花崗巖紅壤團聚體穩(wěn)定性對土地利用變化的響應

崔家馨，李元辰，朱錕恒，段良霞

（湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128）

南方紅壤區(qū)是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，該區(qū)位于亞熱帶季風區(qū)，由于降水時空分布不均和降雨強度大，再加上不合理的土地利用方式，使該區(qū)成為南方水土流失最嚴重、墾殖指數(shù)最大的區(qū)域[1-3]。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量的多少對土壤結(jié)構(gòu)、持水性、孔隙性等有一定的影響，因而在一定程度上決定土壤抵抗侵蝕的能力[4]。而在南方紅壤區(qū)，團聚體是坡面侵蝕過程的主控因子[5-6]，因而探明該區(qū)不同土地利用方式的團聚體穩(wěn)定性特征，可為合理利用土地資源及防治水土流失提供理論依據(jù)，同時對于該區(qū)農(nóng)業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。

土壤侵蝕一般隨著團聚體的破壞而發(fā)生，因而團聚體穩(wěn)定性與坡面侵蝕過程之間存在著緊密的聯(lián)系，團聚體穩(wěn)定性越高，土壤抵抗侵蝕的能力越強[7]。表征團聚體穩(wěn)定性的指標較多，其中團聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性團聚體含量（＞0.25 mm，WSA）、團聚體分形維數(shù)（D）和團聚體分散度（PAD）是衡量土壤抗蝕性最常用的指標[8-11]。土地利用方式的轉(zhuǎn)變可改變土壤結(jié)構(gòu)和團聚體，進而直接影響土壤侵蝕的強弱及土壤質(zhì)量，因而關于土地利用對團聚體穩(wěn)定性的研究，國內(nèi)取得了豐碩的成果[12-17]。Chrenková 等[18]比較了地中海地區(qū)不同土壤類型土地利用變化地團聚體穩(wěn)定性的影響，表明林地的團聚體穩(wěn)定性要顯著高于農(nóng)地；Pinheiro 等[19]和Caravaca 等[20]也得出類似的結(jié)論，認為林地和草地的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著大于農(nóng)地；An 等[21]表明退耕后MWD 等團聚體穩(wěn)定性指標顯著提升，退耕還林還草可顯著增加土壤抵抗侵蝕的能力；Ye 等[22]通過研究流域團聚體穩(wěn)定性指標的空間變異，發(fā)現(xiàn)農(nóng)地MWD 和WSA 等指標顯著小于其余土地利用；Dou等[23]通過測定黃土高原紙坊溝流域退耕后7 種土地利用的團聚體穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)原生灌木林的MWD 和GWD 最大，而經(jīng)濟林的最??；李娟等[24]的研究也表明林地和水稻田改善了土壤結(jié)構(gòu)，從而增強了土壤團聚體穩(wěn)定性?；◢弾r紅壤是南方紅壤區(qū)分布很廣的一種土壤類型[25]，但是關于花崗巖紅壤不同土地利用類型間團聚體穩(wěn)定性差異的研究較少。同時已有研究多針對退耕后（由農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱?、草地等）土地利用對團聚體穩(wěn)定性的影響，但是對于由林地轉(zhuǎn)為農(nóng)地或果園等土地利用變化導致的團聚體穩(wěn)定性變化的研究較少報道?；诖耍P者主要選取南方花崗巖紅壤原生林以及由原生林轉(zhuǎn)化而來的人工林、坡耕地和果園4種土地利用形式，分析土地利用變化對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響機制，為南方花崗巖紅壤區(qū)土地利用優(yōu)化和水土流失治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究樣地

試驗樣地位于湖南省湘東大圍山自然保護區(qū)山麓（114°02'E～114°12'E、28°21'N～28°6'N），土壤類型為花崗巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤，該區(qū)屬典型花崗巖中山地貌，海拔最低點（花門電站）僅230 m，最高點（七星峰）1 608 m，相對高差1 378 m。大圍山自然保護區(qū)為亞熱帶山地濕潤氣候，年均降水量在1 200～2 000 mm，年均溫度為11～17℃，保護區(qū)森林覆蓋率高，相對濕度大于83%。大圍山自然保護區(qū)中、低海拔帶原生植物破壞嚴重，僅殘存人工林、毛竹林和灌叢等。通過野外實地勘察，在保護區(qū)選擇4 種典型土地利用方式，分別為天然林以及由天然林轉(zhuǎn)化而來的人工林、坡耕地和果園。

1.2 土樣采集

在每個土地利用類型內(nèi)隨機選取3 塊樣地，分別開挖100 cm 剖面，以20 cm 等間隔采集0～20、20～40、 40～60、60～80 和80～100 原狀土樣，用切刀切下長×寬×高=5 cm×5 cm×15 cm 的土柱，并削掉每塊土柱頂部1 cm，按順序編號并輕放于盒子，土塊間避免擠壓。新鮮的原狀土壤樣品帶回室內(nèi)置于塑料盒子內(nèi)，自然風干至土壤含水量為22%～25%，然后用手沿土塊間隙輕掰成大小不等的團聚體，去除作物殘根和小石塊，置于孔徑為0.25、0.5、1、2、5、10 mm 的套篩上，分散各級團聚體，進行干篩分析。根據(jù)干篩每個孔徑上團聚體質(zhì)量，量化各粒級團聚體占比，并依據(jù)此比例計算進行濕篩分析的＜0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm 以及＞5 mm 團聚體質(zhì)量，根據(jù)該比例配比成50 g 土樣進行濕篩分析。將各粒級團聚體（不包括＜0.25 mm）分別置于對應粒徑的濕篩法套篩上，利用電動團聚體分析儀進行測定，套篩在水中上下震動30 次后關閉電源，清洗出各套篩中的團聚體顆粒，置于烘箱中烘干至恒重，獲取各粒級團聚體質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

團聚體平均重量直徑（MWD）、團聚體幾何平均直 徑（GMD）、水穩(wěn)性團聚體含量（＞0.25 mm，WSA）、 分形維數(shù)（D）和團聚體分散度（PAD）等團聚體穩(wěn)定性指標計算如下：

式中，xi為第i 級團聚體的平均直徑（mm）；yi為第i 級團聚體占土樣總質(zhì)量的百分比；Mi＞0.25為大于0.25 mm 團聚體的質(zhì)量（g）；MT 為水穩(wěn)性團聚體的風干總質(zhì)量（g）；M（r

利用單因素方差分析（LSD）比較不同土地利用類型間各團聚體粒徑、MWD、GMD、WSA、D 和PAD 等的差異，數(shù)據(jù)分析在SPSS 22.0 中進行，作圖在Origin 2018 中進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用團聚體組成

圖 1 不同土地利用形式下土壤各粒徑團聚體的組成

由圖1 和表1 可知，天然林各粒徑團聚體質(zhì)量分數(shù)差異較小，0～0.25 mm 占比最大為19.94%，0.25～0.5 mm 占比最小為10.95%，不同深度各粒徑團聚體變異系數(shù)在10.75%～28.68%，表現(xiàn)出中等程度變異；人工林中＞5 mm 和2～5 mm 團聚體占比約為49%，而0.25～0.5 mm 占比僅為6.81%，隨著土壤深度的變化其中僅2～5 mm 團聚體為弱變異，而其余團聚體粒徑均表現(xiàn)出中等程度變異；坡耕地中＞5 mm 的團聚體占比僅為7.56%，而0～0.25 mm 團聚體占比達32.21%，不同深度土層1～2 mm、0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 團聚體的變異較小，均為弱變異，而＞5 mm 團聚體變異較大，為56.26%；果園中2～5 mm 團聚體占比最高為21.07%，0.25～0.5 mm 占比最低為11.49%，隨著土層深度的變化2～5 mm團聚體變異系數(shù)較小，為9.21%，而＞5 mm 團聚體變異系數(shù)較大，為55.14%。

不同土地利用類型中＞5 mm 和2～5 mm 的團聚體比例均存在顯著性差異（P ＜0.05），人工林具有最大值，坡耕地具有最小值；對于1～2 mm 團聚體的比例，天然林、人工林和果園間不存在顯著性差異 （P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地的；坡耕地中0.5～1 mm 的團聚體比例均顯著大于天然林，而天然林的又顯著大于人工林（P ＜0.05）；對于0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm 的團聚體，坡耕地中的比例均顯著大于其余土地利用類型，而人工林的比例均顯著小于其余土地利用類型（P ＜0.05）。因而，天然林和人工林的團聚體粒徑較大，以＞5 mm 和2～5 mm 為主，而坡耕地和果園的團聚體粒徑以0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm為主。天然林和人工林的根系殘體、林下凋落物較多，根系的分泌物能吸附土壤細顆粒，因而根系的纏繞和固結(jié)作用促進大團聚體的形成；而坡耕地凋落物較少，同時耕作活動易導致大粒徑團聚體瓦解成微團聚體，因而土壤的團聚作用會受到抑制[26-27]。

表1 不同土地利用類型各粒徑團聚體差異性比較 （%）

2.2 土地利用對團聚體平均重量直徑（MWD）的影響

MWD 是團聚體穩(wěn)定性的重要指標之一，其值越大說明土壤團聚度越高，抵抗外界的侵蝕能力愈強，其穩(wěn)定性也越強。不同土地利用方式下土壤團聚體MWD 如圖2 所示，隨著土層深度的增加，人工林MWD 基本保持不變，而天然林、坡耕地和果園的土壤團聚體平均重量直徑逐漸減小，而且隨著土壤深度的增加，4 種類型土地利用方式的MWD 差異越顯著。例如，在0～20 cm 和20～40 cm 土層，天然林和果園MWD 不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地 （P ＜0.05）；在40～60 cm 土層，天然林和果園也不存在顯著性差異（P ＞0.05），但與人工林和坡耕地均存在顯著性差異（P ＜0.05）；而在60～80 cm 和80～100 cm 土層，4 種土地利用類型間MWD 均存在顯著性差異。整體上，天然林和人工林的MWD 顯著高于坡耕地，天然林和人工林的植被覆蓋率高，林冠能有效削弱降雨對地表的侵蝕力，同時地表大量的凋落物進一步減弱坡面流對地表大粒徑團聚體的侵蝕；而坡耕地受人為擾動較大，耕作導致團聚體結(jié)構(gòu)破壞，降低土壤的團聚度，相關學者也得到類似結(jié)論[28]。

圖2 不同土地利用方式下團聚體平均重量直徑（MWD） 差異性比較

2.3 土地利用對團聚體幾何平均直徑（GMD）的影響

團聚體幾何平均直徑（GMD）也是表征土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，其值越大，團聚體穩(wěn)定性越強。如圖3 所示，不同土地利用方式下土壤團聚體GMD 表現(xiàn)出較大的差異。與MWD 類似，隨土層深度的增加，人工林GWD 變化較小，而天然林、坡耕地和果園的GWD 逐漸減小。不同土地利用GWD在0～20 cm、60～80 cm 和80～100 cm 土層表現(xiàn)出相同的趨勢，人工林GWD 均顯著大于其余3 種土地利用 （P ＜0.05），而坡耕地GWD 均顯著小于其余3 種土地利用（P ＜0.05），且天然林和果園的GWD 不存在顯著性差異（P ＞0.05）；而對于20～40 cm 和40～60 cm 土層，GWD 在不同土地利用類型之間均存在顯著性差異（P ＜0.05）。與MWD 類似，不同土地利用間GWD 的差異在一定程度上反應了天然林和人工林的土壤團聚度較高，土壤結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，而由人工林轉(zhuǎn)化來的坡耕地和果園受到耕作等擾動，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性偏低，土壤較易受到侵蝕[29]。

圖3 不同土地利用方式下團聚體幾何平均直徑（GWD） 差異性比較

2.4 土地利用對水穩(wěn)性團聚體（WSA）的影響

水穩(wěn)性團聚體含量也與土壤抵抗侵蝕的能力甚至土壤肥力緊密聯(lián)系。如圖4 所示，在0～20 cm 土層，天然林、人工林和果園的WSA 不存在顯著差異性（P＞0.05），但均顯著大于坡耕地的WSA（P ＜0.05）；在20～40 cm 土層，天然林WSA 顯著大于其余3 類土地利用（P ＜0.05），而坡耕地顯著小于其余3 種土地利用類型；而對于40～60 cm 土層，4 種土地利用的WSA 均存在顯著性差異（P ＜0.05）；WSA 在60～80 cm 和80～100 cm 土層具有一致性，人工林WSA 顯著大于其余3 種土地利用（P ＜0.05），人工林和果園的WSA 不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地（P ＜0.05）。人工林和果園土壤擾動較小，有機質(zhì)含量及微生物活性較高，其膠結(jié)物質(zhì)更有利于將微團聚體聚合為較大團聚體，因而水穩(wěn)性團聚體數(shù)量較高[30]。

圖4 不同土地利用方式下水穩(wěn)性團聚體（WSA） 差異性比較

2.5 土地利用對團聚體分形維數(shù)（D）的影響

土壤團聚體粒徑分形維數(shù)的大小反映了土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的好壞，團聚體分形維數(shù)越小，則說明土壤具有良好的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性。如圖5 所示，在0～20 cm土層，天然林、果園和坡耕地的團聚體分形維數(shù)不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地（P＜0.05）；而在20～40 cm 土層，不同土地利用的團聚體分形維數(shù)均存在顯著性差異（P ＜0.05）；在40～60 cm 土層，人工林和坡耕地的團聚體分形維數(shù)不存在顯著性差異（P ＞0.05），但與天然林和果園均存在顯著性差異（P ＜0.05）；在60～80 cm 和80～100 cm 土層， 天然林和果園的團聚體分形維數(shù)不存在顯著性差異 （P ＞0.05），但均顯著大于人工林和坡耕地（P ＜0.05）。

2.6 土地利用對團聚體分散度（PAD）的影響

圖5 不同土地利用方式下團聚體分形維數(shù)（D）差異性比較

團聚體分散度（PAD）在一定程度上反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也常用來反應團聚體穩(wěn)定性的強弱，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般與PAD 呈現(xiàn)反比的關系，其值越小表明土壤團聚體破壞率越小。如圖6 所示，在不同土層，坡耕地的PAD 均顯著大于其余3 種土地利用類型（P ＜0.05），而且隨著土層深度的增加，不同土地利用類型間的PAD 差異越顯著。在0～20 cm 和20～40 cm，天然林，人工林和果園的PAD 不存在顯著性差異（P ＞0.05），而在40～60 cm 土層，各土地利用類型之間PAD 均存在顯著性差異（P ＜0.05）；在60～80 cm 和80～100 cm 土層，天然林和果園的PAD不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均與人工林和坡耕地存在顯著性差異。整體上，坡耕地的PAD 顯著大于其余3 類土地利用，再次表明坡耕地的土壤結(jié)構(gòu)較差，抵抗土壤侵蝕的能力較差。

圖6 不同土地利用方式下團聚體分散度（PAD）差異性比較

3 結(jié) 論

土地利用和土壤深度可顯著影響花崗巖紅壤團聚體穩(wěn)定性。不同土地利用的團聚體粒徑差異較大，天然林和人工林的團聚體粒徑較大，以＞5 mm 和2～5 mm 為主，而坡耕地和果園的團聚體粒徑以0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm 為主；土地利用對團聚體穩(wěn)定指標平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性團聚體含量（WSA）、分形維數(shù)（D）和團聚體分散度（PAD）也有較大影響，一般情況下，天然林和人工林的土壤團聚度較大，其次為果園，而坡耕地的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。因此，由天然林轉(zhuǎn)化為人工林，團聚體穩(wěn)定性差別不大，但是轉(zhuǎn)化為果園和坡耕地后，由于耕作作用，土壤團聚體遭到破壞，土壤結(jié)構(gòu)變差，土壤較易受到侵蝕。