引用本文
李占宏. 毛乌素沙地地表土团聚体赋存状况. 草业科学, 2017,34(4):685-691
Li Zhan-hong. A study of the aggregate structure of topsoil in Mu Us Sandland in China. Pratacultural Science,2017,34(4): 685-691  
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《草业科学》编辑部
毛乌素沙地地表土团聚体赋存状况
李占宏
包头师范学院资源与环境学院,内蒙古 包头 014030
通信作者:李占宏(1974-),内蒙古呼和浩特人,副教授,硕士,研究方向为水土资源保持与管理，E-mail:lizh360@163.com
收稿日期: 2017-01-03
基金: 基金项目:内蒙古自然科学基金项目(2010MS0616)
摘要

研究土壤团聚体的赋存状况对于土地利用与恢复以及防控土壤风蚀沙化具有重要意义。在野外采样的基础上,通过实验测试和相关统计分析对毛乌素沙地不同生境下表土土壤团聚体的性状及其与土壤有机质的相关性进行了研究。结果表明,该区土壤团聚体组成总体上以0.25~0.50 mm的微团聚体为主;不同土层深度土壤团聚体含量存在差异,表土团聚体含量表现为0 cm>10 cm>20 cm;不同生境条件下土壤团聚体含量也存在差异,其中杨树( Populus)林地和拂子茅( Calamagrostise pigeios)草地表层土(0 cm)中>1 mm粒径的土壤干筛团聚体含量较高,分别达到4.27%和3.55%;总体而言,由于毛乌素沙地环境条件中水分的短缺,土壤团聚体发育缓慢且稳定性较差;土壤团聚体在有植被保护或恢复较好区域正在逐渐优化。有机质是影响团聚体赋存和稳定性的重要因素。

关键词: 团聚体; 稳定性; 土壤; 有机质; 风蚀; 土壤质量; 毛乌素沙地
中图分类号:S152 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)04-0685-07 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0237
A study of the aggregate structure of topsoil in Mu Us Sandland in China
Li Zhan-hong
Resource and Environment Department of Baotou Teachers’ College, Baotou 014030, China
Corresponding author: Li Zhan-hong E-mail:lizh360@163.com
Abstract

The study and analyses of the structure of the topsoil aggregates is important to make informed decisions not only for the ecological restoration of the land, but also to prevent erosion of the topsoil. The aim of this study was to analyse the properties of the aggregates and their interdependencies at different depths of topsoil taken from the Mo Us region. The results illustrate that the diameter of the aggregates in the region measure between 0.25~0.50 mm. The contents of the aggregates differed with the depth and with biotope conditions. The maximum content of aggregates of size greater than 1 mm was seen in land covered with willow and Calamagrostis pigeios land constituted 4.27% and 3.55%, respectively. The analysis of the aggregate stability indicated that the soil in this region is not fully developed and is unstable. The soil structure appears to be gradually developing in the areas protected by vegetative cover or those that arerestoration areas, implying that organic matter is the most important factor influencing the occurrence and stability of aggregates in topsoil.

Keyword: aggregates; stability; soil; organic matter; wind erosion; soil quality; Mo Us Desert

土壤团聚体由无机物和有机物胶结而成, 其数量和质量决定土壤的性质和肥力[1]。团聚体和有机质是保持土壤结构和肥力的基础, 二者相互作用, 不可分割, 前者是后者存在的场所, 后者是前者存在的胶结物质[2]。干旱、半干旱地区严酷的自然环境导致土壤发育相对缓慢, 已有的关于土壤结构体的研究大多集中在条件较好的森林土壤。目前, 在风蚀沙化区进行的土壤结构体的形成和稳定性研究较少, 针对风蚀沙化区土壤结构的研究主要有定性意义上的土壤风蚀导致的结构破坏、正向保护沙化土地措施(如退耕、围封、植树种草等)实施后结构的改善和恢复[3, 4]; 定量意义上的加入外部改良物质(如保水剂、腐质酸、粉煤灰、有机物料等)后土壤结构的变化[5, 6, 7, 8]; 不同土地利用方式对土壤团聚体的影响[9, 10, 11]。另外在沙化区土壤结构体较多的研究主要集中于土壤结皮的研究上[12, 13, 14, 15]。

毛乌素沙地地处季风气候的尾闾区, 沙化土地面积较大, 生态环境脆弱, 气候干旱, 是我国风蚀和沙漠化较为严重的地区之一。在风蚀沙化背景下, 风力作用对表土的吹蚀过程就是使表土结构劣化的过程, 因此, 研究土壤团聚体的赋存及其相关影响因子, 对了解土壤风蚀机制, 探讨土壤结构退化原因, 寻求调控土壤质量途径等方面具有重要的理论和实践意义。本研究对毛乌素沙地不同生境下表土土壤团聚体的赋存及与土壤有机质含量的相关性进行了分析, 以期对毛乌素沙地土壤团聚体抗蚀性机理的研究有所助益。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地腹地, 行政区划隶属内蒙古鄂尔多斯市乌审旗, 地理位置为108° 17'36″-109° 40'22″ E, 37° 38'54″-39° 23'50″ N, 海拔为1 300~1 400 m。该区属温带大陆性季风气候, 年均温6.8 ℃, 全年日照2 800~3 000 h, ≥ 10 ℃的有效积温2 800~3 000 ℃· d, 年降水量350~400 mm, 年蒸发量2 200~2 800 mm, 年平均风速3.4 m· s-1, 大风扬沙天数40~50 d, 且多集中在冬春季节。研究区内有波状高原、梁地、内陆湖淖、滩地(冲积湖积平原)、流动与半流动沙丘、固定沙地、黄土梁和河谷地共8种地类。地形分布特点为大部分地处“ 梁地、滩地、沙地” 相间。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 在毛乌素沙地乌审旗境内分别在固定沙丘的4个不同地貌部位按照对角线法对表层土壤进行采样, 同时在沙柳(Salix cheilophila)林、羊柴(Hedysarum laeve)林、杨树(Populus)林、拂子茅(Calamagrostis epigeios)草地以及荒草丛间5种典型样地植物根部的表层土壤进行采样, 采样点环境情况见表1。每种类型的土样采集在垂直方向按照0、10、20 cm土层, 同深度对应五点混合的方式采集。所取土壤样品剔除杂物后按照四分法保留一份, 在4 ℃条件下贮存带回实验室, 用于土壤理化性质的测定用。

1.2.2 土样测定 土壤团聚体的分析采用干筛和湿筛两种方法[16], 分别称取每种样地类型土样各50 g, 通过干筛、湿筛后测定土壤各粒径团聚体的含量。土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法— — 外加热法。

1.2.3 数据处理和统计分析 计算平均重量直径[17](MWD)用以表示团聚体稳定性:

MWD= ∑i=1n(XiWi ) ∑i=nWi.

式中:Xi为某级团聚体的平均直径, Wi为对应于Xi的团聚体的质量分数。

团聚体破坏率[15]为:

团聚体破坏率=(R-l)/R× 100%。

式中:R和l分别表示粒径> 0.25 mm土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体的质量分数。

采用SPSS 22.0统计软件对所测数据统计分析, 对不同深度下土壤干筛、湿筛平均重量直径和团聚体破坏率与有机质含量进行双变量相关性分析。

表1 采样点环境情况表 Table 1 Description and environmental characteristics of sampled sites
2 结果与分析
2.1 土壤团聚体组成特征2.1.1 土壤团聚体组成总体特征 研究区各样地土层> 0.25 mm干筛团聚体含量具有明显差异(表2)。> 0.25 mm干筛团聚体的平均含量为44.74%。其中, 干筛团聚体组成以0.25~0.50 mm的小粒径干筛团聚体比重最高, 其平均含量为40.8%。0.5~1.0 mm的干筛团聚体平均含量为3.43%, > 1 mm干筛团聚体的平均含量为0.49%, 沙丘背风坡的土样中甚至不含有> 1 mm干筛团聚体。土样经泡水湿筛后, 各样地土层> 0.25 mm的团聚体平均含量为43.67%, 没有明显减少。> 1 mm团聚体平均含量为0.13%, 沙丘间地和沙丘丘顶等土样> 1 mm的湿筛团聚体甚至完全消失; 0.5~1.0 mm团聚体平均含量也大幅减少为2.24%, 0.25~0.50 mm团聚体平均含量41.29%, 略有增加。说明毛乌素沙地的土壤以0.25~0.50 mm小粒径的团聚体为主。
2.1.2 土壤团聚体含量的分异 通过对土样中0、10、20 cm的各剖面中团聚体含量进行测定, > 0.25 mm粒径的土壤团聚体中, 0 cm土层剖面处> 1 mm和0.5~1.0 mm粒径的土壤团聚体平均含量较高, 而20 cm土层剖面处, 除沙丘迎风坡和背风坡0.25~0.50 mm粒径的土壤团聚体平均含量最高(表2)。另外, 不同的地表特征下大粒径团聚体含量也不相同, 其中拂子茅草地、杨柳间地的0 cm土层粒径> 1 mm的土壤干筛团聚体含量较高, 分别达到4.27%和3.55%。不同生境对于表土中大粒径团聚体含量影响较大, 其它样地中0 cm处粒径> 1 mm的土壤团聚体的平均含量为0.62%。
续表1
样地类型
Sample site		位置
Location		地貌
Slope position		高程
Elevation/m		主要植物种类
Main plant species		优势种高度
Average height
of dominant
species/cm		盖度
Coverage/
%
荒草丛间
Grassland area		39° 09.520' N
109° 45.528' E		半固定沙丘
Semi-fixed
sand dune		1 352沙蓬(Agriophyllum squarrosum),
山苦荬(Ixeris denticulata),
地锦(Parthenocissus tricuspidata),
狗尾草(Setaria viridis)		1950
拂子茅草地
Calamagrostis
epigeios land		39° 09.461' N
109° 45.595' E		丘间地
Between sand
dunes		1 341拂子茅(Calamagrostis epigejos),
沙蓬(Agriophyllum squarrosum),
地锦(Parthenocissus tricuspidata)		7075
 表2 毛乌素沙地剖面土壤团聚体(%)组成 Table 2 Analysis of the cross-section of aggregates(%) in Mu Us Sandland
样地类型
Sample area type		土层深度
Soil depth/cm		土壤团聚体粒径Diameter of aggregate
> 1 mm0.5~1.0 mm0.25~0.50 mm> 0.25 mm
沙丘迎风坡
Windward alope of sand dune		02.07/0.292.96/0.7746.28/46.8851.30/47.94
100.32/0.081.77/0.6645.27/45.8846.62/46.62
200.04/0.011.41/0.5742.97/43.2944.42/43.86
沙丘背风坡
Leeward slope of sand dune		00.00/0.000.32/0.1035.30/35.0735.62/35.17
100.00/0.000.54/0.0945.94/45.9346.48/46.02
200.02/0.000.25/0.0730.42/30.3030.69/30.37
沙丘丘间地
Inter-sand-dune area		01.45/0.002.09/0.4454.87/56.3858.41/56.82
100.02/0.001.03/0.5567.95/67.2969.00/67.84
200.01/0.001.21/0.6174.08/74.2075.30/74.80
沙丘丘顶
Sand dune top area		00.03/0.000.09/0.0227.51/27.2827.63/27.30
100.07/0.030.72/0.3136.53/36.6037.31/36.94
200.04/0.000.82/0.3046.26/46.5047.12/46.80
杨柳间地
Willow area		03.55/0.935.23/2.5146.59/46.9255.37/50.36
100.11/0.042.28/1.3848.63/48.2651.03/49.68
200.07/0.023.74/2.6958.06/57.9761.87/60.67
沙柳根部
Sand willow root area		00.20/0.080.68/0.4222.61/22.6323.49/23.13
100.02/0.000.12/0.0418.76/18.4818.89/18.52
200.01/0.001.57/0.8030.72/31.0432.30/31.84
羊柴根部
Hedysarum laeve root area		00.49/0.157.80/6.4135.53/35.8043.83/42.37
100.56/0.3311.87/10.5932.91/33.3945.33/44.31
200.02/0.002.47/1.9135.87/35.6838.37/37.59
荒草丛间
Grassland area		00.09/0.012.28/1.6535.51/35.6037.88/37.25
100.00/0.001.73/1.2623.05/23.2824.78/24.54
200.01/0.002.58/1.7839.61/40.1142.19/41.89
拂子茅草地
Calamagrostis
epigeios land		04.27/1.6817.78/14.1732.45/35.4954.49/51.34
100.00/0.009.63/4.4144.75/48.9154.38/53.32
200.00/0.009.79/6.0043.23/45.8253.03/51.83

Note: After “ /” indicates wet sieve, befor “ /” indicates dry sieve.

注:“ /” 后为湿筛后的各级水稳性团聚体含量, “ /” 前为干筛团聚体含量。

 续表1
2 结果与分析
2.1 土壤团聚体组成特征

2.1.1 土壤团聚体组成总体特征 研究区各样地土层> 0.25 mm干筛团聚体含量具有明显差异(表2)。> 0.25 mm干筛团聚体的平均含量为44.74%。其中, 干筛团聚体组成以0.25~0.50 mm的小粒径干筛团聚体比重最高, 其平均含量为40.8%。0.5~1.0 mm的干筛团聚体平均含量为3.43%, > 1 mm干筛团聚体的平均含量为0.49%, 沙丘背风坡的土样中甚至不含有> 1 mm干筛团聚体。土样经泡水湿筛后, 各样地土层> 0.25 mm的团聚体平均含量为43.67%, 没有明显减少。> 1 mm团聚体平均含量为0.13%, 沙丘间地和沙丘丘顶等土样> 1 mm的湿筛团聚体甚至完全消失; 0.5~1.0 mm团聚体平均含量也大幅减少为2.24%, 0.25~0.50 mm团聚体平均含量41.29%, 略有增加。说明毛乌素沙地的土壤以0.25~0.50 mm小粒径的团聚体为主。

2.1.2 土壤团聚体含量的分异 通过对土样中0、10、20 cm的各剖面中团聚体含量进行测定, > 0.25 mm粒径的土壤团聚体中, 0 cm土层剖面处> 1 mm和0.5~1.0 mm粒径的土壤团聚体平均含量较高, 而20 cm土层剖面处, 除沙丘迎风坡和背风坡0.25~0.50 mm粒径的土壤团聚体平均含量最高(表2)。另外, 不同的地表特征下大粒径团聚体含量也不相同, 其中拂子茅草地、杨柳间地的0 cm土层粒径> 1 mm的土壤干筛团聚体含量较高, 分别达到4.27%和3.55%。不同生境对于表土中大粒径团聚体含量影响较大, 其它样地中0 cm处粒径> 1 mm的土壤团聚体的平均含量为0.62%。

毛乌素沙地剖面土壤团聚体(%)组成

Table 2 Analysis of the cross-section of aggregates(%) in Mu Us Sandland

2.1.3 土壤团聚体的稳定性分异 在湿筛情况下的MWD值无论是单个样地不同深度间还是不同样地间总体上不存在大的变异情况, 其值介于0.38~0.50 mm(表3)。而在干筛情况下, 同一样地表层的MWD值较大, 不同样地间也存在较大的变异, 尤其是沙丘迎风坡、杨柳间地、拂子毛草地3类样地MWD值明显大于其它样地。对比干湿筛MWD值, 会发现干筛团聚体的MWD值表层与下层间和样地类型间均有分异, 而湿筛团聚体的MWD值几乎不存在分化, 说明该区团聚体发育并不充分, 只存在以细砂粒级为基础的初级微团聚体发育, 团聚体稳定性较差。

表3 毛乌素沙地不同深度土壤团聚体(MWD)分析数据表 Table 3 Analysis of aggregates (MWD) at different depths in Mu Us Sandland

泡水湿筛后, 各剖面> 1 mm和0.5~1.0 mm粒径的团聚体含量均明显减少(表1)。结果表明(表2), 0 cm土层土壤的团聚体破坏率最大, 其次为10和20 cm。说明在毛乌素沙地不同地表特征的表土中, 均表现为随着深度的增加, 土壤中大粒径土壤团聚体的含量减少。从团聚体破坏率数据来看, 整体破坏率较小, 说明采样区土体中团聚体以微团聚体为主。从垂直变异看, 表层破坏率最大。而部分采样环境下上下变异较小, 受植被保护或恢复较好的类型, 上下变异大, 说明土壤结构体在植被保护或恢复较好区域正在逐渐优化。

2.2 有机质含量的差异

分别对各样地0、10、20 cm剖面处土壤有机质的含量进行比较分析(表3), 其中0 cm处土层中有机质含量最高, 9个样地0 cm土层土壤有机质含量均值为3.57 g· kg-1, 10 cm土层土壤有机质含量为1.16 g· kg-1, 20 cm土层土壤有机质含量为0.92 g· kg-1, 土壤有机质的含量均随土层深度增加依次降低。9个样地中, 处于丘间低地草甸背景中的杨柳间地的土壤有机质含量最高, 其它样地中有机质含量均较低。

2.3 土壤团聚体特征值间的相关分析

运用SPSS软件对毛乌素沙地不同土层深度的土壤团聚体干湿筛团聚体MWD值、土壤团聚体破坏率和有机质含量做相关性分析。结果显示, 0 cm干筛团聚体平均重量直径MWD值与有机质含量间的相关系数为0.945, 与土壤团聚体破坏率间的相关系数为0.940, 与两者间均达到显著相关(P< 0.05)。湿筛团聚体平均重量直径MWD值与有机质含量间的相关系数为0.206, 与土壤团聚体破坏率间的相关系数为0.415, 表现出与有机质含量和团聚体破坏率相关不显著(P> 0.05)。10 cm干筛团聚体平均重量直径MWD值与有机质含量间的相关系数为0.123, 土壤团聚体破坏率与有机质含量间的相关系数为0.534, 湿筛团聚体平均重量直径MWD值与有机质含量间的相关系数为0.493, 20 cm干筛团聚体平均重量直径MWD值与有机质含量间的相关系数为0.573, 土壤团聚体破坏率与有机质含量间的相关系数为0.274, 湿筛团聚体平均重量直径MWD值与有机质含量间的相关系数为0.228, 均未达到显著相关。综上分析, 有机质含量与干筛团聚体及团聚体破坏率之间均只在表层存在显著相关性, 结合有机质含量的表聚性, 说明有机质是影响团聚体赋存和稳定性的重要因素。同时, 有机质含量与湿筛团聚体平均重量直径MWD值不存在显著相关性, 说明该区团聚体发育处于低级水平, 有机成分含量少且并未分化出具有高度水稳性和粘结力的腐殖质, 这与区域干旱环境存在极大的关系。

3 讨论与结论

风蚀和干旱环境是研究区表土结构体赋存及发展演化的背景基础和重要制约条件。土壤团聚作用就是不同大小的单粒、复粒被不同的有机物、无机物胶结的过程, 通常认为胶结物质有无机胶体和有机胶体[18]。因此, 土壤团聚作用和土壤有机质固定之间密切相关, 团聚体有机质含量的提高有助于土壤水稳性团聚体的形成[3]。通过研究, 采样区土壤团聚体组成总体上以0.50~0.25 cm的微团聚体为主; 不同土层深度土壤团聚体含量存在差异, 表土团聚体含量表现为0 cm> 10 cm> 20 cm土层; 不同生境条件下土壤团聚体含量也存在差异, 其中杨柳林地和拂子茅草地土样中0 cm土层粒径> 1 mm的土壤干筛团聚体含量比例最高, 分别达到4.27%和3.55%, 说明从水平方向上来看, 植被覆盖良好的生境条件下, 有机质含量相对较高, 表层团聚体发育相对较好, 从垂直上来看, 团聚体含量与有机质含量具有同步性, 表下层无论有机质分化还是团聚体分化都不如表层显著。

从土壤团聚体的稳定性角度分析, 该区团聚体发育并不充分, 只存在以细砂粒级为基础的初级微团聚体发育, 团聚体稳定性较差, 整体破坏率较小, 说明采样区土体中团聚体含量较小, 从垂直变异看, 表层破坏率最大, 土壤结构体在植被保护或恢复较好区域正在逐渐优化; 有机质含量与结构体变化规律具有同步性; 对土壤团聚体特征值间进行相关分析, 0 cm土层有机质含量与干筛团聚体及团聚体破坏率之间都存在显著相关, 说明有机质是影响团聚体赋存和稳定性的重要因素。同时, 有机质含量与湿筛团聚体平均重量直径MWD值不存在显著相关, 说明该区团聚体发育处于低级水平, 这与区域干旱环境存在极大地关系。

综上, 认为毛乌素沙地团聚体发育并不充分, 团聚体稳定性较差; 土壤结构体在有植被保护或恢复较好区域正在逐渐发育, 有机质是影响团聚体赋存和稳定性的重要因素。

The authors have declared that no competing interests exist.

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