时间：2026-03-09 分类：农业环境
为揭示土地利用方式对土壤水分和土壤结构特性的影响,选取东北典型风沙土区(黑龙江省齐齐哈尔市梅里斯达斡尔族区)撂荒草地、禁牧草地、人工林地和开垦农田4 块样地为研究对象,通过监测和采集不同层次土壤,分析不同土地利用方式下土壤储水量及其季节变化、土壤机械组成、土壤团聚体组成及其稳定性等差异,研究结果表明:
(1)就0 ~80 cm 土层的土壤储水量而言,撂荒草地(157.23 ~218.40 mm)显著大于禁牧草地、人工林地和开垦农田(42.28 ~148.55 mm);但其土壤储水季节性变化,禁牧草地(48.71%)> 开垦农田(34.31%)和撂荒草地(32.87%)> 人工林地(9.37%);
(2)无论是0 ~20 cm 还是20 ~40 cm 土层,开垦农田砂粒含量均显著大于撂荒草地、禁牧草地和人工林地,而其粉粒含量则都显著小于这3 种土地利用方式;但0 ~20 cm 土层土壤团聚体稳定性表现为撂荒草地(0.85 mm)显著低于禁牧草地、人工林地和开垦农田(0.99 ~1.01 mm),而20 ~40 cm 土层土壤团聚体稳定性依次为人工林地(0.97 mm)≥ 撂荒草地(0.95 mm)和开垦农田(0.92 mm) ≥禁牧草地(0.87 mm);
(3)通过冗余分析发现,表层0 ~20 cm 土壤结构稳定性,除受4 种土地利用方式下其团聚体组成差异的影响外,土壤全磷、粉粒含量和总孔隙度也在一定程度上有所贡献,但亚表层20 ~40 cm 土壤结构稳定性则主要源于>2 和0.053 ~0.25 mm 团聚体。
综上所述,撂荒显著增加风沙土区土壤剖面储水能力,但人工林土壤储水季节性变化小;垦耕加剧风沙土的粗骨化进程,相较于其他3 种土地利用方式,开垦农田砂粒含量显著增加,而粉粒含量减少;但4 种土地利用方式对表层和亚表层土壤结构稳定性的影响不一,表层土壤结构稳定性的差异除受其团聚体组成的影响外,还有部分是由于不同土地利用方式带来的理化性状差异所致。
关键词:土地利用方式;土壤储水;土壤结构;团聚体稳定性;风沙土区
论文《东北风沙土区土地利用方式对土壤储水与结构特性的影响》发表在《中国土壤与肥料》，版权归《中国土壤与肥料》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
土地利用方式是基于自然环境条件人类活动的综合反映[1]。作为特殊的下垫面条件,土地利用方式在改变地表覆被状况的同时,也改变了土壤理化状况,进而影响土壤水分、养分供应等生态过程 [2-3]。风沙黑土是由风成沙性母质发育而来,在我国东北干旱、半干旱和半湿润地区广泛分布 [4]。风沙黑土区气候具有偏干旱、土壤黏粒少、沙性大、有机质缺乏等特点,生态环境脆弱 [1,5-6];在高强度人类活动影响下土地退化风险高,不利于区域农业的可持续生产 [7-8]。大量研究表明,合理的土地利用方式可以改良土壤结构,提高土壤的保肥保水性能 [2,6,9];而不合理的土地利用方式则易增加土壤地力下降、沙化和盐碱化风险,导致区域生态环境恶化 [1,9-10]。因此,在生态环境脆弱的东北风沙黑土区探索合理的土地利用方式意义重大。
土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,其组成和稳定性是表征土壤结构状况的重要指标。土地利用方式的转变能够改变原有生态系统的物质循环和能量转化平衡,长期且持续地改变土壤结构。国内外研究表明,禁牧、弃耕、撂荒和人工林等土地修复方式能不同程度改善土壤结构 [9,11-13];与此同时,高雅宁等 [11]研究发现,禁牧还可增加黄土高原半干旱草地土壤养分;Kazlauskaite 等 [14] 在欧洲中部地区沙土研究则发现,弃耕增加表层土壤厚度的同时提高有机碳含量。但开垦后耕作的土地利用方式却因其所在区域和土壤类型的不同,而对土壤结构调控表现出较大差异;在土壤发育程度较低的青藏高寒地区 [13]和新疆荒漠地区[15],农耕熟化的土壤团聚体稳定性增加,改善土壤结构;而吴祥云等[6]研究却发现,风沙草地开垦为农田则引起土壤养分降低和质地沙化。综上所述,垦耕对土壤结构的影响应进行进一步分区分类研究。
土壤水分是土壤的重要组成物质,也是影响土地生产力的基本因素之一[2]。不同土地利用方式通过改变土壤孔隙和团聚体组成来调控土壤结构,影响水分流动、交换和储存的能力,进而影响其生态学功能和土地生产力。东北风沙黑土主要分布在东北三省西部与内蒙古自治区接壤的温带半干旱草原地带。在气候干旱半干旱的风沙黑土区,水分和土壤结构是生态农业建设的重要基础物质,也是决定该区生态系统结构和功能的关键因子[5,16];但近年来,该区放牧、垦耕严重,土地退化导致的问题远超其自我调节能力范围,给当地生态环境和自然资源带来巨大挑战。为了恢复该区土地资源的生产力,人工林、垦耕、禁牧和撂荒等不同土地利用方式相继出现。本文以东北风沙黑土区禁牧草地、人工林地、农田和自然恢复的撂荒草地4 种土地利用方式为研究对象,分析其理化因子、机械组成以及总孔隙度和容重,动态监测其不同土层土壤储水量,探究土壤团聚体组成及稳定性的理化影响因子,以期为风沙黑土区退化草地恢复治理和再利用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于黑龙江省齐齐哈尔市梅里斯达斡尔族区卧牛吐镇地房子村(123°56′17″ E,47°37′11″ N), 海拔高度146 ~148 m,地形略有起伏,地貌单元为松嫩低平原,地形平坦,岩土成因为第四纪嫩江冲积层。该区属于温带大陆性季风气候,半干旱地区,年均降水量433 mm,年均蒸发量1483 mm,年均气温3.2℃,无霜期130 d。有害风以西北风为主,年均风速3.6 m/s,4 月平均风速4.5 m/s,最大风速22 m/s,年均5 级以上大风30 d,占全年总次数的51%。据卧牛吐试验站气象站监测数据显示(图1),2022 年度玉米生育季内降水量为441 mm (占全年总降水量83.8%),较近10 年同期降水量均值降低5.8%。
该区土壤为风沙土 [17],原生植被多为草地,优势草种为羊草[Leymus chinensis(Trin.)Tzvel.]、贝加尔针茅(Stipa baicalensis Roshev.)、野牛草 [Buchloe dactyloides(Nutt.)Engelm.]等,偶有林木、灌丛出现。研究区所在的卧牛吐镇是达斡尔族聚居地,长期高强度放牧导致原生草地严重退化。目前,该区在地势平坦处的草地部分经过人工垦耕形成大片农田(开垦农田),作物以玉米 (Zea mays L.)和大豆[Glycine max(Linn.)Merr.] 为主,偶有红小豆和土豆等经济作物,开垦年限为20 ~30 年;同时,为抵挡有害风蚀,农田西北方向种植有大片人工林,主要树种为榆树(Ulmus pumila L.)、小叶杨(Populus simonii Carr)和旱柳 (Salix matsudana Koidz.)等,偶有沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.) 和柽柳(Tamarix chinensis Lour.)伴生;地势低洼且条件恶劣的退化草地,人为改变其利用方式较为困难,因此放任其自然生长形成撂荒草地,撂荒年限为20 ~30 年。21 世纪初,为全面评估退化草地禁牧的水土保持效应,黑龙江省水利科学研究院在该区定点建设面积约 (8.13 hm^{2}) 的风蚀观测场,目前场内草地禁牧年限为15 年。
1.2 样品采集与处理
2022 年,本研究围绕风蚀观测场选取坡度、坡向基本一致的4 个典型样地,分别代表人工林地、开垦农田、禁牧和撂荒草地4 种土地利用方式,并在样地布点采样,每个样地布有3 个重复点位。每个点位选取5 m×5 m 的样方,按 “S”形取样法采集分层混合土样,其中0 ~20 和 20 ~40 cm 土层鲜土现场混匀后装入无菌自封袋,每袋约400 g,带回实验室冷藏。剔除样品中较大的砾石和根系等杂质后,将混合样分为两份,一份样品风干并过2 mm 筛,用于土壤质地和pH 值测定;另一份样品风干研磨后过0.149 mm 筛,用于土壤有机质、全量氮磷钾和速效氮磷钾的测定,以上样品采集时间为5 月30 日。
在5 月30 日、6 月30 日、7 月24 日和9 月18 日多次分层采集0 ~20、20 ~40、40 ~60 和60 ~ 80 cm 土层的土壤样品,每层各一袋(约200 g),自封袋密封带回实验室测定土壤含水量,分析剖面水分动态。为分析4 种土地利用方式下土壤结构的差异,本研究于5 月30 日在每个点位选取 1 m×1 m 样方,每个样方取2 个平行样,用采样铲自下而上采集0 ~20 和20 ~40 cm 土层的原状样品(约500 g),硬质盒盛装密封,带回室内测定土壤团聚体。同时,用容重钻将标准环刀(圆柱体高 为5cm,容积 (100 ~cm^{3}) )分别打入地下7.5 ~12.5、27.5 ~32.5、47.5 ~52.5 和67.5 ~72.5 cm 处采集原状土样,测定0 ~20、20 ~40、40 ~60 和60 ~ 80 cm 土层土壤容重;环刀挖出后密封带回实验室烘干称重,并设置2 个平行样。
1.3 测定方法
1.3.1 土壤基础理化和机械组成分析
本研究土壤基础理化测定方法参照鲁如坤的《土壤农业化学分析方法》。具体如下:pH 值采用土水比1∶2.5 浸提- 电位法测定,有机质含量采用 (H_{2} SO_{4}-K_{2} Cr_{2} O_{7}) 油浴氧化- 滴定法测定,全氮含量采用凯氏定氮仪测定,全磷和全钾含量分别采用分光光度计和火焰光度计测定,碱解氮含量采用 KCL 浸提后用流动分析仪(AA3 型)测定,有效磷采用 (NaHCO_{3}) 浸提- 钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用 (NH_{4} OAc) 萃取比色法测定;土壤机械组成采用传统虹吸法测定,采用烘干称重法测定土壤容重并计算总孔隙度。
1.3.2 土壤团聚体筛分及计算
将田间原状土样带回室内,剔除较大的砾石和根系等杂质后自然风干,当风干至田间持水量时按自然纹理结构掰开,风干备用。取200 g 风干土壤过孔径为0.053 ~2 mm 的套筛,干筛后称重计算出各粒级占土壤总重的百分比。按干筛后测定比例称取50 g 风干土样3 份,用土壤团聚体湿筛法测定水稳性团聚体组成,具体操作如下:将风干土样放置于套筛上缓慢没入水下浸泡5 min,开启土壤水稳定性团聚体筛分仪,以30 次/min 的速度筛分10 min,筛分结束后,将各级筛上土壤洗入塑料盒中,静置沉淀后,去除多余水分再移至烘箱内以 65℃烘干,取出称重即可计算水稳团聚体组成。土壤团聚体稳定性用平均重量直径(MWD)和>0.25 mm 团聚体 ((R_{-0.25}))来表征。计算公式如下：
[M W D=sum_{i=1}^{n} W_{i} overline{X}_{i} quad(1)]
式中,(overline{X}_{i}) 为团聚体平均直径,单位为mm(本研究各团聚体平均直径分别取2、1.125、0.1515 和 0.053 mm); (W_{i}) 为第i 级团聚体干物质质量占总干物质量的百分含量,单位为%。
[R_{>0.25}=frac{M_{>0.25}}{M_{T}} × 100 \%]
式中, (M_{>0.25}) 为粒径 >0.25 ~mm 团聚体的质量,单位为g; (M_{T}) 为团聚体总质量,单位为g。
1.3.3 土壤水分含量和储水计算
取0 ~20、20 ~40、40 ~60 和60 ~80 cm 土层土壤于实验室内利用烘干法测定土壤含水率, 土壤水分含量以质量含水率表示,计算公式如下:
[ heta_{w}=frac{f_{w}-d_{w}}{f_{w}} × 100 \%]
式中, (f_{w}) 为鲜土重,单位为g; (d_{w}) 为干土重,单位为g; ( heta_{m}) 为土壤质量含水率,单位为%。
土壤储水量计算公式如下:
[S W S=frac{ heta_{m} ho_{b} h}{ ho_{w}} (4)]
式中,SWS 为土壤储水量,单位为mm; ( ho_{b}) 为土壤容重,单位为 (g/cm^3) ;h 为土层厚度(本研究取20 cm); ( ho_{w}) 为水密度,单位为 (g/cm^3)。
1.4 数据分析与统计
研究采用Excel 2010 进行数据处理,利用 SPSS 27.0 单因素方差分析对理化指标进行显著性检验,使用R 4.2.2 对土壤团聚体稳定性与理化指标进行冗余分析,利用ARCGIS 10.8 和AutoCAD 2022 绘制研究区及样点示意图,Origin 2023 绘制土壤团聚体分布图及土壤剖面储水量动态变化特征图等。
2 结果与分析
2.1 不同土地利用方式土壤储水量动态变化分析
为了探究不同土地利用方式下土壤储水量的动态变化,本研究分别在5 月30 日、6 月30 日、7 月24 日和9 月18 日4 个时间点(对应开垦农田的玉米苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期)对该 4 种土地利用0 ~80 cm 土层土壤剖面分层取样 (0 ~20、20 ~40、40 ~60 和60 ~80 cm 4 个层次),测定土壤水分并计算各层次和整个剖面的储水量。撂荒草地各土层土壤储水量在40 ~60 mm,显著大于开垦农田 (20 ~40 mm)、人工林地(20 ~35 mm)和禁牧草地(15 ~40 mm)。此外,本研究4 种土地利用方式土壤储水量空间变异表现一致,即其分层土壤储水量(每20 cm)呈现随土层深度增加而增加的趋势;以撂荒草地为例,分层土壤储水 (0 ~ 20 ~cm(40.05 ~mm) ≤20 ~ 40 ~cm(42.94 mm) ≤40 ~ 60 ~cm(46.71 ~mm)<60 ~ 80 ~cm(54.18 mm));最终,不同土地利用方式下4个取样时间点平均土壤剖面储水量(0 ~80 cm)表现为撂荒草地(183.33 mm)> 开垦农田、人工林地和禁牧草地 (104.13 ~116.28 mm)。
土壤储水季节性变化在4 种不同土地利用方式下却表现出显著差异。撂荒草地4 个土层 (0 ~20、20 ~40、40 ~60 和60 ~80 cm)的土壤储水量随时间均表现为先升后降;因此,其土壤剖面储水量在各取样时间点上表现为06-30(218.40 mm)≥07-24(181.30 ~mm) 和 05-30(178.59 ~mm) ≥09-18(157.23 mm),且其随时间的变异系数为32.87%。禁牧草地分层和剖面土壤储水量均表现为随时间推移而逐渐降低,其0 ~80 cm 土层土壤剖面储水量在各取样时间点上表现为05-30 ≥06-30 >07-24>09-18 ,变异系数为48.71%;人工林地0~ 80 cm 土层土壤剖面储水量在时间上表现为06-30 ≥0724 ≥09-18 和05-30,但其变异系数仅为9.37%,季节性变化最小;开垦农田0 ~20 和20 ~40 cm 这两个层次的土壤储水量表现为随时间逐渐降低,但在40~60 和60~80 cm 土层储水量却先升后降;因此,其整个剖面土壤储水量在时间上表现为05-30 > 06-30 >09-18 和07-24,其变异系数为34.31%。
2.2 不同土地利用方式对土壤理化因子和结构特性的影响
2.2.1 土壤理化因子
研究区不同土地利用方式的土壤理化因子如表1 所示。撂荒草地和开垦农田两个土层的pH 均表现为20 ~40 cm 土层显著大于0 ~20 cm 土层;在0 ~20 cm 土层,禁牧草地的pH 略高于人工林地 和撂荒草地,而显著高于开垦农田;在20 ~40 cm 土层,开垦农田的pH 较其他样地低1.0 ~1.2。除开垦农田外,有机质在0 ~20 cm 土层的含量显著大于20 ~40 cm 土层;而4 种处理在0 ~20 cm 土层中,开垦农田和禁牧草地有机质含量(12.1 和 11.0 g/kg)显著较低,在20 ~40 cm 土层撂荒草地 和禁牧草地显著较低。全氮、碱解氮、有效磷以及速效钾含量在4 种土地利用方式下均表现为0 ~20 cm 土层显著大于20 ~40 cm 土层;撂荒草地和人工林地0 ~20 cm 土层的全氮和碱解氮含量以及20 ~40 cm 土层的碱解氮和有效磷含量显著高于禁牧草地。但无论何种土地利用方式的全钾含量,在两个土层间无明显差异;对于全磷而言,其在人工林地与开垦农田0 ~20 cm 土层的含量显著大于20 ~40 cm 土层,撂荒草地和禁牧草地两个土层间无明显差异。
表1 不同土地利用方式的土壤理化因子及机械组成分析
|土层深度(cm)|土地利用方式|pH|有机质(g/kg)|全氮(g/kg)|全磷(g/kg)|全钾(g/kg)|碱解氮(mg/kg)|有效磷(mg/kg)|速效钾(mg/kg)|粘粒(%)|粉粒(%)|砂粒(%)|容重(g/cm³)|总孔度(%)|
|0-20|撂荒草地|6.9b|13.7ab|1.3a|0.28c|22.8b|12.8b|157.8b|5.6c|2.47a|14.62b|82.92b|1.44ab|45.6ab|
|0-20|禁牧草地|7.5a|11.0b|0.8b|0.28c|24.2a|8.0c|170.6ab|4.6c|1.31c|17.31a|81.38b|1.51a|43.1b|
|0-20|人工林地|7.0ab|15.3a|1.4a|0.49a|25.7a|23.1a|183.4a|12.8b|1.99b|17.16a|80.85b|1.38b|47.8a|
|0-20|开垦农田|5.3c|12.1b|0.9b|0.38b|24.9a|26.7a|149.1b|33.7a|1.76b|9.85c|88.39a|1.47a|44.6b|
|20-40|撂荒草地|7.5a|10.4b|0.6a|0.25b|23.2c|6.5b|122.9ab|3.7c|2.87a|19.85a|77.28b|1.40b|47.2a|
|20-40|禁牧草地|7.5a|9.9b|0.5a|0.25b|24.7b|4.4c|94.9b|4.4b|1.35b|18.45a|80.20b|1.52a|42.5b|
|20-40|人工林地|7.3a|11.0ab|0.5a|0.29ab|26.9a|6.0b|132.0a|4.0b|2.39a|19.09a|78.53b|1.37b|48.3a|
|20-40|开垦农田|6.3b|12.4a|0.7a|0.31a|26.8a|8.9a|132.9a|11.9a|1.47b|9.61b|88.92a|1.50a|43.4b|
注:不同小写字母表示不同土地利用方式同一土层间达到显著水平((P<0.05));* 表示同一土地利用方式在不同土层间达到显著水平((P<0.05))
2.2.2 土壤机械组成
本研究土壤机械组成总体趋势是砂粒 (77.28% ~88.92%)> 粉粒(9.61% ~19.85%)> 黏粒(1.31% ~2.87%)(表1),符合典型风沙黑土区的土壤特征。除撂荒草地的粉粒含量为0 ~20 cm<20 ~ 40 ~cm 外((P<0.05)) ,其他各级矿物质颗粒,在同一利用方式的两个土层间均无显著差异(表1)。如表1 所示,在0 ~20 cm 土层中,撂荒草地、禁牧草地和人工林地的土壤粉粒含量分别比开垦农田高4.77%、7.46% 和7.31%,而撂荒草地黏粒含量比禁牧草地、人工林地和开垦农田分别高1.16%、0.48% 和0.71%;且在20 ~40 cm 土层中,这3 种土地利用方式下的土壤粉粒含量也分别较开垦农田高10.24%、8.84% 和9.48%,而撂荒草地(2.87%)≥人工林地(2.39%)> 开垦农田(1.47%) > 禁牧草地(1.35%)。最终,导致开垦农田在两个土层的砂粒含量均显著高于另外3 种土地利用方式。
2.2.3 土壤容重及总孔隙度
土壤容重为 (1.37 ~ 1.51 ~g / cm^{3}) ,且0 ~20 和 20 ~40 cm 土层间无显著差异(表1)。不同土地利用方式下本研究涉及的4 个土层土壤容重均表现为人工林地< 撂荒草地< 开垦农田和禁牧草地(( P<0.05))。由于本研究土壤孔隙度是根据容重计算而来,故其规律与容重相反,如表1 所示,土壤总孔隙度为42.5% ~48.3%,人工林地较其他土地利用方式高4.6% ~9.2%。
2.2.4 土壤团聚体组成及其稳定性分析
本研究土壤各粒径团聚体的质量百分比依次为0.25 ~2 mm(58% ~75%)、0.053 ~0.25 mm(15% ~28%)、>2 和<0.053 mm;但4 种土地利用方式的土壤团聚体组成在0 ~20 与20 ~40 cm 土层间有所差异。在0 ~20 cm 土层, (>2 mm) 团聚体在人工林地中的百分比(15%)显著大于另外3 种土地利用方式(6% ~7%);0.25 ~2 mm 团聚体百分比在人工林地与撂荒草地间无差别(均为58%),但显著小于禁牧草地和开垦农田(76% 和74%);0.053 ~0.25 mm 团聚体百分比在人工林地与撂荒草地间差异不显著(23% 和28%),但显著大于禁牧草地和开垦农田(15% 和16%);而<0.053 mm 团聚体百分比,撂荒草地(5%)显著大于另外3 种土地利用方式(1% ~3%)。在20 ~40 cm 土层中,0.25 ~2 mm 团聚体百分比为73% ~75%,且其百分比在4 种土地利用方式间无显著差异;0.053 ~0.25 mm 团聚体百分比为18% ~22%,其百分比大小依次为人工林地≤撂荒草地和开垦农田≤禁牧草地; (>2 mm) 团聚体百分比(1%~5%)显著小于0.053 ~0.25 mm,且在4 种土地利用方式下这两个粒径百分比的大小顺序相反;<0.053 mm 团聚体百分比为2% ~3%,其百分比大小则依次是人工林地≤禁牧草地≤撂荒草地和开垦农田。
此外,在0 ~20 cm 土层,撂荒草地的MWD(0.85 mm)显著小于其他3 种土地利用方式(0.99 ~1.01 mm);在20 ~40 cm 土层,4 种土地利用方式的MWD 则表现为人工林地(0.97 mm)≥撂荒草地(0.95 mm)和开垦农田(0.92 mm)≥禁牧草地(0.87 mm);最终,禁牧草地0 ~20 cm 土层的MWD 显著大于20 ~40 cm 土层(( P<0.05))。本研究中4 种土地利用方式>0.25 ~mm 团聚体的质量百分比,在0 ~20 cm 土层中由大到小顺序为禁牧草地(83%)≥ 开垦农田(82%)> 人工林地(74%)> 撂荒草地(67%),而在20 ~40 cm 土层中依次为人工林地(80%)≥撂荒草地(78%)和开垦农田(77%)≥禁牧草地(74%)。4 种土地利用方式的MWD 和>0.25 mm 的团聚体质量百分比在两个土层均呈显著正相关 (0 ~20 cm, (R^{2}=0.75) ; 20 ~ 40 cm, (R^{2}=0.94))。因此,在本研究中除MWD外,也可用 >0.25 ~mm 的团聚体质量百分比表征其在不同土地利用方式下的土壤团聚体稳定性。
2.3 不同土地利用方式土壤团聚体稳定性的影响因子分析
以土壤团聚体结构稳定性指标为响应变量,土壤理化、机械组成、容重及总孔隙等为环境因子变量进行冗余分析,发现RDA1 和RDA2 轴累计解释量在0 ~20 cm 土层为94.04%,在20 ~40 cm 土层分别为53.86%(RDA1)和19.78%(RDA2)。结合相关分析可知,在0 ~20 cm 土层,撂荒草地土壤团聚体稳定性显著低于禁牧草地、人工林地和开垦农田。进一步分析发现:0.25~2mm、<0.053 ~mm及0.053 ~ 0.25mm团聚体分别是撂荒草地与禁牧草地、开垦农田产生分异的主导因子; (>2 mm) 团聚体是人工林地显著分异于撂荒草地的主要因素,同时,土壤全磷、粉粒含量以及总孔隙度对这一分异亦有贡献。在20 ~40 cm 土层,人工林地土壤团聚体稳定性与撂荒草地、开垦农田无明显差别,而显著高于禁牧草地。分析发现,>2 和 0.053 ~0.25 mm 团聚体是造成人工林地与禁牧草地土壤团聚体稳定性分异的主要原因。
3 讨论
3.1 土地利用方式对土壤储水的影响
土壤水分作为土壤- 植被- 大气连续体的关键因子,对土壤特性、植被生长分布以及区域生态系统有着重要的影响 [21-22]。本研究设在干旱半干旱的齐齐哈尔市风沙黑土区,该区地下水埋藏深,植物难以直接利用,大气降水是土壤水分的主要来源,能直接影响土壤水分的调节能力,土壤储水量也将随降水而呈现动态变化的规律[23]。但研究表明,不同土地利用方式会影响降水在土壤中的再分配过程,从而导致土壤储水量的分布格局产生差异[24-25],本研究在4 种土地利用方式下,土壤剖面储水量均由浅到深不断增大,因为土壤水分受重力作用不断下渗,表层土壤水分蒸发和植被吸收利用等多重因素,导致表层土壤储水量减少,深层增加[24];撂荒草地0 ~80 cm 剖面土壤储水量最大,因地势低洼且覆盖植被为低矮草本,难以阻挡降水引起的汇水作用。林地40 cm 以下土层储水量相较另3 种样地最低,由于常年存在高大乔木和其他植被,密集发达的根系多吸收较深层土壤水分,导致 “干层现象” [26-27]。
不同土地利用方式样地的植被郁闭度、根系分布和水分利用的差异,导致植被蒸腾耗水、土壤水分蒸发和下渗量各异 [28]。在相同降水条件下,不同土地利用方式样地间的土壤水分变异不同 [29-31]。本研究发现,禁牧草地土壤储水量随时间的变异系数(48.71%)最大,而人工林地变异系数(9.37%)最小,因为沙质土壤的禁牧草地水分容易流失,而林地由于凋落物覆盖,减少了土壤水分的蒸发散失,植物叶片的截流作用使得部分雨水无法进入土壤,故能保持土壤水分在季节间的稳定。赵娜娜等 [32]对不同下垫面的土壤水分时间稳定性分析的研究中发现,在相同气候条件下,草地土壤水分的变异高于裸地,且土壤含水量越高,其时间稳定性越趋于不稳定,这正是本研究中撂荒草地变异性强的重要原因。本研究中4 种土地利用方式的土壤储水量随季节的变异性均在表层最大,由于降水最先渗入该层,使土壤水分急剧增加,雨后植被吸收利用和自然蒸腾等耗水,使土壤水分迅速减少,故该土层水分受降水影响最为显著,干湿波动明显 [28]。与刘丙霞等 [27]和赵磊等 [30]在黄土区进行土壤水分时空变异特征的研究结果一致。
3.2 土地利用方式对土壤结构特性的影响
土壤结构特性包括孔隙结构、机械组成、团聚体组成以及团聚体结构稳定性等。本研究发现,人工林地0 ~20 cm 土壤总孔隙度显著大于其他3 种土地利用方式。究其原因,是林地根系发达,利于形成土壤团聚体;同时,其根系生长降低土壤容重、增加土壤总孔隙度。邹文秀等研究发现,林地较耕地具有更多根系、凋落物,能够疏松土壤,导致土壤孔隙大于耕地,与本研究结果一致。此外,本研究还发现,农田两个土层 (0 ~20 和20 ~40 cm)的砂粒含量均显著大于其他利用方式。这是因为风沙黑土区农田开垦导致土壤结构破坏、质地沙化;且非生育季有害风频发 [34]、地面无作物覆盖,导致土壤质地粗骨化。吴祥云等[6]研究发现,风沙草地开垦为农田会引起土壤养分降低和质地沙化。另外,陈新闯等在乌兰布和沙漠沿黄段,对不同土地利用类型土壤分型特征的研究中发现,耕地由于地表缺乏有效覆盖,受风蚀影响严重,其细颗粒物被吹失,造成土壤砂粒含量增加,均验证了本研究结果。
土壤团聚体是土壤的结构单元和肥力基础,影响土壤养分供应、气体循环和储水性等性质。土壤团聚体稳定性的变化一定程度上可以反映土壤理化特性的变化,不少研究表明,土地利用方式和农田管理措施等人类行为能显著影响土壤理化性质,进而改变团聚体结构。土壤团聚体稳定性一般用MWD 作为评价指标,其值越大,代表土壤团聚度和结构稳定性越强。>0.25 mm 大团聚体的数量通常也可以用来表征土壤结构的好坏,其含量和质量越高,说明土壤结构越稳定。本研究发现,撂荒草地的MWD 低于其他3 种土地利用方式,撂荒草地0.25 ~2 mm 团聚体显著低于禁牧草地和开垦农田,而<0.053 和0.053 ~0.25 mm 团聚体显著高于禁牧草地和开垦农田,撂荒草地覆被率低,风蚀、水蚀破坏较大团聚体及结构稳定性形成是其重要因素 [40]。李娟等 [41]在黄土高原的研究也发现,地表覆盖物能够抵抗水蚀、风蚀及雨水淋溶等影响,是形成和保护大团聚体结构稳定性的有利条件。综合分析发现,禁牧草地 >2 ~mm 团聚体显著低于人工林地,而0.053 ~0.25 mm 团聚体显著高于人工林地。陈婧等[42]在宁夏的研究中也有类似发现,封育草地相比于柠条地显著降低了 (>0.25 mm) 团聚体,表层土壤MWD 显著提高。另外,本研究禁牧草地20 ~40 cm 土层的MWD 显著小于另3 种土地利用方式,主要原因是人工林地人为活动扰动少,地表凋落物、微生物和根系分解形成多糖胶结物,有利于菌丝对林地土壤的缠绕作用,从而促进土壤大团聚体的形成,能增强团聚体结构稳定性[43]。
4 结论
(1)在4 种土地利用方式下,土壤储水量均呈现随土层深度增加而增加的趋势;其中撂荒草地各土壤层次储水量最大;土壤剖面储水量变化存在季节性差异,人工林地储水量随季节变异性较小,禁牧草地变异剧烈,且各土地利用方式土壤储水量均在表层0 ~20 cm 随时间变异最大。不同时期的土壤水分条件不仅受土地利用方式的影响,降水、地形等也是水分动态变化的重要影响因素。
(2)各样地土壤0.25 ~2 mm 团聚体占比均最高,4 种处理的 >2 ~mm 团聚体占比为人工林地最高,禁牧草地最低;在0 ~20 cm 土层,撂荒草地的MWD 显著低于其他样地(禁牧草地、人工林地和开垦农田);在20 ~40 cm 土层,人工林地的MWD 显著最高,禁牧草地显著最低((P<0.05))。
(3)在0 ~20 cm 土层,撂荒草地土壤团聚体稳定性显著低于禁牧草地、人工林地和开垦农田。0.25~2、<0.053及0.053~0.25mm团聚体分别是撂荒草地与禁牧草地、开垦农田产生分异的主导因子;>2 mm 团聚体是人工林地显著分异于撂荒草地的主要因素,土壤全磷、粉粒含量以及总孔隙度对这一分异亦有贡献。在20 ~40 cm 土层,人工林地土壤团聚体稳定性与撂荒草地、开垦农田无明显差别,而显著高于禁牧草地,>2 和0.053 ~0.25 mm 团聚体是造成人工林地与禁牧草地土壤团聚体稳定性分异的主要原因。
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