徂徕山植被类型对不同坡位土壤团聚体特征的影响

李 岩王如岩董 智刘冰倩刘瑞琳吴其聪

(1.泰安市水文中心,山东 泰安271000;2.山东农业大学 林学院/泰山森林生态系统国家定位观测研究站,山东 泰安271018)

土壤团聚体是土壤的基本结构单元,其组成与稳定性在保持水分、维持生物多样性、抵御洪水、侵蚀和滑坡等方面具有重要作用[1-2],对促进“土壤—降水—植被”间的水循环具有重要影响,已成为近10 a来土壤学、水文学、水土保持等学科的研究热点[3-4]。影响土壤团聚体稳定性的因素主要有土壤有机质、土地利用方式、管理措施、气候条件、土壤微生物、植被覆盖情况等[5]。其中,植被能够促进土壤结构形成与质量提升,降低土壤的可蚀性,抑制土壤侵蚀的发生发展,被认为是影响坡面水土流失的关键因子[6-7]。然而,当前研究主要关注不同植被类型对土壤团聚体稳定性及坡面水土流失的单一影响,较少考虑不同坡位带来的协同影响。有研究[8]证实,在相同植被覆盖下,不同坡位的土壤团聚体稳定性有所差异,土壤大团聚体含量呈现出:上坡＞下坡＞坡底＞中坡的趋势。这表明植被类型与坡位可能会存在交互效应,并对土壤团聚体稳定性产生影响。然而,植被类型与坡位如何协同影响土壤团聚体稳定性,尤其是在植被稀少、土壤贫瘠、气候干旱和水土流失危害严重的我国北方土石山区[9],不同植被类型与不同坡位下,土壤团聚体组成与稳定性如何响应,尚不明确。因此,研究不同植被类型以及不同坡位下土壤团聚体组成与稳定性对明确土壤结构优劣以及抗侵蚀能力具有重要意义。

本研究选取山东省泰安市徂徕山水土保持综合观测站板栗、刺槐×麻栎混交林等当地常见的植被类型为研究对象,开展定位研究。分析不同植被类型及不同坡位对土壤团聚体组成与稳定性的影响。研究结果可为北方土石山区植被恢复与水土流失防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省泰安市徂徕山水土保持综合观测站(36°4′36″N,117°14′16″E),属暖温带大陆性季风气候,年平均降水量1 000 mm,年日照时数2 494 h,年平均气温13.9℃,年无霜期215 d。径流场的土壤以山地棕壤为主,周边植被以常绿针叶林和落叶阔叶林为主,主要是刺槐(Robiniapseudoacacia)、赤松(Pinusdensiflora)、麻栎(Quercusacutissima)、板栗(Castaneamollissima)等。林下植被主要有小蓬草(Erigeroncanadensis)、鸭跖草(Commelinacommunis)、莎草(Cyperusrotundus)、黄花蒿(Artemisiaannua)、荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)等。

徂徕山水土保持综合观测站中4个试验小区基本情况详见表1。

表1 试验小区基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集 2021年7月在徂徕山水土保持综合观测站选取CM1,CM2,RQ1,RQ2共4个径流小区作为样地,在坡上、坡下沿对角线分别选取3个1 m×1 m样方。每个样方沿对角线采集3个0—20 cm原状土壤样品用作土壤团聚体组成分析,同时采集0—20 cm环刀样品。

1.2.2 指标测定与计算 土壤容重(BD)采用环刀法[10]测定,土壤总孔隙度(TP)、毛管孔隙度(CP)、非毛管孔隙度(NCP)、土壤饱和含水量(SW)和田间持水量(FC)通过环刀浸泡法[11-12]测定,采用干湿筛结合的方法[13]测定土壤机械稳定性团聚体组成与水稳定性团聚体组成。

平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、不稳定团粒指数(ELT)、团聚体破坏率(PAD)、土壤三相结构距离(STPSD)和广义土壤结构指数(GSSI)等,在一定程度上可以表征土壤结构优劣。其中MWD,GMD,GSSI值越大,团聚体稳定性越强,土壤结构越好;ELT,PAD和STPSE值越小,团聚体越稳定,土壤结构越好。

式中:Xi表示每个筛分粒径的团聚体的平均直径;Wi特定尺寸范围内的团聚体重量。

式中:WR＞0.25指颗粒直径＞0.25 mm的团聚体的质量;Wt指团聚体总质量。

式中:DR0.25为直径＞0.25 mm的机械稳定性大团聚体含量(干筛法测得);WR0.25为直径＞0.25 mm的水稳定性大团聚体含量(湿筛法测得)。

式中:S为土壤固相体积百分比(＞25%);L为土壤液相体积百分比(＞0);G为土壤气相体积百分比

公式(6)—(8)均可以计算土壤三相结构距离。其中,理想的土壤三相比:固相50%,液相25%,气相25%。样品的土壤三相:固相S(%),液相L(%),气相G(%)。通过计算样品与理想土壤三相的距离,来量化土壤结构的优劣。

1.3 统计分析

采用IBM SPSS Statistics 20软件进行方差分析,使用Canoco 5等软件进行RDA分析,使用Origin 2021b绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤机械稳定性团聚体及水稳定性团聚体组成

不同植被类型及不同坡位下,均未发现＞2 mm粒径的土壤机械稳定性团聚体与水稳定性团聚体(粗大团聚体)。机械稳定性团聚体组成中,2～0.25 mm粒级(细大团聚体)含量最高,所占比例为55.60%～72.76%;其次为0.25～0.053 mm粒级(微团聚体),所占比例为25.11%～41.98%;＜0.053 mm粒级(粉黏粒)含量最低,所占比例为0.60%～3.75%(图1)。各粒级中仅＜0.053 mm粒级在不同处理下存在显著性差异,其中板栗林(CM1,CM2)＜0.053 mm粒级机械稳定性团聚体含量略高于刺槐×麻栎混交林(RQ1,RQ2)。与RQ2坡上处理(RQ2U)的＜0.053 mm粒级含量相比,CM2坡上处理(CM2U)显著提高5.25倍(p＜0.05)。与RQ2坡下处理(RQ2D)的＜0.053 mm粒级含量相比,CM2坡下处理(CM2D)提高53%(p＞0.05)。

图1 研究区土壤机械稳定性团聚体组成

与机械稳定性团聚体类似,水稳定性团聚体组成中2～0.25 mm粒级含量最高,所占比例为40.18%～53.42%;其次为0.25～0.053 mm粒级,所占比例为31.44%～50.66%;＜0.053 mm粒级含量最低,所占比例为7.78%～16.26%(图2)。同一粒级中,各处理间差异不显著。与板栗林相比,刺槐×麻栎混交林坡上2～0.25 mm粒级含量略高,而0.25～0.053 mm粒级含量略低(p＞0.05)。具体表现为:与CM1U相比,RQ1U和RQ2U处理的2～0.25 mm粒级含量分别增加23.77%和24.40%,0.25～0.053 mm粒级含量分别降低30.20%和21.59%;与CM2U相比,RQ1U和RQ2U处理的2～0.25 mm粒级含量分别增加15.57%和16.15%,0.25～0.053 mm粒级含量分别降低24.99%和15.74%。

图2 研究区土壤水稳定性团聚体组成

2.2 土壤团聚体结构稳定性

通过干筛法获得的土壤机械稳定性团聚体,表征其机械稳定性的指标MWD,GMD,ELT在不同植被类型下表现出显著差异(表2)。其中,与板栗林处理相比,刺槐×麻栎混交林的MWD提高10.51%(p＜0.05),GMD提高7.51%(p＜0.01),ELT降低19.01%(p＜0.05)。

表2 研究区不同植被类型及坡位下土壤团聚体参数

然而,通过湿筛法获得的土壤水稳定性团聚体,表征其水稳定性的指标MWD,GMD,ELT在不同植被类型及不同坡位均未表现出显著差异。广义土壤结构指数(GSSI)在不同植被类型下表现出显著差异,与板栗林处理相比,刺槐×麻栎混交林的GSSI提高20.13%(p＜0.01)。

2.3 土壤固液气三相比及其结构距离

理想值与各处理在固液气三相图中的分布情况如图3所示。

图3 各处理不同坡位土壤固液气三相比

由图3可知,各处理土壤固相体积所占比例为56.46%～66.15%,液相体积所占比例为21.66%～36.56%,气相体积所占比例为4.40%～12.19%。通过计算土壤三相结构距离(STPSD)来量化各处理与理想值之间的差距,结果如图4所示。与板栗林相比,刺槐×麻栎混交林的STPSD更小,约减少8.87%,可见刺槐×麻栎混交林的土壤结构稳定性更强。

图4 各处理不同坡位土壤三相结构距离

2.4 土壤团聚体组成与三相结构的关系

RDA分析结果显示了土壤各指标对团聚体分布总方差的贡献,以及土壤各指标、样品和团聚体组成之间的关系(图5)。RDA图中轴1和轴2的特征值分别为0.34,0.16,共同解释了团聚体分布总变异的35.53%。由表3可知,两个最大的解释变量是S和CP,解释量分别为25.0%(p＜0.05)和13.6%(p＞0.05)。S与机械稳定性细大团聚体(D为2～0.25 mm)、水稳定性细大团聚体(W为2～0.25 mm)、水稳定性粉黏粒(W＜0.053 mm)沿轴1正轴方向呈正相关。相反,S与机械稳定性微团聚体(D为0.25～0.053 mm)、机械稳定性粉黏粒(D＜0.053 mm)和水稳定性微团聚体(W为0.25～0.053 mm)沿轴1的负轴呈负相关。同时,S与板栗林各处理有呈负相关的趋势,而与刺槐×麻栎混交林有呈正相关的趋势。

图5 各处理土壤团聚体组成与土壤性质的RDA分析

表3 RDA分析中土壤性质的解释量

3 讨论

刺槐×麻栎混交林与板栗相比,其MWD显著提高10.51%,GMD显著提高7.51%,ELT显著降低19.01%,表明其土壤团聚体机械稳定性显著高于板栗纯林。可能的原因是:纯林浅层土壤容易受外力干扰而破坏大粒级团聚体,而混交林由于冠层特征、枯落物的质量和数量、植被空间结构等特征可减少降雨和地面径流对土壤的直接冲刷进而减少大团聚体的破坏,从而提高土壤抗冲击能力,对团聚体起到保护作用,促进了土壤结构的形成与稳定[14]。我们的调查结果也表明徂徕山径流小区刺槐×麻栎混交林的植被盖度与郁闭度,相较于板栗纯林具有一定优势(表1),这为刺槐×麻栎混交林土壤团聚体机械稳定性显著高于板栗纯林提供了直接证据。不同坡位间坡下土壤团聚体稳定性有高于坡上的趋势,但差异不显著。这可能是由于坡下土壤养分一般高于坡上[15],有利于坡下土壤动物与微生物的积聚以及植物根系的生长[16],促进了土壤团聚体的形成与稳定,但由于坡长仅有20 m,坡上坡下之间的差异并没有凸显出来。然而,刘鹏等[8]在岩溶断陷盆地高原面洼地不同坡位土壤团聚体稳定性的研究中,发现坡上表层土壤团聚体稳定性显著高于坡中以及坡下。这与我们的结果存在较大差异,可能的原因是该研究地处岩溶断陷盆地高原面洼地,地质作用强烈,相对高差大,更容易受到重力的影响,坡下土壤结构稳定性差,更易受到侵蚀而损失;而本研究中徂徕山地处北方土石山区,在侵蚀性降雨发生时,坡上土壤随水流下,在坡下累积并形成更稳定的结构。

通过土壤三相比计算得到的土壤三相结构距离(STPSD)和广义土壤结构指数(GSSI)是评价土壤结构优劣的重要参数。本研究结果显示,与板栗林相比,刺槐×麻栎混交林的STPSD减少约8.87%,GSSI显著提高20.13%,表明其土壤结构稳定性更强。这与团聚体稳定性的结果趋于一致。主要原因可能是土壤颗粒与土壤颗粒间的孔隙主导了团聚体的组成。本研究冗余分析的结果很好地证实了这一推论,即土壤三相中固相体积比(S)与毛管孔隙度(CP)是团聚体组成的两个最大的解释变量,分别解释25.0%和13.6%。其中,S与机械稳定性细大团聚体(D为2～0.25 mm)、水稳定性细大团聚体(W为2～0.25 mm)、水稳定性粉黏粒(W＜0.053 mm)呈正相关;CP与机械稳定性微团聚体(D为0.25～0.053 mm)、机械稳定性粉黏粒(D＜0.053 mm)和水稳定性微团聚体(W为0.25～0.053 mm)呈正相关。同时,S与板栗林各处理有呈负相关的趋势,而与刺槐×麻栎混交林有呈正相关的趋势。这表明固相体积比在土壤三相结构中更为重要,可能是评价团聚体组成与稳定性的关键指标。另外,需要注意的是目前土壤三相比的理想值参考的是旱作农业土壤的相关参数,未来应探索林地土壤理想土壤三相比,不断完善广义土壤结构指数和土壤三相结构距离等表征土壤结构的指标在林业土壤当中的应用。

4 结论

研究区土壤机械稳定性团聚体与水稳定性团聚体组成均表现出细大团聚体(2～0.25 mm)＞微团聚体(0.25～0.053 mm)＞粉黏粒(＜0.053 mm)的趋势。刺槐×麻栎混交林土壤团聚体机械稳定性显著优于板栗林,而水稳定性与板栗林无显著差异。不同坡位之间,土壤团聚体组成与稳定性无显著差异。刺槐×麻栎混交林的土壤结构稳定性更强。不同坡位土壤GSSI与STPSD均未表现出显著差异。固相体积所占比例可作为评价团聚体组成的重要指标。