不同人工林对奈曼沙区土壤团聚体的影响

2022-02-03韩雪莹温雅琴杨溢文李文龙

干旱区研究 2022年6期

吴际，杨光，韩雪莹，温雅琴，杨溢文，李文龙，刘一

（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.呼和浩特市水资源与河湖保护中心，内蒙古呼和浩特 010020；3.内蒙古自治区林业科学研究院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010020；4.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010010；5.呼伦贝尔市水利事业发展中心，内蒙古呼伦贝尔 021100）

土壤团聚体是土壤结构的基本单元［1］，它的形成过程非常复杂，主要受胶结物质数量和性质的影响。土壤团聚体的数量和质量影响着土壤的保水保肥和透气能力，良好的土壤团聚体可以提升土壤生产力，提高土壤抗蚀性，降低水土流失的风险［2］，因此通常把土壤团聚体的稳定性作为评价土壤质量的关键性指标［3］。土壤团聚体的稳定性是指团聚体抵抗外力作用或外部环境变化而保持其原有形态的能力［4］，主要包含机械稳定性和水稳定性。目前，评价团聚体稳定性的指标主要有＞0.25 mm团聚体的含量（R＞0.25）、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、分形维数（D）［5］、土壤结构体破碎率（PAD）等。

近年来，稳定团聚体保持对土壤结构退化、土壤水分保持和植被动态之间的相互影响得到了广泛的关注［6］。研究结果表明，在生态脆弱的干旱半干旱地区，水分利用和土壤风蚀是影响表层土壤团聚体稳定性的重要因素，土壤团聚性差、水稳定性差导致土壤结构退化，风蚀会进一步降低结构稳定性，形成恶性循环［7］。因此，如何高效管理和利用土壤，促进优质团聚体的形成和保持，已成为干旱半干旱地区亟待解决的问题。

科尔沁沙地是中国面积最大的沙地，其土壤含水量较低，养分贫瘠，生态环境恶劣［8］，受自然因素和人为因素影响，土地调控能力低，土壤水稳定性团聚体收支失衡，导致土壤的蓄水保墒能力严重不足［9］。近年来，人工植被恢复对土壤团聚体稳定性的影响逐渐成为研究热点［10］，贫瘠的沙地土壤经过人工植被的种植及管理措施，使得地上生物量增加、生物根系固定作用增强，土壤状况得到一定的改善［11］。奈曼旗为科尔沁沙地的核心区，是科尔沁沙地沙漠化发生、发展最典型的区域之一，无论是20世纪70年代的沙漠化速度还是90年代的沙漠化逆转速度都具有代表性［12］。全旗沙漠化土地面积占到土地总面积的一半以上，不同程度的沙漠化土地在境内均有分布［13］，故本文将奈曼旗全境作为沙漠化研究地区，称为奈曼沙区。土地沙化、植被退化，一直是制约沙区发展的主要因素，强烈的风蚀带走了土壤中大量的细颗粒物质，土壤养分流失、稳定性破坏，人工植被建设是沙区治理土地沙化、水土流失最常见和最有效的方法之一，不仅可以减小风蚀、固定流沙，还可以促进土壤颗粒通过有机质胶结作用形成大团聚体，增加土壤稳定性。研究表明，不同树种因根系作用、枯落物性质和林下植被状况不同而导致土壤性质具有较大差异，土壤团聚体特征集中反映了这种综合作用的结果［14-16］。由此可见，研究不同人工林林下土壤团聚体的组成及稳定性对揭示奈曼沙区植被恢复过程中土壤与植被发育过程的相互关系、土壤稳定性团聚体形成与转化规律具有重要意义。本文选取的杨树、油松、樟子松人工林因其良好的耐寒、耐旱性，自70 年代开始在奈曼沙区作为主要的防风固沙树种进行集中大量种植，并且取得了较好的成果，成为目前最适宜的沙地造林树种［17-19］。

1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地南缘的奈曼旗（图1），地理位置为42°14′175″～43°32′14″N，120°20′35″～121°36′00″E，气候类型为北温带大陆性季风干旱气候，年平均气温6.0～6.5 ℃，年平均降水量约360 mm，年平均蒸发量1935 mm，干燥度为1.4～1.8，年平均风速3.5 m·s-1，冬春季盛行西北风，春季风蚀活动强烈，全年平均风速可达4.3 m·s-1，吹沙日20～30 d［20］。研究区地带性土壤为栗钙土，由于地质历史年代沉积了丰富而松散的地表沙质沉积物，在风力吹扬作用下形成了沙地，受风蚀作用的影响，部分变为固定风沙土和栗钙型风沙土［21］，特点是养分含量低，保水保肥性能差［22］。沙质属性决定了土壤易遭受风蚀，储存雨水及营养物质能力差，土壤有机质含量为5.6～9.86 g·kg-1，土壤pH为7.25。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Diagram of the study area

2 研究方法

2.1 试验设计

对沙区进行全面考察，了解造林时段、政策以及林木价格等历史背景后，并对多个林场进行对比，以人工林种植规模大且存活率较高、可供试验研究的新镇林场、青龙山林场以及兴隆昭林场3 个国有林场为采样点，分别选取了分布比较集中、林龄成熟的杨树、油松及樟子松人工纯林为研究对象，起始立地条件均为相对一致的流动沙地地段，常见经营规格为株距2～3 m、带宽5～7 m，带间土地均为未经开垦的天然植被恢复状态，并且将沙地完全固定，土壤类型为栗钙型风沙土。试验设置3 个处理，每个处理设置3次重复，通过干筛和湿筛土壤团聚体，对比分析不同植被恢复人工林土壤稳定性，从而为筛选最佳的固沙人工林提供依据。

2.2 土壤取样

于2021年6月在每块林地中设置30 m×30 m的乔木样方，同一样地沿对角线选取3 个代表性样点（即重复），每样点分别挖取剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土层自下而上分别采集原状土壤样品1 kg 置于塑料盒，原状土壤在采集和运输过程中避免挤压和颠倒，以免破坏团聚体，用硬质塑料盒带回实验室。在室温条件下进行风干，并且剔除植物根系和石砾等杂质，风干后沿自然裂缝将大块土掰开，过孔径10 mm筛，并进行土壤团聚体的测定。

2.3 团聚体处理

干筛处理：按照四分法原则取土样100 g，置于孔径自上而下为：2 mm、0.25 mm、0.053 mm 的电动振筛机，以固定频率震荡筛分（300 次∙min-1）5 min，分别得到＞2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm、＜0.053 mm 的4 种粒级的团聚体，并计算其百分比［23］。

湿筛处理：将50 g风干土样用纯水浸泡12 h，然后自上而下放入3 个不同粒级（2 mm、0.25 mm、0.053 mm）的筛子中。利用土壤团聚体分析仪（XY-100）在纯水环境中（振幅4 cm，频率30次∙min-1）上下摇动进行湿筛，以获得＞2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm的4种粒级的团聚体，将获得的不同粒级的团聚体进行干燥处理（50 ℃）并称重［24］。

2.4 数据处理与统计分析

＞0.25 mm团聚体的含量（R＞0.25）、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、土壤结构体破碎率（PAD）和分形维数（D）计算公式如下［25］：

式中：MT表示团聚体总重量；M＞0.25表示粒级＞0.25 mm的团聚体的重量［26］。

式中：n表示团聚体粒级的分组数；-xi表示第i粒级团聚体的平均直径；ωi表示第i粒级团聚体质量百分比；r表示测量团聚体直径大小的码尺。

数据的处理采用Excel 2016软件计算平均值及标准差，数据表达形式为平均值±标准差，利用SAS 9.4软件对不同数据组进行方差分析（One-way ANO⁃VA）、趋势检验，用Pearson法进行相关性分析，运用Excel 2016软件绘制分析图。

3 结果与分析

3.1 不同人工林土壤团聚体组成分析

由干筛法获得的机械稳定性团聚体组成见图2。3 块人工林不同土层粒级含量的变化趋势一致。杨树人工林随着粒级的减小团聚体含量呈现出先减后增的趋势，其中含量最多的是0.25～0.053 mm粒级团聚体，显著高于其他粒级；油松人工林随着粒级的减小团聚体含量呈现递减的趋势，＞2 mm粒级团聚体含量显著高于其他粒级；樟子松人工林则是随着粒级的减小团聚体含量先增加后减少，最小的粒级含量最少，为3%，0.25～0.053 mm粒级团聚体含量最高。整体上，＞2 mm粒级团聚体表现为：油松＞杨树＞樟子松，2～0.25 mm粒级团聚体表现为：樟子松＞油松＞杨树。由此可知，干筛条件下，机械稳定性大团聚体的形成与保持能力表现为：油松＞樟子松＞杨树。

图2 土壤机械稳定性团聚体组成Fig.2 Soil mechanical stability of the aggregate composition

由图3可知，与干筛相比，＞2 mm和＜0.053 mm 2个粒级的团聚体含量有了明显的变化。3块人工林＞2 mm粒级的团聚体含量随着土层的加深显著性减小，4个粒级团聚体含量中最大的为＜0.053 mm粒级团聚体。整体上，＞2 mm粒级团聚体含量表现为：樟子松＞杨树＞油松，2～0.25 mm 粒级团聚体含量表现为：樟子松＞油松＞杨树，水稳定性大团聚体的形成与保持能力表现为：樟子松＞油松＞杨树。

图3 土壤水稳定性团聚体组成Fig.3 Soil water stability aggregate composition

3.2 不同人工林土壤团聚体稳定性分析

分析不同人工林土壤机械稳定性的特征指标发现（表1），对于不同土层的MWD和GMD值来说，0～20 cm 土层的杨树显著高于其他2 个土层，20～40 cm土层的油松显著高于其他2个土层，樟子松则无显著差异，不受土层的影响；利用回归分析计算不同人工林土壤团聚体的分形维数（D）值可以看出，不同林型及土层均无明显差异；＞0.25 mm团聚体的含量（R＞0.25）作为重要指标可定量评价土壤团聚体结构的稳定性［27］，其值越大，说明土壤的抗蚀性越好，在干筛条件下其土层变化趋势与MWD 和GMD 一致，各个土层中R＞0.25值表现为：油松＞樟子松＞杨树。整体上看，在各个土层中，油松的MWD和GMD值最高，樟子松与杨树之间则无显著差异，D值无明显差异，油松的R＞0.25值最高。

表1 不同人工林土壤机械稳定性参数Tab.1 Different plantation soil mechanical stability parameters

分析不同人工林土壤团聚体水稳定性的特征指标发现（表2），0～20 cm 土层的3 个林型的GMD、MWD、R＞0.25值显著高于20～40 cm 和40～60 cm 土层，D和PAD值显著低于20～40 cm和40～60 cm土层，说明这5 个指标受土层影响显著；3 个林型的GMD、MWD 值表现为：樟子松＞油松=杨树；在0～20 cm 土层处R＞0.25值最高，表现为：樟子松＞油松＞杨树；从分形维数D的数据可以看出，0～20 cm土层樟子松的D值最低，与其他2个树种有显著差异；破碎率PAD是湿筛后破碎的团聚体比率，其数值越小，土壤结构越稳定［28］，从表2可以看出，不同人工林的PAD值表现为：杨树＞油松＞樟子松，说明樟子松人工林土壤团聚体最稳定。

表2 不同人工林土壤水稳定性参数Tab.2 Soil water stability parameters of different plantations

3.3 土壤团聚体组成与稳定性参数的相关性

由表3 和表4 可知，机械稳定性团聚体和水稳定性团聚体的直径指标MWD、GMD 与分形维数D的相关性系数分别在-0.33～-0.32、-0.97～-0.80 之间，呈显著负相关关系，说明土壤团聚体的MWD和GMD 值越大，D 值越小。对于机械稳定性团聚体，＜0.053 mm、0.25～0.053 mm、2～0.25 mm 3 个粒级的机械稳定性团聚体与直径指标均呈负相关(除＜0.053 mm粒级外，其他均达到显著相关)，＞2 mm粒级的机械稳定性团聚体与MWD 值的相关系数为0.99，与GMD 值的相关系数为0.72，呈极显著相关，正负相关性以2 mm为界。对于水稳定性团聚体，＜0.053 mm 与0.25～0.053 mm 2 个粒级的土壤团聚体与直径指标均呈负相关，且相关性极显著，而2～0.25 mm 与＞2 mm 2 个粒级的水稳定性团聚体与直径指标均呈显著正相关，正负相关性以0.25 mm 粒级团聚体为界。

表3 机械稳定性团聚体组成与稳定性参数的相关性Tab.3 Correlation between mechanical stability aggregate composition and stability parameters

表4 水稳定性团聚体组成与稳定性参数的相关性Tab.4 Correlation between water stability aggregate composition and stability parameters

对于机械稳定性团聚体，其D 值与＜0.053 mm粒级机械稳定性团聚体呈正相关关系，且相关性显著，与0.25～0.053 mm、2～0.25 mm、＞2 mm 3 个粒级机械稳定性团聚体无显著相关关系，其正负以2 mm为界。对于水稳定性团聚体，D 值与＜0.053 mm、0.25～0.053 mm 粒级水稳定性团聚体呈显著正相关关系，而与2～0.25 mm、＞2 mm 粒级水稳定性团聚体呈显著负相关关系，正负以0.25 mm 粒级团聚体为界。

4 讨论

良好的土壤结构需要有较高质量的土壤团聚体和适当的粒径分配，尤其是水稳定性团聚体的数量和稳定性［29］。本研究采用干、湿筛法，对科尔沁沙地奈曼沙区不同人工林土壤团聚体进行分析，2种筛分方法在土壤团聚体处理过程中各有优缺点，2 种方法测定土壤团聚体的组成和稳定性不同，这主要是因为干筛法反映了原状土中非水稳定团聚体和水稳定团聚体的总体情况，体现的是土壤团聚体抵抗机械外营力破坏的能力［30］，而湿筛法反映了土壤中水稳性团聚体的分布，湿筛后土壤中的非水稳定团聚体容易通过外力（水）的挤压而破碎成较小的团聚体。因此，水稳定性团聚体在反映科尔沁沙地奈曼沙区人工林团聚体稳定性中更具有代表性。

通过干筛法获得＞2 mm及2～0.25 mm粒级土壤机械团聚体的百分含量能够达到50%以上，变化依次是：油松＞樟子松＞杨树，而经过水筛后＞2 mm 及2～0.25 mm粒级大团聚体遇到水分会使土壤团聚体崩解，导致水稳定性团聚体含量集中在＜0.053 mm粒级范围内，水稳定性大团聚体表现为：樟子松＞油松＞杨树。总体来说，杨树林下土壤团聚体的稳定性最差，杨树本身是喜光、喜湿的树种，在干旱的沙地环境下生长发育无法满足自身水肥等需求，导致林下土壤质量较差；干筛条件下油松林下土壤大团聚体较多，在沙质地表植物根系及降雨作用下，土壤结构疏松，土壤颗粒是分散的，干燥后由于其黏聚作用，土壤表面变得坚硬，导致土壤硬化、板结，经过湿筛后大团聚体大幅度减小，说明其抗雨水浸泡、破坏能力差，在苏永中等［31］研究中也表明，即使是干旱地区的沙质土壤，也会在碳酸钙的表面聚集作用下结块，遇水冲击后又易分散。由此可见，固定沙地樟子松林下土壤稳定性较好，能够有效富集土壤水分和养分。综合干筛、湿筛2个结果发现，樟子松和杨树0～20 cm土层＞0.25 mm粒级团聚体含量最高，油松20～40 cm 土层机械稳定性大团聚体最多，但0～20 cm水稳定性大团聚体含量最高，这说明沙地表层土壤有机质来源丰富且稳定，有利于表层土壤大团聚体的形成与保持，随着土层加深，腐殖质减少，进而影响有机质的含量和微生物的活性，降低了土壤团聚体的胶结效能，不利于形成团粒结构。PAD 值与水稳定性大团聚体变化趋势基本一致，均表现为樟子松土壤抗蚀性及稳定性更好，其主要机制是干旱地区樟子松根系强壮发达、抗旱能力较强，根系对土壤有改良和固结作用，相比其他2个林型，樟子松有强壮发达的垂直水平根，根系的分泌物可以对土壤起到很好的胶结作用。水分是影响大团聚体形成的重要因子，适量的水分能够较好地促进土壤团聚体的形成和保持［32］，然而在地下水埋深较浅的地方，干旱少雨的自然条件不会影响樟子松的生长和存活［33］，奈曼沙区当年降水除了满足樟子松的水分需求外，还对樟子松提供后续1～2 a生长的水分和养分供应［34］。

众多研究结果表明，土壤团聚体直径指标MWD和GMD值越大、分形维数D值越小，说明团聚体稳定性越好，团聚度越高［35］。通过本研究可以发现，干筛条件下，油松林下土壤中绝大多数是＞2 mm粒级的团聚体，其MWD 和GMD 值最大，相关性也表明MWD和GMD值与＞2 mm粒级的团聚体含量有显著关系，但是湿筛条件下则是樟子松MWD 和GMD值最大，这是因为油松＞2 mm粒级的团聚体中包含大多数＞5 mm 粒级的土块，虽然这种大团聚体具有良好的抗土壤风蚀性，但它的稳定性并不高，从湿筛结果可以看出，这种大块团聚体遇水后的团聚体破坏率很高，且分形维数D＞2.88，表现为保水保肥性差，遇水土壤板结，通透性差［36］。

相关性结果表明，机械稳定性团聚体和水稳定性团聚体的直径值和D值与各粒径团聚体含量之间均呈明显的线性关系，且正负分别以2 mm、0.25 mm粒级团聚体为界，说明土壤团聚化过程中尤为重要的分界线是2 mm和0.25 mm。＞2 mm粒级团聚体所占比例越多，MWD、GMD 越高，D 值越小，机械稳定性越高；＞0.25 mm 粒级团聚体比例越多，MWD、GMD越高，D值越小，水稳定性越高，在沙漠化过程中伴随土壤表层细颗粒物质的损失，损失的是易蚀或者是可蚀部分，此分界线很好地反映土壤颗粒物质的损失情况，从而反映土地沙质荒漠化程度［37］。由此可见，土壤机械稳定性主要由2 mm粒级团聚体含量决定，土壤水稳定性主要由0.25 mm 粒级团聚体含量决定，这与刘毅等［38］的研究结果相似，说明2 mm 和0.25 mm 粒级团聚体的构建在土壤团聚化过程中较敏感地影响了土壤团聚体的分形维数及结构特征，可分别作为表征土壤机械、水稳定性的直观参数。