不同降水下天然草地土壤水穩定性團聚體分布特征

王 婷，李建平,2，張 翼，井 樂，張 茹

（1. 寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2. 西北退化生態系統恢復與重建國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021）

良好的土壤結構對土壤肥力及質量，具有積極的作用[1-2]。土壤團聚體是評價土壤肥力和土壤質量的重要指標[3]，一方面其能協調土壤中的水、肥、氣、熱，穩定土壤疏松熟化層，另一方面其結構組成和形態穩定(尤其是水穩定性)對土壤肥力、結構、性質等方面具有重要影響[4]。因此，研究土壤團聚體結構組成及在不同土層的分布狀態是土壤肥力恢復和土壤質量提高的重要內容。通常用以評價土壤團聚體穩定性的指標有分形維數(fractal dimension, D)、平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)；D是反映土壤團聚體數量組成及質地均一性的綜合性指標，MWD與GMD值越大，團聚體分布狀況與穩定性越好[5-7]。

有研究表明，在降水條件下土壤團聚體的破碎機制主要是消散作用和機械作用[8-9]，消散作用主要發生在降水初期，而降水過程中土壤團聚體的破碎主要是因為雨滴對大團聚體的打擊破壞和徑流的搬運過程[10-12]。曹丹妮等[13]利用人工降水研究降水強度對紅壤團聚體流失的影響，結果表明，相同放水流量下，隨著降水強度增強，團聚體的MWD和GMD呈增大趨勢，D呈減小趨勢；胡波等[14]指出土壤團聚體穩定性在自然降水影響下也存在較大的動態變化，土壤水穩性團聚體對降水很敏感；盧嘉等[15]通過模擬降水試驗發現，流失團聚體的MWD隨降水強度的增加而減小，反映了大雨條件下雨滴打擊對團聚體的分散作用；周一楊等[16]研究發現，10 - 17 cm土層內的MWD分別與0 - 10 cm和17 - 40 cm土層內MWD的差異達到顯著水平(P ＜ 0.05)。基于土壤團聚體對土壤的重要作用，大量學者對其展開研究[17-20]，但對不同降水梯度下天然草地土壤水穩定性團聚體分布則鮮有報導。為此，本研究以固原云霧山封育12年天然草地為研究對象，通過遮雨裝置模擬不同降水，分析表層土壤團粒結構及其穩定性的變化，以期為評價該地區不同植被利用類型的土壤結構及生態功能提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區設于寧夏回族自治區固原市東北部45 km處的云霧山國家自然保護區(106°21'-106°27' E，36°10'-36°17' N)，海拔 1 963 m，溫帶半干旱氣候區，為典型的半干旱氣候，植被類型為典型草原。年平均氣溫7 ℃，年平均降水量425 mm(1980-2018年的年平均值)，60%～75%的降水集中分布于夏季7 - 9月(冬季降雪占全年降水的1.2%)。土壤類型以山地灰褐土和黑壚土為主，水資源補給主要來源于大氣降水。優勢作物為長芒草(Stipa bungeana)、大針茅 (Stipa grandis)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、伏毛山莓草(Sibbaldia adpressa)、豬毛蒿(Artesmisia scoparia)和西山委陵菜(Potentilla chinensis)等[21]。

1.2 試驗設計與樣品采集

2017年5月在云霧山國家自然保護區(106°21'-106°27' E，36°10'-36°17' N)選取海拔、坡度和坡向相近的地段(表1)，建立水分控制裝置，分別模擬50%降水(減水)、150%降水(增水)和100%降水(正常降水) (圖1)，正常的氣候條件下，該地區的平均年降水量為425 mm，減水區平均實際降水為212.5 mm，增水區平均實際降水量為637.5 mm。50%降水區，利用V形透明塑料板將1/2降水進行收集，并將降水收集于水箱；利用滴灌將收集水箱雨水即時滴灌至150%降水區，形成1.5倍增水區，如遇到降雪，將V形板上積雪均勻撒入150%降水區；每個水分控制小區(6 m × 6 m)四周利用1.2 m寬塑料板進行水分隔離，地下埋藏深度1.1 m，防止水分擴散，地上漏出10 cm阻止地表徑流。水分控制裝置如圖1所示。

表 1 樣地基本信息Table 1 Sample information

圖 1 試驗設計示意圖Figure 1 Schematic diagram of experiment

于2018年5月，在100%、50%和150%降水試驗區，各隨機選擇3個小區，每個小區隨機選取3個取樣點，用直徑6 cm原狀土-土鉆分別采取0 -10、10 - 20、20 - 30 cm土樣，3個取樣點同一土層土壤混合成一個土壤樣品，去除殘留的枯落物及混雜物，共27個樣品，取土時避免對土樣的過分擾動，以免破壞團聚體結構。將取好的樣品帶回實驗室自然風干，進行相關數據的測定。

1.3 樣品的測定與計算

土壤水穩性團聚體的測定采用濕篩法[22]，即將500 g風干土放入孔徑依次為 10、7、5、3、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，利用機械力分散收集各孔徑的力穩定性團聚體。計算各粒級團聚體質量比，再按比例將各孔徑力穩定性團聚體配成200 g，將其通過TTF-100 型土壤團聚體分析儀的組合套篩，孔徑分別為5、3、2、1、0.5 和 0.25 mm，先用水緩慢濕潤10 min后，以每 40 r·min-1的頻率，振蕩20 min，將各篩上的團聚體分別沖洗至鋁盒當中在60 ℃下烘干，稱質量[23]。

本研究采用楊培嶺等[24]建立的基于不同粒級重量分布的(1993)分型維數D的計算方法，計算公式：

對公式(1)兩邊取對數，得：

采用土壤團聚體分形維數(D)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)來衡量團聚體的穩定性。各指標的計算方法如下[25]：

1.4 數據處理與分析

數據用Excel 2010和SPSS22.0 (IBM Corporation,Aromonk, New York)統計軟件進行方差分析和多重比較LSD法(Least Significant Difference)，顯著性水平設定為P ＜ 0.05，用Origin 8.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同降水量下天然草地淺層土壤水穩性團聚體分布特征

0 - 10 cm土層，以 ＜ 0.25 mm的水穩定性團聚體為主，＞ 3 mm的團聚體在100%降水量處理下顯著低于50%、150%降水量處理(P ＜ 0.05)；＜ 0.25 mm的水穩定性團聚體在150%降水量處理下顯著低于100% 和 50% 降水處理 (P ＜ 0.05)；3～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm水穩定性團聚體各降水量處理下差異不顯著(P ＞ 0.05) (圖2)。10 - 20 cm土層，以 ＜ 0.25 mm的水穩定性團聚體為主，不同粒徑水穩性團聚體各降水量處理下差異不顯著(P ＞ 0.05)。20 - 30 cm土層，以 ＜ 0.25 mm的水穩性團聚體為主，＞ 3 mm的水穩定性團聚體在150%降水量處理下顯著低于與50%降水量和100%降水量處理(P ＜0.05)；＜ 0.25 mm的團聚體在50%降水量處理下顯著低于150%降水量和100%降水量處理(P ＜ 0.05)。

2.2 不同降水量下天然草地淺層土壤水穩定性團聚體分形維數及評價參數

隨著降水量的減少或增加，天然草地淺層土壤水穩定性團聚體分形維數都會增加(表2)。不同降水量下，土壤平均重量直徑(MWD)最低出現在100%降水10 - 20 cm土層，為0.95；最高出現在50%降水20 - 30 cm土層，為1.26。幾何平均直徑(GMD)最低出現在150 %降水0 - 10 cm土層，為1.14；最高出現在100%降水10 - 20 cm土層，為1.22。

2.3 土壤粒徑分形維數與土壤各粒級組成之間的相關系數

土壤粒徑分形維數與 ＞ 3 mm水穩定性團聚體顯著正相關 (r = 0.43) (P ＜ 0.05)，與 ＜ 0.25 mm 的團聚體極顯著負相關(r = -0.49) (P ＜ 0.01)，其他粒級水穩定性團聚體與土壤粒徑分形維數之間均極顯著正相關 (P ＜ 0.01) (表 3)。

50%和100%降水處理下，土壤粒徑分形維數與各粒徑水穩定性團聚體之間無相關性(表4、表5)。150%降水處理下，土壤粒徑分形維數與 ＞ 3 mm的水穩定性團聚體顯著正相關(r = 0.90) (P ＜ 0.01)，與其他土壤粒徑的水穩定性團聚體之間無相關性(表6)。

圖 2 各土層各級水穩性定團聚體百分比含量Figure 2 Distribution of water agglomerates among soil layers不同小寫字母表示同一土壤粒徑不同降水處理間差異顯著(P ＜0.05)。Different lowercase letters for the same soil paritcal size grade indicate significant difference between different rainfall conditions at the 0.05 level.

3 討論

GMD和MWD能夠反映土壤粒徑分布總體狀況，其值的大小與團聚體的平均粒徑團聚度和穩定性呈正比，GMD和MWD的值越大則表示團聚體的平均粒徑團聚度和穩定性也越強[26]。本研究發現，不同降水量下，土壤MWD最低出現在100%降水10 - 20 cm土層，為0.95；最高出現在50%降水20 - 30 cm土層，為1.26。GMD最低出現在150%降水0 - 10 cm土層，為1.14；最高出現在100%降水10 - 20 cm土層，為1.22。

表 2 不同降水量下土壤水穩定性團聚體評價參數Table 2 Evaluation parameters of soil water stability aggregates under different precipitation amounts

表 3 不同降水下分形維數與各土壤粒徑水穩性團聚體之間的相關性Table 3 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under different precipitation

表 4 50 %降水下分形維數與各各土壤粒徑水穩性團聚體之間的相關性Table 4 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 50% precipitation

表 5 100%降水下分形維數與各土壤粒徑水穩性團聚體之間的相關性Table 5 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 100% precipitation

表 6 150%降水下分形維數與各土壤粒徑水穩性團聚體之間的相關性Table 6 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 150% precipitation

土壤粒徑分布特征是影響土壤物理性質的最重要因素之一，它不僅對土壤侵蝕、土壤水分運動、土壤肥力狀況等具有明顯的影響，而且與土體結構、成土過程密切相關[27]。土壤團聚體增強了土壤的通氣性和水分的入滲，為植物的生長提供了良好的條件，降低了土壤徑流和土壤侵蝕，在土壤的表面形成了蒸發的界面[28]。黃土高原地區土地退化十分嚴重，使得土壤理化性質惡化，土壤的透水性和持水性都相應下降，土壤的保水性較差導致了土壤結構的穩定性也較差，不利于土壤顆粒的團聚，而人為不合理的土地利用又加劇了土壤肥力和質量的下降[29]。本研究發現，在0 - 20 cm土層，100%降水(正常降水)下的土壤粒徑分形維數要低于50%降水量(減水)和150%降水量(增水)下的土壤粒徑分形維數，表明0 - 20 cm淺層土壤在正常降水量下土壤團粒結構較松散，水穩性大團聚體較多，而50%降水量和150%降水量下土壤團粒結構較緊湊，表現為 ＜ 0.25 mm的粘粒占總比重較大，土壤質地均一，具有較好的團粒結構。在20 -30 cm土層，隨著降水的增加土壤粒徑分形維數逐漸降低，表現為在50%降水量下分形維數最高，且比在150%降水量下同等深度的分形維數高0.120 9。說明在20 - 30 cm土壤深度下，隨著降水量的增加，土壤的結構與穩定性逐漸增強，土壤相對較松散，通透性較好。另外，本研究發現增加降水和減少降水使大顆粒團聚體增多，使小顆粒團聚體和粘粒減少，干旱和增水對團聚體的影響一致，都使大粒徑的團聚體增多而使 ＜ 0.25 mm粒徑的團聚體減少，這是由于固原云霧山所處地理位置有關，增水導致水土流失沖走表層細砂粒而留下顆粒較大的的土層，也有可能是由于減水但自然降水無法及時補給造成表土層干結成塊。

土壤團粒結構粒徑分布的分形維數越小，土壤越具有良好的結構和穩定性[30]。＜ 0.25 mm的水穩性團聚體含量越高、質地越細、分形維數越高，相應其分散度也越大，分形維數越小則表示團聚體主要由數量較少的大結構體組成[6]。這與本研究土壤粒徑分形維數與 ＜ 0.25 mm的團聚體極顯著負相關(P ＜ 0.01)相印證。另有研究指出，土壤團粒結構粒徑分布的分形維數還會反映質地的均一程度[31]。土壤粒徑分形維數不僅能準確地表示土壤顆粒大小組成，還是評價土壤質地差異的重要指標之一[32-33]。本研究發現，土壤粒徑分形維數與 ＞ 3 mm的水穩定性團聚體呈極顯著正相關(P ＜ 0.01)，與 ＜0.25 mm的團聚體呈極顯著負相關(P ＜ 0.01)。表明土壤粒徑分形維數隨著水穩性團聚顆粒粒徑的減小而增大，即水穩性團聚體顆粒粒徑越小，分形維數值越高，這與前人研究結果相一致[34-37]。

4 結論

1)降水量的減少或增加，淺層土壤(0 - 30 cm)的D、MWD和GMD都會增加。

2)對降水較敏感的水穩定性團聚體粒徑為 ＞ 3 mm和＜ 0.25 mm。

3)淺層土壤(0 - 30 cm)質量分形維數與 ＞ 3 mm水穩定性團聚體極顯著正相關(P ＜ 0.01)，與 ＜ 0.25 mm的團聚體極顯著負相關(P ＜ 0.01)。