不同土地利用方式土壤团聚体有机碳分布特征——以海南省定安县为例

邢瑶丽，赵志忠，李 燕，赵泽阳，李沁枚

（海南师范大学地理与环境科学学院，海南 海口 571158）

全球土层深度为100 cm的土壤有机碳为1460 pg，是植被碳库的3倍，大气碳库的2倍［1］，而每年参与全球碳循环的量仅有约占土壤有机碳总含量的4%，因此，土壤有机碳既是大气中CO2的碳源又是碳汇［2］。此外，土壤有机碳是土壤中较为活跃的部分，其对土壤碳库的变化敏感度优于其他变量，即使土壤碳库发生微小变化也会影响大气CO2的浓度甚至全球气候变化［3］，从而影响着陆地植被养分的供给，导致了陆地生态系统组成、结构、形态、分布、功能和土壤肥力的差异［4］。而土壤肥力是土壤有机碳的核心，在维持土壤养分含量、促进土壤孔隙系统和土壤结构的形成及其维持其稳定性、调节生物学性质和化学性质等方面发挥着重要作用［5］。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤中能量物质转化代谢的场所，其团聚体粒径的大小及其组成比例影响着土壤肥力的高低［5］。因为土壤团聚体对协调土壤肥力、改善土壤耕性等方面有重要作用，且影响着土壤的持水性、孔隙性和抗蚀性，从而团聚体含量常被作为土壤肥力的重要指标之一［6］。因此，土壤团聚体的分布特征研究已成为当前环境科学研究的热点之一。

土壤团聚体被认为是土壤碳固定的重要机制，近年来，国内外学者对土壤团聚体的形成机制、分布、影响因素及其农业管理措施等方面进行了大量研究。研究表明，土壤团聚程度与土壤有机碳有密切联系，土壤有机碳含量影响团聚体数量和大小的分布，其有机碳含量的提高有利于土壤结构的形成和增强土壤结构的稳定性，而团聚体反过来又影响土壤有机碳的分解、存储和转化［7］。不同的土地利用方式也影响着土壤团聚体含量和团聚体结合土壤有机碳的能力。李娟等［8］研究了5种不同土地利用方式下土壤团聚体结构，结果表明林地和水稻田利用方式有利于提高土壤团聚体的数量和质量，也增强了土壤团聚体的稳定性和改善土壤结构；刘恩科等［9］研究表明，长期耕地和长期撂荒地相比，撂荒地可提高土壤表层的水稳性的大团聚体含量和有机碳含量，耕地破坏了水稳性的大团聚体，相应增加了微团聚体的含量；李鉴霖等［10］对缙云山不用土地利用方式下土壤团聚体的变化特征进行研究，结果表明林地开垦会导致大团聚体的破碎化，导致土壤团聚体稳定性较低，而坡耕地弃耕撂荒会增强土壤团聚体的稳定性，另外，林地和撂荒地的土壤有机碳主要存储在中团聚体内。Elliott等［11］研究表明大团聚体中有机碳比微团聚体中有机碳更容易矿化；也有研究表明，退耕还林与未退耕相比，表层0～20 cm土层＞2 mm和1～2 mm粒径团聚体含量，显著减少＜0.25 mm 粒径团聚体含量，表层20～40 cm中团聚体含量均值随粒径的减小而增加，同时表明，退耕改善了土壤结构，对各粒径团聚体土壤有机碳含量分布的影响随退耕年限与方式不同也表现各异［12］。

需要指出的是，尽管众多学者对不同土地利用方式下土壤团聚体稳定性和分布等方面做出了相关研究，但关于以海南为研究区域并研究不同土地利用方式下土壤团聚体分布及结合其土壤有机碳影响鲜有报道。海南作为我国面积最大的热带地区，农业生产条件优越，但由于各种因素的影响，耕地面积越来越少，而土地利用方式的转变也会使得土壤有机碳和土壤团聚体的变化，有研究指出大团聚体的土壤有机碳含量较高［13］；但也有研究指出微团聚体土壤有机碳含量比大团聚体土壤有机碳含量高［14］，结论各有不同。因此，为了解各区域不同土地利用方式下对土壤团聚体分布特征的影响，本研究通过菜地、林地、农田和不同年限撂荒地撂荒地A（撂荒年限＜3年）、撂荒地B（3年＜撂荒年限＜8年）、撂荒地C（8年＜撂荒年限＜10年），探讨不同土地利用方式对土壤团聚体分布特征及其有机碳的影响，为海南土壤质量的提高和可持续利用提供一定的数据支撑和理论基础。

1 材料与方法

1.1 样品采集

以海南定安县（110°7′～110°31′E，19°13′～19°44′N）为研究区，定安县气候为热带季风气候，年均日照为1 880 h，其日照时数较长，年均气温24℃，年均降水1 953 mm，全年无霜；定安县地形多属低丘台地地貌，南部、东南部、东北部有小片中丘突起，耕地总面积22 262 hm2，其中旱地10 319 hm2、水旱田11 942 hm2［15］。于2017年7月沿定城镇、新竹镇、翰林镇、岭口镇主要路线选取15个具有代表性的样地，并在15个样地的基础上选择6种不同的土地利用类型（菜地、林地、农田、撂荒地A（撂荒年限＜3年）、撂荒地B（3年＜撂荒年限＜8年）和撂荒地C（8年＜撂荒年限＜10年），样地大小为30 m×30 m，共计90个样地。采用“S”形布点法采样，每个样地随机选取3个采样点，采样的土层深度为30 cm，并按表层（0～10 cm）、中层（10～20 cm）和下层（20～30 cm）进行分层，用土钻分层采集样品。将同一个采样地的相同土层进行均匀混合为1个土壤样品，再将其装入封口袋进行编号带回实验室，共采集样品270个。

1.2 样品处理与分析

拣去样品中动植物残体和石砾，摊开样品自然风干，用于测定相关指标。

土壤有机碳含量测定：将捡除杂物的风干土样取50 g研磨，取30 g已研磨土样放入烘箱，温度调至105℃，24 h后取出，为消除无机碳对有机碳结果的影响，需要对样品进行酸化，取已烘干土样10 g用盐酸进行酸化，初步完成后，静置24 h后用蒸馏水清洗，再将其进行离心3～4次，直至土样呈中性，再次将土样放入温度为60℃的烘箱内24 h，最后取出冷却、干燥和研磨，最后用锡纸包裹，用TOC分析仪检测。

土壤团聚体测定：采用干筛法进行团聚体的测定［16］。将采集回来自然风干的样品在室内沿着自然结构方向轻轻掰成直径约为1 cm的小土块后，按照沙维诺夫分级法进行分级，用干筛法分离出＜0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1mm、1～2 mm、2～5 mm、＞5 mm共6级团聚体。

试验数据采用Excel2007软件进行初步处理，采用SPSS 16软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同粒径团聚体的分布

土壤团聚体既是土壤肥力的重要标志之一，也是保护土壤有机碳的载体，在土壤肥力和固碳能力上发挥着重要作用，而土壤团聚体各粒级间的组成比例不同是造成肥力差异的最主要内在原因［17］。由表1可知，同一种土地利用方式农田团聚体含量随着粒径的减小而增加，当＜0.25 mm粒径时，其含量最大；不同年限的撂荒地团聚体粒径组成呈双峰趋势，粒径在＞5 mm和0.25～0.5mm时呈现峰值；菜地团聚体粒径在1～2 mm时含量最大；林地团聚体含量随着粒径的减小而减少。表明同一种土地利用方式不同团聚体的粒级组成比例存在较大的差异。

在不同的土地利用方式下，团聚体粒径＞5 mm所占的比例依次为撂荒地B ＞撂荒地C＞撂荒地A ＞林地 ＞菜地 ＞农田，所占比例分别为51%、49%、47%、42%、41%和36%；团聚体粒径2～5 mm所占的比例依次为林地＞菜地＞撂荒地A ＞撂荒地C ＞ 撂荒地B＞农田，所占比例分别为23%、21%、20%、19%、18%和17%；团聚体粒径1～2 mm所占的比例依次为菜地＞林地撂荒地B＞撂荒地A＞撂荒地C＞农田，所占比例分别为15%、12%、11%、10%、9%和7%；团聚体粒径0.5～1 mm所占的比例依次为林地＞菜地＞撂荒地C＞农田＞撂荒地B＞撂荒地A，所占比例分别为17%、13%、12%、11%、9%和7%；团聚体粒径0.25～0.5 mm所占的比例依次为农田＞撂荒地B＞撂荒地C ＞菜地＞撂荒地A＞林地，所占比例分别为11%、9%、8%、7%、6%和3%；团聚体粒径＜0.25 mm所占的比例依次为农田＞撂荒地C ＞撂荒地B＞撂荒地A＞林地＞菜地，所占比例分别为10%、8%、7%、6%、5%和3%。表明不同土地利用方式有不同的土壤团聚体占据着主导地位。另外，也说明了在土地利用变化过程中，粒径较大的团聚体容易受人为的干扰。

在不同土层，农田＞5 mm粒径团聚体含量随着土层深度的增加而增加，而其他粒径的团聚体含量随着土层深度的增加而减少；撂荒地＜0.25 mm粒径团聚体含量随着土层深度的增加而增加，而其他粒径则相反，另外，撂荒地A和撂荒地B随土层深度的变化下降幅度较明显，而撂荒地C变化幅度较小；菜地团聚体含量随着土层的增加而减少；林地土壤团聚体变化较为复杂，粒径为＞5 mm和2～5 mm的团聚体随着土层深度的增加而减少，其他粒径则相反。这也说明了人为活动（如施肥、踩踏、除草等）对较大粒径团聚体影响明显。

表1 不同土地利用方式土壤团聚体组成

2.2 土壤团聚体中有机碳的含量

土壤中各粒径团聚体中有机碳含量的多少是土壤有机碳保持平衡和矿化速率的微观表现形式，在评价土壤肥力和固碳机制中有双重意义［18］。由表2可知，不同土地利用方式下各粒径团聚体有机碳的含量也各有差异，总体上表现出随着团聚体粒径的减少团聚体有机碳含量呈增加的趋势。农田各粒径团聚体的有机碳含量变化比较复杂，其中团聚体粒径为＜0.25 mm的有机碳含量最高，这有可能是因为微团聚体固持有机碳的作用主要是无机有机胶体紧密结合的结果，不易被微生物分解，因此有机碳含量较高，而粒径为＞5 mm和2～5 mm的团聚体含量较少，主要是因为其为大团聚体，与人类对农田土层的扰动而破坏其结构有关。不同年限的撂荒地土壤团聚体有机碳含量变化趋势基本一致，都随着团聚体粒径的减少团聚体有机碳含量呈增加的趋势，并且不同粒径团聚体的有机碳含量随着撂荒年限的增加而减少，其中，相比农田来说撂荒地A土壤团聚体有机碳含量相比明显降低，下降幅度为43.8%，而撂荒地B和撂荒地C的土壤团聚体有机碳虽处于下降趋势，但下降幅度并不大，分别为13.1%和9.1%。由此也可以看出农田土壤团聚体有机碳有利于土壤团聚体有机碳的增加，而撂荒年限在10年内不利于土壤团聚体的累积。菜地土壤团聚体总有机碳含量最高为9.31 g/kg，而林地土壤团聚体总有机碳含量最低为5.6 g/kg。这可能是菜地虽然植株较小且凋落物较少，但因其为经济作物，人为的定期施肥和精心管理下，有利于有机碳的积累；而研究区林地主要为幼林橡胶林，树冠较小，林内的凋落物也较少，基本上属于天然生长，因此其有机碳含量最低。另外，农田、撂荒地A、撂荒地B、撂荒地C、菜地和林地粒径为＜0.25 mm的团聚体有机碳含量分别是粒径为＞5 mm的团聚体有机碳含量的2.78、2.45、3.71、3.73、4.08、2.92倍，其含量差异最大，由此可以说明在土地利用方式的变化过程中，最先影响的是粒径为＞5 mm团聚体中的有机碳累积和分布，是土地利用方式变化过程中较为敏感的部分。

表2 不同土地利用方式土壤团聚体有机碳含量（g/kg）

2.3 不同土层剖面土壤团聚体有机碳分布

不同土层里的土壤碳在全球碳循环上具有重要意义，深层的碳可以长时间保留在土壤中减少释放到大气圈的量［19］。因此，研究土壤团聚体有机碳在垂直方向的分布对不同土地利用方式的影响具有一定意义。图1显示了土层垂直方向上，不同土地利用方式间土壤团聚体有机碳含量差异显著，尤其菜地土壤团聚体有机碳含量垂直变化幅度最大为31.3%，其次是农田变化幅度为22.6%，林地和不同撂荒地间团聚体有机碳含量随着土层的增加呈减少的趋势，说明6种土地利用方式团聚体有机碳含量差异主要表现在土壤表层，也说明了在土地利用方式差异下，土壤表层团聚体有机碳影响最大，尤其菜地和农田团聚体有机碳的表聚现象明显，土壤表层有机碳富集。这与林培松等［20］对粤东北山区的不同土地利用方式下不同土壤结构体有机碳含量分布的研究结果相一致。由此看出，在一定的土层深度范围内，地面的凋落物是土壤有机碳的主要来源，土壤表层的凋落物分解和外来有机质的输入对提高土壤有机碳含量的提高具有一定作用。

3 结论与讨论

图1 不同土层土壤团聚体有机碳含量变化

土壤有机碳是形成土壤团聚体的胶结物质，在土壤团聚体形成过程中发挥着关键作用。不同的土地利用方式显著影响着土壤团聚体有机碳的含量，从而也对土壤团聚体的组成结构产生间接的影响。本研究发现，农田团聚体含量随粒径的减小而增加，这可能是因为农田受人为干扰大（翻土、插秧、收割等），尤其是翻土会使大团聚体更容易被破裂；不同年限的撂荒地团聚体粒径组成呈双峰趋势，是因为撂荒地减少了人为的干扰，有利于表层大团聚体的形成，而在0.25～0.5 mm时呈现峰值是植物通过根系分泌和生长活动对土壤性质和微生物活动产生影响，从而影响了土壤团聚体的作用，另外，植物的根系产生高分子黏合物对土壤颗粒有较强的吸附能力，促进了团聚体的形成。菜地团聚体粒径在1～2 mm时含量最大，原因与农田类似，都是受到人为干扰较大，不同的是菜地的翻土不如农田的破坏程度大。林地团聚体含量随着粒径的减小而减少。这主要是因为人为干扰因素减小，在时间的推移下，小的团聚体逐渐附合成中团聚体到大团聚体。

本研究发现，团聚体有机碳含量表现为菜地＞农田＞林地＞撂荒地A＞撂荒地B＞撂荒地C，菜地团聚体有机碳含量均高于其他土地利用方式，这可能是因为菜地团聚体有机碳除了自身的凋落物外，更重要的还有菜农的精心管理和施用有机肥，例如田间除草翻土等活动使得土壤较为疏松。一方面利于土壤有机质与空气相接触被氧化；另一方面，在疏松的土壤条件下有利于微生物的活动，加速了有机质的分解过程。另外，菜农为提高作物产量，额外给菜地施加一定的有机肥促进作物生长。农田仅次于菜地，二者的原因类似，不同之处是农田的管理和施肥不如菜地频繁。林地凋落物较少，且施用有机肥较少，且作物在成熟之后将果实拿走，导致林地居于第3位。而不同撂荒地团聚体有机碳均低于其他土地利用方式，是因为通过地表的杂草和自身植株的凋落物来恢复土壤肥力，外界有机物的输入量减少。另外，定安位于热带地区，温度较高，加快了有机物的分解，使得多数有机物未进入地表便分解，因此农田转变为撂荒地A这一过程土壤团聚体有机碳含量减少且变化幅度较大。此研究结果与胡尧等［21］等学者研究结论不一致，这可能是因为选取样地的差异，本研究的林地原先是种植水稻，而胡尧学者选取的林地对象是长期种植的经济林，再者与气候、土壤类型也有关。

在不同的土地利用方式下各粒径团聚体随着土层深度的增加呈减少趋势，主要是因为有机碳动植物的残骸主要积累在土壤表层，其能量充足可供微生物维系生命，促进了土壤表层微生物的活性，从而有利于团聚体内部相结合形成有机碳。6种土地利用方式土壤团聚体有机碳含量的土壤剖面分布都具有明显的表聚现象，其中菜地的表聚性最强，其次是农田。首先是植物自身的凋落物，加上表层微生物活动强，有利于将凋落物分解，其次人工施肥，随着时间的推移，团聚体有机碳逐渐渗入到下层，于是便出现了表聚现象。而研究区撂荒地在抛荒之前是种植水稻为主，原本团聚体有机碳并没有快速分解，并且抛荒地常年积水使得微生物活动较弱，有机质分解缓慢，因此撂荒地仍有较明显的表聚现象。而林地内枯枝落叶最先落到土壤表层，导致土壤表层有机质和腐殖质含量最高，为微生物生长提供了营养物质，使得其代谢活跃，加上研究区为热带地区，表层有机质未完全下渗到下层便被分解，因此表层团聚体有机碳含量高于下层。这结果与陈春峰等［22］学者研究一致，说明林地土壤团聚体有机碳仍具有表聚现象。但与李月梅［23］学者研究结果相悖，这可能是因为其气候条件、植被类型和土壤类型等因素有关。

本研究结果表明，同一种土地利用方式农田团聚体含量随着粒径的减小而增加，当＜0.25 mm粒径时，其含量最大；不同年限的撂荒地团聚体粒径组成呈双峰趋势，粒径在＞5 mm和0.25～0.5 mm时呈现峰值；菜地团聚体粒径在1～2 mm时含量最大；林地团聚体含量随着粒径的减小而减少。表明同一种土地利用方式不同团聚体的粒级组成比例存在较大的差异。在不同的土地利用方式下，不同的土壤团聚体占据着主导地位。另外，也说明了在土地利用变化过程中，粒径较大的团聚体容易受人为的干扰。在不同土层，农田＞5 mm粒径团聚体含量在表层最少，撂荒地＞5 mm粒径团聚体含量在表层最多，菜地团聚体含量随着土层的增加而减少；林地土壤团聚体变化较为复杂，这也说明了人为活动（如施肥、踩踏、除草等）对较大粒径团聚体影响明显。

不同土地利用方式下各粒径团聚体有机碳的含量也各有差异，总体上表现出随着团聚体粒径的减少团聚体有机碳含量呈增加的趋势。另外，农田、撂荒地A、撂荒地B、撂荒地C、菜地和林地粒径为＜0.25 mm的团聚体有机碳含量分别是粒径为＞5 mm的团聚体有机碳含量的2.78、2.45、3.71、3.73、4.08、2.92 倍，其含量差异最大，说明在土地利用方式的变化过程中，最先影响到的是粒径为＞5 mm团聚体中的有机碳累积和分布，是土地利用方式变化过程中较为敏感的部分。不同的土地利用方式下随着土层深度的增加土壤团聚体有机碳含量呈递减趋势，其中菜地和农田的递减程度最为明显，说明在土地利用方式差异下，土壤表层团聚体有机碳影响最大，尤其菜地和农田团聚体有机碳的表聚现象明显。不同土地利用方式下团聚体有机碳中菜地＞农田＞林地＞撂荒地A＞撂荒地B＞撂荒地C，说明撂荒地10年内不利于团聚体有机碳的累积。