不同降水下天然草地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征

王 婷，李建平,2，張 翼，井 樂，張 茹

（1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2. 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021）

良好的土壤結(jié)構(gòu)對土壤肥力及質(zhì)量，具有積極的作用[1-2]。土壤團(tuán)聚體是評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]，一方面其能協(xié)調(diào)土壤中的水、肥、氣、熱，穩(wěn)定土壤疏松熟化層，另一方面其結(jié)構(gòu)組成和形態(tài)穩(wěn)定(尤其是水穩(wěn)定性)對土壤肥力、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等方面具有重要影響[4]。因此，研究土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)組成及在不同土層的分布狀態(tài)是土壤肥力恢復(fù)和土壤質(zhì)量提高的重要內(nèi)容。通常用以評價土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)有分形維數(shù)(fractal dimension, D)、平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)；D是反映土壤團(tuán)聚體數(shù)量組成及質(zhì)地均一性的綜合性指標(biāo)，MWD與GMD值越大，團(tuán)聚體分布狀況與穩(wěn)定性越好[5-7]。

有研究表明，在降水條件下土壤團(tuán)聚體的破碎機(jī)制主要是消散作用和機(jī)械作用[8-9]，消散作用主要發(fā)生在降水初期，而降水過程中土壤團(tuán)聚體的破碎主要是因?yàn)橛甑螌Υ髨F(tuán)聚體的打擊破壞和徑流的搬運(yùn)過程[10-12]。曹丹妮等[13]利用人工降水研究降水強(qiáng)度對紅壤團(tuán)聚體流失的影響，結(jié)果表明，相同放水流量下，隨著降水強(qiáng)度增強(qiáng)，團(tuán)聚體的MWD和GMD呈增大趨勢，D呈減小趨勢；胡波等[14]指出土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在自然降水影響下也存在較大的動態(tài)變化，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體對降水很敏感；盧嘉等[15]通過模擬降水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流失團(tuán)聚體的MWD隨降水強(qiáng)度的增加而減小，反映了大雨條件下雨滴打擊對團(tuán)聚體的分散作用；周一楊等[16]研究發(fā)現(xiàn)，10 - 17 cm土層內(nèi)的MWD分別與0 - 10 cm和17 - 40 cm土層內(nèi)MWD的差異達(dá)到顯著水平(P ＜ 0.05)?；谕寥缊F(tuán)聚體對土壤的重要作用，大量學(xué)者對其展開研究[17-20]，但對不同降水梯度下天然草地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布則鮮有報導(dǎo)。為此，本研究以固原云霧山封育12年天然草地為研究對象，通過遮雨裝置模擬不同降水，分析表層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的變化，以期為評價該地區(qū)不同植被利用類型的土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)功能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)于寧夏回族自治區(qū)固原市東北部45 km處的云霧山國家自然保護(hù)區(qū)(106°21'-106°27' E，36°10'-36°17' N)，海拔 1 963 m，溫帶半干旱氣候區(qū)，為典型的半干旱氣候，植被類型為典型草原。年平均氣溫7 ℃，年平均降水量425 mm(1980-2018年的年平均值)，60%～75%的降水集中分布于夏季7 - 9月(冬季降雪占全年降水的1.2%)。土壤類型以山地灰褐土和黑壚土為主，水資源補(bǔ)給主要來源于大氣降水。優(yōu)勢作物為長芒草(Stipa bungeana)、大針茅 (Stipa grandis)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、伏毛山莓草(Sibbaldia adpressa)、豬毛蒿(Artesmisia scoparia)和西山委陵菜(Potentilla chinensis)等[21]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計與樣品采集

2017年5月在云霧山國家自然保護(hù)區(qū)(106°21'-106°27' E，36°10'-36°17' N)選取海拔、坡度和坡向相近的地段(表1)，建立水分控制裝置，分別模擬50%降水(減水)、150%降水(增水)和100%降水(正常降水) (圖1)，正常的氣候條件下，該地區(qū)的平均年降水量為425 mm，減水區(qū)平均實(shí)際降水為212.5 mm，增水區(qū)平均實(shí)際降水量為637.5 mm。50%降水區(qū)，利用V形透明塑料板將1/2降水進(jìn)行收集，并將降水收集于水箱；利用滴灌將收集水箱雨水即時滴灌至150%降水區(qū)，形成1.5倍增水區(qū)，如遇到降雪，將V形板上積雪均勻撒入150%降水區(qū)；每個水分控制小區(qū)(6 m × 6 m)四周利用1.2 m寬塑料板進(jìn)行水分隔離，地下埋藏深度1.1 m，防止水分?jǐn)U散，地上漏出10 cm阻止地表徑流。水分控制裝置如圖1所示。

表 1 樣地基本信息Table 1 Sample information

圖 1 試驗(yàn)設(shè)計示意圖Figure 1 Schematic diagram of experiment

于2018年5月，在100%、50%和150%降水試驗(yàn)區(qū)，各隨機(jī)選擇3個小區(qū)，每個小區(qū)隨機(jī)選取3個取樣點(diǎn)，用直徑6 cm原狀土-土鉆分別采取0 -10、10 - 20、20 - 30 cm土樣，3個取樣點(diǎn)同一土層土壤混合成一個土壤樣品，去除殘留的枯落物及混雜物，共27個樣品，取土?xí)r避免對土樣的過分?jǐn)_動，以免破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。將取好的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測定。

1.3 樣品的測定與計算

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定采用濕篩法[22]，即將500 g風(fēng)干土放入孔徑依次為 10、7、5、3、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，利用機(jī)械力分散收集各孔徑的力穩(wěn)定性團(tuán)聚體。計算各粒級團(tuán)聚體質(zhì)量比，再按比例將各孔徑力穩(wěn)定性團(tuán)聚體配成200 g，將其通過TTF-100 型土壤團(tuán)聚體分析儀的組合套篩，孔徑分別為5、3、2、1、0.5 和 0.25 mm，先用水緩慢濕潤10 min后，以每 40 r·min-1的頻率，振蕩20 min，將各篩上的團(tuán)聚體分別沖洗至鋁盒當(dāng)中在60 ℃下烘干，稱質(zhì)量[23]。

本研究采用楊培嶺等[24]建立的基于不同粒級重量分布的(1993)分型維數(shù)D的計算方法，計算公式：

對公式(1)兩邊取對數(shù)，得：

采用土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)來衡量團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。各指標(biāo)的計算方法如下[25]：

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用Excel 2010和SPSS22.0 (IBM Corporation,Aromonk, New York)統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析和多重比較LSD法(Least Significant Difference)，顯著性水平設(shè)定為P ＜ 0.05，用Origin 8.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降水量下天然草地淺層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

0 - 10 cm土層，以 ＜ 0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體為主，＞ 3 mm的團(tuán)聚體在100%降水量處理下顯著低于50%、150%降水量處理(P ＜ 0.05)；＜ 0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體在150%降水量處理下顯著低于100% 和 50% 降水處理 (P ＜ 0.05)；3～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體各降水量處理下差異不顯著(P ＞ 0.05) (圖2)。10 - 20 cm土層，以 ＜ 0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體為主，不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體各降水量處理下差異不顯著(P ＞ 0.05)。20 - 30 cm土層，以 ＜ 0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體為主，＞ 3 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體在150%降水量處理下顯著低于與50%降水量和100%降水量處理(P ＜0.05)；＜ 0.25 mm的團(tuán)聚體在50%降水量處理下顯著低于150%降水量和100%降水量處理(P ＜ 0.05)。

2.2 不同降水量下天然草地淺層土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)及評價參數(shù)

隨著降水量的減少或增加，天然草地淺層土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)都會增加(表2)。不同降水量下，土壤平均重量直徑(MWD)最低出現(xiàn)在100%降水10 - 20 cm土層，為0.95；最高出現(xiàn)在50%降水20 - 30 cm土層，為1.26。幾何平均直徑(GMD)最低出現(xiàn)在150 %降水0 - 10 cm土層，為1.14；最高出現(xiàn)在100%降水10 - 20 cm土層，為1.22。

2.3 土壤粒徑分形維數(shù)與土壤各粒級組成之間的相關(guān)系數(shù)

土壤粒徑分形維數(shù)與 ＞ 3 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體顯著正相關(guān) (r = 0.43) (P ＜ 0.05)，與 ＜ 0.25 mm 的團(tuán)聚體極顯著負(fù)相關(guān)(r = -0.49) (P ＜ 0.01)，其他粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體與土壤粒徑分形維數(shù)之間均極顯著正相關(guān) (P ＜ 0.01) (表 3)。

50%和100%降水處理下，土壤粒徑分形維數(shù)與各粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體之間無相關(guān)性(表4、表5)。150%降水處理下，土壤粒徑分形維數(shù)與 ＞ 3 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體顯著正相關(guān)(r = 0.90) (P ＜ 0.01)，與其他土壤粒徑的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體之間無相關(guān)性(表6)。

圖 2 各土層各級水穩(wěn)性定團(tuán)聚體百分比含量Figure 2 Distribution of water agglomerates among soil layers不同小寫字母表示同一土壤粒徑不同降水處理間差異顯著(P ＜0.05)。Different lowercase letters for the same soil paritcal size grade indicate significant difference between different rainfall conditions at the 0.05 level.

3 討論

GMD和MWD能夠反映土壤粒徑分布總體狀況，其值的大小與團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度和穩(wěn)定性呈正比，GMD和MWD的值越大則表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度和穩(wěn)定性也越強(qiáng)[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同降水量下，土壤MWD最低出現(xiàn)在100%降水10 - 20 cm土層，為0.95；最高出現(xiàn)在50%降水20 - 30 cm土層，為1.26。GMD最低出現(xiàn)在150%降水0 - 10 cm土層，為1.14；最高出現(xiàn)在100%降水10 - 20 cm土層，為1.22。

表 2 不同降水量下土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體評價參數(shù)Table 2 Evaluation parameters of soil water stability aggregates under different precipitation amounts

表 3 不同降水下分形維數(shù)與各土壤粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under different precipitation

表 4 50 %降水下分形維數(shù)與各各土壤粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 50% precipitation

表 5 100%降水下分形維數(shù)與各土壤粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間的相關(guān)性Table 5 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 100% precipitation

表 6 150%降水下分形維數(shù)與各土壤粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間的相關(guān)性Table 6 Correlation between fractal dimension and water-stable aggregates of different soil partical sizes under 150% precipitation

土壤粒徑分布特征是影響土壤物理性質(zhì)的最重要因素之一，它不僅對土壤侵蝕、土壤水分運(yùn)動、土壤肥力狀況等具有明顯的影響，而且與土體結(jié)構(gòu)、成土過程密切相關(guān)[27]。土壤團(tuán)聚體增強(qiáng)了土壤的通氣性和水分的入滲，為植物的生長提供了良好的條件，降低了土壤徑流和土壤侵蝕，在土壤的表面形成了蒸發(fā)的界面[28]。黃土高原地區(qū)土地退化十分嚴(yán)重，使得土壤理化性質(zhì)惡化，土壤的透水性和持水性都相應(yīng)下降，土壤的保水性較差導(dǎo)致了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也較差，不利于土壤顆粒的團(tuán)聚，而人為不合理的土地利用又加劇了土壤肥力和質(zhì)量的下降[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，在0 - 20 cm土層，100%降水(正常降水)下的土壤粒徑分形維數(shù)要低于50%降水量(減水)和150%降水量(增水)下的土壤粒徑分形維數(shù)，表明0 - 20 cm淺層土壤在正常降水量下土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較松散，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體較多，而50%降水量和150%降水量下土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較緊湊，表現(xiàn)為 ＜ 0.25 mm的粘粒占總比重較大，土壤質(zhì)地均一，具有較好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。在20 -30 cm土層，隨著降水的增加土壤粒徑分形維數(shù)逐漸降低，表現(xiàn)為在50%降水量下分形維數(shù)最高，且比在150%降水量下同等深度的分形維數(shù)高0.120 9。說明在20 - 30 cm土壤深度下，隨著降水量的增加，土壤的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，土壤相對較松散，通透性較好。另外，本研究發(fā)現(xiàn)增加降水和減少降水使大顆粒團(tuán)聚體增多，使小顆粒團(tuán)聚體和粘粒減少，干旱和增水對團(tuán)聚體的影響一致，都使大粒徑的團(tuán)聚體增多而使 ＜ 0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體減少，這是由于固原云霧山所處地理位置有關(guān)，增水導(dǎo)致水土流失沖走表層細(xì)砂粒而留下顆粒較大的的土層，也有可能是由于減水但自然降水無法及時補(bǔ)給造成表土層干結(jié)成塊。

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)越小，土壤越具有良好的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性[30]。＜ 0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高、質(zhì)地越細(xì)、分形維數(shù)越高，相應(yīng)其分散度也越大，分形維數(shù)越小則表示團(tuán)聚體主要由數(shù)量較少的大結(jié)構(gòu)體組成[6]。這與本研究土壤粒徑分形維數(shù)與 ＜ 0.25 mm的團(tuán)聚體極顯著負(fù)相關(guān)(P ＜ 0.01)相印證。另有研究指出，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)還會反映質(zhì)地的均一程度[31]。土壤粒徑分形維數(shù)不僅能準(zhǔn)確地表示土壤顆粒大小組成，還是評價土壤質(zhì)地差異的重要指標(biāo)之一[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤粒徑分形維數(shù)與 ＞ 3 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)(P ＜ 0.01)，與 ＜0.25 mm的團(tuán)聚體呈極顯著負(fù)相關(guān)(P ＜ 0.01)。表明土壤粒徑分形維數(shù)隨著水穩(wěn)性團(tuán)聚顆粒粒徑的減小而增大，即水穩(wěn)性團(tuán)聚體顆粒粒徑越小，分形維數(shù)值越高，這與前人研究結(jié)果相一致[34-37]。

4 結(jié)論

1)降水量的減少或增加，淺層土壤(0 - 30 cm)的D、MWD和GMD都會增加。

2)對降水較敏感的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒徑為 ＞ 3 mm和＜ 0.25 mm。

3)淺層土壤(0 - 30 cm)質(zhì)量分形維數(shù)與 ＞ 3 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體極顯著正相關(guān)(P ＜ 0.01)，與 ＜ 0.25 mm的團(tuán)聚體極顯著負(fù)相關(guān)(P ＜ 0.01)。