缓冲带植被模式对河岸土壤稳定性的影响

张鸿龄, 唐雪寒, 王斅誉

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

河岸带是河流和陆地生态系统进行物质、能量交换的重要过渡带[1],但由于河岸带具有复杂性等特点,易受自然灾害及人为活动干扰而发生水土流失及坡体失稳。河岸植被带通过阻滞、截留、吸附及渗透作用可以有效阻滞泥沙、减缓污染物入河、保护水土。因此,河岸植被在水土稳定和生态功能方面发挥了关键作用[2]。良好的土壤结构能够丰富土壤的生物群落,调节土壤质量,而稳定的土壤团聚体是评价土壤质量的重要指标。土壤团聚体稳定性影响水分入渗、土壤抵抗侵蚀能力等,所以增强土壤团聚体稳定性对提高土壤质量、防止土壤退化引起的其他问题起到至关重要的作用[3]。

土壤稳定性不仅取决于有机质、团聚体等,而且受控于生态系统植被组成、根系生长、根际生物、土地利用等因素。Pinheiro等[7]研究发现,草场转变为农地后,土壤团聚体质量分数下降,更易受到侵蚀。因此,河岸带不同植被模式对河岸土壤团聚体组成、结构、土壤稳定性、抗蚀性的影响研究对稳定河岸、降低水土流失、提升河岸生态稳定及保持河流健康具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

辽河是辽宁的母亲河,自20世纪东北工业迅速崛起开始,辽河受到严重污染,沿岸的生态环境遭到破坏。为改善辽河沿岸生态环境,于2010年3月设立的辽河保护区成为中国第一个大型河流保护区。辽河保护区范围是从东、西辽河交汇处铁岭昌图县福德店沿辽河干流到盘锦入海口,全长538 km,贯穿辽西北、沈阳经济区和辽宁沿海经济带3大经济区域。辽河保护区河岸带自2012年实施自然封育、退耕还林、还草、还湿策略后,课题组于铁岭段构建河岸植被缓冲带试验区(42°19′763″N, 123°50′410″E),试验区面积0.55 km2,共分为6种植被恢复模式:草本缓冲带(CB)、杞柳缓冲带(QL)、水蜡缓冲带(SL)、农田撂荒带(NT)、紫穗槐缓冲带(ZH)以及刺槐缓冲带(CH)。2012年前该区域土地利用方式均为农田,种植作物主要以玉米为主,2012年后对试验区进行土壤平整,去除地面植被,分割为不同植被种植带,其中水蜡、杞柳、紫穗槐种植1～2年生幼苗,刺槐种植2～3年生苗木,草本带不进行人工干预,主要以自然生长的草本植物为主,而农田区则以继续种植农作物为主,直至2020年变为撂荒地,作为对照处理。试验区设置如图1所示。

图1 试验区植被

1.2 样品采集与预处理方法

为研究辽河保护区不同河岸植被缓冲带下土壤的稳定性变化,于2021年5月在试验区内采集不同植被缓冲带土壤。每个植被带内设置2～3个采样样方,面积为10 m×10 m,每个样方内随机设置5个样点,以梅花采样法采集0～10 cm表层土壤1～2 kg,混合均匀,密封。采集后的土壤样品剔除大的砾石、草根等异物,土样均匀铺开并置于通风处自然风干,采用四分法将土壤样品分别过筛后备用。

1.3 样品测定指标与测定方法

容重采用环刀法测定,通过激光衍射法(Mastersize 2000)测定土壤机械颗粒组成;有机质采用重铬酸钾氧化外-加热法测定;土壤微团聚体采用吸管法测定;土壤团聚体筛分方式包括干筛法和湿筛法。干筛法是指将土壤置于筛孔直径为5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的土壤筛组成的套筛,上下摇晃,直至土粒不再落下,计算称量各级粒径团聚体所占的百分比;湿筛法是将土壤置于套筛顶部(套筛筛孔直径依次为5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm,加入去离子水浸没土壤,润湿5 min,上下振荡5 min。将套筛从水中缓慢取出静置,随后将各级筛层上的土壤洗入烧杯,烘干称重。

1.4 土壤抗蚀性指标选取

土壤侵蚀能够直接或间接地影响土壤质量,土壤的抗蚀性指标是反映土壤抗蚀性强弱的一些特征值。因此,通过查阅文献及相关学者的研究[8-10],并结合现场试验研究结果,综合选择无机黏粒类、团聚体及微团聚体类和土壤理化性质类,共14个特征指标作为评价土壤抗蚀性的指标,记为Y1～Y14,见表1。结合不同直径的土壤团聚体不同的质量分数,通过式(1)～式(4)计算土壤团聚体稳定性指数,即:

表1 土壤抗蚀性指标

干筛团聚体平均重量直径、湿筛团聚体平均重量直径、干筛团聚体几何重量直径及湿筛团聚体几何重量直径。

式中:DMWD代表干筛团聚体的平均重量直径,mm;DWMWD代表湿筛团聚体平均重量直径,mm;DGWD代表干筛团聚体几何重量直径,mm;DWGWD代表湿筛团聚体几何重量直径,mm;ri代表第i级干筛团聚体/湿筛团聚体的平均直径,mm;ωi代表土壤样本中第i级团聚体质量分数,%;n代表团聚体粒级分组数。土壤质量指标如式(5)所示:

(5)

式中:SI代表土壤质量指标;ωSOC代表土壤有机质质量分数,g·kg-1;ωsilt代表土壤粉粒质量分数,%;ωclay代表土壤细黏粒质量分数,%。

1.5 数据处理与分析

采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著性差异(LSD)(P<0.05)分析不同植被缓冲带土壤理化性质和土壤抗蚀性指标的差异;采用Person相关分析和简单线性回归分析土壤性质之间关系;采用主成分分析筛选衡量土壤抗蚀性的最佳指标。运用Microsoft Excel 2016、SPSS 26对实验数据进行分析,运用Origin 2021绘制试验数据分析图。

2 结果与分析

2.1 不同植被模式对河岸带土壤理化性质的影响

不同植被缓冲模式下土壤机械组成均以砂粒占优势,细黏粒质量分数最低,如图2所示。砂粒质量分数在58%～68%范围内,粉粒质量分数在30%～40%范围内,与河岸初期土壤相比(表2),砂粒质量分数明显降低,粉粒质量分数增加,根据国际制土壤分级标准,土壤质地由壤质砂土转变为砂质壤土。实施河岸植被模式后,缓冲带砂粒质量分数从大到小依次为QL、SL、CB、CH、ZH、NT,粉粒质量分数排列相反。根据土壤机械组成间的相关性分析结果(表3)可知,砂粒与粉粒、细黏粒质量分数呈极显著负相关(p<0.01),即实施6种不同植被模式的土壤砂粒质量分数与粉粒质量分数呈反比,土壤砂粒质量分数越高,粉粒质量分数、细黏粒质量分数越低。这可能是由于农田撂荒地(NT)受植物根系扰动小、细小土壤颗粒不易流失造成的[11]。

表2 河岸缓冲带初始土壤理化性质

表3 土壤性质间相关性分析

图2 不同植被缓冲模式下土壤机械组成

不同河岸植被缓冲带的土壤样品理化性质如表4所示, 6种河岸植被模式下土壤孔隙度最小值和土壤容重最高值均出现在NT,有机质质量分数在12.0～28.1 g·kg-1内。根据土壤性质之间的相关性分析结果(表3),土壤机械组成与土壤理化性质之间存在相关性,砂粒质量分数与有机质质量分数、孔隙度呈显著正相关(p<0.05),即砂粒质量分数的增加,导致土壤有机质质量分数、孔隙度随之增加,容重降低。与河岸初期土壤理化性质相比,河岸植被对土壤性质产生影响,pH值增加,大部分河岸植被缓冲带土壤由弱酸性转变为中性或弱碱性;土壤有机质质量分数明显增加;孔隙度均提高至90%以上;容重大幅度降低。综上,杞柳缓冲带、水蜡缓冲带促进土壤有机质、土壤养分质量分数增加,使土壤保水、保肥能力提高。除此之外,植被模式下土壤孔隙度增大,发生水分入渗、蒸发作用等,使得土壤容重降低[12]。

表4 不同河岸植被缓冲带的土壤理化性质

2.2 不同河岸缓冲带土壤团聚体状况

土壤样品经干筛、湿筛后各粒级团聚体质量分数如图3所示,经干筛法后各粒级土壤团聚体比例均小于20%。对于干筛法来说,粒级直径为0.25～0.50 mm是QL、CH、NT、CB、ZH区域的主要成分,占土壤总质量的15%～20%,最高值出现在QL区域,为19.12%。粒级直径>5.00 mm的团聚体占比最少,占土壤总质量的1%～9%。经湿筛法后各粒级土壤水稳性团聚体比例均小于30%。对于湿筛法来说,粒级直径为0.25～0.50 mm是CH、NT、CB、ZH、SL区域的主要成分,占土壤总质量的14%～25%,粒级直径>5.00 mm的团聚体最少,图2(b)中除CB外几乎看不到,质量分数均未超过1%。

图3 不同河岸植被缓冲带土壤团聚体组成

通过计算可得到干筛团聚体的平均重量直径(DMWD)、几何重量直径(DGWD)、土壤质量指数(SI),通过土壤质量指数可知6种植被缓冲带的土壤质量差距较大,最高值出现在QL,最小值出现在CB,相差55.24,缓冲带质量指数从大到小依次为QL、SL、CH、ZH、NT、CB。通过土壤团聚体稳定性指数与土壤质量指数之间的线性拟合(图4)可知,土壤团聚体指数与土壤质量指数之间存在显著相关性(p<0.001),即土壤质量指数是可以反映土壤团聚体稳定性的指标。

图4 土壤团聚体不同稳定指数与土壤质量指数之间的关系

2.3 不同河岸缓冲带的土壤抗蚀性

为了更好地衡量不同植被模式下土壤的抗蚀性,选取14个土壤特征指标,表1表明了14个指标的具体分类。由图5可知,各指标与土壤理化性质之间存在一定的相关性,因此运用主成分分析法选择衡量土壤抗蚀性的最佳指标。如表5所示,主成分分析提取出5个主成分(F1～F5),累积贡献率达90.364%。第1个主成分中,Y2、Y10的因子载荷最高;在第2个主成分中Y4、Y6的因子载荷最高;第3个主成分中Y7的因子载荷最高;第4个主成分中,Y3因子载荷最高;第5个主成分中,Y5因子载荷最高。因此,粒级直径<0.002 mm的细黏粒质量分数、结构性颗粒、粒级直径>0.250 mm的水稳性团聚体质量分数、粒级直径>0.500 mm的水稳性团聚体质量分数、粒级直径>0.250 mm的团聚体破坏率、粒级直径>0.500 mm的团聚体破坏率、团聚状况这7个指标可作为表征研究区域土壤抗侵蚀性能的指标。根据主成分的因子得分和5个主成分的特征值加权计算抗蚀性综合得分并进行排名,如表6所示。抗蚀性综合得分越高、土壤抗蚀性能越好[13],因此6种河岸植被模式下土壤的抗蚀综合得分从大到小依次为QL、SL、ZH、CH、NT、CB。

表5 旋转后主成分载荷值

表6 河岸植被模式抗蚀性综合得分及排名

图5 土壤机械组成与可蚀性指标的相关性

3 讨 论

土壤质地对土壤稳定性产生重要影响[14]。研究表明良好的土壤质地为植物提供适宜生长的土壤环境,进而使植物产生更稳固的根系布局,减少土壤损失,抵抗土壤侵蚀[15]。本研究中河岸初始土壤的机械组成含砂量较高,土壤透气性好,但蓄水保肥能力较差,土壤易受到风蚀或降水侵蚀。实施河岸植被模式后,土壤质地改变,QL砂粒质量分数最高,是因为杞柳在砂壤土中生长状态良好,抗雨涝,细颗粒易随地表径流作用流失。不同的植被恢复方式导致土壤质地的差异,刘宽梅等[16]研究表明喀斯特地区不同植被类型的土壤的粒径组成存在差异,针叶林和灌丛的表层土壤砂粒质量分数高,影响土壤蓄水保肥能力,土壤抗蚀性较低;杨军严等[17]发现,陕北采煤沉陷区黄土坡面由于开采沉陷导致土壤粒径组成发生变化,进而降低土壤抗蚀性,加剧了水土流失和土壤侵蚀。

本研究中,土壤孔隙度与河岸初始孔隙度相比有明显的提高,这表明实行植被模式后的土壤增加了水分储存,适宜植物生长。疏松多孔的土壤有利于植物根系延伸,从而增加土壤微生物的聚集,使有机质质量分数累积,不断改善土壤的环境条件[18]。Hao等[19]研究表明,土壤经5年植被恢复后,草本种植后的孔隙度显著大于裸土壤。本研究发现NT、CB有机质质量分数低于其他区域,而NT区域容重大于其他区域,是因为农田传统的耕作方式破坏了表层土壤,形成松散的、可侵蚀的土壤侵蚀层[20],导致大量的有机质流失[21]。武均等[22]研究表明传统耕作措施加剧对土层的扰动,减缓土壤自身调节作用和恢复过程,破坏土壤稳定性和连续性,而Wang等[23]研究发现灌木、林地由于缺乏耕作措施造成容重小于农田,这与本研究的研究结果相同;陈山等[24]研究表明,不同土地利用方式对土壤有机质有极大的影响,相比于水田和林地,旱地和果园利用方式则影响土壤有机质,造成土壤侵蚀问题。以上结果表明,土壤有机质质量分数是土壤稳定性和抗蚀性的重要体现。

本研究发现,与干筛法相比,湿筛法处理后粒级直径>0.500 mm的水稳性团聚体占比下降,而0.250～0.500 mm的水稳性团聚体占比明显增加。干筛法和湿筛法筛分团聚体分布差异是因为对土壤施加不同作用产生的能量不同[25],导致湿筛法的大团聚体质量分数少于干筛法。研究表明,水的破坏力将稳定性弱的大团聚体分解为较小的团聚体,湿筛法通常会使大团聚体的比例降低,而土壤团聚体仅在干筛法下受到土粒间摩擦作用的冲击[26-27]。这表明,土壤中粒级直径>0.500 mm的大尺寸的水稳性团聚体更容易受到风蚀或雨水侵蚀遭到破坏,侵蚀影响水稳性团聚体的形成[28]。Hong等[29]通过湿筛法评价60年内长期耕作土壤与未开垦土壤的水稳性团聚体的稳定性,结果表明,长期耕作后的粒级直径>1.000 mm的水稳性团聚体稳定性显著下降(P<0.05)。土壤团聚体对不同河岸植被缓冲带表现敏感[30],土壤团聚体稳定性影响着土壤抗蚀性能,是反映土壤抗侵蚀能力的重要指标之一。根据土壤团聚体指数与土壤质量的线性拟合结果,本研究发现,QL、SL区域土壤团聚体稳定性和抗蚀性能较好。QL、SL属于灌木,它成活率高,适应恶劣土壤环境,常应用于河岸植被修复工程中。Dou等[31]研究表明相比于废弃地土壤,灌木的土壤团聚体稳定性和抗蚀能力最强。刘丽娜[32]研究发现柳树具有良好的耐水性,其根系在表层土壤中形成保护层,抵抗河水等冲刷,这与本研究结果一致。

根据主成分分析结果,直径<0.002 mm的细黏粒质量分数(Y2)、结构性颗粒(Y3)、粒级直径>0.250 mm水稳性团聚体质量分数(Y4)、粒级直径>0.500 mm水稳性团聚体质量分数(Y5)、粒级直径>0.250 mm团聚体破坏率(Y6)、粒级直径>0.500 mm团聚体破坏率(Y7)、团聚状况(Y10)是决定土壤抗蚀性的重要指标。由图5可知,土壤机械组成与Y12、Y3、Y4存在显著相关性,Y14与Y2、Y4存在显著相关性,因此土壤砂粒、粉粒、细黏粒、有机质质量分数和粒级直径>0.250 mm的水稳性团聚体是影响土壤抗蚀性和稳定性的主要因素。水稳性团聚体是反映土壤可蚀性的最重要指标之一,有机质则是土壤团聚体水稳性结构的重要胶结剂[33-34],作为土壤团聚体结构稳定和聚集的主要贡献者,有机质可以有效促进团聚体的形成[35]。所以,缓冲带植被模式通过改变机械组成、团聚体状况和有机质含量对土壤稳定性产生影响。An等[36]研究发现森林和人工灌木植被恢复措施通过增加有机质和总氮含量,增强土壤团聚体稳定性,加速修复被侵蚀土壤。Ma等[37]研究发现植被恢复过程中有机质含量增加,提高了土壤团聚体稳定性,恢复土壤肥力并改善土壤结构。

4 结 论

本文研究了辽河保护区铁岭段不同河岸植被缓冲带土壤稳定性能,结果表明,与河岸初始土壤性质相比,土壤质地由壤质砂土转变为砂质壤土,有机质含量增加;经干筛法和湿筛法筛分发现,粒级直径>0.500 mm的土壤水稳性团聚体质量分数下降,粒级直径为0.250～0.500 mm的土壤水稳性团聚体占比明显增加;通过主成分分析筛选出粒级直径<0.002 mm的细黏粒质量分数、结构性颗粒、粒级直径>0.250 mm的水稳性团聚体质量分数、粒级直径>0.500 mm的水稳性团聚体质量分数、粒级直径>0.250 mm的团聚体破坏率、粒级直径>0.500 mm的团聚体破坏率、团聚状况这7个指标可作为表征研究区域土壤抗侵蚀性能的指标,并根据主成分加权计算权重得出抗蚀性得分,从大到小依次为QL、SL、ZH、CH、NT、CB。

河岸植被缓冲带对土壤稳定性影响的后续研究还应考虑不同深度土层团聚体和有机质质量分数、微生物活性、微生物量、土壤内力等因素。