退耕还林后黑土表层土壤可蚀性动态变化1)

杨淼焱 杨小燕 马燕娥

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (国家林业局调查规划设计院)

韩孟光 姜 峰 徐嘉晖 徐智文 陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

责任编辑:张 玉。

土壤可蚀性是表征土壤对侵蚀敏感程度的指标，是进行土壤侵蚀和水土流失定量评价的重要依据，国际上通常采用土壤可蚀性因子K值衡量［1］。大量研究表明，土壤可蚀性是由土壤理化性质共同作用决定的，土壤团聚体作为土壤的重要组成部分，其水稳性可以用于评价土壤物理性质及抗侵蚀能力［2］。水稳性团聚体粒径＞0．25 mm水稳性团聚体质量分数(团聚体比例)、团聚体破坏率、分形维数、平均质量直径、平均质量比表面积［2－3］等指标，能很好的反映土壤团聚体的分布及抗蚀性。国内外学者已经从农业管理措施［4］、土地利用方式［5］及林分类型［6］等方面，研究了土壤团聚体的变化与土壤可蚀性的关系，认为提高土壤团聚体的水稳性、水稳性团聚体的数量和质量，可在一定程度上降低土壤的可蚀性。

退耕还林，是一项旨在解决我国重点地区水土流失等重大环境问题的生态造林工程。东北黑土区是我国重要的商品粮基地，由于长期不合理的土地利用及对植被的破坏，水土流失严重。在国家退耕还林政策尚未正式颁布之前，率先建立了退耕还林工程试点。目前，关于退耕还林工程方面的研究已有不少报道，但主要集中于植物材料的选择、林种配置以及生态功能评价等方面［7－8］，有关土壤可蚀性的研究较少，且以紫色土和黄土为主［1，9－11］。为此，通过东北典型黑土区不同退耕年限土壤水稳性团聚体特征指标及可蚀性因子K值的分析，探讨退耕还林过程中土壤可蚀性的动态变化，旨在为进一步完善土壤可蚀性评价指标、科学评价退耕还林工程生态恢复效果和为黑土区退耕还林的建设与调控提供参考。

1 材料与方法

1．1 样品的采集与制备

研究地位于黑龙江省克山县境内的克山农场(48°12'～48°23'N、125°8'～125°37'E)。土壤类型以黏化湿润均腐土(Luvic phaeozems)为主，属典型黑土区［12］。2013年7月，在克山农场农业科技园区内，选择退耕年限分别为6、11、25、36、43年生兴安落叶松(Larix gmelini)林为研究对象;分别设置20 m×20 m的临时标准地各3块，在设置的临时样地内按照“S”布点，采集0～10 cm土层土样，自然风干后过筛网直径为2 mm土壤筛，用于土壤机械组成、有机质等理化性质的测定;同时采集原状土，在室内沿自然结构掰成小块，风干后过筛网直径为10 mm土壤筛，用于土壤团聚体的测定。试验样地林分特征及土壤基本理化性质见表1。

表1 不同退耕年限落叶松林分特征及土壤基本理化性质(平均值±标准差)

1．2 指标与分析方法

采用由筛网直径分别为5．00、2．00、1．00、0．50、0．25 mm的土壤筛组成的套筛，通过干筛和湿筛，分别测定和计算了粒径＞0．25 mm团聚体质量分数(wa0．25)、粒径＞1．00 mm团聚体质量分数(wa1．00)、团聚体破坏率(Pad0．25)、分形维数(D)［13］、平均质量直径(Dmw)、平均质量比表面积(Amw)［3］等团聚体特征指标，每个指标4次重复。

土壤有机质质量分数，采用重铬酸钾外加热法测定;土壤机械组成，采用比重计法;土壤可蚀性因子K值，采用以下公式计算［14］。

K={0．2+0．3exp［－0．025 6ws(1－wf/100)］}·［wf/(wn+wf)］－0．3·{1．0－0．25wc/［wc+exp(3．72－2．95wc)］}·{1．0－0．7ws1/［ws1+exp(－5．51+22．9ws1)］}。

式中:ws为砂粒(粒径为2．00～0．05 mm)的质量分数;wf为粉粒(粒径为0．05～0．02 mm)的质量分数;wn为黏粒(粒径＜0．002 mm)的质量分数;wc为有机碳质量分数。ws1=1－ws/100。计算的K值为美国习惯用单位，将其乘以0．131 7则可转变为国际制单位。

1．3 数据处理

用Excel2003对数据进行处理;用SPSS16．0软件，通过单因素方差分析LSD－t方法对数据进行差异显著性检验，对土壤可蚀性指标等进行Pearson相关分析。

2 结果与分析

2．1 水稳性团聚体组成特征的变化

土壤不同粒级水稳性团聚体对土壤养分的保持和供应、孔隙组成和水力性质作用不同，其分布状况是表征土壤质量的重要指标［15］。从表2可见，表层土壤水稳性团聚体组成随退耕年限的增加呈明显的规律性，表现为:粒径(d)d＞5．00、2．00＜d≤5．00、1．00＜d≤2．00 mm水稳性团聚体质量分数，随退耕年限的增加逐渐升高;0．50＜d≤1．00、0．25＜d≤0．50、d≤0．25 mm的水稳性团聚体质量分数，均呈降低趋势;且在前11 a内，这种变化格局最为显著(p＜0．05)。退耕36 a后，除d＞5．00、2．00＜d≤5．00 mm外，各粒径所占质量分数则呈不明显波动。可以认为，退耕还林过程中，随退耕年限的延长，显著促进土壤水稳性团聚体由较小粒径向较大粒径转变，土壤团聚作用增强，土壤结构及稳定性得到有效改善［9］，且在前11 a内，这种改善作用最明显。这可能是由于，一方面，退耕后，随着植被恢复年限的延长，林冠郁闭度、林冠截留量逐渐提高，同时人为干扰因素的减少使地表枯落物增多，表层土壤受到水蚀的强度减弱;另一方面，兴安落叶松是浅根性树种，须根(具菌根)呈束状密集分布，且在1～10 cm表层土壤中分布最多［16］，根系的穿插和黏结作用，有效促进了表层土壤团粒结构由小粒径向大粒径转变。

表2还表明，不同退耕年限，表层土壤水稳性团聚体组成，由退耕6 a林地以粒径≤1．00 mm为主，逐渐转变为以粒径＞1．00 mm水稳性团聚体占绝对优势。其中，退耕6 a土壤粒径≤1．00 mm水稳性团聚体质量分数高达82．13%，其他4个退耕年限土壤粒径＞1．00 mm粒径水稳性团聚体质量分数则在49．08%～67．42%之间变化。

表2 不同退耕年限林地表层土壤水稳性团聚体质量分数测定结果(平均值±标准差)

2．2 土壤可蚀性参数的变化

水稳性团聚体wa0．25、wa1．00、Pad0．25，可以用于反映土壤水稳性特征的变化。统计分析表明(见表3)，wa0．25、wa1．00随 退 耕 年 限 的 增 加 逐 渐 升 高，而Pad0．25呈相反的变化趋势;且在前11 a内，这种变化格局最为显著(p＜0．05)。退耕36 a后，土壤3种水稳性团聚体指标，均无明显波动。由此可见，退耕在一定程度上促进了土壤水稳性团聚体的团聚，增加了土壤渗透性，提高了土壤抗侵蚀能力，且在退耕的初期变化最为显著，退耕至36 a后趋于稳定。这与不同退耕年限表层土壤水稳性团聚体组成的变化规律相吻合。差异显著性结果表明，土壤水稳性团聚体wa0．25、wa1．00、Pad0．25，仅以wa1．00在不同退耕年限之间的差异达显著(p＜0．05)，36、43 a除外。而Pad0．25仅退耕6 a与其他4个退耕年限的差异达显著水平外，其他均差异不显著。可以认为，wa1．00对不同退耕年限表层土壤水稳性特征变化的响应较为灵敏。

表3 不同退耕年限林地土壤可蚀性参数(平均值±标准差)

团聚体的平均质量直径和平均质量比表面积，均为反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标。Dmw值越大，团聚体的团聚度越高，土壤结构越稳定，抗侵蚀能力越强;相反，Amw值越大，则表明土壤结构稳定性越差，抗侵蚀能力越弱。从表3还可看出，退耕6～36 a，土壤水稳性团聚体Dmw随退耕年限的增加逐渐升高，Amw逐渐降低，且均以退耕11 a的变化幅度最大(p＜0．05)。退耕36 a后，Dmw、Amw处于动态平衡中。这是由于退耕还林过程中，地表枯落物增多，在土壤动物及微生物的活动下分解转化形成的有机质含量增大。有机质可促进土壤中团粒结构的形成，平均质量直径增大［17］，增强了土壤抵抗雨滴的冲击能力，提高了土壤抗蚀性。

土壤团粒结构粒径分布的分形维数(D)，反映了土壤水稳性团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势。不同退耕年限，土壤水稳性团聚体分形维数在2．43～2．79之间变化，随退耕年限的延长呈逐渐降低的趋势;以退耕11 a降低幅度最大，较退耕6 a降低了7．89%;除退耕25 a与43 a未达显著水平外，其他退耕年限之间均差异显著(p＜0．05)。这与李阳兵等［18］发现土壤团聚体分形维数随着林龄增加逐渐降低的变化规律相似。

此外，不同退耕年限，土壤可蚀性因子K值的变化范围为0．039 5～0．044 2，与我国土壤可蚀性K值在0．001～0．040之间相吻合［19］。随退耕年限的延长，土壤可蚀性因子K值呈逐渐降低的趋势，且退耕6、11 a，均分别与退耕25、36、43 a之间的K值差异达显著水平(p＜0．05)，退耕年限达25 a后，土壤可蚀性因子K趋于不明显波动状态。可见，退耕还林后，土壤本身结构的变化使其对侵蚀外营力分离和搬运作用的敏感性降低，同时使土壤保持水土、自我培肥的功能得到明显增强。

2．3 可蚀性因子K值与团聚体各参数间的相关性

已有研究表明，土壤可蚀性K值的大小，主要取决于土壤结构的稳定性;而土壤水稳性团聚体wa0．25、Pad0．25、Dmw等指标，则能有效地定量表达土壤结构及其稳定性［3］。为此，通过对黑土区土壤可蚀性因子K与水稳性团聚体指标进行相关分析发现，土壤可蚀性因子K值与水稳性团聚体Amw和分形维数呈显著正相关(p＜0．05)，与wa0．25、wa1．00和Dmw呈显著负相关相关(p＜0．05)(见表4)。可以认为，水稳性团聚体指标wa0．25、wa1．00、Dmw、Amw和D，均可作为反映黑土区退耕还林地土壤可蚀性的有效指标，这与白秀梅等［2］研究结论相吻合。

表4 水稳性团聚体特征指标之间及其与可蚀性因子K值间的相关性

粒径大于0．25 mm水稳性团聚体质量分数(wa0．25)，是目前常用的评价土壤结构及抗蚀性的重要指标之一［21］。本研究表明，水稳性团聚体wa0．25、wa1．00，均分别与Pad0．25、Dmw、Amw、D呈极显著相关(p＜0．01);但wa1．00较wa0．25与可蚀性因子K的相关性更强。表明，在东北黑土区，wa1．00不仅可以和wa0．25、Pad0．25、Dmw、Amw、D一起作为表征土壤水稳性团聚体特征的有效指标，而且能有效反映黑土土壤的抗侵蚀能力，进一步验证了wa1．00较wa0．25对不同退耕年限表层土壤可蚀性变化的响应更为敏感。

3 结论

退耕还林过程中，随退耕年限的延长，对土壤水稳性团聚体组成的影响，主要表现在相对提高较大粒级团聚体的质量分数上，提高了其水稳性。

对土壤水稳性团聚体wa0．25、wa1．00、Pad0．25、Dmw、Amw、D及土壤可蚀性因子K值等指标分析发现，表层土壤结构随退耕年限的增加得到不断改善，土壤水稳性增强，可蚀性降低;且以退耕11 a的变化最为明显，退耕36 a后逐渐趋于稳定的状态，土壤抵抗侵蚀的能力达到一定的水平。

土壤水稳性团聚体wa0．25、wa1．00、Dmw、Amw、D，相互之间的关系达显著水平，并均与土壤可蚀性因子K值呈显著相关(p＜0．05);可以作为表征黑土区退耕还林地土壤水稳性团聚体特征和可蚀性的指标。其中，对黑土区不同退耕年限土壤可蚀性的响应，wa1．00比wa0．25，更为敏感。

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