熊佰煉，高 揚(yáng)，彭 韜，顏 雄

喀斯特坡地淺層巖溶裂隙土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與養(yǎng)分垂向變化特征*

熊佰煉1，高 揚(yáng)2，彭 韜3，顏 雄1

（1. 遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，貴州遵義 563006；2. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 中國(guó)科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)，貴州普定 562100）

淺層巖溶裂隙（SKF）為植物提供生長(zhǎng)空間、水分和養(yǎng)分，是石漠化地區(qū)的重要生境類型。以矩形和漏斗形SKF剖面為研究對(duì)象，采用干、濕篩分法和Le Bissonnais法，分析了不同土層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征和破壞機(jī)理，測(cè)定了團(tuán)聚體中土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、堿解氮（AHN）和有效磷（AP）的含量。結(jié)果表明：SKF剖面粒徑>0.25 mm的團(tuán)聚體均超過(guò)90%，PAD值范圍為0.01%～4.75%。干、濕篩作用下，MWD值變化范圍分別為4.63～7.69 mm和1.33～4.24 mm，團(tuán)聚體分形維數(shù)D范圍分別為1.57～2.18和1.55～2.15。SKF土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性隨剖面深度加深而降低，矩形SKF土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性要強(qiáng)于漏斗形SKF，快速濕潤(rùn)產(chǎn)生的消散作用是造成團(tuán)聚體破碎的主要機(jī)制。團(tuán)聚體破壞率（PAD）、團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）和平均重量直徑（MWD）這三類指標(biāo)均表明，SKF土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性、通透性均較好。SKF剖面30 cm以下土層，團(tuán)聚體SOM、AHN和AP含量相較0～20 cm土層大幅下降，含量范圍分別為（13.27±0.94）～（37.53±3.47）g·kg–1、（71.58±3.27）～（198.54±22.63）mg·kg–1和（0.15±0.03）～（0.38±0.10）mg·kg–1，土壤AP十分貧乏。SKF形態(tài)會(huì)影響SOM含量隨土層深度的變化，矩形SKF 30 cm以下土層含量隨深度加深而降低，而漏斗形SKF則沒(méi)有顯著性差異。隨土層深度加深，矩形和漏斗形SKF剖面AP含量的變化趨勢(shì)一致，AHN含量的變化趨勢(shì)則與SKF形態(tài)之間沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)。SOM、AHN和AP含量越高，SKF剖面團(tuán)聚體水穩(wěn)定性越強(qiáng)。

喀斯特坡地；淺層巖溶裂隙；剖面；團(tuán)聚體；土壤養(yǎng)分

我國(guó)西南喀斯特地區(qū)溫?zé)岫嘤?，坡地水土?jīng)巖溶裂隙與地下管道大量漏失，石漠化問(wèn)題嚴(yán)重。植被恢復(fù)是有效抑制石漠化發(fā)展的重要措施。然而，喀斯特地區(qū)土壤普遍淺薄，石漠化坡地地表土壤更是稀缺，植物難以從中獲得充足的水分、養(yǎng)分和根系生長(zhǎng)需要的空間。這導(dǎo)致移植植物成活率低、生長(zhǎng)緩慢、生物量小，難以起到有效控制石漠化發(fā)展的作用[1-2]。土壤養(yǎng)分儲(chǔ)存與供給能力不足已成為石漠化坡地植被與生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵限制因子之一[3]。

西南喀斯特地區(qū)表層巖溶帶平均裂隙率可達(dá)5.3%左右[4-5]，淺層巖溶裂隙（SKF，shallow karst fissure）聚集由地表徑流沖蝕帶入的土壤，其面積可占到典型巖溶山地剖面的5.3%～8.9%[6-7]。SKF及填充于其中的土壤能為植物生長(zhǎng)提供生長(zhǎng)空間、水分和養(yǎng)分，是石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)必須依賴的寶貴自然資源和重要生境類型[8-9]。SKF是喀斯特地區(qū)特殊地表-地下“二元三維”系統(tǒng)的重要組成部分和坡地水土流失的重要通道。填充于其中的土壤在存留環(huán)境、養(yǎng)分侵蝕淋溶過(guò)程和理化性質(zhì)方面相較于非SKF土壤已發(fā)生較大變化[4，6-7]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和養(yǎng)分貯存庫(kù)，其穩(wěn)定性大小是評(píng)價(jià)土壤抗蝕性和土壤肥力的主要指標(biāo)之一[10-11]。表征團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和其養(yǎng)分狀況是研究喀斯特地區(qū)地球化學(xué)過(guò)程以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基礎(chǔ)任務(wù)之一。隨著對(duì)巖溶裂隙小生境土壤生態(tài)服務(wù)功能認(rèn)識(shí)的加深，學(xué)者開(kāi)展了對(duì)其性質(zhì)和肥力的初步探索。研究發(fā)現(xiàn)，隨土層深度增加，SKF土壤砂粒減少，粗粉粒、黏粒含量增加[6-7]，有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷隨著土層深度增加而降低[7，12-13]。但是，有關(guān)SKF剖面土壤團(tuán)聚體的組成、穩(wěn)定性以及團(tuán)聚體養(yǎng)分含量的垂向變化規(guī)律尚不清楚，SKF形態(tài)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性及養(yǎng)分含量影響的相關(guān)研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究在喀斯特石漠化坡地采集兩種典型形態(tài)的SKF，分析其剖面土壤團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性、破壞機(jī)制，以及團(tuán)聚體中土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、堿解氮（AHN）和有效磷（AP）含量的垂向變化特征，分析團(tuán)聚體穩(wěn)定性與養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果將加深對(duì)SFK剖面土壤團(tuán)聚體性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，為石漠化治理過(guò)程中采取合理的耕作方法和土壤改良措施提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

采樣點(diǎn)位于貴州省普定縣后寨河流域（26°1705.30″N，105°3921.44″E），海拔1 100～1 400 m，亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫15.1 ℃，多年平均降雨量為1 314.6 mm。研究區(qū)域碳酸鹽巖廣為分布，表層巖溶帶發(fā)育強(qiáng)烈，石漠化面積超過(guò)35%，難利用的石山、裸巖占流域面積的10%左右，在南方喀斯特地區(qū)極具典型性和研究?jī)r(jià)值。

1.2 樣品采集

以新近道路建設(shè)和住房建設(shè)開(kāi)挖邊坡斷面出露的矩形和漏斗形SKF剖面為研究對(duì)象（表1和圖1）。自下而上挖取0～20 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～90 cm、90～110 cm層土壤，裝入硬質(zhì)塑料盒中。為減少0～20 cm表層土對(duì)下層土壤性質(zhì)的影響，將20～30 cm土層作為緩沖層，不采集土壤樣品。土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，撿出石塊、落葉和根等雜物，備用。

1.3 土壤團(tuán)聚體分析

（1）干篩分析[14]：取風(fēng)干土樣1 kg，用孔徑5、3、2、1、0.5和0.25 mm的土壤篩篩分，稱重。（2）濕篩分析[15]：將干篩獲得的各級(jí)團(tuán)聚體按其百分含量配制成50 g左右的待篩分土樣，移入1 L量筒中，用水潤(rùn)濕并浸泡至水飽和狀態(tài)后，沿量筒壁灌滿水，封住筒口后顛倒至量筒中土樣完全沉降，重復(fù)10次。將孔徑為5、3、2、1、0.5和0.25 mm的土壤篩由上至下依次綁定成篩組，浸入水中。倒轉(zhuǎn)沉降筒將土壤轉(zhuǎn)至水中的土壤篩上，取出量簡(jiǎn)，將篩組在水中上、下提動(dòng)篩分10次，取出5、3、2 mm的土壤篩，將剩下土壤再上下提動(dòng)篩分5次，轉(zhuǎn)移各級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體至鋁盒，烘干稱重。（3）不同破碎機(jī)制下團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析：選取干篩獲得的3～5 mm團(tuán)聚體，40℃的烘24 h，參照Le Bissonnais方法[16]進(jìn)行快速濕潤(rùn)（FW）、濕潤(rùn)震蕩（WS）和緩慢濕潤(rùn)（SW）三種破碎處理，將團(tuán)聚體移至孔徑為50 μm篩上，浸入95%酒精中，2 cm振幅上下振蕩20次。取出土壤篩至40℃烘箱烘20 min，將土粒移入鋁盒，40℃下烘12 h后稱重，再用一組孔徑為3、2、1、0.5、0.25、0.1和0.05 mm的套篩篩分，稱重。土壤團(tuán)聚體粒徑分布與穩(wěn)定性定參數(shù)及計(jì)算公式如表2所示。

表2 土壤團(tuán)聚體粒徑分布與穩(wěn)定性參數(shù)及計(jì)算公式

MWDWS分別表示快速濕潤(rùn)、緩慢濕潤(rùn)和濕潤(rùn)振蕩處理方式下的平均重量直徑。

1.4 土壤養(yǎng)分分析

SOM用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測(cè)定，AHN采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，AP采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA）、Pearson 相關(guān)性分析和顯著性分析，OriginPro 8.5.1進(jìn)行內(nèi)插值、數(shù)據(jù)歸一化和繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 干、濕篩法處理下SKF剖面土壤團(tuán)聚體特征

干、濕篩法分別得到抗機(jī)械力分散的力穩(wěn)定性團(tuán)聚體和抗水力分散的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體[18]。從圖2可知，干篩作用下，SKF剖面各土層土壤均以>5 mm團(tuán)聚體為主，并呈現(xiàn)出團(tuán)聚體粒徑越大含量越高的趨勢(shì)。濕篩作用下，SKF各土層>5 mm團(tuán)聚體含量相較于干篩大幅下降，隨著土層加深小粒徑團(tuán)聚體含量增加。干篩不同土層團(tuán)聚體粒徑分布沒(méi)有明顯的規(guī)律性，而濕篩則大體呈現(xiàn)出隨著土層加深大粒徑團(tuán)聚體百分含量減少的趨勢(shì)。

從表3可知，干、濕篩法處理下SKF土壤中粒徑>0.25 mm的團(tuán)聚體超過(guò)90%。各土層>0.25%相差不大且隨土層加深沒(méi)有明顯的規(guī)律性，濕篩法>0.25%略小于干篩法。>0.25 mm 的團(tuán)聚體被稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量大小與土壤的穩(wěn)定性狀況呈正相關(guān)關(guān)系[19]。PAD可以較好地反映出>0.25 mm土壤團(tuán)聚體在水力振蕩作用下被破壞的程度。該值越大，表明團(tuán)聚體破碎的越劇烈，土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，也表明土壤退化程度增加[20]。4個(gè)SKF各土層PAD范圍為0.01%～4.75%，PAD隨土層加深未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。MWD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，其值越低表示團(tuán)聚體穩(wěn)定性越低[21]。從表3可知，干篩和濕篩MWD值變化范圍分別為4.63～7.69 mm和1.33～4.24 mm，濕篩MWD明顯小于干篩，MWD隨土層加深未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。根據(jù)Le Bissonnais[16]的研究，MWD為1.3～2.0 mm時(shí)團(tuán)聚體穩(wěn)定，大于2.0 mm時(shí)團(tuán)聚體非常穩(wěn)定。因而，干篩作用下，SKF土壤團(tuán)聚體極穩(wěn)定，濕篩作用下SKF土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定。土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D越小，土壤相對(duì)越松散，土壤結(jié)構(gòu)、通透性與穩(wěn)定性越好。分形維數(shù)D>2.88屬質(zhì)地黏重、通透能力弱的土壤[17]。從表3可知，4個(gè)SKF干篩和濕篩團(tuán)聚體分形維數(shù)D范圍分別為1.57～2.18和1.55～2.15，兩者之間沒(méi)有顯著性差異。從土層來(lái)看，土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D隨土層加深未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

2.2 不同破碎機(jī)制下SKF剖面團(tuán)聚體穩(wěn)定性

SKF剖面團(tuán)聚體在不同破碎機(jī)制下形成的粒級(jí)質(zhì)量分布如圖3所示。從中可知，不同土層團(tuán)聚體對(duì)濕潤(rùn)處理的響應(yīng)不同。FW處理下，4個(gè)SKF剖面0～20 cm土層以粒徑>3 mm的團(tuán)聚體為主，30 cm以下土層以粒徑0.5～2 mm的團(tuán)聚體為主。隨著土層的加深，小粒徑團(tuán)聚體所占比重相應(yīng)增加，F(xiàn)W處理對(duì)團(tuán)聚體的破壞作用逐漸加強(qiáng)。SW處理和WS處理也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，矩形和漏斗形SKF團(tuán)聚體對(duì)同一濕潤(rùn)處理的響應(yīng)有一定的差別。FW處理下，1號(hào)矩形SKF的0～90 cm土層和2號(hào)矩形SKF的0～110 cm土層粒徑>3 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量變化范圍分別為80.64%～13.82%和89.21%～4.94%，3號(hào)和4號(hào)漏斗形SKF的值則分別為59.88%～9.95%和78.29%～3.30%。統(tǒng)計(jì)分析表明，F(xiàn)W處理下矩形SKF剖面中粒徑>3 mm的團(tuán)聚體占比要顯著大于漏斗形SKF（<0.05），團(tuán)聚體破碎化程度也相對(duì)更小。WS處理下也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。SW處理矩形和漏斗形SKF土壤團(tuán)聚體的破碎化程度則沒(méi)有顯著性差異。這說(shuō)明，在FW和WS處理下，漏斗形SKF團(tuán)聚體的水穩(wěn)性較矩形SKF的差。

表3 干、濕篩處理下SKF剖面土壤團(tuán)聚體分布與穩(wěn)定性參數(shù)

從圖4a可以看出，隨著土層的加深，各處理MWD均呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。這表明，SKF土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性隨深度垂直降低。不同處理?xiàng)l件下土壤團(tuán)聚體MWD的大小為FW

RSI反映了快速濕潤(rùn)時(shí)土壤孔隙中空氣受壓產(chǎn)生的消散作用（slaking）下團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，RMI反映了雨滴打擊、耕作、根系穿透等外應(yīng)力作用下的團(tuán)聚體穩(wěn)定性。RSI和RMI值越高代表團(tuán)聚體穩(wěn)定性越低[21]。由圖4b可知，RSI和RMI范圍分別為6.34～81.68和0.80～52.36，SKF各土層的RSI均高于相應(yīng)的RMI。這說(shuō)明，徑流通過(guò)SKF時(shí)快速濕潤(rùn)產(chǎn)生的消散作用對(duì)團(tuán)聚體的破壞作用大于雨滴打擊、耕作和根系穿透等外應(yīng)用力對(duì)團(tuán)聚體產(chǎn)生的機(jī)械破壞作用。從土層來(lái)看，各SKF團(tuán)聚體RSI大致呈現(xiàn)出隨著土層加深而增加的趨勢(shì)，深層土壤團(tuán)聚體更易受消散作用的破壞。從裂隙類型來(lái)看，矩形SKF土壤RSI和RMI值均顯著小于漏斗形SKF團(tuán)聚體的相應(yīng)值（<0.05）。這說(shuō)明，漏斗形SKF更易受消散作用和機(jī)械破碎作用的破壞，穩(wěn)定性要低于前者。

2.3 SKF剖面土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分含量

圖5a為SKF剖面土壤團(tuán)聚體SOM含量的變化情況。從中可知，各SKF剖面0～20 cm土層SOM含量明顯高于其他土層。其中，1號(hào)和2號(hào)SKF剖面0～20 cm土層SOM含量分別為38.34±6.53 g·kg–1和90.91±10.02 g·kg–1，30 cm以下的含量范圍分別為（13.58±1.25）～（21.33±3.36）g·kg–1和（13.27±0.94）～（37.53±3.47）g·kg–1。3號(hào)和4號(hào)SKF剖面0～20 cm土層SOM含量分別為58.81±9.84和46.90± 6.05 g·kg–1，30 cm以下的含量范圍分別為（22.19± 2.51）～（28.83±2.45）g·kg–1和17.61±1.52）～（22.83± 2.11）g·kg–1。進(jìn)一步分析表明，1、2號(hào)矩形SKF 30 cm以下土層SOM含量隨土層加深而顯著降低（<0.05），而3、4號(hào)漏斗形SKF則沒(méi)有顯著性差異（>0.05）。圖5d為SKF剖面30 cm以下不同粒徑土壤團(tuán)聚體SOM含量的變化情況。單因素方差分析表明，1～3號(hào)SKF剖面30 cm以下土層不同粒徑團(tuán)聚體SOM含量沒(méi)有顯著性差異，只有4號(hào)SKF >5 mm團(tuán)聚體SOM含量顯著大于0.25～3 mm。因而，粒徑不是影響SKF剖面30 cm以下土層團(tuán)聚體SOM含量的重要因素。而對(duì)于0～20 cm土層，1號(hào)SKF的SOM含量呈現(xiàn)出隨著團(tuán)聚體粒徑的減小而顯著增加的趨勢(shì)（<0.05），2～4號(hào)1～5 mm粒徑團(tuán)聚體SOM含量顯著大于其他粒徑（<0.05）。

圖5b為SKF剖面土壤團(tuán)聚體AHN含量變化情況。從中可知，0～20 cm土層AHN含量明顯高于其他土層。1號(hào)和2號(hào)SKF剖面，0～20 cm土層AHN含量分別為212.92±23.66 mg·kg–1和373.93± 38.27 mg·kg–1；30 cm以下含量范圍分別為（85.79± 13.39）～（129.21±9.71）mg·kg–1和（89.31±13.19）～（198.54±22.63）mg·kg–1，AHN含量隨著深度增加均顯著降低（<0.05）。3號(hào)和4號(hào)SKF剖面，0～20 cm土層AHN含量分別為279.18±33.66 mg·kg–1和208.09±24.10 mg·kg–1，30 cm以下的含量范圍分別為（100.67±14.17）～（150.78±16.56）mg·kg–1和（71.58± 3.27）～（146.85±34.55）mg·kg–1。30 cm以下土層，3號(hào)除30～50 cm土層和50～70 cm土層外，其他各土層之間的含量差異顯著（<0.05）；4號(hào)AHN含量隨著深度增加均顯著降低（<0.05）。圖5e為SKF剖面30 cm以下土層不同粒徑土壤團(tuán)聚體AHN含量的變化情況。單因素方差分析表明，1～4號(hào)SKF剖面30 cm以下土層不同粒徑團(tuán)聚體AHN含量沒(méi)有顯著性差異，粒徑對(duì)其沒(méi)有顯著影響。而對(duì)于0～20 cm土層，1號(hào)SKF的AHN含量呈現(xiàn)出隨著團(tuán)聚體粒徑的減小而顯著增加的趨勢(shì)（<0.05），2～4號(hào)1～5 mm粒徑團(tuán)聚體AHN含量顯著大于其他粒徑（<0.05）。

圖5c為SKF剖面土壤團(tuán)聚體AP含量變化情況。從中可知，0～20 cm土層AP含量明顯高于其他土層，30 cm以下土層AP含量大幅下降。這與張倩等[22]對(duì)普定非SKF 0～90 cm土層的研究結(jié)果一致。1～4號(hào)SKF剖面0～20 cm土層各粒徑團(tuán)聚體AP平均含量分別為6.55±4.51、1.98±0.96、8.13±6.45和6.51±2.46 mg·kg–1。1～4號(hào)SKF 30 cm以下土層AP平均含量范圍分別為（0.23±0.08）～（0.38± 0.10）mg·kg–1、（0.15±0.03）～（30.22±0.08）mg·kg–1、（0.26± 0.10）～（0.36±0.13）mg·kg–1和（0.26±0.08）～（0.38± 0.10）mg·kg–1。同一SKF中，30 cm以下土層AP含量隨土層加深變化無(wú)顯著性差異（>0.05）。圖5f為SKF剖面30 cm以下土層不同粒徑土壤團(tuán)聚體AP含量的變化情況。從中可知，30 cm以下土層AP含量隨團(tuán)聚體粒徑大小的變化沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。而對(duì)于0～20 cm土層，1～4號(hào)0.25～0.5 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體速效磷的含量較其他粒徑團(tuán)聚體含量高。

3 討 論

3.1 SKF剖面土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與養(yǎng)分含量變化特征

Yan等[23]將RSI×RMI的值定義為團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征參數(shù)（As），用其來(lái)綜合表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和對(duì)徑流沖蝕下消散和剪切破壞的敏感性。As值越大，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越差，土壤抗蝕性越弱[23-24]。為更直觀展示SKF土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、養(yǎng)分含量隨SKF剖面深度的變化情況，采用內(nèi)插值法獲得連續(xù)土層As值和歸一化的養(yǎng)分含量（圖6）。從中可知，隨著SKF剖面加深，As值增大，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。1號(hào)和2號(hào)SKF剖面As值的范圍為0.001 3～ 0.051 2和0.003 1～0.090 9，3號(hào)和4號(hào)的范圍為0.001 3～0.127 2和0.002 4～0.336 7。矩形、漏斗形SKF表層10～20 cm土層As值相差不大，而漏斗形SKF 80 cm和100 cm處的As較矩形SKF相應(yīng)值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)明，漏斗形SKF土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和抗蝕性隨剖面深度加深而大幅降低，而矩形SKF的這種降低程度則相對(duì)要小得多，20 cm以下土層漏斗形SKF剖面團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和抗蝕性要低于矩形SKF。

從圖6可知，隨土層深度加深，同一形態(tài)SKF剖面SOM含量變化趨勢(shì)基本一致。1號(hào)和2號(hào)矩形SKF中40 cm處SOM含量約為10 cm處含量的30%，3號(hào)和4號(hào)漏斗形SKF則約為20%。40 cm以上土層矩形SKF剖面SOM含量隨深度的變化幅度小于漏斗形SKF，40 cm以下則相反。綜上可得出，SKF形態(tài)會(huì)影響SOM含量隨土層深度的變化。從圖6可知，不同SKF剖面AHN含量隨深度的變化趨勢(shì)差異明顯。1號(hào)SKF剖面AHN含量隨深度的變化趨勢(shì)與SOM幾乎一致，2號(hào)AHN含量變化趨勢(shì)除在40 cm處無(wú)明顯轉(zhuǎn)折外也與SOM類似。3號(hào)SKF剖面AHN含量在40 cm以上土層與SOM變化趨勢(shì)一致，40 cm以下區(qū)別較大。4號(hào)AHN含量隨土層深度加深呈線性下降趨勢(shì)。綜上可得出，SKF形態(tài)與AHN含量隨土層深度的變化之間沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)。從圖6可知，4個(gè)SKF剖面中AP含量隨深度的變化趨勢(shì)具有一致性。AP含量在40 cm以上土層隨著深度增加而快速降低，40 cm處含量降低為10 cm處含量的2%左右，40 cm以下含量變化不大。綜上可得出，SKF形態(tài)對(duì)AP含量隨土層深度的變化沒(méi)有影響。

3.2 SKF剖面團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征影響因素

SKF是在基巖中形成的、與周圍環(huán)境有一定隔離度的微地形，土壤來(lái)源、賦存環(huán)境及受徑流的侵蝕作用較喀斯特地區(qū)非SKF有較大區(qū)別，使得其團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與非SKF土壤有所不同。多項(xiàng)研究中，喀斯特地區(qū)非SKF土壤團(tuán)聚體PAD值的范圍為7.5%～68.10%[25-27]，干、濕篩分形維數(shù)D范圍為2.67～2.92[14，26]，均遠(yuǎn)大于本研究的SKF剖面各土層土壤的相應(yīng)值。研究表明，貴州普定陳旗堡喀斯特地區(qū)非SKF土壤0～90 cm剖面水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值小于1.0[28]，貴州關(guān)嶺縣喀斯特地區(qū)該值的均值為1.9[29]，均小于本研究所得值。以上對(duì)比分析表明，與喀斯特地區(qū)的非SKF土壤相比，SKF剖面團(tuán)聚體水穩(wěn)定更好，通透能力和抗蝕性可能要強(qiáng)于非SKF土壤。

消散作用（slaking）和非均勻膨脹作用（differential swelling）是引起團(tuán)聚體破裂的重要機(jī)制[30]。干燥條件下，團(tuán)聚體內(nèi)部的孔隙被土壤空氣占據(jù)。降雨或徑流沖刷時(shí)，水將團(tuán)聚體快速包覆，外部水進(jìn)入孔隙壓縮閉蓄于其中未能及時(shí)排出的空氣，巨大的壓力使團(tuán)聚體消散破裂。土壤初始含水量高時(shí)，孔隙多被水占據(jù)，閉蓄的空氣少，消散作用相應(yīng)減弱[16，31]。SKF匯集一定面積巖土界面徑流向下輸送，加上與周圍環(huán)境一定程度的隔離，使SKF填充土壤初始含水量大于非SKF土壤，孔隙閉蓄空氣體積少于非SKF土壤，消散作用相應(yīng)較弱[31]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤初始含水量對(duì)非均勻膨脹作用的影響與消散作用一致[16，31]。因而，非均勻膨脹作用對(duì)SKF土壤團(tuán)聚體的破壞作用也較非SKF土壤小。此外，干-濕循環(huán)可導(dǎo)致團(tuán)聚體的崩解，干-濕循環(huán)次數(shù)越多，水穩(wěn)性團(tuán)聚體崩解率越高[32-33]。SKF土壤濕度大，干濕交替沒(méi)有非SKF土壤頻繁。這也是SKF土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性強(qiáng)于非SKF的原因之一。

黏粒含量對(duì)團(tuán)聚穩(wěn)定性有重要影響[16]。研究發(fā)現(xiàn)，SKF剖面土壤黏粒含量大于非SKF土壤，隨土層深度增加，黏粒含量增加[7]。黏粒比表面積大，吸附性強(qiáng)，易聚集成黏團(tuán)。黏團(tuán)和粉粒、砂粒在有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用下形成穩(wěn)定性團(tuán)聚體[34]。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量低時(shí)，分散的黏粒將使土壤孔隙堵塞，降低土壤的通氣和透水性能。本研究中，SKF剖面SOM含量較普定非SKF剖面無(wú)明顯降低。在含量更高的黏粒作用下，造成SKF剖面團(tuán)聚體的穩(wěn)定性較非SKF高。SKF土壤有機(jī)質(zhì)含量隨剖面加深而降低，膠結(jié)作用減小，雖然SKF下層剖面的黏粒含量更高，但團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性更小。Yan等[7]發(fā)現(xiàn)，漏斗形SKF剖面土壤顆粒分型維數(shù)明顯高于其他形態(tài)SKF類型。這佐證了本研究得出的漏斗形的SKF團(tuán)聚體水穩(wěn)性要較矩形SKF差的結(jié)論，但相關(guān)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

3.3 SKF剖面土壤養(yǎng)分含量及其與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系

研究表明，普定喀斯特非SKF剖面0～90 cm土層SOM含量范圍為7.89～239.29 g·kg–1[22]，貴州喀斯特石漠化地區(qū)非SKF土壤AHN含量范圍為64.0～508.0 mg·kg–1[35]。本研究中SKF剖面土壤SOM和AHN含量位于以上兩個(gè)濃度范圍之內(nèi)。研究表明，普定喀斯特非SKF剖面0～90 cm土層AP含量范圍為2.26～40.88 mg·kg–1[22]，本研究各SKF剖面0～20 cm土層AP含量在這個(gè)范圍之內(nèi)，30 cm以下土層AP含量卻較該范圍的最小值小一個(gè)數(shù)量級(jí)。因而，SKF剖面30 cm以下土層AP的含量顯著小于非SKF剖面。其原因可能是淋溶作用是土壤生態(tài)系統(tǒng)磷輸出的重要途徑[36]，SKF是連通喀斯特地表與地下的重要通道，強(qiáng)烈的淋溶作用導(dǎo)致30 cm以下土層AP大量流失。土壤中AP含量是影響植物生長(zhǎng)的兩大主要因素之一[37]，自然生態(tài)系統(tǒng)普遍受到磷素限制[38]。本研究中SKF剖面0～20 cm土層土壤AP含量處于較低水平，30 cm以下土層AP十分貧乏，加上喀斯特地區(qū)全磷不易轉(zhuǎn)化為速效磷[39]，因而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中要增加AP的供給。

表4 SKF剖面土壤養(yǎng)分含量和團(tuán)聚體水穩(wěn)定性各參數(shù)之間的相關(guān)性

*：<0.05；**：< 0.01

4 結(jié) 論

SKF土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性隨剖面深度加深而降低，矩形SKF土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性要強(qiáng)于漏斗形SKF，快速濕潤(rùn)產(chǎn)生的消散作用是引起SKF土壤團(tuán)聚體破碎的主要機(jī)制。PAD、團(tuán)聚體分形維數(shù)D和MWD這三類指標(biāo)均表明，SKF土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性、通透性均較好。SKF剖面30 cm以下土層，團(tuán)聚體SOM、AHN和AP含量較0～20 cm土層大幅下降，土壤AP貧乏，粒徑對(duì)團(tuán)聚體中養(yǎng)分含量影響不大。SKF形態(tài)對(duì)SOM、AHN和AP含量隨剖面深度變化的影響不同。SKF形態(tài)會(huì)影響SOM含量隨土層深度的變化，矩形SKF 30 cm以下土層團(tuán)聚體中SOM含量隨深度加深而降低，而漏斗形SKF則沒(méi)有顯著性差異。隨土層深度加深，矩形和漏斗形SKF剖面AP含量的變化趨勢(shì)一致，AHN含量的變化趨勢(shì)則與SKF形態(tài)之間沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)。SOM、AHN和AP含量越高，SKF土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性能力越強(qiáng)。

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Characteristics of Vertical Variation of Soil Aggregates Stability and Nutrients in Shallow Karst Fissures of Karst Sloping Fields

XIONG Bailian1, GAO Yang2, PENG Tao3, YAN Xiong1

(1. College of Resources and Environment, Zunyi Normal University, Zunyi, Guizhou 563006, China; 2. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 3. Puding Karst Ecosystem Research Station, Chinese Ecosystem Research Network, Chinese Academy of Sciences, Puding, Guizhou 562100, China)

【Objective】A shallow karst fissure (SKF) is a significant habitat in rocky desertification areas that provides growing space, water, and nutrients for plant growth. To explore the differences in the stability of aggregates, the primary mechanism of aggregate decomposition in different soil horizons in SKF, and the vertical variation characteristics of nutrient contents in aggregates, an experiment was performed in the karst region of southwest China. 【Method】 Two typical forms of SKF (rectangle-type SKF and funnel-type SKF) was selected for this study and the particle size distribution and stability characteristics of soil aggregates in different soil horizons (0–20 cm, 30–50 cm, 50–70 cm, 70–90 cm, and 90–110 cm) were explored by the dry and wet sieving method. Also, the mechanisms of soil aggregate decomposition were analyzed by the Le Bissonnais method. Furthermore, the contents of soil organic matter (SOM), alkali-hydrolyzable nitrogen (AHN), and available phosphorous (AP) were determined in aggregates with different particle sizes, and the relationship between these nutrients and the stability of soil aggregates was analyzed. 【Result】The aggregate fractal dimensions (D) under dry and wet sieving ranged from 1.57 to 2.18 and from 1.55 to 2.15, respectively. The stability and erosion resistance of SKF soil aggregates decreased with the depth of soil horizons, and the rectangle-type SKF soil aggregate was more stable than funnel-type SKF. The major mechanism observed for SKF soil aggregate decomposition was slaking generated by fast wetting. According to the indicators of percentage of aggregate disruption (PAD); the fractal dimension D and mean weight diameter (MWD), SKF soil aggregates have good water stability and permeability. In the 0–20 cm soil horizon, the variation of SOM, AHN, and AP contents in aggregates of different particle sizes were (38.34±6.53)–(90.91±10.02) g·kg–1, (208.09±24.10)– (373.93±38.27) mg·kg–1, and (1.98±0.96)–(8.13±6.45) mg·kg–1, respectively. In soil 30 cm below the surface, the contents of SOM, AHN, and AP declined sharply compared to those in 0–20 cm soil horizon, which were (13.27±0.94)–(37.53±3.47) g·kg–1, (71.58±3.27)–(198.54±22.63) mg·kg–1, and (0.15±0.03)–(0.38±0.10) mg·kg–1, respectively; with a very low AP content. Importantly, the particle size of aggregates was not an important factor governing the nutrient content of the aggregates. Additionally, SKF morphology had different effects on the variations in SOM, AHN, and AP contents with soil depth. SOM content below surface 30 cm horizons in rectangle-type SKF was significantly decreased with increasing depth of SKF, while no significant difference was observed in funnel-type SKF. The variation trends of AP content with increasing SKF depth were consistent in rectangular and funnel-type SKF profiles, while there was no significant correlation between the variation trends of AHN content and SKF morphology. According to the correlation analysis, higher SOM, AHN, and AP contents indicated stronger water stability of the SKF soil aggregates. 【Conclusion】The water stability of SKF soil aggregates is an important factor for these soils and decreases as the soil horizons deepen, with the major mechanism of soil aggregate decomposition being slaking generated by fast wetting. Also, the morphology of SKF showed varied effects on the variations of SOM, AHN, and AP content at different soil depth.

Karst sloping fields; Shallow karst fissure; Soil profile; Soil aggregate; Soil nutrient

S154.1

A

10.11766/trxb202006300351

熊佰煉，高揚(yáng)，彭韜，顏雄. 喀斯特坡地淺層巖溶裂隙土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與養(yǎng)分垂向變化特征[J].土壤學(xué)報(bào)，2021，58（6）：1472–1485.

XIONG Bailian，GAO Yang，PENG Tao，YAN Xiong. Characteristics of Vertical Variation of Soil Aggregates Stability and Nutrients in Shallow Karst Fissures of Karst Sloping Fields[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1472–1485.

*國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（41961047），貴州省科技廳項(xiàng)目（黔科合平臺(tái)人才[2017年]5727-12號(hào)）和貴州省教育廳貴州省黔北土壤資源與環(huán)境特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（黔教合KY字[2017]010號(hào)）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41961047），Department of Science and Technology of Guizhou Province（No. Qian Ke He PingTai Ren Cai [2017] 5727-12），Department of education of Guizhou Province Key Laboratory of Soil Resources and Environmental Characteristics in Northern Guizhou（No. Qian Jiao He KY Zi [2017] 010th）

熊佰煉（1978—），男，湖南南縣人，博士，副教授，主要從事喀斯特關(guān)鍵帶地球化學(xué)過(guò)程研究。E-mail：xblxnq@126.com

2020–06–30；

2020–12–28；

2021–03–30

（責(zé)任編輯：檀滿枝）