川西北高寒草地退化對土壤團聚體組成及穩定性的影響

江仁濤, 李富程, 沈凇濤

(西南科技大學 資源學院, 四川 綿陽 621010)

土壤團聚體是由礦物顆粒和有機物等土壤成分在自然物理過程中形成的基本結構單元[1]，其組成狀況和穩定性不僅決定著土壤肥力的高低，而且直接或間接地影響著土壤抗侵蝕能力、生物多樣性和固碳潛力等[2]。Soinne等[3]研究認為頻繁的耕作使黏土團聚體穩定性顯著降低。Luna等[4]在地中海地區研究表明，不同恢復技術對退化土壤團聚體穩定性和有機碳都有顯著影響。鄭子成等[5]認為土地利用方式與土壤團聚體穩定性有較大相關性。宋日等[6]通過對東北黑土研究顯示，隨著開墾年限的增加土壤結構不斷惡化，土壤有機質含量也隨之降低。馮瑞章等[7]對江河源區不同退化程度高寒草地研究得出，>0.25 mm粒徑水穩性團聚體隨著退化程度的增加顯著降低。目前，國內外土壤團聚體相關研究主要集中于紅壤、黑土、紫色土等團聚結構較好的土壤，對其團聚體組成及穩定性的各種影響因素開展了廣泛研究，但較少涉及團聚結構較差的荒漠土壤，尤其缺乏對高寒草地沙化土壤團聚體穩定性的研究。在全球氣候變化和人類活動等作用下，川西北高寒草地退化態勢嚴峻，隨著退化程度的加劇，地表植被蓋度不斷下降，土壤有機質消耗殆盡，土壤結構嚴重破壞，使得生態恢復難度倍增。目前該區域防沙治沙研究主要集中于土壤養分變化、沙化影響因素和生態治理模式[8-11]，缺乏對土壤團聚體組成及穩定性的關注。因此，本文應用干篩法與濕篩法比較川西北高寒草地不同退化階段土壤團聚體組成特征，研究草地退化過程土壤團聚體穩定性的變化規律，為深入認識川西北高寒草地退化機制與優化土壤改良措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣(31°51′—33°19′N，101°51′—103°23′E)，地處青藏高原東緣，境內海拔多在3 600 m以上，地勢呈現東南向西北傾斜，地貌為丘狀高原，北部有黑河、白河注入黃河上游，東南為長江水系。氣候屬高原性大陸寒溫帶季風氣候，年均溫1.1 ℃，干雨季節分明，雨熱同期，年均降雨量為791.9 mm，集中在5—10月，而年均蒸發量達1 262.5 mm，除6—8月外，月降水量均小于蒸發量，空氣極為干燥。土壤類型以亞高山草甸土為主，部分地區為沼澤土，局部有荒漠土。紅原縣總人口約4.5萬人，藏族人口占83.2%，牧業人口占總人口77.8%，牲畜主要有麥洼耗牛、九龍耗牛、藏綿羊和河曲馬等。放牧分為冬夏兩季，冬草場適宜載畜量約為0.97頭/hm2，夏草場約為1.33頭/hm2，但是部分草場遠超過適宜載畜量，草地優勢種逐漸減少，植被蓋度迅速降低，加之氣候條件的影響，草地趨于退化，呈現斑塊狀的沙地。

1.2 樣品采集

供試土壤于2016年7月采自紅原縣瓦切鎮，通過實地調查，在地形地貌、成土母質等自然環境條件基本相同的區域內選取了未退化草地、輕度退化草地、中度退化草地、重度退化草地4種樣地，測定和記錄樣地基本信息(坐標、海拔、植被蓋度)，采用GPS測定經緯度和海拔。每種樣地選擇2個樣方，樣方大小為10 m×10 m，每個樣方內隨機選取3個采樣點，按照0—10，10—20，20—30，30—40 cm分層采集土壤團聚體樣品，3個同層土樣混合成1個土樣，裝入采樣盒以避免擠壓破壞團聚體，共32個混合土樣，用于測定土壤團聚體、有機質和pH值。利用環刀采集各層土壤樣品，測定土壤容重和含水率。樣地基本信息見表1。

表1 研究樣地描述

1.3 樣品測定

將土樣在室內輕輕掰成直徑約10 mm的小土塊，除去動植物殘體、小石塊后平鋪在室內自然風干。團聚體測定采用干篩法和濕篩法[12]。干篩法：稱取100 g風干土置于套篩上，用振篩機振蕩10 min(8411型：轉速1 400 r/min)，分離出>2 mm，0.5～2 mm，0.25～0.5 mm，<0.25 mm的土壤機械穩定性團聚體，稱重并計算出各級團聚體所占百分比。濕篩法：依據干篩法所得的樣品機械穩定性團聚體組成比例配制出100 g風干土樣，放入團聚體分析儀(TTF-100型：轉速30 r/min，上下振幅40 mm)浸泡5 min后振蕩30 min，分離出>2 mm，0.5～2 mm，0.25～0.5 mm，<0.25 mm的土壤水穩性團聚體，在50℃烘干稱重后計算出各級團聚體所占百分比。每個樣品測定2次。土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤pH值采用玻璃電極法測定(2.5∶1水土比浸提液)，土壤含水率采用烘干法測定，土壤容重采用環刀法測定。

1.4 計算公式

大團聚體比重(R0.25)計算公式如下：

(1)

式中：Mr為各粒級團聚體；MT為團聚體總重量。

團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GWD)計算公式如下[13]：

(2)

(3)

團聚體破壞率(PAD)計算公式如下[13]：

(4)

式中：PAD為團聚體破壞率；Wd為干篩>0.25 mm機械穩定性團聚體含量；Ww為濕篩>0.25 mm水穩性團聚體含量。

1.5 數據分析方法

通過單因素方差分析研究不同退化程度、不同土層和不同粒級土壤理化性質及土壤團聚體的差異，顯著性檢驗采用LSD方法，顯著性水平選擇p<0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質

不同退化程度草地土壤含水率呈現未退化>輕度退化>中度退化>重度退化的特征，未退化草地顯著高于退化草地(p<0.05)，除重度退化草地外，土壤含水率由表層向下層呈遞減趨勢(表2)。退化草地土壤容重顯著大于未退化草地(p<0.05)。不同退化程度草地土壤pH值介于5.73～6.76，偏酸性，隨著退化程度增加而增大，土壤垂直方向無顯著差異。土壤有機質含量隨著沙化程度加劇顯著降低(p<0.05)，未退化、輕度退化和中度退化草地土壤有機質含量由表層向下層顯著遞減(p<0.05)，重度退化草地無顯著變化。

表2 土壤理化性質

注：同列不同小寫字母表示同一退化程度草地在p<0.05水平上的差異顯著。

2.2 土壤團聚體分布特征

2.2.1 土壤機械穩定性團聚體分布特征 不同退化程度草地土壤機械穩定性團聚體分布特征見表3。未退化草地土壤以>2 mm粒級團聚體居多(40%～47%)，0.5～2 mm和<0.25 mm粒級次之，0.25～0.5 mm粒級較少；退化草地土壤團聚體以<0.25 mm粒級為主(45%～74%)，>2 mm和0.25～0.5 mm粒級次之，0.5～2 mm粒級最少(<8%)。隨著退化程度的加劇，各土層>2 mm和0.5～2 mm粒級團聚體含量顯著降低(p<0.05)，0.25～0.5 mm和<0.25 mm粒級團聚體含量顯著增加(p<0.05)。0—40 cm各土層R0.25由未退化到輕度退化階段減少34%～46%，輕度到中度退化階段減少18%～42%，中度到重度退化階段減少幅度較小(<17%)，可見，未退化到輕度退化和輕度退化到中度退化階段是川西北高寒草地土壤大團聚體向微團聚體轉變的主要階段。

2.2.2 土壤水穩性團聚體分布特征 不同退化程度草地水穩定性團聚體分布特征見表4。未退化草地以>2 mm和<0.25 mm粒級團聚體含量較高，0.5～2 mm和0.25～0.5 mm粒級含量較低；退化草地均以<0.25 mm粒級團聚體占絕對優勢，高達59%～94%，0.5～2 mm粒級團聚體含量最少(<5%)。對于0—40 cm各土層，>2 mm粒級團聚體含量隨著退化程度加劇顯著降低(p<0.05)；對于0.5～2 mm粒級團聚體，僅0—10 cm土層隨著退化程度增加顯著降低(p<0.05)；0.25～0.5 mm粒級團聚體含量隨著草地退化加劇整體降低，<0.25 mm粒級團聚體顯著增加(p<0.05)。與干篩結果類似，濕篩法顯示0—40 cm各土層R0.25從未退化到輕度退化(42%～57%)、輕度退化到中度退化(36%～80%)減少幅度較大，而中度退化到重度退化減少幅度相對較小(<27%)。

表3 不同退化程度草地土壤機械穩定性團聚體分布特征

注：同一列不同小寫字母表示相同粒級團聚體在p<0.05水平上的差異顯著，下表同。

表4 不同退化程度草地土壤水穩性團聚體分布特征

2.3 土壤團聚體穩定性分析

2.3.1 團聚體破壞率分析 不同退化程度土壤大團聚體破壞率見圖1。0—40 cm各土層土壤團聚體破壞率均呈現未退化<輕度退化<中度退化<重度退化，草地退化使土壤團聚體破壞率顯著增大(p<0.05)。在0—10 cm土層，未退化到輕度、輕度到中度、中度到重度退化土壤PAD分別增加53.41%，184.91%，2.62%，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層PAD在各退化階段增長率基本一致。從土壤剖面(0—40 cm)來看，未退化和輕度退化土壤的PAD由表層向下層呈增加趨勢，而中度退化和重度退化表層(0—10 cm)土壤PAD明顯大于下層(10—40 cm)。

圖1土壤團聚體破壞率

2.3.2 MWD和GMD分析 對于土壤機械穩定性團聚體，各土層土壤團聚體MWD隨著退化程度增加顯著減小(p<0.05)，在0—10 cm土層，未退化到輕度、輕度到中度、中度到重度退化階段MWD分別減小42.58%，63.86%，35.13%，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層在未退化到輕度退化階段MWD減小幅度最大，均在43%左右(圖2A)。土壤團聚體GMD與MWD變化趨勢一致(圖2B)，但中度與重度退化草地的GMD無顯著差異。對于水穩性團聚體，土壤團聚體MWD和GMD明顯小于干篩結果(圖2C和圖2D)，體現水蝕使大團聚體破碎，平均粒徑減小。與土壤機械穩定性團聚體類似，土壤水穩性團聚體MWD和GMD隨著沙化程度增加也明顯減小，且未退化到輕度、輕度到中度退化階段的減小幅度大于中度到重度退化階段。干篩和濕篩處理下的土壤團聚體穩定性指標均顯示，未退化和輕度退化草地表層(0—10 cm)土壤團聚體MWD和GMD均明顯大于下層(10—40 cm)，而中度退化和重度退化草地呈現相反的特征。

注：不同小寫字母表示同土層不同退化程度草地土壤團聚體在p<0.05水平上的差異顯著。

圖2不同退化程度草地土壤機械穩定性團聚體、水穩性團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑

3 討 論

本研究結果顯示，干篩和濕篩處理下未退化草地土壤都以大團聚體(>0.25 mm)組成為主，而退化草地土壤以微團聚體(<0.25 mm)占絕對優勢，隨著草地退化程度的加劇，各土層>2 mm和0.5～2 mm粒級團聚體顯著降低(p<0.05)，0.25～0.5 mm粒級團聚體變化不固定，<0.25 mm粒級團聚體顯著增加。馮瑞章等[7]認為高寒草地退化使0—30 cm土層>0.25 mm水穩性團聚體顯著降低，但大團聚體在不同退化階段的降低速率低于本研究區。王洋[14]研究也指出，隨著高寒草地退化程度增加，0.2～2 mm粒級團聚體降低最顯著。以上研究均表明高寒草地退化導致大粒級團聚體含量降低，但不同研究區草地退化對大團聚體的影響程度有所差異，這主要歸因于當地不同的環境因子影響所致。在自然和人為因素的作用下，川西北高寒草地植被蓋度降低，同時地下根系也不斷減少，大團聚體缺乏植物根系的穿插與纏繞容易分散[15]。有研究表明，小粒級團聚體中有機質以化學保護為主，受外界因素干擾小，變化速率慢，而大粒級團聚體中有機質以物理保護為主，對植被變化和管理措施的影響較為敏感，周轉較快[16]，而有機質是團聚體重要的膠結物質，因此，隨著草地退化程度加劇，土壤有機質的降低導致大團聚含量也顯著下降。

本研究得出，隨著高寒草地不斷退化，土壤R0.25，MWD和GMD均顯著減小，PAD顯著增大，表明土壤團聚體穩定性隨著退化程度的加劇而顯著降低，這與以往研究類似[6-7,14]。有研究顯示植被減少與土壤退化互為因果，相互作用[17]，本研究區草地在牲畜過度啃食踩踏下，草本植物的生長發育受到抑制，植被蓋度減小，植被凋落物減少的同時土壤有機質含量降低，土壤容重增加和持水性能下降，此時，大團聚體崩解，土壤抗侵蝕能力降低，最終導致團聚體穩定性顯著下降。本研究僅指出川西北高寒草地土壤團聚體穩定性的變化規律，其影響機理還需進一步探究。

本研究結果顯示不同退化程度草地土壤有機質含量由表層向下層降低，未退化和輕度退化草地土壤團聚體穩定性也呈現類似的特征，但中度和重度退化表層(0—10 cm)土壤團聚體穩定性明顯低于下層(10—40 cm)，表明在草地不同退化階段，土壤團聚體穩定性與有機質從表層到下層的變化特征并不一致。對于未退化和輕度退化草地，表層(0—10 cm)土壤接受的枯枝落葉多，有機質的富集提供黏合劑，能顯著提高大團聚體總量和團粒間的聯結度，增加其結構穩定性，所以團聚體穩定性和有機質含量由表層向下層降低。當草地進入中度和重度退化階段，由于過度放牧，加之鼠類挖掘洞穴使土壤暴露地表，表層土壤缺乏植被保護，頻繁的干濕循環導致土壤大團聚體破碎，固碳作用減弱，團聚體穩定性也降低[18]，加之凍融作用的交替收縮與膨脹改變土壤團聚體的結構與組成，加快土壤有機碳的礦化分解速度，降低土壤團聚體的水穩性[19]，進一步促進草地退化，這些作用首先發生在土壤表層0—10 cm，隨著土層深度增加其影響減弱[20]，因此，中度和重度退化草地表層土壤更容易發生退化。

川西北高寒草地土壤團聚體組成和穩定性在未退化到輕度、輕度到中度退化階段的變化最顯著，中度到重度退化階段變化較小，表明輕度退化階段是草地退化的重要轉折期。本研究結果與蔡曉布等[21]對藏北高原草地的研究不同，其認為輕度退化草地土壤團聚體穩定性好于未退化草地，主要在于藏北高原土壤凍結期較長，未退化草地土壤微生物活動微弱，腐殖質難以分解，而一定程度的沙化使土壤微生物活性與功能得到提高，有利于團聚體的形成。本研究區相對于藏北高原，冰凍期稍短，年均氣溫高1℃左右，年均降水量500 mm左右，在較好的自然條件下土壤微生物活性強，由于自然和人為作用對草地的破壞，在草地退化初期，土壤有機質迅速分解并流失，大團聚體也快速崩解，團聚體穩定性顯著降低。當草地進入中度和重度退化階段，土壤有機質面臨枯竭，團聚體穩定性指標變化最小。因此，當川西北高寒草地面臨輕度退化時應給予高度重視，及時開展防沙治沙工作。

4 結 論

(1) 不同退化程度草地土壤理化指標變化不一致，隨著退化程度的加劇，土壤有機質含量顯著降低(p<0.05)；退化草地土壤含水率顯著低于未退化草地(p<0.05)，土壤容重和pH值與之相反，但是不同退化草地之間土壤含水率、容重和pH值的差異并不顯著。

(2) 干篩和濕篩處理下，土壤團聚體變化規律基本一致，未退化草地以大團聚體(>0.25 mm)為主，而退化草地以微團聚體(<0.25 mm)為主；隨著退化程度的增加，各土層>2 mm和0.5～2 mm粒級團聚體顯著降低(p<0.05)，0.25～0.5 mm粒級變化不固定，<0.25 mm粒級顯著增加(p<0.05)。

(3) 隨著草地退化程度的加劇，R0.25，MWD和GMD顯著減小(p<0.05)，PAD與之相反，表明草地退化使土壤團聚體穩定性顯著降低；未退化和輕度退化土壤團聚體穩定性由表層向下層遞減，而中度和重度退化土壤表層低于下層，表明土壤表層比下層退化速度快。

(4) 不同退化草地土壤理化指標、土壤團聚體組成及穩定性的差異表明，輕度退化階段是草地退化的重要轉折期，在沙化防治中應予以重視。

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