影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性因素的研究進(jìn)展

文|王迪晨 羅偉

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，影響土壤的各種理化性質(zhì)。在糧食安全和生態(tài)環(huán)境關(guān)注程度不斷提高的今天，采取什么方式進(jìn)行耕種能夠防止耕地質(zhì)量退化，對(duì)退耕地如何利用，不同侵蝕營(yíng)力會(huì)對(duì)團(tuán)聚體產(chǎn)生什么樣的影響等問(wèn)題需要得到回答。通過(guò)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性因素研究進(jìn)展的總結(jié)，保護(hù)性耕作有利于增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和形成，對(duì)于退耕地需要根據(jù)土壤厚度及當(dāng)?shù)貤l件適當(dāng)選擇還林、還茶、撂荒等方式，雨滴擊濺、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤團(tuán)聚體影響相對(duì)顯著。

土壤團(tuán)聚體指土粒通過(guò)各種自然過(guò)程的作用而形成的直徑<10 mm的結(jié)構(gòu)單位。按照粒徑級(jí)別可分為：大團(tuán)聚體，直徑>0.25 mm的團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)單位；微團(tuán)聚體，直徑<0.25 mm的團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)單位；按照穩(wěn)定性可分為：穩(wěn)定性團(tuán)聚體：抗外力分散的土壤團(tuán)聚體；水穩(wěn)性團(tuán)聚體：抗水力分散的土壤團(tuán)聚體；非穩(wěn)定性團(tuán)聚體：外力易分散的土壤團(tuán)聚體。土壤團(tuán)聚體是良好的土壤結(jié)構(gòu)體，其特點(diǎn)是多孔性與水穩(wěn)性，具體表現(xiàn)在土壤孔隙度大小適中，持水孔隙與充氣孔隙的并存，并有適當(dāng)?shù)臄?shù)量和比例。因而使土壤中的固相、液相和氣相相互處于協(xié)調(diào)狀態(tài)，所以一般都認(rèn)為，團(tuán)聚體多是土壤肥沃的標(biāo)志之一。因此，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與土壤肥力是密切相關(guān)的，影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素直接關(guān)系到土壤肥力的狀況。所以研究探索影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素對(duì)改良土壤和提高土壤肥力具有重要的生產(chǎn)意義。

一、土壤團(tuán)聚體的形成

土壤團(tuán)聚體形成的過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。大體上可分為兩個(gè)階段。第一階段是礦物質(zhì)和次生粘土礦物顆粒，通過(guò)各種外力或植物根系擠壓相互粘結(jié)，凝聚成復(fù)粒或團(tuán)聚體。第二階段是團(tuán)聚體或復(fù)粒再經(jīng)過(guò)膠結(jié)、根毛和菌絲體的固定作用形成團(tuán)聚體。在自然界中實(shí)際上這兩種作用是很難截然分開的，在一定條件下，單粒可直接形成團(tuán)聚體。

二、影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素

（一）耕作對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

同一母質(zhì)發(fā)育的土壤因耕作方式不同，團(tuán)聚體的組成和數(shù)量都可發(fā)生很大的變化，這說(shuō)明耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成具有較大的影響。耕作對(duì)土壤的影響主要是改變了土壤有機(jī)碳的分布和微生物的活動(dòng)生境，為土壤有機(jī)物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件及由此造成的團(tuán)聚體的變化。耕作強(qiáng)度增加可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)，減少土壤團(tuán)聚作用的發(fā)生。耕作方式主要有兩種：保護(hù)性耕作和傳統(tǒng)耕作。其中保護(hù)性耕作包括：旋耕、少耕、免耕（免耕不覆蓋，免耕＋秸稈還田），深松；傳統(tǒng)耕作包括：翻耕，傳統(tǒng)耕作＋秸稈還田。

1.保護(hù)性耕作對(duì)土壤團(tuán)聚體的數(shù)量的影響

保護(hù)性耕作可減少機(jī)械和人為因素對(duì)土壤的擾動(dòng)，不僅減緩了團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)速率，還促進(jìn)了土壤自身的調(diào)節(jié)作用，有利于土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保持；秸稈還田可有效緩解雨滴對(duì)土壤的打擊力，進(jìn)而減少團(tuán)聚體的破碎。

研究表明，第一，不同耕作方式會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的含量發(fā)生變化，免耕處理有利于耕層（0-20 cm）土壤團(tuán)聚體的形成，并且具有較高的水穩(wěn)性；旋耕處理雖然會(huì)提高0-5 cm層水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，但5-30 cm層水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量反而降低。

第二，在保護(hù)性耕作中，免耕＋秸稈覆蓋、免耕2種處理均可不同程度提高直徑＞0.25 mm團(tuán)聚體含量和平均重量直徑，降低團(tuán)聚體破碎率，提升團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中免耕＋秸稈還田處理綜合表現(xiàn)最佳。

第三，土壤團(tuán)聚體指數(shù)MWD和GMD值是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，MWD和GMD值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)。免耕可以改善土壤緊實(shí)度，能夠提高土壤MWD值并降低團(tuán)聚體破壞率。

另外，與傳統(tǒng)耕作相比，深松、旋耕、免耕措施能提高土壤0-40 cm深度大團(tuán)聚體含量及有機(jī)碳貢獻(xiàn)率和團(tuán)聚體平均重量直徑，減少微團(tuán)聚體和黏砂粒含量及其有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。同時(shí)少耕和免耕措施能提高所有深度總有機(jī)碳含量和0-10 cm耕層中各級(jí)別團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。裸地隔年深松比連年深松能更有利于大團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定及土壤總有機(jī)碳和各級(jí)別團(tuán)聚體有機(jī)碳的積累，該趨勢(shì)在0-30 cm耕層表現(xiàn)更為明顯。同時(shí)深松比淺松、秸稈還田比不還田更能在土壤各層次上促進(jìn)土壤總有機(jī)碳和所有級(jí)別團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量及大團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定，并促使有機(jī)碳向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移。

2.傳統(tǒng)耕作對(duì)土壤團(tuán)聚體的數(shù)量的影響

在傳統(tǒng)耕作中，翻耕可使耕層土壤保持較低的容重值，但不利于土壤團(tuán)聚體尤其是水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。研究表明，在同一耕作方式下不同種植方式的土壤大團(tuán)聚體含量變化趨勢(shì)不同。傳統(tǒng)耕作條件和免耕條件下的傳統(tǒng)種植處理、免耕+秸稈還田條件下帶狀種植處理的風(fēng)干大團(tuán)聚體含量顯著高于同一耕作方式下的其他種植處理。傳統(tǒng)耕作條件下傳統(tǒng)種植處理、免耕條件下帶狀種植處理、免耕+秸稈還田條件下作物套種處理的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量較同一耕作方式下的其他種植處理具有顯著優(yōu)勢(shì)。

綜上可知，與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作可以提高表層上壤的團(tuán)聚體的含量，增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。保護(hù)性耕作制度下土壤各級(jí)別團(tuán)聚體的顆粒有機(jī)碳含量明顯高于傳統(tǒng)耕作。另外，在免耕+秸稈還田下，土壤中的動(dòng)物(如蚯蚓、部分昆蟲等)繁殖較快，也促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。

（二）土地利用方式對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

近年來(lái)的研究表明，同母質(zhì)發(fā)育的土壤因利用方式不同，其團(tuán)聚體的組成和數(shù)量都可能發(fā)生很大的變化。土地利用方式主要有休閑、撂荒、菜園、果園、林地、茶園等。其中，休閑地是指不種作物，不施肥，人工清除雜草，固定時(shí)期耕作一次；撂荒地是指不做任何人為擾動(dòng)。土地利用方式的改變可影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳的能力，具體表現(xiàn)如下：

第一，與種植作物相比，長(zhǎng)期休閑沒(méi)有顯著影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，長(zhǎng)期撂荒明顯改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。在種植作物條件下，長(zhǎng)期施肥顯著影響土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量和分布，但是施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性沒(méi)有顯著影響。

第二，不同農(nóng)業(yè)利用方式下，對(duì)菜園、果園和農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的組成及穩(wěn)定性進(jìn)行研究，總體來(lái)看，果園土壤的結(jié)構(gòu)性隨著種植年限的增加逐漸變好，而菜園土壤的結(jié)構(gòu)性有變差的趨勢(shì)，其主要原因是菜園土壤長(zhǎng)期處于生產(chǎn)狀態(tài)，頻繁灌溉，大量地使用無(wú)機(jī)化肥，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)退化，土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)基本上一致。

第三，不同利用方式下，團(tuán)聚體穩(wěn)定性有很大差異，體現(xiàn)在旱作大粒徑團(tuán)聚體（粒徑＞1 mm）穩(wěn)定性是高于水田的，小粒徑團(tuán)聚體（粒徑1-0.25 mm）穩(wěn)定性小于水田。水田方式比旱作方式更有利于有機(jī)碳的積累，水田有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性較旱作更為穩(wěn)定。

第四，研究表明，水田和林地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性保持在較高水平，而旱地、果園利用方式則大幅降低了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。水田和林地利用方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)性破壞較小，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的保持作用明顯，有利于維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用；旱地和果園利用方式則對(duì)土壤團(tuán)聚體破壞較多，易造成農(nóng)田土壤的侵蝕和肥力下降。

第五，土地利用方式對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要的影響，水田和林地利用方式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性保持在較高水平，而旱地、果園利用方式則大幅降低了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性降低、土壤肥力下降等土壤退化現(xiàn)象。

（三）退耕還林后團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化

退耕還林是指在水土流失嚴(yán)重或糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)定的坡耕地和沙化耕地，以及生態(tài)地位重要的耕地，退出糧食生產(chǎn)，植樹或種草。退耕地作為一種重要的土地資源，對(duì)其進(jìn)行植被恢復(fù)和重建，將有助于提高土地生產(chǎn)力，減緩水土流失，對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善有著重要的實(shí)踐意義。

1.退耕還林對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

退耕還林還草使得土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性提高，進(jìn)而提高了土壤的抗蝕性，并且恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)。相對(duì)于農(nóng)用地，人工林地和多年撂荒地土壤團(tuán)聚體更加穩(wěn)定，土壤吸持水分和抗侵蝕的能力更強(qiáng)。農(nóng)地退耕后，小粒級(jí)團(tuán)聚體向大粒級(jí)團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化。土壤有機(jī)質(zhì)含量在退耕還林地中最大，在農(nóng)地最小。這主要是由于地上植物的枯枝落葉是土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源之一，地表植物的生長(zhǎng)狀況和生物量影響土壤有機(jī)碳含量。而農(nóng)地耕種、除草、施肥、收獲等人為干擾頻繁，導(dǎo)致地表植被、凋落物數(shù)量少。一方面，有機(jī)質(zhì)的歸還量減少，另一方面，加速土壤有機(jī)碳的分解，最終使得土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，進(jìn)而影響土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

2.不同退耕方式對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體對(duì)退耕地植被恢復(fù)與重建有十分重要的作用，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤保水、保肥的基礎(chǔ)，其抗蝕性直接影響著土壤水肥庫(kù)作用的持續(xù)性；具有良好團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的土壤，不僅具有高度的空隙性和持水性，而且有良好的通透性，在植物生長(zhǎng)期能夠很好的調(diào)節(jié)植物需要的水、肥、氣、熱諸因素，對(duì)植被的恢復(fù)和重建有著很大的促進(jìn)作用。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳含量密切相關(guān)，植被恢復(fù)促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)，從而促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成，提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，植被恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳含量越高，土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性程度也越好，退耕后的土地不同層、不同粒徑之間團(tuán)聚體和有機(jī)碳的含量也有差異。土地退耕方式可分為：退耕還林、退耕還草、退耕還茶、退耕撂荒。眾多研究表明：0-20 cm和20-40 cm土層，退耕還茶地水穩(wěn)性團(tuán)聚體占總團(tuán)聚體的比例均以直徑＜0.25 mm的含量最大，且與其他粒徑間存在極顯著差異。除2-1 mm粒徑外，不同土層退耕還茶地土壤的粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與退耕還林地同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量差異不顯著；在干篩處理下，不同土層退耕撂荒、退耕還林和退耕還茶隨粒徑的減小土壤團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)為先降低后增加再降低的變化趨勢(shì)，退耕對(duì)同一粒徑風(fēng)干團(tuán)聚體含量的影響較小，但對(duì)不同土層風(fēng)干團(tuán)聚體含量影響較大。在濕篩處理下，不同土層退耕撂荒、退耕還林和退耕還茶隨粒徑的減小土壤團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為先降低后增加的變化趨勢(shì)，退耕對(duì)同一粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量影響較大。

退耕撂荒、退耕還林和退耕還茶地0-20 cm土層各個(gè)粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量基本高于20-40 cm，且隨著粒徑的減小，土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量總體呈逐漸減低的趨勢(shì)。0-20 cm土層退耕還茶與退耕撂荒地土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量較退耕還林地高，20-40 cm土層，退耕撂荒地土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高。可見(jiàn)，不同退耕方式對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響存在一定差異。因此，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)考慮土壤穩(wěn)定性及其碳吸存的作用，選擇合理的退耕方式，以協(xié)調(diào)區(qū)域土地利用及調(diào)控管理。

（四）侵蝕方式對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性是影響土壤侵蝕的重要因素之一。土壤侵蝕必然會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的破碎和流失。在當(dāng)前的研究中，以水力侵蝕和凍融侵蝕對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響的研究居多。

1.水力侵蝕對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

水力侵蝕對(duì)團(tuán)聚體的影響主要是通過(guò)降雨雨滴特點(diǎn)和坡面水流特性對(duì)土壤團(tuán)聚體顆粒的剝蝕和搬運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，降雨強(qiáng)度的大小與雨滴的直徑和能量密切相關(guān)，雨滴能量越大通過(guò)濺散作用使更多微團(tuán)聚體顆粒脫離土壤表層，進(jìn)而被薄層徑流挾帶流失，在較小雨強(qiáng)時(shí)，雨滴打擊作用主要是對(duì)土壤團(tuán)聚體進(jìn)行拆分，薄層水流則主要對(duì)分散的土壤團(tuán)聚體進(jìn)行搬運(yùn)，但其搬運(yùn)能力不足以搬運(yùn)粒徑較大的團(tuán)聚體；在較大雨強(qiáng)時(shí)，雨滴打擊對(duì)土壤團(tuán)聚體的拆分作用進(jìn)一步增加，導(dǎo)致流失的團(tuán)聚體以微團(tuán)聚體為主。

降雨持續(xù)，隨著土壤入滲率逐漸穩(wěn)定，坡面徑流逐漸增大至穩(wěn)定，并使坡面形成侵蝕溝，此時(shí)決定侵蝕強(qiáng)度的因素為徑流量的大小，坡面徑流量的大小決定其剪切土壤的能力，土壤侵蝕強(qiáng)度的大小取決于徑流剪切能力和土壤團(tuán)聚體的抗侵蝕能力的相互作用，由于侵蝕溝內(nèi)形成股流的水深遠(yuǎn)大于雨滴直徑的3-4倍左右，導(dǎo)致雨滴打擊對(duì)土壤團(tuán)聚體拆分作用大大減弱，而股流作用使溝頭下切和溝壁崩塌增加，從而使土壤團(tuán)聚體整體進(jìn)行運(yùn)移，導(dǎo)致團(tuán)聚體流失以大粒級(jí)團(tuán)聚體為主；溝蝕階段，徑流分散和搬運(yùn)作用，以及大團(tuán)聚體之間摩擦與擾動(dòng)作用成為團(tuán)聚體破碎的主要機(jī)制。

2.凍融侵蝕對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

凍融能夠影響土壤的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，進(jìn)而影響到土壤的生物區(qū)系等特征。有研究結(jié)果表明，反復(fù)的凍融交替作用對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的影響主要取決于土壤的前期含水率、土壤容重、土壤的孔隙度、凍融溫度以及凍融循環(huán)次數(shù)等條件，以及土壤的化學(xué)組成、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、土壤中植物根系等等。凍融循環(huán)作用反復(fù)進(jìn)行的次數(shù)、土壤的初始含水率以及結(jié)凍的溫度都是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素。