萬 欣, 張帥文, 張潤琴, 李志國, 陳 鵬, 邢順林, 劉 毅

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

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

土地利用改變是自然作用與人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果,土地利用方式改變會(huì)影響土壤團(tuán)聚體的形成和粒徑組成,進(jìn)而造成土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異[6],使得C、N元素在土壤團(tuán)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(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定性。例如,Blankinship等[7]發(fā)現(xiàn)草地退化會(huì)使土壤團(tuán)聚體由大團(tuán)聚體(2～9 mm)轉(zhuǎn)變?yōu)樾F(tuán)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(fā)現(xiàn)人工林和次生林的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好,而旱地穩(wěn)定性較差。大粒級團(tuán)聚體對于土地利用類型較為敏感,而小粒級團(tuán)聚體相對穩(wěn)定[9]。合理的土地利用方式可以增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、增強(qiáng)土壤固碳水平并提高生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力與生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)的敏感脆弱地帶,對我國甚至整個(gè)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有助于增強(qiáng)青藏高原的土壤肥力和土壤抗蝕性,并改善其生態(tài)環(huán)境[11]。目前土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性特征的研究主要集中在東北平原[12]和黃土高原地區(qū)[13]。由于青藏高原的環(huán)境惡劣性(比如:氣候寒冷和海拔高),土壤團(tuán)聚體相關(guān)研究結(jié)果普適性有待進(jìn)一步驗(yàn)證,尤其是土地利用方式如何影響土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性的研究十分匱乏。鑒于此,本文結(jié)合野外調(diào)查與室內(nèi)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,研究青藏高原5種主要土地利用方式(農(nóng)田、人工林、濕地、灌叢、裸地)對土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性特征的影響,以期為科學(xué)認(rèn)識高寒地區(qū)土壤資源的合理利用及調(diào)控管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(shí)數(shù)約為3 021 h,年降雨量自西北至東南為50～5 000 mm。西藏地區(qū)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(zhì)風(fēng)化程度低。

1.2 試驗(yàn)采樣

于2021年8月自藏南谷地經(jīng)拉薩至阿里沿線約1 500 km進(jìn)行野外調(diào)查采樣,根據(jù)土地利用方式等選取農(nóng)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(gè)采樣區(qū)域內(nèi)對每一種土地利用類型都布置采樣點(diǎn),并于6個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行重復(fù)采樣,總樣品數(shù)為30個(gè)。每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)按S型多點(diǎn)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(fēng)干后除去植物殘?bào)w及小石塊后備用。采樣點(diǎn)信息見表1。

表1 采樣點(diǎn)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成,濕篩法測定水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成。干篩選取的5個(gè)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(gè)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(jī)質(zhì)含量,以土壤有機(jī)碳與有機(jī)質(zhì)1.724的換算系數(shù)計(jì)算土壤有機(jī)質(zhì);采用全自動(dòng)有機(jī)元素分析儀(Vario macro cube)測定土壤TN及C∶N值。

1.4 土壤團(tuán)聚體各穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算

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

(1)

(2)

(3)

(4)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和Origin等對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和繪圖。采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Pearson法分析指標(biāo)間相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體組成分析

不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體組成如圖1所示。從機(jī)械穩(wěn)定性來看,農(nóng)地以>5 mm粒級團(tuán)聚體占比最高(達(dá)37.33%),林地和濕地以<1 mm和>5 mm粒級團(tuán)聚體為主,灌叢和裸地則以<1 mm粒級團(tuán)聚體占比最高(高達(dá)80%以上)。其中0.25～1 mm粒級團(tuán)聚體在農(nóng)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(tuán)聚體在處理間無顯著差異。從水穩(wěn)定性團(tuán)聚體來看,農(nóng)田、濕地和灌叢土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體優(yōu)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(wěn)性團(tuán)聚體優(yōu)勢粒徑為0.25～1 mm;各土地利用方式下均以1～2 mm團(tuán)聚體含量最低。此外,>2 mm的大團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為濕地最多(12.7%),裸地最少(2.32%),0.25～1 mm粒級團(tuán)聚體表現(xiàn)為裸地>林地>農(nóng)田>灌叢>濕地,0.053～0.25 mm與<0.053 mm粒級團(tuán)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(jī)械(干篩)和水(濕篩)穩(wěn)定性團(tuán)聚體的粒級分布

2.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析

土壤中的大團(tuán)聚體是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ),通常大團(tuán)聚體含量R>0.25越高,土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[16]。由圖2可知,機(jī)械穩(wěn)定性R>0.25表現(xiàn)為農(nóng)田(82.0%)>濕地(74.0%)>灌叢(70.9%)>人工林(66.6%)>裸土(60.8%)。水穩(wěn)定性R>0.25表現(xiàn)為人工林(57.2%)>裸土(49.1%)>濕地(44.7%)>灌叢(43.6%)>農(nóng)田(35.6%)(p<0.05),說明人工林條件下的土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性較好。團(tuán)聚體破壞率(PAD)是表征土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo),其數(shù)值越小土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)。農(nóng)田土壤團(tuán)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(nóng)田,這說明人工林土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好。

圖2 不同土地利用方式下土壤機(jī)械(干篩)和水(濕篩)穩(wěn)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(tuán)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(tuán)聚體直徑分析的常用指標(biāo),MWD和GMD值的大小與土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性呈正相關(guān)。從圖3看出,在干篩條件下,5種土地利用方式下MWD表現(xiàn)為:農(nóng)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(nóng)田顯著高于灌叢和裸土(p<0.05);GMD表現(xiàn)規(guī)律與MWD情況基本一致,但僅農(nóng)田和裸土差異達(dá)到了顯著水平(p<0.05)。對于水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,各土地利用方式下MWD表現(xiàn)為:濕地(0.79 mm)>人工林(0.72 mm)>灌叢(0.53 mm)>農(nóng)田(0.52 mm)>裸土(0.46 mm);GMD表現(xiàn)為:濕地(0.35 mm)>人工林(0.35 mm)>裸土(0.29 mm)>灌叢(0.28 mm)>農(nóng)田(0.20 mm)。以上結(jié)果說明,濕地和人工林對團(tuán)聚體水穩(wěn)定性直徑具有顯著的促進(jìn)作用;而對農(nóng)田土壤來說,盡管其顯著增加了團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性直徑,但明顯降低了水穩(wěn)定性團(tuán)聚體直徑。

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

2.4 土壤有機(jī)碳、全氮含量

土壤中碳、氮含量及pH值等是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)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(xiàn)為濕地>農(nóng)田>人工林>灌叢>裸土,其中裸土的土壤氮含量顯著低于農(nóng)田(p<0.05);土壤的C∶N表現(xiàn)為裸土>灌叢>人工林>濕地>農(nóng)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(guān)(p<0.05),**表示因子間極顯著相關(guān)(p<0.01)。

2.5 土壤團(tuán)聚體組成與各參數(shù)間相關(guān)性分析

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

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

3 討 論

土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和組成可反映土壤、通透性、持水性、孔隙性和養(yǎng)分供儲能力[17]。理想的土壤團(tuán)聚體組成可促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,有利于提高土地生產(chǎn)力。環(huán)境因子和成土過程深刻影響著土壤團(tuán)聚體的形成、穩(wěn)定及大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體之間的轉(zhuǎn)化和再分布[18]。本研究結(jié)合干濕篩方法對高寒地區(qū)不同土地利用方式土壤團(tuán)聚體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),無論是機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體還是水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,均以<0.25 mm粒級的微團(tuán)聚體在土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。其主要原因有兩個(gè)方面,一方面是高寒地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低,另一方面是由于高寒地區(qū)是典型土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的區(qū)域,土壤較為貧瘠,且所處環(huán)境惡劣,海拔較高,易受凍融交替作用影響[12],從而降低大團(tuán)聚體含量,使團(tuán)聚體在凍融交替過程中容易破碎,較大粒徑的團(tuán)聚體比例降低,這與Niu等[19]研究結(jié)果一致。

土地利用方式改變導(dǎo)致的植被類型變化會(huì)深刻影響土壤質(zhì)量和微生物活性,進(jìn)而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和粒徑分布具有明顯差異[20]。本研究結(jié)果表明,農(nóng)田耕作使土壤機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體增加,機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體R>0.25和直徑指數(shù)MWD和GMD顯著高于其他的土地利用方式,其原因可能是農(nóng)業(yè)活動(dòng)加速了土壤熟化,有利于土壤團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn),進(jìn)而促進(jìn)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成。而對于水穩(wěn)定團(tuán)聚體,農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性指標(biāo)明顯降低,而且農(nóng)田土壤團(tuán)聚體破碎率顯著高于其他土地利用方式的土壤,可見農(nóng)田土壤增加了機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體經(jīng)過濕篩后的破碎率,說明農(nóng)田土壤增加的土壤大團(tuán)聚體并不具有水穩(wěn)定性,可能是農(nóng)耕地受人為干擾較大,土壤結(jié)構(gòu)容易遭到破壞,故而未形成穩(wěn)定的膠結(jié)作用,丁俊男等[21]的研究中也有相似現(xiàn)象。此外,本研究結(jié)果也表明,高寒地區(qū)人工林和濕地的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性水平都相對較好,這可能是由于這些區(qū)域具有較好的植被覆蓋,特別是濕地土壤中具有發(fā)達(dá)的植物根系,根系分泌物產(chǎn)生的高分子黏質(zhì)可促進(jìn)土壤顆粒的團(tuán)聚化,提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和抗腐蝕性[22]。人工林區(qū)域產(chǎn)生凋落物較多,易促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的形成,提高了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性具有相似的結(jié)果,但灌叢的凋落物和根系分泌物相對多,有機(jī)質(zhì)輸入量大,其團(tuán)聚體穩(wěn)定性略高于裸地。

土壤有機(jī)質(zhì)與土壤團(tuán)聚體的形成與周轉(zhuǎn)息息相關(guān)。一方面,土壤團(tuán)聚體是土壤有機(jī)質(zhì)固定的主要場所;另一方面,在土壤團(tuán)聚體形成過程中有機(jī)質(zhì)通過與微團(tuán)聚體、礦物質(zhì)組分結(jié)合形成新的更大級別的團(tuán)聚體。相關(guān)性分析結(jié)果表明,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤SOC,TN均呈現(xiàn)顯著正相關(guān),進(jìn)一步驗(yàn)證了土壤團(tuán)聚體形成與有機(jī)質(zhì)固定是一個(gè)互相促進(jìn)的過程[24],土壤有機(jī)碳含量越高,其團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高,提高有機(jī)碳含量有利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增強(qiáng)[11]。此外機(jī)械穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體MWD和GMD值與各粒徑團(tuán)聚體含量皆呈明顯線性關(guān)系(除1～2 mm粒徑與MWD和GMD值相關(guān)性不顯著外,均達(dá)顯著水平),其正負(fù)相關(guān)性以1 mm為界。對于水穩(wěn)定性團(tuán)聚體,>2 mm和1～2 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體與MWD,GMD呈顯著正相關(guān),而0.053～0.25 mm粒徑的土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體與MWD,GMD呈顯著負(fù)相關(guān),其正負(fù)相關(guān)性以0.25 mm為界。本研究結(jié)果與姜敏等[25]的研究結(jié)果相似,進(jìn)一步確認(rèn)了水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的關(guān)鍵臨界點(diǎn)為0.25 mm。

4 結(jié) 論

本研究采用干篩法和濕篩法對團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)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(tuán)聚體穩(wěn)定性(R>0.25和PAD)、土壤團(tuán)聚體大小直徑(MWD和GMD)等主要指標(biāo)的差異,得出如下主要結(jié)論:

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

(2) 從團(tuán)聚體穩(wěn)定性來看,濕地和人工林對團(tuán)聚體水穩(wěn)定性具有顯著的促進(jìn)作用;農(nóng)田土壤具有較高的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體直徑,農(nóng)業(yè)耕種下土壤熟化形成的土壤團(tuán)聚體僅具有機(jī)械穩(wěn)定性,而不具有水穩(wěn)定性,PAD結(jié)果也進(jìn)一步確證了這一現(xiàn)象。

(3) 相關(guān)性分析結(jié)果表明,土壤團(tuán)聚體MWD,GMD值和土壤碳氮含量皆呈明顯線性關(guān)系。土壤團(tuán)聚體MWD,GMD值與各粒徑團(tuán)聚體含量總體上呈線性相關(guān),且對于機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體,1 mm是正負(fù)相關(guān)的臨界點(diǎn),水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的重要臨界點(diǎn)為0.25 mm。