式而言，天然灌草地更易遭受侵蚀。此外，不同人工配置模式对K值具有一定的影响，但其差异较小，具体表现为人工草地>人工灌草地>林灌草地>林草地，说明林草地土壤可蚀性最低，抵抗侵蚀的能力最强。

图3 不同配置模式下土壤可蚀性K值

3.4 土壤团聚体含量与团聚体参数的关系

由表5—6可知，机械稳定性、水稳性团聚体分别与其相关参数呈不同显著水平的线性相关。<0.25 mm，0.25～0.5 mm以及0.5～1 mm的机械稳定性团聚体与WMD，GMD呈负相关，其中<0.25 mm，0.25～0.5 mm粒级和直径指标(WMD，GMD)呈显著负相关，相关性系数分别是-0.916，-0.891，-0.966，-0.958，而1～2 mm，2～5 mm以及>5 mm的机械稳定性团聚体和WMD，GMD呈正相关，其系数为0.896，0.893，且与>5 mm的机械稳定性团聚体达到显著水平，由此可知1 mm团聚体为正负相关的界线。湿筛处理后，除>5 mm的水稳性团聚体和MWD，GMD呈显著正相关，其余均呈负相关关系，其中0.25～0.5 mm的水稳性团聚体与MWD，GMD间负相关达到显著水平。同时，机械稳定性团聚体D值和MWD，GMD呈显著负相关，其系数分别是-0.924，-0.977，表明团聚体直径指标与分形维数呈逆向变化特征；但水稳性团聚体D值与之相关水平并未达到显著水平。从团聚体D值与含量分析结果来看，机械稳定性团聚体D值与<0.25 mm，0.25～0.5 mm，0.5～1 mm这3个粒径含量呈正相关关系，且与<0.25 mm，0.25～0.5 mm级别达到显著性水平；而与1～2 mm，2～5 mm以及>5 mm粒径呈负相关，说明1 mm为机械团聚体正负相关的界线。水稳性团聚体D值与其含量的相关性规律不明显，不存在明显的正负分界线；此外，湿筛条件下仅2～5 mm级别的团聚体与D值呈显著正相关，相关性系数为0.991。

表5 土壤机械稳定性团聚体各参数间相关性分析

注：*代表相关性达到显著水平(p<0.05)；**代表相关性达到极显著水平(p<0.01)。MWD为土壤平均重量直径，GMD为几何平均直径，PAD为结构破坏率，D为分形维数，K为土壤可蚀性因子，下表同。

表6 土壤水稳定性团聚体各参数间相关性分析

4 讨 论

喀斯特石漠化地区由于独特的二元地貌结构，地表、地下水土流失严重[20-21]，林草复合模式有利于石漠化地区退化生境的恢复[13]。已有研究证实土壤团聚体稳定性受植被覆盖、结构体特征、种植年限、植物根系等方面的影响[22-25]，林草复合模式能有效地增加地表植被覆盖率，促进根系正常生长，改善土壤基本性质，提高土壤抗蚀性[13,26-27]。本研究中干筛条件下，以>0.25 mm的机械稳定性大团聚体为主，这与汪三树等[9]的研究结果一致。湿筛处理后，风干土结构体被破坏导致大团聚体含量降低，微团聚体含量增加，这是因为在湿润条件下，部分团聚体容易发生断裂破碎[7]。相较于天然灌草地，4种林草配置模式下土壤机械稳定性、水稳定性大团聚体含量较高，结构破坏率较低，这是因为林草复合系统能有效提高土粒团聚程度[28]，再加上部分天然灌草地表土流失，岩石裸露面积较大所致。这也表明林草复合模式有利于减少团聚体结构破坏率，提高土壤结构稳定性。

林草复合模式作为一种新型的土地利用方式[29]，直接改变地表植被类型，有效提高植被覆盖水平，会引起团聚体稳定性变化。多数研究表明[8,15,30]，团聚体MWD，GMD指数越大，表明土粒集聚程度越高，结构稳定性能越好。本研究综合考虑筛分结果发现，林草复合系统中林草混种模式下MWD和GMD最高，灌草套种模式下MWD和GMD最低，核桃是一种典型的落叶乔木，林下凋落物丰富，凋落物中所含腐殖质是影响团聚体形成的重要胶结物质[31]，同时其有利于增加林下土壤动物的数量和提高土壤微生物活性，从而提高土壤团聚体稳定性[32]。本试验结果显示，干湿筛处理所得到的结果差异明显，机械稳定性团聚体D值依次排列为人工灌草地>林灌草地>林草地>人工草地>天然灌草，而水稳性团聚体D值为天然灌草地>林灌草地>林草地=人工草地>人工灌草，这主要是因为水稳性团聚体D值仅反映部分团聚体的影响[33]。

本研究表明4种林草配置模式下的K值明显小于天然灌草地，且林草地和天然灌草地的差异性达到显著性水平，不同林草模式间K值差异较小。说明天然灌草地土壤的抗侵蚀能力弱，不同的林草复合模式有利于提高土壤抵抗侵蚀的能力，这是由于不同林草复合模式下基岩裸露面积较小，在降雨时地表植被能有效减缓对土壤的破坏作用[34]。相关性分析表明，团聚体含量和机械稳定性团聚体MWD，GMD以及D值均以1 mm为正负相关性分界线；水稳性团聚体MWD，GMD以及D值与少部分级别团聚体呈显著性相关，其中团聚体含量与MWD，GMD正负相关性的分界线为5 mm，与其D值分界线为2 mm。这说明在土壤团聚化过程中，1，2，5 mm是重要的临界点。姜敏等[4]研究也认为在1 mm和5 mm粒径的分界在微团聚体(<0.25 mm)—大团聚体(>5 mm)转化过程中具有重要作用，能有效影响土壤团聚体结构特征。

喀斯特石漠化是我国生态环境治理的重要部分，目前林草植被恢复模式是多数学者进行石漠化治理研究的重点关注内容。石漠化问题较为突出的西南八省实施的林草植被恢复措施主要包括封山育林、人工造林、人工种草修复、生态林治理以及林草复合治理等[13]。董莹珠[35]研究发现，云南省鹤庆县实行封山育林与人工造林相结合的治理模式后，地表植被覆盖率在3年增加了2%，土壤肥力得到提高；四川省盐源县较为典型的治理措施为经果林治理模式，主要树种是青花椒、苹果、核桃等，有效地减少了水土流失[36]；张靖宙等[37]通过模型研究得到不同石漠化治理模式对土壤碳储功能的提升有重要的影响。本文从团聚体稳定性和土壤可蚀性的角度评价目前实行的林草配置模式优劣性。研究发现，对比天然灌草地，其余人工林、灌、草种植模式下团聚体稳定性更优，并且林草(核桃+黑麦草)混种模式的效果最好。

5 结 论

就团聚体组成而言，相比天然灌草地，不同林草配置模式能有效增加机械稳定性、水稳定性大团聚体含量，同时降低结构破坏率，有利于提高团聚体结构稳定性。不同林草复合模式下，林草地和人工草地的MWD，GMD高于天然灌草地，而D值则较低，且稳定性指数表明ASI林草地>ASI天然灌草地>ASI人工灌草>ASI林灌草地>ASI人工草地，总体而言，表明林草地土壤结构更优。在土壤可蚀性方面，相较天然灌草地而言，各林草配置模式下K值较低，不同林草复合模式对K值有明显的影响，但其差异未达到显著性水平。相关性分析显示，团聚体含量与团聚体MWD，GMD和D值呈线性相关，其相关性水平差异较大，且在土壤团聚化过程中，1，2，5 mm是较为重要的临界点。

综合不同的人工林草模式，林草(核桃+黑麦草)混种模式在提高土壤团聚体稳定性和抗蚀性方面最优，是一种较好的配置模式，宜于在该区域实施和推广。