土地利用方式对喀斯特峡谷区土壤水稳性团聚体的影响

肖盛杨，舒英格

（1.贵州省山地资源研究所，贵阳550001；2.贵州大学 农学院，贵阳550025）

0 引 言

【研究意义】土壤水稳性团聚体是评价土壤结构稳定性、抗侵蚀性和径流产生的关键指标，对防治土壤表层发生侵蚀和水土流失至关重要[1-2]。喀斯特峡谷区在喀斯特高原、峰丛洼地、槽谷等八大喀斯特地貌类型中面积较大，主要位于云、贵高原内的南、北盘江河谷地带[3]。该区地表裸露、土层较薄、生态环境较脆弱，由于不合理的土地利用，土壤结构变差，水土流失严重，最后石漠化问题凸显，土壤质量恶化[4]。因此，全面评价不同土地利用方式对土壤水稳性团聚体的影响，对该区土壤结构稳定性、土壤侵蚀退化以及土壤质量恢复具有重要的科学意义。

【研究进展】相比于喀斯特高原、峰丛洼地、槽谷等喀斯特地貌类型，喀斯特峡谷区锥、塔峰喀斯特地貌不发育，是南、北盘江及其主要支流挽近地质时期的强烈下切，没有足够长的地形稳定期，以裸露型喀斯特为主，夷平面上的丘陵坡地下部为覆盖型喀斯特[3]。该区以高强度农业活动为主，导致石漠化面积较大，植被群落稳定性差，土壤退化严重。目前喀斯特峡谷区的研究主要集中在土壤养分[5-6]、土壤微生物活性[7]、土壤抗蚀性[8-9]、土壤质量[10]等方面。不同土地利用方式对团聚体的粒径分布及稳定性的影响一直是研究的热点。不同土地利用方式因其植被类型与管理方式的差异改变土壤动物、微生物以及枯枝落叶的数量与性质，从而导致土壤性质的差异，影响土壤团聚体稳定性[11]。如：李会等[12]研究了喀斯特高原区土壤抗蚀性对不同土地利用方式的响应，发现稀疏灌丛地和灌草地土壤结构破坏率极低，水稳性团聚体质量分数较高。杨慧等[13]研究了桂林峰丛洼地区不同土地利用方式对土壤水稳性团聚体特征的影响，发现灌丛和林地2 种自然土壤明显提高了土壤团聚体稳定性。罗晓虹等[14]对重庆市北碚区喀斯特槽谷区6 种土地利用方式对土壤团聚体稳定性和有机碳量的影响研究发现，竹林和荒草地土壤团聚体稳定性较好。【切入点】长期以来，对喀斯特地区退耕还草地和林草间作模式下水稳性团聚体研究较少。喀斯特峡谷区是我国西南生态安全屏障关键区域和生态文明建设核心区域的重要组成部分，目前对该区域各种土地利用方式下的水稳性团聚体特征及其物理保护机制仍不清楚。【拟解决的关键问题】为此，本文以喀斯特峡谷区不同土地利用方式的土壤为研究对象，运用分形理论、相关性分析及敏感性分析，系统评价不同土地利用方式变化对土壤水稳性团聚体的影响，并分析二者之间的相互关系。研究结果为喀斯特峡谷区土壤结构稳定性、土壤侵蚀退化以及选择合适的土地利用方式恢复土壤质量提供科学依据和应用指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省晴隆县莲城镇和光照镇，地理坐标为25°49′—25°51′N，105°11′—105°15′E，平均海拔为1 478 m，属于高原亚热带季风气候，年均日照时间为1 462 h，年均气温约14 ℃，总降水量在1 500～1 600 mm，无霜期约320 d，是典型的喀斯特峡谷区。岩性主要为石灰岩，且地表层为第四系薄层沉积物。土壤主要以石灰土为主，土层较薄，土壤质地较黏，多为壤质黏土和黏壤土。该区属于贵州省内典型的高山石漠化贫困地区，耕地多呈条状形小块坡地，保水保肥能力差，自然灾害频繁，石漠化面积占全县土地总面积的66.7%。

1.2 样品采集与处理

研究区是典型石漠化治理示范区，目前主要以退耕还草和林草间作2 种恢复措施为主。根据研究区域的主要植被和土地管理方式，选择具有代表性的4 种土地利用方式，以耕地为对照，其中荒草地植被有三叶草（Trifolium repens）、车前草（Plantaginaceae）、淡竹叶（Lophatherum gracile）、青蒿（Artemisia caruifolia）等；退耕还草地恢复之前多为有长期耕作历史的坡耕地，水土流失较严重，退耕还草模式实施后，生态环境恢复良好，主要种植皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和黑麦草（Lolium perenne）为主，退耕年限8～10 a；林草间作地多为草本与乔木相间生长，乔木散生，植株较高，研究区以柏树（Platycladus orientalists）与茅草（Stipa bungeane）间作和楸树（Catalpa bungei C.A.Mey.）与黑麦草为主，种植年限10 a 左右；耕地均为旱地，长期进行耕作并常规施肥，主要种植玉米（Zea mays）和烤烟（Nicotiana tabacum）。于2018年1月在晴隆县根据植被类型选取典型的石灰土耕地、退耕还草地、荒草地、林草间作地等不同生态恢复模式为研究对象，其中耕地为对照，选取典型地块设置不同生态恢复模式土壤剖面，在土壤母质上面自下到上采用沟槽方式采集距地面0～10、10～20 cm、20 cm～母岩，剖面深度根据土体深度确定，以开挖到母岩（基岩）为止，同层土混合为一个样品。本研究共采集13 个剖面39 个土样，其中耕地3 个剖面9 个土样，退耕还草地4 个剖面12 个土样，荒草地3 个剖面9 个土样，林草间作地3个剖面9 个土样。样地情况见表1。

1.3 测试项目及方法

1.3.1 土壤水稳性团聚体的测定

将采回的原装土样沿着土壤自然结构面剥成直径约10～20 mm 大小的小土块，除去植物残体、小石块以及动物遗体，自然风干后，通过5、2、1、0.5、0.25 mm 的筛组进行干筛，然后根据干筛求得的各级团聚体的百分量，把干筛分取的风干土按比例配成100 g 得到湿筛样品，再将所得的100 g 土样放置于水桶中的套筛（孔径依次为5、2、1、0.5 和0.25 mm）顶部，开启震荡仪振荡30 min，最后将各粒级土壤烘干称质量[15]。

表1 土壤采样点基本信息Table 1 Basic information of sampling sites

1.3.2 土壤理化性质的测定

土壤体积质量采用环刀法测定；土壤机械组成采用比重计速测法测定；土壤pH 值采用电位计法，水土比为（2.5∶1）测定；有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热法[15]。

1.3.3 稳定性指标及敏感性指标计算

1）平均重量直径：

式中：Wi为某粒级团聚体的质量比（%）为某粒级的平均直径（mm）。

2）几何平均直径：

式中：GMD几何平均直径（mm）；wi为某一粒级水稳性团聚体质量（%）；xi为某一粒级团聚体平均直径（mm）。

3）土壤团聚体分形维数FD：

式中：M(r＜为粒径小于的团聚体的质量（%）；Mt为测定团聚体的总质量（%）；Xmax为团聚体的最大直径；FD为分形维数。

4）土壤水稳性团聚体稳定性特征参数的敏感性分析

为了减少土壤水稳性团聚体稳定性评价指标的选取，提高工作效率，通过对团聚体稳定性特征的参数进行了敏感性计算，敏感性指标值越大，越能较好反映土壤水稳性团聚体稳定性。

计算式[16]为：

1.3.4 数据处理及分析

采用Office 2016 和SPSS 19.0 进行数据处理，利用SPSS 19.0 进行单因素方差分析和相关性分析、Origin 9.0 软件进行作图。不同土地利用方式之间多重比较采用Duncan 新复极差方法，然后经过t检验。

2 结果与分析

2.1 土壤水稳性团聚体量的分布特征

不同土地利用方式对土壤水稳性团聚体各粒径量分布有很大的影响（表2）。不同土地利用方式下主要以＞2 mm 粒径水稳性团聚体为优势级别，＜0.25 mm 粒径次之，0.25～0.5 mm 粒径水稳性团聚体量最低，说明研究区土壤总体结构性能普遍不好。在0～10 cm 土层，耕地和退耕还草地土壤水稳性团聚体量组成总体上随粒径的减小呈先增加后降低再增加趋势，荒草地和林草间作地土壤水稳性团聚体量则随着粒径的减小呈先减少后增加趋势。在10～20 cm 和20 cm～母质层，不同土地利用方式土壤水稳性团聚体量总体上随粒径的减小呈先增加后减少再增加的波浪形变化趋势。在0～10 cm 和10～20 cm 土层，＞2 mm粒径水稳性团聚体量变化均为林草间作地＞荒草地＞退耕还草地＞耕地；在20 cm～母质层，＞2 mm 粒径水稳性团聚体量变化为林草间作地＞荒草地＞耕地＞退耕还草地。0～20 cm 土层，不同土地利用方式下同粒级土壤团聚体量存在部分差异显著；而同一土地利用方式下不同粒级土壤团聚体量差异显著；20 cm～母质层，不同土地利用方式下不同粒级土壤团聚体量差异不显著，说明不同土地利用方式对表层土壤各粒级水稳性团聚体量分布的影响较大。

表2 不同土地利用方式土壤水稳性团聚体量分布特征Table 2 The contents of soil water-stable aggregates under different land-use patterns

＞0.25 mm 水稳性大团聚体量既是衡量土壤抗蚀性的重要指标，也是评价土壤质量的关键因子，其数量越多，土壤结构性越稳定；而＜0.25 mm 水稳性微团聚体量过多会影响土壤通气透水性和微生物活性。由表2 可知，在0～10 cm 和10～20 cm 土层，相对于耕地，退耕还草地、荒草地和林草间作地水稳性大团聚体量分别增加8.19%、9.78%、13.97%和15.17%、17.98%、13.86%。随着土层深度的增加，耕地水稳性大团聚体量呈先减少后增加趋势，＜0.25 mm 水稳性微团聚体量呈先增加后减少趋势；随土层深度的增加，退耕还草地和荒草地水稳性大团聚体量先增加后减少；林草间作地水稳性大团聚体量先减少后增加。在20 cm～母质层中，耕地土壤水稳性大团聚体量高于表层土，主要是由于该层次受到耕作等外界影响少，破坏小；耕还草地、荒草地和林草间作地土壤水稳性大团聚体量低于表层土壤，原因是底层土壤根系减少，微生物活动较弱，有机质量低，导致土壤团聚体水稳性下降。

2.2 土壤水稳性团聚体MWD 和GMD 的变化特征

由表3 可知，不同土地利用方式下土壤水稳性团聚体MWD和GMD的差异主要体现在0～20 cm 表层土壤，大体上表现为林草间作地＞荒草地＞退耕还草地＞耕地，与＞0.25 mm 粒径量分布一致。与耕地相比，林草间作地显著大于耕地（P＜0.05），退耕还草地、荒草地和林草间作地团聚体MWD和GMD在0～10 cm 土层分别提高了33.04%、69.20%、82.14%和6.47%、31.65%、58.99%；在10～20 cm 土层分别提高了51.39%、51.39%、30.56%和35.29%、43.70%、222.69%；20 cm～母质层各土地利用方式间MWD和GMD的差异不显著。

表3 土壤水稳性团聚体MWD 和GMDTable 3 GMD and MWD of water-stable aggregates

随着土层厚度的加深，荒草地土壤水稳性团聚体MWD和GMD呈逐渐下降的趋势，退耕还草地呈先增加后减小，林草间作地和耕地呈先减少后增加，而耕地MWD和GMD各土层间无显著差异。退耕还草地10～20 cm 土层MWD和GMD值分别高于0～10 cm和20 cm～母质层9.73%、39.15%和8.78%、47.71%倍；林草间作地基本表现为0～10 cm 土层显著高于10～20 cm（P＜0.05）。因此，不同土地利用方式，0～10 cm表层土壤，林草间作地土壤水稳性团聚体稳定性强于其他土地利用方式，耕地土壤水稳性团聚体稳定性最差；20 cm～母质层，不同土地利用方式下团聚体MWD和GMD差异均不显著（表3）。

2.3 土壤水稳性团聚体分形维数（FD）

由图1 可知，研究区不同土地利用方式土壤水稳性团聚体FD的范围在2.27～2.85 之间，在0～10 cm土层和20 cm～母质层，不同土地利用方式下FD表现为耕地＞退耕还草地＞荒草地＞林草间作地，其中0～10 cm 土层，耕地高于退耕还草地、荒草地和林草间作地4.81%、18.13%和20.43%，且显著高于林草间作地（P＜0.05）；20 cm～母质层，不同土地利用方式间FD差异不显著。在10～20 cm 土层，不同土地利用方式下FD表现为耕地＞林草间作地＞荒草地＞退耕还草地，这与GMD和MWD的变化趋势相反。在剖面上，随土层深度增加，耕地和林草间作地土壤水稳性团聚体FD均呈先增加后降低，退耕还草地呈先降低后增加趋势，荒草地呈逐渐增加的趋势。

图1 土壤水稳性团聚体的FDFig.1 FD of water-stable aggregates

表4 土壤水稳定性团聚体各参数间相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil water stable aggregate parameters

2.4 土壤水稳性团聚体各参数间相关性分析

相关性结果表明（表4），水稳性团聚体MWD和GMD值均与FD值呈极显著负相关，其相关系数分别为-0.964 和-0.931，说明土壤水稳性团聚体的MWD和GMD值越大，FD值越小。MWD和GMD值均与1～2、0.5～1、＜0.25 mm 粒径的土壤水稳性团聚体量间呈极显著负相关关系，与2～5 mm 和0.25～0.5 mm 粒径的土壤水稳性团聚体呈负相关性但不显著；但＞5 mm 粒径的土壤水稳性团聚体与MWD和GMD均极显著正相关，相关系数分别为0.963 和0.916。土壤水稳性团聚体FD值与2～5、1～2、0.5～1、＜0.25 mm 粒径的土壤水稳性团聚体量间呈极显著正相关关系，与＞5 mm 粒径的土壤水稳性团聚体呈极显著负相关关系（-0.997**）。由此可知，水稳性团聚体MWD、GMD和FD值与各粒径团聚体量的正负相关性以5 mm 粒径为界。

2.5 土壤水稳性团聚体稳定性指标敏感性分析

由表5 可以看出，GMD的敏感性值在整个土壤剖面上都是最高的，在0～10 cm 土层分别高出MWD和FD的51.02%和362.50%；10～20 cm 土层分别高出MWD和FD的5.79%和228.21%；20 cm～母质层分别高出MWD和FD的8.78%和436.67%。FD在整个土壤剖面上的敏感性值均较低。因此，GMD能够较好地描述该研究区整个剖面土壤水稳性团聚体的稳定性；而FD作为评价土壤水稳性团聚体稳定性特征的指标效果较差。

表5 土壤水稳性团聚体稳定性指标的敏感性Table 5 Sensitivity analysis of soil water stable aggregate stability index

3 讨论

不同土地利用方式会改变土壤的微环境，进而对土壤水稳性团聚体分布及稳定性产生影响[17]。研究发现，在0～20 cm 土层，与耕地相比，林草间作地、荒草地和退耕还草地＞2 mm 粒径水稳性团聚体量出现不同幅度上升，可能是小粒径团聚体向粒径更大团聚体聚合过程提高了土壤团聚体的水稳性，改善了土壤的结构[18]。而水稳性大团聚体量也是耕地最低，说明耕地土壤结构状态相对较差，土壤出现了明显的“疲劳”症状。这与肖霜霜等[19]在喀斯特峰丛洼地区的研究结果一致，由于耕地没有灌木林地和草地的地表枯落物来增加有机质来源，加之耕作干扰破坏了耕地表层土较大团聚体，促使土壤原先的有机质氧化分解，最终有机胶结物质减少，土壤团聚体形成作用减弱[20-21]。而灌木林地和草地土壤干扰程度较低，减少有机质氧化分解，减缓了有机质的周转速度，土壤有机质有明显增加（表1），增强土壤水稳性团聚体团聚的胶结性。因此，在喀斯特峡谷区的耕地多为坡耕地的情况下，土壤团聚体结构性较差，抗蚀能力弱，有必要实行退耕。随着土层深度的增加，退耕还草地和荒草地水稳性大团聚体量先增加后减少的趋势，10～20 cm 土层水稳性大团聚体量最高。该结果与刘梦云等[22]和李欣雨等[23]研究结果不一致，可能是随着土层深度的加深，荒草地和退耕还草地在10～20 cm土层分布大量根系，植物根系对土壤具有机械固持、改良土壤结构和改善土壤结构的功能，以及根系分泌的有机物质对土壤颗粒团聚过程起重要作用[24-25]。

土地利用方式的变化也会影响土壤水稳性团聚体的稳定性。土壤的MWD和GMD是表征土壤水稳性团聚体稳定性以及物理性质优劣的指标，其值越大，表明团聚体结构性越稳定，物理特性越好[26]。在0～10 cm 土层，与耕地相比，其他3 种土地利用方式水稳性团聚体的MWD和GMD值均有不同幅度的增加，且林草间作地显著（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与烤烟轮作，耕作频率和使用强度较高，土壤处于长期运作过程，土壤结构极易遭受破坏[27]；加之雨水冲刷，土壤表层大团聚体被分散，土壤结构稳定性变差[28-29]；另一方面林草间作地和草地枯枝落叶回归土壤，减少了雨水对土壤的冲刷，维持土壤有机质量水平和微生物种群数量，对土壤水稳性团聚体的形成极其重要[30]。在10～20 cm土层，土壤的MWD和GMD值大小为荒草地＞退耕还草地＞林草间作地＞耕地，这可能与植物的根系数量和根系分泌物有关，具体原因有待进一步研究。

本研究还发现，水稳性团聚体MWD、GMD和FD值与各粒径团聚体量的正负相关性以5 mm 粒径为界。这与史正军等[31]和姜敏等[32]在非喀斯特地区的研究结果类似，说明喀斯特地区与非喀斯特地区在土壤团聚化过程中，土壤水稳性团聚体从微团聚体（＜0.25 mm）向大粒径团聚体（＞5 mm）的转化过程中，5 mm 粒径是较为关键的临界点，影响土壤团聚体稳定性和土壤结构性。因此，可将＞5 mm 粒径水稳性团聚体作为土壤团聚化过程的特征团聚体。

4 结论

1）不同土地利用方式均以＞0.25 mm 粒径水稳性团聚体为主，其量变化为林草间作地＞荒草地＞退耕还草地＞耕地；总体上随着粒径的减小呈先增加后减少再增加趋势；随着土层深度增加，耕地土壤水稳性大团聚体呈先减少后增加趋势，其余3 种土地利用方式呈先增加后减少趋势。

2）不同土地利用方式下，林草间作地土壤水稳性团聚体MWD、GMD相对较高，FD值相对较低，土壤结构稳定性较好，抗蚀能力较强；在0～20 cm 土层，土壤各粒级水稳性团聚体量分布及稳定性差异具有一定显著相关性，20 cm～母质层差异不显著。

3）土壤团聚体从微团聚体（＜0.25 mm）向大粒径团聚体（＞5 mm）的转化过程中，5 mm 粒径是较为关键的临界点。

4）GMD的敏感度相对于MWD和FD在整个土壤剖面上值是最高的，能够较灵敏地描述喀斯特峡谷区整个剖面土壤水稳性团聚体稳定性，可以作为今后喀斯特峡谷区整个土壤剖面土壤团聚体稳定性的表征指标。