韋 慧,鄧羽松,2,*,林立文,黃 娟,王金悅,黃海梅,黃智剛

1. 廣西大學(xué)林學(xué)院,南寧 530004

2. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站,環(huán)江 547100

3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081

團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分,是形成土壤良好結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ),其粒徑分布特征對(duì)土壤孔隙度大小、數(shù)量及分布情況均產(chǎn)生重大影響[1]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性更是影響侵蝕過程中土壤顆粒間剝離、搬運(yùn)、結(jié)皮現(xiàn)象以及水分入滲的重要因素[2],是衡量土壤抗蝕性和質(zhì)量的重要指標(biāo)。觀測(cè)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性已成為評(píng)價(jià)土壤可蝕性以及進(jìn)行土壤侵蝕和水土保持研究的重要方法[3]。

喀斯特地區(qū)在巖溶作用強(qiáng)烈、基巖裸露程度不同和起伏不定、植被分布不均共同作用下形成許多破碎小生境,已有研究[4—10]將小生境分為：石縫、石溝、石槽、石土面以及土面等。因小生境間環(huán)境因子異質(zhì)性,更增加了喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的不確定性。近年來對(duì)喀斯特小生境土壤關(guān)注度提高,并獲得一定的成果,相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)不同小生境土壤pH、含水率、碳素、氮素變化等影響碳酸鹽巖溶蝕成土速率及土壤微生物群落分布[4—5],而采伐跡地中土壤侵蝕深度受小生境類型影響[6]。小生境類型甚至影響其土壤的成土方式[7]及有機(jī)碳含量[8—10]。但已有研究鮮有涉及對(duì)小生境土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)相關(guān)分析,對(duì)土壤失穩(wěn)機(jī)理缺乏深入探討,未能充分說明小生境異質(zhì)性對(duì)土壤構(gòu)成以及抗蝕能力的影響程度,尤其是小生境土壤團(tuán)聚體特征研究。團(tuán)聚體作為土壤的基本組成結(jié)構(gòu)單元,其分布和穩(wěn)定性可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和抗蝕性的重要指標(biāo)[11],團(tuán)聚體穩(wěn)定性是指團(tuán)聚體抵御外力作用或環(huán)境變化而保持自身原有形態(tài)的能力[12],并受多種因素影響。而在土壤資源稀缺的喀斯特地區(qū),土壤附著于各類小生境中[13],且小生境在水熱狀況、土層厚度、面積大小等均存在差異,勢(shì)必引起團(tuán)聚體特征異質(zhì)性,加上近年來因人口激增、作物結(jié)構(gòu)改變和極端天氣影響下,水土流失嚴(yán)重,而對(duì)小生境土壤團(tuán)聚體的分布及其穩(wěn)定性特征仍未清楚,其防治措施缺乏合理依據(jù)。因此,研究喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)小生境土壤團(tuán)聚體特征對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林業(yè)生產(chǎn)以及土壤資源保護(hù)有重要意義。

我國(guó)西南地區(qū)為典型的喀斯特地貌,受成土機(jī)制限制,更是具有成土緩慢、土體不連續(xù)、土層淺薄的特點(diǎn)[14—15],因特殊地質(zhì)構(gòu)造形成復(fù)雜的地上地下二元結(jié)構(gòu),造成水土資源極易漏失、土壤環(huán)境脆弱、生態(tài)容量低、災(zāi)害承受閥值小的現(xiàn)狀[16]。土壤環(huán)境脆弱性決定了其生態(tài)脆弱性[17],并且導(dǎo)致環(huán)境破壞后自然恢復(fù)過程十分緩慢的現(xiàn)狀,明確造成小生境土壤團(tuán)聚體失穩(wěn)的主要機(jī)制更是迫在眉睫。因此,本文以廣西環(huán)江毛南族自治縣喀斯特地區(qū)次生林下石溝、石槽、石縫、石土面和土面5種典型小生境為研究對(duì)象,探討小生境異質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響,揭示小生境間土壤理化性質(zhì)差異,旨在為喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)石漠化綜合治理、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和適用性管理措施提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西環(huán)江毛南族自治縣喀斯特地區(qū)內(nèi)(24°55′N,107°57′E),屬典型喀斯特峰叢洼地,區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏大,海拔高度在376—816 m間。為南亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均溫度為16.5—20.5℃,年平均降雨量為1389.1 mm,年平均降雨天數(shù)為130—140 d,雨熱同期,易產(chǎn)生季節(jié)性旱害、澇害。樣地以鈣質(zhì)石灰土為主,土體連續(xù)性低,有大片裸露的基巖,部分區(qū)域基巖裸露率可達(dá)70%—80%以上,土層淺薄,坡度在10°—30°之間。樣地內(nèi)植被優(yōu)勢(shì)種有八角楓(Alangiumchinense)、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)、牧荊(Vitexcofassus)、粉蘋婆(Sterculiaeuosma)等,伴生種扁擔(dān)藤(Tetrastigmaplanicaule)、藤黃檀(Dalbergiahancei)等藤本及麒麟尾(Epipremnumpinnatum)、蘆竹(Arundodonax)、腎蕨(Nephrolepiscord@lia)、五節(jié)芒(MiscanthussinensisAnderss)等林下種。林下地表有草本覆蓋,覆蓋度達(dá)到65%,林分郁閉度為0.6。

1.2 樣品采集

2020年7月進(jìn)行土壤樣品采集,為控制地形因素的影響,在試驗(yàn)地上、中、下坡位分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣地,并按照石縫、石溝、石槽、石土面以及土面5種小生境類型進(jìn)行土樣采集。因土層淺薄幾乎無明顯分層,進(jìn)行表層0—20 cm土樣的采集,各樣地中小生境均設(shè)置3—5個(gè)重復(fù)。采樣前移除表面枯枝落葉層,用鐵鍬鏟取2 kg原形塊狀土壤,移入塑料盒中編號(hào),避免運(yùn)輸對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞,記錄樣地相關(guān)信息后帶回實(shí)驗(yàn)室,去除土樣中石頭、動(dòng)植物殘?bào)w,采用四分法對(duì)同類型生境進(jìn)行混合后,研磨過篩,用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。一部分原狀土自然風(fēng)干至田間持水量的20%時(shí),沿自然縫隙掰成直徑約為10 mm小土塊繼續(xù)風(fēng)干,用于土壤團(tuán)聚體性質(zhì)測(cè)定。各類型小生境分類標(biāo)準(zhǔn)[4—10,18]和特征如表1。

表1 不同類型小生境特征狀況

1.3 土壤指標(biāo)測(cè)定方法

(1)干篩法：將500 g風(fēng)干土樣用干篩機(jī),篩分為>2、2—1、1—0.5、0.5—0.25、<0.25 mm,5個(gè)粒徑,稱重,計(jì)算團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)。

(2)Elliott濕篩法[19]：將干篩法測(cè)定各粒徑團(tuán)聚體按比例配置50 g土樣,放入土壤團(tuán)粒分析儀,設(shè)置好時(shí)間(30 min)和振幅(38 mm)進(jìn)行濕篩,其篩組粒徑分布與干篩一致,再用純水將各粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至鋁盒中放入40℃烘箱烘干稱重,測(cè)定團(tuán)聚體水穩(wěn)定性參數(shù)。

(3)Le Bissonnais法[20]：將干篩后的3—5 mm粒徑土壤團(tuán)聚體放置于40℃烘箱中烘干至恒重,稱取土樣5 g,分別進(jìn)行快速濕潤(rùn)(FW)：將5 g團(tuán)聚體迅速浸入純水中,待10 min后吸取多余水分；慢速濕潤(rùn)(SW)：將5 g團(tuán)聚體放置于濾紙上,沿邊緣緩慢滴加無水乙醇至團(tuán)聚體完全浸濕后靜置30 min；預(yù)濕潤(rùn)振蕩(WS)：將5 g團(tuán)聚體用無水乙醇浸沒10 min,再吸取多余酒精并將團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至呈有純水250 mL錐形瓶中并加水至200 mL,封口后上下勻速震蕩20次,并靜置30 min,再除去多余水分,3種處理后分別將土樣用無水乙醇轉(zhuǎn)移至鋁盒并放入烘箱40℃烘干至恒重,過2、1、0.5、0.25、0.1、0.05 mm套篩,萬分之一天平稱重,計(jì)算穩(wěn)定性參數(shù)。

(4)土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)測(cè)定方法[21],有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法；pH采用1∶2.5土水比浸提-pH計(jì)法；開氏法測(cè)定土壤全氮TN；全磷(TP)采用紫外分光光度法；全鉀(TK)采用火焰光度法吸管法測(cè)定土壤機(jī)械組成,土壤質(zhì)地以美國(guó)劃分標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),砂粒(2—0.05 mm)、粉粒(0.05—0.002 mm)、粘粒(<0.002 mm)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù),平均重量直徑MWD、>0.25 mm土壤團(tuán)聚體百分比R>0.25、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率PAD、相對(duì)消散指數(shù)RSI和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)RMI計(jì)算公式如下[11,22]。

(1)平均重量直徑(Mean weight diameter,MWD,mm)計(jì)算公式為：

式中：xi為各粒徑土壤團(tuán)聚體的平均直徑(mm)；wi為各粒徑土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比(%)。

(2)土壤穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量R>0.25、土壤團(tuán)聚體破壞率(Percentage of aggregate destruction,PAD,%)計(jì)算公式為：

式中：CW干篩或濕篩>0.25 mm土壤團(tuán)聚體重量(g)；CT為土壤團(tuán)聚體總重量(g)；DR>0.25為干篩后>0.25 mm大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)即機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體；WR>0.25為濕篩后>0.25 mm的大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)即水穩(wěn)性團(tuán)聚體。

(3)相對(duì)消散指數(shù)(Relative dissipation index,RSI)、相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)(Relative mechanical crushing index,RMI)計(jì)算公式為：

式中：MWDFW,MWDWS,MWDSW分別為快速濕潤(rùn)(FW)、預(yù)濕潤(rùn)振蕩(WS)和慢速濕潤(rùn)(SW)3種不同處理獲得的MWD值。

原始數(shù)據(jù)采用Excel 2010整理,SPSS 21.0軟件的Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析,One-way ANOVN和Duncan法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析,顯著性水平α=0.05,表格數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式為：均值±標(biāo)準(zhǔn)差,采用Origin 21軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型小生境土壤理化指標(biāo)

從表2可知,不同生境土壤機(jī)械組成不同,土壤砂粒、粉粒和粘粒含量從均值來看,粉粒39.28%>砂粒31.91%>粘粒28.81%。其中石土面砂粒含量高,與石槽、石溝呈顯著差異,與石縫、土面差異不顯著(P<0.05)；石槽、石溝粉粒含量高于土面、石土面呈顯著差異,石槽與石縫差異不明顯(P<0.05)；石槽、土面粘粒顯著高于石溝、石土面,與石縫無顯著差異(P<0.05)。不同小生境土壤pH值也存在差異,除石土面、石縫土壤呈堿性與石槽、土面呈顯著差異外(P<0.05),石溝、石槽、土面均為中性偏弱酸性土壤；小生境土壤有機(jī)質(zhì)SOM含量在45.54—65.55 g/kg之間,其中石槽、石溝SOM含量顯著高于石土面、土面,與石縫無顯著差異(P<0.05)。石溝、石槽、石土面生境全氮TN含量顯著高于石縫、土面,石縫TN含量顯著高于土面(P<0.05)。土面全磷TP含量顯著低于其他生境,石縫、石槽全鉀TK顯著高于石溝、石土面、土面,土面顯著低于石溝、石土面(P<0.05)。

表2 不同小生境類型土壤理化指標(biāo)

2.2 不同小生境土壤團(tuán)聚體分布特征

由圖1可知,團(tuán)聚體在>2 、2—1、1—0.5、0.5—0.25、<0.25 mm,5個(gè)粒徑間分布存在差異性。干篩后小生境各風(fēng)干團(tuán)聚體以>2、2—1 mm粒徑為主,均值分別為80.36%和10.84%,以<0.25 mm粒徑分布最少,均值為1.72%,團(tuán)聚體粒徑分布變化趨勢(shì)為隨粒徑減小而降低。石土面、石縫在>2、2—1 mm粒徑中團(tuán)聚體含量分別為65.83%、78.55%及18.53%、12.68%顯著低于石溝、石槽和土面(P<0.05)。而石土面1—0.5、0.5—0.25 mm團(tuán)聚體分別為18.53%、9.63%,顯著高于所有生境(P<0.05)。

圖1 不同小生境土壤團(tuán)聚體分布特征

濕篩過后,團(tuán)聚體粒徑分布以>2、2—1及<0.25 mm粒徑為主,變化范圍分別在34.84%—76.56%、4.91%—40.28%、10.76%—18.74%之間,其他的粒徑分布較少。團(tuán)聚體分布隨粒徑減小先降低后上升的趨勢(shì)。石土面和石縫團(tuán)聚體在>2、2—1 mm粒徑分布中顯著低于石槽、石溝、土面,3者間差異不明顯,而在1—0.5 mm、0.5—0.25 mm粒徑中石土面分布顯著高于其他生境,土面團(tuán)聚體在<0.25 mm粒徑中顯著高于所有生境(P<0.05)。

2.3 不同小生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

由表3可知,5種小生境干篩法測(cè)定的MWD均高于濕篩法,即小生境土壤團(tuán)聚體以機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體為主。干篩后MWD在2.77—3.21 mm間變化,由大到小依次為石槽>石溝>土面>石縫>石土面。其中,石土面MWD顯著低于所有生境,石槽MWD顯著高于石縫、石土面,而石縫、石溝、土面無顯著差異(P<0.05)。濕篩MWD變化趨勢(shì)與干篩一致,分布范圍在1.94—2.85 mm之間。濕篩后石槽、石溝MWD值顯著高于石縫、土面、石土面,石縫、土面差異不顯著,但顯著高于石土面,即石土面團(tuán)聚體水穩(wěn)定性較低(P<0.05)。

由表3還可見,各小生境機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(DR>0.25)介于97.48%—98.63%間,水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(WR>0.25)分布在81.26%—89.24%之間,即小生境大團(tuán)聚體含量較高,機(jī)械穩(wěn)定性好。其中土面WR>0.25含量最低與其他生境差異顯著(P<0.05)。PAD可反應(yīng)濕篩后團(tuán)聚體破碎程度,其值越大,團(tuán)聚體受破壞程度越高,水穩(wěn)性越差。本文研究顯示,各生境PAD值在9.32%—17.39%之間變化,由大到小依次為土面、石溝、石土面、石縫、石槽。土面PAD值顯著高于石縫、石溝、石槽、石土面,除土面外其他生境間無顯著差異(P<0.05)。

表3 不同生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

2.4 基于LB法處理下小生境土壤團(tuán)聚體分布特征

LB法處理后小生境團(tuán)聚體分布情況見圖2,經(jīng)3種處理后團(tuán)聚體分布都主要以>2 mm粒徑為主,FW處理后>2 mm粒徑團(tuán)聚體均值達(dá)84.04%,其他粒徑占比較小,均值分別為2—1 mm(4.23%)、1—0.5 mm(3.50%)、0.5—0.2 mm(2.30%)、0.2—0.1 mm(0.89%)、0.1—0.05 mm(0.68%)、<0.05 mm(4.38%),團(tuán)聚體分布呈現(xiàn)隨粒徑的減小先降低再升高的趨勢(shì)。SW處理下,團(tuán)聚體基本穩(wěn)定,>2 mm粒徑均值為94.68%,其次是<0.05 mm粒徑最多,均值為3.56%,其他粒徑均值分布范圍僅在0.10%—0.88%之間。WS處理后,團(tuán)聚體分布以>2 mm和<0.05 mm粒徑為主,均值分別為89.50%和4.46%,其他粒徑分布極少,僅為0.27%—5.02%之間。

圖2 基于LB法處理下小生境土壤團(tuán)聚體分布特征

2.5 基于LB法處理下小生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

LB法處理后5種小生境MWD值如表4所示。FW處理下,MWDFW值分布在1.83—3.23 mm之間,團(tuán)聚體穩(wěn)定性變異系數(shù)為4.07%,由大到小依次為石槽、石溝、石土面、石縫、土面,石槽、石溝MWD值顯著高于石縫、石土面和土面,石縫和石土面顯著高于土面(P<0.05)；SW處理時(shí),MWDSW值分布在2.40—3.42 mm之間,穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.89%；WS處理下MWDWS值分布在2.12—3.29 mm間,穩(wěn)定性變異系數(shù)為2.98%,介于FW、SW處理之間。SW與WS處理后顯示土面MWD值顯著低于其他生境(P<0.05)。

從表4中可以看到,小生境團(tuán)聚體在3種處理下MWD值及變異系數(shù)的變化趨勢(shì),表現(xiàn)為SW>WS>FW。各小生境RSI、RMI值均為土面最大,且RSI整體遠(yuǎn)大于RMI,甚至呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系,即小生境土壤團(tuán)聚體對(duì)消散作用更為敏感,土面團(tuán)聚體受影響程度最大。

表4 LB法不同處理方式下各小生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

2.6 不同小生境土壤表面形態(tài)分布特征

如圖3所示,將各小生境土壤團(tuán)聚體在電鏡下放大至1000倍時(shí)觀測(cè)到的SEM圖像可見不同小生境土壤微形態(tài)特征存在顯著差異；相對(duì)于其他生境,石溝和石槽生境土壤顆粒表面為形態(tài)表現(xiàn)為更為粗糙、骨骼顆粒細(xì)小且排列緊密具有定向性；小生境間形狀顆粒中有較多微孔隙分布。

圖3 小生境土壤電子顯微鏡(SEM)圖像不同放大倍數(shù)

將圖放大至10000倍時(shí)可以看出土面、石土面生境土壤微結(jié)構(gòu)顆粒較小排列緊密且磨圓度較高,石縫次之,而石溝、石槽生境土壤結(jié)構(gòu)體呈現(xiàn)絮片狀,邊緣形狀多樣,結(jié)構(gòu)疏松而不松散。

2.7 濕篩法、LB法處理下團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤理化指標(biāo)相關(guān)性分析

據(jù)圖4相關(guān)性分析可知,小生境土壤中砂粒含量和濕篩MWDW呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,但不顯著(P<0.05)；SOM與LB法測(cè)定MWDFW值呈顯著正相關(guān),與濕篩法WR>0.25呈正相關(guān)但不顯著,與PAD呈負(fù)相關(guān)但不顯著(P<0.05)；全量養(yǎng)分TN、TP、TK均與WR>0.25、MWDSW、呈顯著正相關(guān),與PAD呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),TN與MWDFW和MWDWS呈極顯著正相關(guān),TP呈顯著正相關(guān)；WR>0.25與MWDFW呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與MWDSW、MWDWS呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；PAD與MWDFW呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與MWDSW、MWDWS呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

圖4 小生境土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

3 討論

喀斯特地區(qū)存在多類型小生境,小生境在水、肥、氣、熱等環(huán)境因子異質(zhì)性使得土壤性質(zhì)發(fā)生變化[23]。本文研究顯示石槽、石溝、石縫養(yǎng)分相對(duì)較高,是因其土壤分布于負(fù)地表且較為開放,受地面風(fēng)及流水搬運(yùn)作用使凋落物更易于堆積[23],加上溫度適宜土壤微生物對(duì)凋落物進(jìn)行降解,因此有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量較高。石土面土層極為淺薄,以耐旱性植被為主(表1),凋落物少,全天溫度變化劇烈,土壤水分稀缺,不利于微生物活動(dòng)[7,23—24],而養(yǎng)分含量較低。因研究區(qū)裸巖對(duì)降雨及養(yǎng)分有重新分配作用[25],巖面產(chǎn)流攜同養(yǎng)分多匯集到石縫、石溝、石槽中,且土面生境大型植被較多,可能造成土壤蓄積養(yǎng)分與植物生長(zhǎng)供需失衡,造成土面養(yǎng)分含量下降。研究區(qū)土壤pH在6.55—7.45之間,與于楊等[26]研究結(jié)果相似,原因?yàn)樵搮^(qū)水熱豐富可引起土壤中鈣、鎂元素流失,加上土壤微生物呼吸釋放CO2及有機(jī)質(zhì)組分中的胡敏酸可綜合土壤堿性物質(zhì),使pH呈中性或偏酸性[4,27]。造成生境土壤機(jī)械組成差異,主要因成土方式不同,如以巖石風(fēng)化為主時(shí),則砂粒含量較高。

穩(wěn)定的團(tuán)聚體分布特征對(duì)形成土壤良好結(jié)構(gòu)及物質(zhì)循環(huán)有積極作用,而不穩(wěn)定團(tuán)聚體更易破碎成為可移動(dòng)顆粒,加劇土壤侵蝕和養(yǎng)分流失[28—29]。石縫、石土面干篩后團(tuán)聚體分布最為分散,機(jī)械穩(wěn)定性較差；而土面團(tuán)聚體雖機(jī)械穩(wěn)定性較好,但經(jīng)濕篩后大團(tuán)聚體更易破碎為非水穩(wěn)性團(tuán)聚體(即<0.25 mm粒徑),造成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。原因在于有機(jī)質(zhì)含量不同,團(tuán)聚體自身形成過程也十分復(fù)雜,由礦物顆粒經(jīng)作用力、根系分泌物及微生物活動(dòng)產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)等作用下形成的多孔結(jié)構(gòu)體,其穩(wěn)定性受到諸多因素影響,有機(jī)質(zhì)為最大影響因素之一[11]。已有研究發(fā)現(xiàn),增加有機(jī)質(zhì)含量可提高大團(tuán)聚體的占比,其作為有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)可增加土壤整體的粘聚力和斥水性來提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[30—31]。因此有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低的石縫、石土面及土面生境經(jīng)干篩和濕篩處理后團(tuán)聚體團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞最為顯著。

濕篩法還可通過測(cè)定WR>0.25、PAD、MWD等指標(biāo)來評(píng)價(jià)團(tuán)聚體水穩(wěn)定性[11]。WR>0.25通常也稱為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體,其數(shù)量越多,土壤質(zhì)量越好,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；PAD反應(yīng)濕篩后團(tuán)聚體破碎程度,值越小,土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；MWD為反應(yīng)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的另一重要指標(biāo),值越大則團(tuán)聚體越穩(wěn)定。本研究顯示各小生境團(tuán)聚體在濕篩后,土面WR>0.25最低為81.26%,PAD以土面最大,同樣與土面有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。小生境可影響土壤凋落物的進(jìn)出而對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響,使有機(jī)質(zhì)輸入及團(tuán)粒膠結(jié)物質(zhì)的含量減少,降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性,因此濕篩后,有機(jī)質(zhì)含量較低的土面團(tuán)聚體破碎最為嚴(yán)重；濕篩后石土面MWD值顯著低于所有生境,除受有機(jī)質(zhì)影響外,還因其成土方式為巖石風(fēng)化,砂粒較多(表1),土體結(jié)構(gòu)松散,機(jī)械穩(wěn)定性較低,造成>2、2—1 mm粒徑顯著低于其他生境(圖1),再經(jīng)濕篩處理后,團(tuán)聚體更為破碎,因此MWD值最小。而土面、石縫成土方式除巖石風(fēng)化外還有部分腐殖化成土,土壤顆粒組成及機(jī)械穩(wěn)定性較好,MWD值較高。石槽和石溝土壤有機(jī)質(zhì)含量高,土壤顆粒膠結(jié)能力強(qiáng),成土方式以腐殖化為主,團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定,抗蝕能力強(qiáng)。但土面雖MWD值高于石土面、石縫,而濕篩后PAD最高,WR>0.25最小,受破壞程度最大,穩(wěn)定性較差。綜合3項(xiàng)指標(biāo)來看,濕篩后小生境團(tuán)聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)為石槽>石溝>石縫>石土面>土面。

應(yīng)用LB法測(cè)定小生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,結(jié)果表明,不同處理對(duì)團(tuán)聚體破壞程度為FW>WS>SW,與Li等[32]人的研究結(jié)果相似,說明FW處理引起的消散作用為小生境土壤團(tuán)聚體破碎的主要破壞機(jī)制。因?yàn)镕W是模擬大雨或暴雨條件下團(tuán)聚體被迅速浸沒水中時(shí),團(tuán)聚體孔隙中蓄積的空氣受擠壓,超過自身承受極限時(shí)發(fā)生“氣爆”引起團(tuán)聚體崩解[33],同時(shí)水分滲透作用使土體顆粒間的膠結(jié)作用減弱[34],因此對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞性最大；WS是模擬雨滴擊打和徑流剪切力對(duì)團(tuán)聚體的破壞作用；SW是模擬小雨對(duì)團(tuán)聚體的破壞,因酒精濕潤(rùn)可消除團(tuán)聚體內(nèi)部的空氣,使粘粒的不均勻膨脹作用效果達(dá)到最大,但仍遠(yuǎn)小于土壤毛管張力,因此對(duì)團(tuán)聚體的破壞性最小。本研究中FW對(duì)團(tuán)聚體的破壞作用較大,以相對(duì)消散指數(shù)RSI和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)RMI來衡量團(tuán)聚體對(duì)不同破壞機(jī)制的敏感程度,結(jié)果顯示各小生境土壤RSI遠(yuǎn)大于RMI,甚至呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系,說明小生境土壤團(tuán)聚體的最大破壞機(jī)制為大雨或暴雨條件下引起的消散破壞作用,并對(duì)消散作用最為敏感。

LB處理后,小生境團(tuán)聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)為石槽>石溝>石縫>石土面>土面,土面團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體即大于0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量、MWD值均最低,團(tuán)聚體破碎程度最嚴(yán)重,除了受有機(jī)質(zhì)影響外,相對(duì)于其他小生境其基巖裸露率較低(表1),在出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣時(shí),土面凋落物攔蓄作用弱,地表徑流剪切以及雨滴對(duì)團(tuán)聚體的直接擊濺作用較強(qiáng),降低了土面團(tuán)聚體穩(wěn)定性。就小生境土壤團(tuán)聚體表面不同倍數(shù)SEM圖像(圖4)顯示石槽、石溝表面結(jié)構(gòu)更為粗糙,排列具有定向性,石縫次之,更有助于土體膠結(jié)物質(zhì)附著,而石土面和土面土體顆粒磨圓度較高則與之相反,同樣對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性造成影響。

本研究中,對(duì)小生境土壤團(tuán)聚體采用3種研究方法,結(jié)果顯示干篩、濕篩法測(cè)定MWD值變化趨勢(shì)一致,但均小于干篩法,與魏亞飛[35]研究結(jié)果相同,雖干篩法是團(tuán)聚體分析方法之一,但因各類型土壤的團(tuán)聚能力差異大,目前沒有相關(guān)研究對(duì)不同土質(zhì)的干篩的強(qiáng)度和時(shí)間等重要變量進(jìn)行細(xì)分。因此,濕篩法更能直觀反應(yīng)小生境異質(zhì)性對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的影響。濕篩法為衡量團(tuán)聚體水穩(wěn)定性最常用的方法,考慮了風(fēng)干團(tuán)聚體浸入水中瞬間引起的消散作用及濕篩過程的機(jī)械破壞作用對(duì)團(tuán)聚體的影響,LB法在濕篩法基礎(chǔ)上更為細(xì)化,將土壤侵蝕過程中的對(duì)團(tuán)聚體不同破碎機(jī)制(消散作用、機(jī)械破壞作用、黏土礦物不均勻膨脹作用)根據(jù)不同處理加以區(qū)分。本文研究顯示濕篩法和LB法測(cè)定小生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在一定差異,濕篩法MWD值為石土面最小,LB法為土面最小。原因可能在于LB法和濕篩法研究的團(tuán)聚體粒徑范圍不同(LB為3—5 mm,濕篩為干篩后按比例配土),已有研究顯示,不同粒徑團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳含量差異顯著[23,36],說明不同粒徑團(tuán)聚體蓄積有機(jī)質(zhì)能力不同,可能會(huì)引起礦物顆粒間的膠結(jié)能力差異,對(duì)兩種方法研究結(jié)果造成一定影響,但相關(guān)性分析顯示濕篩法WR0.25及PAD與LB 法3種處理的MWD值有顯著相關(guān)性,說明LB法對(duì)測(cè)定喀斯特小生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是可行的,綜合兩種方法的測(cè)定結(jié)果,小生境土壤團(tuán)聚體中穩(wěn)定性最好,抗蝕性最高的為石槽生境,而抗蝕性和穩(wěn)定性最差的為石土面和土面生境。

研究區(qū)擁有豐富的水熱條件,地表徑流對(duì)土壤進(jìn)行剪切、破碎和搬運(yùn),造成土壤出現(xiàn)破碎、剝離和移動(dòng),可移動(dòng)土壤顆粒再經(jīng)復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)漏失,引起土壤侵蝕[37]。本研究顯示,喀斯特土壤在遇到大雨、暴雨條件下引起的消散作用對(duì)團(tuán)聚體破碎程度最嚴(yán)重,極易造成水土流失并引起土地生產(chǎn)力下降。因此,在喀斯特地區(qū)應(yīng)注重在雨季的有效防護(hù),尤其是針對(duì)分布面積最廣的土面和以巖石風(fēng)化為主要成土方式的石土面生境,在喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)應(yīng)選擇在短期內(nèi)提高土壤有機(jī)質(zhì)、增加植被覆蓋度和土壤大團(tuán)聚體含量的水土保持樹種為增強(qiáng)土壤抗蝕性的有效方法。

4 結(jié)論

(1)濕篩法測(cè)定5種小生境土壤團(tuán)聚體分布均以>0.25 mm粒徑為主,其中土面生境含量最低為81.26%,PAD介于8.93%—17.39%之間,以土面最大,MWD值在1.94—2.85 mm間以石土面為最小,均小于干篩法測(cè)定的MWD。團(tuán)聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)為石槽最大,土面最差,石土面次之。主要受小生境土壤有機(jī)質(zhì)含量與成土方式影響。

(2)LB法3種處理后,各小生境土壤團(tuán)聚體MWD值變化趨勢(shì)均為SW>WS>FW,RSI遠(yuǎn)大于RMI,即喀斯特各類小生境土壤團(tuán)聚體最主要的破壞機(jī)制和敏感程度最高的為大雨或暴雨時(shí)造成的消散作用。其中表現(xiàn)為石槽團(tuán)聚體穩(wěn)定性最好,土面最差,石土面次之。

(3)LB法3種處理的MWD均與濕篩法團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)WR>0.25呈顯著正相關(guān)、與PAD呈顯著負(fù)相關(guān),即兩種測(cè)定方法具有良好的相關(guān)性,LB法用于測(cè)定喀斯特小生境土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是可行的,SW和WS處理MWD 值與有機(jī)質(zhì)、TN、TP、TK呈顯著正相關(guān),即有機(jī)質(zhì)作為有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性有重要影響,團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定土壤蓄積養(yǎng)分能力越好。

(4)綜合不同測(cè)定方法團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)顯示,土面、石土面土壤抗蝕性最差,團(tuán)聚體穩(wěn)定性最低。在喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)應(yīng)加強(qiáng)雨季對(duì)土面和石土面生境土壤的防護(hù)。