黄土丘陵沟壑区土壤水稳性团聚体特征.doc

黄土丘陵沟壑区土壤水稳性团聚体特征摘 要：土壤团聚体是土壤的重要组成部分,是土壤养分的贮存库和各种土壤微生物的生境。土壤水稳性团聚体含量影响各土壤性质。以黄土丘陵沟壑区的吴起县为研究区，选取不同土地利用和植被类型的样地为研究对象，通过测定土壤水稳性团聚体含量，评价了不同土地利用方式和植被类型下水稳性团聚体特征。结果表明：大于0.25mm的土壤水稳性团聚体在各样地的大小顺序为：柠条林地杏林地小叶杨林地油松林地多年荒地沙棘林地农用地。不同坡向、坡度的同一植被对土壤质量的影响也不相同，表现为：处于同一地带阴坡的种植较阳坡更利于增加土壤团聚体的稳定性。近几十年的退耕还林还草及禁牧有利于荒山荒坡地表植被的自然恢复，能够提高土壤水稳性团聚体含量，进而提高水分下渗，减少水土流失。关键词：水稳性团聚体；土地利用；植被类型；黄土丘陵沟壑区中图分类号：S158.3Characteristics of Soil Water Stable Aggregate in the Loess Hill-gully RegionAbstract :Soil aggregate is an important part of the soil, is the soil nutrient store and a variety of soil microbial habitat. The content of soil water stable aggregates impact on soil properties. Wuqi county of Shaanxi province was selected as the study area. Sample sites under different land use and vegetation types were choosed as study objects. Through determination of water stable aggregate content, water stability aggregates characteristics under different land use and vegetation types was evaluated. The results showed that: greater than 0.25mm water stable aggregates in the order of the size of all sorts of places: Caragana plantationprunas armeniaca lobular Young P. tabulaeformis many years barren land seabuceakthorn forest agricultural land. Different slope aspect, the slope grade of the same vegetation on soil quality is not the same and the content of soil water stable aggregates under prunas armeniaca of shady aspect is higher than that of sunny aspect. Decades of returning farmland to forest and grassland and banning grazing benefits to restore the natural vegetation of barren hills and slopes. In a word, returning farmland to forest and grassland can improve the content of soil water stable aggregates, and furthermore, can improve water infiltration and reduce water and soil loss.Key words: water-stable aggregate; land use;vegetation type; loess hill-gully region1 引言土壤团聚体是土壤养分的贮存库和各种土壤微生物的生境1，是土壤的重要组成部分，土壤团聚体对保证和协调土壤中的水、肥、气、热具有重要意义，并且影响土壤酶的种类和活性、维持和稳定土壤疏松熟化层并直接影响植物的生产力2,3， 在一定程度上,土壤团聚体数量和质量及水稳性团聚体的状况,影响着土壤结构的优劣4,5。有研究表明,不同土地利用方式对土壤水稳性团聚体的组成以及土壤结构稳定性有显著影响。具有良好水稳性团聚体结构的土壤,不仅能够满足植物对水分、养分、湿度、空气的需求,而且具有良好的抗冲抗蚀性能6。团聚体稳定性是团聚体抵抗外界压力的能力，这些压力包括耕作，雨滴动能等。如何量化土壤团聚体的稳定性是一个重要的问题，罗列出不同粒级区间的土壤团聚体质量含量虽可提供详细的信息，却很繁琐。但如果仅分析某一部分的团聚体含量，不同粒级团聚体在养分的保持和供应中的作用不同7,例如计算0.25 mm粒级的团聚体含量，就比较方便，可以对不同土地利用和植被类型下团聚体水稳性特征进行简单的评价。团聚体可分为水稳性和非水稳性两种，水稳性团聚体大多是钙、镁、腐殖质胶结起来的在水中振荡、浸泡、冲洗而不易崩解仍维持其原来结构的颗粒8。对团聚体的水稳定性可采用水稳定性系数来说明，团聚体水稳定性系数是指0.25mm水稳定性团聚体与0.25mm风干团聚体的重量百分比9。有研究认为0. 25 mm的水稳性团聚体是维持土壤结构稳定的基础,其含量越高,土壤的结构稳定性越大10。近年来随着全球气候不断的变化,保持和提高土壤团聚体的数量和稳定性是维持土壤资源持续利用、减少土壤侵蚀和退化的重要环节，对土壤水稳性团聚体进行定量化描述并研究其动态变化过程,是评价人类活动与生态环境变化之间关系的重要方面。深入研究不同土地利用和植被恢复过程中土壤水稳性团聚体含量的动态变化特征,对于揭示黄土丘陵沟壑区土壤质量的演变,提出土壤环境治理途径及植被修复和重建具有重要理论和实践意义。2 研究区概况与样地描述2.1 研究区概况吴起县东南接志丹县，东北连靖边县，西北靠定边县，西南邻甘肃省华池县，南北长93.4km，东西宽79.89km，地处毛乌素沙地南缘农牧过渡水蚀风蚀交错带，境内地势为山川峁梁多，川源涧地少，地貌由“八川两涧两大山区”组成，属于黄土高原梁峁沟壑区，县境内有无定河、北洛河两大流域（属黄河中游）及白于山、子午岭两大山系。全县辖四镇八乡，总面积3791.5km2，水土流失面积3693 km2，占全县总面积的97.4%。陕西省吴起县位于东经10738571083249，北纬363333372427，海拔1233-1809，气候属暖温带大陆性干旱季风气候，春季干旱多风，夏季旱涝相间，秋季温凉湿润，冬季寒冷干燥，年均气温7.8，无霜期96146，多年平均降雨量478.3mm，年际变化大、季节分配不均，64%以上集中在7-9月，其他季节多为无效降雨，降水年际变化大、分配不均匀，为暖温带大陆性干旱季风气候，旱灾、冻灾、雹灾、风灾等自然灾害频繁，平均年地面蒸发量为400-450mm，属于典型干旱半干旱地区11，土壤类型为黄绵土，质地为轻壤。本次采样位于吴起县吴仓堡乡吴仓堡村王沟门小组。经过近些年的人工植被大面积建设，境内的林草覆盖面积明显增长，逐步形成以落叶阔叶及灌木草丛为主的次生植被类型。2.2 样地描述本研究所选的植被类型和土地利用方式主要有柠条林地、杏林地、小叶杨林地、酸桃沙棘混交林地、沙棘林地、油松林地、永久荒地、玉米和农用土豆。林下主要有长茅草、铁杆蒿、茭蒿、地 图1-1 采样地角、白蒿、臭蒿等伴生植物。其中柠条表1-1样地概况描述样地名称经 度（E）/纬 度（N）海拔M坡 向坡度退耕年限(年)主要伴生种面积/亩盖度（%）土 豆1080720/3704391439北偏东2821-50沙棘林11080719/3704041444北偏西81812长茅草、茭蒿388沙棘林21080714/3704081454北偏西72610长茅草、白蒿480沙棘林31080715/3704101420北偏东502012长茅草、油 松390荒地1080712/3703581474北偏西3028永久性荒地蒲公英、白蒿、长茅草 地角180酸桃沙棘混交林1080714/3703591476北偏西222610铁杆蒿、长茅草375杏林（1）1080711/3704121400北偏东333550长茅草、铁杆蒿535杏林（2）1080719/3704241389西偏南162150长茅草、白蒿350小叶杨1080714/3704141369北偏东751330长茅草、铁杆蒿、小油松355柠条林1080720/3704231392南偏东151650长茅草、臭蒿360油松林1080723/3704131368北偏东551910毛蒿、长茅草、白蒿1080玉 米10807/37041359 - - -80备注：表中“-”表示没有数据。林种植时间最久，采样区地表植被盖度大，植株茂密，是1999年退耕还林还草封山禁牧以前人们的主要柴火来源，且其大部分生长于荒山荒坡，远离农耕区；杏林1和杏林2是取于同一退耕年限不同坡向、坡度（二者大致隔无定河相望）的两块样地，杏林1靠近农耕区和沙棘林地，杏林2则靠近柠条林地，较杏林1受到的人为影响较小；小叶杨地处省道303边上，受人为干扰较大但其地表腐殖质层较厚，株间种有很小油松幼苗；沙棘林1和沙棘林2是处于同一海拔高度同一坡向的不同退耕年限的两块样地，取样地面积大致相同，二者植被生长悬殊很大，沙棘林1的树木生长高大、茂密，沙棘林2的植被较稀疏、矮小，沙棘林3位于50年之久的杏林1旁边，树木生长状况介于沙棘林1和沙棘林2之间，取样目的是待研究杏林对沙棘林生长的影响；酸桃沙棘混交林处于农耕区旁边，是研究区种植面积不多但经济价值较高的一种植被，酸桃树木较其中的沙棘林树木枝干粗壮、高大。 以上四块样地的选择，旨在研究沙棘林在该区退耕还林工程中对水土的保持所起到的重要作用；油松林枝干矮小，光照充足，退耕年限为8年，地表有较厚得枯枝落叶层；本次取样的荒地为永久性荒地，基于吴起县近几十年的退耕禁牧，在采样的过程中发现该荒地表面形成大面积的生物结皮及大量的苔藓蕨类植物，除野生动物（野兔、山鸡等）外受到的人为干扰很小，地表植物盖度较大，取样目的是待研究荒地表面的生物结皮及苔藓蕨类植物对地表土壤的保护作用；玉米地为该研究区域主要的灌溉地，抽无定河水直接漫灌，一年约1-2次，采样时发现地表有泥沙碎石；农耕区还选择了农用土豆地，人们连续3-4年都在该地种植土豆，种植较单一，很少轮作。调查访问发现土豆为本县人民创造很大的经济价值，一般种植于山地，具有一定坡度，每年掏挖土豆都会对地表0-20cm土壤产生较大扰动，对土壤团聚体的稳定性带来很大的破坏作用，更不利于水土的保持，作为本次研究的参照样地。3 样品采集和分析3.1 样品采集2013年3月对研究区（图1-1）进行调查、访问农户相关问题等，于2013年3月底4月初对所选定的研究区以S采样法进行土壤样品采集，分别采集每种植被表层（0-5cm）土壤样品的不同部位的5个样点，采集后混合取其中约1千克带回室内研究不同土地利用和植被类型对团聚体稳定性的影响，测定和计算土壤水稳性团聚体的含量，进而分析不同土地利用和植被恢复类型下土壤水稳性团聚体的特征。野外采样后，用稳固的盒子带回实验室，在通风、干燥湿度的气候条件下风干。在这个过程中，将大块土体用手沿纹理轻轻地掰成小块，然后将土样过3-5mm筛并去除其中的枯枝落叶，减小其对研究结果的影响，取这个粒级的土壤进行实验。3.2 样品分析土壤团聚体稳定性测定的方法主要有分析了浸入水中的快速湿润法、用酒精湿润后振荡的崩解机理（慢速湿润）和通过毛细管慢速湿润三种，通过比较三种测定方法以及基于现状的实验室研究条件，最终对比选用浸入水中的快速湿润法进行本次实验的土壤水稳性团聚体稳定性含量的测定，具体操作如下： 取5g10g过3-5mm筛的土样团聚体，为减小实验误差，每种土样取2次进行实验。注入50ml蒸馏水在250cm3的大烧杯中，将团聚体颗粒轻轻的浸没在烧杯中，静置 10分钟。然后用吸管将多余液体取出，用乙醇洗瓶将土样冲入0.01mm筛子中并浸没在纯净水中。第一步，将0.01mm筛子浸没于纯净水中螺旋振动5次。目的是达到第一次颗粒分离。大于0.01mm的土样用乙醇洗瓶收集到烧杯中，于40空气中干燥48h。 第二步，大于0.01mm的这部分土样进行干筛（与常规干筛方法一样），这套5层筛级的筛子直径为（2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm）。小于0.1mm的这部分的重量可以通过原始重量计算。计算各个粒级湿筛后的重量。4 结果与讨论不同土地利用和植被类型下的土壤团聚体分析结果见图1-2,黄土丘陵沟壑区不同土地利用方式和植被类型条件下，水稳性团聚体的特征表现为：柠条林表层0-5cm, 2mm水稳性团聚体含量最高,农用地土豆最低;0.5-1.2mm杏林为最高,小叶杨次之, 农用地土豆最低；通过图1-2分析可知：柠条林的土图1-2 不同粒级的土壤水稳性团聚体含量壤团聚性最好，对土壤容重和物理性粘粒含量产生一定的影响,柠条植被的生长发育稳定了成土环境,有利于粘粒的形成和聚集。其原因可能是因为柠条作为豆科灌木,根部大量的根瘤菌可以固定空气中的游离态氮,增加土壤含氮量, 这与周玉珍12等人的研究结论相一致，加之柠条枝叶茂盛,枯落物多,可以增加土壤有机质和全氮,起到培肥地力的作用13，进而影响团聚体的稳定性。此外，还与野生动物经常在此活动有关,其粪便排泄物中含有多种有机物质,经土壤微生物的作用,结合在土壤团聚体中，对增加土壤团聚体的稳定性具有重要的作用。小叶杨的水稳性团聚体含量也较高，0.25mm的团聚体含量占总重的0.5189, 约一半，在其表层有较厚的枯枝落叶层这对减少水分的蒸发起到一定的作用，地表伴生种的根系和凋落物通过其对有机质的贡献长期影响土壤结构，对土壤团聚体的形成具有一定的促进作用，进而增加了土壤团聚体的稳定性，使得小叶杨林地对水土的保持起到了良好的作用。分析沙棘林1、沙棘林2、沙棘林3的土壤表层0-5cm，大于0.25mm的水稳性团聚体含量,分别为0.1589、0.1466、0.1328，三者差异不显著，可见坡向、坡度、海拔等对其影响不大，结合殷丽强14等人的研究，退耕年限为12年的沙棘林1与50年之久的杏林1相比较，表层大于0.25mm土壤的水稳性团聚体含量分别为0.3758和0.1589，二者相差不大，这与沙棘林物理性粘粒含量有直接的关系，这些粘粒有助于土壤微团聚体的形成,增强土壤的抗侵蚀性15，表明在黄土丘陵沟壑区适宜于沙棘这一植被的广泛种植。酸桃沙棘混交林的团聚体水稳性与沙棘林1、沙棘林2、沙棘林3相比较差，为0.1350，这可能与以自然脱落的酸桃果实为食的洞穴及野生动物密切相关，尤其是洞穴动物对土壤结构的破坏，进而降低土壤团聚体的稳定性。实验测得永久荒地的团聚体水稳性较好，为0.2714，这和地表植被与土壤动物有密切的关系，已有研究16表明，土壤团聚体稳定性与土壤微生物量呈显著相关，土壤动物以无脊椎动物为主，土壤动物的大小和生活方式，尤其是他们的运动和摄食方式，决定了他们影响土壤过程的方式和程度，孙波16等人研究了土壤真菌、土壤微生物、土壤动物及地表残渣等对土壤团聚体稳定性的影响，与本研究得出的结论相一致，此外，植物残渣进入土体后会与土壤结合最终会在微生物的作用下与矿物形成结合体,植被覆盖不同，其产生的植物残渣也不同，例如Gaillard等研究了干小麦秸秆和黑麦嫩叶两种植物残渣覆盖土体后的生物化学特征,证明植被覆盖不同能够对土壤中分解微生物和碳的空间分布产生重要影响,进而影响土壤的团聚过程和土壤团聚体的稳定性17。杏林地的土壤团聚性也较好，大于0.25mm的水稳性团聚体含量杏林1为0.3758杏林2为0.8254，二者相比较具有明显的差异，后者约是前者的2倍，原因是前者位于阳坡，且距离公路近，受人为影响较大，坡度也较杏林2较大，对水土的保持效应较差，林下植被盖度也比后者小，综合考虑分析，同一地带阴坡的种植较阳坡更利于增加土壤团聚体的稳定性。油松林的团聚体稳定性居中，为0.4372，这和其表层较弱的储水能力有很大关系，油松针叶和树脂球不易腐化长期覆盖于地表，所以其团聚体的稳定性与柠条、小叶杨、沙棘林的稳定性相比较弱。通过对柠条林地、小叶杨、沙棘林、油松以及杏林大于0.25mm水稳性团聚体特者的分析，不难看出，他们对提高黄土丘陵沟壑区的土壤团聚体的稳定性起到了一定的作用，增强该区域水土保持性，尤以柠条林地最为突出。灌溉农用地玉米的标准偏差最大，这可能与土样中粒径很小的沙石有关，但玉米的根系又有利于土壤团聚体的形成，相比于农用土豆地其土壤团聚体水稳性较好。农用土豆的土壤团聚体水稳性最差，并且土豆的掏挖对土壤结构的破坏极大，严重破坏了耕作区0-30cm土壤的结构，每逢阴雨天气，都会造成土壤养分的大量流失，这在一定程度上也可以解释吴起县2011年（降水相对较多的一年）土豆的质量产量相对下降的原因。5 结论土壤肥力水平的高低,不仅取决于大、小粒级微团聚体自身的作用,而且与它们的组成比例也有关。本研究旨在学习研究某一区域土壤质量的研究方法，并对研究区不同土地利用和植被类型下土壤水稳性团聚体的特征进行简单评价，主要研究结论如下：(1)不同土利用和植被类型对土壤质量的影响具有显著差异，以0.25mm为指标，土壤团聚体的稳定性表现为：柠条林杏林（杏林1、杏林2）小叶杨油松多年荒地沙棘林（沙棘林1、沙棘林2、沙棘林3、酸桃沙棘混交林）农用地（玉米、土豆），柠条林地、杏林、小叶杨、荒地团聚体稳定性主要是大于2mm的团聚体最为稳定，沙棘林、油松、玉米团聚体稳定性主要是0.01-0.25mm的团聚体最为稳定，坡地种植的农用土豆地的团聚体稳定性最差。由此可见,柠条林、小叶杨和沙棘林对于黄土丘陵区水土的保持及土壤质量的持续发展具有重要作用。(2)不同坡向、坡度的同一植被对土壤质量的影响也不相同，表现如下：就杏林这一植被来分析，处于同一地带阴坡的种植较阳坡更利于增加土壤团聚体的稳定性，林下植被盖度的大小对土壤团聚体的稳定性也产生一定的影响。(3)永久性荒地基于其地表大量的生物结皮和苔藓蕨类植物，土壤团聚体稳定性较好，近几十年的退耕还林还草禁牧对荒山荒坡地表植被的自然恢复起到了显著地作用。(4)土豆是对地表土壤破坏最大的农作物，尤以较大坡度种植最为严重，黄土丘陵沟壑区是否适合大面积的种植土豆是值得人们深思的一个问题。(5)本研究存在的问题与不足：基于客观条件限制，本研究所采土样是在雨后第二天所采，土壤湿度较大，并且长距离运输，在一定程度上加大了研究误差；在室内进行团聚体浸入水中的快速湿润法时所选溶剂均为纯净水，烘干48小时后，由于土壤具有黏性粘在烧杯壁上不易处理，增加了研究误差；本研究只从土壤水稳性团聚体含量的角度研究了不同土地利用和植被类型下水稳性团聚体特征，缺少对比与综合，故其结论有待进一步验证与补充。参考文献：1刘世梁,傅伯杰,吕一河等.坡面土地利用方式与景观位置对土壤质量的影响J.生态学报,2003,23(3):414-420.2Tang KL, Zheng F L, Zhang KL,et al. 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