徂徠山植被類(lèi)型對(duì)不同坡位土壤團(tuán)聚體特征的影響

李 巖王如巖董 智劉冰倩劉瑞琳吳其聰

(1.泰安市水文中心,山東 泰安271000;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,山東 泰安271018)

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元,其組成與穩(wěn)定性在保持水分、維持生物多樣性、抵御洪水、侵蝕和滑坡等方面具有重要作用[1-2],對(duì)促進(jìn)“土壤—降水—植被”間的水循環(huán)具有重要影響,已成為近10 a來(lái)土壤學(xué)、水文學(xué)、水土保持等學(xué)科的研究熱點(diǎn)[3-4]。影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素主要有土壤有機(jī)質(zhì)、土地利用方式、管理措施、氣候條件、土壤微生物、植被覆蓋情況等[5]。其中,植被能夠促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成與質(zhì)量提升,降低土壤的可蝕性,抑制土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展,被認(rèn)為是影響坡面水土流失的關(guān)鍵因子[6-7]。然而,當(dāng)前研究主要關(guān)注不同植被類(lèi)型對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及坡面水土流失的單一影響,較少考慮不同坡位帶來(lái)的協(xié)同影響。有研究[8]證實(shí),在相同植被覆蓋下,不同坡位的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有所差異,土壤大團(tuán)聚體含量呈現(xiàn)出:上坡＞下坡＞坡底＞中坡的趨勢(shì)。這表明植被類(lèi)型與坡位可能會(huì)存在交互效應(yīng),并對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。然而,植被類(lèi)型與坡位如何協(xié)同影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,尤其是在植被稀少、土壤貧瘠、氣候干旱和水土流失危害嚴(yán)重的我國(guó)北方土石山區(qū)[9],不同植被類(lèi)型與不同坡位下,土壤團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性如何響應(yīng),尚不明確。因此,研究不同植被類(lèi)型以及不同坡位下土壤團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性對(duì)明確土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣以及抗侵蝕能力具有重要意義。

本研究選取山東省泰安市徂徠山水土保持綜合觀測(cè)站板栗、刺槐×麻櫟混交林等當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的植被類(lèi)型為研究對(duì)象,開(kāi)展定位研究。分析不同植被類(lèi)型及不同坡位對(duì)土壤團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果可為北方土石山區(qū)植被恢復(fù)與水土流失防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省泰安市徂徠山水土保持綜合觀測(cè)站(36°4′36″N,117°14′16″E),屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均降水量1 000 mm,年日照時(shí)數(shù)2 494 h,年平均氣溫13.9℃,年無(wú)霜期215 d。徑流場(chǎng)的土壤以山地棕壤為主,周邊植被以常綠針葉林和落葉闊葉林為主,主要是刺槐(Robiniapseudoacacia)、赤松(Pinusdensiflora)、麻櫟(Quercusacutissima)、板栗(Castaneamollissima)等。林下植被主要有小蓬草(Erigeroncanadensis)、鴨跖草(Commelinacommunis)、莎草(Cyperusrotundus)、黃花蒿(Artemisiaannua)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)等。

徂徠山水土保持綜合觀測(cè)站中4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)基本情況詳見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)小區(qū)基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 2021年7月在徂徠山水土保持綜合觀測(cè)站選取CM1,CM2,RQ1,RQ2共4個(gè)徑流小區(qū)作為樣地,在坡上、坡下沿對(duì)角線分別選取3個(gè)1 m×1 m樣方。每個(gè)樣方沿對(duì)角線采集3個(gè)0—20 cm原狀土壤樣品用作土壤團(tuán)聚體組成分析,同時(shí)采集0—20 cm環(huán)刀樣品。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算 土壤容重(BD)采用環(huán)刀法[10]測(cè)定,土壤總孔隙度(TP)、毛管孔隙度(CP)、非毛管孔隙度(NCP)、土壤飽和含水量(SW)和田間持水量(FC)通過(guò)環(huán)刀浸泡法[11-12]測(cè)定,采用干濕篩結(jié)合的方法[13]測(cè)定土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成與水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成。

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)、團(tuán)聚體破壞率(PAD)、土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)和廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)等,在一定程度上可以表征土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣。其中MWD,GMD,GSSI值越大,團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng),土壤結(jié)構(gòu)越好;ELT,PAD和STPSE值越小,團(tuán)聚體越穩(wěn)定,土壤結(jié)構(gòu)越好。

式中:Xi表示每個(gè)篩分粒徑的團(tuán)聚體的平均直徑;Wi特定尺寸范圍內(nèi)的團(tuán)聚體重量。

式中:WR＞0.25指顆粒直徑＞0.25 mm的團(tuán)聚體的質(zhì)量;Wt指團(tuán)聚體總質(zhì)量。

式中:DR0.25為直徑＞0.25 mm的機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量(干篩法測(cè)得);WR0.25為直徑＞0.25 mm的水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量(濕篩法測(cè)得)。

式中:S為土壤固相體積百分比(＞25%);L為土壤液相體積百分比(＞0);G為土壤氣相體積百分比

公式(6)—(8)均可以計(jì)算土壤三相結(jié)構(gòu)距離。其中,理想的土壤三相比:固相50%,液相25%,氣相25%。樣品的土壤三相:固相S(%),液相L(%),氣相G(%)。通過(guò)計(jì)算樣品與理想土壤三相的距離,來(lái)量化土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行方差分析,使用Canoco 5等軟件進(jìn)行RDA分析,使用Origin 2021b繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體及水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

不同植被類(lèi)型及不同坡位下,均未發(fā)現(xiàn)＞2 mm粒徑的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與水穩(wěn)定性團(tuán)聚體(粗大團(tuán)聚體)。機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成中,2～0.25 mm粒級(jí)(細(xì)大團(tuán)聚體)含量最高,所占比例為55.60%～72.76%;其次為0.25～0.053 mm粒級(jí)(微團(tuán)聚體),所占比例為25.11%～41.98%;＜0.053 mm粒級(jí)(粉黏粒)含量最低,所占比例為0.60%～3.75%(圖1)。各粒級(jí)中僅＜0.053 mm粒級(jí)在不同處理下存在顯著性差異,其中板栗林(CM1,CM2)＜0.053 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量略高于刺槐×麻櫟混交林(RQ1,RQ2)。與RQ2坡上處理(RQ2U)的＜0.053 mm粒級(jí)含量相比,CM2坡上處理(CM2U)顯著提高5.25倍(p＜0.05)。與RQ2坡下處理(RQ2D)的＜0.053 mm粒級(jí)含量相比,CM2坡下處理(CM2D)提高53%(p＞0.05)。

圖1 研究區(qū)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體類(lèi)似,水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成中2～0.25 mm粒級(jí)含量最高,所占比例為40.18%～53.42%;其次為0.25～0.053 mm粒級(jí),所占比例為31.44%～50.66%;＜0.053 mm粒級(jí)含量最低,所占比例為7.78%～16.26%(圖2)。同一粒級(jí)中,各處理間差異不顯著。與板栗林相比,刺槐×麻櫟混交林坡上2～0.25 mm粒級(jí)含量略高,而0.25～0.053 mm粒級(jí)含量略低(p＞0.05)。具體表現(xiàn)為:與CM1U相比,RQ1U和RQ2U處理的2～0.25 mm粒級(jí)含量分別增加23.77%和24.40%,0.25～0.053 mm粒級(jí)含量分別降低30.20%和21.59%;與CM2U相比,RQ1U和RQ2U處理的2～0.25 mm粒級(jí)含量分別增加15.57%和16.15%,0.25～0.053 mm粒級(jí)含量分別降低24.99%和15.74%。

圖2 研究區(qū)土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

2.2 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

通過(guò)干篩法獲得的土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體,表征其機(jī)械穩(wěn)定性的指標(biāo)MWD,GMD,ELT在不同植被類(lèi)型下表現(xiàn)出顯著差異(表2)。其中,與板栗林處理相比,刺槐×麻櫟混交林的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 研究區(qū)不同植被類(lèi)型及坡位下土壤團(tuán)聚體參數(shù)

然而,通過(guò)濕篩法獲得的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,表征其水穩(wěn)定性的指標(biāo)MWD,GMD,ELT在不同植被類(lèi)型及不同坡位均未表現(xiàn)出顯著差異。廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)在不同植被類(lèi)型下表現(xiàn)出顯著差異,與板栗林處理相比,刺槐×麻櫟混交林的GSSI提高20.13%(p＜0.01)。

2.3 土壤固液氣三相比及其結(jié)構(gòu)距離

理想值與各處理在固液氣三相圖中的分布情況如圖3所示。

圖3 各處理不同坡位土壤固液氣三相比

由圖3可知,各處理土壤固相體積所占比例為56.46%～66.15%,液相體積所占比例為21.66%～36.56%,氣相體積所占比例為4.40%～12.19%。通過(guò)計(jì)算土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)來(lái)量化各處理與理想值之間的差距,結(jié)果如圖4所示。與板栗林相比,刺槐×麻櫟混交林的STPSD更小,約減少8.87%,可見(jiàn)刺槐×麻櫟混交林的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖4 各處理不同坡位土壤三相結(jié)構(gòu)距離

2.4 土壤團(tuán)聚體組成與三相結(jié)構(gòu)的關(guān)系

RDA分析結(jié)果顯示了土壤各指標(biāo)對(duì)團(tuán)聚體分布總方差的貢獻(xiàn),以及土壤各指標(biāo)、樣品和團(tuán)聚體組成之間的關(guān)系(圖5)。RDA圖中軸1和軸2的特征值分別為0.34,0.16,共同解釋了團(tuán)聚體分布總變異的35.53%。由表3可知,兩個(gè)最大的解釋變量是S和CP,解釋量分別為25.0%(p＜0.05)和13.6%(p＞0.05)。S與機(jī)械穩(wěn)定性細(xì)大團(tuán)聚體(D為2～0.25 mm)、水穩(wěn)定性細(xì)大團(tuán)聚體(W為2～0.25 mm)、水穩(wěn)定性粉黏粒(W＜0.053 mm)沿軸1正軸方向呈正相關(guān)。相反,S與機(jī)械穩(wěn)定性微團(tuán)聚體(D為0.25～0.053 mm)、機(jī)械穩(wěn)定性粉黏粒(D＜0.053 mm)和水穩(wěn)定性微團(tuán)聚體(W為0.25～0.053 mm)沿軸1的負(fù)軸呈負(fù)相關(guān)。同時(shí),S與板栗林各處理有呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì),而與刺槐×麻櫟混交林有呈正相關(guān)的趨勢(shì)。

圖5 各處理土壤團(tuán)聚體組成與土壤性質(zhì)的RDA分析

表3 RDA分析中土壤性質(zhì)的解釋量

3 討論

刺槐×麻櫟混交林與板栗相比,其MWD顯著提高10.51%,GMD顯著提高7.51%,ELT顯著降低19.01%,表明其土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性顯著高于板栗純林。可能的原因是:純林淺層土壤容易受外力干擾而破壞大粒級(jí)團(tuán)聚體,而混交林由于冠層特征、枯落物的質(zhì)量和數(shù)量、植被空間結(jié)構(gòu)等特征可減少降雨和地面徑流對(duì)土壤的直接沖刷進(jìn)而減少大團(tuán)聚體的破壞,從而提高土壤抗沖擊能力,對(duì)團(tuán)聚體起到保護(hù)作用,促進(jìn)了土壤結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定[14]。我們的調(diào)查結(jié)果也表明徂徠山徑流小區(qū)刺槐×麻櫟混交林的植被蓋度與郁閉度,相較于板栗純林具有一定優(yōu)勢(shì)(表1),這為刺槐×麻櫟混交林土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性顯著高于板栗純林提供了直接證據(jù)。不同坡位間坡下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有高于坡上的趨勢(shì),但差異不顯著。這可能是由于坡下土壤養(yǎng)分一般高于坡上[15],有利于坡下土壤動(dòng)物與微生物的積聚以及植物根系的生長(zhǎng)[16],促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定,但由于坡長(zhǎng)僅有20 m,坡上坡下之間的差異并沒(méi)有凸顯出來(lái)。然而,劉鵬等[8]在巖溶斷陷盆地高原面洼地不同坡位土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究中,發(fā)現(xiàn)坡上表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著高于坡中以及坡下。這與我們的結(jié)果存在較大差異,可能的原因是該研究地處巖溶斷陷盆地高原面洼地,地質(zhì)作用強(qiáng)烈,相對(duì)高差大,更容易受到重力的影響,坡下土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,更易受到侵蝕而損失;而本研究中徂徠山地處北方土石山區(qū),在侵蝕性降雨發(fā)生時(shí),坡上土壤隨水流下,在坡下累積并形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)土壤三相比計(jì)算得到的土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)和廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要參數(shù)。本研究結(jié)果顯示,與板栗林相比,刺槐×麻櫟混交林的STPSD減少約8.87%,GSSI顯著提高20.13%,表明其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)。這與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的結(jié)果趨于一致。主要原因可能是土壤顆粒與土壤顆粒間的孔隙主導(dǎo)了團(tuán)聚體的組成。本研究冗余分析的結(jié)果很好地證實(shí)了這一推論,即土壤三相中固相體積比(S)與毛管孔隙度(CP)是團(tuán)聚體組成的兩個(gè)最大的解釋變量,分別解釋25.0%和13.6%。其中,S與機(jī)械穩(wěn)定性細(xì)大團(tuán)聚體(D為2～0.25 mm)、水穩(wěn)定性細(xì)大團(tuán)聚體(W為2～0.25 mm)、水穩(wěn)定性粉黏粒(W＜0.053 mm)呈正相關(guān);CP與機(jī)械穩(wěn)定性微團(tuán)聚體(D為0.25～0.053 mm)、機(jī)械穩(wěn)定性粉黏粒(D＜0.053 mm)和水穩(wěn)定性微團(tuán)聚體(W為0.25～0.053 mm)呈正相關(guān)。同時(shí),S與板栗林各處理有呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì),而與刺槐×麻櫟混交林有呈正相關(guān)的趨勢(shì)。這表明固相體積比在土壤三相結(jié)構(gòu)中更為重要,可能是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。另外,需要注意的是目前土壤三相比的理想值參考的是旱作農(nóng)業(yè)土壤的相關(guān)參數(shù),未來(lái)應(yīng)探索林地土壤理想土壤三相比,不斷完善廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離等表征土壤結(jié)構(gòu)的指標(biāo)在林業(yè)土壤當(dāng)中的應(yīng)用。

4 結(jié)論

研究區(qū)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成均表現(xiàn)出細(xì)大團(tuán)聚體(2～0.25 mm)＞微團(tuán)聚體(0.25～0.053 mm)＞粉黏粒(＜0.053 mm)的趨勢(shì)。刺槐×麻櫟混交林土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性顯著優(yōu)于板栗林,而水穩(wěn)定性與板栗林無(wú)顯著差異。不同坡位之間,土壤團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性無(wú)顯著差異。刺槐×麻櫟混交林的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)。不同坡位土壤GSSI與STPSD均未表現(xiàn)出顯著差異。固相體積所占比例可作為評(píng)價(jià)團(tuán)聚體組成的重要指標(biāo)。