应用Le Bissonnais法研究黄土丘陵区植被类型对土壤团聚体稳定性的影响

2013-12-21安韶山黄华伟

生态学报 2013年20期

刘雷，安韶山，2，3，* ，黄华伟

(1.西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100;2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100;3.中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100)

延河流域地处黄土高原腹地，水土流失严重。经过多年的退耕还林还草措施，水土流失量减少，地表植被得到恢复，生态环境得到改善。一般说来，随恢复时间的增长，地上和地下生物量增加，继而使土壤有机物质输入增加，引起土壤物理、化学和生物性质发生变化，因此，恢复的植被类型将直接影响土壤特性［1-3］。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，影响着土壤的孔隙性、保水性和抗侵蚀性，而水稳性团聚体是反映黄土高原土壤抗蚀性的最佳指标［4-6］。只要能提高土壤团聚体的水稳性以及水稳性团聚体的数量和质量，就能提高土壤的抗侵蚀能力［7-11］。Le Bissonnais(LB)法作为一种新的土壤团聚体稳定性测定方法，在国内应用不多，且主要集中在南方红壤区域［12-15］，在黄土丘陵区的应用较少［16］。因此，本研究选取黄土丘陵区延河流域作为研究对象，应用LB法的3种处理方式测定不同植被类型下土壤水稳性团聚体含量，通过计算团聚体平均重量直径(MWD)和可蚀性因子K值，探讨黄土丘陵区植被类型与土壤团聚体含量之间的关系，揭示植被类型改善土壤生态环境的作用机制，旨在为正确评价黄土丘陵区植被类型对土壤团聚体稳定性影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区所在区域属典型的大陆性半干旱季风气候，夏秋多雨，冬季严寒干燥。年日照时数2415.5 h，辐射总量 480.1 kJ/cm2，无霜期 160—180 d，平均气温 8.8 ℃，≥10 ℃ 活动积温 3177.4 ℃，多年平均降水量 505.3 mm，年蒸发量1645.4 mm。该区域属于典型的梁峁状丘陵沟壑区，土壤侵蚀十分强烈。

洞子沟流域位于延河流域一级支流西川流域，地处安塞县楼坪乡(36°31'13″—36°35'26″N，109°7'34″—109°10'34″E)，属森林植被类型，海拔1166—1490 m，流域总面积20.61 km2。土壤类型以黄绵土为主，间有复钙红粘土、冲积土，土地利用以林地为主。

张家河流域位于延河上游干流，地处安塞县谭家营乡(36°59'33″—37°2'40″N，109°11'58″—109°14'39″E)，属森林草原植被类型。海拔1118—1505 m。流域总面积10.77 km2。土壤类型以黄绵土为主，间有冲积土。土地利用以草地和耕地为主，兼有零星林地。

1.2 样品采集及测定

2010年7月，在延河流域黄土丘陵区选取两个典型小流域—洞子沟、张家河。洞子沟为森林植被类型，选取8个样点，张家河为森林草原植被类型，选取13个样点，每个样点内设置两个重复，各样地信息见表1，表2。采集0—10 cm和10—20 cm土层原状土，装入铝盒带回实验室，风干。干筛法选取3—5 mm团聚体。根据LB的3种处理方法［17-18］和Yoder法［19］测定所有样地的土壤水稳性团聚体重量百分含量。

表1 森林植被样地描述Table 1 The description of forest sample sites

表2 森林草原植被样地描述Table 2 The description of forest-steppe sample sites

快速湿润法(FW)(1)取5—10 g过3—5 mm筛的土壤团聚体;(2)将50 mL去离子水注入250 mL的烧杯中，将已称的团聚体样品轻轻地浸没其中，静置10 min;(3)用吸管吸干水分，再用乙醇将团聚体洗入预先浸在乙醇中的0.05 mm铜筛;(4)均匀用力将筛子在乙醇中螺旋形振荡5次;(5)将筛上的团聚体洗入蒸发皿内;(6)40 ℃烘干 48 h，过套筛(2，1，0.5，0.2，0.1，0.05 mm)，称量，精确至 0.0001 g，获取各粒级团聚体的质量分数。

慢速湿润法(SW)(1)取5—10 g过3—5 mm筛的土壤团聚体放在滤纸上，再放入垫有3 cm海绵的250 mL的烧杯中;(2)将乙醇加入到2.5 cm海绵处，静置60 min;(3)然后用乙醇将团聚体洗入浸在乙醇中的0.05 mm铜筛;(4)重复FW处理的步骤(5)—(6)。

预湿后扰动法(WS)(1)取5—10 g过3—5 mm筛的土壤团聚体;(2)在250 mL的烧杯中加入50 mL乙醇，将土样轻轻地浸没其中，静置30 min;(3)用吸管吸出多余的液体，往锥形烧瓶中加入50 mL去离子水;(4)用去离子水洗瓶将土样冲入锥形瓶中，再沿着锥形瓶壁加入去离子水至200 mL;(5)将锥形瓶翻转摇动10次，静置30 min;(6)用吸管吸出多余的水，用乙醇将团聚体洗入浸在乙醇中的0.05 mm铜筛内;(7)重复FW处理的步骤(5)—(6)。

1.3 数据处理

土壤团聚体平均重量直径 (MWD，mm)和土壤可蚀性因子K值具体计算公式如下［20-21］:

式中，χi为每个粒级下的团聚体平均直径(mm)，ωi为每个粒级下的团聚体质量百分含数。

应用最小显著性差异(LSD)方法检验LB法3种处理与Yoder法之间的差异，利用回归分析研究土壤团聚体平均重量直径(MWD)及＞0.2 mm团聚体质量分数之间的关系，数据统计分析利用Excel 2007和SPSS 16.0 完成。

2 结果与分析

2.1 森林植被类型下土壤水稳性团聚体的粒径分布特征

森林植被类型中，干筛得到的3—5 mm土壤团聚体在不同处理下形成的水稳性团聚体各粒级质量分数分布结果见图1和图2。由图1可以看出:在森林植被类型下，0—10 cm土层，对于SW处理，＞2 mm团聚体占绝大部分比例，团聚体质量分数变化幅度为74.47%—96.95%，其他粒级团聚体所占比例很小，变化范围仅在0.24%—9.17%，说明该过程对土壤团聚体的破坏作用较小;对于FW处理，仍以＞2 mm团聚体为主，在6.20%—68.50%之间变化，其他粒级团聚体变化范围在2.72%—41.87%之间。对于WS处理，各粒级分布比较均匀，各粒级质量分数变幅不大，＞2 mm变化范围为4.57%—50.43%，其他粒级团聚体质量分数变化范围为3.91%—42.45%，这是由于溶液由水换成了酒精，去除了消散及物理性粘粒湿润膨胀的影响。

由图2可以看出:在10—20 cm土层，3种湿润处理的结果同0—10 cm土层类似。对于SW处理，＞2 mm团聚体质量分数变化处于82.81%—97.3%，占主要部分。其他粒级变化仅在0.19%—5.80%之间。对于FW处理，＞2 mm团聚体变化处于3.46%—48.58%，略低于0—10 cm土层。其他粒级质量分数范围为2.89%—52.21%。对于WS处理，＞2 mm团聚体变化处于0.73%—31.69%，同0—10 cm土层相比，＞2 mm团聚体所占比例略小。其他粒级质量分数范围为4.22% —34.23%。

综上可以得出，在森林植被类型下，0—10 cm和10—20 cm土层土壤团聚体各粒级分布规律相同，＞0.2 mm团聚体所占比例表现为SW＞FW＞WS。由此可知，在LB法3种湿润处理下，预湿后扰动处理对土壤团聚体结构的破坏程度最大，其次为快速湿润处理，而慢速湿润处理对土壤团聚体的破坏程度最小。10—20 cm土层土壤＞0.2 mm的水稳性团聚体含量大于0—10 cm土层。

其中

图1 Le Bissonnais法3种处理下森林植被类型0—10 cm土层土壤水稳性团聚体粒级分布Fig.1 Size distribution of water-stable aggregates of forest soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in the 0—10 cm depth

图2 Le Bissonnais法3种处理下森林植被类型10—20 cm土层土壤水稳性团聚体粒级分布Fig.2 Size distribution of water-stable aggregates of forest soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in the 10—20 cm depth

2.2 森林草原植被类型土壤水稳性团聚体的粒径分布特征

森林草原植被类型中，干筛得到的3—5 mm土壤团聚体应用LB法测定不同湿润处理下形成的水稳性团聚体各粒级质量分布结果见图3和图4。

图3 Le Bissonnais法3种处理下森林草原植被类型0—10 cm土层土壤水稳性团聚体粒级分布Fig.3 Size distribution of water-stable aggregates of forest steppe soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in 0—10 cm depth

由图3可以看出:在0—10 cm土层，对于SW处理，以＞2 mm团聚体为主，变化范围在70.82%—95.68%之间，1—2 mm团聚体质量分数0.95%—18.79%，其他粒级均在5.16%以下。对于WS处理，在0—10 cm土层，＞2 mm、＜0.05 mm 团聚体质量百分数分别为 0.58%—25.06%，14.5%—26.56%。对于 FW 处理，在 0—10 cm土层，＞2、＜0.05 mm 团聚体质量百分数分别为 1.02%—49.15%，0.71%—7.94%。

由图4可以看出:10—20 cm土层，在 SW、WS、FW处理下，＞2 mm团聚体分别处于75.36%—95.49%、1.64%—13.45%和1.88%—24.55%。在森林草原植被类型，LB法3种处理下，2—5 mm粒径土壤团聚体所占比例表现为SW＞FW＞WS;1—2 mm团聚体所占比例FW＞WS＞SW;0.5—1 mm团聚体所占比例FW≈WS＞SW;0.2—0.5 mm团聚体所占比例表现为FW≈WS＞SW;＜0.2 mm团聚体所占比例表现为WS＞FW＞SW。因此，在森林草原植被类型，对土壤团聚体破坏作用最大的是预湿后扰动处理。在＞0.2 mm团聚体的平均百分含量上，0—10 cm 土层，SW、WS 和FW 3 种处理分别为94.66%、39.00%和49.00%;10—20 cm 土层，SW、WS 和FW依次为93.72%、33.06%和39.55%。可以看出，在相同的处理条件下，该地区0—10 cm土壤要比10—20 cm土壤更稳定。

图4 Le Bissonnais法3种处理下森林草原植被类型10—20 cm土层土壤水稳性团聚体粒级分布Fig.4 Size distribution of water－stable aggregates of forest steppe soil in the 3 treatments by Le Bissonnais method in 10—20 cm depth

2.3 不同方法对两个植被类型土壤团聚体稳定性的评价

森林植被类型土壤采用Yoder法和LB法3种处理后，计算出的土壤团聚体平均重量直径(MWD)值如表3所示。土壤团聚体平均重量直径越大，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强。由表3可知:在森林植被类型内，0—10 cm和10—20 cm土壤MWD值均为SW＞FW＞WS。这说明在0—10 cm和10—20 cm，LB法3种处理的土壤团聚体的稳定性规律一致，即慢速湿润＞快速湿润＞预湿后扰动，说明3种处理中，慢速湿润处理的土壤抗侵蚀能力最强，预湿后扰动处理的土壤抗侵蚀能力最弱，快速湿润介于二者之间。

表3 Yoder法与Le Bissonnais法3种处理下森林植被类型土壤的团聚体平均重量直径(MWD)值Table 3 MWD Value of forest soil under Yoder method and 3 treatments of Le Bissonnais method

森林草原植被类型土壤采用Yoder法和LB法3种处理后，计算出的土壤团聚体平均重量直径(MWD)值如表4所示。可知:在森林草原植被类型，MWD值同样为SW＞FW＞WS。另外在相同的处理方式下，森林植被类型的MWD值比森林草原植被类型大，说明森林植被类型的土壤团聚体的水稳性高于森林草原植被类型，这个结论与上面由团聚体分布情况得出的规律一致。植被能够使土壤团聚体由小颗粒向大颗粒转变，土壤结构趋于稳定，在黄土丘陵区，森林植被对土壤结构的改善作用优于森林草原植被。

表4 Yoder法与Le Bissonnais法3种处理下森林草原植被类型土壤的MWD变化Table 4 Changes of forest steppe soil MWD under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

由表5可知，森林植被类型0—10 cm和10—20 cm土层，LB法3种处理中，慢速湿润处理后的土壤可蚀性K值平均值均为最小，说明和其他2种处理相比，慢速湿润处理后的土壤抗侵蚀能力最强，这与根据MWD值分析得出的规律一致。Yoder法处理结果土壤可蚀性K值平均值最大，说明Yoder法处理对土壤团聚结构破坏程度最大，而且LB法中预湿后扰动处理结果与Yoder法处理结果更为接近。

表5 Yoder法与Le Bissonnais法3种处理下森林植被类型土壤可蚀性K值变化Table 5 Changes of forest soil erodibility values under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

由表6可知，森林草原植被类型0—10 cm及10—20 cm土层，土壤可蚀性K值规律跟森林植被类型一致，即慢速湿润处理后土壤抗侵蚀性最强，Yoder法处理后土壤抗侵蚀性最差。同时也可以看出森林植被类型与森林草原植被类型对应土层用相同方法处理结果相比，森林植被类型土壤抗侵蚀性优于森林草原植被类型。

表6 Yoder法与Le Bissonnais法3种处理下森林草原植被类型土壤可蚀性K值变化Table 6 Changes of forest steppe soil erodibility values under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

2.4 四种处理方法测定的土壤团聚体稳定性结果的相关性分析

从表7可以看出，在0—10 cm土层，森林植被类型中的WS和FW处理呈现出显著的正相关，说明森林植被类型0—10 cm土壤团聚体在机械扰动下的崩解作用和使团聚体崩解的消散作用呈现出显著相关性。

表7 Yoder法与Le Bissonnais法3种处理下森林植被类型土壤团聚体稳定性结果(MWD值)的相关性Table 7 Correlation of forest soil MWD under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

如表8所示，在0—10 cm处，森林草原植被类型中的WS和FW处理极显著正相关，SW和Yoder法显著正相关。在10—20 cm处，WS和SW呈现显著正相关性，和FW则呈现出极显著正相关性。说明森林草原植被类型0—10 cm土壤团聚体在机械扰动下的崩解作用和消散作用显著相关，慢速湿润处理和传统湿筛法(Yoder法)显著正相关。10—20 cm土壤团聚体在机械扰动下的崩解作用和由土壤粘粒膨胀引起的崩解作用具有显著的正相关性，和消散作用则具有极显著的正相关性。这表明LB法中团聚体崩解的3种机制之间具有内在联系。

表8 Yoder法与Le Bissonnais法3种处理下森林草原植被类型土壤团聚体稳定性结果(MWD值)的相关性Table 8 Correlation of forest steppe soil MWD under Yoder and 3 treatments of Le Bissonnais method

3 讨论

3.1 植被类型对土壤团聚体粒径分布的影响

不同植被对土壤性质会产生很大的影响，植被对土壤的影响主要表现在植物根系对土壤的挤压、穿插和分割作用;死亡根系和枯枝落叶产生的有机质及根际分泌物对土壤性质的影响等方面。在同一成土母质基础上发育的土壤，因植被类型不同，团聚体的组成和数量都可发生很大的变化，说明植被类型对土壤团聚体的形成具有较大的影响［22-23］。其中最直接的影响就是植被演替形成的有机质有利于土壤团聚作用［24］，有机碳含量越高，土壤团聚体水稳性程度也越好［25］。在研究中，森林草原植被类型0—10 cm、10—20 cm土层＞0.2 mm团聚体平均含量，均比森林植被类型团聚体平均含量低。可见经过LB法3种处理后，在森林植被类型土壤大颗粒团聚体(＞0.2 mm)平均百分含量在0—10 cm、10—20 cm土层均大于森林草原植被类型，植被恢复能够改善土壤表层团聚体的性质［25］。在黄土丘陵区，植被群落由1年生草本—多年生灌草—半灌木—灌木—乔木方向的演替过程中，土壤水稳性团聚体由小粒径向大粒径方向转变，土壤结构会趋于相对稳定，这与已有研究一致［16］。

3.2 植被类型对土壤抗蚀性因子K值的影响

森林草原植被类型与森林植被类型土壤可蚀性K值相比，采样相同处理方式，0—10 cm和10—20 cm土层均为森林草原植被类型土壤可蚀性K值较大，说明森林草原植被类型土壤对侵蚀营力分离和搬运作用敏感性强于森林植被类型，土壤抗蚀性能低于森林植被类型，土壤更加容易遭受侵蚀，因此在同一单位降雨侵蚀力作用下土壤越易侵蚀产沙［26］。从土壤抗蚀性的角度来看，黄土高原植被恢复重建取得明显生态效果，尽管本研究中森林植被类型样地乔木、灌木植物的数量还较少，但已经在植物群落多样性和结构等方面开始发挥重要影响［27-28］，表现出重要的生态和景观功能。特别是沟谷地，已经形成乔灌草共存的植被群落，其根系系统及生态调控功能将对控制沟谷地的侵蚀［29-30］产生积极影响。从本研究可以看出，森林植被类型较森林草原植被类型在提高土壤抗蚀性方面的作用较为明显，造成这种差异的主要原因是由于乔木覆盖下土壤枯枝落叶等调落物含量更高，根系更为发达，随着根系分泌物的分解，释放养分归还土壤，土壤有机质含量逐渐增加，土壤肥力水平提高，土壤结构得到改善，从而增强了土壤的抗蚀性。

3.3 LB法3种处理下土壤水稳性团聚体破坏机制的现实意义

LB法是根据团聚体崩解的原因区分了其破坏的不同机制:FW处理模拟干燥土壤在快速湿润条件下(如暴雨或灌溉条件)由于封闭的气体爆破而产生的破坏机制，强调的是湿润破坏机制的消散作用;SW处理模拟小雨或者滴灌等条件下，土壤结构由毛细作用等破坏，强调的则是土壤粘粒膨胀作用;WS处理主要强调的是机械扰动作用［17］。在本研究中，预湿后扰动处理对团聚体的破坏程度最大，说明暴雨或灌溉是黄土丘陵区土壤团聚体破坏的主要影响因素;慢速湿润对团聚体破坏程度最小，说明小雨或滴灌对此区域土壤团聚体破坏作用不大。不同人工灌溉方式对该地区团聚体破坏作用不同，除去降雨等自然因素，应采取对团聚体破坏程度较小的灌溉方式以减轻土壤侵蚀。综合以上分析，本研究认为，黄土丘陵区土壤团聚体破坏的主要机制是土壤孔隙中的气泡爆破产生的消散作用和机械扰动，这也与已有报道一致［16］。

3.4 Le Bissonnais法与 Yoder法比较

MWD是评价土壤结构的有效方法，土壤可蚀性K指标是表征土壤性质对侵蚀敏感程度的指标，二者均为土壤侵蚀和水土流失定量评价的重要参考依据。在黄土丘陵区的不同植被类型下，根据MWD和K值计算结果说明，在LB法的3种处理中，预湿后扰动的测定结果与传统的湿筛法更接近。LB法不仅可以代表传统湿筛法处理结果，还能从团聚体崩解机理方面对土壤结构稳定性进行区别评价，比Yoder法处理结果提供的信息更为全面，有助于判断土壤结构破坏过程的作用来源。

4 结论

(1)在LB法3种湿润处理下，预湿后扰动处理(WS)对土壤团聚体结构的破坏程度最大，处理后土壤水稳性团聚体以＜0.2 mm为主;慢速湿润处理(SW)对团聚体的破坏程度最小，处理后土壤水稳性团聚体主要以＞2 mm团聚体为主;而快速湿润处理(FW)对团聚体的破坏程度介于WS和SW之间。黄土丘陵区土壤团聚体破坏的主要机制是土壤孔隙中的气泡爆破产生的消散作用和机械扰动。除去自然因素，应采取对团聚体破坏程度较小的人工灌溉方式以减轻土壤侵蚀。

(2)从LB法3种处理方式下计算出的MWD值和土壤可蚀性因子K值可以看出:森林植被类型土壤团聚体稳定性高于森林草原植被类型。土壤水稳性团聚体由小颗粒向大颗粒转变，土壤结构趋于稳定。不同植被类型下土壤有机质含量不同，土壤团聚体形成过程及土壤团聚度也有差异，因而造成土壤可蚀性和土壤抗蚀性能不同。

(3)LB法的3种处理结果中预湿后扰动的测定结果与传统的湿筛法(Yoder法)更接近，此外，快速湿润处理和预湿后扰动处理能模拟不同降雨和灌溉方式对土壤团聚体稳定性的影响，应用LB法能够全面、准确的测定土壤团聚体结构，适宜作为黄土丘陵区土壤团聚体稳定性评价方法。

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