胡樂寧，蘇以榮，何尋陽

（1.中國科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410125；2.中國科學(xué)院 環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，廣西 環(huán)江547100；3.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，廣西 桂林541004）

土壤團(tuán)聚體大小和含量是土壤重要的物理性質(zhì)，是土壤質(zhì)量高低、抗侵蝕能力強(qiáng)弱的主要指標(biāo)［1－3］。土壤結(jié)構(gòu)性是土壤的重要物理性質(zhì)，它直接影響著土壤的肥力和農(nóng)作物的生長［4］。影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素包括內(nèi)因和外因兩個(gè)方面［5］，內(nèi)因主要包括電解質(zhì)、黏土礦物、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)、鐵鋁氧化物等；外因主要包括氣候、生物、農(nóng)業(yè)管理等。一般從土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性多采用干篩或濕篩方法從土壤基本理化性質(zhì)等角度開展研究［6－9］。而以往試驗(yàn)研究中土壤干篩振動(dòng)強(qiáng)度多為1.5mm振幅，通過改變常規(guī)振幅來探討土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的篩分試驗(yàn)還沒有相關(guān)研究。廣西壯族自治區(qū)環(huán)江地區(qū)是石漠化十分嚴(yán)重的地區(qū)，水土流失與土地退化已成為制約這一區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。本文擬通過研究環(huán)江地區(qū)9個(gè)不同有機(jī)碳含量的3種土壤（棕色石灰土、黑色石灰土、紅壤）樣品在干篩改變振幅條件下的干篩分級特征，分析振動(dòng)篩分對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)一步探討3種在改變外力破壞強(qiáng)度下的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，了解土壤團(tuán)聚體對不同外力破壞的響應(yīng)。這將為喀斯特地區(qū)土壤資源的合理利用及結(jié)構(gòu)的調(diào)控管理提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究概況

研究區(qū)位于云貴高原南部邊緣斜坡地帶的典型喀斯特峰叢洼地——廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治 縣，地 理 坐 標(biāo) 為 107°51′—108°43′E，24°44′—25°33′N，巖溶峰叢洼地的最高峰為1 028.0m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫l5.7℃，1月平均氣溫10.1℃，7月平均氣溫28℃，歷年最低氣溫－5.2℃，無霜期290d，年平均日照時(shí)數(shù)1 451h，年平均降雨量為1 389.1mm，4—9月降雨量占全年降雨量的70%，平均蒸發(fā)量為1 571.1mm，相對濕度平均為70%。供試土壤自然概況和基本理化性質(zhì)見表1—2。

表1 供試土壤自然概況

表2 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用AS 200篩分儀，分別對棕色石灰土、黑色石灰土、紅壤3種土壤類型進(jìn)行1.5，2和2.5mm不同振幅（偏離震動(dòng)中心的距離）的干篩篩分（相同頻率下），每種土壤選取3個(gè)不同有機(jī)碳含量梯度。每個(gè)土壤樣品取4個(gè)重復(fù)，分析方法選用干篩法。選取的9個(gè)土壤樣品的有機(jī)碳含量如表3所示。

（1）木論、明倫、肯福各地分別取3個(gè)代表樣（為3個(gè)有機(jī)碳梯度），共9個(gè)樣品分別進(jìn)行＞8，8～5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm干篩。

（2）改變篩分的機(jī)械強(qiáng)度，在原干篩篩分強(qiáng)度（1.5mm振幅）基礎(chǔ)上增加2個(gè)篩分強(qiáng)度梯度（2和2.5mm振幅），分別測定不同粒級下顆粒質(zhì)量。

（3）干篩分析方法。將風(fēng)干的土樣混勻，取其中一部分（一般不小于1kg，精確至0.01g）。用孔徑分別為8，5，2，1，0.5和0.25mm 篩子進(jìn)行篩分（篩子附有底和蓋）。篩完后，將各級篩子上的團(tuán)聚體及粒徑＜0.25mm的土粒分別稱量（精確至0.01g），計(jì)算干篩的各級團(tuán)聚體占土樣總量的百分含量。

1.3 參數(shù)計(jì)算

非水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)按（1）式計(jì)算：

式中：wi——某級非水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（%）；mi——該級非水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的風(fēng)干質(zhì)量（g）；m——風(fēng)干土的質(zhì)量（g）。

平均重量直徑［10］（MWD）：

式中：mi——各級顆粒的重量百分含量；ri——第i個(gè)篩子的孔徑大?。╩m，r0＝r1，rn＝rn＋1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測定數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用LSD法。

2 研究結(jié)果

2.1 土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性

1.5 mm振幅篩分強(qiáng)度下的土壤團(tuán)聚體分級結(jié)果顯示（表4）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的MWD（平均重量直徑）均大于紅壤。相似SOC含量條件下，棕色石灰土（6.14）＞紅壤（3.70），棕色石灰土（7.75）＞黑色石灰土（6.10），且兩種石灰土 MWD值較相近。在同種土壤類型中，MWD并沒有隨有機(jī)碳含量不同而呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。

棕色石灰土和黑色石灰土3個(gè)土壤樣品各自的團(tuán)聚體顆粒含量最多的3個(gè)粒徑范圍均為：＞8，8～5和5～2mm。各自的團(tuán)聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是：1，2，6號：0.5～0.25mm；3，4，5號：＜0.25 mm。

紅壤中3個(gè)土壤樣品MWD隨SOC含量增加逐漸增加。各自的團(tuán)聚體顆粒含量最多的3個(gè)粒徑范圍是：7號：＞8，5～2和＜0.25mm；8號：＞8，0.5～0.25和＜0.25mm；9號：＞8，5～2，＜0.25mm。各自的團(tuán)聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是，7號：2～1 mm；8號：8～5mm；9號：0.5～0.25mm。

表4 1.5mm振幅篩分強(qiáng)度下土壤團(tuán)聚體分級及其平均重量直徑

2mm振幅篩分強(qiáng)度下的土壤團(tuán)聚體分級結(jié)果顯示（表5）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的 MWD均大于紅壤。相似SOC含量條件下，棕色石灰土（6.64）＞紅壤（3.52），棕色石灰土（6.05）＞黑色石灰土（5.19），且兩種石灰土MWD較相近。在同種土壤類型中，MWD并沒有根據(jù)有機(jī)碳含量不同而呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。

棕色石灰土和黑色石灰土3個(gè)土壤樣品各自的團(tuán)聚體顆粒含量最多的3個(gè)粒徑范圍均為：＞8，8～5和5～2mm。各自的團(tuán)聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是：1，2，3，6號：0.5～0.25mm；4號：＜0.25mm；5號：0.5～0.25和＜0.25mm。紅壤中3個(gè)土壤樣品隨SOC含量逐漸增加，各自的團(tuán)聚體顆粒含量最多的3個(gè)粒徑范圍是：7號：＞8，0.5～0.25和＜0.25 mm；8號：1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm；9號：＞8，5～2和＜0.25mm。各自的團(tuán)聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是，7號：2～1mm；8號：8～5mm；9號：8～5mm。

表5 2mm振幅篩分強(qiáng)度下土壤團(tuán)聚體分級及其平均重量直徑

2.5 mm振幅篩分強(qiáng)度下的土壤團(tuán)聚體分級結(jié)果顯示（表6）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的MWD均大于紅壤。相似SOC含量條件下，棕色石灰土（6.54）＞紅壤（3.00），棕色石灰土（7.54）＞黑色石灰土（5.86），且兩種石灰土 MWD較相近。在同種土壤類型中，MWD并沒有根據(jù)有機(jī)碳含量不同而呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。棕色石灰土和黑色石灰土3個(gè)土壤樣品各自的團(tuán)聚體顆粒含量最多的3個(gè)粒徑范圍均為：＞8，8～5，5～2mm。各自的團(tuán)聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是：1號，2號，3號，4號，6號：0.5～0.25mm；5號：0.5～0.25和＜0.25mm。紅壤中3個(gè)土壤樣品隨SOC含量逐漸增加，各自的團(tuán)聚體顆粒含量最多的3個(gè)粒徑范圍是，7號：＞8，0.5～0.25和＜0.25mm；8號：1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm；9號：＞8，5～2和＜0.25mm。各自的團(tuán)聚體顆粒含量最少的粒徑范圍是，7號：2～1mm；8號：8～5mm；9號：8～5mm。

表6 2.5mm振幅篩分強(qiáng)度下土壤團(tuán)聚體分級及其平均重量直徑

2.2 土壤團(tuán)聚體分級隨篩分強(qiáng)度的變化

土壤經(jīng)過1.5，2和，2.5mm振幅下的篩分試驗(yàn)，不同粒徑范圍增加或減少的顆粒百分含量（顆粒百分含量差分別指1.5～2，2～2.5，1.5～2.5mm篩分粒徑的含量差，圖1—3）顯示，對不同SOC含量的土壤樣品來說，增加振動(dòng)強(qiáng)度后造成大團(tuán)聚體減少最多的為7號樣品，其次是8號樣品，最后是9號樣品，這說明SOC含量越高的紅壤團(tuán)聚體，越難被強(qiáng)烈的外力破壞；但棕色石灰土中SOC含量最高的3號土，在外力增加后，顆粒被破壞最多。紅壤中篩分粒徑大的顆粒破壞較多，棕色石灰土和黑色石灰土中1，2，4，5號樣品則是篩分粒徑小的顆粒被破壞較多。在相似的SOC條件下，外力對土壤顆粒的破壞程度為：棕色石灰土＞紅壤＞黑色石灰土，3種土壤團(tuán)聚體抵抗外力的能力表現(xiàn)為黑色石灰土強(qiáng)于紅壤強(qiáng)于棕色石灰土。

圖1 棕色石灰土中不同振幅篩分強(qiáng)度下產(chǎn)生的各個(gè)粒徑的土壤顆粒含量差

圖2 黑色石灰土中不同振幅篩分強(qiáng)度下產(chǎn)生的各個(gè)粒徑的土壤顆粒含量差

圖3 紅壤中不同振幅篩分強(qiáng)度下產(chǎn)生的各個(gè)粒徑的土壤顆粒含量差

3 討論

3.1 不同喀斯特土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

在1.5，2和2.5mm振幅篩分強(qiáng)度的不同外力作用下，MWD值均有：石灰土＞紅壤的結(jié)果，并且MWD值越大，表示土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)［11］，可以得出石灰土的團(tuán)聚體穩(wěn)定性強(qiáng)于紅壤，且不受篩分強(qiáng)度變化的影響。在相似SOC條件下，MWD值均有：棕色石灰土＞紅壤，棕色石灰土＞黑色石灰土。這說明在排除土壤不同SOC含量的影響后，棕色石灰土較黑色石灰土團(tuán)聚體穩(wěn)定，紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最差。純石灰?guī)r喬木林下土壤團(tuán)聚性好，是由于腐殖質(zhì)含量較多［12］。雖然土壤SOC含量相同，團(tuán)聚體穩(wěn)定性卻不同。在不同振幅篩分強(qiáng)度下，棕色石灰土和黑色石灰土團(tuán)聚體最大值均出現(xiàn)在大團(tuán)聚體粒徑中（＞8mm），最小值均出現(xiàn)在小團(tuán)聚體粒徑中（＜0.25mm）。團(tuán)聚體對土壤的抗蝕能力起重要的作用，大團(tuán)聚體土壤的抗蝕能力大于小團(tuán)聚體土壤［13］。已有研究表明，土壤團(tuán)聚體的形成與有機(jī)碳密切相關(guān)［14］，而MBC與有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)［15］；土壤微生物在團(tuán)聚體的形成過程和穩(wěn)定機(jī)制中有重要作用［16］。團(tuán)聚體形成作用機(jī)制被認(rèn)為是土壤碳固定的最重要機(jī)制［17］，所以從團(tuán)聚體聚合角度來看，喀斯特石灰土有利于SOC的固定。

3.2 不同篩分強(qiáng)度團(tuán)聚體分級特征

喀斯特地區(qū)土壤隨外力作用強(qiáng)度的增大，對土壤顆粒的破壞性顯示（圖1—3），在紅壤中，SOC含量越大土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，在棕色石灰土和黑色石灰土中，不隨SOC的變化呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。這些結(jié)果說明紅壤團(tuán)聚體由于SOC含量的不同，易受外界物理破壞強(qiáng)度的影響；而喀斯特石灰土卻不易受外界物理破壞強(qiáng)度變化的影響，這可能與SOC存在形式和結(jié)構(gòu)有關(guān)［18］。有機(jī)質(zhì)是團(tuán)聚土壤顆粒的重要膠結(jié)物質(zhì)。它對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在兩方面：（1）有機(jī)質(zhì)通過有機(jī)聚合體對礦質(zhì)土粒的連接和植物根系與菌絲對土粒的纏繞，增加了團(tuán)聚體間的連接強(qiáng)度；（2）有機(jī)質(zhì)增加了團(tuán)聚體的疏水性，減慢了其濕潤的速度，因而降低了土粒中閉塞空氣對團(tuán)聚體的破壞［19－20］。

喀斯特地區(qū)土壤團(tuán)聚體隨外力破壞強(qiáng)度的增大，棕色石灰土和黑色石灰土顆粒粒徑分布變化不大，顯示出良好的穩(wěn)定性；紅壤經(jīng)振動(dòng)強(qiáng)度增大變化后，顆粒粒徑由最初的均勻分布，變?yōu)榇箢w粒與小顆粒分布較多，這證實(shí)土壤中大團(tuán)聚體（＞8，8～5和5～2mm）較中顆粒團(tuán)聚體（2～1和1～0.5mm）穩(wěn)定，中顆粒團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易受增強(qiáng)的篩分力破壞。土壤的固碳功能伴隨著土壤團(tuán)聚體的形成、穩(wěn)定及更新周轉(zhuǎn)過程的始終［21］。

4 結(jié)論

對于喀斯特地區(qū)土壤團(tuán)聚體，隨著篩分強(qiáng)度的增大，棕色石灰土和黑色石灰土顆粒粒徑分布變化不大，主要以大團(tuán)聚體顆粒（＞8，8～5和5～2mm）為主，顯示出良好的穩(wěn)定性?？λ固氐湫屯寥溃ㄗ厣彝痢⒑谏彝粒┙Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較地帶性紅壤較強(qiáng)，為喀斯特地區(qū)水土流失治理提供了可靠依據(jù)?？λ固厥倚酝寥澜Y(jié)構(gòu)有利于土壤的肥力保持和農(nóng)作物的生長。干篩團(tuán)聚體組成以大粒徑為主，小粒級干篩團(tuán)聚體含量少，土壤較大團(tuán)聚體含量多，說明團(tuán)聚性好。

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