松嫩平原北部未開墾黑土土壤物理性狀垂直變化特征

張 琛, 赫有有, 薛婷婷, 陳祥偉, 付 玉

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 哈爾濱 150040)

土壤作為一種有限的資源,是以人類健康為中心的整體健康系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,同時(shí)也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基石[1],因此擁有良好的土壤質(zhì)量是人類社會發(fā)展的關(guān)鍵[2]。土壤質(zhì)量被定義為土壤在生態(tài)系統(tǒng)中維持環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動植物生產(chǎn)和健康、保持或提高水和空氣質(zhì)量的能力[3-4],通常包括土壤物理質(zhì)量、化學(xué)質(zhì)量及生物質(zhì)量[5]。土壤物理性狀是土壤質(zhì)量的重要基礎(chǔ),同時(shí)影響著化學(xué)質(zhì)量和生物質(zhì)量[6],其不僅可以作為土壤結(jié)構(gòu)以及水分特征等物理性狀的定量化表征,而且是影響土壤侵蝕和土壤管理的重要因素[5,7]。

松嫩平原位于世界三大黑土區(qū)之一的中國東北地區(qū),農(nóng)業(yè)土壤資源特色鮮明,土壤有機(jī)質(zhì)含量高,結(jié)構(gòu)良好,具有獨(dú)特的自然屬性[8],一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。但由于嚴(yán)重的土壤侵蝕導(dǎo)致黑土層厚度逐漸下降[9],不合理的開墾以及長期強(qiáng)烈的機(jī)械化耕作導(dǎo)致黑土區(qū)土壤有效儲水量減少,同時(shí)引起土壤容重增大、孔隙度降低以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降等物理性狀的惡化[10]。研究指出,開墾初期到現(xiàn)在,黑土土壤容重增加59.49%,總孔隙度下降22.68%,水穩(wěn)性團(tuán)聚體降低38.28%[11],土壤物理性狀退化嚴(yán)重。因此為遏制黑土退化以及保證黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,圍繞黑土區(qū)如何改善土壤物理性狀展開了大量研究。有學(xué)者以農(nóng)田為對照,對比分析了人工落葉松林地、自然恢復(fù)草地和裸地對剖面土壤容重、孔隙度、持水量、土壤顆粒組成、>0.25 mm團(tuán)聚體含量等物理指標(biāo)的改善作用[12];研究發(fā)現(xiàn)免耕與翻耕對不同坡位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤容重、土壤孔隙度和土壤貫入阻力存在不同的改善效果[13];也有研究指出保護(hù)性耕作是改良典型黑土區(qū)旱作平地的土壤容重、孔隙度、水分狀況以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的重要措施[14];此外,邱琛[15]發(fā)現(xiàn)不同有機(jī)物料還田措施對土壤容重、飽和導(dǎo)水率、田間持水量以及土壤孔隙度存在不同的改善效果。由此可知,目前研究主要集中在探討不同土地利用方式、耕作措施以及施肥管理對土壤物理性質(zhì)的影響,很少涉及未開墾黑土土壤物理性狀的表現(xiàn)特征,并且多以自然恢復(fù)地或受不同程度干擾的休閑地作為對照[12,16],不能客觀準(zhǔn)確地反映原始黑土的土壤物理特征,因此無法準(zhǔn)確量化土壤質(zhì)量改良可達(dá)到的水平和程度。

綜上所述,本研究選取松嫩平原北部未開墾黑土(天然次生林、五花草塘)為研究對象,通過測定0—140 cm土層范圍土壤物理性狀(土壤容重、孔隙度、持水量、土壤機(jī)械組成、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性),明確未開墾黑土土壤物理性狀的垂直變化特征,以期為黑土區(qū)退化土地恢復(fù)效果評價(jià)及土壤質(zhì)量研究提供本底值的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于松嫩平原北部,小興安嶺西麓,北安市西部(47°54′—48°12′N,126°26′—127°6′E),屬典型黑土區(qū),該區(qū)現(xiàn)存面積較大的未開墾黑土[17-18],土壤類型以黏化濕潤均腐土(Luvic Phaeozems)為主,松嫩平原過渡波狀平原區(qū),地勢是西南高,東北低,海拔240～330 m,地處中高緯度,屬寒溫季風(fēng)氣候,年平均氣溫一般0.5℃,無霜期120 d左右,年降雨量570 mm,年平均日照2 700 h以上;本研究在松嫩平原北部選取未破壞的天然次生林與保持黑土原始自然景觀的草原化草甸(五花草塘)[18]為研究對象,經(jīng)實(shí)地考察后采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、農(nóng)田、工廠等人類活動影響強(qiáng)烈的地區(qū)。其中天然次生林主要樹種為山楊(Populusdavidiana),林下植被主要為毛榛子(Corylusmandshurica)、山丁子(Malusbaccata)、蚊子草(Filipendulapalmata)、毛蕊老鸛草(GeraniumplatyanthumDuthie)、突節(jié)老鸛草(Geraniumkrameri)、三棱草(Bolboschoenusmaritimus)、鳳毛菊(Saussureajaponica)等,黑土層厚度為40～50 cm;五花草塘為雜類草草甸,種類多而無明顯優(yōu)勢種,主要包括小葉樟(Deyeuxialangsdorffii)、落豆秧(Viciacracca)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)等,黑土層厚度為50～60 cm。

1.2 樣品采集

試驗(yàn)于2021年6月進(jìn)行野外采樣,在選定的天然次生林和五花草塘內(nèi)各設(shè)置3塊臨時(shí)樣地(長20 m×寬20 m),每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)分別按照“S”型 5點(diǎn)取樣法采集0—10,10—20,20—40,40—60,60—80,80—100,100—120,120—140 cm分為8個(gè)土層,每個(gè)土層用環(huán)刀(體積100 cm3)分別采集原狀土樣品,用于測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和持水量以及毛管持水量;用自制取樣器(長10 cm×寬10 cm×高10 cm),分層取原狀土用于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量測定;另取散土1 kg,將3個(gè)采樣點(diǎn)同一土層的土樣進(jìn)行混合,帶回室內(nèi)用于土壤有機(jī)質(zhì)含量的測試。

1.3 指標(biāo)測定及方法

采用環(huán)刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和持水量與毛管持水量;采用吸管法測定土壤機(jī)械組成,參照美國制標(biāo)準(zhǔn),按照粒徑(d)將土壤顆粒分成3類:砂粒(0.05 mm≤d<2 mm)、粉粒(0.002 mm≤d<0.05 mm)和黏粒(d<0.002 mm);采用濃硫酸重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)。

粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體含量為水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WSA>0.25),計(jì)算公式如下:

式中:WSA>0.25為>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(%);Mi為i粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量(g);M0.25為>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體總質(zhì)量(g)。

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)用來表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,計(jì)算公式如下:

式中:Wi為第i粒級團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(%);Xi表示相鄰兩級團(tuán)聚體的平均粒徑(mm);lnXi為土壤粒級平均直徑的自然對數(shù)。

土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)用楊培嶺等[19]提出的土壤分形模型計(jì)算:

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行顯著性分析(p<0.05)。運(yùn)用主成分分析對土壤物理性狀進(jìn)行得分排序,采用聚類分析法對不同土層土壤物理性狀綜合特征進(jìn)行聚類,并用Origin 2022b進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重和孔隙度的垂直變化特征

未開墾黑土土壤容重垂直變化特征見圖1A。整體上,天然次生林與五花草塘的土壤容重均隨土層深度的加深逐漸增大。天然次生林土壤容重變化范圍為0.51～1.56 g/cm3; 0—80 cm土層范圍內(nèi),土壤容重隨土層深度的增加顯著增大188.23%(p<0.05);而80—140 cm土層范圍內(nèi),土壤容重隨土層深度的增加差異不顯著(p>0.05)。五花草塘土壤容重變化范圍為1.12～1.52 g/cm3,其中土壤容重在0—40 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著增大16.07%(p<0.05),而40—80 cm土層范圍內(nèi)土壤容重沒有顯著差異(p>0.05),但土壤容重在80—140 cm土層范圍內(nèi)顯著增大17.83%(p<0.05)。

注:小寫字母不同表示不同土層間差異顯著(p<0.05),下同。圖1 土壤容重與孔隙度垂直變化特征Fig. 1 Vertical variation characteristics of soil bulk density and porosity

未開墾黑土土壤總孔隙度垂直變化特征見圖1B。天然次生林與五花草塘土壤總孔隙度隨土層深度的增加逐漸減小。天然次生林土壤總孔隙度變化范圍為39.87%～72.86%;0—80 cm土層范圍內(nèi),土壤總孔隙度隨土層深度的增加顯著降低(p<0.05),降低幅度高達(dá)42.36%;而80 cm土層以下總孔隙度沒有顯著變化(p>0.05)。五花草塘土壤的總孔隙度變化范圍為39.65%～52.12%,其中總孔隙度在0—80 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著降低15.29%(p<0.05);而100 cm土層以下總孔隙度差異不顯著(p>0.05)。

未開墾黑土土壤毛管孔隙度垂直變化特征見圖1C。天然次生林與五花草塘土壤毛管孔隙度隨土層深度的增加逐漸減小。天然次生林土壤毛管孔隙度變化范圍為37.80%～65.49%;其中土壤毛管孔隙度在0—80 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著降低39.53%(p<0.05);而80 cm土層以下的天然次生林土壤毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。五花草塘土壤毛管孔隙度變化范圍為38.72%～50.14%,其中0—20 cm土層范圍內(nèi)土壤毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05);而20—80 cm土層范圍內(nèi)土壤毛管孔隙度隨土層深度的增加顯著降低16.89%(p<0.05);80 cm土層以下土壤毛管孔隙度變化不顯著(p>0.05)。

整體上看,與五花草塘相比,天然次生林在0—60 cm土層范圍內(nèi)土壤容重較小,土壤總孔隙度和毛管孔隙度較高;而60 cm土層以下,天然次生林與五花草塘的土壤容重、土壤總孔隙度和毛管孔隙度不存在明顯差異。

2.2 土壤持水量的垂直變化特征

通過研究飽和持水量和毛管持水量,分析未開墾黑土土壤水分貯量及有效性的垂直變化特征。未開墾黑土土壤持水量垂直變化特征見圖2。研究發(fā)現(xiàn)天然次生林與五花草塘土壤飽和持水量與毛管持水量隨土層深度的增加呈冪函數(shù)關(guān)系下降。其中天然次生林飽和持水量垂直變化范圍為25.91%～139.90%,在0—60 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著降低72.57%(p<0.05);而60—140 cm土層范圍內(nèi)差異不顯著(p>0.05)。五花草塘土壤飽和持水量變化范圍為26.01%～47.45%,且在0—40 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著降低23.79%(p<0.05);而40—80 cm土層范圍內(nèi)無顯著變化,但飽和持水量在80—100 cm土層范圍內(nèi)顯著下降15.78%(p<0.05),100 cm土層以下無顯著變化(p>0.05)。

圖2 土壤持水量垂直變化特征Fig. 2 Vertical variation characteristics of soil water holding capacity

天然次生林土壤的毛管持水量變化范圍為24.58%～124.55%,其中在0—80 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著下降78.51%(p<0.05),80—140 cm土層范圍內(nèi)毛管持水量差異不顯著(p>0.05)。五花草塘土壤的毛管持水量變化范圍為25.40%～43.92%,其中毛管持水量在0—60 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著下降27.25%(p<0.05);而60—80 cm土層的毛管持水量相對于40—60 cm土層無顯著差異,但比80—100 cm土層顯著高出11.60%(p<0.05);毛管持水量在100 cm土層以下無顯著差異(p>0.05)。

2.3 土壤機(jī)械組成垂直變化特征

未開墾黑土土壤機(jī)械組成垂直變化特征見圖3。天然次生林砂粒含量范圍為3.86%～42.22%,整體表現(xiàn)為隨土層深度的增加先增加后降低的趨勢,其中40—60 cm土層的砂粒含量是0—10 cm土層的2.34倍;但60—140 cm土層范圍內(nèi)砂粒含量明顯下降,降低幅度高達(dá)87.56%。粉粒含量范圍為26.37%～70.66%,整體上隨土層深度的增加先降低后增加,粉粒含量在0—40 cm土層范圍內(nèi)下降53.16%,但40—140 cm土層范圍內(nèi)粉粒含量明顯增加,其中120—140 cm土層的粉粒含量是40—60 cm土層的2.47倍。黏粒含量變化范圍為25.47%～39.92%。

圖3 土壤機(jī)械組成垂直變化特征Fig. 3 Vertical variation of soil mechanical composition

五花草塘的砂粒含量范圍為6.59%～24.12%,整體表現(xiàn)為隨土層深度的增加先增加后降低的趨勢,其中100—140 cm土層范圍內(nèi)砂粒含量均小于10%;粉粒含量范圍為35.70%～52.68%,在20—140 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加逐漸增大,增加幅度為46.86%;黏粒含量變化范圍為35.12%～43.00%,整體變化不明顯。

2.4 土壤結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性垂直變化特征

土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WSA>0.25)、團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和平均幾何直徑(GMD)是表征土壤結(jié)構(gòu)的常用指標(biāo)。WSA>0.25含量越高,土壤穩(wěn)定性越好,土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量越佳。未開墾黑土土壤WSA>0.25垂直變化特征見圖4A,天然次生林與五花草塘的WSA>0.25隨土層深度的增加均表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢,其中天然次生林0—60 cm土層范圍內(nèi)WSA>0.25隨土層深度的增加顯著降低86.86%(p<0.05),在60 cm以下WSA>0.25隨土層深度加深逐漸增大。五花草塘的WSA>0.25在0—40 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著降低91.13%(p<0.05),但40—80 cm土層范圍內(nèi)WSA>0.25并沒有顯著變化(p>0.05),而80—140 cm土層范圍內(nèi)WSA0.25隨土層深度的增加顯著增加218.41%(p<0.05)。

圖4 土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性垂直變化特征Fig. 4 Vertical variation of soil structure and stability

MWD與GMD值越大,說明團(tuán)聚度越高,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)。天然次生林與五花草塘MWD隨土層深度的增加均呈先降低后增加的趨勢(圖4B)。天然次生林MWD在0—60 cm土層范圍內(nèi)顯著降低,并在40—60 cm土層達(dá)到最小值;60—140 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著升高90.48%(p<0.05)。五花草塘MWD在0—40 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著降低91.63%(p<0.05),但在40—80 cm土層范圍內(nèi)不存在顯著差異,而80—140 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著增加58.82%(p<0.05)。天然次生林與五花草塘GMD隨土層深度的增加均表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢(圖4C)。天然次生林與五花草塘GMD分別在0—60,0—40 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著降低71.05%和86.88%(p<0.05)。但天然次生林與五花草塘GMD分別在60—140,40—140 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著增大28.60%和39.57%(p>0.05)。

分形維數(shù)(D)表征土粒直徑的大小和質(zhì)地組成的均勻程度,其中D值越小,代表土壤具有越良好的結(jié)構(gòu)。未開墾黑土D值隨土層深度的增加呈先增大后降低趨勢(圖4D)。天然次生林D值在0—20 cm土層范圍內(nèi)差異不顯著(p>0.05),D值在20—40 cm土層顯著增大4.96%(p<0.05),而40—140 cm土層范圍內(nèi)D值差異不顯著(p>0.05)。五花草塘D值在0—40 cm土層范圍內(nèi)隨土層深度的增加顯著增大23.14%(p<0.05),而40—80 cm土層范圍內(nèi)D值差異不顯著,但80—100 cm土層的D值較60—80 cm土層顯著降低1.61%(p<0.05),100 cm土層以下D值差異不顯著(p>0.05)。

2.5 未開墾黑土土壤物理性狀綜合評價(jià)

通過方差分析及顯著性檢驗(yàn)的土壤物理性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,并計(jì)算出相應(yīng)的綜合得分。依據(jù)特征值≥1的原則提取出2個(gè)主成分,通過KMO(>0.6)和Bartlett球形檢驗(yàn)(<0.05),并對逆指標(biāo)進(jìn)行正向化處理。由表1主成分分析結(jié)果可知,第1主成分對總方差貢獻(xiàn)率為74.842%,以土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和持水量以及毛管持水量貢獻(xiàn)最大;第2主成分對總方差貢獻(xiàn)率為20.482%,以大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均重量直徑、幾何平均直徑以及團(tuán)聚體分形維數(shù)貢獻(xiàn)最大;前2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為95.324%,說明提取的2個(gè)主成分可代表所有土壤物理特性95.324%的信息。天然次生林與五花草塘土壤物理性狀綜合得分排序在土層上的區(qū)分很明顯(表2)。天然次生林中,表層(0—10 cm)綜合得分最高,說明天然次生林內(nèi)表層土壤物理性狀明顯優(yōu)于下層;而綜合得分在10—60 cm土層范圍內(nèi)逐漸降低,40—60 cm土層達(dá)到最小值-0.03,說明在垂直方向上40—60 cm土層土壤物理性狀表現(xiàn)最差;但綜合得分在60—140 cm土層范圍內(nèi)逐漸增高。五花草塘中,土壤物理性狀綜合得分最大值同樣出現(xiàn)在表層,且在垂直方向上,0—120 cm土層內(nèi)綜合得分整體隨土層深度的增加逐漸降低,即隨土層深度越深土壤物理性狀表現(xiàn)越差;而120—140 cm土層與100—120 cm土層得分相近,說明這2個(gè)土層土壤物理性狀差異不明顯。

表1 主成分分析的特征根及其貢獻(xiàn)率Table 1 Characteristic root of principal component analysis and its contribution rate

表2 未開墾黑土不同土層土壤物理性狀綜合得分Table 2 Comprehensive scores of soil physical properties in different layers of unreclaimed black soil

為使評價(jià)結(jié)果更加清晰,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后,采用組平均距離方法,以歐氏距離作為衡量土壤物理性狀相似程度進(jìn)行系統(tǒng)聚類,得到系統(tǒng)聚類法的譜系圖,可以看出各處理土壤物理性狀的大致分類,同一類的土層內(nèi)土壤物理性狀具有相似的特征(圖5)。為展現(xiàn)不同類間的特征差異,將距離閾值定為2,此時(shí)類間距較大,將未開墾黑土0—140 cm土層范圍內(nèi)各土層土壤物理性狀分為5類,5類中第1類、第2類與第3類距離較小,其余類間距較大,說明不同土層間土壤物理性狀有明顯不同。聚類分析結(jié)果表明:天然次生林0—10 cm土層為第1類,在各土層中綜合得分最高;五花草塘0—10 cm土層為第2類,土壤物理性狀綜合得分較高;天然次生林10—20 cm土層為第3類;天然次生林20—40 cm土層和五花草塘10—20 cm土層為第4類;其余土層為第5類,說明這些土層擁有較為相似的他土壤物理性狀,且綜合得分相對較低。

注:1為天然次生林,2為五花草塘。圖5 不同土層土壤物理性狀聚類圖Fig. 5 Cluster map of soil physical properties in different soil layers

3 討 論

土壤容重與孔隙度是表征土壤透氣性、強(qiáng)度、存儲和傳輸土壤水能力的基本指標(biāo)[6],一般來說土壤有機(jī)質(zhì)含量越高、土壤容重越小、孔隙度越大[20]。本研究結(jié)果表明,未開墾黑土土壤容重整體上隨土層深度的增加逐漸增大,土壤孔隙度隨土層深度的增加逐漸降低,與以往的研究結(jié)果一致[21]。從土壤容重與孔隙度的垂直變化特征來看,未開墾黑土0—20 cm土層土壤的容重顯著低于下層土壤,孔隙度明顯高于下層土壤。這可能是由于以下兩個(gè)原因,其一,未開墾黑土植被覆蓋度較大,表層土壤中植物根系分布密集,土壤的水氣狀況良好,有機(jī)質(zhì)含量較高(表3),利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成;其二,表層土壤中穴居動物的存在,會形成較多的動物孔洞,同時(shí)受植物根系活動的影響,孔隙之間連通性增加[22],從而使土壤保持了容重小、孔隙度大的良好物理性狀。此外,本研究中,0—60 cm土層范圍內(nèi)天然次生林土壤容重低于五花草塘,孔隙度明顯高于五花草塘,且天然次生林內(nèi)土壤容重與孔隙度變化幅度更劇烈。這是由于表層內(nèi)草地的枯落物分解較慢,土壤改善較為緩慢,因此五花草塘相對于天然次生林有較大的土壤容重以及較低的孔隙度[23]。但隨土層深度的增加,表層以下土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少,土壤團(tuán)聚性降低,提高了土壤的緊實(shí)度,而且不同植被地下根系的生長發(fā)育狀況也存在差異,因此土壤容重與孔隙度受土壤發(fā)育狀況的影響,導(dǎo)致天然次生林與五花草塘不同土層的土壤容重與孔隙度產(chǎn)生明顯差異。

表3 未開墾黑土土壤有機(jī)質(zhì)含量垂直變化特征Table 3 Characteristics of soil organic matter content in the study area

土壤持水能力主要受土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)等因素的影響[24]。本研究發(fā)現(xiàn),未開墾黑土土壤飽和持水量與毛管持水量整體隨土層深度的增加逐漸降低,其中天然次生林在0—60 cm土層范圍內(nèi)土壤飽和持水量與毛管持水量要高于五花草塘,尤其在0—20 cm土層,天然次生林土壤飽和持水量和毛管持水量分別是五花草塘的2.49,2.40倍。一方面是因?yàn)樘烊涣直韺油寥廊葜剌^小,孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量較高;另一方面可能是由于天然次生林林下植被豐富,表層土壤中含有大量腐殖質(zhì),形成了較多的有機(jī)水膠體,能夠吸持大量水分[25]。天然次生林20—60 cm土層內(nèi)相比五花草塘具有較高的土壤持水量,這是由于不同植被類型的入滲能力存在一定的差異[26],且典型黑土區(qū)天然次生林的水分入滲能力要高于五花草塘[27]。但60—140 cm土層范圍內(nèi)五花草塘土壤飽和持水量與毛管持水量均高于天然次生林,這可能是喬木植物比草本植物需要消耗更多的土壤水分,且喬木植物的根系更密集,需要水分更多,導(dǎo)致中下部土壤水分補(bǔ)充緩慢[28]。

土壤機(jī)械組成是土壤基本物理性質(zhì)之一,對土壤水力特性、肥力和抗侵蝕性有重要作用[29],同時(shí)也是土壤質(zhì)地劃分的重要依據(jù)。本研究中,未開墾土壤砂粒含量在0—140 cm土層范圍內(nèi)呈先增加后降低的趨勢,而粉粒含量則表現(xiàn)相反,黏粒含量整體變化相對不明顯。研究結(jié)果表明,0—20 cm土層范圍內(nèi),土壤粉粒與黏粒總含量占比平均在85%以上,這可能是由于黑土表層胡敏酸類腐殖質(zhì)含量較多,有機(jī)質(zhì)能夠促進(jìn)土壤顆粒黏化,且植物根系發(fā)達(dá),使土壤形成了良好的團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)[30]。但隨著土層深度的增加,土壤砂粒含量在20—60 cm土層明顯增加,這是由于隨著土層深度的增加,土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著降低,導(dǎo)致土壤黏化作用減弱[31];而在60—140 cm土層范圍內(nèi),土壤砂粒含量迅速降低,這主要由于土壤孔隙度隨土層深度加深逐漸減小,且砂粒粒徑較大,向下層土層運(yùn)移的能力降低,而粉粒與黏粒粒徑較小,可以較容易地向下層土層運(yùn)移,導(dǎo)致60 cm以下土層粉粒與黏粒總量逐漸增加,土壤質(zhì)地黏重,這也與黑土表層至100 cm范圍內(nèi)存在黏化層的描述大致相同[32]。

土壤結(jié)構(gòu)是大小形狀各異的礦物顆粒、團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)堆疊排列形成的有序空間,而良好的土壤結(jié)構(gòu)主要是團(tuán)粒結(jié)構(gòu),并在一定程度上可以體現(xiàn)土壤的肥力水平[33-34]。本研究中,未開墾黑土天然次生林與五花草塘0—140 cm土層范圍內(nèi)土壤WSA>0.25,MWD和GMD隨土層深度的增加均呈先降低后增加的變化趨勢,而D值則表現(xiàn)相反,這可能是由于重力因素導(dǎo)致下層土壤受到上層土壤的擠壓,土層越深所受壓力越大;另一方面是因?yàn)橹参锏蚵湮锖透荡罅看嬖谟跍\層土壤中,更有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,導(dǎo)致土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體隨著土層深度增加而降低[35-36]。而下層較為緊實(shí)的土壤是導(dǎo)致土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性提高的主要原因,且土壤有機(jī)質(zhì)隨土層深度的增加顯著降低,導(dǎo)致土壤團(tuán)聚度降低,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸下降[33]。天然次生林與五花草塘的土壤結(jié)構(gòu)在不同土層也存在一定的差異。0—10 cm土層五花草塘的土壤WSA>0.25,MWD和GMD分別高出天然次生林37.14%,87.96%和109.80%,D值低于天然次生林8.27%。這是由于五花草塘植被根系主要分布在表層土壤中,加之盤根現(xiàn)象的存在,根系密度較大,有助于連接土壤顆粒,使得土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性強(qiáng)[37],且植物根系分泌的高分子黏質(zhì)可以膠結(jié)土壤顆粒,從而促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加,從而形成良好的土壤結(jié)構(gòu)[38]。而10—60 cm土層范圍內(nèi)天然次生林土壤WSA>0.25,MWD和GMD高于五花草塘,D值小于五花草塘,因?yàn)樘烊淮紊窒鄬τ谖寤ú萏料聦油寥乐械母得芏群兔娣e較大,同時(shí)林地枯枝落葉的腐殖化作用也明顯改善了土壤結(jié)構(gòu)[29],導(dǎo)致天然次生林10—60 cm土層范圍內(nèi)具有更良好的土壤結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

本研究以未開墾黑土(天然次生林、五花草塘)為研究對象,通過測定0—140 cm土層范圍土壤物理質(zhì)量基本指標(biāo),探究未開墾黑土土壤物理質(zhì)量垂直變化特征。主要結(jié)論如下:

(1) 未開墾黑土土壤容重隨土層深度的加深而逐漸增大,土壤孔隙度與持水量則表現(xiàn)相反。且0—60 cm土層范圍內(nèi)五花草塘比天然次生林具有更小的土壤容重,以及更高的孔隙度與持水量。

(2) 未開墾黑土土壤機(jī)械組成均以粉粒與黏粒為主,天然次生林砂粒含量高于五花草塘,且在40—60 cm土層砂粒含量明顯增加。0—100 cm土層范圍內(nèi),天然次生林和五花草塘土壤質(zhì)地類型表現(xiàn)為黏壤土;而100—140 cm土層內(nèi)粉粒與黏粒總量均在90%以上,土壤質(zhì)地類型表現(xiàn)為粉質(zhì)黏壤土。

(3) 未開墾黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WAS>0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均隨土層深度增加先降低后增加,團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)呈相反趨勢。五花草塘0—10 cm土層土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)于天然次生林,表現(xiàn)為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量較多,且MWD與GMD較大,但D差異不明顯;而在10—80 cm土層范圍內(nèi)天然次生林土壤結(jié)構(gòu)表現(xiàn)較好。

(4) 天然次生林土壤物理性狀在0—10 cm土層表現(xiàn)最優(yōu),在40—60 cm土層表現(xiàn)最差;五花草塘土壤物理性狀整體上隨土層的加深,表現(xiàn)越差;天然次生林0—40 cm土層土壤物理性狀要優(yōu)于五花草塘,說明天然次生林對0—40 cm土層土壤物理性狀有更好的改善效果,但在40—80 cm土層五花草塘表現(xiàn)更優(yōu)。