渭北旱塬区退耕还林对土壤有机质和水稳性团聚体影响

时间：2015-12-21 00:35:11 所属分类：农业基础科学 浏览量:

稳定性土壤团聚体可维持较好的土壤结构，进而改善土壤通气性，增加水分入渗，减少地表径流和侵蚀〔1〕。土壤有机质对土壤结构稳定性和土壤养分状况有多重影响，对土壤资源的可持续利用非常重要〔2〕。具有较多稳定大团聚体的土壤质量较高〔3〕。土壤有机质与

　　稳定性土壤团聚体可维持较好的土壤结构，进而改善土壤通气性，增加水分入渗，减少地表径流和侵蚀〔1〕。土壤有机质对土壤结构稳定性和土壤养分状况有多重影响，对土壤资源的可持续利用非常重要〔2〕。具有较多稳定大团聚体的土壤质量较高〔3〕。土壤有机质与土壤团聚体的形成和稳定性密切相关，土壤团聚体保护有机质，进而影响有机质的转化和提高土壤肥力〔4〕。同时，有机质作为胶结剂，有利于水稳性团聚体的形成。许多学者〔5 －7〕就土壤团聚体和有机质之间的关系进行了研究，其中，张大鹏等〔5〕认为，水稳性团聚体粒级分布分形维数与土壤有机质含量无显着相关性; 卢凌霄等〔6〕认为，＞2 mm 团聚体对土壤有机碳的贡献率约 70%。

　　陕西省渭北旱塬区沟壑纵横、植被稀少，水土流失严重，各级政府在该区域进行了大面积的退耕还林工程。田义超等〔8〕对咸阳台塬区土地利用/覆被变化进行定量研究时认为，2000—2010 年，该区森林面积增加了 69． 26%。但未见有关该区域退耕还林对土壤有机质和水稳性团聚体影响的研究。本文计算了礼泉县北部叱干镇不同土地利用类型下及不同植被类型下土壤水稳性团聚体 ＞0． 25 mm 的百分含量( ＞0． 25 mm) 、平均质量直径( MWD) 、分形维数( D) 和偏倚系数( Cs) ，并测定不同样地及不同粒级水稳性团聚体中的有机质含量，研究在该区域进行的退耕还林工程对提高土壤质量，减少土壤侵蚀，增加土壤碳储量方面的功能，说明土壤有机质和水稳性团聚体之间的相关性，并对几个水稳性团聚体指标进行比较。

　　1 研究区与研究方法

　　1． 1 研究区概况

　　研究区位于陕西省礼泉县北部的叱干镇，属低山丘陵沟壑区，年平均气温12． 96 ℃，无霜期214 d，年降水 550 mm。选择油松林地、刺槐林地、荒地和农地为研究对象( 表 1) 。其中，土壤 pH 利用赛多利斯 PB －10pH 计测定，黏粒百分含量利用马尔文2000 粒度分析仪测定。【表1】

　　1． 2 计算方法

　　杨培岭等〔9〕假定不同粒径土壤密度相等，提出了质量分形维数。计算公式如下：【3】　　　　式中: D 为土壤团聚体分形维数; W 为直径小于 Ri累积土壤团聚体质量; r 为土壤团聚体粒径; WT为总质量; Ri为两相邻粒级 Ri与 Ri + 1间土粒平均直径; Rmax为最大粒级平均直径。

　　土壤水稳性团聚体平均质量直径 ( MWD) 由以下公式计算:【4】　　　　式中: Xi为任一级别范围内团聚体的平均直径( mm) ; Wi为对应于 Xi的团聚体百分含量。

　　土壤水稳性团聚体组成的偏倚系数( Cs) 计算方法见文献〔10〕。当 Cs ＞0 时，团聚体组成的分布特征属于正偏态，意味着含量占优势的团聚体直径较大，土壤团聚作用强，分散性弱; Cs ＜0 时，团聚体分布是负偏态，意味着含量占优势的团聚体直径较小，土壤分散性强〔10〕。

　　1． 3 分析方法

　　每个样地按“S”型布设 5 个样点，每个样点取0 ～ 5 cm土层的土壤样品，将采集的 5 个样点土壤样品混合均匀，按四分法分 3 袋装，带回实验室，自然风干后过 0． 25 mm 筛，用于测定土壤有机质。同时采集表层( 0 ～ 5 cm) 原状土样品，带回实验室自然风干后，放入孔径为 5 mm 和 3 mm 的土壤套筛中，手动左右摇筛各 30 下。取 2 ～5 g 过 3 ～5 mm 筛的团聚体放入水稳性团聚体测定仪( 型号: 08． 13，产地: 荷兰) 孔径为 0． 25 mm 的筛网中，加去离子水淹没，震荡 10 min 后，用无水乙醇将土壤团聚体冲洗到 100 mL 烧杯中，并于40 ℃干燥48 h。最后，用套筛直径分别为 2 mm、1． 2 mm、0． 5 mm、0． 25 mm 进行干筛。计算 ＞ 2 mm、1． 2 ～ 2 mm、0． 5 ～ 1． 2 mm、0． 25 ～ 0． 5 mm 和 ＜ 0． 25 mm 质量百分含量，并利用式( 3) 和式( 4) 计算土壤水稳性团聚体的分形维数和平均质量直径。每个样品作 3 个平行。

　　另外，将除农地和一年荒地外的其他样地同一粒级 水 稳 性 土 壤 团 聚 体 样 品 混 合 后 研 磨，过0． 25 mm 筛，用于测定不同粒级( ＜ 0． 25 mm、0． 25 ～0． 5 mm、0． 5 ～ 1． 2 mm 和 1． 2 ～ 2 mm) 土壤水稳性团聚体中的有机质含量。土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法( 外加热法) 。利用 Excel 2003 和SPSS 13． 0 软件进行统计分析，并利用方差分析( ANOVA) 中的最小显着差异( LSD) 进行差异显着性检验。

　　2 结果与分析

　　2． 1 ＞ 0． 25 mm 水稳性团聚体含量

　　由图 1 可知，植被类型对土壤水稳性团聚体的百分含量有显着影响。林地和永久性荒地表层土壤团聚体在湿筛后，仍以较大粒级团聚体为主，而在农地和一年荒地中，则以 ＜0． 25 mm 的为主，说明农地和一年荒地中较大团聚体被更多地分散为小团聚体，土壤团聚体水稳性差。在黄土高原地区，一般以＞ 0． 25 mm 水稳定性团聚体含量为土壤可蚀性的重要指标。 ＞0． 25 mm 水稳性团聚体含量在油松地③最大，为 95． 25%，在苹果地最小，为 24． 07%。各样地表层土壤 ＞0． 25 mm 水稳性团聚体百分含量的顺序为: 油松地③ ＞荒地② ＞荒地① ＞ 油松地② ＞ 油松地① ＞刺槐地 ＞麦地 ＞一年荒地 ＞苹果地。【图1】

　　2． 2 土壤水稳性团聚体平均质量直径、分形维数和偏倚系数

　　平均质量直径常作为土壤团聚体状况的指标，其值越大，表示土壤团聚度越高，团聚体稳定性越强。分形维数越高，则土壤团粒结构越不稳定。偏倚系数表示各级团聚体分布的偏倚性，正值表示大于平均直径的多于小于平均直径的，负值则相反。

　　由表 2 可知，水稳性团聚体平均质量直径和分形维数在各样地之间的变化趋势基本相反。其中，平均质量直径在油松地③中最大，为 2． 90 mm，在农地和一年荒地中最小，在 0． 50 ～0． 58 mm。表层土壤水稳性团聚体平均质量直径在各样地顺序为: 油松地③ ＞ 荒地② ＞ 油松地① ＞ 荒地① ＞ 油松地② ＞刺槐地 ＞ 苹果地 ＞ 一年荒地 ＞ 麦地。表层土壤水稳性团聚体分形维数为 2． 16 ～2． 92，平均值为 2． 55，在一年荒地和农地为 2． 80 ～2． 92，而在林地和永久性荒地为 2． 16 ～ 2． 60。在计算分形维数时，lgW( r ＜ Ri) /WT与 lgRi/ Rmax之间线性回归的相关系数在 0． 80 ～0． 99，线性相关显着，说明利用式( 3) 计算所得的分形维数较准确。偏倚系数在林地和永久性荒地大于零，而在一年荒地和农地小于零。【表2】　　　　2． 3 土壤有机质含量

　　由表 2 可知，表层土壤有机质含量在油松地③最高，为 10． 76%，相对麦地增加了 4． 88 倍; 在刺槐林地较高，为 9． 21%，相对麦地增加了 4． 03 倍。荒地②、油松地①、油松地②和荒地①表层土壤有机质次之，相对麦地分别增加了 3． 64、3． 10、2． 76 倍和2． 56 倍。麦地、一年荒地和苹果地土壤有机质含量较小，分别为 1． 86%、2． 11% 和 2． 33%。差异性分析表明，除一年荒地和麦地表层土壤有机质含量差异不显着外，其他各样地表层土壤有机质差异均显着。

　　根据全国 1∶ 4 000 000 土壤有机质肥力质量分布图及质量评判标准，麦地、一年荒地和苹果地土壤肥力质量为 3 级，属于一般水平，而其他各样地土壤肥力质量为 5 级，肥力质量好。可见，在该区域通过退耕还林，可显着提高土壤质量水平。

　　2． 4 不同粒级团聚体土壤有机质含量

　　不同粒级水稳性团聚体中的有机质含量和粒级之间的关系可利用函数 y = 0． 529x +4． 810 1( R2=0． 952 1) 很好拟合。由图 2 可知，粒级 ＜ 0． 25 mm团聚体中有机质含量最小，为 5． 23%，并显着小于其他各粒级土壤团聚体中的有机质含量。粒级为0． 25 ～ 0． 5 mm、0． 5 ～ 1． 2 mm、1． 2 ～ 2 mm 和 ＞ 2 mm的土 壤 团 聚 体 有 机 质 含 量 依 次 增 高，分 别 为6． 03% 、6． 26% 、7． 17% 和 7． 30% ，其中 1． 2 ～ 2 mm和 ＞2 mm的土壤团聚体有机质含量差异不显着。【图2】

　　可见，土壤有机质主要包含在较大粒级的水稳性团聚体中。

　　2． 5 相关性分析

　　由图3a 可知，大于 0． 25 mm 的水稳性团聚体百分含量与分形维数呈极显着负相关( R2= － 0． 98) 。由图 3b 可知，平均质量直径和分形维数呈极显着线性负相关( R2= － 0． 94) 。由图 3c 可知，土壤有机质、平均质量直径与分形维数之间可用线性关系进行很好拟合，决定系数分别为 0． 97 和 －0． 90。【图3】

　　3 讨 论

　　3． 1 不同土地利用类型对土壤结构和有机质含量的影响

　　本研究涉及的土地利用类型为林地、荒地和农地，其中，荒地包括永久性荒地和一年荒地，后者由于退耕时间短，土壤有机质及水稳性团聚体含量和麦地无显着差异。而荒地①和荒地②为永久性荒地，植被盖度较高，但二者土壤有机质却有显着差异，这主要是由于荒地①和荒地②的坡度分别为30°和 20°。秦伟等〔11〕认为，坡度 15° ～25°和 25° ～35°土壤侵蚀量分别为 23 474． 47 t·a－ 1和 53 321． 11t·a－ 1，荒地①由于较强的土壤侵蚀而不利于土壤有机质的积累。另外，15 a 油松地土壤有机质含量显着小于 15 a 刺槐地，表明刺槐林有利于土壤有机质的积累。董莉丽等〔12〕研究也认为，31 a 刺槐地与30 a 油松地退耕时间仅限差 1 a，但前者土壤质量指数高于后者的 32． 89%。15 a 油松地水稳性团聚体平均质量直径大于 15 a 刺槐地，这主要由于前者枯枝落叶中多含树脂和蜡脂等疏水性物质，阻碍了水的润湿速度，导致团聚体内部空气缓慢释放，从而增加了其抗破碎能力〔13〕。油松地①、油松地②和油松地③为同一植被类型，水稳性团聚体平均质量直径、大于 0． 25 mm 水稳性团聚体质量百分含量和土壤有机质含量在油松地③最高，分形维数在该样地最小，这是由于油松地③退耕时间长达 30 a，且林下有6 cm 厚的枯枝落叶层和 8 cm 厚的腐殖质层。油松地①与油松地②相比，前者有机质含量和平均质量直径都大于后者，这与前者退耕时间较长，且样地坡度较小有关。将油松林 3 个样地土壤有机质含量( SOM) 和油松的平均周长( c) 及栽植年限( a) 进行回归分析，可以用二次多项式进行拟合，分别为:SOM = 0． 003 1c2－ 0． 228 4c + 11． 158 和 SOM =0． 013 4a2－ 0． 346 3a + 9． 067 6。

　　相对于林地和永久性荒地，麦地和苹果地表层土壤团聚体分形维数( D) 最大，分别为 2． 80 和2． 92，而平均质量直径和土壤有机质含量最小。

　　Lobe 等〔14〕认为，农地长期的耕种活动促进土壤有机质分解，会显着影响区域土壤碳库。林地和永久性荒地表层土壤有机质及水稳性团聚体含量显着高于农地。Nichols 等〔3〕研究耕作措施对土壤结构影响时也认为，无耕作的土壤水稳性大团聚体含量较多，这表明较少地扰动有利于大团聚体的形成。Su等〔2〕研究也认为，农地转变为草地后，土壤有机碳增加，并伴随团聚体的形成和土壤团聚体稳定性的增强。林地水稳性团聚体 D 小于农地和一年荒地，这表明，在该区域实施的退耕还林有效降低了土壤水稳性团聚体分形维数，提高土壤结构稳定性，进而提高土壤抗侵蚀能力。在该区域，油松和刺槐属于优良的水土保持树种。

　　3． 2 土壤有机质与稳定性团粒结构形成的关系

　　由图 3 可以看出，土壤有机质和水稳性团聚体平均质量直径及分形维数呈线性相关。另外，对不同粒级水稳性团聚体土壤有机质含量与粒级进行回归分析，以说明有机质在促进大团粒结构形成及水稳性团聚体在减少有机质矿化方面的作用。 ＜0． 25mm 水稳性团聚体中所含的土壤有机质较小，而较大粒级水稳性团聚体中土壤有机质含量较高。这与Schwendenmann 等〔15〕和杨莹莹等〔16〕研究结果一致，前者测定林地和草地土壤有机质含量在 0． 25 ～2 mm、0． 053 ～ 0． 25 mm 和 ＜ 0． 53 mm 的水稳性团聚体中分别为 5． 02%、4． 73%和 4． 37%; 后者表明，随着团聚体粒径减小，水稳性团聚体中有机质含量逐渐降低。可见，土壤有机质的输入有利于稳定性团聚体的形成，稳定性团聚体可保护有机质以免矿化，这进一步促进了团聚体的稳定性〔7〕。植被恢复稳定土层结构、促进土壤水稳性大团聚体中有机碳的形成，可能在黄土丘陵侵蚀景观土壤固碳过程中起重要作用〔17〕。总之，退耕还林通过增加有机物质的输入，有利于水稳性团聚体的形成，而水稳性团聚体可增加水分入渗，减少侵蚀，增加土壤碳固定。

　　3． 3 几种土壤水稳性团聚体指标比较

　　无论采用哪个指标，基本上都能够表征土地利用类型引起的土壤团聚体水稳性的变化。偏倚系数Cs 能够较为灵敏地表征各类土壤的团聚水平〔10〕。

　　一年荒地和农用地 Cs 为负值，而林地和永久性荒地Cs 为正值。但是，却难以比较同一土地利用类型下的土壤团聚化水平。而大于 0． 25 mm 的水稳性团聚体质量百分含量、平均质量直径和分形维数可用于比较各样地土壤水稳性团聚体的含量，且三者之间及三者与土壤有机质呈极显着正相关。

　　4 结 论

　　植被类型对土壤水稳性团聚体及有机质有显着影响，退耕还林还草能够显着提高表层土壤质量。

　　退耕年限相同条件下，刺槐林地和油松林地相比，前者土壤有机质含量高于后者，而后者土壤水稳性团聚体含量高于前者。 ＜0． 25 mm 水稳性团聚体中所含的土壤有机质最小，而较大粒级水稳性团聚体中土壤有机质含量较高，这说明土壤有机质为土壤大团聚体的形成提供了良好的物质基础，另一方面说明大部分土壤有机碳储存在大粒级团聚体中。

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