平原沙土区河岸带不同植被类型对土壤团聚体稳定性的影响

王 磊, 刘晴廙, 史经攀, 李俊杰, 韩梦豪, 陈 斌, 陈 杭, 关庆伟

(1.南京林业大学 生物与环境学院, 南京 210037; 2.丰县水利局, 江苏 徐州 221799;3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司, 江苏 扬州 225127)

土壤团聚体是土壤颗粒在各种有机无机胶结剂作用下形成的基本土壤结构单元,其稳定性与土壤质量、抗蚀能力和固碳潜力密切相关[1-2]。不同植被类型因自身形态特征、地表凋落物和根系返还不同,导致土壤有机质输入、微生物活性和理化性质存在差异,进而影响土壤团聚体形成和稳定[3-4]。An等[5]研究发现,森林和人工灌丛通过提高有机质水平增加原土壤团聚体稳定性。任荣秀等[6]研究表明,自然恢复和营造刺槐人工林可以促进表土层有机质累积,提高土壤团聚体结构稳定性。因此,有机碳是影响土壤团聚体稳定性的重要因素,但土壤团聚体不同粒径有机碳含量存在差异,Ayoubi等[7]指出土壤大团聚体比例高与有机碳存量高有关。Wang等[8]研究表明,植被恢复15 a后土壤大团聚体有机碳含量最高,而李娟等[9]研究认为<0.25 mm微团聚体有机碳含量和活性有机碳含量最高。上述研究表明,团聚体不同粒径有机碳分布及其对团聚体形成和稳定的影响尚不明确。此外,崔芯蕊等[10]研究表明根质量密度是团聚体稳定性最大的影响因子。章明奎等[11]指出,在土壤有机质水平较低时,铁铝氧化物是团聚体形成和稳定性的主要胶结物质。总体来说,土壤团聚体稳定性的影响与土壤有机碳及环境因素密切相关,但受成土母质和气候条件等环境条件的影响,研究结果不尽相同。

江苏省北部平原沙土区受黄河泛滥和冲击的影响,发育形成了以潮土和风沙土为主的结构疏松、抗侵蚀能力弱的土壤类型,加之区域内降雨集中、降雨强度大以及长期以来对水土资源的过度利用,加剧了水土流失的进程[12]。河岸带是陆地生态系统和水生生态系统之间的生态过渡带,具有过滤污染物和防止水土流失的功能[13-14]。目前,对不同植被类型河岸带研究主要集中于泥沙迁移[15]、氮磷淋失[16]和土壤理化指标等[17]方面,而对土壤团聚体稳定性与土壤有机碳分布及环境因素关系的研究缺乏深入讨论。因此,明确造林初期不同植被类型下河岸带土壤团聚体稳定性及影响因素,对提高河岸带土壤颗粒黏聚力和抗蚀能力,降低沙土区水土流失具有重要意义。

为此,本文以丰县复新河中游河岸带杨树(Populuseuramevicanacv.46)纯林、柳树(Salix×jiangsuensis“J172”)纯林、杨柳混交林3种植被类型及对照为对象,探究土壤水稳性团聚体粒径分布和稳定性指标及团聚体有机碳含量特征,旨在明晰不同植被类型下土壤团聚体稳定性及其影响因子,以期为提高平原沙土区河岸带土壤团聚体稳定性和抗蚀能力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江苏省丰县复新河中游(116°21′15″—116°52′03″E,34°24′25″—34°56′27″N),属黄泛冲积平原,海拔34.5～48.2 m。属暖温带季风气候,四季分明,光照充足,雨量适中,雨热同期,无霜期200 d左右。年均降雨量630.4 mm,年均气温15.3℃。试验地土壤以微碱性潮土为主[18],土壤湿润,土质分布均匀,周边区域以农业为主。主要乔木树种有杨树、柳树、泡桐(Paulowniatomentosa)、构树(Broussonetiapapyrifera)、女贞(Ligustrumlucidum)。

1.2 样地设置和采样方法

试验地为2006年河道整治形成地势平坦的河岸缓冲带,宽约40 m,长约6 km,沿河道依次营造长2 km林龄相同杨树纯林(PPP)、柳树纯林(PWP)和杨柳混交林(PWM)。杨树品种为“46-杨”,柳树品种为“苏柳172”,林龄为15 a,初始营造密度为500株/hm2。杨树纯林、柳树纯林、杨柳混交林下皆有天然更新的灌木和草本,其中灌木主要有枸杞(Lyciumchinense)、苎麻(Boehmerianivea)等;草本植物主要有狗尾草(Setariaviridis)、沼生水马齿(Callitrichepalustris)等。试验地基本概况见表1。

采样时间为2022年3月。每种植被类型分别设置3个面积为20 m×20 m的标准样地,每个标准样地间距大于300 m,根据试验地踏勘情况,设置撂荒地为对照(CK),样地布设同上,撂荒地植被以狗尾草等草本植物为主。在每个标准样地中按“S”型选取5个采样点挖取土壤剖面,去除地表凋落物,分0—20 cm,20—40 cm和40—60 cm 3个土壤层次分别采集土壤样品,将各土层样品充分混匀,作为该标准样地的样品,用于测定土壤基本理化性质。在每个采样点以同样方法分0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm 3个土壤层次分别采集原状土500 g,装在塑料盒中带回实验室,自然风干,并在风干过程中按自然结构剥成小土块,并用镊子除去土样中的树根和石块。

风干后采用Elliot[19]的土壤团聚体湿筛法将200 g原状土通过一套2 mm,0.25 mm和0.053 mm的3个筛子,得到>2 mm,0.25～2 mm,0.053～0.25 mm和<0.053 mm的4个粒径团聚体组分,烘干后称重,用于计算各组分的质量分数和团聚体稳定性指标。使用内径为9 cm、高为20 cm的根钻,在5个采样点分3个土壤层次分别采集1份土芯,混合为一份装袋,带回实验室用0.2 mm细筛淘洗,筛选出直径<2 mm的细根。在每个标准样地中随机选取3个1 m×1 m的小样方,收集各小样方地表凋落物混合为该标准样地的凋落物样。

1.3 指标测定

土壤、凋落物和细根的全碳和全氮含量运用元素分析仪(Elementar Vario EL, Germany)测定,团聚体各粒径有机碳采用重铬酸钾氧化—外加热法测定。其余土壤理化指标参考鲍士旦[20]的分析方法。容重和含水率采用环刀法测定,pH值采用电位法(水土比为2.5∶1)测定,全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定,土壤全钾采用氢氧化钠熔融—火焰光度法测定,土壤基本理化性质见表2。

表2 试验地土壤理化性质Table 2 Physical and chemical properties of soil in the sample plots

1.4 数据处理和结果与分析

R0.25,MWD,GMD和D的计算方法见参考文献[21-22]。用Excel 2019进行R0.25,MWD,GMD和D的计算和数据整理,用SPSS 21进行统计分析,用方差分析(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较土壤团聚体粒径分布、团聚体稳定性和有机碳含量差异,统计图用Origin 2018制作。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤团聚体粒径组成

由图1可知,试验地3种植被类型和对照土壤水稳性团聚体含量在不同粒径间存在差异,呈现随粒径减小而增大趋势。试验地土壤以<0.25 mm微团聚体为主,>2 mm和0.25～2 mm粒径土壤团聚体含量范围分别为4.76%～22.85%和13.10%～31.95%,在不同植被类型间均有显著差异(p<0.05),表现为3种植被类型高于对照;其中>2 mm团聚体含量在各土层间均表现为杨树纯林>柳树纯林>杨柳混交林>对照。3种植被类型和对照>2 mm和0.25～2 mm粒径土壤团聚体含量随土层增加而降低,0.053～0.25 mm和<0.053 mm团聚体含量整体随土层增加而增加。

注：不同大写字母表示相同土层不同植被类型之间差异显著(p<0.05)。不同小写字母表示相同植被类型不同土层之间差异显著(p<0.05),下同。

2.2 不同植被类型下土壤团聚体稳定性的差异

如图2所示,湿筛法获得的土壤水稳性团聚体R0.25,MWD和GWD范围分别为20.00%～49. 67%,0.35～0.81 mm和0.13～0.37 mm,在不同植被类型间具有显著性差异(p<0.05)。各土层R0.25,MWD和GMD表现出相似的变化趋势。与对照相比,3种植被类型R0.25,MWD和GMD分别提高了41.77%～91.28%,29.89%～79.08%和37.60%～94.32%,其中杨树纯林提升效果最好。其中0—20 cm和40—60 cm土层均为杨树纯林提升效果最好,在20—40 cm土层表现为柳树纯林提升效果最好,3种植被间团聚体稳定性无显著差异。随土层降低,R0.25,MWD和GMD呈现降低趋势,但在土层间无显著性差异。分形维数D范围为2.59～2.86,与对照相比,D分别降低了1.69%～5.77%;其中杨树纯林和柳树纯林与对照存在显著性差异(p<0.05)。随土层变化,D无明显规律。

图2 不同植被类型下土壤团聚体稳定性指标

2.3 不同植被类型下土壤团聚体有机碳含量特征

如图3所示,3个土层深度土壤团聚体有机碳含量范围为1.51～6.48 g/kg。与对照相比,3种植被类型下土壤团聚体有机碳含量提高了31.67%～71.68%,杨树纯林土壤团聚体有机碳含量显著高于柳树纯林和杨柳混交林(p<0.05)。土壤团聚体有机碳含量随粒径降低而降低,说明大粒径团聚体能保护更多的有机碳。

图3 不同植被类型下土壤团聚体有机碳含量

0—20 cm土层土壤团聚体有机碳含量范围为1.97～6.48 g/kg,3种植被类型各粒径团聚体有机碳含量均高于对照。杨树纯林和柳树纯林>2 mm粒径团聚体有机碳显著高于杨柳混交林和对照(p<0.05)。20—40 cm和40—60 cm土层团聚体有机碳含量变化范围分别为1.59～5.44 g/kg和1.51～3.75 g/kg,其中3种植被类型>2 mm和0.25～2 mm粒径团聚体有机碳含量为柳树纯林>杨树纯林>杨柳混交林,且杨树纯林和柳树纯林均显著高于对照(p<0.05)。

2.4 土壤团聚体稳定性和有机碳含量的相关性

如图4所示,土壤团聚体稳定性与总有机碳含量(TOC)显著相关。>2 mm和0.25～2 mm粒级团聚体有机碳含量与土壤团聚体稳定性的相关性大于0.25～2 mm和0.053～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量,说明有机碳主要作用于大团聚体的形成和稳定。

图4土壤团聚体稳定性指标与有机碳含量的相关关系

2.5 土壤团聚体稳定性和环境因子的相关性

由图5可知,环境因子中细根生物量、全氮含量、碳氮比和土壤含水率是影响土壤团聚体稳定性重要指标。其中细根生物量和土壤全氮含量与R0.25、MWD、GMD呈正相关关系,与D呈负相关关系;土壤碳氮比和含水量与R0.25、MWD、GMD呈负相关关系,与D呈正相关关系。

图5 土壤团聚体稳定性指标与环境因子的相关关系

3 讨 论

3.1 不同植被类型对土壤团聚体粒径分布的影响

本研究中,各植被类型下土壤团聚体主要以<0.25 mm的微团聚体形式存在,质量分数变化范围为50.33%～80.00%,说明沙土区土壤稳定性较低,抗侵蚀能力较差,与胡磊等[23]在黄土丘陵区的研究结果一致。一般来说,土壤大团聚体含量与有机质呈正相关[24],本研究地为沙土区,土壤有机质水平较低(图3),并且试验地为河岸带,土壤含水率较高,易受地表径流侵蚀,不利于大团聚体的形成。本研究发现,植被覆盖可以提高各土层大团聚体含量,促进了黏粉粒和微团聚向大团聚体转变,这与刘雷等[25]研究结果一致。其原因主要是营造人工林增加了地表凋落物和细根生物量(表1),提高了土壤有机质水平,增加了土壤颗粒间的黏聚力[4],从而促进大团聚体的形成。此外,人工林具有较高的郁闭度和凋落物厚度(表1),可以通过林冠截留和凋落物覆盖,降低雨水动能,避免水滴的击溅侵蚀和地表径流冲刷,减少了土壤大团聚体的破坏,同时植被恢复也降低了土壤含水率(表2和图5),削弱了土壤颗粒表面的结合水膜,增加了土壤颗粒—水—空气界面的粘附,从而促进了颗粒间的凝聚[26]。在3种植被类型中,杨树纯林>2 mm土壤团聚体质量分数最高,其原因是杨树是速生喜湿树种,对困难立地适应能力更强,河岸带较高的土壤含水率也满足了其水分需求,加速其生长,因此根系较其他两种植被类型更为发达,通过根系交错、缠绕和释放分泌物提高了团聚体稳定性[27]。此外,杨树纯林较高的郁闭度造成林下光照弱,净降雨量少,降低了土壤水分入渗和蒸发过程,削弱了干湿交替引发的土壤团聚体破碎[28]。

3.2 不同植被类型对土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体稳定性指标MWD和GWD值越大,D值越低,表明土壤团聚度越高,土壤结构越稳定[22,29]。本研究发现3种植被类型均能提高土壤团聚体稳定性,其中杨树纯林提升效果最好。结合线性回归分析,表明大团聚体有机碳含量是影响不同植被类型中团聚体稳定的主要因素(图4)。团聚体形成需要有机质等胶结物质参与,大团聚体主要是微团聚体通过有机质胶结形成[1]。当土壤有机质含量较低时,铁铝氧化物的胶结作用起主导作用,而沙土区有机质水平较低。有研究发现[30],土壤氮素含量的不足会导致土壤有机碳矿化能力加强。杨树纯林中相对较高的土壤氮素含量无法刺激土壤有机碳的矿化,反而促进了土壤团聚体的稳定(图5)。此外,杨树纯林降低了土壤碳氮比,有利于微生物生长发育,而微生物活动产生的多糖和疏水物质是团聚体形成的重要胶结物质[31],能够将土壤小颗粒黏聚成较大的团聚体,有效提高土壤团聚稳定性(表2和图5)。0—20 cm土层杨树纯林土壤团聚体稳定性最好,主要是因为杨树纯林根系主要集中于地表,且有更多的枯枝落叶,表土层有机碳含量更高,随着土层加深,地表凋落物影响降低,柳树纯林较深的根系及分泌物可能提供了更高的土壤有机质含量,从而使得20—40 cm土层柳树纯林团聚体稳定性更高。本研究中,土壤团聚体稳定性随土层加深呈下降趋势,这是因为凋落物和根系主要集中于地表,使得表层土壤有机质含量较高,有利于团聚体的形成和稳定,随土层加深,有机质水平下降,团聚体稳定性下降。

3.3 不同植被类型对土壤团聚体有机碳的影响

相同立地条件下,植被自身生物学和生态学特性对土壤有机碳的积累和含量影响显著[32]。研究区3种植被类型中,杨树纯林生长状况最好,郁闭度最高,地上凋落物生物量高于其他植被类型,在提高土壤有机碳输入的同时减少雨水对土壤团聚体的侵蚀破坏,降低了团聚体中有机碳的周转速率[33],因此杨树纯林团聚体有机碳含量显著高于柳树纯林和混交林。3种植被类型和对照凋落物和根系多分布于表层,分解产出的有机质多集中于表层,随土层增加,各粒径团聚体有机碳含量有所下降。土壤团聚体各粒径有机碳分布反映了团聚体对有机碳的保护作用[34]。3种植被类型土壤团聚体有机碳含量均表现为>2 mm大团聚体有机碳含量最高,这与王冰等[3]研究结果一致。因为植被提高土壤有机碳含量促进微团聚体形成大团聚体的同时,使得有机碳向大团聚体集中,且大团聚体的形成有助于微团聚体更好地保护颗粒有机质。

4 结 论

综上所述,杨树纯林通过增加凋落物和细根生物量提高土壤有机碳含量,促进了大团聚体形成,并且其高郁闭度和丰富的地表凋落物降低了雨水对土壤的击溅侵蚀、地表径流冲刷作用,减少了大团聚体的破坏。杨树纯林也通过增加土壤氮含量,降低土壤含水率和碳氮比,提高土壤团聚体稳定性。因此,在苏北平原沙土区河岸带植被构建中,杨树纯林更有利于提高河岸带土壤团聚体稳定性,增加土壤抗蚀能力。