喀斯特石漠化地区退耕模式对土壤团聚体组成和稳定性的影响

2020-08-07姜勇祥蓝家程龙家辉

贵州师范大学学报（自然科学版） 2020年4期

姜勇祥，蓝家程，龙家辉

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵州贵阳 550025;2.贵州师范大学喀斯特研究院,贵州贵阳 550001;3.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心,贵州贵阳 550001)

0 引言

中国西南喀斯特地区受特殊水文地质背景、气候、地形地貌和人类活动影响，石漠化和水土流失问题严重[1]。石漠化是制约中国西南地区可持续发展的重要生态因素[2]，其形成的核心问题是水土流失[3]。自1999年中国实施“退耕还林还草工程”和一系列石漠化综合治理工程，植被恢复明显，水土流失得到有效控制，石漠化发展趋势得到有效遏制[4]。植被恢复能够增加土壤有机碳含量，促进土壤团聚体形成，改善土壤环境和生态功能，有效遏制水土流失[5]。土壤团聚体稳定性是决定土壤抗侵蚀能力和退化速率的重要因素[6-7]。因此，开展喀斯特石漠化地区不同退耕模式对土壤团聚体组成和团聚体稳定性的研究，对石漠化地区植被恢复模式的选择具有重要意义。土壤团聚体可划分为粗大团聚体(>2 mm)、细大团聚体(>0.25～2 mm)、微团聚体(0.25～0.053 mm)和粉-黏结合团聚体(<0.053 mm)[8]。已有研究表明，林地转变为耕地后，>0.25 mm粒径团聚体含量显著下降，<0.25 mm 粒径团聚体含量显著增加[9]；乔木林地转变为农田后，粗大团聚体含量明显下降，<0.25 mm粒径团聚体含量显著上升，团聚体稳定性下降[10]；相反，植被由荒地转变为林灌、灌丛和草地，明显增加了>0.25 mm水稳性团聚体含量和团聚体稳定性，提高了团聚体稳定性[11]。可见，植被变化显著影响土壤团聚体分布，进而影响土壤稳定性。土层深度对土壤团聚体也有显著影响。如，植被恢复(恢复年限为3～30 a)后，表层(0～10 cm)土壤水稳性团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(Geometric mean diameter,GMD)和团聚体破坏率(Percentage of aggregate destruction,PAD)均显著大于底层(25～40 cm)[12]。胡阳等[11]研究认为，岩溶山区植被恢复样地表层土>0.25 mm 水稳性团聚体含量明显高于下层。对贵州花江喀斯特小流域内35 a生和14 a生花椒林研究发现，2种年限花椒林土壤水稳性团聚体含量呈现先增加后减少的倒“V”形分布，土壤水稳性团聚体含量以>0.5～5 mm 粒径为主；与旱地相比，花椒林地并未显著增加大粒径团聚体，相反,>2～5 mm 粒径反而增加，表明耕作并未明显减少大团聚体含量[13]。不同研究结果有所差异，甚至不一致性，主要是因为土壤团聚体形成和稳定受多方面因素影响。如，植被类型、土地利用类型、土层以及土壤有机质等理化性质影响。已有研究对喀斯特地区土壤团聚体分布多是从自然恢复角度[14-15]，也有探讨不同种植年限花椒林土壤团聚体特征[13]。对自然退耕还林和人工林对土壤团聚体组成和稳定性影响的对比研究不足。板贵花椒(Zanthoxylum)是贵州喀斯特高原干热河谷石漠化地区常见的造林树种，在石漠化地区生态恢复和经济发展中发挥了重要作用。然而，近些年黔中石漠化地区花椒表现出了衰老退化现象[16]，相应的土壤结构是否发生退化仍需研究。探究喀斯特石漠化地区自然退耕乔木林、人工种植花椒林模式对土壤团聚体组成和稳定性的影响，以期为石漠化地区不同植被恢复模式的水土保持效益评估提供科学依据。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

研究区位于贵州省关岭县花江镇喀斯特峡谷石漠化综合治理示范区内的峡谷村、五里村、坝山村 (105°36′48″～105°39′55″E, 25°40′26″～25°41′52″N)。气候属于典型的亚热带干热河谷气候，多年平均降水量约1 100 mm，冬春季节温暖干旱，夏秋季节高温多雨，雨季集中在5～10月，多年平均气温18.4 ℃。该区地貌为典型的喀斯特高原峡谷地貌，海拔约为456～1 313 m，垂直高差约857 m。高原峡谷地貌河谷深切发育，坡度陡峻，水土流失严重，岩石裸露率高、植被覆盖率低，石漠化发育。土壤以碳酸盐岩风化发育的石灰土为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置及样品的采集

选取研究区耕地(对照)、自然退耕乔木林地、人工花椒林地土壤为研究对象。2018年11月，在研究区选取4个耕地样地、4个人工花椒林样地和3个乔木林样地，每个样地分别设置3个10 m×10 m样方，采集0～10 cm、>10～20 cm、>20～40 cm土层原状土壤，每个样地采集9个土样。乔木林地主要生长有香椿 (Toonasinensis)、栾树 (Koelreuteriapaniculata)、楹树 (Albiziachinensis(Osbeck) Merr.)等。花椒(Zanthoxylum)林为当地主要的石漠化治理经济灌木树种。耕地主要种植玉米，种植历史50 a以上。研究区位置及样地分布见图1。

图1 研究区位置及样地分布Fig.1 Location and sampling location distribution of the study area

1.2.2 土壤团聚体分离

在研究区采集原状土样带回实验室，室内风干至土壤塑限时，沿自然结构面掰成10 mm大小，剔除植物根系、石块及动植物残体等，继续风干；取风干土样500 g，利用机械筛分仪 (型号F—SD200,转速3 000 r/min,频率50 Hz) 将土样分离出>5～10 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、0.25～1 mm、<0.25 mm土壤粒径，分别称重。土壤水稳性团聚体分析采用湿筛法，步骤为：按照不同粒径比例配比50 g干筛土样，置于5 mm、2 mm、1 mm、 0.25 mm、0.053 mm组成的套筛上，将套筛置于装有去离子水的水桶中浸泡5 min后，利用团聚体振荡筛分仪(型号DS—100)机械筛分10 min (振幅3 cm，频率30 次/min)，每个样品重复3次，振荡结束后分别收集各粒径孔筛和桶中土样于铝盒中，将>5 mm和>2～5 mm混合，在 60 ℃下烘干至恒重并称重。

1.2.3 数据处理

运用Excel进行数据整理，采用SPSS软件进行单因素方差分析(Oneway ANOVA)和Pearson相关分析，方差分析的差异显著性水平(P<0.05) 通过最小显著差异法( LSD) 进行检验，相关分析的显著性水平为P<0.05。使用Origin9.0进行图件制作。

1.2.4 指标计算

采用>0.25 mm水稳性团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)对土壤团聚体稳定性进行评价，各指标计算公式[17]如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体分布特征

通过湿筛法获得研究区不同退耕模式下土壤团聚体含量，见表1。从表1可见，不同土地利用类型均以粗大团聚体和细大团聚体为主。其中，乔木林地以粗大团聚体占主导，耕地以细大团聚体占主导，花椒林地粗大团聚体含量和细大团聚体含量相当。不同退耕模式对土壤团聚体分布有显著影响。耕地退耕为乔木林和花椒林均显著增加了不同土层粗大团聚体含量(P<0.05)。乔木林地和花椒林地0～40 cm土层粗大团聚体平均含量分别比耕地增加了41.3%和23.2%，且增加的幅度随土层深度增加而减小；相反，耕地退耕为乔木林和花椒林显著减少了不同土层细大团聚体、微团聚体和粉-黏结合团聚体含量(P<0.05)，且减小比例随团聚体粒径增加而增加，随土层深度增加而减小。乔木林地和花椒林地0～40 cm土层细大团聚体平均含量分别较耕地减小了47.9%和30.6%；微团聚体平均含量分别较耕地减小了71.3%和26.5%；粉-黏结合团聚体平均含量分别较耕地减小了62.7%和28.7%。

由表1可知，3种不同土地利用方式，土层团聚体分布有所差异。耕地中，不同土层粗大团聚体含量表现为>20～40 cm土层显著高于0～10 cm和>10～20 cm土层；花椒林地不同土层不同粒径团聚体含量无显著差异；土层对乔木林地团聚体分布影响显著，其中粗大团聚体含量随土层深度增加而显著减小，其余粒径团聚体含量随土层深度增加而显著增加。

表1 研究区不同退耕模式下土壤团聚体组成Tab.1 Composition of soil aggregates under different de-farming patterns in the study area

2.2 土壤团聚体稳定性特征

2.2.1 土壤水稳性团聚体含量R0.25分析

由图2可知，乔木林地各土层水稳定性团聚体含量均显著高于耕地和花椒林地(P<0.05)，耕地和花椒林地无显著差异。0～10 cm土层，乔木林地R0.25值较耕地和花椒林地分别增加15.42%和9.26%；>10～20 cm土层，分别增加13.1%和4.4%；>20～40 cm土层，分别增加4.63%和5.54%。

注：不同大写字母表示同一土层深度不同退耕模式间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一退耕模式不同土层深度间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2.2 土壤团聚体MWD与GMD分析

土壤团聚体MWD与GMD是评价团聚体稳定性时较常用的重要评价指标，MWD与GMD值越大，土壤团聚体的稳定性越高，反之土壤团聚体的稳定性越低[18]。不同退耕模式对土壤团聚体MWD(图3,A)与GMD(图3,B)值影响显著。总体上，不同土层土壤团聚体MWD和GMD值均表现为：乔木林地>花椒林地>耕地，随着土层深度的增加，不同土地利用间差异在减小。退耕后，乔木林地0～10 cm土层MWD、GMD值分别显著增加了183%和275%；>10～20 cm土层分别显著增加了109%和140%；>20～40 cm土层分别显著增加了56%和67%。花椒林地0～10 cm土层MWD、GMD值分别较耕地显著增加了79%和76%；>10～20 cm土层分别显著增加了80%和86%；>20～40 cm土层分别增加了32%和26%，但无显著差异。总体上，乔木林的土壤团聚体稳定性好于花椒林地。

从同一土地利用不同土层看，花椒林地不同土层MWD和GMD值无显著差异，耕地和乔木林地不同土层MWD和GMD值均显著差异(图3)。但耕地不同土层MWD和GMD值随土层深度增加而增加，乔木林地则呈相反趋势。这一结果与粗大团聚体含量和R0.25值变化趋势相似。

图3 研究区不同退耕模式下土壤团聚体MWD及GMD值Fig.3 The values of MWD and GMD of soil aggregates under different de-farming patterns in the in the study area

2.2.3 土壤团聚体分形维数D分析

不同土地利用土壤分形维数如图4所示。不同土层土壤团聚体团聚体分形维数D值均表现为耕地>花椒林地>乔木林地(P<0.05)，这一结果与MWD和GWD值相反。从不同土层来看，耕地中，>20～40 cm土层团聚体分形维数D值显著高于0～10 cm和>10～20 cm土层(P<0.05)；花椒林地各土层团聚体分形维数D值均无显著差异；乔木林地0～10 cm土层团聚体分形维数D值显著低于>10～20 cm和>20～40 cm土层(P<0.05)。

图4 研究区不同退耕模式土壤分形维数DFig.4 Soil fractal dimension D under different de-farming patterns in the study area

2.2.4 土壤团聚体组成与稳定性指标相关分析

土壤团聚体组成与团聚体稳定性指标、全土有机碳(SOC)含量相关性分析见表3。由表3可知，R0.25与MWD、GMD呈极显著正相关(P<0.01，下同)；MWD与GMD呈极显著正相关；分形维数D与R0.25、MWD、GMD均呈极显著负相关。各粒径团聚体含量与R0.25、MWD、GMD和分形维数D均呈极显著相关，正负相关性以2 mm为界(>2 mm为正，<2 mm为负)。SOC含量与R0.25、MWD、GMD均呈极显著正相关，与分形维数D呈极显著负相关，与粗大团聚体含量呈极显著正相关，与其余粒径团聚体含量均呈极显著负相关。

表2 研究区土壤团聚体含量与团聚体稳定性指标、全土有机碳相关性分析Tab.2 Correlation between of soil aggregates contents, aggregate stability indexes and total soil organic carbon in the study area

3 讨论

3.1 不同退耕模式对土壤团聚体分布和稳定性的影响

研究发现，退耕为乔木林地和花椒林地显著增加了粗大团聚体含量、R0.25、MWD和GWD值，显著减小了细大团聚体、微团聚体和粉-黏结合团聚体含量以及分形维数D值，说明退耕使细大团聚体、微团聚体和粉-黏结合团聚体向粗大团聚体转化，促进了土壤团聚化，增强了团聚体稳定性。许多研究也表明，退耕显著增加了大团聚体含量，显著降低了小团聚体含量，促进了团聚体形成和稳定[19-23]。退耕后，细大团聚体含量减小的比例明显大于微团聚体和粉-黏结合团聚体含量减小的比例，表明退耕主要促进细大团聚体形成粗大团聚体，而耕作加快了土壤团聚体周转，粗大团聚体不断破坏成更小的团聚体。可能原因是：1)植被恢复增加了植物残体的输入、根系分泌物，促进了土壤颗粒团聚化[24]。本研究中乔木林地枯枝落叶层约4～5 cm，腐殖质层约2～3 cm，花椒林地枯枝落叶层较薄 (约1 cm)，耕地几乎没有任何植物残体输入。同时，植被恢复减少了人为破坏，促进了团聚体形成[25]。2)长期的耕作破坏了土壤大团聚体，降低了团聚体的稳定性。3)土壤有机碳对小团聚体的胶结作用是大团聚体形成的重要机制[19-21]。本研究中土壤有机碳含量与粗大团聚体含量、MWD、GWD显著正相关，与分形维数D显著负相关，表明土壤有机碳含量的增加能够促进土壤团聚体的形成和稳定。乔木林地和花椒林地由于增加了植被地表和地下生物量，使得输入土壤的生物量也越大[26]，有利于土壤有机碳的积累。而耕地由于每年的收割，大大减少了农作物残余物输入土壤的数量，土壤有机质补充较少，加上长期翻耕，加快了土壤有机碳分解。乔木林土壤粗大团聚体含量、R0.25、MWD和GWD值较花椒林地大，表明自然退耕还林较人工种植花椒林更有利于促进粗大团聚体的形成和稳定，这可能与不同退耕模式的管理方式、植被覆盖、树种类型和退耕年限等有关。花椒林地采取适当的人为施肥、耕作，并定期裁枝收取花椒，且花椒林龄较短(5～10 a)，根系分布较浅；乔木林地以自然恢复为主，大多树种退耕10 a以上，根系发达，地表和地下生物量丰富，因此乔木林地粗大团聚体含量较高，团聚体稳定性较好。但种植花椒既可以提高土壤团聚体稳定性，又具有一定经济效益，是一种兼顾生态效益和经济效益的退耕措施。因此，对于适合自然退耕还林的区域，可以选择生态效益为主的自然恢复模式；而对于海拔较低区域，可以选择种植花椒模式，但要注意科学管理。

土层深度对不同土地利用方式土壤团聚体分布的影响有所差异。乔木林地和花椒林地土壤粗大团聚体含量、R0.25、MWD和GWD值表现出随土层深度的增加而减小的趋势，这可能与凋落物和根系主要在表层积累有关。花椒林地不同土层间团聚体含量和团聚体稳定性指标差异不显著，一方面与花椒林林龄较短(5～10 a)，根系分布较浅，对深层土壤的影响有限有关；另一方面可能是因为人工花椒林地施肥等活动，需要定期翻耕，并且长期单一种植，使土壤恢复较慢。耕地不同土层间土壤团聚体含量和稳定性指标无显著差异，主要是因为长期的翻耕使得表层和底层土混合。此外，与耕地相比，乔木林地和花椒林地团聚体含量和稳定性指标变化幅度随土层深度的增加而减小，说明表层土壤团聚体含量和稳定性的变化对土地利用变化的响应更为敏感。

3.2 土壤团聚体转化的关键临界点

土壤MWD、GWD和粗大团聚体含量在不同利用方式和土层间变化趋势相似，D值则与粗大团聚体含量的变化趋势相反。相关分析表明，粗大团聚体含量与团聚体稳定性指标显著相关，表明土壤团聚体稳定性主要由粗大团聚体含量决定。土壤各粒径团聚体含量与团聚体稳定性指标显著相关，且正负相关性以2mm粒径为界，证明退耕促进了细大团聚体、微团聚体和粉-黏结合团聚体形成粗大团聚体，增强了土壤团聚体稳定性。这与姜敏等[17]研究发现的MWD、GMD值与各粒径团聚体含量的正负相关性以1 mm为界不同，可能与石灰土粗大团聚体含量较高，团聚体稳定性较强有关。此外，MWD、GMD和D值与>0.25 mm粒径团聚体含量的相关系数较与<0.25 mm 粒径团聚体含量相关系数高，且>0.25 mm 粒径团聚体含量显著高于<0.25 mm 粒径团聚体含量，说明微团聚体向大团聚体转化过程中，0.25 mm是一个关键的临界值。姜敏等[17]和刘毅等[27]的研究也表明，土壤团聚体从微团粒(<0.25 mm)到团粒(>0.25 mm)的转化中，0.25 mm粒径分界对土壤团聚体分形维数和土壤结构起重要作用。