喀斯特退耕地不同植被恢复阶段土壤团聚体稳定性特征

董天富,邓志豪,杨静,戴全厚,聂云鹏

(1.贵州大学林学院,贵阳 550025;2.中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站,广西环江 547100;3.中国科学院亚热带农业生态研究所,长沙 410125)

黄壤和石灰土是贵州省最主要的土壤类型,其中黄壤分布面积最广,占贵州省土壤总面积的41.21%;石灰土次之,占比为26.10%[1]。贵州省地处西南喀斯特中心,其土层浅薄、基岩裸露率高,极易发生水土流失[2-3]。近代以来,由于人为活动的影响,导致该区植被破坏、水土流失加剧、产生了以石漠化为代表的严重的生态问题[4]。为此,我国实施了“退耕还林还草工程”和一系列的石漠化综合治理工程,喀斯特区植被得以明显恢复,水土流失得到有效控制,石漠化得到有效遏制[5]。很明显,退耕还林还草工程取得了巨大成效,但在同一区域内,不同土壤类型下退耕效益是否有差异还尚不清楚。

退耕还林还草可以明显改善土壤理化性质,提高土壤生产力和抵抗侵蚀的能力[6-7]。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,对土壤的孔隙性、持水性、渗透性和抗蚀性有极大影响,其稳定性是决定土壤抗侵蚀能力和退化速率的重要因素[8-9]。因此,土壤团聚体特征常被作为评价土壤抗蚀能力的重要指标。研究发现,退耕可以增加土壤有机质含量,促进土壤团聚体的形成,且退耕后不同植被措施下的土壤团聚体有所不同,团聚体稳定性存在差异[10]。袁瀛等[11]发现,随着退耕植被演替程度加深,＞5 mm 团聚体含量显著增加,团聚体平均重量直径(MWD)显著增大,其稳定性提高;由政等[12]也发现类似的结果。但是,王妙倩等[13]发现虽然退耕后土壤团聚体MWD有所增加,但并未呈现随演替程度增加而增加的趋势。在喀斯特地区,也有研究发现坡耕地退耕还林后,土壤水稳性大团聚体含量有明显提高,且小粒径团聚体有向大粒径明显转化的趋势[14];随着退耕地植被的不断恢复,土壤团聚体越来越稳定,抗侵蚀能力越来越强[15]。由此可知,退耕可以影响土壤的团聚体特征和分布,增强土壤团聚体稳定性。但是,土壤团聚体稳定性是否会随退耕后的植被演替加深而增加还没有定论;同一气候条件下,黄壤和石灰土退耕后各阶段土壤团聚体稳定性是否有差异也尚不明确。

因此,本研究在黔中喀斯特黄壤和石灰土发育区,选择耕地和退耕后不同恢复阶段3种典型植被类型下的土壤为研究对象,对比0—30 cm 土层土壤团聚体的组成特征,探讨不同土壤类型退耕后在不同恢复阶段下的土壤团聚体稳定性差异,以期能为喀斯特区水土流失防治和退耕地恢复植被效益评价提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市花溪区内,其中所选石灰土发育区4 种植被类型位于花溪区花溪水库附近(北纬26°26′—27°22′,东经106°38′—107°42′),黄壤发育区4种植被类型位于花溪区歪脚村(北纬26°17′—26°22′,东经106°42′—106°45′)。花溪区位于黔中地区,该区总面积964.32 km2,属中亚热带湿润温和型气候,气候温和,年均气温15.6℃,全年日照1 162.2 h,降雨充沛,年降雨量约为1 215.7 mm,降水多集中于5—6月。该区多山地丘陵,成土母质以石灰岩、白云岩、砂页岩等为主,地表土壤以黄壤和石灰土为主,平均土层厚度为20—40 cm。耕地以坡耕地为主,面积为202.37 km2。

1.2 样地设置和土样采集

结合土壤类型分布图和实地走访调查,于研究区选择了黄壤和石灰土条件下3种不同退耕年限、处于不同恢复阶段〔草地(CD)、灌丛(GC)和林地(LD)〕的地块作为研究对象,并以耕地(YM)作为对照。分别设置3个20 m×20 m 的重复样地,调查并记录样地基本信息(表1)。在2021年5—6月在各样地沿“S”曲线随机选取5个1 m×1 m 样方,去除表面枯落物,按0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm 分层取原状土和扰动土各1 kg。原状土带回实验室后将土块沿自然缝隙掰成直径约为10 mm 小土块后风干,用于土壤团聚体性质测定;扰动土风干研磨过筛后用于土壤理化性质的测定。

表1 研究样地基本信息Table 1 Basic information of the study sample sites

1.3 土壤指标测定方法

(1)土壤机械稳定性团聚体测定:称取100.0 g风干土样,置于孔径为5,2,1,0.5,0.25 mm 的套筛上,利用电动筛分仪震荡5 min计算各粒级团聚体的质量百分比,每份土样3个重复。

(2)土壤水稳性团聚体测定:将干筛法测定各粒径团聚体按比例配置50 g土样,放入土壤团粒分析仪,调整套筛水面高度,使土样充分湿润,5 min后启动土壤团粒分析仪(XDB0601 型),以30 次/min 的频率、3 cm 振幅上下振动30 min。用清水将各粒级筛中的团聚体洗入铝盒中,在65℃下烘干至恒重,计算得到各粒级水稳性团聚体含量。

(3)土壤理化性质采用常规测定方法[16]:有机质采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定;土壤全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法测定;全磷(TP)采用钼锑抗比色法;全钾(TK)采用熔融-火焰光度计法测定,土壤机械组成采用鲍氏比重计法测定。

1.4 数据分析与处理

为探究两种土壤类型退耕地不同植被恢复阶段对土壤团聚体稳定性特征的影响,本文选取土壤团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和团聚体结构破坏率(PAD)作为评价指标,其计算公式如下。

(1)平均重量直径(MWD,mm)、几何平均直径(GMD,mm)计算公式为[17-18]:

式中:Mi为第i粒级中的土壤团聚体质量分数(%);Xi为相邻两粒级团聚体的平均粒径(mm)。

(2)土壤团聚体破坏率(PAD,%)计算公式为:

式中:R＞0.25为＞0.25 mm 机械团聚体含量(%);WR＞0.25为＞0.25 mm 水稳性团聚体含量(%)。

原始数据利用Excel软件进行整理,SPSS 20软件的Pearson相关系数法进行相关性分析,One way ANOVN和Duncan法对数据进行差异性分析,Origin 2018软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同恢复阶段退耕地土壤基本理化性质

由表2可知,在黄壤发育区,砂粒、粉粒含量均随植被恢复程度加深而增加,黏粒则相反;砂粒含量随土层加深而降低,而粉粒、黏粒含量增加。总体而言,YM 的TN 和TP最高,SOM 和TK 含量高于CD 而低于GC 和LD。退耕后不同恢复阶段土壤表现为SOM,TN 和TK 随恢复程度加深先减小后增加;各养分指标均表现出随土层深度增加而降低的趋势。

表2 黄壤不同恢复阶段土壤理化指标Table 2 Physicochemical indicators of soils in different recovery stages of loess

在石灰土发育区(表3),砂粒含量随植被恢复程度加深而增加,黏粒则降低;其中,LD 砂粒含量最高,而YM 黏粒含量最高。各土层YM 的TP 均最高,而TK 最低;SOM 和TN 仅略高于CD。退耕后,SOM,TN 和TP 随植物恢复程度加深先减小后增加,而TK 随植物恢复程度加深逐渐增加;各养分指标均随土层加深而降低。

表3 石灰土不同恢复阶段土壤理化指标Table 3 Physicochemical indicators of soils in different restoration stages of lime soils

综合可知,黄壤和石灰土各植被恢复阶段土壤机械组成均以黏粒为主,且黄壤黏粒含量高于石灰土,砂粒则相反。石灰土不同植被恢复阶段的各养分含量整体均高于黄壤同种植被类型下的含量,黄壤和石灰土各养分含量均在表层最高,随土层深度的增加而逐渐降低。

2.2 不同恢复阶段退耕地土壤团聚体特征

由图1可知,在黄壤发育区,土壤机械团聚体以＞1 mm 团聚体为主,其平均占比为82.45%;＜0.25 mm团聚体占比最小,均值为2.99%,各粒径团聚体含量随粒径减小而降低。5～2 mm 团聚体含量随土层加深而增加,同土层各恢复阶段退耕地的不同粒径团聚体占比无显著差异。湿筛后,团聚体以＞5 mm 和5～2 mm为主,其平均占比分别为24.49%和29.04%;0.5～0.25 mm 团聚体含量最低,平均占比为5.72%。水稳性团聚体含量随粒径减小表现为先降低后增加,＞1 mm 团聚体相较于同粒级机械团聚体占比减少。＜0.25 mm 团聚体含量YM 最高,其他粒级YM 和不同恢复阶段退耕地间无显著差异。

图1 两种土壤不同恢复阶段土壤团聚体组成特征Fig.1 Composition characteristics of soil aggregates at different restoration stages for two soils

与黄壤类似,石灰土发育区土壤机械团聚体也以＞1 mm 团聚体为主,平均占比为84.01%;＜0.25 mm 团聚体占比最小,均值为1.97%,各粒级团聚体含量随粒径减小而降低。2～1 mm 和1～0.5 mm 团聚体随土层加深而增加,＞1 mm 团聚体在YM 中最高,而＜0.5 mm 团聚体在YM 中最低。湿筛后,团聚体以＞5 mm(27.55%)和5～2 mm(27.06%)为主,0.5～0.25 mm 团聚体最少,平均占比为5.34%。水稳性团聚体含量随粒径减小先降低后增加,＞1 mm团聚体相较于同粒级机械团聚体占比减少,＜1 mm 团聚体占比则增加。各土层＞5 mm 团聚体在YM 中最低,而＜0.25 mm 团聚体在YM 最高。

总体上,黄壤和石灰土耕地和各恢复阶段退耕地土壤机械团聚体以＞1 mm 团聚体为主,各粒级团聚体含量随粒径减小而降低;湿筛后＞1 mm 团聚体相较于同粒级机械团聚体占比减少,且＞0.25 mm 水稳性团聚体含量黄壤整体上要高于石灰土。两种土壤条件下,＞0.25 mm 机械团聚体含量均为YM 最高,而＞0.25 mm 水稳性团聚体含量则表现为YM 最低,由此可见退耕后土壤抵抗水蚀的能力有所增加。

2.3 不同恢复阶段退耕地土壤团聚体稳定性

由图2可知,在黄壤发育区,土壤水稳性团聚体MWD 均值变化范围为2.30～3.09 mm,随土层加深有减小的趋势,YM 和各恢复阶段退耕地间差异不明显;GMD 均值变化范围为1.56～2.27 mm,其变化趋势与MWD相似。PAD变化范围为2.11%～8.21%,其各层最高值均出现在YM 中,说明其稳定性最差。在石灰土发育区,水稳性团聚体MWD 变化范围为2.10～3.22 mm,退耕后各恢复阶段各层MWD均高于YM,其中GC 和LD 有随土层加深MWD增大的趋势;GMD 变化范围为1.34～2.37 mm,其变化趋势与MWD 相似。PAD 变化范围为3.44%～10.80%,各层均以YM 最高,说明其稳定性最差;各恢复阶段退耕地间无显著差异,其稳定性相当且均高于YM。

图2 两种土壤不同恢复阶段退耕地土壤团聚体稳定性特征Fig.2 Stability characteristics of soil aggregates in fallow land at different restoration stages for two soils

整体而言,两种土壤类型下均表现为YM 的MWD 和GMD 最低而PAD 最高,说明其稳定性最差。两种土壤退耕后各恢复阶段MWD 和GMD 无显著差异,而石灰土各阶段的PAD 整体上均高于黄壤,说明黄壤退耕地的团聚体稳定性相对更好。

2.4 土壤团聚体稳定性影响因素分析

由表4可知,在黄壤发育区,MWD与SOM,TN 显著正相关,GMD与SOM 显著正相关,PAD与粉粒显著正相关(p＜0.05)。在石灰土发育区,MWD,GMD与砂粒、TK显著正相关(p＜0.05),与TP呈极显著负相关,PAD与砂粒、TK 极显著负相关(p＜0.01),与TP极显著正相关,与黏粒显著正相关(p＜0.05),WR＞0.25与砂粒极显著正相关,与TP极显著负相关(p＜0.01),与TK 显著正相关,与黏粒显著负相关(p＜0.05)。

表4 土壤水稳性团聚体稳定性指标与土壤理化性质的相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil water stability agglomerate stability indicators with soil physicochemical properties

根据多因素方差分析可知(表5和表6),土层深度、植被类型和土壤类型均对团聚体稳定性指标影响的主体效应显著(p＜0.05),从不同影响因素的交互作用对土壤团聚体稳定性指标MWD 和GMD 的影响来看,土壤类型×植被类型、土壤类型×土层深度、植被类型×土层深度、土壤类型×植被类型×土层深度对MWD 和GMD 均有显著影响(p＜0.05)。这说明土壤类型、植被类型和土层深度均为喀斯特区土壤团聚体稳定性特征的主要因素。

表5 影响水稳性团聚体MWD值变化的各因素主体间效应Table 5 Inter-subject effects of factors affecting the variation of MWD values of water-stable agglomerates

表6 影响水稳性团聚体GMD值变化的各因素主体间效应Table 6 Inter-subject effects of various factors affecting the variation of GMD values of water-stable agglomerates

3 讨论

3.1 土壤团聚体组成特征

土壤团聚体组成、分布以及稳定性特征对形成良好的土壤结构起重要作用,进而有利于土壤抵抗侵蚀和保持养分[18]。土壤团聚体组成和稳定性特征是多种因素综合作用的结果,其中植被类型和土壤理化性质可以直接影响土壤团聚体特征[19]。本研究发现,在黄壤区和石灰土区,土壤机械团聚体均以＞1 mm团聚体为主,＜0.25 mm 粒径团聚体分布最少,团聚体含量随粒径减小而降低,该结果与白怡婧[20]和俞月凤[21]等对喀斯特地区所得黄壤和石灰土团聚体分布规律和组成的研究结果相似。其主要原因可能是黄壤具有很高的黏粒含量,易粘结形成黏团[22-23],加之黄壤p H 值呈弱酸性,可降低土壤负电荷物质中的静电排斥作用[24-25],提高铝化合物、水合铁以及黏土矿物等对有机质的吸附能力,增强有机物质和矿物的结合作用[26],从而增加黄壤大团聚体含量。而石灰土中有大量游离的盐基粒子和有机质形成的胶结物质,促进了大团聚体的形成导致的[27]。

在黄壤和石灰土发育区,不同恢复阶段退耕地＞0.25 mm 水稳性团聚体含量均高于YM,说明退耕可以促进土壤＞0.25 mm 水稳性团聚体的形成,增加其含量,该结果与董亚辉等[14]和林立文[15]研究结果相似。这主要是由于耕地退耕后,土壤植被覆盖类型发生改变,土壤大气环境、土壤输入有机碳量和土壤微生物群落改变,以及缺少了耕作和人为活动的影响,改变了土壤理化性质,促进团聚体的聚集。

3.2 土壤团聚体稳定性特征

土壤水稳性团聚体MWD,GMD 和PAD 是评价土壤团聚体稳定性的主要指标,MWD 和GMD 值越大,PAD 值越小,土壤团聚体越稳定,抗蚀能力越强[28]。本研究发现,在黄壤发育区,土壤水稳性团聚体MWD变化范围在2.30～3.09 mm,GMD 在1.56～2.27 mm,PAD 在2.11%～8.21%,随土层加深MWD和GMD 表现为减小的趋势,且表层土壤PAD值最低。石灰土发育区水稳性团聚体MWD 变化范围在2.10～3.22 mm,GMD 在1.34～2.37 mm,PAD在3.44%～10.80%,MWD,GMD 随土层加深GC,LD 有逐渐增加的趋势,PAD 变化趋势与黄壤相似。两种土壤类型的MWD,GMD 值均较大,PAD 较小,表明两种土壤均有较好的稳定性和抵抗侵蚀的能力。

不同土壤类型下退耕地植被恢复过程中土壤团聚体稳定性存在差异,对比两种土壤类型下土壤团聚体稳定性指标发现,两种土壤退耕后各恢复阶段MWD 和GMD无显著差异,而石灰土各阶段PAD整体上均高于黄壤,说明黄壤退耕地的团聚体稳定性相对更好。这可能是因为石灰土发育区母质改变了土壤游离的盐基粒子量,黏粒含量较黄壤低,SOM 较高导致大孔隙较高,养分容易迁移到深层土壤导致的[29-30]。

对不同退耕恢复阶段植被的土壤团聚体稳定性指标进行分析得出,在黄壤和石灰土发育区,退耕后各恢复阶段MWD 和GMD 均高于YM,PAD 均低于YM,说明YM 稳定性最差,退耕后植被恢复提高了土壤团聚体的稳定性。结果与前人相似[15],进一步确认了退耕后植物恢复各阶段土壤团聚体相较耕地更稳定的结论,可见在喀斯特区同气候不同土壤类型上退耕措施依然可以提升土壤稳定性。研究也有与前人不同之处,本研究得出3种恢复阶段间土壤团聚体稳定性不存在显著差异,与王妙倩等[13]结果有所不同,这可能是地域差异导致的。

4 结论

(1)黄壤和石灰土发育区4种不同植被类型的土壤机械团聚体含量随粒径减小而降低,以＞1 mm团聚体为主,湿筛过后则是以＞5,5～2 mm 为主,团聚体含量随粒径减小表现为先降低后上升。

(2)两种土壤类型4种不同植被类型水稳性团聚体MWD,GMD 值均较大,PAD 值较小,WR＞0.25较大,说明黄壤和石灰土发育区土壤均有较高的稳定性。黄壤退耕地的团聚体稳定性相对于石灰土更好,耕地退耕后不同植被恢复阶段土壤团聚体稳定性均比耕地要好,退耕利于土壤大团聚体形成,提高了土壤的稳定性。

(3)相关性分析得出,在黄壤发育区,MWD 与SOM,TN 显著相关,GMD 与SOM 显著正相关,PAD 则是与粉粒显著正相关(p＜0.05),与SOM 相关系数最高,SOM 对土壤团聚体稳定性影响最大;在石灰土发育区,MWD,GMD 与砂粒、TK 显著正相关(p＜0.05),与TP 呈极显著负相关,PAD 与砂粒、TK 极显著负相关,与TP极显著正相关(p＜0.01),与黏粒显著正相关(p＜0.05)。多因素方差分析得出,植被类型、土层深度和土壤类型均是影响土壤团聚体稳定性的重要因素。