土地利用方式對喀斯特峽谷區(qū)土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

肖盛楊，舒英格

（1.貴州省山地資源研究所，貴陽550001；2.貴州大學 農學院，貴陽550025）

0 引 言

【研究意義】土壤水穩(wěn)性團聚體是評價土壤結構穩(wěn)定性、抗侵蝕性和徑流產(chǎn)生的關鍵指標，對防治土壤表層發(fā)生侵蝕和水土流失至關重要[1-2]。喀斯特峽谷區(qū)在喀斯特高原、峰叢洼地、槽谷等八大喀斯特地貌類型中面積較大，主要位于云、貴高原內的南、北盤江河谷地帶[3]。該區(qū)地表裸露、土層較薄、生態(tài)環(huán)境較脆弱，由于不合理的土地利用，土壤結構變差，水土流失嚴重，最后石漠化問題凸顯，土壤質量惡化[4]。因此，全面評價不同土地利用方式對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響，對該區(qū)土壤結構穩(wěn)定性、土壤侵蝕退化以及土壤質量恢復具有重要的科學意義。

【研究進展】相比于喀斯特高原、峰叢洼地、槽谷等喀斯特地貌類型，喀斯特峽谷區(qū)錐、塔峰喀斯特地貌不發(fā)育，是南、北盤江及其主要支流挽近地質時期的強烈下切，沒有足夠長的地形穩(wěn)定期，以裸露型喀斯特為主，夷平面上的丘陵坡地下部為覆蓋型喀斯特[3]。該區(qū)以高強度農業(yè)活動為主，導致石漠化面積較大，植被群落穩(wěn)定性差，土壤退化嚴重。目前喀斯特峽谷區(qū)的研究主要集中在土壤養(yǎng)分[5-6]、土壤微生物活性[7]、土壤抗蝕性[8-9]、土壤質量[10]等方面。不同土地利用方式對團聚體的粒徑分布及穩(wěn)定性的影響一直是研究的熱點。不同土地利用方式因其植被類型與管理方式的差異改變土壤動物、微生物以及枯枝落葉的數(shù)量與性質，從而導致土壤性質的差異，影響土壤團聚體穩(wěn)定性[11]。如：李會等[12]研究了喀斯特高原區(qū)土壤抗蝕性對不同土地利用方式的響應，發(fā)現(xiàn)稀疏灌叢地和灌草地土壤結構破壞率極低，水穩(wěn)性團聚體質量分數(shù)較高。楊慧等[13]研究了桂林峰叢洼地區(qū)不同土地利用方式對土壤水穩(wěn)性團聚體特征的影響，發(fā)現(xiàn)灌叢和林地2 種自然土壤明顯提高了土壤團聚體穩(wěn)定性。羅曉虹等[14]對重慶市北碚區(qū)喀斯特槽谷區(qū)6 種土地利用方式對土壤團聚體穩(wěn)定性和有機碳量的影響研究發(fā)現(xiàn)，竹林和荒草地土壤團聚體穩(wěn)定性較好。【切入點】長期以來，對喀斯特地區(qū)退耕還草地和林草間作模式下水穩(wěn)性團聚體研究較少?？λ固貚{谷區(qū)是我國西南生態(tài)安全屏障關鍵區(qū)域和生態(tài)文明建設核心區(qū)域的重要組成部分，目前對該區(qū)域各種土地利用方式下的水穩(wěn)性團聚體特征及其物理保護機制仍不清楚?！緮M解決的關鍵問題】為此，本文以喀斯特峽谷區(qū)不同土地利用方式的土壤為研究對象，運用分形理論、相關性分析及敏感性分析，系統(tǒng)評價不同土地利用方式變化對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響，并分析二者之間的相互關系。研究結果為喀斯特峽谷區(qū)土壤結構穩(wěn)定性、土壤侵蝕退化以及選擇合適的土地利用方式恢復土壤質量提供科學依據(jù)和應用指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省晴隆縣蓮城鎮(zhèn)和光照鎮(zhèn)，地理坐標為25°49′—25°51′N，105°11′—105°15′E，平均海拔為1 478 m，屬于高原亞熱帶季風氣候，年均日照時間為1 462 h，年均氣溫約14 ℃，總降水量在1 500～1 600 mm，無霜期約320 d，是典型的喀斯特峽谷區(qū)。巖性主要為石灰?guī)r，且地表層為第四系薄層沉積物。土壤主要以石灰土為主，土層較薄，土壤質地較黏，多為壤質黏土和黏壤土。該區(qū)屬于貴州省內典型的高山石漠化貧困地區(qū)，耕地多呈條狀形小塊坡地，保水保肥能力差，自然災害頻繁，石漠化面積占全縣土地總面積的66.7%。

1.2 樣品采集與處理

研究區(qū)是典型石漠化治理示范區(qū)，目前主要以退耕還草和林草間作2 種恢復措施為主。根據(jù)研究區(qū)域的主要植被和土地管理方式，選擇具有代表性的4 種土地利用方式，以耕地為對照，其中荒草地植被有三葉草（Trifolium repens）、車前草（Plantaginaceae）、淡竹葉（Lophatherum gracile）、青蒿（Artemisia caruifolia）等；退耕還草地恢復之前多為有長期耕作歷史的坡耕地，水土流失較嚴重，退耕還草模式實施后，生態(tài)環(huán)境恢復良好，主要種植皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和黑麥草（Lolium perenne）為主，退耕年限8～10 a；林草間作地多為草本與喬木相間生長，喬木散生，植株較高，研究區(qū)以柏樹（Platycladus orientalists）與茅草（Stipa bungeane）間作和楸樹（Catalpa bungei C.A.Mey.）與黑麥草為主，種植年限10 a 左右；耕地均為旱地，長期進行耕作并常規(guī)施肥，主要種植玉米（Zea mays）和烤煙（Nicotiana tabacum）。于2018年1月在晴隆縣根據(jù)植被類型選取典型的石灰土耕地、退耕還草地、荒草地、林草間作地等不同生態(tài)恢復模式為研究對象，其中耕地為對照，選取典型地塊設置不同生態(tài)恢復模式土壤剖面，在土壤母質上面自下到上采用溝槽方式采集距地面0～10、10～20 cm、20 cm～母巖，剖面深度根據(jù)土體深度確定，以開挖到母巖（基巖）為止，同層土混合為一個樣品。本研究共采集13 個剖面39 個土樣，其中耕地3 個剖面9 個土樣，退耕還草地4 個剖面12 個土樣，荒草地3 個剖面9 個土樣，林草間作地3個剖面9 個土樣。樣地情況見表1。

1.3 測試項目及方法

1.3.1 土壤水穩(wěn)性團聚體的測定

將采回的原裝土樣沿著土壤自然結構面剝成直徑約10～20 mm 大小的小土塊，除去植物殘體、小石塊以及動物遺體，自然風干后，通過5、2、1、0.5、0.25 mm 的篩組進行干篩，然后根據(jù)干篩求得的各級團聚體的百分量，把干篩分取的風干土按比例配成100 g 得到濕篩樣品，再將所得的100 g 土樣放置于水桶中的套篩（孔徑依次為5、2、1、0.5 和0.25 mm）頂部，開啟震蕩儀振蕩30 min，最后將各粒級土壤烘干稱質量[15]。

表1 土壤采樣點基本信息Table 1 Basic information of sampling sites

1.3.2 土壤理化性質的測定

土壤體積質量采用環(huán)刀法測定；土壤機械組成采用比重計速測法測定；土壤pH 值采用電位計法，水土比為（2.5∶1）測定；有機質采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法[15]。

1.3.3 穩(wěn)定性指標及敏感性指標計算

1）平均重量直徑：

式中：Wi為某粒級團聚體的質量比（%）為某粒級的平均直徑（mm）。

2）幾何平均直徑：

式中：GMD幾何平均直徑（mm）；wi為某一粒級水穩(wěn)性團聚體質量（%）；xi為某一粒級團聚體平均直徑（mm）。

3）土壤團聚體分形維數(shù)FD：

式中：M(r＜為粒徑小于的團聚體的質量（%）；Mt為測定團聚體的總質量（%）；Xmax為團聚體的最大直徑；FD為分形維數(shù)。

4）土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性特征參數(shù)的敏感性分析

為了減少土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性評價指標的選取，提高工作效率，通過對團聚體穩(wěn)定性特征的參數(shù)進行了敏感性計算，敏感性指標值越大，越能較好反映土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性。

計算式[16]為：

1.3.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Office 2016 和SPSS 19.0 進行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 19.0 進行單因素方差分析和相關性分析、Origin 9.0 軟件進行作圖。不同土地利用方式之間多重比較采用Duncan 新復極差方法，然后經(jīng)過t檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團聚體量的分布特征

不同土地利用方式對土壤水穩(wěn)性團聚體各粒徑量分布有很大的影響（表2）。不同土地利用方式下主要以＞2 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體為優(yōu)勢級別，＜0.25 mm 粒徑次之，0.25～0.5 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體量最低，說明研究區(qū)土壤總體結構性能普遍不好。在0～10 cm 土層，耕地和退耕還草地土壤水穩(wěn)性團聚體量組成總體上隨粒徑的減小呈先增加后降低再增加趨勢，荒草地和林草間作地土壤水穩(wěn)性團聚體量則隨著粒徑的減小呈先減少后增加趨勢。在10～20 cm 和20 cm～母質層，不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性團聚體量總體上隨粒徑的減小呈先增加后減少再增加的波浪形變化趨勢。在0～10 cm 和10～20 cm 土層，＞2 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量變化均為林草間作地＞荒草地＞退耕還草地＞耕地；在20 cm～母質層，＞2 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體量變化為林草間作地＞荒草地＞耕地＞退耕還草地。0～20 cm 土層，不同土地利用方式下同粒級土壤團聚體量存在部分差異顯著；而同一土地利用方式下不同粒級土壤團聚體量差異顯著；20 cm～母質層，不同土地利用方式下不同粒級土壤團聚體量差異不顯著，說明不同土地利用方式對表層土壤各粒級水穩(wěn)性團聚體量分布的影響較大。

表2 不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性團聚體量分布特征Table 2 The contents of soil water-stable aggregates under different land-use patterns

＞0.25 mm 水穩(wěn)性大團聚體量既是衡量土壤抗蝕性的重要指標，也是評價土壤質量的關鍵因子，其數(shù)量越多，土壤結構性越穩(wěn)定；而＜0.25 mm 水穩(wěn)性微團聚體量過多會影響土壤通氣透水性和微生物活性。由表2 可知，在0～10 cm 和10～20 cm 土層，相對于耕地，退耕還草地、荒草地和林草間作地水穩(wěn)性大團聚體量分別增加8.19%、9.78%、13.97%和15.17%、17.98%、13.86%。隨著土層深度的增加，耕地水穩(wěn)性大團聚體量呈先減少后增加趨勢，＜0.25 mm 水穩(wěn)性微團聚體量呈先增加后減少趨勢；隨土層深度的增加，退耕還草地和荒草地水穩(wěn)性大團聚體量先增加后減少；林草間作地水穩(wěn)性大團聚體量先減少后增加。在20 cm～母質層中，耕地土壤水穩(wěn)性大團聚體量高于表層土，主要是由于該層次受到耕作等外界影響少，破壞??；耕還草地、荒草地和林草間作地土壤水穩(wěn)性大團聚體量低于表層土壤，原因是底層土壤根系減少，微生物活動較弱，有機質量低，導致土壤團聚體水穩(wěn)性下降。

2.2 土壤水穩(wěn)性團聚體MWD 和GMD 的變化特征

由表3 可知，不同土地利用方式下土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD的差異主要體現(xiàn)在0～20 cm 表層土壤，大體上表現(xiàn)為林草間作地＞荒草地＞退耕還草地＞耕地，與＞0.25 mm 粒徑量分布一致。與耕地相比，林草間作地顯著大于耕地（P＜0.05），退耕還草地、荒草地和林草間作地團聚體MWD和GMD在0～10 cm 土層分別提高了33.04%、69.20%、82.14%和6.47%、31.65%、58.99%；在10～20 cm 土層分別提高了51.39%、51.39%、30.56%和35.29%、43.70%、222.69%；20 cm～母質層各土地利用方式間MWD和GMD的差異不顯著。

表3 土壤水穩(wěn)性團聚體MWD 和GMDTable 3 GMD and MWD of water-stable aggregates

隨著土層厚度的加深，荒草地土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD呈逐漸下降的趨勢，退耕還草地呈先增加后減小，林草間作地和耕地呈先減少后增加，而耕地MWD和GMD各土層間無顯著差異。退耕還草地10～20 cm 土層MWD和GMD值分別高于0～10 cm和20 cm～母質層9.73%、39.15%和8.78%、47.71%倍；林草間作地基本表現(xiàn)為0～10 cm 土層顯著高于10～20 cm（P＜0.05）。因此，不同土地利用方式，0～10 cm表層土壤，林草間作地土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性強于其他土地利用方式，耕地土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性最差；20 cm～母質層，不同土地利用方式下團聚體MWD和GMD差異均不顯著（表3）。

2.3 土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)（FD）

由圖1 可知，研究區(qū)不同土地利用方式土壤水穩(wěn)性團聚體FD的范圍在2.27～2.85 之間，在0～10 cm土層和20 cm～母質層，不同土地利用方式下FD表現(xiàn)為耕地＞退耕還草地＞荒草地＞林草間作地，其中0～10 cm 土層，耕地高于退耕還草地、荒草地和林草間作地4.81%、18.13%和20.43%，且顯著高于林草間作地（P＜0.05）；20 cm～母質層，不同土地利用方式間FD差異不顯著。在10～20 cm 土層，不同土地利用方式下FD表現(xiàn)為耕地＞林草間作地＞荒草地＞退耕還草地，這與GMD和MWD的變化趨勢相反。在剖面上，隨土層深度增加，耕地和林草間作地土壤水穩(wěn)性團聚體FD均呈先增加后降低，退耕還草地呈先降低后增加趨勢，荒草地呈逐漸增加的趨勢。

圖1 土壤水穩(wěn)性團聚體的FDFig.1 FD of water-stable aggregates

表4 土壤水穩(wěn)定性團聚體各參數(shù)間相關性分析Table 4 Correlation analysis of soil water stable aggregate parameters

2.4 土壤水穩(wěn)性團聚體各參數(shù)間相關性分析

相關性結果表明（表4），水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD值均與FD值呈極顯著負相關，其相關系數(shù)分別為-0.964 和-0.931，說明土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值越大，F(xiàn)D值越小。MWD和GMD值均與1～2、0.5～1、＜0.25 mm 粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體量間呈極顯著負相關關系，與2～5 mm 和0.25～0.5 mm 粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體呈負相關性但不顯著；但＞5 mm 粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體與MWD和GMD均極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.963 和0.916。土壤水穩(wěn)性團聚體FD值與2～5、1～2、0.5～1、＜0.25 mm 粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體量間呈極顯著正相關關系，與＞5 mm 粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體呈極顯著負相關關系（-0.997**）。由此可知，水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD和FD值與各粒徑團聚體量的正負相關性以5 mm 粒徑為界。

2.5 土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性指標敏感性分析

由表5 可以看出，GMD的敏感性值在整個土壤剖面上都是最高的，在0～10 cm 土層分別高出MWD和FD的51.02%和362.50%；10～20 cm 土層分別高出MWD和FD的5.79%和228.21%；20 cm～母質層分別高出MWD和FD的8.78%和436.67%。FD在整個土壤剖面上的敏感性值均較低。因此，GMD能夠較好地描述該研究區(qū)整個剖面土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性；而FD作為評價土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性特征的指標效果較差。

表5 土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性指標的敏感性Table 5 Sensitivity analysis of soil water stable aggregate stability index

3 討論

不同土地利用方式會改變土壤的微環(huán)境，進而對土壤水穩(wěn)性團聚體分布及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[17]。研究發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm 土層，與耕地相比，林草間作地、荒草地和退耕還草地＞2 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體量出現(xiàn)不同幅度上升，可能是小粒徑團聚體向粒徑更大團聚體聚合過程提高了土壤團聚體的水穩(wěn)性，改善了土壤的結構[18]。而水穩(wěn)性大團聚體量也是耕地最低，說明耕地土壤結構狀態(tài)相對較差，土壤出現(xiàn)了明顯的“疲勞”癥狀。這與肖霜霜等[19]在喀斯特峰叢洼地區(qū)的研究結果一致，由于耕地沒有灌木林地和草地的地表枯落物來增加有機質來源，加之耕作干擾破壞了耕地表層土較大團聚體，促使土壤原先的有機質氧化分解，最終有機膠結物質減少，土壤團聚體形成作用減弱[20-21]。而灌木林地和草地土壤干擾程度較低，減少有機質氧化分解，減緩了有機質的周轉速度，土壤有機質有明顯增加（表1），增強土壤水穩(wěn)性團聚體團聚的膠結性。因此，在喀斯特峽谷區(qū)的耕地多為坡耕地的情況下，土壤團聚體結構性較差，抗蝕能力弱，有必要實行退耕。隨著土層深度的增加，退耕還草地和荒草地水穩(wěn)性大團聚體量先增加后減少的趨勢，10～20 cm 土層水穩(wěn)性大團聚體量最高。該結果與劉夢云等[22]和李欣雨等[23]研究結果不一致，可能是隨著土層深度的加深，荒草地和退耕還草地在10～20 cm土層分布大量根系，植物根系對土壤具有機械固持、改良土壤結構和改善土壤結構的功能，以及根系分泌的有機物質對土壤顆粒團聚過程起重要作用[24-25]。

土地利用方式的變化也會影響土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。土壤的MWD和GMD是表征土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性以及物理性質優(yōu)劣的指標，其值越大，表明團聚體結構性越穩(wěn)定，物理特性越好[26]。在0～10 cm 土層，與耕地相比，其他3 種土地利用方式水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD值均有不同幅度的增加，且林草間作地顯著（P＜0.05）增加了82.14%和58.99%。主要是一方面耕地常年采用玉米與烤煙輪作，耕作頻率和使用強度較高，土壤處于長期運作過程，土壤結構極易遭受破壞[27]；加之雨水沖刷，土壤表層大團聚體被分散，土壤結構穩(wěn)定性變差[28-29]；另一方面林草間作地和草地枯枝落葉回歸土壤，減少了雨水對土壤的沖刷，維持土壤有機質量水平和微生物種群數(shù)量，對土壤水穩(wěn)性團聚體的形成極其重要[30]。在10～20 cm土層，土壤的MWD和GMD值大小為荒草地＞退耕還草地＞林草間作地＞耕地，這可能與植物的根系數(shù)量和根系分泌物有關，具體原因有待進一步研究。

本研究還發(fā)現(xiàn)，水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD和FD值與各粒徑團聚體量的正負相關性以5 mm 粒徑為界。這與史正軍等[31]和姜敏等[32]在非喀斯特地區(qū)的研究結果類似，說明喀斯特地區(qū)與非喀斯特地區(qū)在土壤團聚化過程中，土壤水穩(wěn)性團聚體從微團聚體（＜0.25 mm）向大粒徑團聚體（＞5 mm）的轉化過程中，5 mm 粒徑是較為關鍵的臨界點，影響土壤團聚體穩(wěn)定性和土壤結構性。因此，可將＞5 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體作為土壤團聚化過程的特征團聚體。

4 結論

1）不同土地利用方式均以＞0.25 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體為主，其量變化為林草間作地＞荒草地＞退耕還草地＞耕地；總體上隨著粒徑的減小呈先增加后減少再增加趨勢；隨著土層深度增加，耕地土壤水穩(wěn)性大團聚體呈先減少后增加趨勢，其余3 種土地利用方式呈先增加后減少趨勢。

2）不同土地利用方式下，林草間作地土壤水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD相對較高，F(xiàn)D值相對較低，土壤結構穩(wěn)定性較好，抗蝕能力較強；在0～20 cm 土層，土壤各粒級水穩(wěn)性團聚體量分布及穩(wěn)定性差異具有一定顯著相關性，20 cm～母質層差異不顯著。

3）土壤團聚體從微團聚體（＜0.25 mm）向大粒徑團聚體（＞5 mm）的轉化過程中，5 mm 粒徑是較為關鍵的臨界點。

4）GMD的敏感度相對于MWD和FD在整個土壤剖面上值是最高的，能夠較靈敏地描述喀斯特峽谷區(qū)整個剖面土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性，可以作為今后喀斯特峽谷區(qū)整個土壤剖面土壤團聚體穩(wěn)定性的表征指標。