辽河流域总面积21.9万km², 河长1 390 km, 多年平均流量约400 m³· s^-1, 平均径流量126亿m³, 输沙量2 098万t, 干流自然落差1 200 m。辽河干流流域包括沈阳、铁岭、抚顺、阜新、锦州、鞍山和盘锦的部分区域。结合遥感影像解译和实际调查, 本研究选取鞍山和盘锦以沙质土壤为主的新台乡、西佛镇、达牛镇及盘山县的陈家镇和吴家镇等11个乡镇为研究区(图1)。总面积约为1 076.92 km², 植被覆盖面积约为818.76 km², 其中农田面积约为740.56 km²、林地为25.07 km²、草地为38.29 km²、湿地14.84 km²。农田作物以玉米(Zea mays)为主, 林地主要为杨树(Populus)和松树(Pinus), 草地以黄花蒿(Artemisia annua)、沙打旺(Astragalus adsurgens)等沙地植物为主, 湿地植物主要为芦苇(Phragmites communis)。

图1

Fig. 1

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	图1 研究区地理位置及样点布设图Fig. 1 Map showing the study area and sampling locations

本研究于2015年9月开始, 结合遥感技术与实际调查, 在研究区约2 km间距布置一个样点, 由于农田地貌特征基本一致, 样点布设选取具有代表性的区域, 样点距离约为5 km。在研究区共布设72个样点(图1), 其中农田37个, 林地13个, 草地16个, 湿地6个, 主要布设在沙质土壤地区, 每个样点选取3个典型样地, 分别取0-20 cm深度原状土壤, 均匀混合, 将土样密封带回实验室, 待测。原状土样达到土壤塑限后沿土壤结构的自然剖面将土块掰成直径约1 cm的小团块, 自然风干后剔除枯枝落叶和石块, 分别过孔径5.0、2.0 mm的筛, 将土样分为> 5 mm、2~5 mm和< 2 mm共3个级别, 然后按照3个土样粒径级别在原状土中所占比例取混合土样约500 g, 用于测定土壤各径级机械稳定性和水稳性团聚体的质量百分比。

土壤团聚体含量采用干筛法和湿筛法^[13]测定。干筛法:取100 g风干土样通过置于5.0、2.0、1.0、0.5、0.25 mm套筛的最上面筛面, 以每分钟30次频率手工上下震荡5 min, 筛分后分别收集各粒级土壤、称质量, 计算各径级机械稳定性团聚体的质量百分含量。湿筛法:将干筛后各级土壤团聚体按质量比例分成100 g土壤, 在团粒分析仪上分别通过5.0、2.0、1.0、0.5、0.25 mm套筛, 加去离子水淹没最上层筛面3 cm, 浸泡5 min, 以每分钟40次频率上下震荡30 min, 然后将留在每个筛子上面的土壤冲洗到铝盒中, 105 ℃烘干称质量, 计算各径级水稳性团聚体质量百分含量。

1.3.1 土壤大团聚体指标计算方法 利用各粒级团聚体数据计算> 0.25 mm团聚体R_0.25、MWD、GMD和PAD。

R_0.25= Mr> 0.25MT     (1)

MWD= ∑i=1n(XiWi)∑i=1nWi     (2)

GMD=∑ XP      (3)

式中:R_0.25为直径> 0.25 mm团聚体的含量, M_T为团聚体的总重量, M_{r> 0.25}为粒径> 0.25 mm团聚体的重量; MWD为团粒平均重量直径(mm); GMD为团粒几何平均直径(mm); X_i为任一级别范围内团聚体的平均直径(mm); W_i为对应于X_i的团聚体百分含量。

PAD=(DR_0.25-WR_0.25)/DR_0.25× 100% (4)

式中:PAD为团聚体破坏率(%), DR_0.25为> 0.25 mm机械稳定性团聚体含量(%), WR_0.25为> 0.25 mm水稳性团聚体含量(%)。

1.3.2 地统计学方法 利用地统计学中的变异函数理论研究土壤团聚体的空间变异特性, 既可以描述土壤组成的结构性变化, 也能描述其随机性变化^[14]。变异函数曲线的结构主要由块金值(C₀)、基台值(C₀+C)和变程(A)组成。研究表明, 变程A是表征空间异质性的一种重要参数, 自相关距离减小, 表明土壤颗粒空间分布的均一性减弱; 反之增大^[15]。空间异质性包括随机部分和自相关部分, 异质性的强弱由块金系数(C₀/C₀+C)的大小进行划分, 若块金系数< 25%, 说明变量有强烈的空间自相关性; 介于25%~50%, 说明变量有明显空间自相关性; 介于50%~75%, 变量有中等自相关; 块金系数> 75%, 变量对空间依赖性较弱, 变异主要由随机变异引起。

1.3.3 数据处理 空间插值法能实现由点到面的拓展, 较好模拟土壤团聚体的空间分布特征。本研究利用Excel 2007软件对干筛和湿筛得到的各级别团聚体含量进行数据预处理, 使用SPSS 17.0进行方差及相关性分析, 利用GS+10.0进行统计分析, 结合Arcgis10.0进行插值模拟。

土壤大团聚体机械稳定性随土地利用方式而异, 自然状态下土壤各粒级团聚体含量也存在差异(表1)。土地利用方式对表层土壤< 0.25 mm粒径范围土壤大团聚体含量分布影响差异显著(P< 0.05), > 2 mm大团聚体含量由高到低的顺序为湿地> 农田> 林地> 草地, 其中湿地显著大于林地和草地。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 土地利用方式对土壤不同粒径大团聚体含量(%)的影响(干筛) Table 1 Effect of land use patterns on soil aggregate content (%) with different particle size (dry sieve) 土地利用 Land use 大团聚体粒径Macro aggregate size > 5 mm 2~5 mm 1~2 mm 0.5~1 mm 0.25~0.5 mm < 0.25 mm 林地Woodland 20.87± 6.76b 15.66± 2.67b 5.30± 0.36a 9.17± 0.92a 9.67± 8.96a 60.77± 3.07b 草地Grassland 11.73± 3.30b 12.46± 6.61b 5.40± 3.07a 10.39± 4.46a 6.34± 1.68a 47.16± 17.70c 农田Farmland 20.90± 4.61b 18.56± 3.30ab 7.24± 1.92a 13.31± 3.91a 7.83± 3.06a 69.41± 4.75ab 湿地Wetland 40.52± 7.42a 24.10± 3.18a 7.48± 1.76a 11.18± 3.72a 5.29± 2.65a 88.95± 1.32a 注:同列不同小写字母表示不同土地利用方式间差异显著(P< 0.05)。下同。 Note:Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among different land use patterns at the 0.05 level; similarly for the following tables.

表1 土地利用方式对土壤不同粒径大团聚体含量(%)的影响(干筛) Table 1 Effect of land use patterns on soil aggregate content (%) with different particle size (dry sieve)

在团聚体粒径> 5 mm范围内, 湿地显著高于其它3种土地利用(P< 0.05), 其中湿地与草地之间差别最大; 相对> 5 mm, 2~5 mm内草地团聚体含量出现较小程度增加, 其它土地利用团聚体含量均有所减少, 其中湿地和草地土壤团聚体含量分布差别最大; 1~2 mm团聚体含量相对于2~5 mm粒径含量持续减少; 0.5~1 mm团聚体含量相对于1~2 mm有所增加; 0.25~0.5 mm团聚体含量相对于0.5~1 mm粒径含量总体呈现减小趋势, 3个粒径范围内团聚体含量在各土地利用方式下分布差异不显著(P> 0.05)。综合分析, 4种土地利用方式表层土壤> 5 mm粒级土壤大团聚体含量相对最多, 其次是2~5 mm, 1~2 mm粒级团聚体含量相对最少。

水稳性大团聚体含量表征土壤抗蚀能力, 对反映土壤土壤团聚体结构稳定性具有重要作用, 本研究区不同土地利用方式土壤水稳定性大团聚体各级别含量分布差异明显(表2)。

> 0.25 mm粒径范围内4种土地利用方式间土壤水稳性大团聚体含量分布差异显著(P< 0.05)。林地、草地、农田和湿地土壤水稳性大团聚体质量百分比分别为44.75%、29.12%、36.80%和57.39%, 湿地土壤水稳性大团聚体含量最高, 草地相对最少。说明湿地土壤结构相对最稳定, 草地土壤结构相对最差。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同土地利用方式土壤水稳定性大团聚体含量(%)(湿筛) Table 2 Percentage (%) of soil water stability in different land use patterns (wet sieve) 土地利用 Land use 大团聚体粒径Macro aggregate size > 5 mm 2~5 mm 1~2 mm 0.5~1 mm 0.25~0.5 mm < 0.25 mm 林地Woodland 7.43± 2.44b 8.95± 2.96a 6.35± 1.99a 10.78± 2.05a 11.23± 6.43a 44.75± 2.07ab 草地Grassland 6.53± 3.87b 6.38± 3.99a 3.75± 2.26a 6.79± 1.61a 5.67± 0.79a 29.12± 12.18b 农田Farmland 6.42± 4.33b 6.04± 1.75a 5.74± 2.71a 10.37± 4.14a 8.22± 2.49a 36.80± 4.89b 湿地Wetland 20.15± 5.81a 12.00± 5.13a 5.53± 2.49a 9.98± 4.97a 9.71± 1.87a 57.39± 11.04a

表2 不同土地利用方式土壤水稳定性大团聚体含量(%)(湿筛) Table 2 Percentage (%) of soil water stability in different land use patterns (wet sieve)

4种土地利用方式下, 表层土壤> 5 mm水稳性团聚体含量分布差异显著(P< 0.05), 其中湿地和农田之间差异最大, 湿地团聚体含量所占比例最高, 达20.15%, 农田最小, 为6.42%; 其它4个级别范围内各图利用类型的土壤大团聚体含量分布差异均不显著(P> 0.05)。相对干筛, > 2 mm团聚体含量有所减少, 1~2 mm级别团聚体含量变化不明显, 0.5~1和0.25~0.5 mm土壤团聚体含量呈现增加趋势。综合分析, 湿筛条件会造成> 2 mm团聚体含量减少, 利于0.25~1 mm级别团聚体积累。

土壤团聚体平均几何直径(GMD)和平均重量直径(MWD)值越大, 说明团聚体的平均粒径团聚程度越高, 稳定性就越强, 反之越差。

根据土壤团聚体稳定性指标, 4种土地利用方式下表层土壤团聚体破坏率介于26.36%~46.98%(表3)。其中农田土壤团聚体破坏率最大(46.98%), 林地最小(26.36%)。草地、林地和湿地均显著低于农田(P< 0.05), 其中农田和林地之间的差异最大。依据PAD评价说明, 农田耕作对土壤结构造成的破坏程度相对最大, 林地造成的破坏最小。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 土壤大团聚体稳定性指标 Table 3 Stability index of soil large aggregate 土地利用 Land use 团聚体破 坏率PAD/% 平均几何直径GMD/mm 平均重量直径MWD/mm 干筛Dry sieve 湿筛Wet sieve 干筛Dry sieve 湿筛Wet sieve 林地Woodland 26.36± 3.22c 0.71± 0.24b 0.35± 0.11ab 2.93± 0.87ab 2.33± 1.22b 草地Grassland 38.25± 5.15b 0.59± 0.14c 0.27± 0.16b 2.61± 1.24b 2.25± 1.36b 农田Farmland 46.98± 4.96a 0.68± 0.17b 0.33± 0.18ab 2.87± 0.94ab 2.28± 0.69b 湿地Wetland 35.48± 3.67b 1.02± 0.31a 0.67± 0.34a 3.49± 0.79a 2.87± 1.58a

表3 土壤大团聚体稳定性指标 Table 3 Stability index of soil large aggregate

GMD和MWD值在不同土地利用方式下的变化均呈相似的规律, 草地、林地和农田土壤团聚体GMD和MWD值均显著低于湿地(P< 0.05)。GMD干筛、湿筛、MWD干筛和湿筛变化规律均为湿地> 林地> 农田> 草地, 但干筛GMD湿地显著高于其它土地利用方式(P< 0.05), 湿筛湿地显著高于草地(P< 0.05)。综合分析说明, 湿地土壤团聚体稳定性相对最强, 其次分别为林地和农田, 草地相对最差。

利用变异函数理论评价不同土地利用方式土壤水稳性大团聚体的空间异质性, 在函数中根据决定系数越大越好的原则, 再综合考虑块金值、基台值和变程大小, 得出研究区不同土地利用方式土壤水稳性大团聚体含量统计特征(表4)。

研究区不同土地利用方式下表层土壤的水稳性大团聚体含量K-S检验值介于0.54~0.82, 说明水稳性大团聚体含量符合正态分布(表4)。不同土地利用方式间土壤水稳性大团聚体含量分布存在一定的空间异质性, 农田土壤水稳性大团聚体含量空间变异的最佳模型为高斯模型, 块金系数为0.10; 林地最佳模型为指数模型, 块金系数为0.16; 草地和湿地水稳性大团聚体含量变异函数的最佳模型均为球形, 块金系数分别为0.19和0.28。说明农田土壤水稳性大团聚体含量的空间自相关性相对其它土地利用方式最强, 可能是表层土壤受人为干扰程度较大, 团聚体结构破坏程度较大, 受随机因素影响相对最小, 其次是林地和草地, 湿地受随机因素影响, 可能是样点布设和人为误差导致。湿地土壤水稳性大团聚体最佳变异函数的变程A相对其它土地利用方式较大, 说明湿地土壤水稳性大团聚体的空间均一性相对较好, 其它土地利用方式下土壤水稳性大团聚体的空间均一性差异不明显。分析说明研究区不同土地利用方式土壤水稳性大团聚体含量空间异质性存在一定差异。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 土壤水稳性大团聚体粒径组成质量百分比统计特征 Table 4 Statistical characteristics of the quality percentage of water stable soil large aggregate size composition 土地利用 Land use 最大值 Max./ % 最小值 Min./ % 平均值 Mean/ % 标准差 Standard difference K-S检验值 K-S check value 块金值 C0 基台值 C0+C 块金系数 C0/C0+C 变程 A/m 决定 系数 R2 最佳模型 Optimum model 林地 Woodland 49.13 35.36 42.27 4.82 0.68 4.17 25.39 0.16 300 0.01 指数 exponential 草地 Grassland 34.11 27.17 28.44 3.68 0.54 2.61 13.45 0.19 290 0.03 球形 spherical 农田 Farmland 41.83 28.97 35.38 3.85 0.63 1.36 14.02 0.10 350 0.51 高斯 Gaussian 湿地 Wetland 65.81 53.51 59.88 4.86 0.82 3.50 12.29 0.28 600 0.01 球形 spherical

表4 土壤水稳性大团聚体粒径组成质量百分比统计特征 Table 4 Statistical characteristics of the quality percentage of water stable soil large aggregate size composition

利用克里金空间插值法对研究区不同土地利用方式0-20 cm土层水稳性大团聚体分布特征进行插值模拟。研究区不同区域土壤水稳性大团聚体含量分布存在差异(图2), 说明土地利用对土壤结构造成的影响不同。图中颜色越深的区域, 表示土壤水稳性大团聚体含量越多, 土壤结构越好。土壤水稳性大团聚体含量分布特征为, 草地介于18.89%~32.59%, 主要分布在辽河沿线的达牛镇、富家镇和新华镇3个乡镇; 农田集中于32.59%~39.33%, 主要分布在城郊乡、西佛镇、新开镇、陈家乡、吴家乡和高升镇6个乡镇; 林地介于39.33%~48.87%, 主要集中分布在新台乡、高升镇和西佛镇3个乡镇; 湿地集中在53.51%~65.81%, 主要分布在新台乡。分析表明, 达牛镇、富家镇及新华镇的土壤结构相对较差, 高升镇、陈家乡、新台乡的土壤结构相对较好。

图2

Fig. 2

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	图2 研究区表层土壤水稳性大团聚体含量分布图Fig. 2 Distribution of water stable soil large aggregates in the surface soil of the study area

研究表明, 耕作管理、土地利用方式等均能影响土壤大团聚体的含量、组成及稳定性^[15]。南方喀斯特^[16]和豫西黄土丘陵^[17]地区, 农田PAD大于林地和草地; 研究表明, 农田耕作更容易造成印度西北部农场的土壤大团聚体结构破坏^[18]; 本研究区, 不同土地利用方式下土壤PAD大小顺序为农田> 草地> 湿地> 林地, 说明, 耕作措施对土壤团聚体结构造成的破坏率相对其它措施较大^[19]。可能是农田频繁的耕作破坏了土壤颗粒结构, 增加了土壤的通气性, 使土壤颗粒的保护作用变差, 导致土壤结构疏松, 增加了土壤结构的破坏程度, 而林地土壤表层形成了枯枝落叶层和植物根系积累, 使土壤中微生物生命活动所需能量增加, 产生了形成土壤团聚体的胶结物质, 减弱了土壤团聚体的破坏, 降低了对土壤结构的破坏程度。

水稳性大团聚体含量能准确反映土壤结构稳定性, 其含量越多说明土壤抗蚀性越好, 土壤结构越稳定^[20]。研究区湿地水稳性大团聚体含量为57.39%, 林地、农田和草地分别为44.75%、36.80%和29.12%, 在石漠化地区也得到类似研究结果^[21], 但黄土高原羊圈沟坝库的土壤水稳定团聚体含量大小顺序为天然草地> 林地> 农田^[22], 福建紫色土壤水稳定团聚体含量为灌草植被> 耕地^[23]。出现上述区别的原因可能是本研究区草地均为退耕还草, 土壤质地相对较粗, 土壤结构较差, 加上放牧与风力侵蚀影响, 土壤大团聚体含量相对较少; 天然草地扰动程度较小, 地表形成相对稳定的植被覆盖层, 土壤结构相对较好; 而湿地芦苇长期被水淹没, 扰动程度更小, 土壤结构相对最稳定。

GMD和MWD能准确反映土壤团聚体结构稳定性, 数值越大说明土壤结构越稳定^[24]。本研究得出不同土地利用方式间土壤结构稳定性差异显著, 干筛和湿筛的GMD和MWD均表现为湿地> 林地> 农田> 草地, 且干筛GMV湿地、农田和林地土壤水稳性大团聚体含量显著高于草地, 对福建省建瓯市山地红壤的研究也得到类似结果^[25], 而黄河三角洲地区土壤水稳性大团聚体含量表现为麦田> 芦苇湿地^[26], 上述差别可能与气温和降水等气候因素, 及土壤成土过程有关, 但有研究表明, 大团聚体是由微团聚体在根系和菌丝的缠绕作用下形成, 类似灌草的植被更利于大团聚体的形成^[27]。本研究区芦苇及林草植被植物根系相对发达, 微团聚体胶结成大团聚体的能力较强, 土壤大团聚体数量较多, 土壤结构相对最稳定, 说明湿地、林地和农田相对草地, 具有更强的土壤团聚体稳定性。

1)干筛法所得表层土壤大团聚体含量在不同土地利用方式间的分布规律为湿地> 农田> 林地> 草地, 分别为88.95%、69.41%、60.77%和47.16%; 而农田土壤PAD和林地PAD的差别最大, 分别为46.98%和26.36%, 可能是人为耕作导致土层相对较松散, 地表枯枝落叶增加了林地土壤的结构稳定性。

2)依据4种土地利用方式表层土壤水稳性大团聚体含量分布, 并结合GMD和MWD评价, 表明土壤结构稳定性强弱为湿地> 林地> 农田> 草地。

3)空间插值预测表明, 表层土壤水稳性大团聚体含量分布规律为湿地> 林地> 农田> 草地。本研究得出土壤水稳性大团聚体可作为一种评价辽河干流流域土地沙化的评价指标, 也可为后期沙化地区植被修复提供参考。