平原沙土區河岸帶不同植被類型對土壤團聚體穩定性的影響

王 磊, 劉晴廙, 史經攀, 李俊杰, 韓夢豪, 陳 斌, 陳 杭, 關慶偉

(1.南京林業大學 生物與環境學院, 南京 210037; 2.豐縣水利局, 江蘇 徐州 221799;3.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司, 江蘇 揚州 225127)

土壤團聚體是土壤顆粒在各種有機無機膠結劑作用下形成的基本土壤結構單元,其穩定性與土壤質量、抗蝕能力和固碳潛力密切相關[1-2]。不同植被類型因自身形態特征、地表凋落物和根系返還不同,導致土壤有機質輸入、微生物活性和理化性質存在差異,進而影響土壤團聚體形成和穩定[3-4]。An等[5]研究發現,森林和人工灌叢通過提高有機質水平增加原土壤團聚體穩定性。任榮秀等[6]研究表明,自然恢復和營造刺槐人工林可以促進表土層有機質累積,提高土壤團聚體結構穩定性。因此,有機碳是影響土壤團聚體穩定性的重要因素,但土壤團聚體不同粒徑有機碳含量存在差異,Ayoubi等[7]指出土壤大團聚體比例高與有機碳存量高有關。Wang等[8]研究表明,植被恢復15 a后土壤大團聚體有機碳含量最高,而李娟等[9]研究認為<0.25 mm微團聚體有機碳含量和活性有機碳含量最高。上述研究表明,團聚體不同粒徑有機碳分布及其對團聚體形成和穩定的影響尚不明確。此外,崔芯蕊等[10]研究表明根質量密度是團聚體穩定性最大的影響因子。章明奎等[11]指出,在土壤有機質水平較低時,鐵鋁氧化物是團聚體形成和穩定性的主要膠結物質。總體來說,土壤團聚體穩定性的影響與土壤有機碳及環境因素密切相關,但受成土母質和氣候條件等環境條件的影響,研究結果不盡相同。

江蘇省北部平原沙土區受黃河泛濫和沖擊的影響,發育形成了以潮土和風沙土為主的結構疏松、抗侵蝕能力弱的土壤類型,加之區域內降雨集中、降雨強度大以及長期以來對水土資源的過度利用,加劇了水土流失的進程[12]。河岸帶是陸地生態系統和水生生態系統之間的生態過渡帶,具有過濾污染物和防止水土流失的功能[13-14]。目前,對不同植被類型河岸帶研究主要集中于泥沙遷移[15]、氮磷淋失[16]和土壤理化指標等[17]方面,而對土壤團聚體穩定性與土壤有機碳分布及環境因素關系的研究缺乏深入討論。因此,明確造林初期不同植被類型下河岸帶土壤團聚體穩定性及影響因素,對提高河岸帶土壤顆粒黏聚力和抗蝕能力,降低沙土區水土流失具有重要意義。

為此,本文以豐縣復新河中游河岸帶楊樹(Populuseuramevicanacv.46)純林、柳樹(Salix×jiangsuensis“J172”)純林、楊柳混交林3種植被類型及對照為對象,探究土壤水穩性團聚體粒徑分布和穩定性指標及團聚體有機碳含量特征,旨在明晰不同植被類型下土壤團聚體穩定性及其影響因子,以期為提高平原沙土區河岸帶土壤團聚體穩定性和抗蝕能力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于江蘇省豐縣復新河中游(116°21′15″—116°52′03″E,34°24′25″—34°56′27″N),屬黃泛沖積平原,海拔34.5～48.2 m。屬暖溫帶季風氣候,四季分明,光照充足,雨量適中,雨熱同期,無霜期200 d左右。年均降雨量630.4 mm,年均氣溫15.3℃。試驗地土壤以微堿性潮土為主[18],土壤濕潤,土質分布均勻,周邊區域以農業為主。主要喬木樹種有楊樹、柳樹、泡桐(Paulowniatomentosa)、構樹(Broussonetiapapyrifera)、女貞(Ligustrumlucidum)。

1.2 樣地設置和采樣方法

試驗地為2006年河道整治形成地勢平坦的河岸緩沖帶,寬約40 m,長約6 km,沿河道依次營造長2 km林齡相同楊樹純林(PPP)、柳樹純林(PWP)和楊柳混交林(PWM)。楊樹品種為“46-楊”,柳樹品種為“蘇柳172”,林齡為15 a,初始營造密度為500株/hm2。楊樹純林、柳樹純林、楊柳混交林下皆有天然更新的灌木和草本,其中灌木主要有枸杞(Lyciumchinense)、苧麻(Boehmerianivea)等;草本植物主要有狗尾草(Setariaviridis)、沼生水馬齒(Callitrichepalustris)等。試驗地基本概況見表1。

采樣時間為2022年3月。每種植被類型分別設置3個面積為20 m×20 m的標準樣地,每個標準樣地間距大于300 m,根據試驗地踏勘情況,設置撂荒地為對照(CK),樣地布設同上,撂荒地植被以狗尾草等草本植物為主。在每個標準樣地中按“S”型選取5個采樣點挖取土壤剖面,去除地表凋落物,分0—20 cm,20—40 cm和40—60 cm 3個土壤層次分別采集土壤樣品,將各土層樣品充分混勻,作為該標準樣地的樣品,用于測定土壤基本理化性質。在每個采樣點以同樣方法分0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm 3個土壤層次分別采集原狀土500 g,裝在塑料盒中帶回實驗室,自然風干,并在風干過程中按自然結構剝成小土塊,并用鑷子除去土樣中的樹根和石塊。

風干后采用Elliot[19]的土壤團聚體濕篩法將200 g原狀土通過一套2 mm,0.25 mm和0.053 mm的3個篩子,得到>2 mm,0.25～2 mm,0.053～0.25 mm和<0.053 mm的4個粒徑團聚體組分,烘干后稱重,用于計算各組分的質量分數和團聚體穩定性指標。使用內徑為9 cm、高為20 cm的根鉆,在5個采樣點分3個土壤層次分別采集1份土芯,混合為一份裝袋,帶回實驗室用0.2 mm細篩淘洗,篩選出直徑<2 mm的細根。在每個標準樣地中隨機選取3個1 m×1 m的小樣方,收集各小樣方地表凋落物混合為該標準樣地的凋落物樣。

1.3 指標測定

土壤、凋落物和細根的全碳和全氮含量運用元素分析儀(Elementar Vario EL, Germany)測定,團聚體各粒徑有機碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定。其余土壤理化指標參考鮑士旦[20]的分析方法。容重和含水率采用環刀法測定,pH值采用電位法(水土比為2.5∶1)測定,全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定,土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法測定,土壤基本理化性質見表2。

表2 試驗地土壤理化性質Table 2 Physical and chemical properties of soil in the sample plots

1.4 數據處理和結果與分析

R0.25,MWD,GMD和D的計算方法見參考文獻[21-22]。用Excel 2019進行R0.25,MWD,GMD和D的計算和數據整理,用SPSS 21進行統計分析,用方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較土壤團聚體粒徑分布、團聚體穩定性和有機碳含量差異,統計圖用Origin 2018制作。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型下土壤團聚體粒徑組成

由圖1可知,試驗地3種植被類型和對照土壤水穩性團聚體含量在不同粒徑間存在差異,呈現隨粒徑減小而增大趨勢。試驗地土壤以<0.25 mm微團聚體為主,>2 mm和0.25～2 mm粒徑土壤團聚體含量范圍分別為4.76%～22.85%和13.10%～31.95%,在不同植被類型間均有顯著差異(p<0.05),表現為3種植被類型高于對照;其中>2 mm團聚體含量在各土層間均表現為楊樹純林>柳樹純林>楊柳混交林>對照。3種植被類型和對照>2 mm和0.25～2 mm粒徑土壤團聚體含量隨土層增加而降低,0.053～0.25 mm和<0.053 mm團聚體含量整體隨土層增加而增加。

注：不同大寫字母表示相同土層不同植被類型之間差異顯著(p<0.05)。不同小寫字母表示相同植被類型不同土層之間差異顯著(p<0.05),下同。

2.2 不同植被類型下土壤團聚體穩定性的差異

如圖2所示,濕篩法獲得的土壤水穩性團聚體R0.25,MWD和GWD范圍分別為20.00%～49. 67%,0.35～0.81 mm和0.13～0.37 mm,在不同植被類型間具有顯著性差異(p<0.05)。各土層R0.25,MWD和GMD表現出相似的變化趨勢。與對照相比,3種植被類型R0.25,MWD和GMD分別提高了41.77%～91.28%,29.89%～79.08%和37.60%～94.32%,其中楊樹純林提升效果最好。其中0—20 cm和40—60 cm土層均為楊樹純林提升效果最好,在20—40 cm土層表現為柳樹純林提升效果最好,3種植被間團聚體穩定性無顯著差異。隨土層降低,R0.25,MWD和GMD呈現降低趨勢,但在土層間無顯著性差異。分形維數D范圍為2.59～2.86,與對照相比,D分別降低了1.69%～5.77%;其中楊樹純林和柳樹純林與對照存在顯著性差異(p<0.05)。隨土層變化,D無明顯規律。

圖2 不同植被類型下土壤團聚體穩定性指標

2.3 不同植被類型下土壤團聚體有機碳含量特征

如圖3所示,3個土層深度土壤團聚體有機碳含量范圍為1.51～6.48 g/kg。與對照相比,3種植被類型下土壤團聚體有機碳含量提高了31.67%～71.68%,楊樹純林土壤團聚體有機碳含量顯著高于柳樹純林和楊柳混交林(p<0.05)。土壤團聚體有機碳含量隨粒徑降低而降低,說明大粒徑團聚體能保護更多的有機碳。

圖3 不同植被類型下土壤團聚體有機碳含量

0—20 cm土層土壤團聚體有機碳含量范圍為1.97～6.48 g/kg,3種植被類型各粒徑團聚體有機碳含量均高于對照。楊樹純林和柳樹純林>2 mm粒徑團聚體有機碳顯著高于楊柳混交林和對照(p<0.05)。20—40 cm和40—60 cm土層團聚體有機碳含量變化范圍分別為1.59～5.44 g/kg和1.51～3.75 g/kg,其中3種植被類型>2 mm和0.25～2 mm粒徑團聚體有機碳含量為柳樹純林>楊樹純林>楊柳混交林,且楊樹純林和柳樹純林均顯著高于對照(p<0.05)。

2.4 土壤團聚體穩定性和有機碳含量的相關性

如圖4所示,土壤團聚體穩定性與總有機碳含量(TOC)顯著相關。>2 mm和0.25～2 mm粒級團聚體有機碳含量與土壤團聚體穩定性的相關性大于0.25～2 mm和0.053～0.25 mm粒級團聚體有機碳含量,說明有機碳主要作用于大團聚體的形成和穩定。

圖4土壤團聚體穩定性指標與有機碳含量的相關關系

2.5 土壤團聚體穩定性和環境因子的相關性

由圖5可知,環境因子中細根生物量、全氮含量、碳氮比和土壤含水率是影響土壤團聚體穩定性重要指標。其中細根生物量和土壤全氮含量與R0.25、MWD、GMD呈正相關關系,與D呈負相關關系;土壤碳氮比和含水量與R0.25、MWD、GMD呈負相關關系,與D呈正相關關系。

圖5 土壤團聚體穩定性指標與環境因子的相關關系

3 討 論

3.1 不同植被類型對土壤團聚體粒徑分布的影響

本研究中,各植被類型下土壤團聚體主要以<0.25 mm的微團聚體形式存在,質量分數變化范圍為50.33%～80.00%,說明沙土區土壤穩定性較低,抗侵蝕能力較差,與胡磊等[23]在黃土丘陵區的研究結果一致。一般來說,土壤大團聚體含量與有機質呈正相關[24],本研究地為沙土區,土壤有機質水平較低(圖3),并且試驗地為河岸帶,土壤含水率較高,易受地表徑流侵蝕,不利于大團聚體的形成。本研究發現,植被覆蓋可以提高各土層大團聚體含量,促進了黏粉粒和微團聚向大團聚體轉變,這與劉雷等[25]研究結果一致。其原因主要是營造人工林增加了地表凋落物和細根生物量(表1),提高了土壤有機質水平,增加了土壤顆粒間的黏聚力[4],從而促進大團聚體的形成。此外,人工林具有較高的郁閉度和凋落物厚度(表1),可以通過林冠截留和凋落物覆蓋,降低雨水動能,避免水滴的擊濺侵蝕和地表徑流沖刷,減少了土壤大團聚體的破壞,同時植被恢復也降低了土壤含水率(表2和圖5),削弱了土壤顆粒表面的結合水膜,增加了土壤顆粒—水—空氣界面的粘附,從而促進了顆粒間的凝聚[26]。在3種植被類型中,楊樹純林>2 mm土壤團聚體質量分數最高,其原因是楊樹是速生喜濕樹種,對困難立地適應能力更強,河岸帶較高的土壤含水率也滿足了其水分需求,加速其生長,因此根系較其他兩種植被類型更為發達,通過根系交錯、纏繞和釋放分泌物提高了團聚體穩定性[27]。此外,楊樹純林較高的郁閉度造成林下光照弱,凈降雨量少,降低了土壤水分入滲和蒸發過程,削弱了干濕交替引發的土壤團聚體破碎[28]。

3.2 不同植被類型對土壤團聚體穩定性的影響

土壤團聚體穩定性指標MWD和GWD值越大,D值越低,表明土壤團聚度越高,土壤結構越穩定[22,29]。本研究發現3種植被類型均能提高土壤團聚體穩定性,其中楊樹純林提升效果最好。結合線性回歸分析,表明大團聚體有機碳含量是影響不同植被類型中團聚體穩定的主要因素(圖4)。團聚體形成需要有機質等膠結物質參與,大團聚體主要是微團聚體通過有機質膠結形成[1]。當土壤有機質含量較低時,鐵鋁氧化物的膠結作用起主導作用,而沙土區有機質水平較低。有研究發現[30],土壤氮素含量的不足會導致土壤有機碳礦化能力加強。楊樹純林中相對較高的土壤氮素含量無法刺激土壤有機碳的礦化,反而促進了土壤團聚體的穩定(圖5)。此外,楊樹純林降低了土壤碳氮比,有利于微生物生長發育,而微生物活動產生的多糖和疏水物質是團聚體形成的重要膠結物質[31],能夠將土壤小顆粒黏聚成較大的團聚體,有效提高土壤團聚穩定性(表2和圖5)。0—20 cm土層楊樹純林土壤團聚體穩定性最好,主要是因為楊樹純林根系主要集中于地表,且有更多的枯枝落葉,表土層有機碳含量更高,隨著土層加深,地表凋落物影響降低,柳樹純林較深的根系及分泌物可能提供了更高的土壤有機質含量,從而使得20—40 cm土層柳樹純林團聚體穩定性更高。本研究中,土壤團聚體穩定性隨土層加深呈下降趨勢,這是因為凋落物和根系主要集中于地表,使得表層土壤有機質含量較高,有利于團聚體的形成和穩定,隨土層加深,有機質水平下降,團聚體穩定性下降。

3.3 不同植被類型對土壤團聚體有機碳的影響

相同立地條件下,植被自身生物學和生態學特性對土壤有機碳的積累和含量影響顯著[32]。研究區3種植被類型中,楊樹純林生長狀況最好,郁閉度最高,地上凋落物生物量高于其他植被類型,在提高土壤有機碳輸入的同時減少雨水對土壤團聚體的侵蝕破壞,降低了團聚體中有機碳的周轉速率[33],因此楊樹純林團聚體有機碳含量顯著高于柳樹純林和混交林。3種植被類型和對照凋落物和根系多分布于表層,分解產出的有機質多集中于表層,隨土層增加,各粒徑團聚體有機碳含量有所下降。土壤團聚體各粒徑有機碳分布反映了團聚體對有機碳的保護作用[34]。3種植被類型土壤團聚體有機碳含量均表現為>2 mm大團聚體有機碳含量最高,這與王冰等[3]研究結果一致。因為植被提高土壤有機碳含量促進微團聚體形成大團聚體的同時,使得有機碳向大團聚體集中,且大團聚體的形成有助于微團聚體更好地保護顆粒有機質。

4 結 論

綜上所述,楊樹純林通過增加凋落物和細根生物量提高土壤有機碳含量,促進了大團聚體形成,并且其高郁閉度和豐富的地表凋落物降低了雨水對土壤的擊濺侵蝕、地表徑流沖刷作用,減少了大團聚體的破壞。楊樹純林也通過增加土壤氮含量,降低土壤含水率和碳氮比,提高土壤團聚體穩定性。因此,在蘇北平原沙土區河岸帶植被構建中,楊樹純林更有利于提高河岸帶土壤團聚體穩定性,增加土壤抗蝕能力。