晋西黄土丘陵区不同农作物用地土壤团粒稳定性研究

徐 灿，张平仓，丁文峰

(长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

晋西黄土丘陵区不同农作物用地土壤团粒稳定性研究

徐 灿，张平仓，丁文峰

(长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

为分析不同农作物用地土壤团粒结构稳定性，揭示种植模式和作物生长对土壤质量的作用与影响，以晋西黄土丘陵区主要农作物用地土壤为研究对象，以分形维数D和矩法参数为指标，分析不同种类农作物用地土壤团聚体稳定性。结果表明：基于表层土壤团粒分形维数，土壤结构稳定性变化由强到弱依次为土豆、黍子、绿豆、黄豆、苹果、玉米、向日葵、核桃；基于表层土壤水稳性团粒分形维数，土壤结构稳定性变化由强到弱依次为绿豆、黄豆、土豆、向日葵、黍子、玉米、苹果、核桃；比较不同农作物用地0.25～3 mm粒径土壤团粒含量，得出土壤肥力变化由大到小依次为黍子、绿豆、黄豆、土豆、玉米、向日葵、苹果、核桃。用矩法的理论和特征参数评价得出：农作物用地0～20 cm深度的土壤偏度系数CS普遍小于20～40 cm土层；核桃地表层土壤偏度系数CS甚至转为负值；峰凸系数CE差异不大，均为负值。研究成果表明：人为干扰对表层土壤结构破坏作用明显，农作物用地土壤结构稳定性普遍较差。

黄土丘陵区；农作物用地；土壤团粒；分形维数；矩法

1 研究背景

黄土丘陵区生态环境脆弱，是我国主要的水土流失区，人类不合理的开采煤矿及毁林开荒，使得表层土壤结构团聚性差，分散性强，是引起土壤水蚀及土地退化的主要原因。土壤结构形状的研究及改善措施的实施极为迫切。张光辉[1]对黄土丘陵区土壤表面特性变化规律做了研究，结果表明农耕、植物生长及其根系分布、有机质含量等因素均影响土壤团粒稳定性；丁文峰等[2]研究了林地和不同开垦年限农地表层土壤的团粒结构分形特征，发现>0.25 mm粒径的团粒含量越高，土壤结构越好，稳定性越强；周萍等[3]运用分形理论研究黄土丘陵区7种不同土地利用方式土壤团粒结构的分形特征，认为农地土壤结构与稳定性较差；李光录[4]对黄土高原南部土壤退化机理做了研究，认为土壤中<0.01 mm颗粒流失是造成黄土高原土壤退化的关键所在，耕地土壤结构状况的恶化加快了土壤退化速率。研究者观点都充分证明了人为的生产活动或者掠夺式经营是土壤结构破坏、土地质量退化的主要因素，但以往的研究多在评价黄土丘陵区不同土地利用方式下土壤结构稳定性，在与人类活动最相关的农作物用地上没有深入研究。

本文作者对晋西黄土丘陵地区一些村庄主要的粮食作物用地、经济作物用地和果园土壤表层结构基本现状、土壤结构体的物理性状(主要是土壤团粒和土壤水稳性团粒结构特征)等进行了系统的研究，企图评价不同农作物用地中土壤结构的稳定性，为黄土高原地区农耕水土保持措施提供理论依据。

2 研究区概况

本次研究区选在山西省中阳县，该县位于吕梁山中断西侧，黄河支流三川河流域，平均海拔为1 473.5 m；属暖温带亚干旱区大陆性季风气候，年平均气温为8℃，多年平均降水量为518.6 mm，无霜期平均为143 d。土样取样点位于下枣林乡罗家墕村，位于中阳县县城以西12 km处，乡境内沟多坡陡，生态恶劣，耕地较少，再加上该区域煤矿资源丰富，人类不合理的开采煤矿及毁林开荒耕种使得地表支离破碎，生态系统严重退化，水土流失严重。

3 研究方法

3.1 样地选择和样品采集

为研究罗家墕村不同农作物用地土壤团粒、水稳性团粒的变化特征，根据当地地貌特征、农作物种植和生长状况,以典型性和代表性为原则，于2011年7月中下旬，在海拔、坡度、坡向基本一致的粮食作物(土豆、黍子、玉米)、经济作物(绿豆、黄豆、向日葵)、果树(苹果、核桃)等不同农用地上挖取表层0～20 cm以及20～40 cm土壤剖面并采集土样装袋备用，各样地均设3组对照试验。土样质地分析如表1。

表1 土样基本情况Table 1 General information of soil samples

表1的土壤质地分析结果表明：这一地区土壤中黏粒(<0.001 mm)含量最少，只占总量的5.10%～11.63%，平均值为8.00%；砂粒((1,0.05]mm)含量介于24.63%～52.49%，平均值为34.70%；粗粉粒((0.05,0.01]mm)含量最多，介于29.80%～52.86%，平均值为42.46%；细粉粒((0.01,0.001]mm)含量次于以上两者，介于5.00%～20.76%，平均值为14.83%。其中砂粒和粉粒的含量总和接近90%，说明这两者是该地区黄土组成的基本骨架，粒径组成比较均匀。根据曹银真[5]研究结果，粒径的组成越均匀，其稳定性越差，该地区土壤大部分颗粒组成是粉砂粒径，质地均细，组织疏松，极易在水中崩解、分散，抗蚀能力薄弱。M.J.Kirkeby等[6]研究表明，土壤遇水的抗分散能力明显随黏粒的增多而加强，黏粒含量越大，凝聚作用越强，越容易形成稳定的土壤团粒结构。由表1可以看出：8种农作物用地土壤黏粒含量都比较低，表明该地区土壤抗分散能力普遍较弱。由表1还可以看出：绿豆、黍子、玉米和苹果的0～20 cm与20～40 cm土壤黏粒含量差异较大，且表层土壤黏粒含量小于深层土壤黏粒含量，说明这几种农作物的生长过程及种植模式减少了表层土壤黏粒含量，使得土壤稳定性变差。

3.2 土壤团聚状况的指标及计算方法

(1) 土壤机械组成分析，即比重计法；土壤团聚体分析，即干筛法、湿筛法。

(2) 运用分形理论建立估算团聚体质量粒径分形维的计算式为[7]

(di/dmax)3-D=mi/m0。

(1)

式中：di为第i级别团粒直径的中点值；dmax是最大土粒的粒径(mm)；mi为粒径小于di的累积土粒质量(kg)；m0为各粒级质量的总和(kg)；D为分形维数。

用线性求解方法，将式(1)两端分别取对数进行回归分析，得到斜率3-D，估算分形维数D。

(3) 用矩法统计的土壤团粒组成的标准差σ、偏度系数CS、峰凸系数CE的计算公式为：

(2)

(3)

(4)

4 结果分析

4.1 不同农作物用地土壤团粒及水稳性团粒组成及分形特征

土壤容易受侵蚀有2种原因：一是土壤容易分散；二是土壤的透水性不良。研究表明，土壤团粒结构可改善土壤的松散状况，提高土壤的总空隙率和大孔隙量，增强土壤透水性能，从而有利于降水入渗，减少地表径流对地表的冲刷作用。田积莹等[8]研究表明，植物生长对土壤团粒含量的影响非常显著。8种农作物用地表层土壤微团粒组成统计结果如图1。

由图1(a)可以看出，8种农作物用地中，表层土壤团粒(干筛)状况差异明显，表现为：>5 mm粒径的土壤团粒含量变化范围为12.07%～24.93%，变化顺序为土豆>苹果>黍子>向日葵>核桃>绿豆>黄豆>玉米；<0.25 mm粒径的土壤团粒含量变化范围为29.56%～63.78%，变化顺序为核桃>向日葵>玉米>黄豆>苹果>绿豆>黍子>土豆。粒径范围为3～5 mm,1～3 mm,0.5～1 mm,0.25～0.5 mm内团粒含量差异较小，说明8种农作物的耕作模式和作物生长对这些粒径范围内土壤团粒含量影响较小。

由图1(b)可以看出，8种农作物用地中，大于0.25 mm的水稳性团粒(湿筛)含量变化范围为1.54%～10.66%，变化顺序为绿豆>黄豆>土豆>黍子>向日葵>苹果>玉米>核桃。核桃此粒径范围的团粒含量最低，为绿豆的1/7，土豆的1/3，这可能与核桃树下土壤裸露、释水量大、持水量小、植株周边土层翻动较少、凋落物转化为腐殖质的条件不充足有关，不利于土壤水稳性团粒形成。粮食作物中土豆、黍子和经济作物中绿豆、黄豆较其它作物在这一粒径的水稳性团粒含量多，是因为土豆、豆类作物植株矮小，枝叶繁茂，冠幅具有多层次结构，表层土壤持水量大且每年都会进行耕作翻土，大量的枯落物进入土壤，土壤腐殖质积累多，有利于土壤水稳性团粒形成。

图1 不同农作物用地土壤团粒和水稳性团粒含量Fig.1 Composition of soil aggregates and water-stable aggregates of different land use crops

陈恩凤等[9]、S.F.Vania等[10]研究表明，0.25～3 mm粒径的团粒在供应、保持及转化营养元素的能力等方面发挥着重要的作用，可用该粒径团粒含量的多少来评价土壤肥力大小，进而评价土壤结构稳定性的强弱。由图2可以看出，0～20 cm土层0.25～3 mm土壤团粒状况(干筛)变化顺序为：黍子>绿豆>黄豆>土豆>玉米>向日葵>苹果>核桃，说明粮食作物中黍子、经济作物中绿豆、黄豆和果树中苹果的土壤结构较其它更好，这是因为种植过程中施用了农家肥，特别是农家肥和无机肥搭配施用有利于增加0.25～0.5 mm,0.5～1 mm，1～3 mm团聚体含量。人类耕种活动对表层土壤干扰较大，而从图2还可以发现，0～20 cm土层这一粒径范围的团粒含量普遍大于20～40 cm团粒含量，说明人类耕种活动主要有利于这一粒径范围内土壤团粒的形成。而核桃在这一粒径范围内的表层土壤团粒含量最少，且小于深层团粒含量，通过调查发现，当地在种植核桃的过程中施肥较少，且核桃树郁闭度小，枯落物多不被自身利用，土壤腐殖质含量相对较少，表层土壤肥力小，且核桃树根系发达，扎根较深，主要影响了深层土壤团粒结构的形成。

图2 不同农作物用地不同土层深度团粒含量(0.25～3 mm)Fig.2 Composition of soil aggregates (0.25～3mm) at different soil depths of different land use crops

图3 不同农作物用地土壤团粒和水稳性团粒分形维数Fig.3 Fractal dimensions of soil aggregates and water-stable aggregates of different land use crops

土壤团粒结构分形维数D可表征土壤结构状况与稳定性强弱。Castrignano等[11]运用分形模型对土壤团粒结构进行分析发现，团聚体分形维数D越大，团聚体的分散度越大，抗蚀能力越弱。V.Rasiah等[12]的研究结果表明土壤团粒、水稳性团粒的分形维数与土壤有机质显著负相关(P<0.05)。从8种农作物用地土壤团粒和水稳性团粒结构分形维数(相关系数均大于0.9)(图3)可以发现，表层土壤团粒(干筛)分形维数在2.685 8～2.858 2之间，分形维数均大于2，说明团聚体主要由粒径较小的结构体组成，其变化顺序为核桃>向日葵>玉米>苹果>黄豆>绿豆>黍子>土豆，基本表现出了<0.25 mm粒径的团粒含量越高，其分形维数越大的规律(见图1和图3)，这与丁文峰等[2]的研究结果一致。表层土壤水稳性团粒(湿筛)结构的分形维数变化范围在2.967 0～2.995 7之间，变化顺序为核桃>苹果>玉米>黍子>向日葵>土豆>黄豆>绿豆，与<0.25 mm的水稳性团粒含量显著正相关(P<0.01)，不同农作物间D值差异较小，且都大于2.96，说明农作物用地土壤团粒结构稳定性普遍较差。人类强烈的开垦耕种活动干扰是导致土壤有机质来源和土壤中具有强团聚能力的有机质减少的主要原因，从而导致土壤结构稳定性变弱，是导致土壤退化的主要因素。综合土壤团粒及水稳性团粒组成和分形维数评价得出：粮食作物中的土豆、黍子，经济作物中的绿豆、黄豆，果树中的苹果土壤结构较好，稳定性较强。

4.2 利用矩法分析不同农作物用地土壤团粒结构稳定性

祁迎春等[13]研究表明，用分形维数作为土壤团聚体的质量指标，在比较各类土壤的团聚状况时其可信度较低，并且提出用数学逻辑更加严密的矩法来分析土壤团聚体组成特征。本文尝试用矩法求出不同农作物用地土壤团聚体组成的基本特征参数(偏度系数CS和峰凸系数CE)，以这些参数为指标分析各类土壤的团聚状况。偏度系数CS表示粒径分布曲线的对称性，反映了平均直径两侧团聚体含量分布是否平衡，正偏态分布为大于平均直径团聚体含量占优势，负偏态分布相反。峰凸系数表示分布曲线的平缓或凸起，反映各粒级团聚体分布的集中程度。根据公式对不同农作物用地团粒(干筛)特征参数进行统计结果见表2。

由表2可以看出，不同农作物用地土壤团粒偏度系数CS差异明显，同种农作物用地不同深度土层CS差异也较大，峰凸系数CE差异不大。就20～40 cm深度土壤而言，各类农作物用地CS均>0，团粒组成曲线呈正偏态分布，说明该土层土壤大于平均直径的团粒含量较多，土壤团聚作用较强，分散性弱，团聚体稳定性较好；0～20 cm深度的土壤由于受人为干扰和农作物生长干扰作用更大，CS普遍小于20～40 cm土层，核桃地表层土壤CS甚至转为负值，即土壤团粒组成曲线转为负偏态分布，表明农作物耕作模式作用和作物生长过程中土壤本身较稳定的结构遭到破坏，土壤抗分散能力减弱，以核桃用地最为严重。黍子用地土壤团粒0～20 cm的CS值大于20～40 cm的CS值，这可能与黍子在种植过程中施用了农家肥，增加了表层土壤有机质含量，在生长过程中人为扰动少，且黍子的根系较浅，对表层土壤的作用较大有关。

表2 不同农作物用地不同深度土壤团聚状况的特征参数Table 2 Characteristic parameters of soil aggregatescondition at different soil depths of different land use crops

由表2还可以看出，8种农作物不同土层土壤团粒的峰凸系数CE均为负值，各土层间变幅在0.02～0.07之间，各农作物种类间变幅为0.22，差异不明显，表明土壤团粒组成较分散，没有很明显的优势，说明农用地受人为影响较大，土壤结构稳定性普遍较差。

5 结 论

(1) 土壤机械分析结果表明，晋西黄土丘陵区农作物用地土壤砂粒和粉粒的含量总和接近90%，土壤颗粒组成均匀系数高，且黏粒含量少，土壤稳定性较差，抗蚀性较弱。

(2) 不同农作物用地表层土壤团粒的分形维数变化范围为2.685 8～2.858 2之间，变化顺序为核桃>向日葵>玉米>苹果>黄豆>绿豆>黍子>土豆；表层土壤水稳性团粒的分形维数变化范围为2.967 0～2.995 7之间，变化顺序为核桃>苹果>玉米>黍子>向日葵>土豆>黄豆>绿豆，与<0.25 mm粒径的土壤团粒、水稳性团粒含量变化趋势呈显著正相关关系(P<0.01)。0.25～3 mm粒径的团聚体是土壤肥力的重要物质条件，0～20 cm土层这一粒径范围内土壤团粒状况(干筛)变化顺序为：黍子>绿豆>黄豆>土豆>玉米>向日葵>苹果>核桃，主要与种植过程中的施肥、土壤腐殖质积累及植株根系分布有关，人类耕种活动主要有利于这一粒径范围内土壤团粒的形成；>0.25 mm的水稳性团粒(湿筛)含量变化范围为1.54%～10.66%，变化顺序为绿豆>黄豆>土豆>黍子>向日葵>苹果>玉米>核桃，主要与土壤持水量及腐殖质积累有关。综合土壤团粒及水稳性团粒组成和分形维数评价得出粮食作物中土豆、黍子，经济作物中绿豆、黄豆，果树中苹果的分形维数较其他作物小，土壤结构较好，稳定性较强。

(3) 用矩法的理论和特征参数评价得出各农作物用地0～20 cm深度的土壤CS值普遍小于20～40 cm土层，核桃地表层土壤CS甚至转为负值，表明农作物耕作模式和作物生长破坏了土壤本身较稳定的结构，使土壤抗分散能力减弱，以核桃用地最为严重。黍子用地表层土壤团粒结构优于深层团粒结构。峰凸系数CE均为负值，团粒组成中占优势的团粒分布不集中，没有明显的优势。

耕作过程中也可以选择各种作物中的优势作物进行间作或者套作，减少农耕行为对土壤结构的破坏，减缓土壤退化速率。

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(编辑：姜小兰)

Soil Aggregate Stability with Different Land Use for Crops inthe Hilly-gully Region of Loess Plateau

XU Can,ZHANG Ping-cang,DING Wen-feng

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

To analyze and compare the stability of soil aggregate under different land use for crops,and reveal the effect and influence of human activities and crops growth on soil quality,an experiment on farmland soil was conducted.Fractal dimension and moment method parameter were employed,and farmland soil in the hilly-gully region of loess plateau in west Shanxi province is taken as research object.Results reveal that: 1) according to the aggregate fractal dimension of surface soil,the stability of soil structure ranges in order of potato,millet,mung bean,soybean,apple,corn,sunflower and walnut from strong to weak;2) according to the fractal dimension of water-stable soil aggregate,the stability of soil structure ranges in order of mung bean,soybean,potato,sunflower,millet,corn,apple and walnut from strong to weak.The amount of soil aggregates (0.25～3mm) of millet is the highest,followed by mung bean,soybean,potato,corn,sunflower,apple and walnut.In consideration of the composition of soil aggregates,water stable aggregates and the fractal dimension,the soil structure and stability of potato,millet,mung bean,soybean and apple are better,and that of walnut is the lowest among these eight crops.By using moment method and characteristic parameters we concluded that the value of CS of soil layer in depth 0～20cm is generally smaller than the CS in depth 20～40cm.The value of CS of walnut ground even is negative.The difference of convex peak coefficient (CE) is not obvious and are all negative.The research achievements suggest that the damage of human disturbance to the structure of surface soil is apparent and the soil structure of land use for crops is generally poor.

hilly-gully region of loess plateau;land use for crops;soil aggregate;fractal dimension;moment method

2015-01-16；

2015-01-23

国家自然科学基金项目 (41271303)；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2013013/TB) ；长江科学院创新团队项目 (CKSF2012052 / TB)

徐 灿(1990-)，女，湖北襄阳人，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀及水土保持研究，(电话)027-82929713(电子信箱)564949810@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.008

S157.1

A

1001-5485(2015)03-0035-05

2015,32(03):35-39,49