花岗岩红壤团聚体稳定性对土地利用变化的响应

崔家馨，李元辰，朱锟恒，段良霞

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

南方红壤区是我国生态环境脆弱区之一，该区位于亚热带季风区，由于降水时空分布不均和降雨强度大，再加上不合理的土地利用方式，使该区成为南方水土流失最严重、垦殖指数最大的区域[1-3]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其数量的多少对土壤结构、持水性、孔隙性等有一定的影响，因而在一定程度上决定土壤抵抗侵蚀的能力[4]。而在南方红壤区，团聚体是坡面侵蚀过程的主控因子[5-6]，因而探明该区不同土地利用方式的团聚体稳定性特征，可为合理利用土地资源及防治水土流失提供理论依据，同时对于该区农业和社会可持续发展具有极其重要的意义。

土壤侵蚀一般随着团聚体的破坏而发生，因而团聚体稳定性与坡面侵蚀过程之间存在着紧密的联系，团聚体稳定性越高，土壤抵抗侵蚀的能力越强[7]。表征团聚体稳定性的指标较多，其中团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性团聚体含量（＞0.25 mm，WSA）、团聚体分形维数（D）和团聚体分散度（PAD）是衡量土壤抗蚀性最常用的指标[8-11]。土地利用方式的转变可改变土壤结构和团聚体，进而直接影响土壤侵蚀的强弱及土壤质量，因而关于土地利用对团聚体稳定性的研究，国内取得了丰硕的成果[12-17]。Chrenková 等[18]比较了地中海地区不同土壤类型土地利用变化地团聚体稳定性的影响，表明林地的团聚体稳定性要显著高于农地；Pinheiro 等[19]和Caravaca 等[20]也得出类似的结论，认为林地和草地的土壤结构稳定性显著大于农地；An 等[21]表明退耕后MWD 等团聚体稳定性指标显著提升，退耕还林还草可显著增加土壤抵抗侵蚀的能力；Ye 等[22]通过研究流域团聚体稳定性指标的空间变异，发现农地MWD 和WSA 等指标显著小于其余土地利用；Dou等[23]通过测定黄土高原纸坊沟流域退耕后7 种土地利用的团聚体稳定性，发现原生灌木林的MWD 和GWD 最大，而经济林的最小；李娟等[24]的研究也表明林地和水稻田改善了土壤结构，从而增强了土壤团聚体稳定性。花岗岩红壤是南方红壤区分布很广的一种土壤类型[25]，但是关于花岗岩红壤不同土地利用类型间团聚体稳定性差异的研究较少。同时已有研究多针对退耕后（由农地转变为林、草地等）土地利用对团聚体稳定性的影响，但是对于由林地转为农地或果园等土地利用变化导致的团聚体稳定性变化的研究较少报道。基于此，笔者主要选取南方花岗岩红壤原生林以及由原生林转化而来的人工林、坡耕地和果园4种土地利用形式，分析土地利用变化对土壤团聚体稳定性的影响机制，为南方花岗岩红壤区土地利用优化和水土流失治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究样地

试验样地位于湖南省湘东大围山自然保护区山麓（114°02'E～114°12'E、28°21'N～28°6'N），土壤类型为花岗岩母质发育的红壤，该区属典型花岗岩中山地貌，海拔最低点（花门电站）仅230 m，最高点（七星峰）1 608 m，相对高差1 378 m。大围山自然保护区为亚热带山地湿润气候，年均降水量在1 200～2 000 mm，年均温度为11～17℃，保护区森林覆盖率高，相对湿度大于83%。大围山自然保护区中、低海拔带原生植物破坏严重，仅残存人工林、毛竹林和灌丛等。通过野外实地勘察，在保护区选择4 种典型土地利用方式，分别为天然林以及由天然林转化而来的人工林、坡耕地和果园。

1.2 土样采集

在每个土地利用类型内随机选取3 块样地，分别开挖100 cm 剖面，以20 cm 等间隔采集0～20、20～40、 40～60、60～80 和80～100 原状土样，用切刀切下长×宽×高=5 cm×5 cm×15 cm 的土柱，并削掉每块土柱顶部1 cm，按顺序编号并轻放于盒子，土块间避免挤压。新鲜的原状土壤样品带回室内置于塑料盒子内，自然风干至土壤含水量为22%～25%，然后用手沿土块间隙轻掰成大小不等的团聚体，去除作物残根和小石块，置于孔径为0.25、0.5、1、2、5、10 mm 的套筛上，分散各级团聚体，进行干筛分析。根据干筛每个孔径上团聚体质量，量化各粒级团聚体占比，并依据此比例计算进行湿筛分析的＜0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm 以及＞5 mm 团聚体质量，根据该比例配比成50 g 土样进行湿筛分析。将各粒级团聚体（不包括＜0.25 mm）分别置于对应粒径的湿筛法套筛上，利用电动团聚体分析仪进行测定，套筛在水中上下震动30 次后关闭电源，清洗出各套筛中的团聚体颗粒，置于烘箱中烘干至恒重，获取各粒级团聚体质量。

1.3 数据分析

团聚体平均重量直径（MWD）、团聚体几何平均直 径（GMD）、水稳性团聚体含量（＞0.25 mm，WSA）、 分形维数（D）和团聚体分散度（PAD）等团聚体稳定性指标计算如下：

式中，xi为第i 级团聚体的平均直径（mm）；yi为第i 级团聚体占土样总质量的百分比；Mi＞0.25为大于0.25 mm 团聚体的质量（g）；MT 为水稳性团聚体的风干总质量（g）；M（r

利用单因素方差分析（LSD）比较不同土地利用类型间各团聚体粒径、MWD、GMD、WSA、D 和PAD 等的差异，数据分析在SPSS 22.0 中进行，作图在Origin 2018 中进行。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用团聚体组成

图 1 不同土地利用形式下土壤各粒径团聚体的组成

由图1 和表1 可知，天然林各粒径团聚体质量分数差异较小，0～0.25 mm 占比最大为19.94%，0.25～0.5 mm 占比最小为10.95%，不同深度各粒径团聚体变异系数在10.75%～28.68%，表现出中等程度变异；人工林中＞5 mm 和2～5 mm 团聚体占比约为49%，而0.25～0.5 mm 占比仅为6.81%，随着土壤深度的变化其中仅2～5 mm 团聚体为弱变异，而其余团聚体粒径均表现出中等程度变异；坡耕地中＞5 mm 的团聚体占比仅为7.56%，而0～0.25 mm 团聚体占比达32.21%，不同深度土层1～2 mm、0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 团聚体的变异较小，均为弱变异，而＞5 mm 团聚体变异较大，为56.26%；果园中2～5 mm 团聚体占比最高为21.07%，0.25～0.5 mm 占比最低为11.49%，随着土层深度的变化2～5 mm团聚体变异系数较小，为9.21%，而＞5 mm 团聚体变异系数较大，为55.14%。

不同土地利用类型中＞5 mm 和2～5 mm 的团聚体比例均存在显著性差异（P ＜0.05），人工林具有最大值，坡耕地具有最小值；对于1～2 mm 团聚体的比例，天然林、人工林和果园间不存在显著性差异 （P ＞0.05），但均显著大于坡耕地的；坡耕地中0.5～1 mm 的团聚体比例均显著大于天然林，而天然林的又显著大于人工林（P ＜0.05）；对于0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm 的团聚体，坡耕地中的比例均显著大于其余土地利用类型，而人工林的比例均显著小于其余土地利用类型（P ＜0.05）。因而，天然林和人工林的团聚体粒径较大，以＞5 mm 和2～5 mm 为主，而坡耕地和果园的团聚体粒径以0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm为主。天然林和人工林的根系残体、林下凋落物较多，根系的分泌物能吸附土壤细颗粒，因而根系的缠绕和固结作用促进大团聚体的形成；而坡耕地凋落物较少，同时耕作活动易导致大粒径团聚体瓦解成微团聚体，因而土壤的团聚作用会受到抑制[26-27]。

表1 不同土地利用类型各粒径团聚体差异性比较 （%）

2.2 土地利用对团聚体平均重量直径（MWD）的影响

MWD 是团聚体稳定性的重要指标之一，其值越大说明土壤团聚度越高，抵抗外界的侵蚀能力愈强，其稳定性也越强。不同土地利用方式下土壤团聚体MWD 如图2 所示，随着土层深度的增加，人工林MWD 基本保持不变，而天然林、坡耕地和果园的土壤团聚体平均重量直径逐渐减小，而且随着土壤深度的增加，4 种类型土地利用方式的MWD 差异越显著。例如，在0～20 cm 和20～40 cm 土层，天然林和果园MWD 不存在显著性差异（P ＞0.05），但均显著大于坡耕地 （P ＜0.05）；在40～60 cm 土层，天然林和果园也不存在显著性差异（P ＞0.05），但与人工林和坡耕地均存在显著性差异（P ＜0.05）；而在60～80 cm 和80～100 cm 土层，4 种土地利用类型间MWD 均存在显著性差异。整体上，天然林和人工林的MWD 显著高于坡耕地，天然林和人工林的植被覆盖率高，林冠能有效削弱降雨对地表的侵蚀力，同时地表大量的凋落物进一步减弱坡面流对地表大粒径团聚体的侵蚀；而坡耕地受人为扰动较大，耕作导致团聚体结构破坏，降低土壤的团聚度，相关学者也得到类似结论[28]。

图2 不同土地利用方式下团聚体平均重量直径（MWD） 差异性比较

2.3 土地利用对团聚体几何平均直径（GMD）的影响

团聚体几何平均直径（GMD）也是表征土壤团聚体稳定性的重要指标，其值越大，团聚体稳定性越强。如图3 所示，不同土地利用方式下土壤团聚体GMD 表现出较大的差异。与MWD 类似，随土层深度的增加，人工林GWD 变化较小，而天然林、坡耕地和果园的GWD 逐渐减小。不同土地利用GWD在0～20 cm、60～80 cm 和80～100 cm 土层表现出相同的趋势，人工林GWD 均显著大于其余3 种土地利用 （P ＜0.05），而坡耕地GWD 均显著小于其余3 种土地利用（P ＜0.05），且天然林和果园的GWD 不存在显著性差异（P ＞0.05）；而对于20～40 cm 和40～60 cm 土层，GWD 在不同土地利用类型之间均存在显著性差异（P ＜0.05）。与MWD 类似，不同土地利用间GWD 的差异在一定程度上反应了天然林和人工林的土壤团聚度较高，土壤结构更为稳定，而由人工林转化来的坡耕地和果园受到耕作等扰动，土壤结构稳定性偏低，土壤较易受到侵蚀[29]。

图3 不同土地利用方式下团聚体几何平均直径（GWD） 差异性比较

2.4 土地利用对水稳性团聚体（WSA）的影响

水稳性团聚体含量也与土壤抵抗侵蚀的能力甚至土壤肥力紧密联系。如图4 所示，在0～20 cm 土层，天然林、人工林和果园的WSA 不存在显著差异性（P＞0.05），但均显著大于坡耕地的WSA（P ＜0.05）；在20～40 cm 土层，天然林WSA 显著大于其余3 类土地利用（P ＜0.05），而坡耕地显著小于其余3 种土地利用类型；而对于40～60 cm 土层，4 种土地利用的WSA 均存在显著性差异（P ＜0.05）；WSA 在60～80 cm 和80～100 cm 土层具有一致性，人工林WSA 显著大于其余3 种土地利用（P ＜0.05），人工林和果园的WSA 不存在显著性差异（P ＞0.05），但均显著大于坡耕地（P ＜0.05）。人工林和果园土壤扰动较小，有机质含量及微生物活性较高，其胶结物质更有利于将微团聚体聚合为较大团聚体，因而水稳性团聚体数量较高[30]。

图4 不同土地利用方式下水稳性团聚体（WSA） 差异性比较

2.5 土地利用对团聚体分形维数（D）的影响

土壤团聚体粒径分形维数的大小反映了土壤结构与稳定性的好坏，团聚体分形维数越小，则说明土壤具有良好的结构与稳定性。如图5 所示，在0～20 cm土层，天然林、果园和坡耕地的团聚体分形维数不存在显著性差异（P ＞0.05），但均显著大于坡耕地（P＜0.05）；而在20～40 cm 土层，不同土地利用的团聚体分形维数均存在显著性差异（P ＜0.05）；在40～60 cm 土层，人工林和坡耕地的团聚体分形维数不存在显著性差异（P ＞0.05），但与天然林和果园均存在显著性差异（P ＜0.05）；在60～80 cm 和80～100 cm 土层， 天然林和果园的团聚体分形维数不存在显著性差异 （P ＞0.05），但均显著大于人工林和坡耕地（P ＜0.05）。

2.6 土地利用对团聚体分散度（PAD）的影响

图5 不同土地利用方式下团聚体分形维数（D）差异性比较

团聚体分散度（PAD）在一定程度上反映了土壤结构的稳定性，也常用来反应团聚体稳定性的强弱，土壤结构稳定性一般与PAD 呈现反比的关系，其值越小表明土壤团聚体破坏率越小。如图6 所示，在不同土层，坡耕地的PAD 均显著大于其余3 种土地利用类型（P ＜0.05），而且随着土层深度的增加，不同土地利用类型间的PAD 差异越显著。在0～20 cm 和20～40 cm，天然林，人工林和果园的PAD 不存在显著性差异（P ＞0.05），而在40～60 cm 土层，各土地利用类型之间PAD 均存在显著性差异（P ＜0.05）；在60～80 cm 和80～100 cm 土层，天然林和果园的PAD不存在显著性差异（P ＞0.05），但均与人工林和坡耕地存在显著性差异。整体上，坡耕地的PAD 显著大于其余3 类土地利用，再次表明坡耕地的土壤结构较差，抵抗土壤侵蚀的能力较差。

图6 不同土地利用方式下团聚体分散度（PAD）差异性比较

3 结 论

土地利用和土壤深度可显著影响花岗岩红壤团聚体稳定性。不同土地利用的团聚体粒径差异较大，天然林和人工林的团聚体粒径较大，以＞5 mm 和2～5 mm 为主，而坡耕地和果园的团聚体粒径以0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm 为主；土地利用对团聚体稳定指标平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性团聚体含量（WSA）、分形维数（D）和团聚体分散度（PAD）也有较大影响，一般情况下，天然林和人工林的土壤团聚度较大，其次为果园，而坡耕地的土壤结构稳定性较差。因此，由天然林转化为人工林，团聚体稳定性差别不大，但是转化为果园和坡耕地后，由于耕作作用，土壤团聚体遭到破坏，土壤结构变差，土壤较易受到侵蚀。