周桐 潘鶴 張揚(yáng) 韓少杰 鮑鴻君 陳祥偉 夏祥友
(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040)(赤峰市紅山區(qū)城郊林場)(東北林業(yè)大學(xué))
土壤抗侵蝕特征,是指土壤抵抗侵蝕營力對(duì)其破壞、剝蝕、搬運(yùn)過程中表現(xiàn)出的特性[1-2],常用土壤抗沖性、抗蝕性等相關(guān)指標(biāo)量化和表征[3]。土壤抗侵蝕特征的變化,不僅取決于土壤本身內(nèi)在的物理化學(xué)屬性[4-5],而且還受區(qū)域氣候、地形地貌、土地利用方式以及開發(fā)利用強(qiáng)度等外部因素的影響[6-7]。作為特殊的土地利用類型,林草植被除經(jīng)濟(jì)功能外,還持續(xù)發(fā)揮著固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙等生態(tài)功能[8-9]。近期研究發(fā)現(xiàn),植被通過根系與凋落物等生物組分的作用,能夠直接影響土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及功能[10-11]。有關(guān)植被對(duì)土壤抗侵蝕能力的影響備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。
黑土耕地“量減質(zhì)退”的窘境[12],使黑土地保護(hù)與生態(tài)修復(fù)上升為國家戰(zhàn)略。為有效遏制黑土質(zhì)量與功能的退化,在東北黑土區(qū)先后開展了治理水土流失、恢復(fù)林草植被等生態(tài)建設(shè)工作,并取得了一定成效[13-15]。傳統(tǒng)的水土保持植被多受設(shè)計(jì)目標(biāo)的制約,導(dǎo)致其功能的發(fā)揮常以風(fēng)蝕阻控、水流調(diào)節(jié)、固持土壤等單一功能為主[16-17],不僅忽視了其經(jīng)濟(jì)功能而且限制了土地利用效率的發(fā)揮[18-19]。以不降低植被的防護(hù)功能為前提,實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與生態(tài)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展,構(gòu)建生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益兼顧的多功能水土保持植被成為水土保持生態(tài)建設(shè)的發(fā)展方向。為此,本研究以配置的“銀中楊(Populusalba×P.berolinensis)+東風(fēng)菜(Asterscaber)”、“銀中楊+大葉芹(Pimpinellabrachycarpa)”、“銀中楊+老山芹(Ostericumsieboldii)”、“銀中楊+龍牙楤木(Araliaelata)”4種多功能水土保持植被樣地土壤為研究對(duì)象,以傳統(tǒng)水土保持植被銀中楊純林林地土壤為對(duì)照,以表層(0~10 cm)土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑、分形維數(shù)、水穩(wěn)性指數(shù)、抗沖系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析配置的多功能水土保持植被對(duì)黑土土壤抗侵蝕特征的影響。旨在為東北黑土區(qū)土壤侵蝕的防控與生態(tài)修復(fù)植被結(jié)構(gòu)配置的設(shè)計(jì)提供參考。
試驗(yàn)地位于典型黑土區(qū)的黑龍江省拜泉縣(東經(jīng)125°30′~126°31′,北緯47°20′~47°55′)。于2021年5月份,在2014年建立的“銀中楊(Populusalba×P.berolinensis)+東風(fēng)菜(Asterscaber)”、“銀中楊+大葉芹(Pimpinellabrachycarpa)”、“銀中楊+老山芹(Ostericumsieboldii)”、“銀中楊+龍牙楤木(Araliaelata)”4種配置的多功能水土保持植被林地以及傳統(tǒng)水土保持植被銀中楊純林林地,分別設(shè)置20 m×20 m樣地(見表1)。
表1 不同植被配置樣地基本特征
在每塊樣地內(nèi)機(jī)械布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)分別用環(huán)刀(100 cm3)和自制原狀土取樣器(20 cm×10 cm×8 cm)采集表層(0~10 cm)土壤樣品,各4個(gè)重復(fù),用于土壤物理性質(zhì)、抗蝕性、抗沖性指標(biāo)的測定。同時(shí),采集適量土壤樣品裝入采樣袋,風(fēng)干,挑出石礫和植物根系,過2 mm篩,用于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定。
選取孔徑分別為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm土壤篩組成套篩,借鑒文獻(xiàn)[20],采用濕篩法(WS1020型團(tuán)粒分析儀)測定5.00 mm≤d<10.00 mm、2.00 mm≤d<5.00 mm、1.00 mm≤d<2.00 mm、0.50 mm≤d<1.00 mm、0.25 mm≤d<0.50 mm、d<0.25 mm粒級(jí)(d)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在此基礎(chǔ)上,借鑒文獻(xiàn)[21]~[23],分別計(jì)算了粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wa1)、平均質(zhì)量直徑(DMW)、分形維數(shù)(D)等土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo):
wa1=(mc/mc,t)×100%;
式中:wa1為粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以%計(jì));mc為粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量(單位為g),mc,t為團(tuán)聚體總質(zhì)量(單位為g);DMW為土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(單位為mm),Di為i粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑(單位為mm),wi為i粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量比例(以%計(jì))。
土壤水穩(wěn)性指數(shù)采用靜水崩解法測定。選取25粒干篩土粒(粒級(jí)7~10 mm)置于孔徑為5 mm的篩網(wǎng)上,放置在靜水中并開始計(jì)時(shí),每1 min記錄1次崩解土粒數(shù),試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為10 min,重復(fù)4次。采用公式K=[(∑PiKi)+P10]/A計(jì)算土壤水穩(wěn)性指數(shù)[24]。式中:K為土壤水穩(wěn)性指數(shù);Pi為i時(shí)間崩解的土粒數(shù);Ki為i時(shí)間的校正系數(shù);i=1、2、3、…、10;Ki=5%、10%、15%、…、95%;P10為10 min內(nèi)未崩解的土粒數(shù);A為試驗(yàn)總土粒數(shù)。
土壤抗沖性采用原狀土沖刷水槽法測定[2]。借鑒文獻(xiàn)[25],沖刷水槽的坡度設(shè)置為5°,根據(jù)區(qū)域年平均降水量沖刷流量換算為2 L/min。原狀土經(jīng)24 h浸水飽和處理后靜置2 h,去除土壤重力水,用于沖刷試驗(yàn)。從沖刷槽的出口產(chǎn)流開始計(jì)時(shí),試驗(yàn)前3 min每隔1 min收集水沙混合樣1次,此后每隔2 min收集水沙混合樣1次,沖刷時(shí)間設(shè)計(jì)為9 min。沖刷試驗(yàn)結(jié)束后,將水沙混合樣澄清至泥沙完全沉淀,并轉(zhuǎn)移至鋁盒中,105 ℃烘干稱質(zhì)量。土壤抗沖性采用抗沖系數(shù)(CI)表示,計(jì)算公式[26]為CI=q·t/ms。式中:CI為土壤抗沖系數(shù)(單位為L·g-1);q為沖刷流量(單位為L·min-1);t為沖刷時(shí)間(單位為min);ms為沖刷產(chǎn)生的泥沙干質(zhì)量(單位為g)。
土壤密度、孔隙度采用環(huán)刀法測定[27],并計(jì)算非毛管孔隙度(PNC)/毛管孔隙度(PC)。土壤有機(jī)質(zhì)中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),均采用元素分析儀(科斯泰克元素燃燒系統(tǒng)4024,意大利)測定。參考Wang et al.[28]的方法計(jì)算土壤三相指數(shù)(ITSP):ITSP=[(φs-25)φLφg]0.476 9。式中,φs為固相體積分?jǐn)?shù),φL為液相體積分?jǐn)?shù),φg為氣相體積分?jǐn)?shù)。
用Excel 2016和Origin 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用SPSS 23軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用單因素方差分析、最小顯著差異法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn),用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)分析方法進(jìn)行指標(biāo)相關(guān)性分析。
已有研究認(rèn)為,土壤中粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),比粒徑大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),更能有效量化和表征黑土土壤抗蝕性的變化[29]。本研究結(jié)果表明,配置的4種多功能水土保持植被,表層土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù),差異顯著,變化范圍在12.25%~36.09%之間(見表2)。與銀中楊純林樣地相比,“銀中楊+東風(fēng)菜”、“銀中楊+大葉芹”、“銀中楊+老山芹”3種配置的多功能水土保持植被樣地,土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著增加(P<0.05);而“銀中楊+龍牙楤木”樣地,土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與銀中楊純林樣地的無顯著差異。不同配置的多功能水土保持植被各樣地中,“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大、“銀中楊+龍牙楤木”樣地土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小,相互之間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。
配置的4種多功能水土保持植被樣地,表層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑變化范圍在0.59~1.30 mm之間,并以“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地的最高、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的最低(見表2)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,不同配置的多功能水土保持植被樣地,表層土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑均存在差異顯著(P<0.05);但與銀中楊純林樣地相比,“銀中楊+東風(fēng)菜”、“銀中楊+大葉芹”、“銀中楊+老山芹”3種配置的多功能水土保持植被樣地,土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑顯著增加(P<0.05)。這種變化,與土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律基本一致。
配置的4種多功能水土保持植被樣地,表層土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)變化范圍在2.66~2.81之間,與土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的變化規(guī)律截然相反,多功能水土保持植被降低了表層土壤團(tuán)聚體分形維數(shù),并且“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地的最低(見表2)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,“銀中楊+東風(fēng)菜”、“銀中楊+大葉芹”2種配置的多功能水土保持植被樣地的土壤團(tuán)聚體分形維數(shù),不僅顯著小于銀中楊純林樣地的,而且顯著低于“銀中楊+老山芹”、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的(P<0.05);“銀中楊+老山芹”、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的土壤團(tuán)聚體分形維數(shù),與銀中楊純林樣地的則差異不著。
配置的4種多功能水土保持植被樣地,表層土壤水穩(wěn)性指數(shù)變化范圍在0.47~0.96之間,與土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的變化規(guī)律相近,多功能水土保持植被增加了表層土壤水穩(wěn)性指數(shù)(見表2)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,配置的4種多功能水土保持植被,均比銀中楊純林顯著提高了土壤水穩(wěn)性指數(shù)(P<0.05);不同配置的多功能水土保持植被樣地,土壤水穩(wěn)性指數(shù)差異顯著(P<0.05),4種植被樣地,土壤水穩(wěn)性指數(shù)由大到小依次為“銀中楊+老山芹”樣地、“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地、“銀中楊+大葉芹”樣地、“銀中楊+龍牙楤木”樣地。
由表2可見:配置的4種多功能水土保持植被樣地,表層土壤抗沖系數(shù)變化范圍在2.11~6.48 L·g-1之間,且“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地的土壤抗沖系數(shù)最大、“銀中楊+龍牙楤木”樣地的土壤抗沖系數(shù)最低。統(tǒng)計(jì)分析表明,僅有“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地土壤抗沖系數(shù)顯著高于銀中楊純林樣地的(P<0.05);不同配置的多功能水土保持植被樣地之間,除“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地與“銀中楊+龍牙楤木”樣地間土壤抗沖系數(shù)存在顯著差異外(P<0.05),其他樣地之間均不顯著。
表2 各樣地土壤抗侵蝕特征參數(shù)的測定結(jié)果
土壤抗蝕性,是指土壤抵抗外營力對(duì)其分散和破壞的能力,常用土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、水穩(wěn)性指數(shù)等指標(biāo)表征[4-5]。土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑越大,分形維數(shù)越小,則土壤團(tuán)聚體的不同粒徑團(tuán)聚度越高,團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,土壤的抗蝕性則越強(qiáng)[30-31]。本研究表明,與銀中楊純林相比,“銀中楊+東風(fēng)菜”、“銀中楊+大葉芹”2種配置的多功能水土保持植被,不僅顯著增加了土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù),而且顯著降低了團(tuán)聚體分形維數(shù);“銀中楊+老山芹”則顯著增加了土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù);“銀中楊+龍牙楤木”僅顯著增加了土壤水穩(wěn)性指數(shù)。以上結(jié)果表明,多功能水土保持植被均可提高表層土壤的抗蝕性,其中通過提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性而增強(qiáng)土壤抗蝕性的能力,“銀中楊+東風(fēng)菜”、“銀中楊+大葉芹”相對(duì)較強(qiáng),“銀中楊+龍牙楤木” 相對(duì)較弱。
為了進(jìn)一步分析配置不同的多功能水土保持植被樣地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異的主要原因,本研究將土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性分析(見表3)。結(jié)果表明,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),與粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體最重要的膠結(jié)劑,能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,土壤中粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑越高,分形維數(shù)越小[11,20]。因此,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),是導(dǎo)致上述配置不同植被樣地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗蝕性產(chǎn)生差異的主要原因。也有研究表明,地表的凋落物和根系分布均會(huì)影響土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性,進(jìn)而影響土壤抗蝕性的強(qiáng)弱[13,15]。這主要是因?yàn)椋环矫?,地表凋落物以及土壤表層植物根系的分解,增加了土壤中的有機(jī)質(zhì),且根系在土壤中的穿插纏繞也能夠增加土壤的孔隙度,從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成;另一方面,林地較多的凋落物和較大的地表覆蓋度,能防止雨水對(duì)土壤表層的直接擊濺侵蝕,從而保存了大團(tuán)聚體的含量,使其團(tuán)聚體更加穩(wěn)定,土壤抗蝕性增強(qiáng)[21]。因此,本研究中,“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性更高,也可能是因?yàn)槠淞謨?nèi)地表覆蓋度、凋落物以及根系密度,大于其它3種植被配置所導(dǎo)致的,需進(jìn)一步研究。
水穩(wěn)性指數(shù),反映了土壤團(tuán)聚體在靜水中分散、崩解的程度,其值越大,土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定,土壤抗蝕性越強(qiáng)[4]。通過對(duì)土壤水穩(wěn)性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果表明(見表3),土壤水穩(wěn)性指數(shù)與土壤三相指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤三相指數(shù)作為描述土壤結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo),能夠反映出土壤的三相結(jié)構(gòu)綜合狀態(tài),土壤三相指數(shù)值越高,土壤結(jié)構(gòu)越好[28]。因此導(dǎo)致土壤水穩(wěn)性指數(shù)增大,土壤抗蝕性增強(qiáng)。
土壤抗沖性,是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其抗侵蝕特征的重要指標(biāo)[26]。土壤抗沖系數(shù)越大,表明單位時(shí)間內(nèi)徑流帶走的泥沙越小,土壤抵抗徑流分離和搬運(yùn)的作用越強(qiáng)[32]。本研究結(jié)果表明,僅有“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地土壤抗沖系數(shù)顯著高于銀中楊純林樣地的;配置的不同多功能水土保持植被樣地,除“銀中楊+東風(fēng)菜”樣地與“銀中楊+龍牙楤木”樣地間土壤抗沖系數(shù)存在顯著差異外,其他樣地之間的差異均不顯著。這表明,“銀中楊+東風(fēng)菜”可顯著提高表層土壤的抗沖性,而其它配置的多功能水土保持植被對(duì)土壤抗沖性的提高不顯著。通過土壤抗沖系數(shù)與土壤基本理化性質(zhì)、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果表明(見表3),土壤抗沖系數(shù),與土壤中粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑呈極顯著正相關(guān),與分形維數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。沙小燕等[26]研究認(rèn)為,土壤抗沖系數(shù)與水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量呈極顯著指數(shù)遞增函數(shù)關(guān)系,并認(rèn)為土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量可以較好地反映土壤的抗沖性能。郭明明等[32]研究了黃土高塬溝壑區(qū)不同植被恢復(fù)年限(0~28 a)的坡面土壤抗沖性的變化,結(jié)果表明,土壤抗沖系數(shù)與平均質(zhì)量直徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。分析原因,主要是因?yàn)橥寥乐辛酱笥?.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均質(zhì)量直徑越大,分形維數(shù)越小,則土壤中團(tuán)聚體的團(tuán)聚度高,土壤顆粒間黏聚力越大,土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性越好,土壤抵抗徑流分離和搬運(yùn)的能力和抗沖性越高,因此導(dǎo)致了不同配置的多功能水土保持植被樣地間土壤抗沖性的差異。
表3 土壤理化性質(zhì)與土壤抗侵蝕性指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)(n=15)
在研究區(qū)域和田間試驗(yàn)條件,多功能水土保持植被提高了表層土壤的抗蝕性與抗沖性,改善了土壤抗侵蝕特征、增強(qiáng)了土壤的抗侵蝕能力。增加土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù),降低水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù),可提升土壤抗蝕性;表層土壤抗沖系數(shù)的增大,可提升土壤抗沖性。相對(duì)土壤抗沖性而言,多功能水土保持植被,對(duì)土壤抗蝕性的變化、抗侵蝕能力的影響更為敏感。不同配置的多功能水土保持植被,對(duì)黑土表層土壤抗侵蝕特征的影響程度不同?!般y中楊+東風(fēng)菜”的配置,不僅能夠顯著提高表層土壤的抗沖性,而且能夠顯著增加土壤粒徑大于1.0 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均質(zhì)量直徑、水穩(wěn)性指數(shù),顯著降低水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù),顯著提高了土壤的抗蝕性。建議在黑土區(qū)多功能水土保持植被構(gòu)建設(shè)計(jì)中,優(yōu)先選擇“銀中楊+東風(fēng)菜”配置。