石灰岩发育土壤团聚体的分级特征

刘 兵，周运超，张 皓，李可相，郭广正，周 焱，高安勤,5

(1.贵州大学土地规划与信息技术研究所，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学林学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；4.清镇市气象局，贵州 贵阳 551400；5.六盘水市农业委员会，贵州 六盘水 553000)



■研究报告

石灰岩发育土壤团聚体的分级特征

刘 兵1,3，周运超1,2，张 皓4，李可相1,3，郭广正3，周 焱1,3，高安勤3,5

(1.贵州大学土地规划与信息技术研究所，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学林学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；4.清镇市气象局，贵州 贵阳 551400；5.六盘水市农业委员会，贵州 六盘水 553000)

为探索石灰岩发育土壤团聚体的分级特征。采用筛分法，将干筛后的团聚体逐级单独湿筛，得出不同粒级干筛后团聚体的分级特征。通过对不同植被类型下(草本、灌木、乔木)土壤团聚体的分级特征、干筛后平均重量直径、不同粒级干筛后团聚体经湿筛后的本级保留量、平均重量直径及水稳定性团聚体含量进行分析，综合评价其土壤抗蚀性。结果表明>0.5mm的团聚体是土壤团聚体存在的主要形式；土壤各粒级团聚体经湿筛后以本级水稳性团聚体为主，团聚体的量随着粒级变小而不断减少；三种植被类型下干筛后团聚体平均重量直径：草本>灌木>乔木；湿筛后各粒级的平均重量直径均表现为：随着粒级的减小，平均重量直径递级依次减少，团聚体抗蚀性降低；土壤各粒级干筛后团聚体湿筛后各级的保留量和水稳定性团聚体均呈现出：灌木>乔木>草本。三种植被类型中，草本土壤的干筛后团聚体含量最高，灌木土壤的抗蚀性最强。在以后的水土保持措施当中，应以营造植被类型多样的群落为主，更好地形成土壤-植物系统的良性响应。

石灰岩；植被类型；土壤团聚体；平均重量直径

土壤团聚体是指存在于土壤中的大小形状不同、空隙分布与组成的不一样、稳定性有一定差异的土壤颗粒的集合，它们是土壤中矿质粘粒通过胶体的胶结、凝结、粘结等作用互相结合而行成的[1]。土壤团聚体是土壤团聚结构的基本组成部分，其大小不同、形状各异、空隙分布与组成的不一样、稳定性有一定差异，不仅仅对土壤的孔隙性、持水量、通透性能和抗蚀能力等土壤基本的物理性特征有着重要的影响[2]，又对土壤中的水分肥力供给、氧气热能传递等功能作用有着明显的限制。因此，土壤团聚体既影响土壤的结构，也可以调节土壤的肥力水平[3]。

土壤团聚体性质的研究，主要为筛分法，该方法包括干筛法和湿筛法,通常情况下将干筛后的团聚体按照比例混合后进行湿筛，该筛分方式主要表现0.25mm以上，10mm以下的大团聚体的综合性质[4-7]，传统的筛分方式不能较好的体现各个粒级的干筛后团聚体和水稳定性团聚体的独立性质；团聚体内部不同粒级的聚体在理化和生物学性质上存在较大差异，传统分级方法在该方面的研究存在一定困扰。蒋静等[8]对湿筛的方法进行改进，将不同粒级的干筛后团聚体分别进行湿筛，得到不同粒级干筛后团聚体的水稳性特征。较好地解决了这一问题，该方法对于研究不同土壤类型或不同土地利用方式下同一粒级的土壤团聚体的性质意义更为深远，可研究找出自然状态或人为干扰方式下土壤颗粒的团聚的原因，对水土保持措施的改善或更新作用明显。但研究对象较为单一，不能体现出该方法的优越性。因此，本文在喀斯特石灰岩地区选择草本、乔木、灌木的3种不同植被类型下的土壤为研究对象，将不同粒级的干筛后团聚体分别进行湿筛，探讨其土壤团聚体分级特征及植被构成与土壤的关系，以期为植被恢复和水土流失综合防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究从贵州省贵阳市花溪(贵州大学南校区、花溪水库、镇山村)采集土样。贵阳市位于贵州省中部云贵高原东斜坡地带，总面积8032 km2，地理位置为北纬26°11′～27°22′，东经106°07′～107°17′，海拔变化范围在506～1762m。低纬度，高海拔，地形多样是贵阳地理的显著特征。贵阳属亚热带湿润温和型气候，年平均气温在15.3℃左右，年平均降雨量为1100～1200mm，森林覆盖率15.97%。水资源主要源于天然雨，年天然径流546～640mm，平均每平方千米产水56.3×104m3，水资源总量为53.4×108m3。全市土壤包括黄壤、黄棕壤、石灰土、紫色土、水稻土、冲积土、沼泽土、草甸土等8个土类。其中石灰土面积为19.66×104hm2，占32.3%。喀斯特面积占全市面积的85%。研究区的土壤以石灰土为主，分布不连续，平均厚度为20～40 cm。

1.2 样品采集

在研究区3个采样点，选择乔木、灌木、草本3种不同植被类型进行采样，采样时间为2016年5月-6月。按五点取样法随机采取5个点组成一个样品，采样深度为表层0～30cm，尽量保持原状的土壤结构，装入高、宽、长为30cm×20cm×30cm的硬质塑料盒中带回实验室。原状土样在室内自然风干，当土壤含水率为20%(达到可塑上限)时，用手将原状土沿着土壤自然破碎面轻轻掰成直径10mm左右的小土块，剔除其中大的植物残体和石块等，在室温下风干，并将同一样地的土壤样品混匀备用。

1.3 测定方法

土壤团聚体稳定性采用干筛法和湿筛法测定：干筛的具体步骤为称取1000.0 g风干原状土分多次置于孔径次序递次为5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25mm的套筛顶部。加盖、摇动套筛，收集各孔径筛子上的团聚体，称重备用；湿筛的具体步骤是将干筛得到的样品每一个粒级50g，置于依次叠好的孔径为5 mm、2 mm、1mm、0.5 mm、0.25mm的套筛上。将筛组置于团粒分析仪的震荡架上，以3 cm振幅、30次/分钟的频率震荡30分钟(震荡过程中筛组上缘部分不得超出水面)，将各级筛上的团聚体洗入已知质量的烧杯中，烘干称重；有机质测定采用重铬酸钾外加热法。

1.4 数据分析

数据处理和作图采用Excel 2007，相关性分析采用DPS 7.05 数据处理系统。

2 结果

2.1 土壤基本理化性质

表1 土壤基本理化性质

Table 1 Soil physics and chemistry index

表1为3种植被类型下土壤的基本理化性质，3种植被类型下土壤pH分别为草本7.35、灌木7.15、乔木7.45；3种植被类型下土壤有机质分别为草本59.25g/kg、灌木117.29g/kg、乔木78.49g/kg；3种植被类型下土壤按卡钦斯基制标准划分草本土壤为重壤土、灌木和乔木土壤为轻黏土。

3种植被类型下土壤中<0.001mm粘粒含量都很高，草本为24.15%，灌木为32.45%，乔木为21.04%。说明土壤矿质胶体含量较高，有利于土壤团粒结构的形成；三种植被类型下土壤中0.05～0.001mm粉粒含量都较高，平均含量都在50%左右。

2.2 壤团聚体的干筛表征组成性状

表2 土壤团聚体干筛后各粒级含量

Tabal 2 The amount of soil aggregate for dry-sieved

草本土壤干筛后各粒级团聚体含量随着粒级的减小总体上呈现逐渐降低的趋势，主要以 > 5 mm和5～2 mm粒级为主，其含量分别为73.34%和11.87%，2～1 mm 和1～0.5 mm粒级次之，含量均在5%左右，0.5-0.25 mm粒级含量最少，干筛后，>0.25 mm干筛土壤团聚体含量占总含量的97.94%。

灌木土壤干筛土壤团聚体含量也呈现随粒级减小逐渐降低的趋势，与草本一样，>5 mm和5～2 mm粒级的干筛土壤团聚体占主要成分，含量分别为68.89%和14.83%，2～1 mm 和1～0.5 mm粒级含量相差不大，含量也在5%左右，0.5～0.25 mm 粒级含量最低，>0.25 mm干筛土壤团聚体含量占总含量的96.61%。

乔木土壤干筛土壤团聚体含量以>5 mm和5～2 mm粒级为主，除2～1 mm粒级外，总体上呈现随着粒级减小逐渐降低的趋势；>0.25 mm干筛土壤团聚体含量占总含量的93.81%。

3种不同植被类型的土壤干筛团聚体总体上呈现相同的趋势，都随着土壤粒级的减小而含量逐渐降低；但不同植被类型的同一粒级土壤团聚体之间存在一定差异，>5 mm粒级含量表现为草本>灌木>乔木，5～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm和0.5～0.25 mm 4个粒级的团聚体含量表现一致，统一为草本<灌木<乔木。这可能与地表植被覆盖下植物根系的不同有关，浅根系草本植物在0～30cm土层作用较大，其根系的分泌物胶结作用和微生物的作用促进细土粒向大团粒团聚。

2.3 土壤团聚体的湿筛表征组成性状

通过湿筛法可以获得的团聚体是土壤中的水稳性团聚体，水稳性团聚体对保持土壤结构的稳定性有重要的作用，因而比非水稳性团聚体更为重要[9]。

由表3可知，草本土壤湿筛后土壤各粒级含量变化较大，>5 mm土壤团聚体湿筛后各粒级含量变化不大，根据其含量总体上可分为3个档次，湿筛后以>5 mm和5-2 mm的水稳性团聚体为主，2～1 mm和1～0.5 mm次之，0.5～0.25 mm粒级最少，>0.25 mm水稳性团聚体占>5 mm土壤团聚体总量的87.48%。

表3 土壤团聚体湿筛后各粒级含量

Tabal 3 The amount of soil aggregate for wet-sieved

5～2 mm土壤团聚体湿筛后各粒级差异较大，湿筛后5～2 mm、2～1 mm和1～0.5 mm三级水稳性团聚体占总量的近75%，构成了水稳定性团聚体的主要组分，0.5～0.25 mm粒级最少，只占了总量的2.77%，>0.25 mm水稳性团聚体则占原团聚体总量的78.32%。

2～1 mm土壤团聚体湿筛后以2～1 mm和1～0.5 mm为主，两级占了原土壤团聚体的近65%，非水稳定性团聚体占30.85%。1～0.5 mm土壤团聚体湿筛后的1～0.5 mm水稳性团聚体占了原土的47.86，而非水稳定性团聚体则超过了原土团聚体的一半。0.5～0.25 mm团聚体湿筛后稳定性部分占66.68%，非水稳定性团聚体占了33.32%。

2～1 mm、1～0.5 mm和0.5～0.25 mm土壤非水稳性团聚体含量为30.85%、50.39%和33.32%，构成了水土流失和地表径流的主体，可见，土壤在自然状态下受雨水冲刷后，该3级粒级土粒易被淋洗。

灌木各级土壤团聚体湿筛后，其水稳性团聚体含量随粒级的减小含量逐渐降低。>5 mm粒级湿筛后以>5 mm土壤水稳定性团聚体为主，其量占了总量的67.66%，5-2 mm粒级次之，>0.25 mm水稳定性团聚体占总量的85.59%。5～2 mm粒级水稳性团聚体湿筛后，其本级含量占团聚体总量69.51%。2～1 mm 粒级湿筛后2～1 mm和1～0.5 mm占了总量的80.73%，0.5～0.25 mm粒级则为8.42%。1～0.5 mm粒级的土壤团聚体湿筛后，其本级水稳性团聚体含量为85.28%。0.5～0.25 mm粒级湿筛后其水稳性团聚体为84.54%。不同粒级的土壤团聚体湿筛后，都以本级土壤水稳性团聚体为主，>0.25 mm土壤水稳性团聚体含量从10.74%-5.46%不等，含量相差不大。

乔木各粒级土壤干筛团聚体湿筛后，同样，其水稳性团聚体含量随粒级的减小含量逐渐降低，不同粒级干筛团聚体经湿筛后，以本粒级土壤团聚体为主。>5 mm土壤团聚体湿筛后，其本粒级土壤团聚体58.36%，5～2 mm粒级水稳性团聚体为14.51%，其余三粒级含量较少，>0.25 mm水稳性团聚体含量为86.08%。

5～2 mm粒级湿筛后，本级水稳性团聚体为54.61%，2～1 mm和1～0.5 mm粒级水稳性团聚体相差不大，分别为14.58%和13.16%，>0.25 mm水稳性团聚体含量为85.38%。2～1 mm湿筛后本级水稳性团聚体为56.51%，1～0.5 mm水稳性团聚体为16.73%。1～0.5 mm粒级湿筛后本级水稳性团聚体含量为65.47%，>0.25 mm水稳性团聚体为68.06%。0.5～0.25 mm粒级湿筛后本级水稳性团聚体含量为79.30%。

各级土壤粒级<0.25 mm非水稳性团聚体含量差异较大，除0.5～0.25 mm外，随着粒级的减小，其水稳性团聚体呈逐渐增加的趋势。在自然雨水冲刷下，2～1 mm、1～0.5 mm和0.5～0.25 mm粒级土壤团聚体为水土流失的主体部分，分别为24.41%、31.94%和20.70%。

3种不同植被类型的土壤湿筛团聚体含量总体上呈现相同的趋势，随着粒级的减小逐渐降低，各粒级团聚体湿筛后的团聚体以本级水稳性团聚体为主，其中，不同植被类型的水稳性团聚体的含量表现为灌木>乔木>草本，由此可见，灌木植被下所形成的土壤其水稳定性较高，乔木次之，草本最差，这可能是由于灌木由木本+草本的构成方式，使得0～30cm土壤受到两种类型植被的双重影响，根系分泌物及根系的穿插缠绕及微生物群落较其余两种植被类型旺盛，形成的土壤团聚体较稳定；乔木的根系主要为深根系，对0～30cm表层土壤作用较小，对团聚体稳定性贡献低；草本土壤由于植被的特殊性，生物量较低，其根系及其枯萎后对周围土壤贡献低，且土壤易发生侵蚀和地表径流，故土壤水稳定性较差，易破碎缓解。

2.4 不同植被类型对土壤团聚体大小的影响

不同粒级团聚体对土壤养分的保持和供应、孔隙组成、水力性质和生物运动具有不同的作用[10,11]，因此在团聚体总量的基础上，团聚体大小分布状况与土壤的质量关系更加密切。平均重量直径是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标。平均重量值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[12]。

从表4可以看出，干筛处理的平均重量直径在三种植被类型下的表现为草本(6.05mm)>灌木(5.82mm)>乔木(4.54mm)，说明在草本土壤上干筛后聚体稳定性于灌木和乔木。

将干筛后团体按粒级分别湿筛，在三种植被类型下不同粒级的干筛后体的平均重量直径均表现出随粒级的减少而逐级递次减少的规律，说明干筛后聚体的颗粒越大，其团聚体的水稳性越高，抗蚀能力越强。

在3种植被类型下相同粒级的干筛后体湿筛后平均重量直径均表现为灌木>乔木>草本，灌木土壤上团聚体的抗蚀性最高，乔木次之，草本最小。说明在团聚体稳定性具有一定的延续性，这种规律表现在3种植被类型下团聚体的破碎程度不同，但湿筛后平均重量直径依旧为灌木>乔木>草本。

表4 土壤团聚体的平均重量直径

Tabal 4 Mean weight diameter of soil aggregate for wet-sieved and dry-sieved

3 结论与讨论

3.1 结论

石灰岩发育的土壤团聚体干筛后均以0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒级含量最低，两个粒级之和占团聚体总量在10%左右，表明>0.5mm粒级的团聚体是土壤团聚体存在的主要形式。>5mm，5～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm，<0.25mm干筛团聚体平均含量次序递次减少；灰岩发育的土壤各粒级团聚体经湿筛后以本级水稳性团聚体为主，土壤破碎为新的团聚体，团聚体的量随着粒级变小而不断减少；干筛处理的平均重量直径在3种植被类型下的表现为草本>灌木>乔木；将干筛后团聚体按粒级分别湿筛，在3种植被类型下不同粒级的干筛后团聚体的平均重量直径均表现出随粒级的减少而逐级递次减少的规律，而在3种植被类型下湿筛后平均重量直径均表现为灌木>乔木>草本，这种情况主要和3种植被类型下有机质含量有关，土壤中有机胶体的含量越高，越有利于土壤团粒结构的形成。

3.2 讨论

土壤团聚体的形成过程是一个异常复杂的物理、化学、生物学以及生物化学等等互相作用的过程，其详细的作用机理目前还没有专家或者学者能完全解释清楚，但值得肯定的是不同植被类型对土壤团聚体组成有重要影响[13]。通过本研究试验，结果表明：3种不同植被类型下的土壤团聚体干筛后均以<0.5 mm的两个粒级含量最低，两粒级含量之和仅仅占干筛后土壤团聚体总量的10%左右，>0.5mm粒级团聚体是石灰岩发育土壤中团聚体存在的主要形式。3种植被类型下土壤干筛后团聚体以大粒级为主，并随着粒级的降低，含量逐渐减少。干筛后>5mm粒级的团聚体含量在50%以上。

土壤团聚体的形成主要有以下两种不同观点：第一种认为，大团聚体是由微团聚体先形成后在植物根系和微生物菌丝的缠绕作用形成的[14]。第二种观点则相反，某人认为，土壤团聚体在形成过程中，先形成粒级较大的土壤大团聚体，然后粒级较小的土壤微团聚体通过土壤大团聚体内部的有机质颗粒胶结作用而形成[15,16]。研究结果表明，在水作用下，3种植被类型下>5 mm 粒级的团聚体的土壤以草本的破碎率为最大，达到73.62%，乔木和灌木的破碎率仅为草本的1/3，说明在石灰岩发育的草本土壤的团聚体稳定度低；大颗粒的团聚体破碎，其他粒级团聚体颗粒均有不同的增加，以<0.25 mm的团聚体增加量较大。说明团聚体在形成过程，大团聚体和小团聚体的形成是一个动态变化的过程，其含量的变化主要受外界环境的影响较大，同时说明石灰岩发育土壤的团聚体形成机制较复杂。

3种植被类型下土壤团聚体干筛后，平均重量直径表现为草本>灌木>乔木，而经湿筛后团聚体各粒级平均重量却表现为灌木>乔木>草本，是因为草本土壤中根-土界面机械稳性所决定，0～30cm土层根系生物量较大，根-土接触面面积也随之增大，增加了根-土之间的作用力，使得草本土壤中团聚体在干筛后含量较高。根-土间作用力受土壤质地的影响较大，土壤质地粘重，作用力进一步加强。其他两种植被类型土壤在0-30cm土层生物量较少，其作用力较低。经湿筛后，这种作用力受雨水侵蚀或冲刷而逐渐减弱，使得干筛后稳性较高的团聚体沿着根-土界面破碎，导致草本土壤中的水稳定性团聚体含量降低。

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the Characteristic of Soil Aggregate Structure-Grading Developed by Limestone

LIU Bing1,3, ZHOU Yun-chao1,2, ZHANG Hao4, LI Ke-xiang1,3,
GUO Guang-zheng3, ZHOU Yan1,3, GAO An-qin3,5

(1.InstituteofLandPlanningandInformationTechnology,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 2.ForestryCollege,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China;3.AgriculturalCollege,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China;4.QingzhenMeteorologicalBureau,Guiyang,Guizhou551400,China;5.LiupanshuiAgriculturalCommission,Liupanshui,Guizhou553000,China)

To explore the characteristic of soil aggregate structure for limestone-development zone. By using the method of wet-sieved and dry-sieved, the comprehensive evaluation of soil erosion resistance under different types of vegetation(grass, shrub and arbor).The soil aggregate grading characteristics, average weight dry-sieved diameter and the stability of different graded aggregate for retention amount of wet-sieved at the corresponding level. mean weight diameter and > 0.25 mm of water-stable aggregate content were analyzed. Results showed that aggregate of > 0.5 mm was the main composition of soil aggregate, the different graded soil aggregate of wet-sieved was given priority to the corresponding aggregate water stability, the quantity of aggregate was decreasing with the decrease of graded. Dry-sieved aggregate average weight diameter under three types of vegetation : grassland > shrub > arbor. Average weight of each fraction of wet -sieved diameter was as follows:average weight diameter and erosion resistance reduced of aggregate with decreasing of the fraction, each soil graded aggregate of wet-sieved reservations at all levels and the water stability of > 0.25 mm graded aggregate wrer presented: shrub > arbor > grassland.meadow soil aggregate content was the highest, the force of stability shrubbery soil had the strongest resistance toerosion under three vegetation types. In the future soil and water conservation measures, rebuild a variety of types of vegetation communities to form the soil plant system benign response.

limestone; types of vegetation; soil aggregate; mean weight diameter

2016-11-16

贵州岩溶高原石漠化综合治理岩溶碳汇增汇试验与示范(YR-JSHJ-2016-211)。

刘兵(1987-)，男，贵州大学在读硕士研究生，研究方向：土壤化学与环境。

周焱(1963-),女,教授，研究方向:农业资源利用。