秦瑞杰,鄭粉莉,2,盧嘉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌712100)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位,團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與影響其穩(wěn)定性的因素是土壤侵蝕學(xué)研究的重要方面,而植物對(duì)修復(fù)土壤結(jié)構(gòu)有重要作用。朱顯謨先生曾提出,生物措施是水土保持最有效和最根本的方法[1]。植物通過(guò)根系分泌物和死根分解的產(chǎn)物使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,改善土壤的理化性質(zhì),進(jìn)而提高土壤的抗侵蝕能力,不同植被對(duì)改善土壤質(zhì)量的作用也有差異[2-4]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤團(tuán)聚體及土壤質(zhì)量的影響因素研究多集中在土地利用方式及施肥方式上[5-7],關(guān)于水土保持草本植物對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響研究鮮有報(bào)道。冰草(Agropyron cristatum)、高羊茅(Festuca arundinacea)和紫花苜蓿(Medicago sativa)是人工草地建設(shè)中三種主要的多年生草本植物,具有根系發(fā)達(dá)、枝葉繁茂、抗旱、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),也是優(yōu)良的改土培肥和水土保持植物。為此,本研究通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn),研究冰草、高羊茅和紫花苜蓿三種草本植物在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響,結(jié)合植物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)、植物的地上和地下部分生物量等,探討土壤團(tuán)聚體的變化影響機(jī)制,以期為植被恢復(fù)與土壤侵蝕關(guān)系的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)所用試驗(yàn)盆為18 cm×18 cm。供試土壤自然風(fēng)干后過(guò)1 cm篩。每盆裝土3.5 kg,盆子裝土表面距盆緣約2 cm。填土前每盆按每1 kg干土與0.55 g尿素、1.0 g KH2PO4施肥量充分混合。土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.21%,全氮0.83 g/kg,pH值為8.3,機(jī)械組成為黏粒25%、粉粒29%和砂粒46%。盆栽試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所氣候模擬大廳溫室內(nèi)進(jìn)行,控制溫室日間溫度為20～25℃,夜間溫度為20℃左右,每天光照約12 h。在每個(gè)試驗(yàn)盆中埋置長(zhǎng)為20 cm的塑料管,以供試驗(yàn)過(guò)程中澆水使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)有4種處理,包括冰草、高羊茅、紫花苜蓿、空白對(duì)照;除空白對(duì)照為無(wú)植物外,每個(gè)試驗(yàn)處理各種植40盆植物。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程分為4個(gè)生長(zhǎng)階段(即生長(zhǎng)天數(shù)為90,130,220,250 d),在各生長(zhǎng)階段從每種試驗(yàn)處理中隨機(jī)抽取10盆,用來(lái)測(cè)定地上和地下生物量以及采集土壤樣品。無(wú)論是測(cè)定地上和地下生物量,還是土壤樣品的采集,皆設(shè)三個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)于2009年 10月25日播種,出苗 10 d后間苗,選取長(zhǎng)勢(shì)較為一致的植株,統(tǒng)一定苗至8株/盆。人工澆水維持植物自然生長(zhǎng),并防治病蟲(chóng)害。對(duì)于空白對(duì)照,除不播種植物外,所有處理與其他三種植物相同,即對(duì)應(yīng)于每個(gè)生長(zhǎng)期,均有相同天數(shù)的空白對(duì)照處理,以便分析整個(gè)盆栽試驗(yàn)期間干濕交替對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

地上生物量的測(cè)定:采用收獲法,將各個(gè)盆里的植物齊地面收獲,55℃下烘至恒重,稱量,獲得每盆處理地上生物量,3次重復(fù)。對(duì)照處理計(jì)為零。

地下生物量的測(cè)定:采用沖洗的方式,將植物根部泥土沖洗干凈,剪下根頸以下部分,55℃下烘至恒重,稱量,3次重復(fù)。對(duì)照處理仍計(jì)為零。

土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定:取出盆中土樣自然風(fēng)干,四分法取部分土樣用于養(yǎng)分分析。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外化加熱氧化法測(cè)定[8],3次重復(fù)。

土壤團(tuán)聚體的測(cè)定:采集試驗(yàn)盆中的全部土壤。將采集土樣自然風(fēng)干,期間用手將大塊沿紋理輕輕地掰成10～12 mm小土塊。篩取3～5 mm的團(tuán)聚體,采用Le Bissonnais法中的慢速濕潤(rùn)法(Slow Wetting,SW)[9-11]進(jìn)行測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。篩分粒級(jí)分別為＜0.05,0.05～0.1,0.1～0.2,0.2～0.5,0.5～1,l～2和＞2 mm。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性用團(tuán)聚體平均重量直徑(Mean Weight Diameter,MWD)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPS 2000進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析,基于LSD進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種植物各生長(zhǎng)階段的地上生物量與地下生物量

由圖1可以看出,三種植物的地上、地下生物量均隨著生長(zhǎng)時(shí)間而逐漸增加,各植物的地上生物量在不同生長(zhǎng)階段之間的差異均達(dá)到了顯著水平,而地下生物量的情況略有不同,其中冰草和高羊茅的前兩個(gè)生長(zhǎng)期與后兩個(gè)生長(zhǎng)期之間有顯著差異,只有紫花苜蓿在各生長(zhǎng)期的地下生物量均有顯著差異,與其地上生物量差異趨勢(shì)一致。從生物量增長(zhǎng)程度上看,冰草和高羊茅生長(zhǎng)250 d時(shí)地上生物量比90 d時(shí)增加了9.2倍,增幅相同;而紫花苜蓿增幅較低,增加了7.5倍。冰草地下生物量增加了近7倍,而高羊茅只增加了4倍多,紫花苜蓿增幅最大,增加了9倍多。

從圖1中還可以看到,同一生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)地下生物量為冰草＞紫花苜蓿＞高羊茅,而地上部分生物量則表現(xiàn)為高羊茅＞冰草＞紫花苜蓿;相對(duì)于地上部分,紫花苜蓿的根系發(fā)育變幅較大(由0.58 g增加到6 g,增加了10倍),即相同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)紫花苜蓿的根冠比大于冰草和高羊茅的根冠比。這種不同植物類型在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的地上生物量和地下生物量差異將可能對(duì)土壤團(tuán)聚體變化過(guò)程產(chǎn)生影響。

圖1 三種植物在不同生長(zhǎng)階段的地上生物量與地下生物量的動(dòng)態(tài)變化

2.2 草被生長(zhǎng)期發(fā)育對(duì)土壤團(tuán)聚體MWD的影響差異

利用Le Bissonnais法中的慢速濕潤(rùn)法測(cè)定三種植物在各生長(zhǎng)期的MWD,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同草被生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響 mm

由表1可知,對(duì)于空白對(duì)照,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中MWD值很少變化,表現(xiàn)為無(wú)顯著性差異。高羊茅處理與對(duì)照處理的MWD的變化趨勢(shì)相同,在4個(gè)生長(zhǎng)階段之間也沒(méi)有顯著性差異。而冰草和紫花苜蓿處理的MWD隨生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。冰草的MWD在生長(zhǎng)90 d與220 d、90 d與250 d以及130 d與250 d之間存在顯著性差異,而在相鄰兩個(gè)生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)顯著性差異。紫花苜蓿處理的MWD也隨生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間的延長(zhǎng)呈遞增變化,但前三個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期之間差異不顯著,只有生長(zhǎng)到250 d時(shí)才與前三個(gè)階段有顯著性差異。此研究結(jié)果表明,植物隨著生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的效應(yīng)是不同的。已有研究也表明,隨著植被恢復(fù)的年限增加,土壤的結(jié)構(gòu)逐步得到改善[12],土壤的抗沖性增強(qiáng)[13]。本研究條件下,冰草和紫花苜蓿處理都使得團(tuán)聚體MWD有了顯著性的增加,而高羊茅處理的影響不明顯,這可能是生長(zhǎng)時(shí)間仍然過(guò)短所致。

2.3 不同草本植物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)土壤團(tuán)聚體MWD的影響

表2給出了4個(gè)處理在相同時(shí)間內(nèi)對(duì)團(tuán)聚體MWD的影響差異。從表中可以看出,在生長(zhǎng)90 d時(shí),三種植物與空白對(duì)照之間均無(wú)顯著性差異;到了130 d,三種植物團(tuán)聚體MWD與對(duì)照相比都有了提高,但LSD檢驗(yàn)表明,高羊茅與對(duì)照相比沒(méi)有顯著性差異,而冰草與對(duì)照、紫花苜蓿與對(duì)照之間都有了顯著性的差異,且冰草與紫花苜蓿之間也有顯著性差異;220 d和250 d時(shí),高羊茅與對(duì)照相比仍沒(méi)有顯著性差異,冰草比對(duì)照有所增加,但與其他三種處理差異均不顯著,紫花苜蓿比對(duì)照有顯著增加。以上結(jié)果表明,不同植被生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響能力是有差異的?？傮w來(lái)講,三種植物對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響順序?yàn)樽匣ㄜ俎＃颈荩靖哐蛎?。與兩種禾本科植物相比,紫花苜蓿隨著生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)團(tuán)聚體MWD的影響更大,兩種禾本科植物對(duì)團(tuán)聚體MWD的影響也不盡相同,表明豆科植物的根際微生物群落與禾本科植物有某種方式的差異(可能是由于根際分解物質(zhì)的N含量較高)并且有助于團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高,這與Haynes等人的研究結(jié)果相似[14]。

表2 不同草被對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響 mm

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

從20世紀(jì)初,許多研究都報(bào)道了有機(jī)質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。多數(shù)研究都表明,有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)團(tuán)聚體的形成并提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[15-17]。圖2表示了本試驗(yàn)四種處理下土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。

由圖2可以看到,空白對(duì)照的土壤有機(jī)質(zhì)含量幾乎沒(méi)有變化。但與對(duì)照相比,三種植物土壤的有機(jī)質(zhì)均呈先略降低再增加的趨勢(shì),生長(zhǎng)到250 d時(shí),冰草、高羊茅和紫花苜蓿的土壤有機(jī)質(zhì)比對(duì)照分別增加了11%、6%和5%,增長(zhǎng)幅度不大,這可能仍是生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)短所致,因?yàn)樵龇S時(shí)間延長(zhǎng)有增加趨勢(shì)。

圖2 各處理土壤有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)

表3表示出了4種處理在四個(gè)生長(zhǎng)階段團(tuán)聚體MWD與土壤有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù),結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體MWD呈正相關(guān),但都沒(méi)有達(dá)到顯著水平(相關(guān)系數(shù)臨界值,a=0.05時(shí),r=0.8114),說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性有正的促進(jìn)作用。但由于本實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短,使二者的相關(guān)性不顯著。

表3 各處理不同生長(zhǎng)階段土壤團(tuán)聚體MWD與土壤有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性分析

2.5 影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素分析

影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素有很多,如土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、黏土礦物類型、鈣鎂等陽(yáng)離子的含量、鐵和鋁的氧化物等,并且各因素之間也相互影響[12]。這里基于試驗(yàn)觀測(cè)資料,分析各種植被類型下,生長(zhǎng)階段、地上生物量、地下生物量和土壤有機(jī)質(zhì)與土壤團(tuán)聚體MWD的相關(guān)關(guān)系,分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)處理下MWD與影響因素的相關(guān)分析

表4說(shuō)明影響土壤團(tuán)聚體MWD的各因素與MWD之間都呈正相關(guān),冰草的團(tuán)聚體MWD與生長(zhǎng)天數(shù)X1、地下生物量X3都顯著相關(guān)(相關(guān)值分別為0.975和0.951),高羊茅與紫花苜蓿的MWD與其他因素有正相關(guān)性,但皆沒(méi)有達(dá)到顯著水平。這說(shuō)明植物生長(zhǎng)時(shí)間、地上生物量、地下生物量與土壤有機(jī)質(zhì)的增加可使土壤團(tuán)聚體MWD增加,但影響程度不同,這一方面是因植被種類不同而異,另一方面也可能是由于植被生長(zhǎng)時(shí)間較短所導(dǎo)致的,當(dāng)然,還需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究分析造成這種現(xiàn)象的原因。

3 結(jié)論

(1)3種草被的地上生物量和地下生物量皆隨植被生長(zhǎng)時(shí)間的增加而顯著增加。在250 d的盆栽試驗(yàn)條件下,空白對(duì)照的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)基本無(wú)變化。

(2)本試驗(yàn)條件下,紫花苜蓿和冰草均能顯著提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,而高羊茅的影響作用不明顯;同時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的形成有正向促進(jìn)作用,但由于本實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短,尚未達(dá)到顯著影響。

(3)在草被種類、生長(zhǎng)時(shí)間、地上生物量、地下生物量和土壤有機(jī)質(zhì)等影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性因素中,草被生長(zhǎng)時(shí)間和植物種類是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素。

[1] 朱顯謨.黃土地區(qū)植被因素對(duì)水土流失的影響[J].土壤學(xué)報(bào),1960,8(2):110-120.

[2] Materechera S A,Dexter A R,Alston A M.Formation of aggregates by plant roots in homogenised soils[J].Plant and Soil,1992,142:69-79.

[3] 寧麗丹,石輝,周海軍,等.岷江上游不同植被下土壤團(tuán)聚體特征分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2005,16(8):1405-1410.

[4] 趙世偉,蘇靜,楊永輝,等.寧南黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響[J].水土保持研究,2005,12(3):27-28,69.

[5] Bronick C J,Lal R.Manuring and rotation effects on soil organic carbon concentration for different aggregate size fractions on two soils in northeastern Ohio,USA[J].Soil and Tillage Research,2005,81(2):239-252.

[6] 孫天聰,李世清,邵明安.長(zhǎng)期施肥對(duì)褐土有機(jī)碳和氮素在團(tuán)聚體中分布的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,38(9):1841-1848.

[7] 周虎,呂貽忠,楊志臣,等.保護(hù)性耕作對(duì)華北平原土壤團(tuán)聚體特征的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,40(9):1973-1979.

[8] 張行峰.實(shí)用農(nóng)化分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[9] Bissonnais Y L.Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility:I.Theory and methodology[J].European Journal of Soil Science,1996,47(4):425-437.

[10] 董莉麗,鄭粉莉,秦瑞杰.基于 LB法不同植被類型下土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2010,28(2):191-196.

[11] 盧升高,竹蕾,鄭曉萍.應(yīng)用 Le Bissonnais法測(cè)定富鐵土中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及其意義[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(1):7-11.

[12] 安韶山,張揚(yáng),鄭粉莉.黃土丘陵區(qū)土壤團(tuán)聚體分形特征及其對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2008,6(2):66-70.

[13] 劉國(guó)彬.黃土高原草地植被恢復(fù)與土壤抗沖性形成過(guò)程:Ⅱ.植被恢復(fù)不同階段土壤抗沖性特征[J].水土保持研究,1997,4(5):111-121.

[14] Haynes R J,Beare M H.Influence of six crop species on aggregate stability and some labile organic matter fractions[J].Soil Biology and Biochemistry,1997,29(11):1647-1653.

[15] 劉曉利,何園球,李成亮,等.不同利用方式旱地紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其碳、氮、磷分布特征[J].土壤學(xué)報(bào),2009,46(2):255-261.

[16] Abiven S,Menasseri S C,Chenu C.The effects of organic inputs over time on soil aggregate stability:A literature analysis[J].Soil Biology and Biochemistry,2009,41(1):1-12.

[17] Bronick C J,Lal R.Soil structure and management:a review[J].Geoderma,2005,124(1):3-22.