宁南黄土丘陵区撂荒地恢复过程中土壤水稳性团聚体的变化特征

王月玲， 王思成， 马 璠， 许 浩， 董立国， 蔡进军， 韩新生

(1.宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，宁夏银川 750002； 2.宁夏农业综合开发办公室，宁夏银川 750011)

撂荒地是指曾经被耕种而现在不被继续耕种以致荒芜的土地[1]，耕地撂荒是耕地边际化的极端表现。耕地出现严重撂荒的主要原因，一是城镇化和工业化发展引起农村人口的外迁和非农化，导致山区农业劳动力大量减少；二是农资价格上涨、生态条件恶劣导致土地利用纯收益下降；其中劳动力析出是撂荒的直接原因[2]。耕地撂荒不仅是对土地资源的一种浪费，也影响生态环境。撂荒地现象从20世纪下半叶开始，在全球范围内都有发生，特别在发达资本主义国家开始，直到现在，欧美等国家时有发生。我国耕地撂荒主要是从近20年开始的，而近年来愈演愈烈，所以也成为研究的热点[3]。弃耕演替为进展演替可以为生态恢复规划提供指导，但要恢复为稳定的生态系统可能会经历很长一段时间[4]。黄土丘陵区是我国乃至全球水土流失最严重的地区，水土流失、土壤退化等已成为困扰该区域可持续发展和农民脱贫致富的主要问题[5]。明确弃耕地撂荒后植被的自然演替是否引起土壤结构的变化，以及这种变化是否增强土壤的抗蚀性能，对于评价耕地撂荒解决水土流失问题至关重要。

土壤团聚体的形成与动态变化及团聚体稳定性是土壤结构研究的主要内容[6]。作为土壤结构的基本单位，土壤团聚体与土壤物理、化学和生物学性质直接相关，其含量与粒级分布不仅影响作物生长发育，而且对土壤抗蚀性和土壤可持续利用等有重要影响[7]。具有良好团聚体结构的土壤，不仅具有高度的空隙性和持水性，而且有良好的通透性，在植物生长期能够很好地调节植物需要的水、肥、气、热诸因素[8]。近年来，国内外对紫土、黑土等土壤条件下土地利用方式或不同肥力水平对土壤团聚体结构及稳定性影响[9-16]研究较多，但对宁南黄土丘陵区不同年限撂荒地对土壤水稳性团聚体影响的研究鲜有报道，急需加强研究。笔者以宁南黄土丘陵区为研究区域，采用Yoder湿筛法[17]测定不同年限弃耕撂荒地土壤水稳性团聚体，使用土壤团聚体MWD、GMD和分形维数D等指标来分析和评价土壤水稳性团聚体的结构特征与稳定性，以期为宁南黄土丘陵区的植被恢复和土壤质量的改善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于彭阳县东北13 km处的白阳镇中庄村，该村总面积16.5 km2，耕地面积1 076 hm2，地貌类型属于黄土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面倾斜度大，平均海拔在 1 600～1 700 m。年平均气温7.6 ℃，≥10 ℃的积温2 200～2 750 ℃，境内年蒸发量较大，干燥度为3.58，无霜期140～160 d。降雨是雨水资源量的决定因素，研究区多年平均年降水量475 mm，降水量集中且年内分配不均，雨量集中月份常以暴雨形式出现，易发局地暴雨洪水。研究区土壤类型以普通黑垆土为典型土壤，土壤母质为黄土及黄土状物，pH值在8.0～8.5，土层深厚，土质疏松。植被类型以草原植被为基础，生长着长茅草(S.bungeanaTrin.)、角蒿(I.SinensisLam.)、星毛委陵菜(P.acaulisL.)等，其次还有中生和早中生的落叶阔叶灌丛、落叶阔叶林、草甸。人工植被以山桃(P.davidianaFranch.)、沙棘(H.rhamnoidesL.)、山杏(Prunusarmeniaca)等为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选取 2017年4月在野外全面踏查的基础上，根据植物群落组成、结构和对当地居民的访问调查结果，在保证样地黄土母质相同的情况下，本试验选取了无人为干扰或人为干扰相对较少且立地条件相似的不同撂荒年限样地共5块进行土壤水稳性团聚体测定，撂荒年限分别为2、5、10、15、17年。样地基本概况见表1。

表1 样地基本情况

1.2.2 土壤样品的采集 2017年5月在各样地内随机挖取2个深30 cm的剖面，按从上到下斜对角线方式用铝盒和 100 cm3的环刀分别采取0～10 cm、>10～20 cm、>20～30 cm 的原状土样，每层取3个重复，带回实验室。铝盒在通风处自然风干，环刀烘干测定土壤容重。

1.2.3 水稳性团聚体的测试方法 本研究采用Yoder湿筛法对水稳性团聚体含量进行测定。利用日本产DIK-2001型土壤团粒分析仪进行测试，1次可以分析4个样品，套筛孔径依次为2、1、0.5、0.25、0.106 mm。采集回来的土壤样品自然风干后进行测定，每组样品测定的振荡时间为30 min，振荡结束后将留在筛子上的各级团聚体用清水冲入碗中，接着用滤纸过滤团聚体，然后把滤纸和土壤团聚体一起放入烘箱 55 ℃ 风干，在空气中平衡2 h，不同粒级团聚体的土样分别称质量。

1.3 结果计算

(1)不同粒级水稳性团聚体的质量百分比

(1)

式中：Wi为某级水稳性团聚体的质量分数(%)；WWi为该级水稳性团聚体的风干质量(g)；MT为水稳性团聚体的风干总质量(g)。

(2)水稳性大团聚体的质量百分比

(2)

式中：W0.25为水稳性大团聚体的质量分数(>0.25 mm)；Mi>0.25为大于0.25 mm水稳性团聚体的质量(g)；MT为水稳性团聚体的风干总质量(g)。

(3)水稳性团聚体的土壤平均质量直径(MWD)

MWD=∑xiyi。

(3)

式中：xi为土壤粒级的平均直径(mm)；yi为不同土壤粒级团聚体占总团聚体的比例。

(4)水稳性团聚体的土壤几何平均直径(GMD)

(4)

式中：mi为土壤不同粒级团聚体的质量(g)；lnxi为土壤粒级平均直径的自然对数。

(5)水稳性团聚体的分形维数(D)

土壤团聚体的质量分形维数(D)是基于假设不同粒级的土壤密度相同提出来的。公式如下：

(5)

两边取以10为底的对数：

(6)

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理和作图，用DPS 16.05和SPSS 19.0统计分析软件进行单因素方差分析和相关分析，不同参数之间多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 土壤水稳性团聚体的分布特征

在撂荒地的植被恢复过程中，随着植被恢复年限的增长，土壤水稳性团聚体含量也发生相应的变化。从表2可以看出，水稳性团聚体以<0.25 mm和>2 mm粒级为主，0～10 cm 土层各年限撂荒地<0.25 mm粒级水稳性微团聚体含量平均值最高，为61.7%，>0.25 mm粒级水稳性大团聚体含量为38.3%，>2 mm粒级的水稳性团聚体含量为21.44%，>1～2 mm粒级的水稳性团聚体含量最小，为4.32%。>10～20 cm土层各年限撂荒地<0.25 mm粒级水稳性微团聚体含量平均值为75.47%，>0.25 mm粒级水稳性大团聚体含量为24.53%，>2 mm粒级的水稳性团聚体含量为 13.02%，>1～2 mm粒级的水稳性团聚体含量最小，为 2.92%。>20～30 cm土层<0.25 mm粒级水稳性微团聚体含量平均值为85.53%，>0.25 mm粒级水稳性大团聚体含量为14.47%，>2 mm粒级的水稳性团聚体含量最小，为1.09%。且0～30 cm土层不同年限撂荒地，基本呈现出随着粒级减小，团聚体所占的质量百分比逐渐增大。

不同土层的水稳性团聚体含量随着恢复年限增加存在一定的差异。2、5年的撂荒地的变化规律相同，10、15、17年撂荒地出现两头大、中间小的变化规律。在0～10 cm土层中不同年限撂荒地>2 mm水稳性大团聚含量变化顺序为17年>15年>10年>5年>2年，总体表现出>2 mm水稳性大团聚含量随着撂荒年限的延长而不断增加，在2～10年前期撂荒演替中，各年限间差异不显著，但与15、17年差异显著。在>10～20 cm土层中不同年限撂荒地>2 mm水稳性大团聚含量变化顺序为17年>15年>2年>5年>10年，不同年限间差异不显著。在20～30 cm土层中不同年限撂荒地>2 mm水稳性大团聚含量变化顺序为15年>2年>5年>17年>10年，不同年限间差异不显著。<0.106 mm水稳性团聚体含量在0～30土层中，随着撂荒年限的延长呈先增加后降低趋势，不同年限间差异显著。

表2 不同撂荒年限地0～30 cm土层土壤水稳性团聚体分布特征

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.2 土壤水稳性大团聚体的质量分数

从表3可以看出，>0.25 mm土壤水稳性大团聚体所占比例随着撂荒年限的延长先降低后增加。撂荒初期2年的土壤水稳性大团聚体含量较高，0～30 cm土层平均为33.22%，随着撂荒年限的延长，5～10年撂荒地土壤水稳性大团聚体含量开始下降，在10年处最低平均为10.20%，然后又开始增加，撂荒17年0～30 cm土层土壤水稳性大团聚体含量达到最大，平均为34.72%。在0～10 cm土层，2、10、17年撂荒地>0.25 mm土壤水稳性大团聚体所占比例差异显著；在 10～20 cm土层，2、5、10年撂荒地>0.25 mm土壤水稳性大团聚体所占比例差异显著；在20～30 cm土层，2、5、10年撂荒地>0.25 mm土壤水稳性大团聚体所占比例差异显著。在0～30 cm土层，不同年限撂荒地>0.25 mm土壤水稳性大团聚体所占比例随着土层深度的加深而减少。

表3 不同撂荒年限0～30 cm土层>0.25 mm土壤水稳性大团聚体比例

注：同行数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.3 土壤水稳性团聚体平均质量直径、几何平均直径和分形维数

从表4、表5可以看出，从团聚体平均质量直径和几何平均直径来看，在0～30 cm土层土壤水稳性团聚体MWD和GMD的变化趋势是相同的。在0～10 cm土层，撂荒2年团聚体MWD和GMD较小，随着撂荒年限的延长，5～17年间总体呈现增加趋势。在>10～20 cm土层，撂荒2年团聚体MWD和GMD较小，5年处略有增加，在10年处明显下降，随后在15～17年开始增加。在>20～30 cm土层，也是撂荒2年团聚体MWD和GMD较小，随后5～17年变化不是很明显。0～30 cm不同土层间，土壤水稳性团聚体MWD和GMD随着土层的加深呈减小趋势，表明表土层0～10 cm土壤团聚体较下层>10～30 cm稳定，土壤抗侵蚀能力较强。从表4、表5可以看出，在0～10 cm土层，2～5年与10～17年撂荒地团聚体MWD和GMD差异显著，在>10～20 cm土层，10年与15～17年撂荒地团聚体MWD、GMD差异显著，在>20～30 cm土层，各年限撂荒地团聚体MWD、GMD差异不显著。

表4 土壤水稳性团聚体平均质量直径

注：同行数据后不同小写字母表示差异显著，表5、表6同。

土壤水稳性团聚体分形维数越大，土壤结构的稳定性越差。从表6可以看出，0～30 cm，2、5、10年撂荒地分形维数曲线比较接近，变化不是很明显，15、17年撂荒地变化比较明显。尤其在0～10 cm 土层，15、17年撂荒地土壤水稳性团聚体分形维数明显下降，说明10年之后，土壤结构的稳定性开始变好。分析结果表明，表土层0～10 cm，2～10年与17年撂荒地土壤水稳性团聚体分形维数差异显著，20～30 cm不同年限撂荒地土壤水稳性团聚体差异不显著。

表5 土壤水稳性团聚体几何平均直径

表6 土壤水稳性团聚体分形维数

2.4 土壤容重、水稳性团聚体各参数之间的相关性

通过土壤容重(SBD)、水稳性团聚体各参数之间的相关系数来评价土壤团聚体数量组成对土壤结构稳定性的影响。

从表7可以看出，在表土层0～10 cm，土壤容重与分形维数相关不显著；土壤容重与土壤水稳性团聚体MWD、GMD和>2 mm大团聚体所占比例呈极显著、显著负相关，相关系数分别为-0.49、-0.44、-0.32；土壤容重与>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm 土壤水稳性团聚体所占比例呈极显著正相关，相关系数均为0.40。土壤水稳性团聚体分形维数与MWD、GMD、>2 mm呈极显著负相关，相关系数分别为-0.56、-0.66、-0.88；分形维数与>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm 和<0.106 mm呈显著、极显著正相关，相关系数分别为0.35、0.45、0.87；其中，<0.106 mm的相关系数为0.87，贡献最大。土壤水稳性团聚体MWD和GMD与 >2 mm 呈极显著正相关，相关系数分别为0.87和0.92；与其他径级呈极显著负相关。分形维数与MWD、GMD的影响因子相反，>2 mm 的土壤水稳性大团聚体越多，MWD和GMD的值越大，分形维数值越小，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强，反之，则越差。MWD与GMD呈极显著正相关，相关系数为0.98

从表8可以看出，在土层>10～20 cm，土壤容重与分形维数相关不显著；土壤容重与土壤水稳性团聚体GMD和 >2 mm 大团聚体所占比例呈显著正相关，相关系数分别为0.32、0.29；土壤容重与>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm土壤水稳性团聚体所占比例呈极显著负相关，相关系数分别为-0.51、-0.44、-0.41、-0.43。土壤水稳性团聚体分形维数与MWD、GMD、>2 mm 呈极显著负相关，相关系数分别为-0.75、-0.77、-0.90；分形维数与<0.106 mm呈极显著正相关，相关系数为0.60。土壤水稳性团聚体MWD和GMD与>2 mm呈极显著正相关，相关系数分别为0.91和0.93。分形维数与MWD、GMD的影响因子相反，>2 mm的土壤水稳性大团聚体越多，MWD和GMD的值越大，分形维数值越小，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强，反之，则越差。MWD与GMD呈极显著正相关，相关系数为0.99。

表7 0～10 cm土壤容重、水稳性团聚体各参数之间的相关性分析

注：**、*分别为0.01、0.05水平上显著相关，表8、表9同。

表8 >10～20 cm土壤容重、水稳性团聚体各参数之间的相关性分析

从表9可以看出，在土层>20～30 cm，土壤容重与分形维数呈极显著正相关；土壤容重与>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm、<0.106 mm土壤水稳性团聚体所占比例呈显著、极显著负相关。土壤水稳性团聚体分形维数与MWD、GMD、>2 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm、0.106～0.25 mm、<0.106 mm土壤水稳性团聚体所占比例呈极显著负相关。土壤水稳性团聚体MWD和GMD与>2 mm、<0.106 mm呈极显著正相关，其中，与>2 mm的相关系数分别为0.92、0.95，贡献最大。分形维数D与MWD、GMD的影响因子相反，>0.5 mm的土壤水稳性大团聚体越多，MWD和GMD的值越大，分形维数D值越小，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强，反之则越差。MWD与GMD呈极显著正相关，相关系数为0.99。

表9 >20～30 cm土壤容重、水稳性团聚体各参数之间的相关性分析

3 结论

通过以上分析，在宁南黄土丘陵区撂荒地植被恢复过程中，不同撂荒年限对土壤水稳性团聚体含量有很大的影响。(1)不同年限撂荒地0～30 cm土层土壤的水稳性团聚体分布以<0.25 mm、>2 mm粒级为主，0～10 cm、>10～20 cm、>20～30 cm土层各年限撂荒地>0.25 mm粒级水稳性大团聚体含量分别为38.3%、24.53%、14.47%，且0～30 cm 土层不同年限撂荒地基本呈现出随着粒级减小，团聚体所占的质量百分比逐渐增大。(2)不同土层的水稳性团聚体含量随着恢复年限增加存在一定的差异。2、5年的撂荒地的变化规律相同，10、15、17年撂荒地出现两头大、中间小的变化规律。>2 mm水稳性大团聚含量在0～10 cm土层中不同年限撂荒地变化顺序为17年>15年>10年>5年>2年，总体表现出>2 mm水稳性大团聚含量随着撂荒年限的延长而不断增加；>0.25 mm土壤水稳性大团聚体所占比例在 0～30 cm土层随着撂荒年限的延长先降低后增加。(3)不同年限撂荒地 0～30 cm 土层，从土壤MWD、GMD和分形维数值来看，10年撂荒地土壤抗蚀能力较弱，从10年以后，随着撂荒时间的延长，土壤抗侵蚀能力逐渐增强。(4)通过土壤容重与水稳性团聚体各参数间的相关性分析结果表明，粒级>2 mm的水稳性团聚体对土壤结构的稳定性有较大的影响。