黑龍江省東部典型黑土區(qū)坡耕地土壤表層團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究

近年來，我國(guó)東北黑土區(qū)土壤侵蝕日益嚴(yán)重，特別是作為東北部耕地主體的漫灘墻區(qū)土壤水土流失更為嚴(yán)重，土壤肥力失衡，土壤肥力生產(chǎn)力降低，植物企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。土壤顆粒是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位。許多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的研究表明，土壤顆粒的數(shù)量和穩(wěn)定性是土壤抗侵蝕和抗沖擊的重要因素。這種穩(wěn)定性在維持土壤孔隙方面調(diào)節(jié)土壤水分和水的矛盾方面發(fā)揮著重要作用。這是影響植物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和土壤侵蝕的重要土壤特征。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤顆粒的形成和穩(wěn)定性密切相關(guān)，同時(shí)有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力和質(zhì)量水平的重要指標(biāo)。影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)的性質(zhì)，改善土壤肥力和質(zhì)量特征。本文以黑龍江省濱縣東溝流域?yàn)槔?，研究了不同開土期和不同地形區(qū)域的土壤肥力、穩(wěn)定性以及各區(qū)域的關(guān)系，為中國(guó)東北典型黑土區(qū)耕地的可持續(xù)發(fā)展提供了重要依據(jù)。1材料和方法1.1陰山山地土壤條件研究區(qū)位于黑龍江省南部賓縣東山溝小流域(127°31′～127°34′E,45°43′～45°46′N),海拔為160～220m,崗坡平緩,坡度一般在1～7°之間,坡長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米,為典型的丘陵漫崗地形.流域面積約為4.5km2,屬松嫩平原東部邊緣的薄層黑土區(qū).該區(qū)為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫3.9℃,年平均降水量548.5mm,其中6—9月的降雨量約占全年降水量的80%.土壤以典型黑土為主,黑土層厚度為10～50cm,成土母質(zhì)均為第四紀(jì)中更新世黃土狀亞黏土.土地利用基本為坡耕地,耕層深度多為0～15cm,秋季坡耕地表層土壤容重1.1g/cm3左右,最大持水量28%～38%,有機(jī)質(zhì)含量16.3～50.2g/kg.該區(qū)是一個(gè)典型的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū),玉米連作、橫向打壟和耕翻是主要的土壤管理形式.1.2土壤條件的篩選1.2.1土壤采集與處理2008年10月在研究區(qū)選擇海拔、坡向和坡度等環(huán)境條件及生產(chǎn)管理水平基本一致但開墾利用歷史不同的地塊進(jìn)行采樣.由于實(shí)際條件所限,分別采集了開墾28、40、60和100a以上4個(gè)開墾年限的黑土原狀土和擾動(dòng)土樣品,采樣深度為耕層0～20cm,每一開墾年限選4塊樣地,每一塊樣地采2個(gè)重復(fù)土樣,共采原狀土和擾動(dòng)土樣品各32個(gè).并在研究區(qū)選取坡度分別為6.81%和5.06%、坡長(zhǎng)分別為280和260m的兩個(gè)坡面,在坡面布設(shè)取樣剖面線,沿縱斷面線劃分坡頂、坡上、坡中和坡下等典型地形部位.各地形部位分別距離頂脊0、50、150和250m,各地形部位均取0～20和20～40cm土壤原狀土和擾動(dòng)土樣品,每個(gè)樣品設(shè)置兩次重復(fù),采得土壤原狀土和擾動(dòng)土樣各32個(gè).將土壤樣品風(fēng)干,去除根系、枯落物等雜物后,干篩分離出原狀土中的5～3mm團(tuán)聚體,取這個(gè)粒級(jí)進(jìn)行水穩(wěn)性團(tuán)聚體實(shí)驗(yàn),測(cè)定前將團(tuán)聚體放置于40℃烘箱中24h以消除土壤濕度差異,使土壤條件一致;過2mm篩的擾動(dòng)土土樣用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì).1.2.2土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定LeBissonnais法(LB法)中的慢速濕潤(rùn)(SlowWetting,SW)方法模擬了土壤在慢速濕潤(rùn)(如田間小雨情況)下的團(tuán)聚體崩解作用,反映了黏粒膨脹引起的團(tuán)聚體破碎機(jī)制.王彬等研究認(rèn)為SW處理對(duì)薄層黑土土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性變化較為敏感,該處理具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,且其測(cè)定結(jié)果與傳統(tǒng)土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性測(cè)定方法——濕篩法的各指標(biāo)間存在顯著相關(guān)關(guān)系.因此可選擇SW處理作為薄層黑土區(qū)土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的主要評(píng)價(jià)方法,具體測(cè)定方法見參考文獻(xiàn).大量研究表明,3～5mm粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與坡面土壤侵蝕具有極強(qiáng)的相關(guān)性,可作為衡量土壤可蝕性的敏感指標(biāo).因此,本研究經(jīng)干篩獲取各土樣3～5mm粒級(jí)團(tuán)聚體進(jìn)行慢速濕潤(rùn)法土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析.土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法.1.2.3數(shù)據(jù)分析采用土壤團(tuán)聚體粒徑大小分布(AggregateSizeDistribution,ASD)和土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MeanWeightDiameter,MWD)表示黑土土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性.數(shù)據(jù)采用SPSS15.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,主要用LSD法進(jìn)行差異顯著性比較.2結(jié)果與分析2.1不同開辟年限對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的最重要指標(biāo).MWD值越大,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越大,土壤結(jié)構(gòu)性狀越好,土壤抗侵蝕能力越強(qiáng).除此之外,一般以>0.25mm土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量作為土壤可蝕性的重要指標(biāo),也有研究認(rèn)為在模擬降雨條件下,土壤侵蝕量與表層土壤>0.2mm穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量負(fù)相關(guān).本試驗(yàn)中無0.25mm篩,以>0.2mm水穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體含量作為衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一.原始荒地黑土通常具有良好的結(jié)構(gòu)性狀,土壤中>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較高.黑土一經(jīng)開墾,水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量明顯減少,水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑組成也迅速變?yōu)樾×降膱F(tuán)聚體占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).在本研究中,經(jīng)SW處理的表層(0～20cm)土壤>0.2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著開墾年限增長(zhǎng)總體有下降趨勢(shì)(表1).耕種40a表土中>0.2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較開墾28a平均下降8.03%,開墾60a較開墾40a的平均增加0.69%,耕種100a較耕種60a的平均下降4.57%.可以看出耕種40a之后,隨著開墾時(shí)間延長(zhǎng),表土中>0.2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量下降幅度緩慢,接近穩(wěn)定水平.LSD檢驗(yàn)表明:除開墾28a的>0.2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與其他開墾年限之間差異顯著外,其余開墾年限之間差異性不顯著,說明開墾初期土壤結(jié)構(gòu)性狀變化大,隨著黑土開墾時(shí)間的延長(zhǎng),變化逐漸趨于穩(wěn)定和平緩.這與丁瑞興、沈善敏等研究東北黑土區(qū)土壤表層>0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體變化的結(jié)論一致.其他粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體累積含量變化規(guī)律不明顯,限于篇幅,未作說明.由表1可見,黑土土壤表層水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑隨著開墾年限增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì).同開墾28a的表層土壤MWD值相比,開墾40a平均值下降了0.24mm,開墾60a較40a僅下降0.12mm,耕種100a以上比60a僅下降0.09mm.雖然MWD值隨耕種年限增加有減小趨勢(shì),但LSD檢驗(yàn)表明,除開墾28a與其他年限之間差異均達(dá)到顯著性水平外,開墾60a與40a,耕種100a與60a間的差異不顯著.再一次表明黑土開墾初期土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性急劇變化,隨著開墾時(shí)間的延長(zhǎng),變化趨于緩慢.MWD值與>0.2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量變化規(guī)律基本一致,二者之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.952(P<0.05).以上結(jié)果表明SW處理對(duì)不同開墾年限黑土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量和土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性變化更具敏感性,適于評(píng)價(jià)黑土土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性在時(shí)間尺度上的變化.黑土開墾后,土壤表層有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生明顯變化,隨著耕種年限延長(zhǎng)逐漸降低(表1).開墾40a較開墾28a下降5.49g/kg,耕種60a較40a下降2.42g/kg,耕種100a較60a下降4.89g/kg.從平均下降速率來看,在開墾前期(40a)下降較大,以后趨于平緩.LSD檢驗(yàn)表明,除開墾后40a與60a的差異不顯著外,其他年份間均差異顯著.這與文獻(xiàn)的結(jié)論基本一致.黑土開墾后,人類活動(dòng)的影響和生態(tài)環(huán)境條件變化使土壤團(tuán)聚體破碎,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)物理保護(hù)層的破壞,表層土壤有機(jī)質(zhì)充分暴露在空氣中,微生物活動(dòng)加劇,土壤呼吸作用加強(qiáng),土壤中有機(jī)物質(zhì)分解速率增強(qiáng),土壤有機(jī)碳的礦化速率比開墾以前明顯增大,而補(bǔ)充的有機(jī)物數(shù)量卻明顯減少,入不敷出是黑土開墾后土壤有機(jī)質(zhì)含量下降的主要原因之一.大量研究表明,有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體的重要膠結(jié)物質(zhì),并對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成具有促進(jìn)作用.土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性下降和水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量減少均與有機(jī)質(zhì)含量下降有關(guān),有機(jī)質(zhì)含量下降加速了水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)分解,導(dǎo)致土壤中大團(tuán)聚體分解轉(zhuǎn)變?yōu)樾×降乃€(wěn)性團(tuán)聚體,致使團(tuán)聚體水穩(wěn)定性降低.沈善敏認(rèn)為黑土團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)——土壤腐殖質(zhì)被分解利用必然導(dǎo)致團(tuán)聚體崩解及其水穩(wěn)性的降低.本研究中,SW法測(cè)定的MWD和>0.2mm水穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體含量均與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別是0.979(P<0.05)和0.956(P<0.05),也有力地支持了以上論斷.除此之外,黑土開墾后耕種過程的機(jī)械破壞也是造成團(tuán)聚體水穩(wěn)性下降的原因之一.種植結(jié)構(gòu)不合理往往也對(duì)土壤團(tuán)聚體產(chǎn)生破壞作用,王兆榮研究表明水穩(wěn)性團(tuán)聚體(>0.25mm)在重、迎茬土壤中呈下降趨勢(shì),重茬年限越長(zhǎng)則水穩(wěn)性團(tuán)聚體降幅越大,尤其是單一種植結(jié)構(gòu),如研究區(qū)的玉米清種(即未與其他作物套作或間種)和連作.2.2土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系從圖1可以看出,研究區(qū)農(nóng)田黑土土壤表層(0～20cm)>0.2和>0.5mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均高于次表層(20～40cm)相應(yīng)粒級(jí)含量,經(jīng)T檢驗(yàn),P值均小于0.05,表明表層和次表層兩種粒級(jí)含量之間存在顯著性差異.圖2中,土壤表層團(tuán)聚體MWD值大于次表層,T檢驗(yàn)表明二者之間存在極顯著差異.統(tǒng)計(jì)分析顯示(表2),兩層土壤>0.2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和相應(yīng)>0.5mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及MWD值之間存在顯著相關(guān)關(guān)系,說明土壤表層團(tuán)聚體水穩(wěn)性優(yōu)于下層.其原因是黑土有機(jī)質(zhì)在土壤表層聚集,含量較高,表層以下呈下降趨勢(shì),且表層土壤有機(jī)質(zhì)易于暴露,分解速度大于下層,強(qiáng)化了對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的膠結(jié)作用.本研究中,土壤表層的有機(jī)質(zhì)含量平均為26.49g/kg,高于次表層的22.17g/kg,統(tǒng)計(jì)分析表明二者存在顯著性差異.這與孟凱等研究黑土有機(jī)質(zhì)的土壤剖面垂直分布特點(diǎn)結(jié)論基本一致.黑土表層、次表層土壤的>0.2,>0.5mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,MWD值與相應(yīng)有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)分別為0.51、0.56、0.59(P<0.05),達(dá)到顯著相關(guān)(表2);再一次證明有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用是形成黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要因素,也表明黑土土壤中的有機(jī)質(zhì)具有抵抗黏粒膨脹引起的團(tuán)聚體崩解作用.2.3農(nóng)田黑土表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體變化特點(diǎn)研究區(qū)不同地形部位土壤表層>1mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為17.2%～32.4%,>0.5mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為34.1%～47.4%,均表現(xiàn)為坡頂部含量最大,坡中部含量大于坡上部,坡下部最小的波狀起伏趨勢(shì)(表3);LSD檢驗(yàn)表明,不同地形部位土壤表層的>1、>0.5mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,坡頂部和坡中部之間無顯著差異,坡上部與坡下部之間也未達(dá)到顯著差異水平,但坡頂部分別與坡上部、坡下部存在顯著性差異,坡中部也分別與坡上部、坡下部存在顯著性差異(P<0.05).坡上部、坡下部土壤表層<0.2mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量大于坡頂部和坡中部,呈波動(dòng)變化;LSD檢驗(yàn)顯示,坡上與坡頂和坡中存在顯著差異,坡下僅與坡中存在明顯差異(P<0.05).各地形部位表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值也表現(xiàn)為坡頂>坡中>坡上>坡下(圖3),經(jīng)LSD檢驗(yàn),坡頂、坡中的MWD值與坡上和坡下存在顯著差異(P<0.05).各坡位土壤團(tuán)聚體的MWD值與其有機(jī)質(zhì)含量具有良好相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.76(P<0.05).農(nóng)田黑土不同地形部位表層水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及MWD值變化特點(diǎn)表明沿縱坡面表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈波狀起伏變化,規(guī)律不明顯.究其原因,在人為干擾一致的降雨情況下,坡頂部位表層土壤只受到雨滴打擊的作用,侵蝕不強(qiáng)烈,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性相對(duì)較高;隨著坡長(zhǎng)的增加,產(chǎn)生坡面徑流,坡上部位表層土壤受到雨滴打擊和徑流沖刷的雙重作用,侵蝕作用加強(qiáng),土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性降低;當(dāng)坡長(zhǎng)繼續(xù)增加,到坡中部位徑流所挾帶的侵蝕物發(fā)生沉積,而且由于徑流所挾帶的泥沙多數(shù)是細(xì)小顆粒,有機(jī)質(zhì)含量高,土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性有所增強(qiáng);坡下部位雖接受了坡面徑流帶來的沉積物,但地勢(shì)低,易受到河溝水流侵蝕,導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性又有所降低.坡面土壤受侵蝕的程度越強(qiáng),團(tuán)聚體越易受到破壞,穩(wěn)定性降低;總體來說,主要是由于坡面不同地形部位土壤侵蝕、搬運(yùn)和沉積作用強(qiáng)弱不同造成的.這與鄭粉莉等通過野外試驗(yàn)小區(qū)數(shù)據(jù)得出的“細(xì)溝侵蝕量一般隨著坡長(zhǎng)的增加而增加,約到25m左右出現(xiàn)侵蝕劇烈地段,以后每隔20～30m出現(xiàn)侵蝕劇烈地段”和汪曉勇等通過模擬降雨試驗(yàn)得出的“在8m坡長(zhǎng)內(nèi),坡面侵蝕量隨坡長(zhǎng)的變化呈現(xiàn)波狀起伏的強(qiáng)弱交替變化,坡面侵蝕現(xiàn)象呈現(xiàn)以侵蝕—搬運(yùn)過程為主與以侵蝕—沉積過程為主的交替現(xiàn)象”的結(jié)論相一致.3不同立地條件下農(nóng)田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和大團(tuán)聚體含量變化黑土團(tuán)聚體水穩(wěn)性與黑土開墾年限有關(guān).黑土開墾后,隨著土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降,土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性也明顯降低,隨著開墾時(shí)間的延長(zhǎng),兩者的變化逐漸趨于穩(wěn)定和平緩.MWDSW值和>0.2mm水穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體含量與其有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān),反映了土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)黑土