2. 内蒙古农业大学中央与地方共建风沙物理重点实验室,010018,呼和浩特;
3. 内蒙古杭锦旗荒漠生态系统国家定位观测研究站,017400,内蒙古鄂尔多斯;
4. 内蒙古赤峰市喀喇沁旗水利局,024400,内蒙古赤峰;
5. 内蒙古自治区水利事业发展中心,010018,呼和浩特
中国水土保持科学 ![]() ![]() |
土壤团聚体作为土壤的核心组成部分,其稳定性对于维持土壤功能及抗蚀性具有至关重要的作用[1]。土壤团聚体的构成及其稳定性与土壤有机质质量分数紧密相连,大量有机质积聚于土壤团聚体内,并通过团聚体的包裹作用得到有效保护,抵御微生物的分解,进而实现有机碳的固定[2]。适宜的团聚体比例在水土流失过程中可有效抑制泥沙和有机物的流动,减少地表径流,提高土壤孔隙度,从而降低水力侵蚀,而土壤团聚体分布结构很大程度上受到植被类型的影响[3]。不同植被因其根系分泌物、地表凋落物以及自身生理形态特征的差异,会对土壤理化性质、微生物活性及有机质的输入量产生显著影响,进而引导土壤有机质在团聚体中的重新组合与分配,最终影响团聚体的形成与稳定性[4−6]。
有研究表明,土壤团聚体的粒级分布与土壤有机碳质量分数之间存在密切关系,不同粒级的团聚体中,有机碳质量分数存在差异,且各粒级团聚体对土壤有机碳总量的贡献率亦不相同[7]。任秀荣等[8]研究发现自然恢复林和人工造林能增强表土层有机质的累积,提升土壤团聚体的结构稳定性。Zhang等[9]研究表明大团聚体中的有机碳分解后可能产生更加稳定的土壤组分,大团聚体比例高与有机碳质量分数高存在显著相关关系。但也有一些研究认为[10−11],土壤中新固定的土壤有机碳主要存储在 < 0.250 mm的微团聚体中,随着微团聚体逐渐胶结形成大团聚体,其内蕴含有机碳质量分数也随着微团聚体团聚而逐渐增加。
黄土丘陵区地形沟壑纵横,侵蚀性降雨频率高及人类对土地的不合理利用,已成为水土流失问题最严重的区域之一[12]。20世纪70年代以来,黄土高原地区推进一系列生态工程并取得一定成效[13]。圪坨店沟小流域位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗。该流域受黄河水流的猛烈冲刷与洪水泛滥,导致该地区生态环境极其脆弱,陡峭的坡面地形加剧了该地区的水土流失[14]。目前,针对黄土丘陵沟壑区不同植被类型对土壤的影响研究主要集中于降水侵蚀[15]、土壤理化指标[16]和微生物等[17]方面,对于该地区不同植被类型对土壤团聚体及有机碳质量分数影响的研究还缺乏深度讨论。
鉴于此,笔者以鄂尔多斯市黄土丘陵沟壑区典型小流域的人工油松(Pinus tabulaeformis)林、人工柠条(Caragana korshinskii)林、人工紫花苜蓿(Medicago sativa)草地3种植被恢复措施作为研究对象,裸地作为对照,分析不同植被恢复类型下的土壤与植被之间的相互关系、土壤有机碳与团聚体之间的协调作用,以期为黄土丘陵沟壑区植被恢复与配置选择提供基础数据参考。
1 研究区概况研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗圪坨店沟小流域,地理坐标(E 111°8′20″~111°10′5″,N 39°54′11″~39°56′20″)(图1),属鄂尔多斯黄土丘陵沟壑区,总面积7 km2,流域呈西北—东南走向,海拔
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图 1 研究区位置图 Fig. 1 Location map of the study area |
样品采集于2023年8月,对流域进行全面调查后,了解该流域的植被种植年限、政策后,选取种植规模大、存活率较高且生长成熟的人工油松乔木林、人工柠条灌木林及人工紫花苜蓿草地为研究对象,同时选择植被覆盖度 < 5%和地面没有结皮形成的裸地作为对照,人工油松林和人工柠条林分别按照株距2~3 m,行距3~4 m、株距2 m,行距2~3 m的标准规格栽植,人工草地为适宜当地自然条件的优良草种紫花苜蓿。土壤类型为栗钙土,坡面平均坡度为10°,植被带间土壤皆为未经开垦的天然状态。试验设置3个处理,每个处理设置3次重复。试验地基本情况见表1。
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表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic overview of plots |
每种植被类型布置3个标准样地,每个样地面积为20 m × 20 m,样地间距超过200 m。按照“S”形布局设计,在每个样地内选定5个采样点。在采样时,首先清除地表植物残留和枯落物,随后从土壤剖面由下至上依次采集0~20、20~40 和40~60 cm 3个深度的原状土样。之后,将同一采样区的土样进行混合,使用四分法取出500 g的代表性样品。最后,将采集的样品进行风干处理,过2.000和0.250 mm的筛子,以便进行后续理化性质实验分析。土壤团聚体样品的采集遵循与全土采样相同原理,取1 kg的原状土,密封于塑料盒中后带回实验室。团聚体样品在室温下风干,并沿自然破裂面轻掰开土块,过孔径10.000 mm筛后进行土壤团聚体相关指标测定。
2.3 指标测定土块风干后采用Elliot[18]提出的土壤团聚体湿筛法来处理土样,湿筛法能直观展现其抵抗外力破坏的能力,可以更精准的评估土壤团聚体稳定性。选取100 g土样在去离子水中浸泡12 h,然后依次将风干土样置入2.000、0.250和0.053 mm的筛子中,使用土壤团聚体分析仪(型号为XY-100)在去离子水中进行振动湿筛,分离出4个(≥ 2.000、< 2.000~0.250、< 0.250~0.053及 < 0.053 mm)粒级的土壤团聚体。将各粒级团聚体在50 ℃环境中烘干并称量,以计算各粒级团聚体的比例,并分析其稳定性。采用重铬酸钾氧化–外加热法测定原状土壤有机碳和团聚体各粒级有机碳质量分数,采用浓硫酸–高氯酸混合消煮–凯氏定氮法测定全氮,土壤密度和含水率采用环刀法测定,pH值采用电位法测定(土∶水=1∶2.5),土壤基本理化性质见表2。
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表 2 全土土壤理化性质 Tab. 2 Physicochemical properties of whole soil |
使用Excel 2019软件,对数据进行整理与统计分析。使用IBM SPSS Statistics 26的最小显著差异法及单因素方差分析(one-way ANOVA)对所需数据进行整理及对比分析,运用Origin 2021软件绘制相应的统计图表,采用Pearson法进行相关性分析。团聚体稳定性指标:≥ 0.250 mm粒级团聚体质量分数(R > 0.25),平均质量直径(mean weight diameter, MWD),几何平均直径(geometric mean diameter, GMD)及分形维数D的计算方式见参考文献[13,19]。
3 结果与分析 3.1 土壤团聚体粒级组成如图2所示,随着土层加深,≥ 2.000 mm和 < 2.000~0.250 mm的土壤团聚体质量分数减少,而 < 0.250~0.053 mm和 < 0.053 mm的团聚体质量分数增加。土壤团聚体粒径比例整体表现以 < 0.250 mm的微团聚体为主,其中 < 0.053 mm粒级的土壤团聚体的比例最多,质量分数范围为39.43%~70.94%,≥ 2.000 mm粒级土壤团聚体的比例最少,质量分数范围为2.18%~19.44%。不同植被类型下≥ 2.000 mm和 < 2.000~0.250 mm粒级的团聚体质量分数存在显著差异(P < 0.05),且均显著高于裸地(P < 0.05)。在各土层中,≥ 2.000 mm团聚体的质量分数排序为:人工油松林 > 人工柠条林 > 人工紫花苜蓿草地 > 裸地。人工油松林和人工柠条林与裸地土壤团聚体质量分数在各粒径间均存在差异,不同土层中各粒级水稳性团聚体的质量分数变化趋势相同,均呈现出随粒径的减小而增加。
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同一土层中,不同类型的相同粒级团聚体质量分数显著差异由不同大写字母表示(P < 0.05);同一土层和类型下,不同粒级团聚体质量分数显著差异由不同小写字母表示(P < 0.05)。 Significant differences in the contents of the same grain level aggregates of different types in the same soil layer are indicated by different uppercase letters (P < 0.05); significant differences in the contents of different grain level aggregates under the same soil layer and type are indicated by different lowercase letters (P < 0.05). 图 2 不同人工植被类型下土壤团聚体组成 Fig. 2 Composition of soil aggregates under different types of artificial vegetation |
图3为不同人工植被类型土壤水稳定性团聚体稳定性,与裸地相比,3种植被类型的R > 0.25、MWD和GMD值在不同土层中分别提高44.90%~121.36%、63.11%~171.23%和31.21%~194.95%,各指标在3种植被间均具有显著性差异(P < 0.05),其中人工油松林提升效果最佳。随着土层深度的增加,3种植被类型的R > 0.25、MWD和GMD均呈下降趋势,并在不同土层间存在显著差异(P < 0.05)。D值的范围为2.83~2.94,相较于裸地,D值有0.18%~3.29%范围的降低,且人工油松林和人工柠条林与裸地之间存在显著差异(P < 0.05)。但是人工紫花苜蓿草地相较裸地的D值在40~60 cm土层无减少,D值除裸地外表现为随着土层深度增加而增加的变化趋势。4种团聚体稳定性指标皆受到土层深度的影响。
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不同类型植被在相同土层中具有显著性差异由不同的大写字母代表(P < 0.05);相同类型下,不同土层具有显著性差异由小写字母表示(P < 0.05)。 Significant differences among different types of vegetation in the same soil layer are represented by different uppercase letters (P < 0.05); significant differences among different soil layers under the same type of vegetation are represented by different lowercase letters (P < 0.05). 图 3 各人工植被类型土壤团聚体稳定性指标 Fig. 3 Soil aggregate stability indicators for various types of artificial vegetation |
图4为各人工植被类型下各粒级土壤团聚体有机碳质量分数,相比于裸地3种植被类型下土壤团聚体有机碳质量分数提高3.06%~53.36%,总体上人工油松林下土壤团聚体有机碳质量分数显著高于人工柠条林、人工紫花苜蓿草地和裸地(P < 0.05)。0~20 和20~40 cm土层土壤团聚体有机碳质量分数分别为1.88~4.81 和1.78~4.51 g/kg,4个粒级团聚体有机碳质量分数表现均为人工油松林 > 人工柠条林 > 人工紫花苜蓿草地 > 裸地,且3种植被类型均显著高于裸地(P < 0.05)。40~60 cm土壤团聚体有机碳质量分数范围为1.69~3.65 g/kg,其中≥ 2.000 mm粒级团聚体有机碳质量分数表现为人工柠条林 > 人工油松林 > 人工紫花苜蓿草地 > 裸地,其余3个粒级团聚体有机碳质量分数表现为人工油松林 > 人工柠条林 > 人工紫花苜蓿草地 > 裸地,其中人工油松林和人工柠条林显著高于裸地(P < 0.05)。4个粒级土壤团聚体有机碳质量分数均随着土层深度的增加而减少,0~20 cm土层的各粒级土壤团聚体中的有机碳质量分数普遍高于20~40及40~60 cm土层。这表明有机碳积聚在表层土壤中。土壤团聚体中的有机碳质量分数与团聚体粒级之间的关系可以归结为随粒径的减小,团聚体中的有机碳质量分数也随之减少,可以表明土壤大团聚体能够固存和保护更多的有机碳。
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不同植被类型相同土层中相同粒级团聚体有机碳质量分数具有显著差异由大写字母表示(P < 0.05);同一植被类型不同土层中相同粒级团聚体有机碳质量分数具有显著差异由小写字母表示(P < 0.05)。 Significant differences in organic carbon contents of the same grain level aggregates in the same soil layer under different vegetation types are indicated by uppercase letters (P < 0.05); significant differences in organic carbon contents of the same grain level aggregates in different soil layers under the same vegetation type are indicated by lowercase letters (P < 0.05). 图 4 各粒级土壤团聚体有机碳质量分数 Fig. 4 Organic carbon contents in soil aggregates of grain levels |
根据图5可知,≥ 2.000 mm和 < 2.000~0.250 mm的2个粒级的土壤团聚体与直径指标均呈现正相关关系,而 < 0.250~0.053 mm和 < 0.053 mm的2个粒级的土壤团聚体与直径指标均呈现负相关关系,正负相关性以0.250 mm粒级团聚体为界。团聚体稳定性R > 0.25、直径指标MWD和GMD与D之间存在极显著的负相关关系(P < 0.01),表示随着MWD和GMD值的增大,D值会相应减小。D值与≥ 2.000 mm和 < 2.000~0.250 mm的2个粒级的土壤团聚体分别呈现极显著(P < 0.01)和显著负相关关系(P < 0.05),而 < 0.250~0.053 mm和 < 0.053 mm 2个粒级的土壤团聚体与D值呈现正相关关系,其中 < 0.053 mm粒级呈现极显著正相关(P < 0.01)。各粒级团聚体与稳定性指标的相关性以0.250 mm为正负相关分界。
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** 表示相关性达到极显著水平(P < 0.01),* 表示相关性达到显著水平(P < 0.05)。下图。 ** indicates that the correlation reaches a very significant level (P < 0.01), * indicates that the correlation reaches a significant level (P < 0.05). The same below. 图 5 各粒级团聚体组成与团聚体稳定性指标的相关性 Fig. 5 Correlation between the composition of aggregates of different grain levels and aggregate stability indicators |
如图6所示,≥ 2.000 mm粒级团聚体有机碳质量分数与D值呈现显著负相关(P < 0.05),与R > 0.25、MWD及GMD存在极显著正相关(P < 0.01)。相较于 < 0.250~0.053 mm和 < 0.053 mm的团聚体,≥ 2.000 mm和 < 2.000~0.250 mm粒级的团聚体中有机碳质量分数与土壤稳定性的相关性更高。各粒级团聚体有机碳质量分数与稳定性指标有无显著相关性以0.250 mm粒级团聚体为分界线,全土有机碳质量分数(total organic carbon, TOC)与土壤团聚体稳定性指标呈现极显著相关(P < 0.01)。
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SOC < 0.053 mm为 粒径 < 0.053 mm团聚体所含有机碳的质量分数。其中“SOC”代表“soil organic carbon”(土壤有机碳)。其他类推。 SOC < 0.053 mm refers to the SOC content of aggregates < 0.053 mm. Others are similar. 图 6 稳定性指标与有机碳质量分数相关性分析 Fig. 6 Correlation analysis between stability indicators and organic carbon contents |
本研究中水稳定性大团聚体质量分数表现为:人工油松林 > 人工柠条林 > 人工紫花苜蓿草地 > 裸地,表明了植被恢复可以改善土壤结构,更高的植被覆盖度(表1)也可提高土壤大团聚体的质量分数,这与刘梦云等[20]研究结果相同。其主要原因可以分为2方面。首先,植被的根系在土壤中的穿插和缠绕活动,有效提升了土壤的孔隙性,优化了土壤结构。其次,植被恢复有效降低土壤含水率,减缓颗粒表面水膜形成,强化土壤颗粒与空气、水的结合。通过增强的粘附力,使土壤颗粒更加凝聚,有利于形成稳固的土壤结构[21]。在3种人工植被类型中,人工油松林≥ 2.000 mm土壤团聚体质量分数最高。Dou等[22]研究也表明,乔木林在促进土壤大团聚体生成方面展现出了比灌木林和草地更为显著的优势。究其原因油松立地适应能力更强,油松由于自身生态学和生物学特性致其林冠和根系较其他2种植被类型更加发达[23]。林冠层能改变降雨特性,减小降雨动能,减缓降雨对地表土壤团聚体的直接冲击破坏,而发达的根系通过交错缠绕和释放黏性分泌物提高了大团聚体形成[24]。由于人工紫花苜蓿草地具有经济价值,成熟的人工草地地上部分会被作为牧草刈割。该人为活动显著影响了土壤稳定性。随着土层的加深,人工草地由于受地表枯落物的影响较小及人为干扰的原因,促使土壤原先的有机质氧化分解,导致土壤中大团聚体由于缺乏有机物质的胶结而减少[25],出现 < 0.053 mm粒级团聚体在20~40 cm土层深度质量分数与裸地相近,在40~60 cm土层,其质量分数高于裸地。姜敏等[26]和罗晓虹等[27]的研究也证明人为干扰频率高的旱地和田地土壤稳定性较差,而受人为扰动较小的林地土壤稳定性较好。各植被类型下土壤团聚体以 < 0.250 mm的微团聚体形式存在。该结果与王敬宽等[28]研究黄河三角洲地区的规律有差别,其研究的团聚体粒级主要集中于 < 2.000~0.250 mm粒级之间,< 0.250 mm粒级的团聚体质量分数较小。出现以上差别的原因可能是因为土壤质地的差异。黄河三角洲的土壤类别主要为滨海盐渍土。该土壤类型盐渍过程先于成土过程,地质沉积阶段中,高矿化海水的不断浸渍使近海沉积的土体内富含大量易溶性盐类,土体上部进行着强烈的有机质积累过程,土壤单粒间有机无机物之间的胶体黏结作用更强[29]。因此,以滨海盐渍土为主的黄河三角洲区比以栗钙土为主的黄土丘陵沟壑区的土壤结构性更好,稳定性更高。且本研究区域为强烈水土流失区,降雨少而变频大,常有干旱出现,地表遭受反复冲刷后又因干旱易造成土壤板结,不利于大团聚体的形成。
4.2 植被恢复类型对土壤团聚体稳定性的影响多项研究显示[1,6,19],土壤团聚体的稳定性及团聚度与MWD和GMD值成正比,与分形维数D值成反比。本研究发现,3种植被类型均有助于增强土壤团聚体的稳定性,人工油松林提升效果相较与人工柠条林和人工草地更为显著。在人工油松林下,土壤中≥ 0.250 mm粒级的团聚体质量分数最高,其MWD和GMD值为最大,而D值最小。结合Person相关性分析,可以得出当土壤中直径≥ 0.250 mm的团聚体比例增加时,其水稳定性直径指标MWD和GMD均增加,同时D值减小,几者之间存在显著的线性关系,在0.250 mm粒级团聚体上呈现出该关系正负相关的分界点,表明土壤稳定性主要受0.250 mm粒级团聚体质量分数的影响,此结果与吴际等[30]的研究结果相吻合。同时,土壤团聚体稳定性指标与各粒级团聚体的有机碳质量分数之间有无显著相关性,在0.250 mm粒级团聚体处呈现分界。这表明,≥ 0.250 mm的团聚体在土壤团聚化过程中,对土壤团聚体的分形维数及结构特征具有显著影响,可视为评估土壤团聚体稳定性的核心参数。根据相关性分析,影响团聚体稳定性的主要因素是大团聚体的有机碳质量分数。团聚体的形成依赖于有机质等胶结物质的参与,而微团聚体会通过有机质的胶结作用进一步构成大团聚体[31],人工草地和裸地土壤表面的腐殖质及根系数量明显少于人工林地,无法得到充足的有机碳来源输入。此外人工林地下土壤较低的碳氮比(表2)给土壤中的微生物提供了更加有利的生存环境,提高了微生物的活性,加快了微生物对植物残体的分解速率,而其活动分泌的胶质蛋白、粘液和多糖等物质可促进水稳定性大团聚体形成从而提高团聚体的稳定性[32]。本研究中,土壤团聚体稳定性随土层深度增加而递减。这主要归因于土壤表层丰富的凋落物和根系分布,它们为表层土壤提供了大量有机质,促进了大团聚体的形成,而深层土壤由于有机质质量分数的减少,其团聚体的稳定性也相应降低。
4.3 植被恢复类型对土壤团聚体有机碳的影响当地表植被增加时,土壤生物量和有机残留物会增多,进而加速有机碳周转,有利于有机碳的累积[24]。高覆盖度的人工油松林有效减缓土壤水分蒸发,其丰富的枯落物有助于维持土壤温度稳定,为有机碳的形成与转化创造有利环境[24]。在3种不同的植被类型下,各土层土壤团聚体的有机碳质量分数普遍呈现出0~20 cm土层高于20~40 cm和40~60 cm土层的现象,表明有机碳主要集中于表层土壤,这结果与王磊等[33]的实验发现相一致。由于枯落物的分解主要集中于土壤表层,使得较深土层受到枯落物分解的影响相对较小,导致较深土层的有机碳质量分数相对较低[34]。3种植被类型及裸地下土壤团聚体有机碳质量分数表现为≥ 2.000 mm大团聚体有机碳质量分数最高。这与王富华等[35]研究结果一致。究其原因可以归结为植被恢复的过程中增加土壤中的有机碳质量分数,促进了微团聚体向大团聚体的转变,并且有机碳被更集中地固定在大团聚体中。此外,大团聚体的形成不仅有利于有机碳的积累,还为微团聚体提供了保护机制,使其能够更有效地抵御外界因素的干扰,保护微团聚体中的颗粒有机碳。
5 结论综上所述,研究区土壤团聚体均以 < 0.250 mm粒级团聚体为主,土壤团聚体分布与稳定性受植被类型显著影响,其中人工油松林下土壤结构性最好,稳定性最高。油松林相较于柠条和草地,能够更有效地促进≥ 0.250 mm大团聚体的形成,并显著提升土壤有机碳质量分数,在表层土壤(0~20 cm)效果提升效果最佳。土壤团聚体的稳定性与有机碳质量分数之间存在极显著的相关性(P < 0.01)。0.250 mm粒级作为关键分界点,在土壤团聚化过程中充当了核心角色,有机碳质量分数与稳定性的关系在该粒级团聚体表现也最为显著。因此,在鄂尔多斯黄土丘陵沟壑区植被构建体系中,种植油松林是优化该地区土壤结构、增强土壤稳定性和抗蚀性的有效措施,适宜在该地植被恢复工作中推广。
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