安 娟,王 富,吳元芝,吳希媛

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山東 臨沂 276005;2.河北環(huán)京工程咨詢有限公司,石家莊 050011)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和健康的重要指標(biāo)[1]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性決定了土壤分離和徑流搬運(yùn)能力[2]，而其穩(wěn)定性的大小與土地利用方式密切相關(guān)。陳山等[3]在紅壤區(qū)的研究表明，水田和林地利用方式可顯著提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，而果園利用方式則大幅削弱了團(tuán)聚體穩(wěn)定性。羅曉虹等[4]認(rèn)為在紫色土區(qū)，林地、荒草地和果園利用方式對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響無(wú)明顯差異。豫西黃土丘陵和遼河干流中下游流域沙化地區(qū)的研究表明，耕地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性高于林地和草地[5-6]。同一土地利用方式下，團(tuán)聚體穩(wěn)定性還取決于外界破碎機(jī)制[7]。Le Bissonnais[8]認(rèn)為侵蝕過(guò)程中團(tuán)聚體的破碎機(jī)制主要包括：消散作用，即土壤快速潤(rùn)濕時(shí)，團(tuán)聚體內(nèi)的閉蓄空氣壓縮爆破所引起的團(tuán)聚體崩解；團(tuán)聚體內(nèi)膨脹黏土不均勻膨脹收縮導(dǎo)致的微小裂隙作用；機(jī)械振蕩引起的團(tuán)聚體破碎(雨滴打擊和徑流)。一般認(rèn)為消散作用是引起土壤團(tuán)聚體破碎的主要機(jī)制[9-10]。雖然關(guān)于不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究已開(kāi)展了多年，但主要集中于南方紅壤區(qū)和紫色土區(qū)。

北方土石山區(qū)是我國(guó)主要水土流失類型區(qū)之一，該區(qū)地表土石混雜、石多土少、地面極易砂礫化或石化[11]。褐土是該區(qū)的代表性土壤，土層淺薄，土壤涵蓄水源能力低。水土流失成為制約作為該區(qū)可持續(xù)發(fā)展最主要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)此問(wèn)題，該區(qū)大力實(shí)施水土保持措施，改變土地利用方式，如：種植金銀花，撂荒等。然而，關(guān)于北方土石山區(qū)土地利用方式對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響的研究明顯不足。因此，本文選取了北方土石山區(qū)耕地、荒地、休閑地和金銀花地這4種典型土地利用方式為研究對(duì)象，基于Le Bissonnais法，分析不同破碎機(jī)制下團(tuán)聚體的粒徑分布，并基于團(tuán)聚體平均重量直徑、相對(duì)消散指數(shù)、相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)和土壤可蝕性K值等指標(biāo)，探討土地利用方式對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，以期為北方土石山區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的改良及土地的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東南部的費(fèi)縣(117°36′—118°18′E,35°01′—35°33′N)。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫13.6℃，年均降水量860 mm，其中6—9月汛期降雨量占全年降雨量的75%。成土母巖主要包括花崗巖、片麻巖等酸性巖石和石灰?guī)r等碳酸類巖石，其中在石灰?guī)r基礎(chǔ)上發(fā)育的土壤為褐土。土地利用方式主要包括耕地、林地、荒地、休閑地等。

1.2 樣品采集與分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域巖石、土壤和土地利用方式的調(diào)查，選取褐土土壤類型下的耕地、荒地、休閑地和金銀花地(LonicerajaponicaThunb)為采樣地，樣地基本情況見(jiàn)表1。在保持坡向和坡度一致的情形下，各樣地內(nèi)選取3個(gè)1 m×1 m的采樣單元，用鋁飯盒分別采集0—5，5—10，10—15，15—20 cm原狀土樣。土樣自然風(fēng)干后，沿紋理輕輕地掰成小塊，并去除植物根系和石塊等雜物。干篩法獲得3～5 mm團(tuán)聚體，放于鋪有棉花的塑料盒中保存。測(cè)定前，為保持土壤含水量一致，將團(tuán)聚體放置于40℃烘箱中烘24 h。根據(jù)Le Bissonnais法的3種處理，即快速濕潤(rùn)(FW)、機(jī)械振蕩(WS和慢速濕潤(rùn)(SW)，對(duì)粒徑3～5 mm團(tuán)聚體進(jìn)行分析[8]。其中，快速濕潤(rùn)處理主要模擬消散作用對(duì)團(tuán)聚體的破碎及干燥土壤在快速濕潤(rùn)條件下由于“氣爆”而產(chǎn)生的破碎；機(jī)械振蕩處理主要模擬雨滴打擊對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞作用；慢速濕潤(rùn)處理模擬連陰雨情況下黏粒膨脹引起的團(tuán)聚體崩解。Le Bissonnais法試驗(yàn)中對(duì)每個(gè)樣品每種處理均重復(fù)3次。

表1 樣地基本情況

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD，mm)是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其值越低表示團(tuán)聚體穩(wěn)定性越差[12]。具體計(jì)算公式如下：

(1)

相對(duì)消散指數(shù)(RSI)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)(RMI)分別表征消散作用和機(jī)械破壞作用對(duì)團(tuán)聚體的破壞程度，二者的值越大表明土壤團(tuán)聚體對(duì)消散作用和機(jī)械振蕩作用的敏感程度越高[13]。計(jì)算如下：

(2)

(3)

式中：MWDSW，MWDFW和MWDWS分別表示慢速濕潤(rùn)，快速濕潤(rùn)和機(jī)械振蕩處理下團(tuán)聚體平均重量直徑。

土壤可蝕性因子K值是土壤抗蝕能力一個(gè)相對(duì)綜合指標(biāo)，是綜合表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征的重要參數(shù)?；趲缀瘟侥Ｐ凸浪鉑值[14]，計(jì)算方法如下：

(4)

利用SPSS 18.0軟件下的方差分析(ANOVA)對(duì)4種土地利用方式下的MWD，RSI，RMI和K值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)?；谧钚★@著性差異法(LSD)開(kāi)展多重比較，并在0.05水平上達(dá)到顯著。采用Origin 9.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體粒徑分布特征

2.1.1 快速濕潤(rùn)處理下土壤團(tuán)聚體的粒徑分布 快速濕潤(rùn)處理下，4種土地利用方式各土層深度的土壤團(tuán)聚體均受到較強(qiáng)的破壞作用。耕地、荒地和休閑地利用方式下破碎團(tuán)聚體集中分布于<0.5 mm，其累計(jì)百分比分別為88.56%～92.19%，80.41%～86.05%和74.02%～76.97%(圖1)。這與汪三樹(shù)等[15]在石漠化區(qū)桑樹(shù)地埂開(kāi)展的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究結(jié)果一致。然而，金銀花地方式下破碎后團(tuán)聚體主要集中于>0.2 mm，所占比例達(dá)69.56%～78.67%。其中，0.2～0.5 mm團(tuán)聚體分布最多，耕地、荒地、休閑地和金銀花地中其比例均大于23%。但是，所占比例最小的團(tuán)聚體，耕地和荒地為2～5 mm (2.98%和4.65%)，休閑地為0.5～1 mm (6.75%)，而金銀花地則為<0.05 mm (6.46%)。此外，2～5，1～2，0.5～1 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為金銀花地>休閑地>荒地>耕地，且土地利用方式間2～5 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異最明顯。與耕地相比，荒地、休閑地和金銀花地2～5 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加-13.72%～122.63%，132.03%～218.18%和293.99%～543.88%。表明，快速濕潤(rùn)處理對(duì)土壤團(tuán)聚體破碎的影響表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。說(shuō)明，消散作用下，耕地土壤團(tuán)聚體的破碎程度最大，荒地次之，而金銀花地團(tuán)聚體的破碎程度最弱。

圖1 快速濕潤(rùn)處理下土壤團(tuán)聚體粒徑分布

2.1.2 機(jī)械振蕩處理下土壤團(tuán)聚體的粒徑分布 機(jī)械振蕩處理下，耕地、荒地、休閑地和金銀花地利用方式下土壤團(tuán)聚體破碎后的粒徑主要集中于>0.2 mm，其累計(jì)比例分別為63.35%～70.44%，70.68%～75.02%，72.80%～81.04%和74.14%～79.89%(圖2)。其中，1～2 mm團(tuán)聚體所占比例最高，4種土地利用方式下均超過(guò)21%。但是，曾全超等[16]對(duì)黃土高原森林植被帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)WS處理后土壤團(tuán)聚體分布較為分散，以0.2～0.1，0.1～0.05和<0.05 mm為主。團(tuán)聚體中分布最少的粒級(jí)，耕地、荒地、休閑地和金銀花地分別是2～5，0.1～0.2，0.1～0.2，0.05～0.1 mm，其比例均小于8.5%。此外，2～5，1～2 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為金銀花地>休閑地>荒地>耕地，而0.05～1和<0.05 mm團(tuán)聚體的比例均表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。其中，不同土地利用方式下2～5 mm團(tuán)聚體比例差異最明顯。金銀花地、休閑地和荒地2～5 mm團(tuán)聚體比例較耕地分別增加1.26～5.07，1.69～4.89，1.22～1.85倍。表明機(jī)械振蕩處理對(duì)耕地土壤團(tuán)聚體的影響最大，荒地次之。即，機(jī)械破壞作用下，耕地土壤團(tuán)聚體的破碎程度最強(qiáng)，其次為荒地。

圖2 機(jī)械振蕩處理下土壤團(tuán)聚體粒徑分布

2.1.3 慢速濕潤(rùn)處理下土壤團(tuán)聚體的粒徑分布 由圖3看出，慢速濕潤(rùn)處理下，耕地、荒地、休閑地和金銀花地利用方式下土壤團(tuán)聚體破碎后主要集中于粒徑>0.2 mm，累計(jì)比例分別為79.00%～86.53%，84.36%～88.00%，84.92%～92.92%和86.43%～93.86%。以往研究，將>0.2 mm團(tuán)聚體含量作為土壤可蝕性指標(biāo)之一，其值越大表明土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[17]。說(shuō)明，金銀花地土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。同時(shí)，3種破碎機(jī)制下，SW處理>0.2 mm團(tuán)聚體含量均高于FW和WS處理，說(shuō)明慢速濕潤(rùn)處理對(duì)土壤的團(tuán)聚體的破壞最弱。

圖3 慢速濕潤(rùn)處理下土壤團(tuán)聚體粒徑分布

4種土地利用方式下0.1～0.2，0.05～0.1和<0.05 mm團(tuán)聚體的比例均不小于8%。所占比例最高的團(tuán)聚體，耕地為0.2～0.5 mm (29.08%～40.14%)，荒地為1～2 mm (25.11%～27.50%)，而休閑地和金銀花地則為2～5 mm(30.85%～42.94%和29.58%～43.11%)。2～5，1～2 mm團(tuán)聚體的比例均表現(xiàn)為金銀花地>休閑地>荒地>耕地。另外，土地利用方式間破碎團(tuán)聚體分布差異最明顯的是2～5 mm團(tuán)聚體。金銀花地、休閑地和荒地2～5 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量含量較耕地分別增加58.58%～269.37%，87.82%～188.89%和4.65%～63.19%。表明慢速濕潤(rùn)處理對(duì)耕地團(tuán)聚體的影響最大，荒地次之。即黏粒膨脹作用下，耕地團(tuán)聚體的破碎程度最嚴(yán)重，荒地次之。

2.2 土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性

2.2.1 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑值越大，表明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)。FW處理下，各土層深度的MWD均表現(xiàn)為：金銀花地>休閑地>荒地>耕地(圖4)。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地土壤團(tuán)聚體的MWDFW分別顯著增加134.41%～182.11%，62.34%～85.85%和16.08%～51.09%。WS處理下，土壤團(tuán)聚體的MWD大小順序?yàn)樾蓍e地>金銀花地>荒地>耕地。休閑地、金銀花地和荒地土壤團(tuán)聚體MWDWS較耕地分別顯著增加54.72%～105.18%，40.00%～104.65%和31.30%～47.16%。SW處理下，土層深度0—10 cm內(nèi)，土壤團(tuán)聚體MWD表現(xiàn)為休閑地>金銀花地>荒地>耕地，而10—20 cm內(nèi)則為金銀花地>休閑地>荒地>耕地。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地土壤團(tuán)聚體的MWDSW分別顯著增加43.39%～122.56%，47.44%～89.46%和5.18%～39.32%。表明，3種破碎機(jī)制下金銀花地土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，而耕地團(tuán)聚體穩(wěn)定性最差。

注：圖中不同字母表示在p<0.05水平差異顯著，下同。

通過(guò)3種破碎機(jī)制下團(tuán)聚體的MWD對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4種土地利用方式下各土壤層次土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性均呈現(xiàn)出MWDSW>MWDWS>MWDFW的趨勢(shì)(圖4)。即團(tuán)聚體破壞作用按照作用程度表現(xiàn)為：消散作用>機(jī)械破壞作用>黏粒膨脹作用。根據(jù)Le Bissonnais[8]的團(tuán)聚體穩(wěn)定性分級(jí)水平，不同處理導(dǎo)致破碎團(tuán)聚體處于不同的穩(wěn)定狀態(tài)。FW處理下，除金銀花地外，耕地、荒地和休閑地各土層深度團(tuán)聚體穩(wěn)定性大多處于不穩(wěn)定性級(jí)別(0.40.8)。表明，引起褐土土壤團(tuán)聚體破碎的主要機(jī)制為消散作用，其次為機(jī)械破壞作用，這與郭偉等[18]在紅壤區(qū)的研究結(jié)果一致。

2.2.2 相對(duì)消散指數(shù)(RSI)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)(RMI) RSI表征快速濕潤(rùn)情況下土壤孔隙中空氣受壓而造成團(tuán)聚體的分散程度，而RMI 則體現(xiàn)了雨滴打擊、徑流剪切等外應(yīng)力作用下土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[19]。耕地、荒地、休閑地和金銀花地利用方式下的RSI 顯著大于RMI，RSI較RMI分別增加1.24～2.33，1.93～3.81，1.19～4.12，0.49～1.10倍(圖5)。表明，4種土地利用方式各土層深度下的土壤團(tuán)聚體對(duì)消散作用的敏感程度高于機(jī)械破壞作用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下的RSI表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地的RSI分別減少15.50%～36.74%，-6.36%～7.01%和-9.67%～14.03%。說(shuō)明，耕地土壤團(tuán)聚體對(duì)消散作用最為敏感，荒地次之。

圖5 不同土地利用方式下的相對(duì)消散指數(shù)(RSI)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)(RMI)

2.2.3 土壤可蝕性因子K值 為進(jìn)一步表征不同破碎機(jī)制下土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，采用土壤可蝕性因子K值進(jìn)行量化。FW，WS和SW處理下，K值均表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地(圖6)。FW處理下，與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地的K值分別減少49.00%～59.21%，4.93%～22.63%和6.86%～13.45%；WS處理下相應(yīng)的減少率分別為69.43%～85.89%，65.04%～82.15%和19.92%～55.35%，而SW處理下相應(yīng)的減少率分別為45.18%～80.40%，54.24%～79.24%和35.01%～53.71%。另外，4種土地利用方式下各土壤層次土壤可蝕性K值均呈現(xiàn)FW>WS>SW。說(shuō)明，3種破壞機(jī)制下，金銀花地的抗侵蝕能力最強(qiáng)，而耕地最差；FW處理下土壤的抗侵蝕能力最弱。

圖6 不同處理下土壤可蝕性因子K值

3 討 論

土地利用是人類最直接管理土壤的活動(dòng)，土地利用方式的變化將改變土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[20]。北方土石山區(qū)作為我國(guó)的四大水土流失區(qū)之一，豐水年月降雨量達(dá)800～1 000 mm，日降雨量高達(dá)300～500 mm，經(jīng)常發(fā)生大雨或暴雨，易導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞。擇選合理的土地利用方式，改良土壤結(jié)構(gòu)，成為北方土石山區(qū)土壤侵蝕防治需解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

本文研究結(jié)果表明對(duì)于不同土地利用方式，LB法3種處理下MWD均表現(xiàn)為：金銀花地>休閑地>荒地>耕地，而K值則表現(xiàn)為耕地>荒地>休閑地>金銀花地。

說(shuō)明，金銀花地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力在4種土地利用方式下最高，休閑地次之，耕地最低。這是因?yàn)榻疸y花的死根和落葉在分解過(guò)程中促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的累積，增加了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體形成所需的膠結(jié)物質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)團(tuán)聚體數(shù)量和穩(wěn)定性的增加。其次，金銀花地表覆蓋物的增加，可增強(qiáng)土壤入滲能力，并能有效防止雨滴打擊對(duì)土壤團(tuán)聚體的破碎作用，進(jìn)而有利于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的保持,使得土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性得以提高，土壤抗侵蝕能力有所增強(qiáng)?；牡睾托蓍e地因枯枝落葉物較少，有機(jī)質(zhì)積累程度較低，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性略低。然而，耕地利用方式下主要是通過(guò)種植作物玉米或者小麥根部的生長(zhǎng)與土壤微生物作用而形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[1]，且頻繁的翻耕破壞了土壤結(jié)構(gòu)，加之有機(jī)質(zhì)暴露于空氣中，加劇了其礦化速率。因此，對(duì)于土層淺薄的北方土石山區(qū)，提高金銀花的種植面積可增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高抗侵蝕能力。耕地可通過(guò)秸稈還田、添加生物炭等措施進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)的改良。

4 結(jié) 論

(1) FW處理下，耕地、荒地和休閑地利用方式下破碎團(tuán)聚體集中分布于<0.5 mm，金銀花地則為>0.2 mm；WS和SW處理下，4種土地利用方式均以>0.2 mm 團(tuán)聚體為主。3種處理下，土地利用方式間粒徑分布差異最明顯的是2～5 mm團(tuán)聚體。

(2) 4種土地利用方式下土壤團(tuán)聚體的MWD均表現(xiàn)為：MWDSW>MWDWS>MWDFW，而土壤可蝕性K值則為FW>WS>SW，且RSI 較RMI顯著增加0.49～4.12倍。

(3) 3種處理下，土壤團(tuán)聚體MWD均表現(xiàn)為：金銀花地>休閑地>荒地>耕地，且FW處理下差異尤為明顯。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地土壤團(tuán)聚體MWDFW分別顯著增加134.41%～182.11%，62.34%～85.85%和16.08%～51.09%。

(4) RSI和K值的大小順序?yàn)椋焊?荒地>休閑地>金銀花地。與耕地相比，金銀花地、休閑地和荒地的RSI分別減少15.50%～36.74%，-6.36%～7.01%和-9.67%～14.03%，而相應(yīng)的K值減少率分別為45.18%～85.89%，4.93%～82.15%和6.86%～55.35%。