川西北高寒草地退化对土壤团聚体组成及稳定性的影响

江仁涛, 李富程, 沈凇涛

(西南科技大学 资源学院, 四川 绵阳 621010)

土壤团聚体是由矿物颗粒和有机物等土壤成分在自然物理过程中形成的基本结构单元[1]，其组成状况和稳定性不仅决定着土壤肥力的高低，而且直接或间接地影响着土壤抗侵蚀能力、生物多样性和固碳潜力等[2]。Soinne等[3]研究认为频繁的耕作使黏土团聚体稳定性显著降低。Luna等[4]在地中海地区研究表明，不同恢复技术对退化土壤团聚体稳定性和有机碳都有显著影响。郑子成等[5]认为土地利用方式与土壤团聚体稳定性有较大相关性。宋日等[6]通过对东北黑土研究显示，随着开垦年限的增加土壤结构不断恶化，土壤有机质含量也随之降低。冯瑞章等[7]对江河源区不同退化程度高寒草地研究得出，>0.25 mm粒径水稳性团聚体随着退化程度的增加显著降低。目前，国内外土壤团聚体相关研究主要集中于红壤、黑土、紫色土等团聚结构较好的土壤，对其团聚体组成及稳定性的各种影响因素开展了广泛研究，但较少涉及团聚结构较差的荒漠土壤，尤其缺乏对高寒草地沙化土壤团聚体稳定性的研究。在全球气候变化和人类活动等作用下，川西北高寒草地退化态势严峻，随着退化程度的加剧，地表植被盖度不断下降，土壤有机质消耗殆尽，土壤结构严重破坏，使得生态恢复难度倍增。目前该区域防沙治沙研究主要集中于土壤养分变化、沙化影响因素和生态治理模式[8-11]，缺乏对土壤团聚体组成及稳定性的关注。因此，本文应用干筛法与湿筛法比较川西北高寒草地不同退化阶段土壤团聚体组成特征，研究草地退化过程土壤团聚体稳定性的变化规律，为深入认识川西北高寒草地退化机制与优化土壤改良措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省阿坝藏族羌族自治州红原县(31°51′—33°19′N，101°51′—103°23′E)，地处青藏高原东缘，境内海拔多在3 600 m以上，地势呈现东南向西北倾斜，地貌为丘状高原，北部有黑河、白河注入黄河上游，东南为长江水系。气候属高原性大陆寒温带季风气候，年均温1.1 ℃，干雨季节分明，雨热同期，年均降雨量为791.9 mm，集中在5—10月，而年均蒸发量达1 262.5 mm，除6—8月外，月降水量均小于蒸发量，空气极为干燥。土壤类型以亚高山草甸土为主，部分地区为沼泽土，局部有荒漠土。红原县总人口约4.5万人，藏族人口占83.2%，牧业人口占总人口77.8%，牲畜主要有麦洼耗牛、九龙耗牛、藏绵羊和河曲马等。放牧分为冬夏两季，冬草场适宜载畜量约为0.97头/hm2，夏草场约为1.33头/hm2，但是部分草场远超过适宜载畜量，草地优势种逐渐减少，植被盖度迅速降低，加之气候条件的影响，草地趋于退化，呈现斑块状的沙地。

1.2 样品采集

供试土壤于2016年7月采自红原县瓦切镇，通过实地调查，在地形地貌、成土母质等自然环境条件基本相同的区域内选取了未退化草地、轻度退化草地、中度退化草地、重度退化草地4种样地，测定和记录样地基本信息(坐标、海拔、植被盖度)，采用GPS测定经纬度和海拔。每种样地选择2个样方，样方大小为10 m×10 m，每个样方内随机选取3个采样点，按照0—10，10—20，20—30，30—40 cm分层采集土壤团聚体样品，3个同层土样混合成1个土样，装入采样盒以避免挤压破坏团聚体，共32个混合土样，用于测定土壤团聚体、有机质和pH值。利用环刀采集各层土壤样品，测定土壤容重和含水率。样地基本信息见表1。

表1 研究样地描述

1.3 样品测定

将土样在室内轻轻掰成直径约10 mm的小土块，除去动植物残体、小石块后平铺在室内自然风干。团聚体测定采用干筛法和湿筛法[12]。干筛法：称取100 g风干土置于套筛上，用振筛机振荡10 min(8411型：转速1 400 r/min)，分离出>2 mm，0.5～2 mm，0.25～0.5 mm，<0.25 mm的土壤机械稳定性团聚体，称重并计算出各级团聚体所占百分比。湿筛法：依据干筛法所得的样品机械稳定性团聚体组成比例配制出100 g风干土样，放入团聚体分析仪(TTF-100型：转速30 r/min，上下振幅40 mm)浸泡5 min后振荡30 min，分离出>2 mm，0.5～2 mm，0.25～0.5 mm，<0.25 mm的土壤水稳性团聚体，在50℃烘干称重后计算出各级团聚体所占百分比。每个样品测定2次。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定，土壤pH值采用玻璃电极法测定(2.5∶1水土比浸提液)，土壤含水率采用烘干法测定，土壤容重采用环刀法测定。

1.4 计算公式

大团聚体比重(R0.25)计算公式如下：

(1)

式中：Mr为各粒级团聚体；MT为团聚体总重量。

团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GWD)计算公式如下[13]：

(2)

(3)

团聚体破坏率(PAD)计算公式如下[13]：

(4)

式中：PAD为团聚体破坏率；Wd为干筛>0.25 mm机械稳定性团聚体含量；Ww为湿筛>0.25 mm水稳性团聚体含量。

1.5 数据分析方法

通过单因素方差分析研究不同退化程度、不同土层和不同粒级土壤理化性质及土壤团聚体的差异，显著性检验采用LSD方法，显著性水平选择p<0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

不同退化程度草地土壤含水率呈现未退化>轻度退化>中度退化>重度退化的特征，未退化草地显著高于退化草地(p<0.05)，除重度退化草地外，土壤含水率由表层向下层呈递减趋势(表2)。退化草地土壤容重显著大于未退化草地(p<0.05)。不同退化程度草地土壤pH值介于5.73～6.76，偏酸性，随着退化程度增加而增大，土壤垂直方向无显著差异。土壤有机质含量随着沙化程度加剧显著降低(p<0.05)，未退化、轻度退化和中度退化草地土壤有机质含量由表层向下层显著递减(p<0.05)，重度退化草地无显著变化。

表2 土壤理化性质

注：同列不同小写字母表示同一退化程度草地在p<0.05水平上的差异显著。

2.2 土壤团聚体分布特征

2.2.1 土壤机械稳定性团聚体分布特征 不同退化程度草地土壤机械稳定性团聚体分布特征见表3。未退化草地土壤以>2 mm粒级团聚体居多(40%～47%)，0.5～2 mm和<0.25 mm粒级次之，0.25～0.5 mm粒级较少；退化草地土壤团聚体以<0.25 mm粒级为主(45%～74%)，>2 mm和0.25～0.5 mm粒级次之，0.5～2 mm粒级最少(<8%)。随着退化程度的加剧，各土层>2 mm和0.5～2 mm粒级团聚体含量显著降低(p<0.05)，0.25～0.5 mm和<0.25 mm粒级团聚体含量显著增加(p<0.05)。0—40 cm各土层R0.25由未退化到轻度退化阶段减少34%～46%，轻度到中度退化阶段减少18%～42%，中度到重度退化阶段减少幅度较小(<17%)，可见，未退化到轻度退化和轻度退化到中度退化阶段是川西北高寒草地土壤大团聚体向微团聚体转变的主要阶段。

2.2.2 土壤水稳性团聚体分布特征 不同退化程度草地水稳定性团聚体分布特征见表4。未退化草地以>2 mm和<0.25 mm粒级团聚体含量较高，0.5～2 mm和0.25～0.5 mm粒级含量较低；退化草地均以<0.25 mm粒级团聚体占绝对优势，高达59%～94%，0.5～2 mm粒级团聚体含量最少(<5%)。对于0—40 cm各土层，>2 mm粒级团聚体含量随着退化程度加剧显著降低(p<0.05)；对于0.5～2 mm粒级团聚体，仅0—10 cm土层随着退化程度增加显著降低(p<0.05)；0.25～0.5 mm粒级团聚体含量随着草地退化加剧整体降低，<0.25 mm粒级团聚体显著增加(p<0.05)。与干筛结果类似，湿筛法显示0—40 cm各土层R0.25从未退化到轻度退化(42%～57%)、轻度退化到中度退化(36%～80%)减少幅度较大，而中度退化到重度退化减少幅度相对较小(<27%)。

表3 不同退化程度草地土壤机械稳定性团聚体分布特征

注：同一列不同小写字母表示相同粒级团聚体在p<0.05水平上的差异显著，下表同。

表4 不同退化程度草地土壤水稳性团聚体分布特征

2.3 土壤团聚体稳定性分析

2.3.1 团聚体破坏率分析 不同退化程度土壤大团聚体破坏率见图1。0—40 cm各土层土壤团聚体破坏率均呈现未退化<轻度退化<中度退化<重度退化，草地退化使土壤团聚体破坏率显著增大(p<0.05)。在0—10 cm土层，未退化到轻度、轻度到中度、中度到重度退化土壤PAD分别增加53.41%，184.91%，2.62%，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土层PAD在各退化阶段增长率基本一致。从土壤剖面(0—40 cm)来看，未退化和轻度退化土壤的PAD由表层向下层呈增加趋势，而中度退化和重度退化表层(0—10 cm)土壤PAD明显大于下层(10—40 cm)。

图1土壤团聚体破坏率

2.3.2 MWD和GMD分析 对于土壤机械稳定性团聚体，各土层土壤团聚体MWD随着退化程度增加显著减小(p<0.05)，在0—10 cm土层，未退化到轻度、轻度到中度、中度到重度退化阶段MWD分别减小42.58%，63.86%，35.13%，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土层在未退化到轻度退化阶段MWD减小幅度最大，均在43%左右(图2A)。土壤团聚体GMD与MWD变化趋势一致(图2B)，但中度与重度退化草地的GMD无显著差异。对于水稳性团聚体，土壤团聚体MWD和GMD明显小于干筛结果(图2C和图2D)，体现水蚀使大团聚体破碎，平均粒径减小。与土壤机械稳定性团聚体类似，土壤水稳性团聚体MWD和GMD随着沙化程度增加也明显减小，且未退化到轻度、轻度到中度退化阶段的减小幅度大于中度到重度退化阶段。干筛和湿筛处理下的土壤团聚体稳定性指标均显示，未退化和轻度退化草地表层(0—10 cm)土壤团聚体MWD和GMD均明显大于下层(10—40 cm)，而中度退化和重度退化草地呈现相反的特征。

注：不同小写字母表示同土层不同退化程度草地土壤团聚体在p<0.05水平上的差异显著。

图2不同退化程度草地土壤机械稳定性团聚体、水稳性团聚体的平均重量直径和几何平均直径

3 讨 论

本研究结果显示，干筛和湿筛处理下未退化草地土壤都以大团聚体(>0.25 mm)组成为主，而退化草地土壤以微团聚体(<0.25 mm)占绝对优势，随着草地退化程度的加剧，各土层>2 mm和0.5～2 mm粒级团聚体显著降低(p<0.05)，0.25～0.5 mm粒级团聚体变化不固定，<0.25 mm粒级团聚体显著增加。冯瑞章等[7]认为高寒草地退化使0—30 cm土层>0.25 mm水稳性团聚体显著降低，但大团聚体在不同退化阶段的降低速率低于本研究区。王洋[14]研究也指出，随着高寒草地退化程度增加，0.2～2 mm粒级团聚体降低最显著。以上研究均表明高寒草地退化导致大粒级团聚体含量降低，但不同研究区草地退化对大团聚体的影响程度有所差异，这主要归因于当地不同的环境因子影响所致。在自然和人为因素的作用下，川西北高寒草地植被盖度降低，同时地下根系也不断减少，大团聚体缺乏植物根系的穿插与缠绕容易分散[15]。有研究表明，小粒级团聚体中有机质以化学保护为主，受外界因素干扰小，变化速率慢，而大粒级团聚体中有机质以物理保护为主，对植被变化和管理措施的影响较为敏感，周转较快[16]，而有机质是团聚体重要的胶结物质，因此，随着草地退化程度加剧，土壤有机质的降低导致大团聚含量也显著下降。

本研究得出，随着高寒草地不断退化，土壤R0.25，MWD和GMD均显著减小，PAD显著增大，表明土壤团聚体稳定性随着退化程度的加剧而显著降低，这与以往研究类似[6-7,14]。有研究显示植被减少与土壤退化互为因果，相互作用[17]，本研究区草地在牲畜过度啃食踩踏下，草本植物的生长发育受到抑制，植被盖度减小，植被凋落物减少的同时土壤有机质含量降低，土壤容重增加和持水性能下降，此时，大团聚体崩解，土壤抗侵蚀能力降低，最终导致团聚体稳定性显著下降。本研究仅指出川西北高寒草地土壤团聚体稳定性的变化规律，其影响机理还需进一步探究。

本研究结果显示不同退化程度草地土壤有机质含量由表层向下层降低，未退化和轻度退化草地土壤团聚体稳定性也呈现类似的特征，但中度和重度退化表层(0—10 cm)土壤团聚体稳定性明显低于下层(10—40 cm)，表明在草地不同退化阶段，土壤团聚体稳定性与有机质从表层到下层的变化特征并不一致。对于未退化和轻度退化草地，表层(0—10 cm)土壤接受的枯枝落叶多，有机质的富集提供黏合剂，能显著提高大团聚体总量和团粒间的联结度，增加其结构稳定性，所以团聚体稳定性和有机质含量由表层向下层降低。当草地进入中度和重度退化阶段，由于过度放牧，加之鼠类挖掘洞穴使土壤暴露地表，表层土壤缺乏植被保护，频繁的干湿循环导致土壤大团聚体破碎，固碳作用减弱，团聚体稳定性也降低[18]，加之冻融作用的交替收缩与膨胀改变土壤团聚体的结构与组成，加快土壤有机碳的矿化分解速度，降低土壤团聚体的水稳性[19]，进一步促进草地退化，这些作用首先发生在土壤表层0—10 cm，随着土层深度增加其影响减弱[20]，因此，中度和重度退化草地表层土壤更容易发生退化。

川西北高寒草地土壤团聚体组成和稳定性在未退化到轻度、轻度到中度退化阶段的变化最显著，中度到重度退化阶段变化较小，表明轻度退化阶段是草地退化的重要转折期。本研究结果与蔡晓布等[21]对藏北高原草地的研究不同，其认为轻度退化草地土壤团聚体稳定性好于未退化草地，主要在于藏北高原土壤冻结期较长，未退化草地土壤微生物活动微弱，腐殖质难以分解，而一定程度的沙化使土壤微生物活性与功能得到提高，有利于团聚体的形成。本研究区相对于藏北高原，冰冻期稍短，年均气温高1℃左右，年均降水量500 mm左右，在较好的自然条件下土壤微生物活性强，由于自然和人为作用对草地的破坏，在草地退化初期，土壤有机质迅速分解并流失，大团聚体也快速崩解，团聚体稳定性显著降低。当草地进入中度和重度退化阶段，土壤有机质面临枯竭，团聚体稳定性指标变化最小。因此，当川西北高寒草地面临轻度退化时应给予高度重视，及时开展防沙治沙工作。

4 结 论

(1) 不同退化程度草地土壤理化指标变化不一致，随着退化程度的加剧，土壤有机质含量显著降低(p<0.05)；退化草地土壤含水率显著低于未退化草地(p<0.05)，土壤容重和pH值与之相反，但是不同退化草地之间土壤含水率、容重和pH值的差异并不显著。

(2) 干筛和湿筛处理下，土壤团聚体变化规律基本一致，未退化草地以大团聚体(>0.25 mm)为主，而退化草地以微团聚体(<0.25 mm)为主；随着退化程度的增加，各土层>2 mm和0.5～2 mm粒级团聚体显著降低(p<0.05)，0.25～0.5 mm粒级变化不固定，<0.25 mm粒级显著增加(p<0.05)。

(3) 随着草地退化程度的加剧，R0.25，MWD和GMD显著减小(p<0.05)，PAD与之相反，表明草地退化使土壤团聚体稳定性显著降低；未退化和轻度退化土壤团聚体稳定性由表层向下层递减，而中度和重度退化土壤表层低于下层，表明土壤表层比下层退化速度快。

(4) 不同退化草地土壤理化指标、土壤团聚体组成及稳定性的差异表明，轻度退化阶段是草地退化的重要转折期，在沙化防治中应予以重视。

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