黄土丘陵沟壑区不同年限苜蓿地土壤水稳性团聚体分布特征及稳定性研究

海 龙，姚 拓，张春红，张文明，李林芝，路永莉

(1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学草业学院草业生态系统教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤中物质和能量转化的场所，其组成和稳定性是土壤结构变化的重要指示因子，能对土壤孔隙状况以及水、肥、气、热产生重要影响[1-2]。目前，评价团聚体稳定性的指标主要有大团聚体含量、土壤平均质量直径、几何平均直径以及分形维数等[3]。一般认为，大团聚体含量、土壤平均质量直径和几何平均直径越大，土壤团聚体分布状况与稳定性越好[4]。而分形维数越小，土壤结构的稳定性越好，抗蚀能力越强[3]。因此，土壤团聚体的组成和稳定性决定了土壤的可侵蚀性[5]，其不仅受土壤质地、有机及无机胶结物影响，很大程度上也受土壤环境变化、植被类型以及人为生产活动的强烈影响[6]。

黄土高原是世界黄土分布最典型的区域，具有独特侵蚀沟壑地貌，极易发生侵蚀，是世界上水土流失最为严重和生态环境最脆弱的地区之一。解决黄土高原的水土流失问题，主要是防治土壤侵蚀，提高土壤的抗侵蚀能力[7]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是一种广泛栽培的优质多年生豆科牧草，对修复该地区的脆弱生态环境、改良土壤结构、提高土壤肥力，以及水土保持等方面都发挥着积极作用[8]。随着种植业和养殖业结构调整，苜蓿种植面积逐年扩大，有效弥补了天然草场的不足，已成为黄土高原重要的草地生态系统[9-10]。然而，目前苜蓿草地的研究主要多集中在生产的可持续性和土壤水分方面，对土壤结构性质方面的研究也有报导[11-14]，但都尚未将土壤结构稳定性与无机、有机粘结剂联合起来比较分析，尤其是在陇西地区人工草地苜蓿种植年限对土壤结构特性影响方面的研究未见报道。为此，本研究以黄土丘陵沟壑陇西地区不同种植年限苜蓿草地土壤为研究对象，以农田土壤为对照，应用湿筛法分析土壤团聚体分布特征、稳定性及其变化趋势，并分析了土壤无机、有机粘结剂与团聚体稳定性的关系，探讨苜蓿种植对该区域土壤质量的影响，为黄土丘陵沟壑区苜蓿草地持续利用、防止土壤质量退化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验选在黄土高原丘陵沟壑区的甘肃省定西市陇西县，属大陆性温带半干旱季风气候。平均海拔1 673 m，年均降水量445.8 mm，降水主要集中在6—9月份，年均气温7.7℃，无霜期146 d。试验地土壤类型为黄绵土，近似于半干润淡色始成土(Ustochnept)，相对应于FAO分类系统中的钙积始成土(CalcicCambisols)，成土母质为第四纪风成黄土。

1.2 样品采集

在野外实地调查的基础上，采用空间分布代替时间序列的方法，综合考虑坡向、坡位，于2018年5月选取了自然生态条件相同，种植年限分别为3、7、12、18 a的紫花苜蓿草地为研究对象，种植面积均在200 m2以上。每个样地随机布设3个典型样方( 5 m ×5 m)，每个样方设置3个样点，逐层采集0～20、20～40、40～60 cm土层原状土柱样品，每一样方取3个样点的相同土层组成一个混合样，装入硬质塑料盒中。基于从农田更替为苜蓿草地，在苜蓿草地旁边选取未曾种草、常规管理模式的农田作为对照，按相同层次采集土壤样品。将土样带回室内, 沿土块自然裂隙轻轻剥成小于5 mm的小块后，去除石块和植物残体，自然风干后分成2个亚样本, 其中一个用作团聚体分析, 另一个过筛后供其他项目的理化分析使用。

1.3 分析方法

土壤水稳性团聚体的测定按照Li等[15]修订的方法。称取50 g风干样品置于套筛(2、1、0.5、0.25 mm)最上层，把筛子放入装有蒸馏水的桶中浸泡10 min，以30次·min-1的频率竖直上下振荡5 min，振荡幅度为3.5 cm，振荡时要保证最上层的筛子浸没在水中。筛分后，将各级筛层上土壤团聚体分别转移至铝盒中，105℃烘干称重，计算各级团聚体的质量百分比。

供试土壤总有机碳、碳酸钙、容重和机械组成分别采用硫酸-重铬酸钾外加热法、气量法、环刀法和吸管法测定[16]。

1.4 数据处理与统计分析

>0.25 mm水稳性团聚体含量(>0.25 mm water-stable aggregate proportion，WSAP0.25)计算公式[17]为:

式中,M0.25为>0.25 mm团聚体重量(g)；MT为未筛分之前土壤总重(g)。

平均重量直径(mean weight diameter，MWD)和几何平均值(geometric mean diameter，GMD)计算公式[18]为：

式中,Ri是某级别团聚体平均直径(mm)，wi是该级别团聚体干重(g)。

分形维数(fractal dimension，D)计算公式[19]为：

式中，dmax为最大粒级团聚体的平均直径(mm);di为两筛分粒级的平均粒径(mm);Wi(δ

采用Excel 2007和SPSS 16.0进行统计分析，不同处理结果的多重比较采用邓肯检验，显著水平为P<0.05。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 土壤水稳性团聚体粒径分布

土壤水稳性团聚体数量和分布反映了土壤团粒结构状况，是决定土壤质量的重要指标之一。由表1可知，苜蓿草地土壤水稳性团聚体含量在土壤剖面中具有明显的垂直分布性，即在0～60 cm土层，随土壤深度的增加，>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体含量均逐渐减少，而<0.25 mm粒径水稳性团聚体数量逐渐增加。在各土层，无论农田还是种植苜蓿，土壤水稳性团聚体组成均随着粒径减小呈阶梯式递增态势，增幅为1.22%～61.43%，以<0.25 mm的微团聚体占据优势级别，变化范围为60.83%～79.72%，大部分土壤在70%以上，说明黄土丘陵沟壑区土壤水稳性团聚体状况普遍较差。

如表1所示，当农田更替为苜蓿草地后，在0～20 cm土层，>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体含量均从农田到12 a生苜蓿草地显著递增(P<0.05)，分别是对照农田的2.03～2.75倍、1.98～2.72倍、1.31～1.65倍和1.15～1.36倍。20～40 cm土层不同年限苜蓿草地土壤水稳性团聚体含量与0～20 cm土层具有一致规律，但变化幅度较小，仅12 a生苜蓿草地土壤>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体含量与对照农田达到了显著性差异(P<0.05)。40～60 cm土层各处理土壤水稳性团聚体呈现出含量均匀化态势，处理间差异不显著(P>0.05)。

通过分析>0.25 mm粒径水稳性团聚体含量(WSAP0.25)分布特征发现，不同年限苜蓿草地WSAP0.25在0～20 cm含量最多，随土壤深度的增加逐渐减少，CK则在20～40 cm含量最多(图1)。在0～20 cm土层，不同种植年限苜蓿草地WSAP0.25均显著高于农田(P<0.05)，12 a苜蓿草地最高，较3、7、18 a苜蓿草地和CK农田分别提高了78.43%、29.68%、21.81%和14.55%，均呈显著差异(P<0.05)。20～40 cm土层与0～20 cm土层具有一致规律，但变化幅度较小，仅12 a苜蓿草地WSAP0.25显著高于农田(P<0.05)。

表1 不同种植年限苜蓿草地土壤水稳性团聚体粒径分布

2.2 土壤水稳性团聚体的稳定性

土壤团聚体稳定性与其粒径分布是同等重要的质量指标，直接关系到土壤对不同环境的适应与协调性能。由表2可知，表层(0～20 cm)不同年限苜蓿草地平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)最大，随土壤深度增加，MWD和GMD逐渐减小，而农田MWD和GMD在20～40 cm土层最大。其中，MWD在0～20 cm土层表现为12 a>18 a>7 a>3 a>CK，且供试不同年限苜蓿草地与农田之间差异均显著(P<0.05)，12、18、7 a和3 a苜蓿草地分别较CK提高了104.63%、76.65%、60.33%和47.88%；20～40 cm与0～20 cm土层变化趋势一致，但变幅小，仅12 a苜蓿草地显著高于CK(P<0.05)。GMD变化趋势与MWD相一致，0～20 cm土层各苜蓿草地与农田均呈显著性差异(P<0.05)。土壤水稳性团聚体分形维数(D)变化虽然不大，但在土壤表层也呈现出了从农田到12 a生苜蓿草地逐渐递减的规律性。总之，苜蓿草地土壤水稳性团聚性较农田好，且随苜蓿种植年限递增至第12年达到最大。

2.3 土壤粒径分布、总有机碳和碳酸钙含量

由表3可知，不同种植年限苜蓿草地土壤粉粒(0.002～0.02 mm)含量最多，黏粒(<0.002 mm)次之，砂粒(0.02～2 mm)最少，在0～60 cm土层，各苜蓿草地粒径分布与对照农田之间无显著性差异(P>0.05)。在0～20 cm土层，土壤总有机碳表现为12 a>18 a>7 a>3 a >CK，各苜蓿草地均显著高于对照农田(P<0.05)，20～40 cm土层与0～20 cm土层变化趋势一致，但变幅小，仅12 a苜蓿草地显著高于CK(P<0.05)。土壤碳酸钙含量在各处理间差异均不显著(P>0.05)。

注：相同土层不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters represent significant difference between treatments within the same soil layer (P<0.05).图1 不同种植年限苜蓿草地0～60 cm土层WSAP0.25的变化Fig.1 Proportion of water-stable aggregate >0.25 mm particlesize under different growth years in 0～60 cm soil depth

2.4 土壤水稳性团聚体性能指标与土壤理化性质间的相关性分析

土壤水稳性团聚体性能指标与土壤粒径分布、总有机碳和碳酸钙含量相关分析如表4所示。>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体和WSAP0.25、MWD、GMD均与TOC呈显著正相关；<0.25 mm的微团聚体、土壤分形维数D与TOC呈负相关，其中TOC与<0.25 mm微团聚体相关性达极显著水平(P<0.01)。砂粒、粉粒、黏粒和碳酸钙与土壤水稳性团聚体各指标之间均无显著相关性。

3 讨 论

3.1 土壤水稳性团聚体分布特征及稳定性

土壤团聚体分布和数量不仅影响作物生长发育，而且与土壤抗侵蚀能力密切相关，特别是湿筛法获得的土壤水稳性团聚体更能准确地反映出土地利用方式对土壤结构的影响[20]。随土壤深度的增加，苜蓿草地>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体含量均逐渐减少，这与霍

表2 不同种植年限苜蓿土壤团聚体稳定性

表3 不同种植年限苜蓿草地土壤粒径分布、总有机碳和碳酸钙含量

表4 土壤团聚体稳定性指标与土壤理化性质的相关性

琳等[21]研究结果一致。以>0.25 mm水稳性团聚体为参照指标，认为>75%为优良状态，40%～75%为良好，30%～40%为较差，<30%为不良[22]。在0～20 cm土层，土壤团聚状态从农田的不良级别演化为苜蓿草地的较差状态，而苜蓿草地20～60 cm土层均属不良团聚状态，级别虽然没有变化，但是>0.25 mm团聚体在土壤剖面上存在明显的递减趋势。农田>0.25 mm水稳性团聚体在20～40 cm土层含量较0～20 cm土层多，是因为农田表层土壤受人为活动干扰多，扰动频繁，尽管有机质含量高于下层，但在扰动过程中易于暴露，分解速度大于下层，弱化了对团聚体稳定性的胶结作用，这也是耕地中难以形成更大团聚体的缘故。水稳性团聚体直径越小，表明团聚体在润湿后抵抗破坏能力越小，浸水后土壤团聚体大部分都将散碎[23]。本研究得出水稳性团聚体含量随直径减小而增加，<0.25 mm为数量优势级别，变化范围为60.83%～79.83%，大部分土壤在70%以上，表明研究区域较大团聚体数量较少，结构松散。

土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)的值越大，分形维数(D)越小，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强[24]。本研究得出0～40 cm土层MWD表现为12 a>18 a>7 a>3 a>CK，GMD与MWD变化趋势基本一致，而D变化趋势相反，说明种植苜蓿能提高土壤水稳性团聚体的稳定性。这与苜蓿根部能共生大量根瘤菌，随生长年限的增加，其入土深度和根茎上分枝数增加[25]，能产生更多的根系分泌物有关[26]。首先，根系分泌物是土壤颗粒团聚的主要粘合剂[27-28]，分泌的多糖类有机碳是一种线性的高分子聚合体，其链上有大量的羟基(-OH)，可以不通过阳离子的作用，直接利用有机物的分子极性，与矿物晶面上的氧原子形成氢键，使得土壤团聚化[29]；再则，根系分泌物及其脱落物能够促进微生物大量繁殖，会使微生物产生更多作为土壤颗粒胶结剂的粘液，进一步促进土壤颗粒的团聚[30]。本研究同时表明18 a生苜蓿草地土壤水稳性团聚体稳定性开始下降，这与黄土高原苜蓿草地超过一定的种植年限，地上和地下生物量开始下降有关[31]。

3.2 土壤水稳性团聚体指标与土壤有关参数的相关性

土壤团聚体粒径分布和稳定性与胶结物质密切相关，其质量分数、分布、组成特征等是团聚体形成与稳定的基础及内在动力[32]。土壤有机碳、黏粒和碳酸钙是黄土高原土壤中的主要胶结物质[33]。本研究得出黏粒与土壤水稳性团聚体各指标相关性均不显著，但是这不能否定黏粒对土壤的团聚作用，只是在黄土丘陵沟壑区自然条件下土壤粘粒的数量和性质对于矿物颗粒的胶结与团聚作用不够明显而已。有学者研究表明，黄土高原地区大部分属于钙盐基饱和土壤[34-35]，蒙脱石有效面积比高岭石大得多，土壤黏粒自身凝聚作用虽然强，但通过此作用形成的微团聚体稳定性不高[29]，属于一种稳定性相对较差的胶结物质[36]。已有研究指出，难溶性碳酸钙对土壤团聚体水稳性起重要作用[33]，碳酸钙对黄土团粒的形成起决定性的作用[32]。而本研究表明，土壤碳酸钙含量与土壤水稳性团聚体各指标相关性均不显著，这和前面的研究结论不一致，还有待于进一步研究。苑亚茹等[37]研究发现，有机物不仅能增强团聚体之间的粘结力和抗张强度，同时较土壤矿物提高了吸收水的容量，水分的润湿速率因而减缓，团聚体稳定性提高。黄泽等[38]、罗珠珠等[20]的研究结果都表明，黄土高原半干旱区的土壤团聚体稳定性和土壤有机质密切相关，但没有将土壤团聚体稳定性和无机胶结剂联系起来。本研究中，TOC与>0.25 mm各粒级土壤水稳性团聚体、MWD、GMD均呈显著正相关，与<0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量呈显著负相关，说明黄土丘陵沟壑区有机质是土壤团聚体主要胶结物质，在水稳性团聚体的形成、促进土壤结构的稳定性、增强土壤的抗侵蚀能力方面发挥着至关重要的作用。