泰山山前平原三种土地利用方式下土壤结构特征及其对土壤持水性的影响
王修康, 戚兴超, 刘艳丽*, 刘之广, 宋付朋, 李成亮
土肥资源高效利用国家工程实验室,山东农业大学资源与环境学院,山东 泰安271018
*通信作者简介:刘艳丽(1976- ),女,山东莘县人,副教授,博士,主要从事土壤肥力保持研究。E-mail: yanliliu2013@163.com

第一作者简介:王修康(1992- ),男,山东招远人,硕士研究生,主要从事土壤施肥效应研究。E-mail: wangxiukang1992@163.com

摘要

不同土地利用方式因其植被和管理方式差异影响土壤结构特征而改变土壤持水性。选择泰山山前平原农田、林地和荒草地3种土地利用方式,分析不同土壤颗粒组成、颗粒粒径分布与团聚体组成及其水稳定性等土壤结构特征指标,利用原状土样测定,结合土壤水分特征曲线分析土壤持水量、持水强度及水分有效性,通过逐步回归与通径分析明确影响土壤持水性的主要结构特征指标。结果表明,与荒草地相比,农田和林地显著提高了土壤粘粒含量、有机碳含量、土壤毛管孔隙度,降低了土壤容重、> 2 mm水稳性团聚体含量及团聚体的水稳定性。农田土壤的细颗粒组成含量和颗粒比表面积显著高于林地和荒草地土壤。土壤饱和含水量的大小依次为农田>林地>荒草地,农田土壤的田间持水量为31%,分别比林地和荒草地高15%、24%。土壤容积含水量θ与吸力 S之间的关系符合幂函数方程θ= A· S- B(系数 A B为常数, A值表征土壤持水强度,大小依次为农田>林地>荒草地)。土壤有效水总量与速效水含量大小依次为林地>农田>荒草地。逐步回归与通径分析表明土壤粘粒含量通过直接和间接作用增强土壤持水性,土壤颗粒比表面积和水稳性团聚体的平均重量直径对土壤持水性的影响主要体现在间接作用,土壤水稳性团聚体的平均重量直径是抑制土壤持水性的关键因素。土壤有机碳含量对调节土壤粘粒含量和土壤水稳性团聚体形成具有重要作用。因此,在该区土地开发利用过程中,以提高土壤有机碳含量改善土壤结构性质为原则,建议土地利用方式以农业与林业轮作或间作措施为主,合理开发荒草地,为该区土壤水分管理与土地可持续开发利用提供参考依据。

关键词: 泰山; 土地利用方式; 土壤持水性; 土壤有机碳; 土壤颗粒组成
中图分类号:S152 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0063-12
Soil Structure and Its Effect on Soil Water Holding Property under Three Land Use Patterns in Piedmont Plain of Mountain Tai
WANG Xiu-kang, QI Xing-chao, LIU Yan-li*, LIU Zhi-guang, SONG Fu-peng, LI Cheng-liang
National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an271018, China
Abstract

Soil water holding capacity, which is controlled by soil structure properties of land uses types with different vegetation and management systems, plays an important role in soil fertilization and crop root development. This study is to explore changes of water holding capacity and soil physicochemical properties in three land use types in piedmont plain of Mountain Tai, such as soil particle composition, particle size distribution, water stable soil aggregate content. Original soil samples in agricultural soil, forest field and barren land in meadow brown soil region and soil water characteristics curves were used to inspect soil water holding capacity, soil water and soil moisture holding, and supply capacity. The soil physicochemical properties affecting soil water holding capacity were identified by step regression and path coefficient method. Results showed that the agricultural soil and forest field had significant higher clay content, organic carbon content and soil capillary porosity and lower aggregate stability than barren land. Agricultural soil had more composition of fine particles and surface area of soil particles than forest field and barren land. The order of field water holding capacity from high to low was agricultural soil, forest field and barren land, which was 31% in agricultural soil and was 15% and 24% more than those in forest field and barren land. There was a power function correlation between the soil moisture and the potential of soil water, which is θ= A· S- B. The value A indicates the intensity of soil water retention with the order from high to low of agricultural soil, forest field and barren land. The order of total available water content and rapid available water percentage from high to low was forest field, agricultural soil and barren land. Step regression and path analysis indicated that soil water retention intensity was positively correlated with soil specific surface area and clay contents and was negative correlated with the stability of soil aggregates. Soil organic carbon played an important role in controlling soil clay content and soil aggregate formation. Consequently, the organic matter input should be increased in order to ameliorate soil structure, and rotation and intercrop should be applied in agricultural and forestry farming in order to improve soil water retention properties. The outcome of this paper provides reference for keeping soil fertility and sustainable application in the region of brown soil.

Keyword: Mountain Tai; land use pattern; soil water holding property; soil organic carbon; soil particle composition

土壤水分是植物生长和土壤养分转化所必需的重要基础物质, 保持土壤水分对保证植物健康生长及土壤可持续利用具有重要贡献[1, 2, 3]。土壤持水性受土壤质地、有机碳含量及土壤孔隙特征等土壤特性的影响。借助压力膜装置对土壤持水性的研究表明, 土壤基质势高的条件下土壤有机碳通过改变土壤容重和结构性质来影响土壤持水性, 基质势低的条件下土壤有机碳主要通过表面吸附保持水分[4]。利用回归树模型和数据统计的分组方法研究土壤有机碳含量对土壤持水量的影响, 发现有机碳含量低的砂质土随有机碳含量升高, 土壤持水量增大, 而粘质土则呈相反的趋势[5], 说明土壤质地是调控土壤持水性的重要因素。

不同土地利用方式改变土壤物质组成平衡而影响土壤的持水性。不同土地利用方式因其植被类型与管理方式的差异改变土壤有机碳含量[6, 7, 8], 土壤有机碳是决定土壤颗粒组成及土壤团聚体形成的重要物质[9]。黄河三角洲盐碱地植被生长使土壤有机碳含量提高、物理性质改善, 麦田、棉田、苇地、碱蓬地、裸地的改良效果依次减弱[6]。不同土地利用方式管理措施对土壤干扰程度的差异, 也会影响土壤颗粒的组成与分布。东祁连山不同利用方式土壤容重大小依次为退耕自然恢复地> 多年生草地> 燕麦地> 天然草地[10]。黄土高原六道沟流域不同利用方式下土壤质地存在差异, 农田和荒草地土壤为砂粉壤, 苜蓿地和林地土壤为砂壤[11]。土壤有机碳含量、土壤颗粒组成与土壤团聚体的形成均不同程度地调控土壤对水分的保持能力。不同利用方式对东祁连山土壤持水性影响的研究表明, 天然草地土壤持水性最好, 退耕自然恢复地最差, 燕麦地和多年生草地土壤持水能力优于退耕自然恢复地, 原因在于天然草地植被覆盖率最高, 土壤中植物根系密集、丰富, 土壤有机质含量高, 使天然草地保持了土壤容重小、孔隙度大的良好土壤物理性状[10]。相同吸力条件下, 黄土高原六道沟流域土壤含水量以农田最大、林地最小, 荒草地和苜蓿地介于两者之间, 造成土壤含水量差异的主要原因在于土壤质地的不同[11]。晋西黄土区不同土地利用方式土壤微团聚体的体积分数与土壤贮水量呈负相关关系[12]。以往研究中对于不同利用方式土壤结构特征变化对土壤持水性的影响还需要进行系统的研究。

泰山山前平原主要由洪冲积作用形成, 由于地形与土壤肥力差异, 土地利用方式主要以农田、林地和荒草地为主, 农林产业对该区经济发展具有重要贡献。该区土壤的相关研究主要关注泰山景区土壤质量及其森林涵养水文的功能[13, 14, 15], 不同土地利用方式下土壤结构特征对土壤持水性的影响还未引起重视。本研究选择泰山山前平原潮棕壤区农田、林地和荒草地3种土地利用方式, 通过原状土样的测定与水分特征曲线的拟合研究土壤持水性及其相关土壤结构因子, 确定不同土地利用方式调控下土壤持水性变化的控制因素, 为该区土壤水分涵养及土地利用方式的优化提供理论依据。

1 研究区域与方法
1.1 研究区概况

研究区位于泰安市岱岳区东部山口镇, 地理坐标为117° 15′ E、36° 12′ N, 地处泰山东麓, 山区与平原的接合部, 东与祝阳镇隔河相望, 南与邱家店镇为邻, 西与省庄镇接壤, 北与黄前镇依山相连。地势北高南低, 是泰莱平原的一部分。该区属暖温带湿润半湿润季风大陆气候, 年平均气温15 ℃, 年降水量500~600 mm, 无霜期204~230 d。该区土壤母质为洪冲积物, 土壤类型为潮棕壤, 主要粘土矿物类型为伊利石和蛭石, 土壤质地为壤土, 地形坡度为1° ~6° 。该区主要土地利用方式为农田、林地和荒草地, 占该区总面积的78%, 其中农田属于粮食主产区。目前3种土地利用方式的分布见图1。

1.2 调查与采样

进行野外采样前, 收集山口镇最新的土地利用现状图和遥感影像, 利用遥感影像分析软件解译土地利用方式及其分布情况, 结合野外调查, 根据试验区的主要土地利用格局和变化, 同时充分考虑海拔、坡度等相对一致的情况下, 选取分布相对集中的小麦-玉米轮作农田、白杨林地和荒草地3种土地利用方式。分别在每种土地利用方式下沿等高线或地形相近、植被长势相近和利用年限相同的位置选取5个典型样地作为重复。

采样时间为2013年3月, 该时期处于早春季节, 气温还未显著上升, 农田施肥灌溉等管理措施实施前进行, 减少人为管理措施对土壤理化性质的影响。

在每种利用方式的样地上, 按照农田5 m× 5 m、林地10 m× 10 m、草地1 m× 1 m设计3个标准样方, 在每个样方内利用土钻按“ S” 型5点法取0~15 cm表层土样, 得到1.00 kg左右混合土样用于土壤化学性质的分析。同时用环刀法取原状土样用于土壤持水量、团聚体分离等物理性质的测定。

与此同时, 进行实地调查, 调查项目包括植被类型、土地利用年限、农田的灌溉施肥状况、平时对土地的管理情况等。样地分布见图1, 其主要相关资料见表1

图1 研究区域土地利用方式及样点分布Fig. 1 Distribution of land use patterns and sampling pots in the research region

表1 3种土地利用方式相关基础资料 Table 1 Basic data of three land use patterns
1.3 研究方法

1.3.1 土壤基本理化性质分析

土壤容重:利用容积为100 cm3的环刀取原状土样, 烘干后测定土样质量计算得到土壤容重, 平行测定结果允许差< 0.02 g/cm3

土壤毛管孔隙度:利用测定容重的环刀浸入水中24 h, 称重至恒质量, 此时的含水量为土壤饱和含水量, 继续将浸水后的环刀置于铝盒内含与环刀相同的干燥土样上, 中间用滤纸隔开, 放置12 h称环刀至恒质量, 此时的土壤含水量为土壤毛管含水量, 土壤毛管孔隙度通过土壤毛管含水量与容重的乘积计算得到, 测量精度与土壤容重相同。

土壤田间持水量:利用环刀土样浸水饱和后于干燥土样放置8 h, 得到的土壤含水量为土壤田间持水量, 平行测定结果允许差为± 1%。

土壤吸湿水含量:利用放置饱和硫酸钾的密闭干燥器, 使土样吸收水分达到平衡时的土壤含水量为土壤最大吸湿水含量。

土壤水分含量:采用恒温箱烘干法, 平行测定结果的允许差< 1%。

以上物理性质的测定方法参考《土壤理化分析》[16]

土壤颗粒含量:吸管法, 平行测定结果的允许差:粘粒级< 1%、粉(砂)粒级< 2%。土壤有机碳含量:浓硫酸重铬酸钾氧化外加热法, 平行测定之间的误差< 0.10%。以上指标具体测定方法参考鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》[17]

土壤水稳性团聚体采用Six等[18]改进的湿筛分离法测定, 即将土样分级为> 2、2~0.25、0.25~0.053和< 0.053 mm 4个级别的团聚体, 将制得的各级样品在50 ℃下烘干24 h称重。在本试验中, 团聚体的实际回收率为95%~105%。团聚体的稳定性采用平均重量直径(MWD)进行描述:

MWD=i=1n+1ri-1+ri2mi(1)

式中:ri是第i个筛子的孔径(mm), r0 = r1, rn=rn+1; mi为第i个筛子中颗粒的百分比; n为筛子的数量。

土壤颗粒粒度分布分析与比表面积:利用激光粒度分布仪(BT-9300H型, 丹东市百特仪器有限公司)测定, 土样过250 µ m筛, 测定的粒径范围为0.1~250 µ m。主要参数中位粒径(D50), 表示土壤颗粒粒径分布中占50%所对应的粒径, 其大小反映土壤颗粒的主要组成。该仪器测定土壤颗粒粒度分布的同时测定土壤颗粒的比表面积。

土壤持水性用土壤脱水过程曲线描述:土样经风干过孔径2 mm筛后, 装入容积为20 cm3环刀内, 湿润24 h, 采用美国SEC1500F1型压力膜仪测定土壤的脱水曲线。土壤脱水特征曲线采用幂函数方程(Gardner)进行拟合[19], 拟合方程为:

θ =AS-B (2)

式中:θ 为土壤容积含水量; S为水吸力; 系数AB为常数, A表征土壤的持水强度, A值越大, 土壤的持水能力越强; B表征土壤含水量随水吸力变化的快慢程度, B值越大, 土壤含水量的变化越快。土壤有效水含量利用土壤脱水过程曲线的拟合方程计算得到。

1.3.2 数据分析

数据统计应用软件SPSS 18.0, 不同土地利用方式土壤理化性质指标之间的差异采用ANOVA单因素方差分析和最小二乘法(LSD)进行显著性检验(P< 0.05); 土壤理化性质指标对土壤持水强度的影响及作用利用逐步回归分析和通径分析方法来检验。

2 研究结果
2.1 3种土地利用方式土壤基本理化性质

2.1.1 3种土地利用方式部分土壤基本理化性质

3种土地利用方式下土壤的基本理化性质发生明显改变(表2)。农田和林地土壤容重比荒草地土壤有显著的降低, 农田与林地之间的差异不显著。土壤粘粒含量以农田土壤最高为18%, 与其他两种土壤粘粒含量间的差异达到显著水平, 但是林地和荒草地间的土壤粘粒含量差异不显著, 分别为11%和9%; 土壤粉粒与粘粒含量在不同土地利用方式间的变异规律相同, 并且林地比荒草地有显著的增加; 不同土地利用方式下土壤砂粒含量具有与粉粒含量相反的趋势, 以荒草地最高, 其次是林地和农田, 三者之间的差异达显著水平(P< 0.05)。根据国际制土壤质地分类标准[16], 农田土壤质地为粉质粘壤土, 林地为粉质壤土, 荒草地为砂质壤土。土壤毛管孔隙度在3种土地利用方式下差异显著, 大小依次为农田> 林地> 荒草地。农田土壤有机碳含量显著高于荒草地和林地土壤, 且林地显著高于荒草地, 农田和林地土壤有机碳含量分别比荒草地土壤高330%和142%。与农田土壤相比, 荒草地土壤砂粒含量较高, 结合土壤有机碳的能力较弱, 是造成土壤容重高、有机碳含量低的主要原因。

表2 3种土地利用方式土壤部分基本理化性质指标 Table 2 Partial soil physic-chemical properties of three land use patterns

2.1.2 3种土地利用方式的土壤水稳性团聚体组成

3种土地利用方式的土壤均以0.25~2 mm粒级团聚体为主(表3), 农田与林地土壤中该粒径团聚体含量分别占土壤团聚体总量的65.53%、64.98%, 荒草地土壤为44.58%, 其所占团聚体总量的比例显著低于其他两种土壤。0.053~0.25 mm团聚体为农田和林地的次要团聚体组成, 分别占土壤总团聚体的17.71%和14.87%, 荒草地的次要团聚体组成为> 2 mm, 占团聚体总量的29.04%, 分别比农田和林地高2.22、1.17倍。土壤团聚体的组成及其所占比例决定团聚体的MWD, 反映土壤团聚体的水稳定性。农田土壤团聚体的MWD值最低, 为0.95 mm; 林地土壤居中间水平, 为1.03 mm; 荒草地土壤最高, 为1.11 mm。三者间的差异达到显著水平。本研究与报道的研究结果[9]相近, 与耕作农田土壤相比, 长期撂荒可提高表层土壤水稳定性大团聚体含量, 农田耕作破坏了水稳性大团聚体, 相应地增加了水稳性微团聚体的含量。当林地开垦为农田后, > 2 mm团聚体含量明显下降, 团聚体稳定性也下降。原因在于人为活动和农机具使用将导致大水稳性团聚体向小水稳性团聚体的转化, 从而使得团聚体稳定性降低[9]。另一方面土地利用过程的改变影响了地表植被状况(表1)、枯落物的数量、性质及根系作用, 也改变了土壤物理化学性质, 从而影响土壤团聚体的稳定性。

表3 3种土地利用方式土壤水稳性团聚体含量及其平均重量直径 Table 3 The content andMWD of soil water stable aggregate of three land use patterns

2.1.3 3种土地利用方式的土壤颗粒粒径分布

3种土地利用方式下土壤颗粒粒径分布存在差异。农田土壤颗粒粒径主要分布在0.10~0.76 µ m之间, 中位粒径D50为0.17 µ m, 是农田土壤颗粒的主要组成 [图2(a)]。林地土壤颗粒的中位粒径D50为20.13 µ m [图2(b)], 粒径主要分布范围在5.85~247 µ m之间。荒草地土壤颗粒的主要组成为26.03 µ m, 粒径主要分布范围在4.24~179 µ m之间 [图2(c)]。土壤颗粒的粒径大小决定了颗粒的比表面积, 农田土壤颗粒比表面积明显大于林地和荒草地土壤, 分别为林地土壤的4.9倍、荒草地土壤的6.5倍, 林地土壤颗粒比表面积亦显著大于荒草地土壤。耕作措施使农田土壤颗粒粒径比其他两种土壤较细, 具有较大的土壤颗粒比表面积, 对保持土壤有机碳具有重要贡献[9], 也是保持土壤水分的重要因素之一。

图2 3种土地利用方式土壤颗粒粒径分布Fig. 2 Distribution of soil particle sizes of three land use patterns

2.2 3种土地利用方式的土壤持水性

2.2.1 3种土地利用方式下土壤持水量

土壤饱和含水量与田间持水量在3种土壤之间的差异显著, 变异规律相同, 为农田> 林地> 荒草地(图3)。田间持水量以农田土壤最高, 为31%; 其次为林地(27%), 荒草地土壤最低, 为25%。农田土壤饱和含水量为38%, 分别比林地和荒草地高18%、32%。土壤吸湿水含量在农田与林地土壤之间的差异不显著, 显著低于荒草地土壤(3%)。农田土壤较高的持水量在于其具有较高的土壤有机碳含量和较大的土壤颗粒比表面积。荒草地土壤吸湿水含量较高的原因可能是其土壤盐分较高造成的[6]

图3 3种土地利用方式土壤含水量(平均值± 标准差)
注:柱上不同小写字母分别表示不同土壤间差异显著(P< 0.05。)
Fig. 3 Soil water content of three land use patterns

2.2.2 3种土地利用方式土壤的脱水特征曲线

以土壤容积含水量随水吸力的变化做土壤水分的脱水特征曲线(图4), 结果表明:土壤容积含水量随土壤水吸力的增加而迅速降低, 变化趋势符合幂函数曲线, 3种土壤脱水曲线幂函数拟合方程的相关系数均大于0.96, 说明拟合程度均达到显著水平(图4)。经过拟合得到幂函数方程常数AB值, 农田土壤的持水强度A值最大, 为22.83, 其次是林地和荒草地, 分别为19.83和16.77, 表明农田土壤的持水能力最强, 而荒草地土壤持水能力最弱。B值以林地土壤最大, 为0.438 9, 其次是荒草地和农田土壤, 分别为0.374 7和0.328 6, 表明林地土壤含水量随水吸力的变化最快, 而农田土壤含水量的变化最慢。土壤持水能力的差异在于土壤质地的不同, 本研究中农田土壤持水能力强在于其土壤颗粒细小, 比表面积大, 此外, 较高的土壤有机碳含量亦是促进土壤持水性提高的重要因素。

图4 3种土地利用方式土壤水分的脱水特征曲线Fig. 4 Dehydration characteristic curves of soil water of three land use patterns

根据土壤水分的脱水特征曲线方 程计算得到土壤有效水含量。以吸力为30 kPa时土壤含水量为重力流出水含量, 也被称为田间持水量, 其大小仅说明当时土壤中含有的水量, 并不反映其中能供植物利用的水量, 进而把土壤水分分为不同程度的有效性。在吸力30~1 500 kPa之间的含水量为有效水总量, 吸力30~600 kPa之间的含水量为速效水含量, 吸力600~1 500 kPa之间的含水量为迟效水含量, > 1 500 kPa吸力时的土壤水分为无效水, 也称之为凋萎含水量。农田与林地土壤的重力流出水含量基本相同, 分别为33.91%、33.64%, 比荒草地土壤高28%。土壤有效水总量和速效水含量以林地土壤最高, 为27.60%, 其次是农田和荒草地土壤(表4)。土壤迟效水含量在3种土壤上的差异较小, 范围2.49%~3.29%。土壤无效水含量以农田最高, 为9.38%, 林地与荒草地土壤较低且相近。本研究中相关分析发现, 土壤有效水含量与土壤毛管孔隙度、土壤颗粒比表面积呈正相关关系, 与土壤团聚体水稳性呈负相关关系, 由此说明土壤有效水含量由土壤结构特征因素所决定。以往的研究发现, 土壤迟效水含量和无效水含量随土壤变粘而增多, 而速效水含量则以轻壤土至轻粘土较多, 过砂过粘的土壤都有减少的趋势[19], 与本研究结果基本一致。

表4 三种土地利用方式土壤有效水含量 Table 4 Soil available water content of three land use patterns (%)
2.3 土壤持水性的影响因素

土壤持水性以土壤持水强度即水吸力为100 kPa条件下土壤的含水量来表征, 由土壤脱水特征曲线拟合方程得到, 利用逐步回归分析建立土壤理化性质对土壤持水性影响的模型。选择与土壤持水强度相关的6个土壤理化性质指标:SOC含量(X1)、粘粒含量(X2)、比表面积(X3)、容重(X4)、MWDX5)和毛管孔隙度(X6)为自变量, 土壤持水强度(Y)为因变量, 运用逐步回归法对自变量进行筛选, 满足允许水平P< 0.05的变量进入模型, 通过逐步回归分析, 变量X2X3X5依次被引入模型, 得到回归模型为:Y=17.28+1.26X2+0.73X3-9.66X5, 决定系数R2=0.999, 显著水平P< 0.001, 说明多元回归方程的拟合程度高, 达极显著水平。由回归模型看, 土壤理化性质中粘粒含量、比表面积和MWD是土壤持水强度的主要影响因子。MWD的回归系数为-9.66, 说明随土壤团聚体水稳定性的增强, 土壤持水强度减弱。土壤团聚体水稳定性强一定程度上反映土壤的紧实性, 对土壤持水性的影响为负效应。粘粒含量和比表面积的回归系数分别为1.26、0.73, 与土壤持水强度呈正相关关系, 原因在于土壤粘粒具有细小孔隙且大小分布均匀, 其持水性强。水分在颗粒表面的吸附是土壤保持水分的重要方式, 比表面积大小是土壤保持水分的基础指标。由此证实本研究中不同利用方式土壤的结构特征等物理性质指标对土壤持水强度具有关键作用。

表5 土壤理化性质指标对土壤持水强度的影响系数 Table 5 The effect coefficient of soil physicochemical properties on soil water retention intensity

为了进一步分析土壤持水强度的直接与间接影响因素, 借助通径分析将土壤影响因子与土壤持水强度的相关系数分为直接作用和间接作用(表5), 结果表明, 各土壤影响因子对土壤持水强度具有显著的相关关系, 粘粒含量对土壤持水强度的直接通径系数最大, 其次为比表面积、MWD, 其中粘粒含量和比表面积对持水强度的直接影响是正效应, MWD的直接影响是负效应。粘粒含量的直接通径系数为1.90, 大于其间接通径系数总和1.39, 但两者间的差异较小, 说明粘粒含量对土壤持水性的影响通过直接作用与间接作用两种方式:一方面, 粘粒自身具有的孔隙结构适于保持土壤水分; 另一方面, 粘粒颗粒细小, 比表面积大, 增强了水分在土壤颗粒表面的吸附保持。比表面积和MWD对持水强度的直接通径系数(绝对值)显著低于各自间接通径系数总和, 说明对土壤持水性的影响主要体现在间接作用, 通过粘粒对持水强度的间接影响作用较强。MWD通过比表面积对持水强度的间接作用在于土壤团聚体形成改变土壤颗粒的比表面积和土壤孔隙结构, 从而影响土壤的持水性。

3 讨论
3.1 不同土地利用方式对土壤结构特征的影响

本研究通过土壤机械组成粘粒、粉粒和砂粒含量分析发现, 3种利用方式土壤质地存在差异, 农田、林地和荒草地的质地分别为粉质粘壤土、粉质壤土和砂质壤土(表2)。土壤质地差异的形成在于土壤耕作管理措施与植被的不同, 土壤质地是影响土壤颗粒分布与结构体形成的基础。土壤颗粒粒径分布的研究发现, 与林地和荒草地两种土壤相比, 农田土壤颗粒组成较细, 以0.10~0.76 µ m的颗粒为主(图2), 对应的农田土壤比表面积显著高于其他两种土壤。土壤细颗粒组成经团聚作用进一步形成土壤团聚体, 本研究中农田和林地土壤水稳性团聚体组成以0.25~2 mm为主, 所占比例为65.53%, 荒草地土壤该团聚体组成的比例为44.58%。但荒草地土壤中> 2 mm团聚体组成含量为29.04%, 显著高于农田与林地土壤。由此说明荒草地土壤大团聚体结构紧实, 在水中不易分散, 可能与土壤未经耕作干扰或有机碳含量较低有关。水稳性团聚体平均重量直径(MWD)是衡量团聚体稳定性的重要指标, 其值越大表示土壤的团聚度越高, 团聚体稳定性就越强[20]。农田、林地、荒草地土壤团聚体的水稳性依次升高, 而土壤有机碳含量呈依次下降的趋势(表2)。该结果与缙云山不同土地利用方式土壤团聚体含量及其稳定性的变异规律一致[9]。由此可以说明未经人为干扰的自然土壤颗粒比较稳定, 不易分散, 耕作使土壤颗粒变细, 稳定性降低[21], 与土壤团聚体稳定性结果相吻合。另外, 荒草地土壤有机碳含量与孔隙度均较低, 土壤团聚体稳定性的提高在一定程度上反映土壤的紧实性[22]

3.2 不同土地利用方式对土壤持水性的影响

本研究中选择土壤饱和含水量、田间持水量和吸湿水含量3种不同性质的含水量, 结合土壤水分特征曲线来反映土壤的持水保水能力。农田土壤的饱和含水量与田间持水量较林地和荒草地土壤有显著的增加, 说明农田土壤的持水容量较大、保水能力较强(图3)。根据土壤水分的脱水特征曲线拟合幂函数方程计算得到的田间持水量比环刀法测定得到的结果要高, 可能是由于土壤脱水特征曲线分析所用的土样经过2 mm筛孔处理, 与原状土相比, 过筛土壤颗粒较细, 使含水量升高。经过方程拟合与实际测定值之间存在一定的差异, 但两种田间持水量结果在不同利用方式土壤的变异规律是一致的。土壤有效水总量和速效水含量以林地土壤最高, 说明林地土壤的供水能力高于农田和荒草地土壤。土壤吸湿水含量以荒草地土壤最高(3%), 农田与林地为1%, 通常认为吸湿水含量的1.5~2.0倍为土壤的凋萎含水量。根据拟合方程计算得到的凋萎含水量以农田最高(9%), 林地与荒草地为6%, 均比通过吸湿水含量估计的土壤凋萎含水量高。两种指标均反映土壤无效水含量, 在不同利用方式土壤间的变异规律存在差异的原因还需要做进一步的研究。

土壤持水量取决于土壤质地、孔隙度与有机碳含量, 土壤有效水含量取决于土壤的孔隙特征与土壤颗粒组成[23, 24, 25]。土壤持水性受土壤颗粒含量的影响较大, 尤其是粘粒含量的高低, 可以用土壤粘粒含量来判断土壤持水性的大小[20]。本研究中选择土壤脱水曲线拟合方程的系数A, 水势为100 kPa时的土壤容积含水量, 表征土壤的持水强度, 反映土壤持水能力大小[20]。应用逐步回归分析检验土壤理化性质指标对持水强度的影响, 发现土壤粘粒含量、比表面积和团聚体的MWD是影响土壤持水强度的主要因素。通径分析表明土壤粘粒含量对保持土壤水分具有正效应, 受直接与间接两种作用的影响, 主要是通过粘粒自身细小孔隙的持水作用与较大比表面积对水分的吸附作用。土壤团聚体的MWD对土壤持水性的影响主要是通过土壤团聚体形成改变土壤颗粒的比表面积和孔隙结构而间接影响土壤的持水性, 同时土壤粘粒是形成土壤团聚体的基础物质, 其含量对MWD影响土壤持水性亦具有间接作用。本研究中MWD对土壤持水强度的影响呈负效应, 荒草地土壤团聚体的MWD显著高于其他两种土壤, 在于土壤团聚体组成中> 2 mm团聚体所占比例显著大于其他土壤。有研究应用土壤团聚度表征土壤的团聚状况, 发现土壤团聚度与> 0.05 mm团聚体含量呈正相关关系[26], 土壤团聚度与土壤有效水含量呈负相关关系[27]。该报道与本研究结果基本一致。与微团聚体相比, 水稳性土壤大团聚体显著地降低土壤对水分的保持能力, 原因在于水稳性土壤大团聚体结构一般比较紧实, 持水孔隙与比表面积较低。因此土壤水稳性团聚体组成与含量对土壤持水性具有重要影响。

本研究中通过逐步回归分析, 土壤有机碳含量未进入回归模型, 说明与土壤粘粒、比表面积和团聚体的MWD相比, 土壤有机碳含量对土壤持水性的影响程度较弱, 但是土壤有机碳含量与粘粒含量、土壤颗粒比表面积及团聚体的MWD具有较好的简单相关关系, 说明土壤有机碳对土壤粘粒保持与土壤团聚体形成具有重要作用。不同土地利用方式土壤有机物质的输入与输出差异以及施肥耕作等管理方式的不同均改变土壤有机质的积累, 影响土壤有机质对土壤粘粒保持与结构形成的调控作用[10]。该结果进一步验证, 不同土地利用方式通过有机物料的输入和土壤的干扰程度等直接或间接地改变土壤结构性质, 从而影响土壤保持水分的功能, 最终导致土壤的持水量及有效性存在差异。在土壤管理与土地利用方式的调整过程中, 应以提高土壤有机碳含量为原则, 保持土壤粘粒含量、改善土壤的结构性质为目的来提高土壤保持水分的功能。

4 结论

土壤粘粒含量、有机碳含量与孔隙度的大小变化趋势为农田> 林地> 荒草地, 土壤容重、大团聚体含量及水稳性团聚体的MWD与以上指标呈相反的趋势。农田土壤比林地和荒草地具有更细的土壤颗粒组成与更高的比表面积。与荒草地土壤相比, 农田土壤持水量较高, 林地土壤的有效水含量较高。逐步回归分析表明:土壤粘粒含量和土壤颗粒比表面积对土壤持水强度具有促进作用, 而土壤水稳性团聚体的MWD则起抑制作用。通径分析表明土壤粘粒通过直接与间接作用影响土壤的持水性, 土壤颗粒比表面积和水稳性团聚体的MWD主要是通过间接作用影响土壤的持水性。土壤有机碳含量对土壤粘粒保持与土壤水稳性团聚体的形成具有促进作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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