黄淮地区不同土地利用方式下土壤团聚体特征*

2019-10-10陈胜要陈居田朱利霞

云南师范大学学报（自然科学版） 2019年5期

陈胜要，陈居田，朱利霞

(周口师范学院生命科学与农学学院,河南周口 466001)

土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，其形成不仅是自然过程，而且受人类活动(耕作和种植等)的严重影响[1].土壤颗粒胶结力强，则土壤结构相对稳定，对水流的冲刷可抵抗破坏的能力也较强，对作物生长季水土保持具有积极作用.随着土地利用的集约化程度加强，土壤退化已经成为普遍关注的问题之一，表现尤为明显的是土壤团聚体稳定性的下降.土地利用过程是人类干预土壤肥力最重要且最直接的活动，进而对土壤团聚体和稳定性也有一定的影响，并可导致水土流失和土壤肥力下降[2].由于不同土地利用方式对水土流失有不同的阻截作用，土地利用方式的改变可能使土壤更易遭受侵蚀进而改变土壤性质及影响土壤生产力[3].在黄土丘陵区的研究表明土壤团聚体稳定性的顺序为人工林地>人工草地>农田[4]；姜敏等[5]研究也发现自然状态下林地的土壤团聚体整体稳定性比耕地和草地要高.刘梦云等[6]在黄土台塬的研究也得到类似的结论.长期耕作会减少土壤大团聚体含量，降低土壤团聚体稳定性，不利于土壤结构的维持.因此，研究不同土地利用方式土壤团聚体的组成及稳定性特征对于土地的合理利用有积极意义.

黄淮地区作为我国一个重要的粮食产区，在粮食安全保障中具有重要的作用.然而，目前有关不同土地利用方式对黄淮平原潮土团聚体稳定性的研究较少.因此，本研究以黄淮地区不同土地利用方式土壤为研究对象，分析土壤颗粒组成及团聚体的稳定性，以期为定量评价土壤物理性状的退化程度理解不同土地利用方式下土壤的生态功能提高理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

供试土壤采自河南省周口市，位于黄淮平原，气候类型为暖温带半湿润季风气候.土壤为潮土和砂姜黑土，土地利用方式主要有耕地、草地和林地.

1.2 土壤采集与处理

于2019年3月选取三种利用方式土壤(耕地、林地和草地)，每种土地利用类型中设置5个临时样地，同一样地内采用5点取样法采集0-100 cm土层原状土，带回实验室，自然风干后剔除土壤中的杂质，备用.

1.3 测定方法

采用干筛法与湿筛法测定土壤团聚体组成及其稳定性.

干筛法：称取100 g风干土样，通过一套直径20 cm，高度5 cm的振荡筛(套筛直径为5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm)，底层安放底盒，顶部盖筛盖，用振荡式筛分仪在200次/min下振荡2 min.筛取完成后土样分成>5 mm、2-5 mm、1-2 mm、0.5-1 mm、0.25-0.5 mm和<0.25 mm粒级的团聚体，分别收集称重.

湿筛法：振荡筛的各个土筛按照从上到下的顺序(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm)放置好，然后摆放入湿筛桶，称取100 g风干土样平铺于最上层筛面上，然后沿着桶壁缓慢加入去离子水，使最上层筛子中团聚体刚好浸没在水面以下，浸润10 min后，以30次/min的频率振荡5 min，之后将各筛面上的水稳性团聚体分别冲洗至已称重的容器中，40 ℃烘干，称重，得到不同粒级土壤团聚体的重量.

1.4 数据计算

1)土壤团聚体平均重量直径(MWD)表示为[5]：

(1)

2)土壤团聚体几何平均直径(GMD)表示为[5]：

(2)

3)以>0.25 mm的团聚体为大团聚体，用R0.25表示.计算公式表示为[5]：

(3)

4)土壤团聚体破坏率(PAD)计算公式[5]：

PAD= (DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

(4)

公式(1)和(2)中wi表示为某一粒径团聚体的重量百分比，xi为某一粒径团聚体的平均直径；(3)中MT表示土壤筛分前总重量；(4)中PAD为团聚体破坏率(%)，DR0.25为> 0.25 mm机械稳定性团聚体含量(%)，WR0.25为> 0.25 mm水稳定性团聚体含量(%).

数据采用Microsoft Excel 2019和SPSS 24进行整理和统计分析，用单因素方差分析进行数据间的分析比较，采用最小显著差法比较其显著性差异，显著性水平P<0.05.

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成分析

干筛条件下不同土地利用方式土壤团聚体机械稳定性组成见表1.不同土层不同土地利用方式对土壤团聚体组成的影响有较大差异.>5 mm团聚体含量介于6.48%～78.80%之间，而<0.25 mm团聚体含量范围为0.72%～68.56%.0-60 cm土层>5 mm团聚体含量表现为草地>林地>耕地，而60-100 cm土层林地土壤>5 mm团聚体最高.在0-60 cm和80-100 cm土层耕地土壤<0.25 mm团聚体显著高于草地和林地，在60-80 cm土层<0.25 mm团聚体含量表现为草地>耕地>林地(P<0.05).

湿筛条件下，不同土地利用方式土壤水稳性团聚体含量差异明显，各土层<0.25 mm团聚体含量最高，介于36.07%～96.57%之间(见表2).在0-40 cm和60-100土层林地土壤>5 mm团聚体含量显著高于草地和耕地，而40-60 cm土层林地和草地土壤>5 mm团聚体含量无差异，且显著高于耕地.在0-100 cm土层，耕地土壤<0.25 mm团聚体含量均在85%以上，在0-60 cm和80-100 cm土层耕地土壤<0.25 mm团聚体含量显著高于草地和林地，而60-80 cm土层耕地和草地<0.25 mm团聚体无显著差异.

表1 干筛条件下不同土地利用方式土壤团聚体组成

同一土层同列不同字母表示不同土地利用方式间差异显著(P<0.05),下同.

表2 湿筛条件下不同土地利用方式土壤团聚体组成

如表3所示，干筛条件下，不同利用方式土壤DR0.25在0-40 cm和60-80cm土层草地和林地无显著差异，但均显著高于耕地土壤；在40-60 cm和80-100 cm土层林地土壤DR0.25显著高于草地和耕地.湿筛条件下，0-20 cm和40-100 cm土层林地土壤WR0.25均显著高于草地和耕地，而20-40 cm土层草地土壤WR0.25显著高于林地和耕地.在0-60 cm土层，PAD值均表现为耕地>草地>林地，在60-100 cm土层，不同土地利用方式土壤PAD值无显著差异.

表3 干筛和湿筛条件下R0.25及团聚体破坏率

2.2 土壤团聚体稳定性分析

由表4可知，在干筛条件下，各土地利用方式土壤团聚体MWD在不同土层中有明显差异.不同土地利用方式下0-60 cm土层MWD值具有显著差异，草地土壤MWD值最大；60-80 cm土层耕地和草地MWD值无显著差异，且明显低于林地，80-100 cm土层林地和草地MWD无显著差异，且明显高于耕地.在0-80 cm土层不同土地利用方式土壤GMD具有显著差异，0-20 cm土层表现为林地>草地>耕地，20-80 cm土层GMD值则表现为草地>林地>耕地；80-100 cm土层林地和草地GMD值无显著差异，且明显高于耕地(表4).

表4 干筛条件下不同土地利用方式土壤团聚体MWD和GMD

表5为湿筛条件下不同土地利用方式下土壤团聚体MWD和GMD.在0-100 cm土层，林地土壤MWD值均显著高于草地和耕地，其中0-20 cm土层林地土壤MWD值较耕地显著增加2.67倍，而20-40 cm土层林地土壤MWD值较耕地显著增加4.52倍.除40-60 cm土层外，林地土壤GMD值显著高于草地和耕地.

表5 湿筛条件下不同土地利用方式土壤团聚体MWD和GMD

3 讨论

采用干筛法和湿筛法相结合分析土壤团聚体粒径组成和稳定性.在干筛条件下，耕地土壤机械稳定性R0.25低于林地和草地，这与陈超[7]的研究结果类似.湿筛条件下，不同土地利用方式土壤大团聚体含量也呈现出林地和草地明显优于耕地的趋势.这可能是因为林地和草地受人为扰动较小，而耕地由于土壤受到长期耕作和翻动，导致大团聚体破碎成较小的团聚体[8].另外，草地表层分布大量的枯枝落叶和根系，可为微生物提供碳源，增加微生物量，形成土壤团聚体黏合剂，增加大团聚体含量和稳定性[9]；林地则具有大量的枯枝落叶层，为土壤提供大量的腐殖质和碳源，增加土壤团聚程度，提高其团聚体稳定性.机械稳定性R0.25明显高于水稳性R0.25，这可能是因为在湿筛中非水稳性的大团聚体容易破碎形成小粒径的团聚体，说明湿筛法结果相对干筛法重现性更好，更能真实反映土壤团聚体组成及其稳定性[10].

土壤团聚体MWD和GMD值越大表明土壤团聚体稳定性越好，土壤团聚程度越高.本研究干筛法和湿筛法所得结果中耕地MWD值和GMD值均明显低于林地和草地，这与刘鹏等[11]研究结果相似.胡尧等[13]也证明受人为扰动较大的耕地其稳定性较差，而受人为扰动较小的林地和撂荒地稳定性较好.其原因可能是耕地相比于草地或林地，耕作频率和使用强度较高，土壤得不到休息，造成团聚体稳定性变差[14]；林地MWD值高则是由于其生态系统较为原生，土壤有机质含量高，土壤团聚作用较强，土壤团聚体稳定性也较高[4].PAD值是湿筛后破碎的团聚体比率，其数值越小，土壤结构越稳定.本研究中耕地PAD值高于林地和草地，这也表明耕地土壤团聚体稳定性较差.耕地团聚体遇水最易遭到破坏，可能与人工生态系统较脆弱有关，人工生态系统需要大量的管理、维护、施肥，取样时作物大部分已经收割，耕地上没有及时补中或轮种其他作物[14]；而林地和草地土壤土壤结构稳定性好，在外力(水)的作用下破坏程度较低[15].