王正偉，武均，李婉玲，仁增草，蔡立群，羅珠珠

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的最基本單元，其穩(wěn)定性對(duì)土壤水分運(yùn)移和儲(chǔ)存、肥力、通氣、侵蝕、碳固存、生物活性和根系滲透至關(guān)重要[1－2]。慶陽(yáng)市地處隴東黃土高原殘塬溝壑、丘陵溝壑區(qū)，屬于國(guó)家級(jí)水土保持重要區(qū)，其生態(tài)安全可能影響整個(gè)黃土高原地區(qū)。慶陽(yáng)地區(qū)的土壤主要為濕陷性黃土，土質(zhì)疏松，植被稀少，且降雨集中，水土流失嚴(yán)重，制約著城市的發(fā)展。全區(qū)水土流失面積達(dá)220萬(wàn)hm2，約占土地總面積的81.2%[3－4]。

土壤團(tuán)聚體的數(shù)量在一定程度上反映了土壤供儲(chǔ)養(yǎng)分能力的高低，同時(shí)也會(huì)影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的大小和含量是土壤重要的物理性質(zhì)，而土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤復(fù)雜生物、化學(xué)和物理過(guò)程綜合作用的結(jié)果，包括機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。其機(jī)械穩(wěn)定性直接反映了土壤抵抗外力破壞的能力，而水分也是導(dǎo)致團(tuán)聚體破碎的主要因素。因此，研究土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體也十分重要[5]。

在團(tuán)聚體的分類上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般以粒徑0.25 mm的團(tuán)聚體為界，粒徑≥0.25 mm的為穩(wěn)定性團(tuán)聚體，粒徑<0.25 mm的為非穩(wěn)定性團(tuán)聚體；穩(wěn)定性團(tuán)聚體又可細(xì)分為0.25～1 mm、1～2 mm、2～5 mm和≥5 mm 4個(gè)類別[6－7]。不同粒級(jí)的團(tuán)聚體對(duì)改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、促進(jìn)土壤生物活動(dòng)、協(xié)調(diào)和保持土壤營(yíng)養(yǎng)成分具有不同的作用[8－9]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性受土壤自身性質(zhì)(土壤質(zhì)地、黏土礦物類型、含水量、有機(jī)質(zhì)等)、生物因素(植物、動(dòng)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(fēng)干團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨著土層深度的增加而增強(qiáng)[13]；水分的快速入滲能引起水穩(wěn)性團(tuán)聚體的崩解[14]。幾何平均直徑(GMD)、平均重量直徑(MWD)等指標(biāo)可表示團(tuán)聚體的大小分布、幾何性狀、綜合特征以及穩(wěn)定程度[15－19]。土壤可蝕性因子K值是評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕和抗破壞能力的重要指標(biāo)，也是評(píng)估土壤對(duì)外界侵蝕敏感性的重要指標(biāo)[22]。

本研究采用GMD、MWD、K值等作為土壤團(tuán)聚體的衡量指標(biāo)，對(duì)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體進(jìn)行分析，多方位評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，為該區(qū)篩選水土保持、環(huán)境友好型的土地利用方式提供理論依據(jù)。

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于慶陽(yáng)市西峰區(qū)新橋村，屬于隴東黃土高原殘塬溝壑區(qū)，地處東經(jīng)107°41′58″～107°43′2″與北緯35°43′54″～35°45′25″之間。該區(qū)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(yàn)設(shè)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(shù)種為樟子松(Pinus sylvestnisvar.mongolicaLitv.)，園地種植的果樹(shù)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(jì)60份土樣，裝入硬質(zhì)塑料盒后帶回實(shí)驗(yàn)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(fēng)干燥處風(fēng)干，用于測(cè)定土壤團(tuán)聚體。

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

1.3 土壤團(tuán)聚體的測(cè)定方法

分別采用干篩法和傳統(tǒng)濕篩法測(cè)定土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體[20]。

干篩法:稱取100.0 g土壤，過(guò)5 mm、2 mm、1 mm、0.25 mm套篩，每份土樣反復(fù)過(guò)篩多次，直至所有粒級(jí)團(tuán)聚體均篩取完成，計(jì)算各粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比。

濕篩法:依據(jù)干篩的質(zhì)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(diào)整套篩水面高度，使土樣充分濕潤(rùn)5 min后啟動(dòng)土壤團(tuán)粒分析儀(XDB0601型)，以30次/min的頻率、3 cm振幅上下振動(dòng)30 min。用清水將各粒級(jí)篩子上的團(tuán)聚體洗入鋁盒中，55℃烘干至恒重(約8 h)，計(jì)算各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

土壤團(tuán)聚體的MWD和GMD的計(jì)算公式[21]如下:

式中:xi為篩分出來(lái)的任一粒徑范圍團(tuán)聚體的平均直徑；wi為任一粒徑范圍團(tuán)聚體的質(zhì)量占土壤樣品干質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。

土壤可侵蝕因子K值的計(jì)算公式[22]如下:

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)和繪圖，采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Pearson法分析指標(biāo)間相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響

2.1.1 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體

由表2可知，不同的土地利用方式下土壤團(tuán)聚體的含量及其粒徑組成不同。0～10 cm土層中土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體Rm0.25(即≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體)含量排序?yàn)閳@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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成Table 2 Composition of soil mechanical stability aggregates under different land use patterns %

2.1.2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體

由表3可知，不同的土地利用方式下土壤團(tuán)聚體的含量以及粒級(jí)組成不同，但均以1～0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體為主。0～10 cm土層中Rw0.25(≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體)含量排序?yàn)楦?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?yàn)楦?荒地>園地>林地；20～40 cm土層土壤Rw0.25含量排序?yàn)楦?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(wěn)性團(tuán)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(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.2.1 不同土地利用方式對(duì)土壤穩(wěn)定性團(tuán)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD排序?yàn)閳@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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD排序?yàn)閳@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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)聚體MWD排序?yàn)榱值?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(wěn)性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)聚體MWD排序則為林地>耕地>園地>荒地，林地、耕地水穩(wěn)性團(tuán)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(duì)土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體GMD的影響

由圖3可知，0～10 cm土層中機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體GMD的排序?yàn)閳@地>荒地>耕地>林地，林地的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體GMD的排序?yàn)閳@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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體GMD的排序與10～20 cm土層一致，林地的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)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(xiàn)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(wěn)性團(tuán)聚體的K值排序?yàn)閳@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(wú)顯著差異；20～40 cm土層中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的K值排序?yàn)閳@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(jī)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(jī)碳含量排序均為林地>荒地>園地>耕地，且林地土壤有機(jī)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(jī)碳(SOC)含量和團(tuán)聚體相關(guān)性

由表4可知，林地土壤SOC含量與Rw0.25呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與Rm0.25、水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD呈負(fù)相關(guān)，與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD、GMD、水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、土壤K值呈正相關(guān)。園地土壤SOC與Rw0.25呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與水穩(wěn)團(tuán)聚體GMD呈負(fù)相關(guān)，與Rm0.25、機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD、GMD、水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、土壤K值呈正相關(guān)。耕地土壤SOC與Rm0.25、水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和K值呈負(fù)相關(guān)，與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD、GMD、Rw0.25、水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD呈正相關(guān)?；牡赝寥繱OC與Rw0.25、土壤K值呈負(fù)相關(guān)，與Rm0.25、機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD、GMD、水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD呈正相關(guān)。

表4 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳含量與土壤機(jī)械穩(wěn)定性、水穩(wěn)性團(tuán)聚體各指標(biāo)相關(guān)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(tuán)聚體是反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和評(píng)判土壤結(jié)構(gòu)和肥力的重要指標(biāo)[23]。穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體能夠承受外界環(huán)境的干擾，保持自身結(jié)構(gòu)的平衡，對(duì)土壤的水分滲透和抵抗侵蝕發(fā)揮著重要作用[24]。土壤Rm0.25和Rw0.25通常被認(rèn)為是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體[25]，其含量越高則表明土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)，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(tuán)聚作用強(qiáng)，分散作用弱。耕地表層土壤的有機(jī)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(jī)質(zhì)含量較少，而團(tuán)聚體會(huì)因?yàn)槿狈τ袡C(jī)物的膠結(jié)而減小[26]。說(shuō)明種植果樹(shù)的園地有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。形成團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)之一就是土壤有機(jī)碳，林地有機(jī)碳含量較高，利于團(tuán)聚體的形成與提高其穩(wěn)定性。土地利用方式對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響較大，林地與園地的土壤團(tuán)聚作用較強(qiáng)，棄耕種樹(shù)可改善土壤團(tuán)聚體的組成，對(duì)改善該地水土流失現(xiàn)象有所幫助。本研究發(fā)現(xiàn)，與其他土地利用方式相比，園地和林地的表層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)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(huì)堆積在土壤的表層，使表層土壤中的有機(jī)碳等養(yǎng)分優(yōu)先積累[28]，進(jìn)而促進(jìn)了Rm0.25和Rw0.25的形成。

不同土地利用方式對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD均隨著土層的加深而降低，說(shuō)明深層土的土壤團(tuán)聚體更加脆弱；而耕作導(dǎo)致土壤表層團(tuán)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的GMD以園地最大，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD以林地最大，與MWD一樣，GMD的大小可以反映土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)分布的比例，且其值越大，團(tuán)聚度越高，土壤穩(wěn)定性越強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn)，園地的GMD較高，說(shuō)明園地的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)。本研究中，各土地利用方式下土壤K值總體表現(xiàn)為園地>荒地>耕地>林地，說(shuō)明土壤抗侵蝕能力排序?yàn)榱值?耕地>荒地>園地。

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

4 結(jié)論

不同土地利用方式下，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量隨土層變化規(guī)律不同，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均隨土層加深而增大。園地土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的MWD和GMD最高；林地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD最高。林地土壤有機(jī)碳含量最高；且林地的土壤有機(jī)碳含量均與Rw0.25呈顯著性負(fù)相關(guān)，與穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD呈正相關(guān)，總體來(lái)看，林地更有利于該地區(qū)水土保持和土壤固碳。