青藏高原不同土地利用方式土壤團聚體組成及穩定性特征

萬 欣, 張帥文, 張潤琴, 李志國, 陳 鵬, 邢順林, 劉 毅

(1.西藏大學 理學院, 拉薩 850000; 2.中國科學院 武漢植物園, 武漢 430074)

土壤結構通過影響水分流動、氣體交換、養分循環和土壤微生物的多樣性、活性進而影響土壤質量及其生態學功能[1]。作為土壤結構的基本單元,土壤團聚體組成與有機質含量也是表征土壤結構狀況和養分供儲能力的重要指標[2]。Tisdall等[3]將以粒徑250 μm的團聚體為界,將水穩性團聚體劃分為大團聚體(>250 μm,Macroaggregates)和微團聚體(<250 μm,Microaggregates),不同粒級團聚體在改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、增強土壤微生物活性等方面具有不同的作用[4]。評價土壤團聚體穩定性特征的常用指標主要為平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)以及大團聚體含量等。MWD,GMD和大團聚體含量越大,土壤團聚體的穩定性越好[5]。

土地利用改變是自然作用與人類活動共同作用的結果,土地利用方式改變會影響土壤團聚體的形成和粒徑組成,進而造成土壤團聚體穩定性的差異[6],使得C、N元素在土壤團聚體中重新組合和再分配。已有研究表明,土地利用方式能夠顯著影響土壤團聚體的形成與穩定性。例如,Blankinship等[7]發現草地退化會使土壤團聚體由大團聚體(2～9 mm)轉變為小團聚體(0.25～2 mm)。譚秋錦等[8]研究了喀斯特6種土地利用類型,發現人工林和次生林的土壤團聚體穩定性最好,而旱地穩定性較差。大粒級團聚體對于土地利用類型較為敏感,而小粒級團聚體相對穩定[9]。合理的土地利用方式可以增加土壤團聚體穩定性、增強土壤固碳水平并提高生態系統土壤肥力與生產力[10]。

青藏高原被稱為地球的第三極,位于中國西南部高寒地帶,是生態系統的敏感脆弱地帶,對我國甚至整個全球的氣候和氣象都具有重要影響。深入探究青藏高原的土壤結構穩定性有助于增強青藏高原的土壤肥力和土壤抗蝕性,并改善其生態環境[11]。目前土壤團聚體組成及其穩定性特征的研究主要集中在東北平原[12]和黃土高原地區[13]。由于青藏高原的環境惡劣性(比如:氣候寒冷和海拔高),土壤團聚體相關研究結果普適性有待進一步驗證,尤其是土地利用方式如何影響土壤團聚體組成及其穩定性的研究十分匱乏。鑒于此,本文結合野外調查與室內分析,采用干篩法、濕篩法分別測定不同土地利用方式下表層土壤的機械穩定性團聚體和水穩定性團聚體,研究青藏高原5種主要土地利用方式(農田、人工林、濕地、灌叢、裸地)對土壤團聚體組成和穩定性特征的影響,以期為科學認識高寒地區土壤資源的合理利用及調控管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于藏南谷地,平均海拔約4 000 m,年均氣溫-16～16℃,年日平均照時數約為3 021 h,年降雨量自西北至東南為50～5 000 mm。西藏地區由于氣候條件多寒冷、干旱,故而高原土壤的成土年齡晚、母質風化程度低。

1.2 試驗采樣

于2021年8月自藏南谷地經拉薩至阿里沿線約1 500 km進行野外調查采樣,根據土地利用方式等選取農田(青稞Hordeumvulgare或油菜Brassicacampestris)、人工林(主要樹種為白樺Betulaplatyphylla)、濕地、灌叢(香柏Sabinapingii和昌都錦雞兒Caraganachangduensis)、裸地(無植被覆蓋)共5種土地類型,在同一個采樣區域內對每一種土地利用類型都布置采樣點,并于6個區域內進行重復采樣,總樣品數為30個。每個樣點內按S型多點混合的原則采集0—20 cm土層的原狀土樣,除去雜草、根系、石塊等雜物,自然風干后除去植物殘體及小石塊后備用。采樣點信息見表1。

表1 采樣點信息Table 1 The basic information of sampling point

1.3 土壤樣品測定方法

采用沙維諾夫干篩法測定土壤機械穩定性團聚體組成,濕篩法測定水穩定性團聚體組成。干篩選取的5個粒級為:>5 mm,2～5 mm,1～2 mm,0.25～1 mm,<0.25 mm;濕篩選取的5個粒級為>2 mm,1～2 mm,0.25～1 mm,0.053～0.25 mm,<0.053 mm。采用電位法測定土壤pH值;采用K2CrO7外加熱法測定土壤有機質含量,以土壤有機碳與有機質1.724的換算系數計算土壤有機質;采用全自動有機元素分析儀(Vario macro cube)測定土壤TN及C∶N值。

1.4 土壤團聚體各穩定性指標計算

采用邱麗萍[14]和劉文利等[15]文獻中提到的方法計算土壤穩定性大團聚含量(R>0.25)、平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和土壤團聚體破壞率(PAD),具體計算公式為:

(1)

(2)

(3)

(4)

1.5 數據處理

采用Excel和Origin等對數據進行整理和繪圖。采用SPSS 20.0進行統計分析,采用Pearson法分析指標間相關性。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體組成分析

不同土地利用方式下土壤團聚體組成如圖1所示。從機械穩定性來看,農地以>5 mm粒級團聚體占比最高(達37.33%),林地和濕地以<1 mm和>5 mm粒級團聚體為主,灌叢和裸地則以<1 mm粒級團聚體占比最高(高達80%以上)。其中0.25～1 mm粒級團聚體在農田和濕地中的含量顯著低于其他土地利用方式;<0.25 mm粒級微團聚體在處理間無顯著差異。從水穩定性團聚體來看,農田、濕地和灌叢土壤水穩性團聚體優勢粒徑為0.053～0.25 mm,分布于44%～54%之間,而林地和裸地土壤水穩性團聚體優勢粒徑為0.25～1 mm;各土地利用方式下均以1～2 mm團聚體含量最低。此外,>2 mm的大團聚體含量表現為濕地最多(12.7%),裸地最少(2.32%),0.25～1 mm粒級團聚體表現為裸地>林地>農田>灌叢>濕地,0.053～0.25 mm與<0.053 mm粒級團聚體在處理間均無顯著差異。

圖1 不同土地利用方式下土壤機械(干篩)和水(濕篩)穩定性團聚體的粒級分布

2.2 土壤團聚體穩定性分析

土壤中的大團聚體是維持土壤結構穩定的基礎,通常大團聚體含量R>0.25越高,土壤結構越穩定[16]。由圖2可知,機械穩定性R>0.25表現為農田(82.0%)>濕地(74.0%)>灌叢(70.9%)>人工林(66.6%)>裸土(60.8%)。水穩定性R>0.25表現為人工林(57.2%)>裸土(49.1%)>濕地(44.7%)>灌叢(43.6%)>農田(35.6%)(p<0.05),說明人工林條件下的土壤團聚體水穩定性較好。團聚體破壞率(PAD)是表征土壤結構穩定性的重要指標,其數值越小土壤結構穩定性越強。農田土壤團聚體濕篩后PAD最高,為53.6%,濕地和灌叢的PAD分布35.2%～36.7%,而人工林的PAD顯著低于農田,這說明人工林土壤團聚體穩定性最好。

圖2 不同土地利用方式下土壤機械(干篩)和水(濕篩)穩定性R>0.25含量及其PAD Fig. 2 Stability of R>0.25 content and PAD of soil machinery (dry screen) and water (wet screen) under different land use types

2.3 土壤團聚體直徑分析

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是土壤團聚體直徑分析的常用指標,MWD和GMD值的大小與土壤團聚體的穩定性呈正相關。從圖3看出,在干篩條件下,5種土地利用方式下MWD表現為:農田(3.60 mm)>濕地(2.69 mm)>人工林(2.14 mm)>灌叢(0.88 mm)>裸土(0.71 mm),其中農田顯著高于灌叢和裸土(p<0.05);GMD表現規律與MWD情況基本一致,但僅農田和裸土差異達到了顯著水平(p<0.05)。對于水穩定性團聚體,各土地利用方式下MWD表現為:濕地(0.79 mm)>人工林(0.72 mm)>灌叢(0.53 mm)>農田(0.52 mm)>裸土(0.46 mm);GMD表現為:濕地(0.35 mm)>人工林(0.35 mm)>裸土(0.29 mm)>灌叢(0.28 mm)>農田(0.20 mm)。以上結果說明,濕地和人工林對團聚體水穩定性直徑具有顯著的促進作用;而對農田土壤來說,盡管其顯著增加了團聚體的機械穩定性直徑,但明顯降低了水穩定性團聚體直徑。

注：*表示因子間顯著相關(p<0.05),**表示因子間極顯著相關(p<0.01)。

2.4 土壤有機碳、全氮含量

土壤中碳、氮含量及pH值等是影響土壤團聚體穩定性的主要因子,由圖4可知,不同土地利用下的土壤SOC含量在14.6～41.2 g/kg,其中以濕地最高,裸土最低;土壤TN含量0.7～2.1 g/kg,表現為濕地>農田>人工林>灌叢>裸土,其中裸土的土壤氮含量顯著低于農田(p<0.05);土壤的C∶N表現為裸土>灌叢>人工林>濕地>農田。土壤pH分布在7.40～8.38,均為中性或弱堿性土壤。

注：*表示因子間顯著相關(p<0.05),**表示因子間極顯著相關(p<0.01)。

2.5 土壤團聚體組成與各參數間相關性分析

Pearson相關性分析表明,無論是機械穩定性團聚體還是水穩定性團聚體,其MWD與SOC和TN均呈顯著正相關,機械穩定性GMD與TN間以及水穩定性GMD與SOC間也存在顯著正相關,這說明土壤SOC和TN含量越高,團聚體的MWD和GMD越大。對于機械穩定性團聚體組成(圖5A),2～5 mm,>5 mm粒徑的機械穩定性團聚體與MWD,GMD均呈顯著正相關,但<0.25 mm,1～0.25 mm粒徑的機械穩定性團聚體與MWD,GMD均呈顯著負相關,其正負相關性以1 mm團聚體粒級為界。對于水穩定性團聚體組成(圖5B),>2 mm,1～2 mm粒徑的水穩定性團聚體與MWD,GMD呈顯著正相關,而0.053～0.25 mm粒徑的土壤水穩定性團聚體與MWD,GMD呈顯著負相關,其正負相關性以0.25 mm為界。

注：圖中橢圓左傾斜和右傾斜分別對應正相關和負相關,顏色越深相關性越強,圖中*表示因子間顯著相關(p<0.05),**表示因子間極顯著相關(p<0.01)。

3 討 論

土壤團聚體的數量和組成可反映土壤、通透性、持水性、孔隙性和養分供儲能力[17]。理想的土壤團聚體組成可促進土壤結構穩定,有利于提高土地生產力。環境因子和成土過程深刻影響著土壤團聚體的形成、穩定及大團聚體和微團聚體之間的轉化和再分布[18]。本研究結合干濕篩方法對高寒地區不同土地利用方式土壤團聚體進行分析發現,無論是機械穩定性團聚體還是水穩定性團聚體,均以<0.25 mm粒級的微團聚體在土壤團粒結構中占主導地位。其主要原因有兩個方面,一方面是高寒地區土壤有機質含量較低,另一方面是由于高寒地區是典型土壤結構穩定性較差的區域,土壤較為貧瘠,且所處環境惡劣,海拔較高,易受凍融交替作用影響[12],從而降低大團聚體含量,使團聚體在凍融交替過程中容易破碎,較大粒徑的團聚體比例降低,這與Niu等[19]研究結果一致。

土地利用方式改變導致的植被類型變化會深刻影響土壤質量和微生物活性,進而導致土壤團聚體的穩定性和粒徑分布具有明顯差異[20]。本研究結果表明,農田耕作使土壤機械穩定性大團聚體增加,機械穩定性團聚體R>0.25和直徑指數MWD和GMD顯著高于其他的土地利用方式,其原因可能是農業活動加速了土壤熟化,有利于土壤團聚體的周轉,進而促進機械穩定性團聚體的形成。而對于水穩定團聚體,農田土壤團聚體的水穩定性指標明顯降低,而且農田土壤團聚體破碎率顯著高于其他土地利用方式的土壤,可見農田土壤增加了機械穩定性大團聚體經過濕篩后的破碎率,說明農田土壤增加的土壤大團聚體并不具有水穩定性,可能是農耕地受人為干擾較大,土壤結構容易遭到破壞,故而未形成穩定的膠結作用,丁俊男等[21]的研究中也有相似現象。此外,本研究結果也表明,高寒地區人工林和濕地的土壤團聚體穩定性水平都相對較好,這可能是由于這些區域具有較好的植被覆蓋,特別是濕地土壤中具有發達的植物根系,根系分泌物產生的高分子黏質可促進土壤顆粒的團聚化,提高土壤團聚體的穩定性和抗腐蝕性[22]。人工林區域產生凋落物較多,易促進有機質的形成,提高了土壤結構的穩定性[23]。青藏高原灌叢生境下的植株分布并不密集,生長于石礫較多的山坡上,幾乎無其他植物共存,因此本研究灌叢土壤與裸土基本類似,兩者團聚體組成和穩定性具有相似的結果,但灌叢的凋落物和根系分泌物相對多,有機質輸入量大,其團聚體穩定性略高于裸地。

土壤有機質與土壤團聚體的形成與周轉息息相關。一方面,土壤團聚體是土壤有機質固定的主要場所;另一方面,在土壤團聚體形成過程中有機質通過與微團聚體、礦物質組分結合形成新的更大級別的團聚體。相關性分析結果表明,土壤團聚體穩定性指標與土壤SOC,TN均呈現顯著正相關,進一步驗證了土壤團聚體形成與有機質固定是一個互相促進的過程[24],土壤有機碳含量越高,其團聚體穩定性越高,提高有機碳含量有利于土壤結構穩定性的增強[11]。此外機械穩定性土壤團聚體MWD和GMD值與各粒徑團聚體含量皆呈明顯線性關系(除1～2 mm粒徑與MWD和GMD值相關性不顯著外,均達顯著水平),其正負相關性以1 mm為界。對于水穩定性團聚體,>2 mm和1～2 mm粒徑的土壤水穩定性團聚體與MWD,GMD呈顯著正相關,而0.053～0.25 mm粒徑的土壤水穩定性團聚體與MWD,GMD呈顯著負相關,其正負相關性以0.25 mm為界。本研究結果與姜敏等[25]的研究結果相似,進一步確認了水穩定性團聚體的關鍵臨界點為0.25 mm。

4 結 論

本研究采用干篩法和濕篩法對團聚體穩定性進行了分析,對比分析了青藏高原不同土地利用方式下土壤團聚體穩定性(R>0.25和PAD)、土壤團聚體大小直徑(MWD和GMD)等主要指標的差異,得出如下主要結論:

(1) 對于青藏高原高寒地區,由于其土壤發育程度較低,難以形成穩定的大團聚體(>0.25 mm),干篩和濕篩獲得的土壤團聚體組成均以微團聚體(<0.25 mm)為主。

(2) 從團聚體穩定性來看,濕地和人工林對團聚體水穩定性具有顯著的促進作用;農田土壤具有較高的機械穩定性團聚體直徑,農業耕種下土壤熟化形成的土壤團聚體僅具有機械穩定性,而不具有水穩定性,PAD結果也進一步確證了這一現象。

(3) 相關性分析結果表明,土壤團聚體MWD,GMD值和土壤碳氮含量皆呈明顯線性關系。土壤團聚體MWD,GMD值與各粒徑團聚體含量總體上呈線性相關,且對于機械穩定性團聚體,1 mm是正負相關的臨界點,水穩定性團聚體的重要臨界點為0.25 mm。