石漠化区林草恢复与传统农耕对土壤团聚体和有机碳含量的影响

王进, 刘子琦, 张国, 李渊, 鲍恩俣

(贵州师范大学喀斯特研究院， 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心， 贵阳 550001)

石漠化是指在亚热带脆弱喀斯特生态环境背景下，人类不合理的土地利用方式等社会经济活动造成植被破坏、人地矛盾突出、水土流失加剧、岩石裸露、土地生产力下降甚至丧失，地表呈现类似荒漠化景观的过程或结果[1-2]。贵州是我国西南喀斯特最为集中的地区，也是石漠化较为严重的地区之一，贫困人口较为集中[1]，人地矛盾突出，坡地植被一旦被破坏，水土流失作用加剧，导致大量土壤养分、水分流失，土地生产能力锐减[2]，而土壤团聚体对维持土壤结构的稳定性和土壤养分的截留具有重要意义[3]。石漠化已成为制约我国西南喀斯特区社会经济发展的重大生态问题[4]。因此，推进石漠化治理生态恢复，改善土壤结构，提升土壤生产能力，防止水土流失等已是迫在眉睫。张曼夏等[5]研究显示，造林后植被恢复促进了土壤有机碳的恢复，显著增加了土壤大团聚体中有机碳含量占总有机碳量的比例，从而促进团聚体的形成，提高团聚体的稳定性。黄宗胜等[6]研究表明，喀斯特森林的自然恢复有效改善了土壤团聚体结构和土壤有机碳的积累。而翻耕会导致5～8 mm团聚体崩解，受团聚体保护的闭蓄态有机碳释放后，迅速矿化是喀斯特土壤有机碳损失的主要机制[7]。

土壤团聚体是土壤的重要组成部分，是土壤结构的基本单元[8]，团聚体能维持土壤结构，保持土壤养分，影响土壤的生产能力和抗侵蚀能力[9]。土壤团聚体是通过微生物菌丝和细根等含多糖类物质将土壤颗粒粘结在一起形成的结合体。因此，土壤有机碳的含量和性质影响团聚体的形成和稳定性[10]。团聚体的稳定性受有机碳含量、持水性能、紧实度、渗透率、孔隙度、地表径流等各种因素的影响[11]。不同土地利用方式和管理措施通过改变土壤性质和周围环境，进而影响团聚体的形成和稳定性[12]。一些研究表明，不同土地利用方式和管理方式下，土壤团聚体的结构和稳定性存在较大差异。毛艳玲等[13]的研究表明，农业用地不同粒级团聚体有机碳含量显著低于林业用地。姜敏等[14]对丹江口库区的研究表明，林地(人工林和自然林)土壤团聚体稳定性和抗蚀性更好，旱作农地(果园和旱地)土壤团聚结构及其稳定性较弱。可见，土地利用方式对土壤团聚体分布及团聚体有机碳的影响具有重要作用。目前的研究表明，喀斯特石漠化地区生态恢复能够增加土壤有机碳含量[15-16]，但是缺乏相关机制研究。本文通过研究不同石漠化治理方式与传统种植方式土壤团聚体的分布、稳定性和有机碳含量，分析了土壤有机碳增加的机制，以期为石漠化治理区土壤结构改善、土壤碳库维持与提高、区域土地利用调控与管理、生态环境恢复与稳定提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于贵州省关岭县与贞丰县交界处的北盘江河谷两岸，地理坐标为105°36′30″—105°46′30″E，25°39′13″—25°41′00″N。研究区岩石以白云质灰岩和泥质灰岩为主，是典型的喀斯特高原峡谷地貌。地势起伏大，地表裸露破碎，海拔450—1 450 m之间，相对高差1 000 m。该区域年均降雨量1 100 mm，降雨主要分布在5—10月。研究区植被主要以人工林顶坛花椒(Zanthoxylumplanispinumvar. Dintanensis)、火龙果(Hylocereusundulatus)、核桃(Juglansregia)、金银花(Lonicerajaponica)和柚木(Tectonagrandis)以及野生的香椿(Toonasinensis)、救军粮(Pyracanthafortuneana)、光皮桦(Betulaluminifera)等为主。

1.2 土壤样品的采集

2018年5月份在研究区内选择具有代表性的、坡度和坡位基本一致的金银花地、火龙果地、花椒地、玉米地和草地5种土地利用方式样地，样地基本概况见表1，各样地土壤基本理化性质见表2。在5种土地利用方式同一样地各设置3个10 m×10 m的大样方，各样地之间距离大于10 m，在大样方内4个角落及中间设置5个1 m×1 m的小样方。然后，在大样方中选择一条对角线上的3个小样方，并在每个小样方的对角线上挖3个20 cm的土壤剖面并采集样品。样品采集的顺序分别是0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm和15—20 cm。将小样方内同一层的土壤样品混合在一起放入塑料盒子中，保持原有的结构并带回实验室。按照其原有的自然结构剥成能通过8 mm筛子的样品。除去碎石和树根等杂质，待自然风干后，测定土壤团聚体。

表1 样地基本概况Table 1 Basic overview of sampling plots

表2 不同土地利用方式下土壤基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical properties of soil under different land use types

1.3 土壤样品分析

采用湿筛法分析土壤团聚体的粒径分布。具体方法如下：采取100 g风干土放置于团聚体分析仪(XY-100，北京祥宇伟业仪器设备有限公司)套筛最上一层的筛子内。调整桶内水位，使水位恰好能淹没风干土，浸泡5 min后，启动土壤团聚体分析仪，调整为振幅3 cm振动30 min，然后根据孔筛的大小分离出<0.25 mm、0.25～2 mm、2～5 mm、>5 mm 4级团聚体组分。将团聚体套筛轻轻地从桶内移出，放置于试验台上，利用药匙、洗瓶和蒸馏水将团聚体组分从各级筛中先后移至烧杯中，将各级水土混合物转移到已编好号码的铝盒中，放入温度设置为50 ℃的烘箱中烘干。烘干后的各级团聚体组分分别移至称量纸上称重，记录好各级组分的质量，最后将各级组分分别装入编好号码的自封袋中，用于测定土壤团聚体有机碳。有机碳的测定采用重铬酸钾外加热氧化法测定。

1.4 计算公式

①某粒径团聚体组分的质量百分比含量=该级团聚体的质量/各粒径团聚体质量之和的总质量×100%

(1)

②土壤水稳(湿筛)性大团聚体含量(R>0.25)(>0.25 mm的团聚体)计算公式[14]如下。

(2)

式中，M>0.25为大团聚体含量，MT为筛分之前土壤总量。

③平均质量直径(mean weight diameter MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，计算公式[14]如下。

(3)

(4)

④团聚体对土壤有机碳的贡献率=该级团聚体中有机碳含量×该级团聚体百分含量/土壤总有机碳含量×100%[17]

(5)

1.5 数据处理

采用Excel 2013、SPSS 19.0和Origin 2017软件对数据进行相关分析与作图。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成分析

水稳性团聚体组成特征对衡量土壤结构的稳定性具有重要作用，也是表征土壤抗侵蚀能力的主要指标之一。不同样地土壤团聚体分布如表3所示，草地以>5 mm粒级团聚体所占质量分数最高，为51.67%～64.75%，显著高于金银花地、火龙果地、花椒地和玉米地(P<0.05)；且草地在>5 mm粒级团聚体含量分别在0—5 cm和15—20 cm土层中含量最高。火龙果地和花椒地的>5 mm粒级团聚体均以0—5 cm土层含量最高。在2～5 mm粒级中，金银花地土壤团聚体含量最高，为48.89%；而该粒级在0—20 cm土层中表现出金银花地(37.80%)>火龙果地(26.64%)>玉米地(25.30%)>花椒地(22.27%)>草地(17.00%)，玉米地在该粒级中优于花椒地和草地。火龙果地、花椒地和玉米地在0—20 cm土层中土壤团聚体含量均以0.25～2 mm粒级所占比例最高；其中花椒地为46.59%～50.19%，显著高于其他土地利用方式(P<0.05)；玉米地次之，且显著高于<0.25 mm粒级团聚体含量(P<0.05)；火龙果地在0.25～2 mm粒级团聚体含量在各土层中基本一致。5种研究样地在0—20 cm土层中土壤团聚体含量均以<0.25 mm粒级含量最少，且显著低于其他粒级团聚体(P<0.05)。

表3 不同土地利用方式下土壤团聚体分布特征Table 3 Distribution characteristics of soil aggregates under different land use types

2.2 土壤团聚体的稳定性特征

大团聚体(R>0.25)含量及数量的多少与土壤稳定性状况呈正相关关系，是定量评价土壤稳定性的重要指标[18]。土壤团聚体的平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是反映土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD和GMD值越大，表明土壤团聚体的团聚度越高，团聚体的稳定性就越好[19]。由表4可知，随着土层的加深，金银花地R>0.25值逐渐降低，其他样地则无明显规律。在0—20 cm土层内，草地和金银花地的R>0.25、MWD和GMD值均显著高于其他土地利用方式(P<0.05)，其中草地的R>0.25、MWD和GMD平均值分别为92.69%、3.77 mm和2.88 mm，金银花地为90.86%、2.96 mm和2.12 mm；最低为花椒地，分别为85.88%、2.11 mm和1.34 mm，玉米地为86.18%、2.27 mm和1.88 mm。表明草地更有利于提高土壤团聚体稳定性。总体而言，5种样地土壤团聚体稳定性表现出草地>金银花地>火龙果地>玉米地>花椒地。表明除花椒地外，其他样地土壤团聚体稳定性均优于传统种植方式的玉米地，说明林草植被恢复有助于提高土壤结构稳定性，增强土壤抗侵蚀能力，有利于改善喀斯特石漠化地区生态环境。

表4 不同土地利用方式下土壤团聚体的稳定性Table 4 Stability of soil aggregates under different land use types

2.3 土壤团聚体有机碳分布特征

土壤团聚体与土壤有机碳的质量和数量有着密切的关系，有机质是土壤团聚体形成的重要胶结物质[20]，土壤有机碳对团聚体的形成有促进作用，在土壤结构稳定性上起到了积极的作用。同时土壤团聚体又是有机质转化和积累的关键场所，通过物理保护作用有效减少生物对团聚体内部有机碳的分解，对土壤碳汇和肥力具有重要的意义[21-22]。如图1所示，5种样地各粒级土壤团聚体有机碳含量均表现出0—5 cm土层最高，各粒级土壤团聚体有机碳随着土壤深度的增加而降低。在0—5 cm土层中，除金银花地外，其他样地随着团聚体粒级的减小，土壤有机碳先减少后增加。在0—10 cm土层中，金银花地各粒级土壤团聚体有机碳含量均最高，为25.95～36.29 g·kg-1，显著高于其他样地，而玉米地最低，为10.78～20.80 g·kg-1；在10—20 cm土层，最高为金银花地和草地，两者差异性均不显著，而玉米地土壤团聚体有机碳含量相对较低，且与花椒地相应各粒级团聚体有机碳含量均不显著。总体上，土壤团聚体有机碳含量表现为：金银花地>草地>火龙果地>花椒地>玉米地，各粒级团聚体中，大多以0.25～2 mm和<0.25 mm粒级团聚体有机碳含量最高。而玉米地总有机碳含量最低，说明林草植被恢复后不同粒径团聚体和总有机碳含量均有提高，植被恢复、生态环境的改善促进了有机质的恢复，从而促进团聚体的形成，提高团聚体稳定性。因此，在喀斯特石漠化地区应改变传统农耕种植方式，发展经济林产业。

注：同一土地利用方式下不同英文字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义，同一粒径下不同希腊字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different English letters under the same land use type indicate significant difference at P<0.05 level, different Greek letters under the same particle size indicate significant difference at P<0.05 level.图1 不同土地利用方式下土壤剖面土壤团聚体有机碳含量Fig.1 Organic carbon content of soil aggregates in soil profiles under different land use types

2.4 土壤团聚体有机碳贡献率

图2显示，在整个土壤剖面中，草地土壤团聚体有机碳总体上在>5 mm粒级上含量最高，有机碳贡献率为45.92%～62.42%。在0—20 cm土层中，金银花地以2～5 mm粒级团聚体有机碳贡献率最高；火龙果地、花椒地和玉米地则以0.25～2 mm粒级团聚体有机碳贡献率最大，分别为38.22%～41.13%、39.63%～49.17%和32.15%～51.22%。在本研究中，除金银花10—15 cm土层外，其他样地在同一样地不同土层间，不同粒级团聚体对土壤团聚体有机碳的贡献率基本一致。而草地和金银花地有机碳贡献率较大的主要集中在>5 mm粒级和2～5 mm粒级团聚体，而玉米地主要在0.25～2 mm粒级，说明在该石漠化区将传统玉米种植转变为金银花或草地更有利于提高土壤的稳定性和土壤有机碳的积累。

图2 不同土地利用方式下土壤剖面团聚体有机碳贡献率Fig.2 Contribution rate of organic carbon in aggregates of soil profiles under different land use types

3 讨论

3.1 土壤团聚体粒径分布特征及其影响

土壤团聚体形成过程是一个复杂的生物学、物理、化学和生物化学过程[23]。现有研究已明确了土壤团聚体的组成会受到不同土地利用方式影响。本研究结果显示，不同林草植被和传统农作物玉米地土壤团聚体均以<0.25 mm含量最低，表明>0.25 mm粒径是该区域不同土地利用方式下团聚体的主要存在形式。这与李娟等[24]对该区域的研究结果基本一致。张祎等[25]通过研究坡耕地转变为灌木、草地、林地和梯田后土壤团聚体的分布特征得出，大团聚体破碎化降低，土壤结构稳定性增加，微团聚体向中间团聚体和大团聚体转化。本研究中，以玉米地为对照，除花椒地未有明显变化外，草地、金银花地和火龙果地大团聚体均有明显增加。土地利用方式的改变使得土壤管理方式和区域环境的变化，特别是农向林或草的转变，增加枯枝落叶，根系和菌丝以及微生物分解形成粘结物，导致土壤团聚体的分布发生改变[26-27]。这也可能是导致传统农用地转变为经济林地和草地后，大团聚体发生重大变化的主要原因。此外，草地>5 mm团聚体粒径含量明显高于其他土地利用方式，并为玉米地的3.38倍。Tisdall[28]和Oades等[29]研究认为，大团聚体是由微团聚体形成后在根系和菌丝的缠绕作用下形成，而草地受人为扰动较少，可能更有利于>5 mm团聚体的形成。

3.2 土壤团聚体的稳定性及影响

土壤团聚体是土壤的重要组成部分，其结构是土壤肥力的基础，它可以体现出土壤供应养分的能力、持水性和通透性等[30]。MWD和GMD通常是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，>0.25 mm水稳性团聚体的数量越多，质量越高，表明土壤结构稳定性越好，抗侵蚀能力越强[31]。在本研究中，大团聚体>0.25 mm水稳性团聚体含量表现出草地>金银花地>火龙果地>玉米地>花椒地。说明草地土壤结构最好，稳定性最好，抗侵蚀能力最强。且所有土地利用方式大团聚体(>0.25 mm)含量均表现在85%以上，说明5种土地利用方式土壤团粒结构以大团聚体(>0.25 mm)为主。而MWD和GMD的值越高，则表明土壤团聚体稳定性越强[32]。本研究表明，在水稳性团聚体MWD和GMD中都表现出草地>金银花地>火龙果地>玉米地>花椒地，进一步佐证了草地土壤团聚体结构比较稳定。喀斯特石漠化地区是我国土壤侵蚀相对较为严重的地区之一，土壤结构稳定性越好，土壤抗侵蚀能力越强，因此，草地抗侵蚀能力较强。

影响土壤团聚体稳定性的因素很多，主要有土壤有机质、土壤微生物、土地利用方式、管理措施、气候条件等[33]。Tisdall[28]研究表明，人为扰动容易使土壤大团聚体优先遭到破坏继而形成微团聚体。草地和金银花覆盖面积大，受人类活动干扰少，草地和金银花地地表大量凋落物，微生物和根系分解为多糖等胶结物质，促进菌根菌丝等有机胶结物质的生长，有利于菌丝对土壤的缠绕作用，从而促进土壤>0.25 mm团聚体的形成，提高团聚体的稳定性[34]。其次，由于金银花匍匐生长覆盖度好，草地覆盖物较多，降雨对这两种样地的淋溶作用减弱，也有利于提高大团聚体(>0.25 mm)的含量，增强团聚体稳定性[35]。对于火龙果地和花椒地而言，土地使用频率和耕作强度较高，土壤受人类活动干扰较大，团聚体破坏严重，但火龙果地由于人工施肥(农家肥、化肥等)，增加土壤有机质的来源，促进土壤微生物的活动，增进土壤颗粒间的相互胶结作用[36]，最终促进大团聚体(>0.25 mm)的形成，提高土壤团聚体的稳定性。而花椒地施肥较少，难以形成有效的补充。此外，翻耕会导致玉米地大团聚体破碎化，大团聚体数量锐减。因此,5种土地利用方式中，花椒和玉米的土壤团聚体稳定性较差。

3.3 土壤团聚体有机碳的分布及有机碳贡献率特征

在整个土壤剖面中，不同样地土壤各粒级团聚体有机碳含量随着土层深度的加深而减少。这与黄晓强等[37]的研究结果一致，这可能是由于地表积累大量凋落物和动植物残体以及在微生物的分解下有机碳进入土壤中，增加表层不同粒级团聚体的有机碳含量，而随着土层深度的加深，这种作用逐渐减弱，导致土层越深有机碳含量越小。本研究显示，不同土地利用方式下土壤团聚体有机碳含量随着粒径减小而增加，这与谭秋锦等[17]和Arrouays等[38]的研究结果一致，是因为小团聚体中有机和无机胶体紧密结合固持碳，受到更强的物理保护，固持的有机碳不易被微生物分解并释放[38]。而水稳性团聚体有机碳对土壤团聚体有机碳的贡献率，均以大团聚体(R>0.25)贡献最大，<0.25 mm的贡献率较小，这与谭秋锦等[17]和卢凌霄等[39]得出的大团聚体有机碳含量对土壤有机碳贡献率高于小团聚体有机碳的贡献率的结论基本一致。通过对比不同粒级团聚体有机碳的分布特征以及不同土地利用方式对有机碳含量的影响，可以揭示出土壤有机碳的增加机制。本研究中，除花椒地外，金银花地、火龙果地和草地土壤总有机碳和不同粒级团聚体有机碳含量均显著高于农耕地玉米地土壤有机碳含量。相比于金银花地、火龙果地和花椒地，玉米地翻耕会影响有机质的氧化和作物根系生长，从而会影响有机质对团聚体的胶结作用和作物根系的固结作用，以及各粒级团聚体结合有机碳的含量，进而减少了各粒级团聚体有机碳含量和总有机碳量[40]。其次，玉米地地表光秃，地表土壤入渗率和吸水量降低，降雨会使大团聚体溅散，而且地表产生的超渗径流还会进一步冲蚀表土，致使大团聚体遭到破坏，团聚体内部有机质矿化，进一步减少有机质含量[41]。

在本研究中，土壤总有机碳含量和各粒级团聚体有机碳含量均表现出金银花地>草地>火龙果地>花椒地>玉米地，这是由于金银花地和草地受人类活动干扰较少有关，土壤团聚体稳定性较强，同时金银花地和草地表层大量的凋落物被微生物降解给土壤带来丰富的有机质，补充土壤有机碳含量。相对而言，由于火龙果地和花椒地人为干扰较多，水稳性大团聚体(>0.25 mm)遭到破坏导致团聚体稳定性降低，同时大团聚体的破碎导致活性有机质释放并提高微生物活性，土壤有机质又被微生物消耗，从而导致有机质含量下降[32]。其次，果农在管理火龙果和花椒的过程中，花椒果实采摘会将枝叶与果实一同修剪带走，减少了火龙果地和花椒地土壤有机物质的投入，而单一的施肥不能有效提高土壤有机碳，因此会使土壤有机碳含量降低。