子午岭林区不同植被类型土壤水稳性团聚体和有机碳对植被恢复的响应

子午岭林区不同植被类型土壤水稳性团聚体和有机碳对植被恢复的响应

土壤颗粒是由土粒通过各种作用形成的直径为10.0.25mm的结构单位。颗粒的稳定性直接影响土壤表面的水和土壤之间的界面行为，尤其是与降水入渗和土壤侵蚀密切相关的。土壤团聚体稳定性是土壤中生物,物理,化学过程复杂相互作用的结果。影响团聚体稳定性的因素可分为生物因素(土壤有机质,根活性,土壤动物区系和微生物),非生物因素(粘粒矿物,倍半氧化物和交换性阳离子)和环境因素(土壤温度和湿度)。植被恢复是黄土高原地区生态环境建设的重要措施。查轩的研究表明植被主要通过改善土壤特性而提高土壤抗侵蚀能力,植被恢复后土壤有机质、水稳性团聚体及渗透性等抗侵蚀特性分别提高了6,2.5,4.5倍,土壤抗冲性提高了20多倍。杨建国的研究表明随着植被恢复土壤水稳性大团聚体含量增加。朱冰冰的研究表明随着植被恢复年限的增加土壤水稳性团聚体分形维数减小。苏静的研究表明,植被恢复条件下土壤团聚体平均重量直径与土壤有机碳成二次多项式关系。梁向峰的研究表明,子午岭几种典型植被类型下土壤水稳性团聚体分形维数、孔隙分形维数与>0.25mm水稳性团聚体含量、土壤有机碳、土壤容重之间的线性相关性均达到极显著水平,均能作为评价土壤结构稳定性的指标,而平均重量直径仅可作为评价大团聚体含量的指标,但子午岭林区植被恢复能够影响土壤结构的土层深度以及土壤结构指标随土壤有机碳增加的变化趋势的详细研究尚未见报道。本文选取子午岭林区包括草地、灌丛、林地在内的七种植被类型,用干筛和湿筛相结合的方法研究子午岭林区植被恢复能够影响土壤结构的土层深度以及土壤结构指标随土壤有机碳含量的变化趋势,进一步阐明植被自然恢复对土壤结构的影响机理。1材料和方法1.1阴山山地阳向缓坡厚土土壤条件研究区位于黄土高原子午岭北部的甘肃省合水县太白乡连家砭林场,北纬35°03′-36°37′,东经108°10′-109°08′,海拔1400m左右,该地区年平均气温7.4℃,年均降雨量587.6mm,≥10℃积温2671.0℃,干燥度0.97,阴阳坡水热条件变化较大,但无气候垂直带状变化。土壤为原生或次生黄土,厚度一般为50~100m,土壤类型以石灰性褐土为主,其次是粗骨褐色土,在沟底及两侧低阶地发育有潜育化草甸土。研究区分布着比较完整的次生植被正向恢复序列:草本群落(茭蒿、白羊草等)※灌丛群落(狼牙刺、沙棘、虎榛子等)※乔灌混交群落※乔木群落(白桦、山杨、辽东栎)。1.2样地的采集和储存2009年10月在子午岭林区能代表植被恢复不同阶段的典型群落(退耕草地、白羊草、狼牙刺、虎榛子、山杨和辽东栎)选取采样点,测定草地群落的地上生物量和林地群落的枯枝落叶量,调查样地的基本信息,即海拔、坡度、坡向,并采集这些样点的0-5,5-10,10-20,20-40,40-70,70-100cm土层的原状土样,每个采样点取3个重复,并采集坡耕地土样作为对照,采回的土样用保鲜盒储存。各采样点的基本信息见下表1。1.3团聚体破坏率和水稳性分形维数d土壤水稳性团聚体含量采用萨维诺夫湿筛法测定。土壤总有机碳采用K2Cr2O7-H2SO4外加热法测定。团聚体破坏率和水稳性分形维数(D)的计算使用许中坚和杨培岭描述的方法。采用Excel软件进行数据初期处理,使用SPSS13.0进行统计分析。2结果与分析2.1不同土层中团聚体含量变化>0.25mm水稳性团聚体含量,团聚体破坏率和团聚体分形维数是表征土壤结构特征的3个重要指标。>0.25mm水稳性团聚体含量越高,土壤结构越稳定。团聚体破坏率表征团聚体对水的稳定性,团聚体破坏率越小,土壤结构越稳定。团聚体分形维数是反映土壤团聚体结构几何形状的参数,分形维数越小,土壤结构越稳定,土壤容重越小,土壤越疏松,土壤含蓄水分保持水土的功能越强。除坡耕地外各植被类型土壤>0.25mm水稳性团聚体含量(表2)均有随土层加深逐渐减小,团聚体破坏率(表)和水稳性团聚体分形维数(表)均有随土层加深逐渐增大的基本趋势。这可能是因为土层自下而上接收的植物掉落物逐渐增多,有机碳含量逐渐升高,土壤结构自下而上逐渐改良。梁向峰在子午岭地区的研究发现>0.25mm水稳性团聚体含量随土层自下而上逐渐提高,水稳性团聚体分形维数随土层自下而上而减小。坡耕地0-5cm和5-10cm土层由于受耕作影响较严重,土壤团聚体结构较差,>0.25mm水稳性团聚体含量显著低于10-20cm土层。对不同土层>0.25mm水稳性团聚体含量(表2)、团聚体破坏率(表3)和水稳性团聚体分形维数(表4)3个团聚体指标的分析可以看出:在植被恢复的各阶段70-100cm土层3个团聚体指标均与40-70cm土层差异不显著,3个团聚体指标在70cm以上各土层之间则多有显著差异。这说明植被恢复对土壤>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数的影响可以达到70cm土层。2.2-70cm土层土壤团聚体水稳性含量特征由2.1节的分析可知,植被恢复对土壤>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数的影响可以达到70cm土层,所以在本节中对0-70cm土层土壤团聚体指标加权平均,然后分析植被恢复对0-70cm土层土壤结构稳定性的影响。表5中数据显示植被恢复各阶段0-70cm土层>0.25mm水稳性团聚体含量加权平均值以坡耕地和退耕草地最低,介于20%~30%之间,两者差异不显著。狼牙刺、虎榛子和山杨三种植被类型下土壤>0.25mm水稳性团聚体含量在39%~43%之间,均显著高于坡耕地和退耕草地。白羊草地>0.25mm水稳性团聚体含量为47.8%显著高于狼牙刺和山杨林地,与虎榛子林地差异不显著。辽东栎林地>0.25mm水稳性含量达到49%,与白羊草地差异不显著,显著高于狼牙刺、虎榛子和山杨林地。植被恢复各阶段0-70cm土层土壤团聚体破坏率加权平均值以坡耕地最高,退耕草地次之,但差异不显著,两者分别为72.6%和66.1%。白羊草地、狼牙刺、虎榛子和山杨林地0-70cm土层土壤团聚体破坏率加权平均值分布在45%~54%之间,四种植被类型之间差异不显著,但均显著低于坡耕地和退耕草地。辽东栎林地团聚体破坏率为41.6%,显著低于狼牙刺和山杨林地,与白羊草地和虎榛子林地差异不显著。植被恢复各阶段0-70cm土层土壤分形维数坡耕地最大,退耕草地略低于与坡耕地,但差异不显著,两者分别为2.93和2.92。狼牙刺、虎榛子和山杨林地下0-70cm土层土壤分形维数介于2.83~2.85之间,三者之间差异不显著,但显著低于坡耕地和退耕草地。辽东栎林地和白羊草地0-70cm土层土壤分形维数分别为2.79和2.78,两者之间差异不显著,但显著低于狼牙刺、虎榛子和山杨林地。朱冰冰和安韶山的研究表明植被恢复可以使土壤团聚体分形维数减小,改善土壤结构。由以上分析可知除白羊草群落外,随植被恢复土壤>0.25mm水稳性团聚体含量在0-70cm剖面上逐渐提高,团聚体水稳性逐渐增强,分形维数逐渐减小,土壤结构得到逐步改善。植被恢复到退耕草地阶段时土壤结构并没有显著变化;到白羊草阶段时土壤>0.25mm团聚体含量显著增大,水稳性显著增强,水稳性团聚体分形维数显著减小,土壤结构显著改善;但是白羊草之后的狼牙刺、虎榛子和山杨林土壤的>0.25mm水稳性团聚体含量反而低于白羊草地,团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数反而高于白羊草地;植被恢复到辽东栎阶段后>0.25mm水稳性团聚体含量达到最高,团聚体破坏率和分形维数达到最低,土壤结构最稳定。2.3有土壤机碳含量对土壤团聚体稳定性的影响由表7可知,>0.25mm团聚体含量、团聚体破坏率和团聚体分形维数与有机碳含量的对数相关性均达极显著水平。因此,可认为>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数与有机碳含量呈对数相关关系。>0.25mm水稳性团聚体含量随土壤有机碳含量提高而提高,团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数随有机碳含量提高而减小,这3个指标随土壤有机碳含量增加的变化速率均是逐渐减小。假设当>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数随土壤有机碳含量增加的变化速率减少到最大值的10%时,这3个团聚体指标趋于稳定。对>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数与土壤有机碳含量的3个对数关系式求导得:,其中y1、y2、y3分别为>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数随土壤有机碳含量变化的变化速率。由上式可知:当有机碳含量最低时,>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和团聚体分形维数随有机碳含量变化速率最大。研究中白羊草地70-100cm土层土壤有机碳含量最低,为1.81mg/g,此时>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数随土壤有机碳变化速率最大。由上式推导可得,当有机碳含量为18.1mg/g时,>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数随土壤有机碳含量增加的变化速率为最大值的10%。基于上述假设,当有机碳含量低于18.1mg/g时,随土壤有机碳含量增加,这3个团聚体指标变化较为明显,当土壤有机碳含量达到并高于18.1mg/g时,这3个指标变化渐趋稳定。根据这一阈值,在白羊草、虎榛子、山杨和辽东栎阶段的0-5cm土层土壤有机碳含量达到18.1mg/g以上,其土壤结构达到稳定。随着有土壤机碳含量升高土壤团聚体指标变化速率变慢的并趋于稳定的原因可能是:根据团聚体形成的“多级团聚”理论,土壤团聚体是由有机质和其它胶结物质与土壤粘粒矿物相互作用形成的,当有土壤机碳含量较高时,形成团聚体所需要的粘粒矿物可能会相对不足,所以随着土壤有机碳含量升高到一定值后,土壤团聚体稳定性指标的变化速率逐渐趋于稳定。但其机理仍有待进一步研究。3水稳性团聚体质量变化影响分析对不同植被类型土壤>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数的分析可知植被恢复可以对70cm以上土层土壤这3个团聚体指标产生影响;>0.25mm水稳性团聚体含量随植被恢复逐渐增大,团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数随植被恢复逐渐减小,土壤结构随植被恢复逐渐改善,植被恢复进行到辽东栎阶段土壤团聚体稳定性达到最高。坡耕地土壤0-70cm土层>0.25mm水稳性团聚体含量,团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数加权平均值分别为21.89%,72.58%,2.93,顶级群落辽东栎林下土壤3个指标分别为49.04%,41.60%,2.80。>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率和水稳性团聚体分形维数与土壤有机碳含量呈极显著对数相关关系。假设当>0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体破坏率