桂西北喀斯特地區(qū)典型土壤在不同篩分強度下團聚體的穩(wěn)定性

胡樂寧，蘇以榮，何尋陽

（1.中國科學院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙410125；2.中國科學院 環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站，廣西 環(huán)江547100；3.廣西師范大學 環(huán)境與資源學院，廣西 桂林541004）

土壤團聚體大小和含量是土壤重要的物理性質，是土壤質量高低、抗侵蝕能力強弱的主要指標［1－3］。土壤結構性是土壤的重要物理性質，它直接影響著土壤的肥力和農(nóng)作物的生長［4］。影響土壤團聚體穩(wěn)定性的因素包括內因和外因兩個方面［5］，內因主要包括電解質、黏土礦物、碳酸鹽、有機質、鐵鋁氧化物等；外因主要包括氣候、生物、農(nóng)業(yè)管理等。一般從土壤團聚體穩(wěn)定性多采用干篩或濕篩方法從土壤基本理化性質等角度開展研究［6－9］。而以往試驗研究中土壤干篩振動強度多為1.5mm振幅，通過改變常規(guī)振幅來探討土壤團聚體穩(wěn)定性的篩分試驗還沒有相關研究。廣西壯族自治區(qū)環(huán)江地區(qū)是石漠化十分嚴重的地區(qū)，水土流失與土地退化已成為制約這一區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。本文擬通過研究環(huán)江地區(qū)9個不同有機碳含量的3種土壤（棕色石灰土、黑色石灰土、紅壤）樣品在干篩改變振幅條件下的干篩分級特征，分析振動篩分對土壤團聚體結構的影響，并進一步探討3種在改變外力破壞強度下的土壤團聚體結構穩(wěn)定性，了解土壤團聚體對不同外力破壞的響應。這將為喀斯特地區(qū)土壤資源的合理利用及結構的調控管理提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究概況

研究區(qū)位于云貴高原南部邊緣斜坡地帶的典型喀斯特峰叢洼地——廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治 縣，地 理 坐 標 為 107°51′—108°43′E，24°44′—25°33′N，巖溶峰叢洼地的最高峰為1 028.0m，屬亞熱帶季風氣候區(qū)。年平均氣溫l5.7℃，1月平均氣溫10.1℃，7月平均氣溫28℃，歷年最低氣溫－5.2℃，無霜期290d，年平均日照時數(shù)1 451h，年平均降雨量為1 389.1mm，4—9月降雨量占全年降雨量的70%，平均蒸發(fā)量為1 571.1mm，相對濕度平均為70%。供試土壤自然概況和基本理化性質見表1—2。

表1 供試土壤自然概況

表2 土壤基本理化性質

1.2 試驗方法

試驗使用AS 200篩分儀，分別對棕色石灰土、黑色石灰土、紅壤3種土壤類型進行1.5，2和2.5mm不同振幅（偏離震動中心的距離）的干篩篩分（相同頻率下），每種土壤選取3個不同有機碳含量梯度。每個土壤樣品取4個重復，分析方法選用干篩法。選取的9個土壤樣品的有機碳含量如表3所示。

（1）木論、明倫、肯福各地分別取3個代表樣（為3個有機碳梯度），共9個樣品分別進行＞8，8～5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm干篩。

（2）改變篩分的機械強度，在原干篩篩分強度（1.5mm振幅）基礎上增加2個篩分強度梯度（2和2.5mm振幅），分別測定不同粒級下顆粒質量。

（3）干篩分析方法。將風干的土樣混勻，取其中一部分（一般不小于1kg，精確至0.01g）。用孔徑分別為8，5，2，1，0.5和0.25mm 篩子進行篩分（篩子附有底和蓋）。篩完后，將各級篩子上的團聚體及粒徑＜0.25mm的土粒分別稱量（精確至0.01g），計算干篩的各級團聚體占土樣總量的百分含量。

1.3 參數(shù)計算

非水穩(wěn)性大團聚體的質量百分數(shù)按（1）式計算：

式中：wi——某級非水穩(wěn)性大團聚體的質量百分數(shù)（%）；mi——該級非水穩(wěn)性大團聚體的風干質量（g）；m——風干土的質量（g）。

平均重量直徑［10］（MWD）：

式中：mi——各級顆粒的重量百分含量；ri——第i個篩子的孔徑大?。╩m，r0＝r1，rn＝rn＋1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測定數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0進行整理和統(tǒng)計分析，多重比較采用LSD法。

2 研究結果

2.1 土壤團聚體的機械穩(wěn)定性

1.5 mm振幅篩分強度下的土壤團聚體分級結果顯示（表4）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的MWD（平均重量直徑）均大于紅壤。相似SOC含量條件下，棕色石灰土（6.14）＞紅壤（3.70），棕色石灰土（7.75）＞黑色石灰土（6.10），且兩種石灰土 MWD值較相近。在同種土壤類型中，MWD并沒有隨有機碳含量不同而呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。

棕色石灰土和黑色石灰土3個土壤樣品各自的團聚體顆粒含量最多的3個粒徑范圍均為：＞8，8～5和5～2mm。各自的團聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是：1，2，6號：0.5～0.25mm；3，4，5號：＜0.25 mm。

紅壤中3個土壤樣品MWD隨SOC含量增加逐漸增加。各自的團聚體顆粒含量最多的3個粒徑范圍是：7號：＞8，5～2和＜0.25mm；8號：＞8，0.5～0.25和＜0.25mm；9號：＞8，5～2，＜0.25mm。各自的團聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是，7號：2～1 mm；8號：8～5mm；9號：0.5～0.25mm。

表4 1.5mm振幅篩分強度下土壤團聚體分級及其平均重量直徑

2mm振幅篩分強度下的土壤團聚體分級結果顯示（表5）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的 MWD均大于紅壤。相似SOC含量條件下，棕色石灰土（6.64）＞紅壤（3.52），棕色石灰土（6.05）＞黑色石灰土（5.19），且兩種石灰土MWD較相近。在同種土壤類型中，MWD并沒有根據(jù)有機碳含量不同而呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。

棕色石灰土和黑色石灰土3個土壤樣品各自的團聚體顆粒含量最多的3個粒徑范圍均為：＞8，8～5和5～2mm。各自的團聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是：1，2，3，6號：0.5～0.25mm；4號：＜0.25mm；5號：0.5～0.25和＜0.25mm。紅壤中3個土壤樣品隨SOC含量逐漸增加，各自的團聚體顆粒含量最多的3個粒徑范圍是：7號：＞8，0.5～0.25和＜0.25 mm；8號：1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm；9號：＞8，5～2和＜0.25mm。各自的團聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是，7號：2～1mm；8號：8～5mm；9號：8～5mm。

表5 2mm振幅篩分強度下土壤團聚體分級及其平均重量直徑

2.5 mm振幅篩分強度下的土壤團聚體分級結果顯示（表6）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的MWD均大于紅壤。相似SOC含量條件下，棕色石灰土（6.54）＞紅壤（3.00），棕色石灰土（7.54）＞黑色石灰土（5.86），且兩種石灰土 MWD較相近。在同種土壤類型中，MWD并沒有根據(jù)有機碳含量不同而呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。棕色石灰土和黑色石灰土3個土壤樣品各自的團聚體顆粒含量最多的3個粒徑范圍均為：＞8，8～5，5～2mm。各自的團聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是：1號，2號，3號，4號，6號：0.5～0.25mm；5號：0.5～0.25和＜0.25mm。紅壤中3個土壤樣品隨SOC含量逐漸增加，各自的團聚體顆粒含量最多的3個粒徑范圍是，7號：＞8，0.5～0.25和＜0.25mm；8號：1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm；9號：＞8，5～2和＜0.25mm。各自的團聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是，7號：2～1mm；8號：8～5mm；9號：8～5mm。

表6 2.5mm振幅篩分強度下土壤團聚體分級及其平均重量直徑

2.2 土壤團聚體分級隨篩分強度的變化

土壤經(jīng)過1.5，2和，2.5mm振幅下的篩分試驗，不同粒徑范圍增加或減少的顆粒百分含量（顆粒百分含量差分別指1.5～2，2～2.5，1.5～2.5mm篩分粒徑的含量差，圖1—3）顯示，對不同SOC含量的土壤樣品來說，增加振動強度后造成大團聚體減少最多的為7號樣品，其次是8號樣品，最后是9號樣品，這說明SOC含量越高的紅壤團聚體，越難被強烈的外力破壞；但棕色石灰土中SOC含量最高的3號土，在外力增加后，顆粒被破壞最多。紅壤中篩分粒徑大的顆粒破壞較多，棕色石灰土和黑色石灰土中1，2，4，5號樣品則是篩分粒徑小的顆粒被破壞較多。在相似的SOC條件下，外力對土壤顆粒的破壞程度為：棕色石灰土＞紅壤＞黑色石灰土，3種土壤團聚體抵抗外力的能力表現(xiàn)為黑色石灰土強于紅壤強于棕色石灰土。

圖1 棕色石灰土中不同振幅篩分強度下產(chǎn)生的各個粒徑的土壤顆粒含量差

圖2 黑色石灰土中不同振幅篩分強度下產(chǎn)生的各個粒徑的土壤顆粒含量差

圖3 紅壤中不同振幅篩分強度下產(chǎn)生的各個粒徑的土壤顆粒含量差

3 討論

3.1 不同喀斯特土壤團聚體穩(wěn)定性

在1.5，2和2.5mm振幅篩分強度的不同外力作用下，MWD值均有：石灰土＞紅壤的結果，并且MWD值越大，表示土壤團聚體結構穩(wěn)定性越強［11］，可以得出石灰土的團聚體穩(wěn)定性強于紅壤，且不受篩分強度變化的影響。在相似SOC條件下，MWD值均有：棕色石灰土＞紅壤，棕色石灰土＞黑色石灰土。這說明在排除土壤不同SOC含量的影響后，棕色石灰土較黑色石灰土團聚體穩(wěn)定，紅壤團聚體穩(wěn)定性最差。純石灰?guī)r喬木林下土壤團聚性好，是由于腐殖質含量較多［12］。雖然土壤SOC含量相同，團聚體穩(wěn)定性卻不同。在不同振幅篩分強度下，棕色石灰土和黑色石灰土團聚體最大值均出現(xiàn)在大團聚體粒徑中（＞8mm），最小值均出現(xiàn)在小團聚體粒徑中（＜0.25mm）。團聚體對土壤的抗蝕能力起重要的作用，大團聚體土壤的抗蝕能力大于小團聚體土壤［13］。已有研究表明，土壤團聚體的形成與有機碳密切相關［14］，而MBC與有機碳呈顯著正相關［15］；土壤微生物在團聚體的形成過程和穩(wěn)定機制中有重要作用［16］。團聚體形成作用機制被認為是土壤碳固定的最重要機制［17］，所以從團聚體聚合角度來看，喀斯特石灰土有利于SOC的固定。

3.2 不同篩分強度團聚體分級特征

喀斯特地區(qū)土壤隨外力作用強度的增大，對土壤顆粒的破壞性顯示（圖1—3），在紅壤中，SOC含量越大土壤結構越穩(wěn)定，在棕色石灰土和黑色石灰土中，不隨SOC的變化呈現(xiàn)明顯的相關性。這些結果說明紅壤團聚體由于SOC含量的不同，易受外界物理破壞強度的影響；而喀斯特石灰土卻不易受外界物理破壞強度變化的影響，這可能與SOC存在形式和結構有關［18］。有機質是團聚土壤顆粒的重要膠結物質。它對團聚體穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在兩方面：（1）有機質通過有機聚合體對礦質土粒的連接和植物根系與菌絲對土粒的纏繞，增加了團聚體間的連接強度；（2）有機質增加了團聚體的疏水性，減慢了其濕潤的速度，因而降低了土粒中閉塞空氣對團聚體的破壞［19－20］。

喀斯特地區(qū)土壤團聚體隨外力破壞強度的增大，棕色石灰土和黑色石灰土顆粒粒徑分布變化不大，顯示出良好的穩(wěn)定性；紅壤經(jīng)振動強度增大變化后，顆粒粒徑由最初的均勻分布，變?yōu)榇箢w粒與小顆粒分布較多，這證實土壤中大團聚體（＞8，8～5和5～2mm）較中顆粒團聚體（2～1和1～0.5mm）穩(wěn)定，中顆粒團聚體結構不穩(wěn)定，易受增強的篩分力破壞。土壤的固碳功能伴隨著土壤團聚體的形成、穩(wěn)定及更新周轉過程的始終［21］。

4 結論

對于喀斯特地區(qū)土壤團聚體，隨著篩分強度的增大，棕色石灰土和黑色石灰土顆粒粒徑分布變化不大，主要以大團聚體顆粒（＞8，8～5和5～2mm）為主，顯示出良好的穩(wěn)定性?？λ固氐湫屯寥溃ㄗ厣彝痢⒑谏彝粒┙Y構穩(wěn)定性較地帶性紅壤較強，為喀斯特地區(qū)水土流失治理提供了可靠依據(jù)?？λ固厥倚酝寥澜Y構有利于土壤的肥力保持和農(nóng)作物的生長。干篩團聚體組成以大粒徑為主，小粒級干篩團聚體含量少，土壤較大團聚體含量多，說明團聚性好。

［1］ 張華，張甘霖.土壤質量及其評價方法［J］.土壤，2001，3（6）：326－330.

［2］ 張興昌，邵明安.水蝕作用下土壤氮與有機質流失［J］.應用生態(tài)學報，2000，11（2）：231－234.

［3］ 鄭昭佩，劉作新.土壤質量及其評價［J］.應用生態(tài)學報，2003，14（1）：131－134.

［4］ 盧金偉，李占斌.土壤團聚體研究進展［J］.水土保持研究，2002，9（1）：81－85.

［5］ 劉冬.不同侵蝕度紅壤團聚體中黏粒礦物分布特征及其對團聚體穩(wěn)定性的影響［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2007.

［6］ 郭菊花，陳小云，劉滿強，等.不同施肥處理對紅壤性水稻土團聚體的分布及有機碳、氮含量的影響［J］.土壤，2007，39（5）：787－793.

［7］ 向艷文，鄭圣先，廖育林，等.長期施肥對紅壤水稻土水穩(wěn)定性團聚體有機碳、氮分布與儲量的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學，2009，42（7）：2415－2424.

［8］ 董長勛，李戀青，王芳，等.水稻土微團聚體吸附磷后對Cu2＋吸附與解吸的影響［J］.南京農(nóng)業(yè)大學學報，2006，9（4）：75－79.

［9］ 魏朝富，高明，謝德體.有機肥對紫色水稻土水穩(wěn)定性團聚體的影響［J］.土壤通報，1995，26（3）：114－116.

［10］ Yoder R.A direct method of aggregate analysis of soils and a study of the physical nature of erosion loesses［J］.J.Am.Soc.Agron.，1936，28（5）：337－351.

［11］ 鄭子成，王永東，李廷軒，等.退耕對土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳分布的影響［J］.自然資源學報，2011，26（1）：119－127.

［12］ 蔣靜，周運超，杜光平.石灰?guī)r發(fā)育的喬木林下土壤團聚體形成的影響因素［J］.中國水土保持，2011（7）：47－66.

［13］ 李陽兵，魏朝富，謝德體，等.巖溶山區(qū)植被破壞前后土壤團聚體分形特征研究［J］.土壤通報，2006，37（1）：51－56.

［14］ 李陽兵，謝德體.不同土地利用方式對巖溶山地土壤團粒結構的影響［J］.水土保持學報，2001，15（4）：122－125.

［15］ Parffit R L，Yeates G W，Ross D J，et al.Relationships between soil biota，nitrogen and phosphorus availability，and pasture growth under organic and conventional management［J］.Applied Soil Ecology，2005，28（1）：1－13.

［16］ 史奕，陳欣.土壤團聚體的穩(wěn)定機制及人類活動的影響［J］.應用生態(tài)學報，2002，13（11）：1491－1494.

［17］ Six J，Elliott E T，Paustian K.Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation：A mechanism for C sequestration under notillage agriculture［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，2000，32（14）：2099－2103.

［18］ 章明奎，何振立.利用方式對紅壤水穩(wěn)定性團聚體形成的影響［J］.土壤學報，1997，34（4）：359－366.

［19］ Chenu C，Le Bissonnais Y，Arrouays D.Organic matter influence on clay wettability and soil aggregate stability［J］.Soil Sci.Soc.Am.J.，2000，64（4）：1479－1486.

［20］ Caron J，Espindola C R，Angers D A.Soil structural stability during rapid wetting：Influence of land use on some aggregate properties［J］.Soil.Sci.Soc.Am.J.，1996，60（3）：901－908.

［21］ 陳曉俠，梁愛珍，張曉平.土壤團聚體固碳的研究方法［J］.應用生態(tài)學報，2012，23（7）：1999－2006.