北方土石山区土地利用方式对褐土团聚体稳定性的影响

安 娟,王 富,吴元芝,吴希媛

(1.山东省水土保持与环境保育重点实验室,临沂大学 资源环境学院,山东 临沂 276005;2.河北环京工程咨询有限公司,石家庄 050011)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是评价土壤质量和健康的重要指标[1]。土壤团聚体稳定性决定了土壤分离和径流搬运能力[2]，而其稳定性的大小与土地利用方式密切相关。陈山等[3]在红壤区的研究表明，水田和林地利用方式可显著提高土壤团聚体稳定性，而果园利用方式则大幅削弱了团聚体稳定性。罗晓虹等[4]认为在紫色土区，林地、荒草地和果园利用方式对团聚体稳定性的影响无明显差异。豫西黄土丘陵和辽河干流中下游流域沙化地区的研究表明，耕地土壤团聚体稳定性高于林地和草地[5-6]。同一土地利用方式下，团聚体稳定性还取决于外界破碎机制[7]。Le Bissonnais[8]认为侵蚀过程中团聚体的破碎机制主要包括：消散作用，即土壤快速润湿时，团聚体内的闭蓄空气压缩爆破所引起的团聚体崩解；团聚体内膨胀黏土不均匀膨胀收缩导致的微小裂隙作用；机械振荡引起的团聚体破碎(雨滴打击和径流)。一般认为消散作用是引起土壤团聚体破碎的主要机制[9-10]。虽然关于不同土地利用方式下土壤团聚体稳定性的研究已开展了多年，但主要集中于南方红壤区和紫色土区。

北方土石山区是我国主要水土流失类型区之一，该区地表土石混杂、石多土少、地面极易砂砾化或石化[11]。褐土是该区的代表性土壤，土层浅薄，土壤涵蓄水源能力低。水土流失成为制约作为该区可持续发展最主要的生态环境问题。为应对此问题，该区大力实施水土保持措施，改变土地利用方式，如：种植金银花，撂荒等。然而，关于北方土石山区土地利用方式对团聚体稳定性影响的研究明显不足。因此，本文选取了北方土石山区耕地、荒地、休闲地和金银花地这4种典型土地利用方式为研究对象，基于Le Bissonnais法，分析不同破碎机制下团聚体的粒径分布，并基于团聚体平均重量直径、相对消散指数、相对机械破碎指数和土壤可蚀性K值等指标，探讨土地利用方式对团聚体稳定性的影响，以期为北方土石山区土壤结构的改良及土地的合理利用提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省东南部的费县(117°36′—118°18′E,35°01′—35°33′N)。该区属于暖温带大陆性季风气候，多年平均气温13.6℃，年均降水量860 mm，其中6—9月汛期降雨量占全年降雨量的75%。成土母岩主要包括花岗岩、片麻岩等酸性岩石和石灰岩等碳酸类岩石，其中在石灰岩基础上发育的土壤为褐土。土地利用方式主要包括耕地、林地、荒地、休闲地等。

1.2 样品采集与分析

通过对研究区域岩石、土壤和土地利用方式的调查，选取褐土土壤类型下的耕地、荒地、休闲地和金银花地(LonicerajaponicaThunb)为采样地，样地基本情况见表1。在保持坡向和坡度一致的情形下，各样地内选取3个1 m×1 m的采样单元，用铝饭盒分别采集0—5，5—10，10—15，15—20 cm原状土样。土样自然风干后，沿纹理轻轻地掰成小块，并去除植物根系和石块等杂物。干筛法获得3～5 mm团聚体，放于铺有棉花的塑料盒中保存。测定前，为保持土壤含水量一致，将团聚体放置于40℃烘箱中烘24 h。根据Le Bissonnais法的3种处理，即快速湿润(FW)、机械振荡(WS和慢速湿润(SW)，对粒径3～5 mm团聚体进行分析[8]。其中，快速湿润处理主要模拟消散作用对团聚体的破碎及干燥土壤在快速湿润条件下由于“气爆”而产生的破碎；机械振荡处理主要模拟雨滴打击对土壤团聚体的破坏作用；慢速湿润处理模拟连阴雨情况下黏粒膨胀引起的团聚体崩解。Le Bissonnais法试验中对每个样品每种处理均重复3次。

表1 样地基本情况

1.3 数据分析

土壤团聚体平均重量直径(MWD，mm)是评价团聚体稳定性的重要指标，其值越低表示团聚体稳定性越差[12]。具体计算公式如下：

(1)

相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)分别表征消散作用和机械破坏作用对团聚体的破坏程度，二者的值越大表明土壤团聚体对消散作用和机械振荡作用的敏感程度越高[13]。计算如下：

(2)

(3)

式中：MWDSW，MWDFW和MWDWS分别表示慢速湿润，快速湿润和机械振荡处理下团聚体平均重量直径。

土壤可蚀性因子K值是土壤抗蚀能力一个相对综合指标，是综合表征团聚体稳定性特征的重要参数。基于几何粒径模型估算K值[14]，计算方法如下：

(4)

利用SPSS 18.0软件下的方差分析(ANOVA)对4种土地利用方式下的MWD，RSI，RMI和K值进行显著性检验。基于最小显著性差异法(LSD)开展多重比较，并在0.05水平上达到显著。采用Origin 9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体粒径分布特征

2.1.1 快速湿润处理下土壤团聚体的粒径分布 快速湿润处理下，4种土地利用方式各土层深度的土壤团聚体均受到较强的破坏作用。耕地、荒地和休闲地利用方式下破碎团聚体集中分布于<0.5 mm，其累计百分比分别为88.56%～92.19%，80.41%～86.05%和74.02%～76.97%(图1)。这与汪三树等[15]在石漠化区桑树地埂开展的土壤团聚体稳定性的研究结果一致。然而，金银花地方式下破碎后团聚体主要集中于>0.2 mm，所占比例达69.56%～78.67%。其中，0.2～0.5 mm团聚体分布最多，耕地、荒地、休闲地和金银花地中其比例均大于23%。但是，所占比例最小的团聚体，耕地和荒地为2～5 mm (2.98%和4.65%)，休闲地为0.5～1 mm (6.75%)，而金银花地则为<0.05 mm (6.46%)。此外，2～5，1～2，0.5～1 mm团聚体的质量分数均表现为金银花地>休闲地>荒地>耕地，且土地利用方式间2～5 mm团聚体的质量分数差异最明显。与耕地相比，荒地、休闲地和金银花地2～5 mm团聚体的质量分数分别增加-13.72%～122.63%，132.03%～218.18%和293.99%～543.88%。表明，快速湿润处理对土壤团聚体破碎的影响表现为耕地>荒地>休闲地>金银花地。说明，消散作用下，耕地土壤团聚体的破碎程度最大，荒地次之，而金银花地团聚体的破碎程度最弱。

图1 快速湿润处理下土壤团聚体粒径分布

2.1.2 机械振荡处理下土壤团聚体的粒径分布 机械振荡处理下，耕地、荒地、休闲地和金银花地利用方式下土壤团聚体破碎后的粒径主要集中于>0.2 mm，其累计比例分别为63.35%～70.44%，70.68%～75.02%，72.80%～81.04%和74.14%～79.89%(图2)。其中，1～2 mm团聚体所占比例最高，4种土地利用方式下均超过21%。但是，曾全超等[16]对黄土高原森林植被带土壤团聚体稳定性的研究，发现WS处理后土壤团聚体分布较为分散，以0.2～0.1，0.1～0.05和<0.05 mm为主。团聚体中分布最少的粒级，耕地、荒地、休闲地和金银花地分别是2～5，0.1～0.2，0.1～0.2，0.05～0.1 mm，其比例均小于8.5%。此外，2～5，1～2 mm团聚体的质量分数均表现为金银花地>休闲地>荒地>耕地，而0.05～1和<0.05 mm团聚体的比例均表现为耕地>荒地>休闲地>金银花地。其中，不同土地利用方式下2～5 mm团聚体比例差异最明显。金银花地、休闲地和荒地2～5 mm团聚体比例较耕地分别增加1.26～5.07，1.69～4.89，1.22～1.85倍。表明机械振荡处理对耕地土壤团聚体的影响最大，荒地次之。即，机械破坏作用下，耕地土壤团聚体的破碎程度最强，其次为荒地。

图2 机械振荡处理下土壤团聚体粒径分布

2.1.3 慢速湿润处理下土壤团聚体的粒径分布 由图3看出，慢速湿润处理下，耕地、荒地、休闲地和金银花地利用方式下土壤团聚体破碎后主要集中于粒径>0.2 mm，累计比例分别为79.00%～86.53%，84.36%～88.00%，84.92%～92.92%和86.43%～93.86%。以往研究，将>0.2 mm团聚体含量作为土壤可蚀性指标之一，其值越大表明土壤结构稳定性越好[17]。说明，金银花地土壤团聚体的结构最稳定。同时，3种破碎机制下，SW处理>0.2 mm团聚体含量均高于FW和WS处理，说明慢速湿润处理对土壤的团聚体的破坏最弱。

图3 慢速湿润处理下土壤团聚体粒径分布

4种土地利用方式下0.1～0.2，0.05～0.1和<0.05 mm团聚体的比例均不小于8%。所占比例最高的团聚体，耕地为0.2～0.5 mm (29.08%～40.14%)，荒地为1～2 mm (25.11%～27.50%)，而休闲地和金银花地则为2～5 mm(30.85%～42.94%和29.58%～43.11%)。2～5，1～2 mm团聚体的比例均表现为金银花地>休闲地>荒地>耕地。另外，土地利用方式间破碎团聚体分布差异最明显的是2～5 mm团聚体。金银花地、休闲地和荒地2～5 mm团聚体的质量含量较耕地分别增加58.58%～269.37%，87.82%～188.89%和4.65%～63.19%。表明慢速湿润处理对耕地团聚体的影响最大，荒地次之。即黏粒膨胀作用下，耕地团聚体的破碎程度最严重，荒地次之。

2.2 土壤团聚体的稳定性

2.2.1 土壤团聚体平均重量直径 土壤团聚体平均重量直径值越大，表明土壤团聚体稳定性越强。FW处理下，各土层深度的MWD均表现为：金银花地>休闲地>荒地>耕地(图4)。与耕地相比，金银花地、休闲地和荒地土壤团聚体的MWDFW分别显著增加134.41%～182.11%，62.34%～85.85%和16.08%～51.09%。WS处理下，土壤团聚体的MWD大小顺序为休闲地>金银花地>荒地>耕地。休闲地、金银花地和荒地土壤团聚体MWDWS较耕地分别显著增加54.72%～105.18%，40.00%～104.65%和31.30%～47.16%。SW处理下，土层深度0—10 cm内，土壤团聚体MWD表现为休闲地>金银花地>荒地>耕地，而10—20 cm内则为金银花地>休闲地>荒地>耕地。与耕地相比，金银花地、休闲地和荒地土壤团聚体的MWDSW分别显著增加43.39%～122.56%，47.44%～89.46%和5.18%～39.32%。表明，3种破碎机制下金银花地土壤团聚体的结构最稳定，而耕地团聚体稳定性最差。

注：图中不同字母表示在p<0.05水平差异显著，下同。

通过3种破碎机制下团聚体的MWD对比发现，4种土地利用方式下各土壤层次土壤团聚体稳定性均呈现出MWDSW>MWDWS>MWDFW的趋势(图4)。即团聚体破坏作用按照作用程度表现为：消散作用>机械破坏作用>黏粒膨胀作用。根据Le Bissonnais[8]的团聚体稳定性分级水平，不同处理导致破碎团聚体处于不同的稳定状态。FW处理下，除金银花地外，耕地、荒地和休闲地各土层深度团聚体稳定性大多处于不稳定性级别(0.40.8)。表明，引起褐土土壤团聚体破碎的主要机制为消散作用，其次为机械破坏作用，这与郭伟等[18]在红壤区的研究结果一致。

2.2.2 相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI) RSI表征快速湿润情况下土壤孔隙中空气受压而造成团聚体的分散程度，而RMI 则体现了雨滴打击、径流剪切等外应力作用下土壤团聚体的稳定性[19]。耕地、荒地、休闲地和金银花地利用方式下的RSI 显著大于RMI，RSI较RMI分别增加1.24～2.33，1.93～3.81，1.19～4.12，0.49～1.10倍(图5)。表明，4种土地利用方式各土层深度下的土壤团聚体对消散作用的敏感程度高于机械破坏作用。进一步分析发现，不同土地利用方式下的RSI表现为耕地>荒地>休闲地>金银花地。与耕地相比，金银花地、休闲地和荒地的RSI分别减少15.50%～36.74%，-6.36%～7.01%和-9.67%～14.03%。说明，耕地土壤团聚体对消散作用最为敏感，荒地次之。

图5 不同土地利用方式下的相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)

2.2.3 土壤可蚀性因子K值 为进一步表征不同破碎机制下土壤团聚体的稳定性，采用土壤可蚀性因子K值进行量化。FW，WS和SW处理下，K值均表现为耕地>荒地>休闲地>金银花地(图6)。FW处理下，与耕地相比，金银花地、休闲地和荒地的K值分别减少49.00%～59.21%，4.93%～22.63%和6.86%～13.45%；WS处理下相应的减少率分别为69.43%～85.89%，65.04%～82.15%和19.92%～55.35%，而SW处理下相应的减少率分别为45.18%～80.40%，54.24%～79.24%和35.01%～53.71%。另外，4种土地利用方式下各土壤层次土壤可蚀性K值均呈现FW>WS>SW。说明，3种破坏机制下，金银花地的抗侵蚀能力最强，而耕地最差；FW处理下土壤的抗侵蚀能力最弱。

图6 不同处理下土壤可蚀性因子K值

3 讨 论

土地利用是人类最直接管理土壤的活动，土地利用方式的变化将改变土壤理化性质，进而影响土壤团聚体结构的稳定性[20]。北方土石山区作为我国的四大水土流失区之一，丰水年月降雨量达800～1 000 mm，日降雨量高达300～500 mm，经常发生大雨或暴雨，易导致土壤团聚体结构的破坏。择选合理的土地利用方式，改良土壤结构，成为北方土石山区土壤侵蚀防治需解决的重点问题。

本文研究结果表明对于不同土地利用方式，LB法3种处理下MWD均表现为：金银花地>休闲地>荒地>耕地，而K值则表现为耕地>荒地>休闲地>金银花地。

说明，金银花地土壤团聚体稳定性和抗侵蚀能力在4种土地利用方式下最高，休闲地次之，耕地最低。这是因为金银花的死根和落叶在分解过程中促进了有机质的累积，增加了水稳性大团聚体形成所需的胶结物质，进而促进团聚体数量和稳定性的增加。其次，金银花地表覆盖物的增加，可增强土壤入渗能力，并能有效防止雨滴打击对土壤团聚体的破碎作用，进而有利于土壤团聚体结构的保持,使得土壤团聚体稳定性得以提高，土壤抗侵蚀能力有所增强。荒地和休闲地因枯枝落叶物较少，有机质积累程度较低，导致土壤团聚体稳定性略低。然而，耕地利用方式下主要是通过种植作物玉米或者小麦根部的生长与土壤微生物作用而形成团粒结构[1]，且频繁的翻耕破坏了土壤结构，加之有机质暴露于空气中，加剧了其矿化速率。因此，对于土层浅薄的北方土石山区，提高金银花的种植面积可增强团聚体的稳定性，进而提高抗侵蚀能力。耕地可通过秸秆还田、添加生物炭等措施进行土壤结构的改良。

4 结 论

(1) FW处理下，耕地、荒地和休闲地利用方式下破碎团聚体集中分布于<0.5 mm，金银花地则为>0.2 mm；WS和SW处理下，4种土地利用方式均以>0.2 mm 团聚体为主。3种处理下，土地利用方式间粒径分布差异最明显的是2～5 mm团聚体。

(2) 4种土地利用方式下土壤团聚体的MWD均表现为：MWDSW>MWDWS>MWDFW，而土壤可蚀性K值则为FW>WS>SW，且RSI 较RMI显著增加0.49～4.12倍。

(3) 3种处理下，土壤团聚体MWD均表现为：金银花地>休闲地>荒地>耕地，且FW处理下差异尤为明显。与耕地相比，金银花地、休闲地和荒地土壤团聚体MWDFW分别显著增加134.41%～182.11%，62.34%～85.85%和16.08%～51.09%。

(4) RSI和K值的大小顺序为：耕地>荒地>休闲地>金银花地。与耕地相比，金银花地、休闲地和荒地的RSI分别减少15.50%～36.74%，-6.36%～7.01%和-9.67%～14.03%，而相应的K值减少率分别为45.18%～85.89%，4.93%～82.15%和6.86%～55.35%。