蘇芳莉，趙光輝，王鐵良，李海福，李一鳴

(1.沈陽農業(yè)大學水利學院，遼寧 沈陽 110161；2.遼寧雙臺河口濕地生態(tài)國家定位觀測研究站，遼寧 盤錦 124112)

不同土地利用方式下表層土壤大團聚體特征

蘇芳莉1,2，趙光輝1，王鐵良1,2，李海福1,2，李一鳴1

(1.沈陽農業(yè)大學水利學院，遼寧 沈陽 110161；2.遼寧雙臺河口濕地生態(tài)國家定位觀測研究站，遼寧 盤錦 124112)

土壤大團聚體含量能表征土壤結構穩(wěn)定性，反映土壤結構變化趨勢。本研究在遼河干流中下游流域主要沙化區(qū)分析濕地、林地、農田和草地4種土地利用方式對0-20 cm土層土壤大團聚體(>0.25 mm)含量和穩(wěn)定性的影響，及各粒徑大團聚體的空間異質性，并進行空間插值模擬其分布。結果顯示，農田土壤團聚體破壞率最大，達到46.98%，林地最小，為26.36%；依據(jù)土壤水穩(wěn)性大團聚體含量、團聚體顆粒平均重量直徑和幾何平均直徑，評價土壤結構穩(wěn)定性強弱為濕地>林地>農田>草地；4種土地利用導致土壤大團聚體穩(wěn)定性差異顯著(P<0.05)，濕地和草地之間的差異性最顯著；濕地土壤結構相對最好，其次是林地和農田，草地相對最差。本研究結果可為遼河干流流域土地沙化程度評價及分區(qū)治理提供參考依據(jù)。

遼河干流中下游流域；土地利用方式；土壤大團聚體；水穩(wěn)定性；空間分布

土壤團聚體是自然界各類物質經(jīng)團聚和破碎交替作用形成的，是構成土壤結構的基礎物質和土壤肥力的載體，具有機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性[1]，團聚體的穩(wěn)定性是反映土壤抗蝕性的一種重要指標[2]。土壤團聚體分為大團聚體(粒徑≥0.25 mm)和微團聚體(粒徑<0.25 mm)，不同粒級團聚體在養(yǎng)分的轉化和供應過程中作用不同[3]。大團聚體作為土壤團粒結構體，決定土壤結構穩(wěn)定性，其含量越高，土壤結構的穩(wěn)定性越強[4-5]，尤其是水穩(wěn)定性大團聚體數(shù)量越多，土壤質量越好[6]。植被蓋度、土地利用方式及人類生產(chǎn)活動會影響大團聚體與微團聚體之間的轉化和再分布[7-8]。土地利用是人類最直接管理土壤的活動，不同土地利用方式改變土壤物理化學性質，進一步影響土壤團聚體的形成和穩(wěn)定[9]。不同土地利用方式下植被覆蓋與土壤理化特性發(fā)生改變，土壤團聚體結構差異性較大[10]。土壤大團聚體含量能準確表征龐泉溝自然保護區(qū)典型森林土壤結構穩(wěn)定性[11]。但是，土壤大團聚體最易受土地利用和管理方式影響，其數(shù)量及穩(wěn)定性更能準確反映土壤結構特征[12]。

遼河干流中下游流域是遼寧省主要經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域，土地利用以農田、林地、草地和濕地為主，受科爾沁沙地風蝕和河流水蝕影響，泥沙逐漸堆積，干流流域水土流失日益嚴重，沙化問題嚴重影響遼寧省生態(tài)經(jīng)濟環(huán)境發(fā)展。已有的研究多集中于西南低山丘陵、南方紅壤及黃土高原山區(qū)[8-9,11]，關于遼河干流流域土地利用方式對土壤大團聚體特征影響的研究鮮有報道，本研究選取遼河干流中下游流域主要沙化地區(qū)為研究區(qū)，依據(jù)團聚體平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)和水穩(wěn)性團聚體含量等指標，結合地統(tǒng)計方法分析研究區(qū)內土地利用對表層土壤大團聚體分布特征及穩(wěn)定性影響，以期為遼河干流流域土地沙化程度評價和分區(qū)治理提供參考依據(jù)，進而為森林水文和沙化領域交叉研究提供理論支持，為遼河流域生態(tài)文明建設決策提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河流域總面積21.9萬km2，河長1 390 km，多年平均流量約400 m3·s-1，平均徑流量126億m3，輸沙量2 098萬t，干流自然落差1 200 m。遼河干流流域包括沈陽、鐵嶺、撫順、阜新、錦州、鞍山和盤錦的部分區(qū)域。結合遙感影像解譯和實際調查，本研究選取鞍山和盤錦以沙質土壤為主的新臺鄉(xiāng)、西佛鎮(zhèn)、達牛鎮(zhèn)及盤山縣的陳家鎮(zhèn)和吳家鎮(zhèn)等11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究區(qū)(圖1)?？偯娣e約為1 076.92 km2，植被覆蓋面積約為818.76 km2，其中農田面積約為740.56 km2、林地為25.07 km2、草地為38.29 km2、濕地14.84 km2。農田作物以玉米(Zeamays)為主，林地主要為楊樹(Populus)和松樹(Pinus)，草地以黃花蒿(Artemisiaannua)、沙打旺(Astragalusadsurgens)等沙地植物為主，濕地植物主要為蘆葦(Phragmitescommunis)。

圖1 研究區(qū)地理位置及樣點布設圖

1.2 土壤樣品的采集與處理

本研究于2015年9月開始，結合遙感技術與實際調查，在研究區(qū)約2 km間距布置一個樣點，由于農田地貌特征基本一致，樣點布設選取具有代表性的區(qū)域，樣點距離約為5 km。在研究區(qū)共布設72個樣點(圖1)，其中農田37個，林地13個，草地16個，濕地6個，主要布設在沙質土壤地區(qū)，每個樣點選取3個典型樣地，分別取0-20 cm深度原狀土壤，均勻混合，將土樣密封帶回實驗室，待測。原狀土樣達到土壤塑限后沿土壤結構的自然剖面將土塊掰成直徑約1 cm的小團塊，自然風干后剔除枯枝落葉和石塊，分別過孔徑5.0、2.0 mm的篩，將土樣分為>5 mm、2～5 mm和<2 mm共3個級別，然后按照3個土樣粒徑級別在原狀土中所占比例取混合土樣約500 g，用于測定土壤各徑級機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團聚體的質量百分比。

土壤團聚體含量采用干篩法和濕篩法[13]測定。干篩法:取100 g風干土樣通過置于5.0、2.0、1.0、0.5、0.25 mm套篩的最上面篩面，以每分鐘30次頻率手工上下震蕩5 min，篩分后分別收集各粒級土壤、稱質量，計算各徑級機械穩(wěn)定性團聚體的質量百分含量。濕篩法:將干篩后各級土壤團聚體按質量比例分成100 g土壤，在團粒分析儀上分別通過5.0、2.0、1.0、0.5、0.25 mm套篩，加去離子水淹沒最上層篩面3 cm，浸泡5 min，以每分鐘40次頻率上下震蕩30 min，然后將留在每個篩子上面的土壤沖洗到鋁盒中，105 ℃烘干稱質量，計算各徑級水穩(wěn)性團聚體質量百分含量。

1.3 分析方法與數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤大團聚體指標計算方法 利用各粒級團聚體數(shù)據(jù)計算>0.25 mm團聚體R0.25、MWD、GMD和PAD。

(1)

(2)

(3)

式中:R0.25為直徑>0.25mm團聚體的含量，MT為團聚體的總重量，Mr>0.25為粒徑>0.25mm團聚體的重量；MWD為團粒平均重量直徑(mm)；GMD為團粒幾何平均直徑(mm)；Xi為任一級別范圍內團聚體的平均直徑(mm)；Wi為對應于Xi的團聚體百分含量。

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

(4)

式中:PAD為團聚體破壞率(%)，DR0.25為>0.25mm機械穩(wěn)定性團聚體含量(%)，WR0.25為>0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量(%)。

1.3.2 地統(tǒng)計學方法 利用地統(tǒng)計學中的變異函數(shù)理論研究土壤團聚體的空間變異特性，既可以描述土壤組成的結構性變化，也能描述其隨機性變化[14]。變異函數(shù)曲線的結構主要由塊金值(C0)、基臺值(C0+C)和變程(A)組成。研究表明，變程A是表征空間異質性的一種重要參數(shù)，自相關距離減小，表明土壤顆?？臻g分布的均一性減弱；反之增大[15]。空間異質性包括隨機部分和自相關部分，異質性的強弱由塊金系數(shù)(C0/C0+C)的大小進行劃分，若塊金系數(shù)<25%，說明變量有強烈的空間自相關性；介于25%～50%，說明變量有明顯空間自相關性；介于50%～75%，變量有中等自相關；塊金系數(shù)>75%，變量對空間依賴性較弱，變異主要由隨機變異引起。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 空間插值法能實現(xiàn)由點到面的拓展，較好模擬土壤團聚體的空間分布特征。本研究利用Excel2007軟件對干篩和濕篩得到的各級別團聚體含量進行數(shù)據(jù)預處理，使用SPSS17.0進行方差及相關性分析，利用GS+10.0進行統(tǒng)計分析，結合Arcgis10.0進行插值模擬。

2 結果

2.1 不同土地利用方式下土壤大團聚體機械穩(wěn)定性組成

土壤大團聚體機械穩(wěn)定性隨土地利用方式而異，自然狀態(tài)下土壤各粒級團聚體含量也存在差異(表1)。土地利用方式對表層土壤<0.25mm粒徑范圍土壤大團聚體含量分布影響差異顯著(P<0.05)，>2mm大團聚體含量由高到低的順序為濕地>農田>林地>草地，其中濕地顯著大于林地和草地。

在團聚體粒徑>5mm范圍內，濕地顯著高于其它3種土地利用(P<0.05)，其中濕地與草地之間差別最大；相對>5mm，2～5mm內草地團聚體含量出現(xiàn)較小程度增加，其它土地利用團聚體含量均有所減少，其中濕地和草地土壤團聚體含量分布差別最大；1～2 mm團聚體含量相對于2～5 mm粒徑含量持續(xù)減少；0.5～1 mm團聚體含量相對于1～2 mm有所增加；0.25～0.5 mm團聚體含量相對于0.5～1 mm粒徑含量總體呈現(xiàn)減小趨勢，3個粒徑范圍內團聚體含量在各土地利用方式下分布差異不顯著(P>0.05)。綜合分析，4種土地利用方式表層土壤>5 mm粒級土壤大團聚體含量相對最多，其次是2～5 mm，1～2 mm粒級團聚體含量相對最少。

表1 土地利用方式對土壤不同粒徑大團聚體含量(%)的影響(干篩)

注：同列不同小寫字母表示不同土地利用方式間差異顯著(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.

2.2 不同土地利用方式下土壤水穩(wěn)性大團聚體組成

水穩(wěn)性大團聚體含量表征土壤抗蝕能力，對反映土壤土壤團聚體結構穩(wěn)定性具有重要作用，本研究區(qū)不同土地利用方式土壤水穩(wěn)定性大團聚體各級別含量分布差異明顯(表2)。

>0.25mm粒徑范圍內4種土地利用方式間土壤水穩(wěn)性大團聚體含量分布差異顯著(P<0.05)。林地、草地、農田和濕地土壤水穩(wěn)性大團聚體質量百分比分別為44.75%、29.12%、36.80%和57.39%，濕地土壤水穩(wěn)性大團聚體含量最高，草地相對最少。說明濕地土壤結構相對最穩(wěn)定，草地土壤結構相對最差。

表2 不同土地利用方式土壤水穩(wěn)定性大團聚體含量(%)(濕篩)

4種土地利用方式下，表層土壤>5 mm水穩(wěn)性團聚體含量分布差異顯著(P<0.05)，其中濕地和農田之間差異最大，濕地團聚體含量所占比例最高，達20.15%，農田最小，為6.42%；其它4個級別范圍內各圖利用類型的土壤大團聚體含量分布差異均不顯著(P>0.05)。相對干篩，>2 mm團聚體含量有所減少，1～2 mm級別團聚體含量變化不明顯，0.5～1和0.25～0.5 mm土壤團聚體含量呈現(xiàn)增加趨勢。綜合分析，濕篩條件會造成>2 mm團聚體含量減少，利于0.25～1 mm級別團聚體積累。

2.3 不同土地利用方式土壤大團聚體穩(wěn)定性比較

土壤團聚體平均幾何直徑(GMD)和平均重量直徑(MWD)值越大，說明團聚體的平均粒徑團聚程度越高，穩(wěn)定性就越強，反之越差。

根據(jù)土壤團聚體穩(wěn)定性指標，4種土地利用方式下表層土壤團聚體破壞率介于26.36%～46.98%(表3)。其中農田土壤團聚體破壞率最大(46.98%)，林地最小(26.36%)。草地、林地和濕地均顯著低于農田(P<0.05)，其中農田和林地之間的差異最大。依據(jù)PAD評價說明，農田耕作對土壤結構造成的破壞程度相對最大，林地造成的破壞最小。

GMD和MWD值在不同土地利用方式下的變化均呈相似的規(guī)律，草地、林地和農田土壤團聚體GMD和MWD值均顯著低于濕地(P<0.05)。GMD干篩、濕篩、MWD干篩和濕篩變化規(guī)律均為濕地>林地>農田>草地，但干篩GMD濕地顯著高于其它土地利用方式(P<0.05)，濕篩濕地顯著高于草地(P<0.05)。綜合分析說明，濕地土壤團聚體穩(wěn)定性相對最強，其次分別為林地和農田，草地相對最差。

表3 土壤大團聚體穩(wěn)定性指標

2.4 土壤水穩(wěn)性大團聚體組成的變異函數(shù)特征分析

利用變異函數(shù)理論評價不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性大團聚體的空間異質性，在函數(shù)中根據(jù)決定系數(shù)越大越好的原則，再綜合考慮塊金值、基臺值和變程大小，得出研究區(qū)不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性大團聚體含量統(tǒng)計特征(表4)。

研究區(qū)不同土地利用方式下表層土壤的水穩(wěn)性大團聚體含量K-S檢驗值介于0.54～0.82，說明水穩(wěn)性大團聚體含量符合正態(tài)分布(表4)。不同土地利用方式間土壤水穩(wěn)性大團聚體含量分布存在一定的空間異質性，農田土壤水穩(wěn)性大團聚體含量空間變異的最佳模型為高斯模型，塊金系數(shù)為0.10；林地最佳模型為指數(shù)模型，塊金系數(shù)為0.16；草地和濕地水穩(wěn)性大團聚體含量變異函數(shù)的最佳模型均為球形，塊金系數(shù)分別為0.19和0.28。說明農田土壤水穩(wěn)性大團聚體含量的空間自相關性相對其它土地利用方式最強，可能是表層土壤受人為干擾程度較大，團聚體結構破壞程度較大，受隨機因素影響相對最小，其次是林地和草地，濕地受隨機因素影響，可能是樣點布設和人為誤差導致。濕地土壤水穩(wěn)性大團聚體最佳變異函數(shù)的變程A相對其它土地利用方式較大，說明濕地土壤水穩(wěn)性大團聚體的空間均一性相對較好，其它土地利用方式下土壤水穩(wěn)性大團聚體的空間均一性差異不明顯。分析說明研究區(qū)不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性大團聚體含量空間異質性存在一定差異。

表4 土壤水穩(wěn)性大團聚體粒徑組成質量百分比統(tǒng)計特征

2.5 表層土壤水穩(wěn)性大團聚體分布特征

利用克里金空間插值法對研究區(qū)不同土地利用方式0-20 cm土層水穩(wěn)性大團聚體分布特征進行插值模擬。研究區(qū)不同區(qū)域土壤水穩(wěn)性大團聚體含量分布存在差異(圖2)，說明土地利用對土壤結構造成的影響不同。圖中顏色越深的區(qū)域，表示土壤水穩(wěn)性大團聚體含量越多，土壤結構越好。土壤水穩(wěn)性大團聚體含量分布特征為，草地介于18.89%～32.59%，主要分布在遼河沿線的達牛鎮(zhèn)、富家鎮(zhèn)和新華鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；農田集中于32.59%～39.33%，主要分布在城郊鄉(xiāng)、西佛鎮(zhèn)、新開鎮(zhèn)、陳家鄉(xiāng)、吳家鄉(xiāng)和高升鎮(zhèn)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；林地介于39.33%～48.87%，主要集中分布在新臺鄉(xiāng)、高升鎮(zhèn)和西佛鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；濕地集中在53.51%～65.81%，主要分布在新臺鄉(xiāng)。分析表明，達牛鎮(zhèn)、富家鎮(zhèn)及新華鎮(zhèn)的土壤結構相對較差，高升鎮(zhèn)、陳家鄉(xiāng)、新臺鄉(xiāng)的土壤結構相對較好。

圖2 研究區(qū)表層土壤水穩(wěn)性大團聚體含量分布圖

3 討論與結論

3.1 討論

研究表明，耕作管理、土地利用方式等均能影響土壤大團聚體的含量、組成及穩(wěn)定性[15]。南方喀斯特[16]和豫西黃土丘陵[17]地區(qū)，農田PAD大于林地和草地；研究表明，農田耕作更容易造成印度西北部農場的土壤大團聚體結構破壞[18]；本研究區(qū)，不同土地利用方式下土壤PAD大小順序為農田>草地>濕地>林地，說明，耕作措施對土壤團聚體結構造成的破壞率相對其它措施較大[19]?？赡苁寝r田頻繁的耕作破壞了土壤顆粒結構，增加了土壤的通氣性，使土壤顆粒的保護作用變差，導致土壤結構疏松，增加了土壤結構的破壞程度，而林地土壤表層形成了枯枝落葉層和植物根系積累，使土壤中微生物生命活動所需能量增加，產(chǎn)生了形成土壤團聚體的膠結物質，減弱了土壤團聚體的破壞，降低了對土壤結構的破壞程度。

水穩(wěn)性大團聚體含量能準確反映土壤結構穩(wěn)定性，其含量越多說明土壤抗蝕性越好，土壤結構越穩(wěn)定[20]。研究區(qū)濕地水穩(wěn)性大團聚體含量為57.39%，林地、農田和草地分別為44.75%、36.80%和29.12%，在石漠化地區(qū)也得到類似研究結果[21]，但黃土高原羊圈溝壩庫的土壤水穩(wěn)定團聚體含量大小順序為天然草地>林地>農田[22]，福建紫色土壤水穩(wěn)定團聚體含量為灌草植被>耕地[23]。出現(xiàn)上述區(qū)別的原因可能是本研究區(qū)草地均為退耕還草，土壤質地相對較粗，土壤結構較差，加上放牧與風力侵蝕影響，土壤大團聚體含量相對較少；天然草地擾動程度較小，地表形成相對穩(wěn)定的植被覆蓋層，土壤結構相對較好；而濕地蘆葦長期被水淹沒，擾動程度更小，土壤結構相對最穩(wěn)定。

GMD和MWD能準確反映土壤團聚體結構穩(wěn)定性，數(shù)值越大說明土壤結構越穩(wěn)定[24]。本研究得出不同土地利用方式間土壤結構穩(wěn)定性差異顯著，干篩和濕篩的GMD和MWD均表現(xiàn)為濕地>林地>農田>草地，且干篩GMV濕地、農田和林地土壤水穩(wěn)性大團聚體含量顯著高于草地，對福建省建甌市山地紅壤的研究也得到類似結果[25]，而黃河三角洲地區(qū)土壤水穩(wěn)性大團聚體含量表現(xiàn)為麥田>蘆葦濕地[26]，上述差別可能與氣溫和降水等氣候因素，及土壤成土過程有關，但有研究表明，大團聚體是由微團聚體在根系和菌絲的纏繞作用下形成，類似灌草的植被更利于大團聚體的形成[27]。本研究區(qū)蘆葦及林草植被植物根系相對發(fā)達，微團聚體膠結成大團聚體的能力較強，土壤大團聚體數(shù)量較多，土壤結構相對最穩(wěn)定，說明濕地、林地和農田相對草地，具有更強的土壤團聚體穩(wěn)定性。

3.2 結論

1)干篩法所得表層土壤大團聚體含量在不同土地利用方式間的分布規(guī)律為濕地>農田>林地>草地，分別為88.95%、69.41%、60.77%和47.16%；而農田土壤PAD和林地PAD的差別最大，分別為46.98%和26.36%，可能是人為耕作導致土層相對較松散，地表枯枝落葉增加了林地土壤的結構穩(wěn)定性。

2)依據(jù)4種土地利用方式表層土壤水穩(wěn)性大團聚體含量分布，并結合GMD和MWD評價，表明土壤結構穩(wěn)定性強弱為濕地>林地>農田>草地。

3)空間插值預測表明，表層土壤水穩(wěn)性大團聚體含量分布規(guī)律為濕地>林地>農田>草地。本研究得出土壤水穩(wěn)性大團聚體可作為一種評價遼河干流流域土地沙化的評價指標，也可為后期沙化地區(qū)植被修復提供參考。

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(責任編輯 武艷培)

Characteristics of surface soil macro aggregates under different land use patterns

Su Fang-li1,2, Zhao Guang-hui1, Wang Tie-liang1,2, Li Hai-fu1,2, Li Yi-ming1

(1.Shenyang Agricultural University Institute of Water Conservancy, Shenyang 110161, China;2.Liaoning Shuangtai Estuary Wetland Ecosystem Research Station, Panjin 124112, China)

The content of soil aggregates can be used to characterize the stability of soil structure and reflect the change trend of soil quality. In this study, the effects of 4 kinds of land use, namely, wetland, woodland, farmland, and grassland, on soil aggregate content and stability were analysed in the 0-20 cm soil layer, and the spatial heterogeneity of large particle size aggregates was analysed to simulate the distribution by spatial interpolation. The results showed that the destruction rate of farmland soil aggregates was the maximum at 46.98%, but that of woodland was the minimum at 26.36%. On the basis of the content of soil water stable aggregate, and mean weight diameter and geometric mean diameter of aggregate particles, the strength of soil structure stability was found to be wetland > woodland > farmland > grassland; all 4 kinds of land use resulted in significant differences in soil aggregate stability (P<0.05), and the difference between the wetland and grassland was the most significant. Wetland soil structure was the best, followed by woodland and farmland; grassland showed the least stable soil structure. The results of this study can provide a reference basis for the evaluation of desertification degree and zoning management in the Liaohe River basin.

middle and lower reaches of Liaohe River; land use; soil large aggregate; water stability; space distribution

Su Fang-li E-mail:sufangli8@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0446

蘇芳莉，趙光輝，王鐵良，李海福，李一鳴.不同土地利用方式下表層土壤大團聚體特征.草業(yè)科學,2017,34(5)：924-931.

Su F L,Zhao G H,Wang T L,Li H F,Li Y M.Characteristics of surface soil macro aggregates under different land use patterns.Pratacultural Science，2017,34(5)：924-931.

2016-08-25 接受日期：2016-11-03

國家自然基金面上項目(31470710)；國家自然基金面上項目(31570706)

蘇芳莉(1977-)，女，遼寧營口人，教授，博士，研究方向為水生態(tài)。E-mail：sufangli8@163.com

S152.4

A

1001-0629(2017)05-0924-08