不同土地利用方式對隴東黃土高原土壤團聚體穩定性的影響

王正偉，武均，李婉玲，仁增草，蔡立群，羅珠珠

(甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤團聚體是土壤結構的最基本單元，其穩定性對土壤水分運移和儲存、肥力、通氣、侵蝕、碳固存、生物活性和根系滲透至關重要[1－2]。慶陽市地處隴東黃土高原殘塬溝壑、丘陵溝壑區，屬于國家級水土保持重要區，其生態安全可能影響整個黃土高原地區。慶陽地區的土壤主要為濕陷性黃土，土質疏松，植被稀少，且降雨集中，水土流失嚴重，制約著城市的發展。全區水土流失面積達220萬hm2，約占土地總面積的81.2%[3－4]。

土壤團聚體的數量在一定程度上反映了土壤供儲養分能力的高低，同時也會影響土壤的物理化學性質。土壤團聚體粒級的大小和含量是土壤重要的物理性質，而土壤團聚體穩定性是土壤復雜生物、化學和物理過程綜合作用的結果，包括機械穩定性和水穩定性。其機械穩定性直接反映了土壤抵抗外力破壞的能力，而水分也是導致團聚體破碎的主要因素。因此，研究土壤水穩定性團聚體也十分重要[5]。

在團聚體的分類上，國內外學者一般以粒徑0.25 mm的團聚體為界，粒徑≥0.25 mm的為穩定性團聚體，粒徑<0.25 mm的為非穩定性團聚體；穩定性團聚體又可細分為0.25～1 mm、1～2 mm、2～5 mm和≥5 mm 4個類別[6－7]。不同粒級的團聚體對改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、促進土壤生物活動、協調和保持土壤營養成分具有不同的作用[8－9]。團聚體穩定性受土壤自身性質(土壤質地、黏土礦物類型、含水量、有機質等)、生物因素(植物、動物和微生物等)、土地利用方式、氣候和地形等諸多因素的綜合影響[10－12]。

風干團聚體穩定性隨著土層深度的增加而增強[13]；水分的快速入滲能引起水穩性團聚體的崩解[14]。幾何平均直徑(GMD)、平均重量直徑(MWD)等指標可表示團聚體的大小分布、幾何性狀、綜合特征以及穩定程度[15－19]。土壤可蝕性因子K值是評價土壤抗侵蝕和抗破壞能力的重要指標，也是評估土壤對外界侵蝕敏感性的重要指標[22]。

本研究采用GMD、MWD、K值等作為土壤團聚體的衡量指標，對隴東黃土高原耕地、林地、園地、荒地4種土地利用方式的土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體進行分析，多方位評價土壤團聚體的穩定性，為該區篩選水土保持、環境友好型的土地利用方式提供理論依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于慶陽市西峰區新橋村，屬于隴東黃土高原殘塬溝壑區，地處東經107°41′58″～107°43′2″與北緯35°43′54″～35°45′25″之間。該區地形北高南低，海拔為885～2 082 m。該地為大陸型氣候，四季分明，降雨量南多北少，年平均降水量557.9 mm，年平均氣溫9.7℃，年日照2 194.5 h。

1.2 樣品采集及制備

試驗設置耕地、林地、園地、荒地4種不同的土地利用方式(表1)。耕地主要種植玉米(Zea maysL.)，林地主要樹種為樟子松(Pinus sylvestnisvar.mongolicaLitv.)，園地種植的果樹為蘋果(Malus pumilaMill.)，荒地為撂荒地。采用“S”型取樣法分別采集不同土地利用方式下0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土壤樣品各5份，總計60份土樣，裝入硬質塑料盒后帶回實驗室，除去植物根系、雜草、小石塊等雜物，沿土塊自然裂隙掰成直徑約為1 cm的土塊后于通風干燥處風干，用于測定土壤團聚體。

表1 土壤采樣點基本情況Table 1 Basic situation of soil sampling sites

1.3 土壤團聚體的測定方法

分別采用干篩法和傳統濕篩法測定土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體[20]。

干篩法:稱取100.0 g土壤，過5 mm、2 mm、1 mm、0.25 mm套篩，每份土樣反復過篩多次，直至所有粒級團聚體均篩取完成，計算各粒級團聚體的質量百分比。

濕篩法:依據干篩的質量百分比，配成50.0 g每份的土樣，將土樣均勻置于5 mm、2 mm、1 mm、0.25 mm的套篩上，調整套篩水面高度，使土樣充分濕潤5 min后啟動土壤團粒分析儀(XDB0601型)，以30次/min的頻率、3 cm振幅上下振動30 min。用清水將各粒級篩子上的團聚體洗入鋁盒中，55℃烘干至恒重(約8 h)，計算各粒級水穩性團聚體含量。

土壤團聚體的MWD和GMD的計算公式[21]如下:

式中:xi為篩分出來的任一粒徑范圍團聚體的平均直徑；wi為任一粒徑范圍團聚體的質量占土壤樣品干質量的分數。

土壤可侵蝕因子K值的計算公式[22]如下:

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010整理數據和繪圖，采用SPSS 20.0進行統計分析，采用Pearson法分析指標間相關性。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤團聚體組成的影響

2.1.1 機械穩定性團聚體

由表2可知，不同的土地利用方式下土壤團聚體的含量及其粒徑組成不同。0～10 cm土層中土壤機械穩定性團聚體Rm0.25(即≥0.25 mm機械穩定性團聚體)含量排序為園地>荒地>耕地>林地，其中林地的Rm0.25最低，顯著低于其他3種方式(P<0.05)，比園地和荒地分別低9.49%和8.57%。10～20 cm和20～40 cm土層中Rm0.25的含量排序均為耕地>園地>荒地>林地，但差異均不顯著。

表2 不同土地利用方式下土壤機械穩定性團聚體組成Table 2 Composition of soil mechanical stability aggregates under different land use patterns %

2.1.2 水穩性團聚體

由表3可知，不同的土地利用方式下土壤團聚體的含量以及粒級組成不同，但均以1～0.25 mm粒級的團聚體為主。0～10 cm土層中Rw0.25(≥0.25 mm水穩性團聚體)含量排序為耕地>荒地>林地>園地，耕地和荒地顯著高于林地和園地。10～20 cm土層Rw0.25含量排序為耕地>荒地>園地>林地；20～40 cm土層土壤Rw0.25含量排序為耕地>荒地>林地>園地，且園地較耕地低11.03%，差異顯著(P<0.05)。

表3 不同土地利用方式下土壤水穩性團聚體組成Table 3 Composition of soil water－stable aggregates under different land use patterns %

2.2 不同土地利用方式對土壤團聚體穩定性的影響

2.2.1 不同土地利用方式對土壤穩定性團聚體MWD的影響

由圖1可知，不同土地利用方式下0～10 cm土層中土壤機械穩定性團聚體MWD排序為園地>荒地>耕地>林地，園地、荒地的MWD顯著高于林地和耕地(P<0.05)。10～20 cm土層土壤機械穩定性團聚體MWD排序為園地>耕地>荒地>林地，且林地顯著低于園地、耕地和荒地(P<0.05)。20～40 cm土層的土壤機械穩定性團聚體MWD排序與0～10 cm土層一致，且園地顯著高于林地、耕地和荒地(P<0.05)。

由圖2可知，0～10 cm土層中水穩性團聚體MWD排序為林地>園地>耕地>荒地，林地顯著高于耕地和荒地(P<0.05)；10～20 cm土層中水穩性團聚體MWD排序與0～10 cm土層一致，且林地顯著高于園地、耕地和荒地(P<0.05)。20～40 cm土層中水穩性團聚體MWD排序則為林地>耕地>園地>荒地，林地、耕地水穩性團聚體MWD顯著高于園地和荒地(P<0.05)。

2.2.2 不同土地利用方式對土壤穩定性團聚體GMD的影響

由圖3可知，0～10 cm土層中機械穩定性團聚體GMD的排序為園地>荒地>耕地>林地，林地的機械穩定性團聚體GMD最小(1.36 mm)，顯著低于園地、耕地和荒地(P<0.05)。10～20 cm土層中機械穩定性團聚體GMD的排序為園地>耕地>荒地>林地，但不同土地利用方式間差異不顯著。20～40 cm土層中機械穩定性團聚體GMD的排序與10～20 cm土層一致，林地的機械穩定性團聚體GMD顯著低于其他3種土地利用方式(P<0.05)。

由圖4可知，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層中水穩性團聚體GMD的排序均為林地>耕地>荒地>園地，但0～10 cm和10～20 cm土層不同土地利用方式間差異不顯著，20～40 cm土層則表現為林地、耕地顯著高于園地和荒地(P<0.05)。

2.3 不同土地利用方式的土壤可侵蝕因子K值比較

由圖5可知，0～10 cm土層土壤水穩性團聚體的K值排序為園地>林地>荒地>耕地，10～20 cm土層為園地>荒地>耕地>林地，但不同土地利用方式間均無顯著差異；20～40 cm土層中水穩性團聚體的K值排序為園地>荒地>林地>耕地，園地、荒地的K值顯著高于林地和耕地(P<0.05)。

2.4 土壤有機碳含量

由圖6可知，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層中土壤有機碳含量排序均為林地>荒地>園地>耕地，且林地土壤有機碳含量均顯著高于園地、耕地和荒地(P<0.05)。0～10 cm土層林地顯著高于其他3種方式，荒地顯著高于園地和耕地(P<0.05)，園地和耕地差異不顯著；10～20 cm土層與0～10 cm基本一致，但園地顯著高于耕地；20～40 cm土層為園地與荒地顯著高于耕地(P<0.05)，但兩者間差異不顯著。

2.5 土壤有機碳(SOC)含量和團聚體相關性

由表4可知，林地土壤SOC含量與Rw0.25呈顯著負相關(P<0.05)，與Rm0.25、水穩性團聚體GMD呈負相關，與機械穩定性團聚體MWD、GMD、水穩性團聚體MWD、土壤K值呈正相關。園地土壤SOC與Rw0.25呈極顯著負相關(P<0.01)，與水穩團聚體GMD呈負相關，與Rm0.25、機械穩定性團聚體MWD、GMD、水穩性團聚體MWD、土壤K值呈正相關。耕地土壤SOC與Rm0.25、水穩性團聚體GMD和K值呈負相關，與機械穩定性團聚體MWD、GMD、Rw0.25、水穩性團聚體MWD呈正相關。荒地土壤SOC與Rw0.25、土壤K值呈負相關，與Rm0.25、機械穩定性團聚體MWD、GMD、水穩性團聚體MWD呈顯著正相關(P<0.05)，與水穩性團聚體GMD呈正相關。

表4 不同土地利用方式土壤有機碳含量與土壤機械穩定性、水穩性團聚體各指標相關性Table 4 Correlation of soil organic carbon content with soil mechanical stability and water－stable aggregates under different land use types

3 討論

土壤團聚體是反映土壤結構穩定性和評判土壤結構和肥力的重要指標[23]。穩定的土壤團聚體能夠承受外界環境的干擾，保持自身結構的平衡，對土壤的水分滲透和抵抗侵蝕發揮著重要作用[24]。土壤Rm0.25和Rw0.25通常被認為是土壤中最好的結構體[25]，其含量越高則表明土壤結構越穩定。本研究發現，干篩下園地0～20 cm土層中的Rm0.25較林地、荒地這兩種土地利用方式多，其土壤團聚作用強，分散作用弱。耕地表層土壤的有機碳含量較少，主要原因是與林地、園地相比，耕地的土壤表層缺少植被凋落物，土壤中有機質含量較少，而團聚體會因為缺乏有機物的膠結而減小[26]。說明種植果樹的園地有利于土壤大團聚體的形成，增加土壤團聚體的穩定性。形成團聚體的主要膠結物質之一就是土壤有機碳，林地有機碳含量較高，利于團聚體的形成與提高其穩定性。土地利用方式對土壤團聚體組成的影響較大，林地與園地的土壤團聚作用較強，棄耕種樹可改善土壤團聚體的組成，對改善該地水土流失現象有所幫助。本研究發現，與其他土地利用方式相比，園地和林地的表層土壤團聚體穩定性較高，這與前人[27]研究相似，可能是園地和林地的植被凋落物首先會堆積在土壤的表層，使表層土壤中的有機碳等養分優先積累[28]，進而促進了Rm0.25和Rw0.25的形成。

不同土地利用方式對團聚體的穩定性具有不同的影響。除耕地外，其他土地利用方式的土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的MWD均隨著土層的加深而降低，說明深層土的土壤團聚體更加脆弱；而耕作導致土壤表層團聚體遭受破壞，耕地表層土壤的MWD較小，MWD隨著深度增加而增大。各土層中土壤機械穩定性團聚體的GMD以園地最大，土壤水穩性團聚體的GMD以林地最大，與MWD一樣，GMD的大小可以反映土壤團聚體各粒級分布的比例，且其值越大，團聚度越高，土壤穩定性越強。本研究發現，園地的GMD較高，說明園地的土壤結構穩定性強。本研究中，各土地利用方式下土壤K值總體表現為園地>荒地>耕地>林地，說明土壤抗侵蝕能力排序為林地>耕地>荒地>園地。

有研究[29]表明，隨著土壤中有機碳含量的增加，土壤中穩定性團聚體含量也會明顯地增加。本研究發現，林地土壤有機碳含量較高，但土壤穩定性團聚體含量均較低，有機碳含量與Rw0.25呈極顯著負相關，且隨著土層深度的加深而逐漸降低，而土壤大團聚體含量隨著土層深度加深而逐漸增加，有機碳含量可能只對表層土壤大團聚體含量有一定影響。

4 結論

不同土地利用方式下，土壤機械穩定性團聚體含量隨土層變化規律不同，水穩性團聚體含量均隨土層加深而增大。園地土壤機械穩定性團聚體的MWD和GMD最高；林地土壤水穩性團聚體的MWD和GMD最高。林地土壤有機碳含量最高；且林地的土壤有機碳含量均與Rw0.25呈顯著性負相關，與穩定性團聚體MWD呈正相關，總體來看，林地更有利于該地區水土保持和土壤固碳。