青藏高原不同土地利用方式土壤团聚体组成及稳定性特征

万 欣, 张帅文, 张润琴, 李志国, 陈 鹏, 邢顺林, 刘 毅

(1.西藏大学 理学院, 拉萨 850000; 2.中国科学院 武汉植物园, 武汉 430074)

土壤结构通过影响水分流动、气体交换、养分循环和土壤微生物的多样性、活性进而影响土壤质量及其生态学功能[1]。作为土壤结构的基本单元,土壤团聚体组成与有机质含量也是表征土壤结构状况和养分供储能力的重要指标[2]。Tisdall等[3]将以粒径250 μm的团聚体为界,将水稳性团聚体划分为大团聚体(>250 μm,Macroaggregates)和微团聚体(<250 μm,Microaggregates),不同粒级团聚体在改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、增强土壤微生物活性等方面具有不同的作用[4]。评价土壤团聚体稳定性特征的常用指标主要为平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)以及大团聚体含量等。MWD,GMD和大团聚体含量越大,土壤团聚体的稳定性越好[5]。

土地利用改变是自然作用与人类活动共同作用的结果,土地利用方式改变会影响土壤团聚体的形成和粒径组成,进而造成土壤团聚体稳定性的差异[6],使得C、N元素在土壤团聚体中重新组合和再分配。已有研究表明,土地利用方式能够显著影响土壤团聚体的形成与稳定性。例如,Blankinship等[7]发现草地退化会使土壤团聚体由大团聚体(2～9 mm)转变为小团聚体(0.25～2 mm)。谭秋锦等[8]研究了喀斯特6种土地利用类型,发现人工林和次生林的土壤团聚体稳定性最好,而旱地稳定性较差。大粒级团聚体对于土地利用类型较为敏感,而小粒级团聚体相对稳定[9]。合理的土地利用方式可以增加土壤团聚体稳定性、增强土壤固碳水平并提高生态系统土壤肥力与生产力[10]。

青藏高原被称为地球的第三极,位于中国西南部高寒地带,是生态系统的敏感脆弱地带,对我国甚至整个全球的气候和气象都具有重要影响。深入探究青藏高原的土壤结构稳定性有助于增强青藏高原的土壤肥力和土壤抗蚀性,并改善其生态环境[11]。目前土壤团聚体组成及其稳定性特征的研究主要集中在东北平原[12]和黄土高原地区[13]。由于青藏高原的环境恶劣性(比如:气候寒冷和海拔高),土壤团聚体相关研究结果普适性有待进一步验证,尤其是土地利用方式如何影响土壤团聚体组成及其稳定性的研究十分匮乏。鉴于此,本文结合野外调查与室内分析,采用干筛法、湿筛法分别测定不同土地利用方式下表层土壤的机械稳定性团聚体和水稳定性团聚体,研究青藏高原5种主要土地利用方式(农田、人工林、湿地、灌丛、裸地)对土壤团聚体组成和稳定性特征的影响,以期为科学认识高寒地区土壤资源的合理利用及调控管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于藏南谷地,平均海拔约4 000 m,年均气温-16～16℃,年日平均照时数约为3 021 h,年降雨量自西北至东南为50～5 000 mm。西藏地区由于气候条件多寒冷、干旱,故而高原土壤的成土年龄晚、母质风化程度低。

1.2 试验采样

于2021年8月自藏南谷地经拉萨至阿里沿线约1 500 km进行野外调查采样,根据土地利用方式等选取农田(青稞Hordeumvulgare或油菜Brassicacampestris)、人工林(主要树种为白桦Betulaplatyphylla)、湿地、灌丛(香柏Sabinapingii和昌都锦鸡儿Caraganachangduensis)、裸地(无植被覆盖)共5种土地类型,在同一个采样区域内对每一种土地利用类型都布置采样点,并于6个区域内进行重复采样,总样品数为30个。每个样点内按S型多点混合的原则采集0—20 cm土层的原状土样,除去杂草、根系、石块等杂物,自然风干后除去植物残体及小石块后备用。采样点信息见表1。

表1 采样点信息Table 1 The basic information of sampling point

1.3 土壤样品测定方法

采用沙维诺夫干筛法测定土壤机械稳定性团聚体组成,湿筛法测定水稳定性团聚体组成。干筛选取的5个粒级为:>5 mm,2～5 mm,1～2 mm,0.25～1 mm,<0.25 mm;湿筛选取的5个粒级为>2 mm,1～2 mm,0.25～1 mm,0.053～0.25 mm,<0.053 mm。采用电位法测定土壤pH值;采用K2CrO7外加热法测定土壤有机质含量,以土壤有机碳与有机质1.724的换算系数计算土壤有机质;采用全自动有机元素分析仪(Vario macro cube)测定土壤TN及C∶N值。

1.4 土壤团聚体各稳定性指标计算

采用邱丽萍[14]和刘文利等[15]文献中提到的方法计算土壤稳定性大团聚含量(R>0.25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和土壤团聚体破坏率(PAD),具体计算公式为:

(1)

(2)

(3)

(4)

1.5 数据处理

采用Excel和Origin等对数据进行整理和绘图。采用SPSS 20.0进行统计分析,采用Pearson法分析指标间相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成分析

不同土地利用方式下土壤团聚体组成如图1所示。从机械稳定性来看,农地以>5 mm粒级团聚体占比最高(达37.33%),林地和湿地以<1 mm和>5 mm粒级团聚体为主,灌丛和裸地则以<1 mm粒级团聚体占比最高(高达80%以上)。其中0.25～1 mm粒级团聚体在农田和湿地中的含量显著低于其他土地利用方式;<0.25 mm粒级微团聚体在处理间无显著差异。从水稳定性团聚体来看,农田、湿地和灌丛土壤水稳性团聚体优势粒径为0.053～0.25 mm,分布于44%～54%之间,而林地和裸地土壤水稳性团聚体优势粒径为0.25～1 mm;各土地利用方式下均以1～2 mm团聚体含量最低。此外,>2 mm的大团聚体含量表现为湿地最多(12.7%),裸地最少(2.32%),0.25～1 mm粒级团聚体表现为裸地>林地>农田>灌丛>湿地,0.053～0.25 mm与<0.053 mm粒级团聚体在处理间均无显著差异。

图1 不同土地利用方式下土壤机械(干筛)和水(湿筛)稳定性团聚体的粒级分布

2.2 土壤团聚体稳定性分析

土壤中的大团聚体是维持土壤结构稳定的基础,通常大团聚体含量R>0.25越高,土壤结构越稳定[16]。由图2可知,机械稳定性R>0.25表现为农田(82.0%)>湿地(74.0%)>灌丛(70.9%)>人工林(66.6%)>裸土(60.8%)。水稳定性R>0.25表现为人工林(57.2%)>裸土(49.1%)>湿地(44.7%)>灌丛(43.6%)>农田(35.6%)(p<0.05),说明人工林条件下的土壤团聚体水稳定性较好。团聚体破坏率(PAD)是表征土壤结构稳定性的重要指标,其数值越小土壤结构稳定性越强。农田土壤团聚体湿筛后PAD最高,为53.6%,湿地和灌丛的PAD分布35.2%～36.7%,而人工林的PAD显著低于农田,这说明人工林土壤团聚体稳定性最好。

图2 不同土地利用方式下土壤机械(干筛)和水(湿筛)稳定性R>0.25含量及其PAD Fig. 2 Stability of R>0.25 content and PAD of soil machinery (dry screen) and water (wet screen) under different land use types

2.3 土壤团聚体直径分析

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是土壤团聚体直径分析的常用指标,MWD和GMD值的大小与土壤团聚体的稳定性呈正相关。从图3看出,在干筛条件下,5种土地利用方式下MWD表现为:农田(3.60 mm)>湿地(2.69 mm)>人工林(2.14 mm)>灌丛(0.88 mm)>裸土(0.71 mm),其中农田显著高于灌丛和裸土(p<0.05);GMD表现规律与MWD情况基本一致,但仅农田和裸土差异达到了显著水平(p<0.05)。对于水稳定性团聚体,各土地利用方式下MWD表现为:湿地(0.79 mm)>人工林(0.72 mm)>灌丛(0.53 mm)>农田(0.52 mm)>裸土(0.46 mm);GMD表现为:湿地(0.35 mm)>人工林(0.35 mm)>裸土(0.29 mm)>灌丛(0.28 mm)>农田(0.20 mm)。以上结果说明,湿地和人工林对团聚体水稳定性直径具有显著的促进作用;而对农田土壤来说,尽管其显著增加了团聚体的机械稳定性直径,但明显降低了水稳定性团聚体直径。

注：*表示因子间显著相关(p<0.05),**表示因子间极显著相关(p<0.01)。

2.4 土壤有机碳、全氮含量

土壤中碳、氮含量及pH值等是影响土壤团聚体稳定性的主要因子,由图4可知,不同土地利用下的土壤SOC含量在14.6～41.2 g/kg,其中以湿地最高,裸土最低;土壤TN含量0.7～2.1 g/kg,表现为湿地>农田>人工林>灌丛>裸土,其中裸土的土壤氮含量显著低于农田(p<0.05);土壤的C∶N表现为裸土>灌丛>人工林>湿地>农田。土壤pH分布在7.40～8.38,均为中性或弱碱性土壤。

注：*表示因子间显著相关(p<0.05),**表示因子间极显著相关(p<0.01)。

2.5 土壤团聚体组成与各参数间相关性分析

Pearson相关性分析表明,无论是机械稳定性团聚体还是水稳定性团聚体,其MWD与SOC和TN均呈显著正相关,机械稳定性GMD与TN间以及水稳定性GMD与SOC间也存在显著正相关,这说明土壤SOC和TN含量越高,团聚体的MWD和GMD越大。对于机械稳定性团聚体组成(图5A),2～5 mm,>5 mm粒径的机械稳定性团聚体与MWD,GMD均呈显著正相关,但<0.25 mm,1～0.25 mm粒径的机械稳定性团聚体与MWD,GMD均呈显著负相关,其正负相关性以1 mm团聚体粒级为界。对于水稳定性团聚体组成(图5B),>2 mm,1～2 mm粒径的水稳定性团聚体与MWD,GMD呈显著正相关,而0.053～0.25 mm粒径的土壤水稳定性团聚体与MWD,GMD呈显著负相关,其正负相关性以0.25 mm为界。

注：图中椭圆左倾斜和右倾斜分别对应正相关和负相关,颜色越深相关性越强,图中*表示因子间显著相关(p<0.05),**表示因子间极显著相关(p<0.01)。

3 讨 论

土壤团聚体的数量和组成可反映土壤、通透性、持水性、孔隙性和养分供储能力[17]。理想的土壤团聚体组成可促进土壤结构稳定,有利于提高土地生产力。环境因子和成土过程深刻影响着土壤团聚体的形成、稳定及大团聚体和微团聚体之间的转化和再分布[18]。本研究结合干湿筛方法对高寒地区不同土地利用方式土壤团聚体进行分析发现,无论是机械稳定性团聚体还是水稳定性团聚体,均以<0.25 mm粒级的微团聚体在土壤团粒结构中占主导地位。其主要原因有两个方面,一方面是高寒地区土壤有机质含量较低,另一方面是由于高寒地区是典型土壤结构稳定性较差的区域,土壤较为贫瘠,且所处环境恶劣,海拔较高,易受冻融交替作用影响[12],从而降低大团聚体含量,使团聚体在冻融交替过程中容易破碎,较大粒径的团聚体比例降低,这与Niu等[19]研究结果一致。

土地利用方式改变导致的植被类型变化会深刻影响土壤质量和微生物活性,进而导致土壤团聚体的稳定性和粒径分布具有明显差异[20]。本研究结果表明,农田耕作使土壤机械稳定性大团聚体增加,机械稳定性团聚体R>0.25和直径指数MWD和GMD显著高于其他的土地利用方式,其原因可能是农业活动加速了土壤熟化,有利于土壤团聚体的周转,进而促进机械稳定性团聚体的形成。而对于水稳定团聚体,农田土壤团聚体的水稳定性指标明显降低,而且农田土壤团聚体破碎率显著高于其他土地利用方式的土壤,可见农田土壤增加了机械稳定性大团聚体经过湿筛后的破碎率,说明农田土壤增加的土壤大团聚体并不具有水稳定性,可能是农耕地受人为干扰较大,土壤结构容易遭到破坏,故而未形成稳定的胶结作用,丁俊男等[21]的研究中也有相似现象。此外,本研究结果也表明,高寒地区人工林和湿地的土壤团聚体稳定性水平都相对较好,这可能是由于这些区域具有较好的植被覆盖,特别是湿地土壤中具有发达的植物根系,根系分泌物产生的高分子黏质可促进土壤颗粒的团聚化,提高土壤团聚体的稳定性和抗腐蚀性[22]。人工林区域产生凋落物较多,易促进有机质的形成,提高了土壤结构的稳定性[23]。青藏高原灌丛生境下的植株分布并不密集,生长于石砾较多的山坡上,几乎无其他植物共存,因此本研究灌丛土壤与裸土基本类似,两者团聚体组成和稳定性具有相似的结果,但灌丛的凋落物和根系分泌物相对多,有机质输入量大,其团聚体稳定性略高于裸地。

土壤有机质与土壤团聚体的形成与周转息息相关。一方面,土壤团聚体是土壤有机质固定的主要场所;另一方面,在土壤团聚体形成过程中有机质通过与微团聚体、矿物质组分结合形成新的更大级别的团聚体。相关性分析结果表明,土壤团聚体稳定性指标与土壤SOC,TN均呈现显著正相关,进一步验证了土壤团聚体形成与有机质固定是一个互相促进的过程[24],土壤有机碳含量越高,其团聚体稳定性越高,提高有机碳含量有利于土壤结构稳定性的增强[11]。此外机械稳定性土壤团聚体MWD和GMD值与各粒径团聚体含量皆呈明显线性关系(除1～2 mm粒径与MWD和GMD值相关性不显著外,均达显著水平),其正负相关性以1 mm为界。对于水稳定性团聚体,>2 mm和1～2 mm粒径的土壤水稳定性团聚体与MWD,GMD呈显著正相关,而0.053～0.25 mm粒径的土壤水稳定性团聚体与MWD,GMD呈显著负相关,其正负相关性以0.25 mm为界。本研究结果与姜敏等[25]的研究结果相似,进一步确认了水稳定性团聚体的关键临界点为0.25 mm。

4 结 论

本研究采用干筛法和湿筛法对团聚体稳定性进行了分析,对比分析了青藏高原不同土地利用方式下土壤团聚体稳定性(R>0.25和PAD)、土壤团聚体大小直径(MWD和GMD)等主要指标的差异,得出如下主要结论:

(1) 对于青藏高原高寒地区,由于其土壤发育程度较低,难以形成稳定的大团聚体(>0.25 mm),干筛和湿筛获得的土壤团聚体组成均以微团聚体(<0.25 mm)为主。

(2) 从团聚体稳定性来看,湿地和人工林对团聚体水稳定性具有显著的促进作用;农田土壤具有较高的机械稳定性团聚体直径,农业耕种下土壤熟化形成的土壤团聚体仅具有机械稳定性,而不具有水稳定性,PAD结果也进一步确证了这一现象。

(3) 相关性分析结果表明,土壤团聚体MWD,GMD值和土壤碳氮含量皆呈明显线性关系。土壤团聚体MWD,GMD值与各粒径团聚体含量总体上呈线性相关,且对于机械稳定性团聚体,1 mm是正负相关的临界点,水稳定性团聚体的重要临界点为0.25 mm。