研究区相山地处安徽北部(116.78° E, 33.96° N), 系泰山经鲁南山地, 自徐州向南蜿蜒延伸的余脉, 为石灰岩质岛状剥蚀残丘。该区属大陆性气候与湿润气候之间的季风气候, 气候温和, 日照充足, 四季分明, 年平均气温为14.8 ℃。海拔150~320 m, 无霜期203 d, 年均相对湿度71%, 年均日照时数2 315 h。年均降水量849 mm, 集中在6-8月, 占总降水量的62%。土壤为石灰土及淋溶褐土。主要植被人工恢复类型有侧柏(Platycladus orientalis)林, 侧柏、构树(Broussonetia papyrifera)混交林。酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa)、牡荆(Vitex negundo var. cannabifolia)、金色狗尾草(Setaria glauca)为优势种的灌丛或草灌丛。

在相山东南坡选择4种植被恢复模式下的土壤作为研究对象, 比较不同恢复模式对土壤的改良效果。植被恢复模式依次为, Ⅰ :人工侧柏, 侧柏占绝对优势, 林下和林隙夹杂着一些酸枣、牡荆; Ⅱ :侧柏+构树混交林, 侧柏的密度相对较小, 构树、柘树(Cudrania tricuspidata)、酸枣、牡荆等阔叶树种占优势; Ⅲ :金色狗尾草+牡荆草灌丛, 自然植被的草本层以金色狗尾草等禾本科植物占优势; Ⅳ :酸枣+牡荆灌丛, 以酸枣、牡荆灌木占优势。2017年5月下旬, 在研究区每个植被恢复模式典型样地设置20 m× 20 m的样方3个, 在每个样方内采取6个土样(0-30 cm)混合为一个混合样, 挑出土壤中可见植物根系残体、石砾。土壤风干后过筛, 用于测定土壤特性, 分析土壤团粒结构。同时在各样地用环刀取原状土壤(0-20 cm), 带回实验室进行土壤容重、孔隙度的测定。

土壤含水量采用烘干法测定(105 ℃, 12 h), 容重、毛管孔隙度与非毛管孔隙度采用环刀法测定。土壤水稳性团聚体参照Sun等^[15]的方法, 具体操作:称取过10 mm筛的风干土壤样品50 g, 通过真空蒸馏水慢速浸润装置浸润土壤样品, 充分浸润2~4 min后, 样品转移至团聚体分析仪套筛顶部(套筛孔径自上而下为5、2、1、0.5和0.25 mm), 蒸馏水浸泡8 min, 垂直震荡2 min, 每分钟循环30次, 振动幅度3 cm。50 ℃烘干48 h至恒重, 称重, 计算团聚体的质量分数。土壤水稳性团聚体测定中, 土样浸润方法对测定结果产生很大影响, 本方法采用高真空慢速浸润法, 主要通过毛细管进行慢速湿润, 最大限度地减少和避免了土样在浸润过程产生的气爆和崩解, 能有效降低大团聚体的破碎, 减少误差, 保证测定结果的可靠性^[15]。利用各粒级团聚体数据分别按照公式(1)、(2)和(3)计算> 0.25 mm团聚体的比例(R_0.25)、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GWD)。

R_0.25=M_{r> 0.25}/M_T。 (1)

式中:M_T为团聚体总重量, M_{r> 0.25}表示粒径大于0.25 mm的团聚体的重量。

MWD= ∑i=1nW_iX_i。 (2)

式中:X_i是筛分出来的任一粒径范围团聚体的平均直径, W_i是任一粒径范围团聚体的总量占土壤样品干重的分数。

GWD=exp[( ∑i=1nW_ilgX_i)/ ∑i=1nW_i]。 (3)

式中:W_i表示平均直径为X_i的团聚体重量, ∑i=1nW_i是土壤样品的总重。

采样SPSS 16.0统计软件对土壤各特性指标进行单因素方差分析和LSD比较不同数据间的差异。

从水稳性团聚体含量的统计结果来看(表1), 不同植被恢复下土壤水稳性团聚体的分布存在一定差异。4种植被恢复模式下, > 5 mm的水稳性团聚体含量表现为人工侧柏> 人工侧柏+构树混交林> 金色狗尾草+牡荆草灌丛> 酸枣+牡荆灌丛, 且除金色狗尾草+牡荆草灌丛与酸枣+牡荆灌层差异不显著外, 不同植被恢复模式之间差异均达到显著水平(P< 0.05)。5~2和1~0.5 mm水稳性团聚体表现为金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛显著高于其他2种恢复模式, 且这两种恢复模式中土壤1~0.5 mm水稳性团聚体高出侧伯和侧柏+构树混交林2倍以上; 金色狗尾草+牡荆草灌丛0.5~0.25 mm粒径的水稳性团聚体的含量显著高于其他3种植被恢复模式。该结果表明, 草灌丛植被恢复石灰岩山地土壤中土壤团聚体粒径分布中小粒径(< 1 mm)所占比重逐渐增加(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同植被恢复下土壤水稳性团聚体含量 Table 1 Content of water stable aggregates under different vegetation restorations % 植被类型 Vegetation type 团聚体粒径Size of soil aggregate 10~5 mm 5~2 mm 2~1 mm 1~0.5 mm 0.5~0.25 mm Ⅰ 6.3± 0.43a 1.8± 0.09b 8.2± 0.32a 8.6± 0.52c 11.8± 1.69b Ⅱ 5.4± 0.23b 2.7± 0.13b 6.1± 0.43b 9.1± 0.62b 12.0± 2.26b Ⅲ 3.3± 0.15c 4.9± 0.16a 5.2± 0.36c 18.2± 2.36a 17.4± 3.42a Ⅳ 2.8± 0.12c 6.1± 0.21a 6.4± 0.28b 21.0± 2.13a 13.2± 2.58b Ⅰ :人工侧柏, Ⅱ :侧柏+构树混交林, Ⅲ :金色狗尾草+牡荆草灌丛, Ⅳ :酸枣+牡荆灌丛; 同列不同小写字母表示不同植被类型间差异显著(P< 0.05)。下同。 Ⅰ : Platycladus orientalis, Ⅱ : Platycladus orientalis, Broussonetia papyrifera, Ⅲ : Setariag lauca, Vitex negundo var. cannabifolia, Ⅳ : Ziziphus jujuba var. spinosa, Vitex negundo var. cannabifolia; Values with different lower-case letters indicate significant differences in the same column at the 0.05 level. The same convention is used for all subsequent Tables.

表1 不同植被恢复下土壤水稳性团聚体含量 Table 1 Content of water stable aggregates under different vegetation restorations %

一般土壤团粒结构体是指> 0.25 mm粒径的团聚体, 为土壤中最优的结构体, 其数量与土壤肥力状况、土壤管理措施等密切相关。本研究用分析> 0.25 mm粒径团聚体的比例(R_0.25)来说明土壤团聚体的数量变化。金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛石灰岩土层中R_0.25值显著高于人工侧柏和人工侧柏+构树混交林(表2)。其中酸枣+牡荆草灌丛的R_0.25比人工侧柏和人工侧柏+构树混交林分别高出34.9%和40.2%。但金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛, 及人工侧柏和人工侧柏+构树混交林之间R_0.25值之间没有显著差异。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同植被恢复下土壤水稳性团聚体稳定性 Table 2 Stability of water stable aggregates in different vegetation restorations 类型Type R0.25/% 平均重量直径MWD/mm 几何平均直径GMD/mm Ⅰ 36.7± 1.82b 0.41± 0.05b 0.28± 0.05c Ⅱ 35.3± 2.39b 0.44± 0.07b 0.31± 0.09c Ⅲ 49.0± 3.15a 0.47± 0.06a 0.54± 0.09b Ⅳ 49.5± 1.34a 0.45± 0.05b 0.61± 0.03a R0.25指土壤中> 0.25 mm粒径的团聚体数量。 R0.25, > 0.25 mm water stable aggregate; MWD, mean weight diameter of soil; GMD, geometric weight diameter of soil. The same indications are used in all subsequent Tables.

表2 不同植被恢复下土壤水稳性团聚体稳定性 Table 2 Stability of water stable aggregates in different vegetation restorations

土壤团聚体MWD值以金色狗尾草+牡荆草灌丛最高, 酸枣+牡荆灌丛次之, 人工侧柏土层最低, 且金色狗尾草+牡荆草灌丛MWD值显著高于其他植被恢复措施(表2)。说明不同植被恢复措施对土壤表层土壤团聚体状况的改善程度有所差异, 低矮的草本和灌木类植被土壤表层团聚状况优于高大乔木植被。酸枣+牡荆灌丛土壤GMD值显著大于其他植被类型, 金色狗尾草+牡荆草灌丛次之, 人工侧柏和人工侧柏+构树混交林土壤GMD值较小, 且两者之间没有显著差异(P> 0.05)。

粒径> 0.25 mm的土壤水稳性团聚体含量与土壤MWD和GMD之间达到显著正相关(P< 0.05)(表3)。说明土壤中> 0.25 mm的团聚体越多, MWD和GMD值越大。石灰岩山地土壤> 0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量是影响土壤团聚特性和稳定性的主要因子。> 0.5 mm粒径土壤水稳性团聚体含量与土壤GMD达到显著正相关(P< 0.05), 与土壤MWD之间相关性差异不显著(P> 0.05)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 MWD、GMD和土壤物理性质与水稳性团聚体含量的相关性 Table 3 Correlation of MWD, GMD and soil physical properties with content of water-stable aggregates 水稳性团聚体 Water-stable aggregate 平均重量直径 MWD 几何平均直径 GMD 容重 Bulk density 总孔隙度 Total porosity > 5 mm 0.887 0.874* -0.378* 0.378* > 0.25 mm 0.902* 0.896* -0.421* 0.456* * 表示显著相关(P< 0.05)。 * indicate correlation is significant at the 0.05 level.

表3 MWD、GMD和土壤物理性质与水稳性团聚体含量的相关性 Table 3 Correlation of MWD, GMD and soil physical properties with content of water-stable aggregates

石灰岩山地不同植被恢复模式对土壤水分和孔隙状况有明显影响(表4)。人工侧柏林、侧柏+构树混交林土壤含水量和总孔隙度显著低于金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛(P< 0.05)。土壤容重则表现为侧柏+构树混交林和人工侧柏林明显高于金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛(P< 0.05)。说明不同植被恢复类型对土壤孔性和结构的影响有所不同, 金色狗尾草+牡荆草灌丛和酸枣+牡荆灌丛土壤表层较为疏松、通气性好, 地上部分持水量大, 同时土壤也积累了一定的腐殖质, 有较高的涵养水源和保持水土功能。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 植被恢复对土壤物理特性的影响 Table 4 Effect of vegetation restoration on the soil physical characteristics 类型 Type 含水量 Water content/(g· kg-1) 容重 Bulk density/(g· cm-3) 总孔隙度 Total soil porosity/% 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity/% Ⅰ 146.6± 1.3b 1.430± 0.004a 46.03± 1.96b 6.28± 0.35b Ⅱ 165.2± 1.5b 1.460± 0.003a 44.91± 2.22b 7.03± 0.46a Ⅲ 181.7± 2.1a 1.280± 0.001b 51.70± 2.72a 4.87± 0.46c Ⅳ 177.1± 2.1a 1.310± 0.002b 50.56± 3.42a 4.59± 0.46c

表4 植被恢复对土壤物理特性的影响 Table 4 Effect of vegetation restoration on the soil physical characteristics

相关分析表明, 土壤容重与> 0.25 mm和> 0.5 mm粒径的水稳性团聚体之间呈显著负相关(P< 0.05), > 0.25 mm和> 0.5 mm粒径的水稳性团聚体与土壤总孔隙度含量之间呈显著正相关(P< 0.05)(表3)。表明> 0.25 mm和> 0.5 mm土壤水稳性团聚体对土壤孔隙度有重要影响。