崔家馨，李元辰，朱錕恒，段良霞

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

南方紅壤區(qū)是我國(guó)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，該區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，由于降水時(shí)空分布不均和降雨強(qiáng)度大，再加上不合理的土地利用方式，使該區(qū)成為南方水土流失最嚴(yán)重、墾殖指數(shù)最大的區(qū)域[1-3]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量的多少對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、持水性、孔隙性等有一定的影響，因而在一定程度上決定土壤抵抗侵蝕的能力[4]。而在南方紅壤區(qū)，團(tuán)聚體是坡面侵蝕過(guò)程的主控因子[5-6]，因而探明該區(qū)不同土地利用方式的團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征，可為合理利用土地資源及防治水土流失提供理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)于該區(qū)農(nóng)業(yè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。

土壤侵蝕一般隨著團(tuán)聚體的破壞而發(fā)生，因而團(tuán)聚體穩(wěn)定性與坡面侵蝕過(guò)程之間存在著緊密的聯(lián)系，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，土壤抵抗侵蝕的能力越強(qiáng)[7]。表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)較多，其中團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（＞0.25 mm，WSA）、團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）和團(tuán)聚體分散度（PAD）是衡量土壤抗蝕性最常用的指標(biāo)[8-11]。土地利用方式的轉(zhuǎn)變可改變土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體，進(jìn)而直接影響土壤侵蝕的強(qiáng)弱及土壤質(zhì)量，因而關(guān)于土地利用對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究，國(guó)內(nèi)取得了豐碩的成果[12-17]。Chrenková 等[18]比較了地中海地區(qū)不同土壤類(lèi)型土地利用變化地團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，表明林地的團(tuán)聚體穩(wěn)定性要顯著高于農(nóng)地；Pinheiro 等[19]和Caravaca 等[20]也得出類(lèi)似的結(jié)論，認(rèn)為林地和草地的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著大于農(nóng)地；An 等[21]表明退耕后MWD 等團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)顯著提升，退耕還林還草可顯著增加土壤抵抗侵蝕的能力；Ye 等[22]通過(guò)研究流域團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的空間變異，發(fā)現(xiàn)農(nóng)地MWD 和WSA 等指標(biāo)顯著小于其余土地利用；Dou等[23]通過(guò)測(cè)定黃土高原紙坊溝流域退耕后7 種土地利用的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)原生灌木林的MWD 和GWD 最大，而經(jīng)濟(jì)林的最??；李娟等[24]的研究也表明林地和水稻田改善了土壤結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性?；◢弾r紅壤是南方紅壤區(qū)分布很廣的一種土壤類(lèi)型[25]，但是關(guān)于花崗巖紅壤不同土地利用類(lèi)型間團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異的研究較少。同時(shí)已有研究多針對(duì)退耕后（由農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱帧⒉莸氐龋┩恋乩脤?duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，但是對(duì)于由林地轉(zhuǎn)為農(nóng)地或果園等土地利用變化導(dǎo)致的團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化的研究較少報(bào)道。基于此，筆者主要選取南方花崗巖紅壤原生林以及由原生林轉(zhuǎn)化而來(lái)的人工林、坡耕地和果園4種土地利用形式，分析土地利用變化對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響機(jī)制，為南方花崗巖紅壤區(qū)土地利用優(yōu)化和水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究樣地

試驗(yàn)樣地位于湖南省湘東大圍山自然保護(hù)區(qū)山麓（114°02'E～114°12'E、28°21'N～28°6'N），土壤類(lèi)型為花崗巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤，該區(qū)屬典型花崗巖中山地貌，海拔最低點(diǎn)（花門(mén)電站）僅230 m，最高點(diǎn)（七星峰）1 608 m，相對(duì)高差1 378 m。大圍山自然保護(hù)區(qū)為亞熱帶山地濕潤(rùn)氣候，年均降水量在1 200～2 000 mm，年均溫度為11～17℃，保護(hù)區(qū)森林覆蓋率高，相對(duì)濕度大于83%。大圍山自然保護(hù)區(qū)中、低海拔帶原生植物破壞嚴(yán)重，僅殘存人工林、毛竹林和灌叢等。通過(guò)野外實(shí)地勘察，在保護(hù)區(qū)選擇4 種典型土地利用方式，分別為天然林以及由天然林轉(zhuǎn)化而來(lái)的人工林、坡耕地和果園。

1.2 土樣采集

在每個(gè)土地利用類(lèi)型內(nèi)隨機(jī)選取3 塊樣地，分別開(kāi)挖100 cm 剖面，以20 cm 等間隔采集0～20、20～40、 40～60、60～80 和80～100 原狀土樣，用切刀切下長(zhǎng)×寬×高=5 cm×5 cm×15 cm 的土柱，并削掉每塊土柱頂部1 cm，按順序編號(hào)并輕放于盒子，土塊間避免擠壓。新鮮的原狀土壤樣品帶回室內(nèi)置于塑料盒子內(nèi)，自然風(fēng)干至土壤含水量為22%～25%，然后用手沿土塊間隙輕掰成大小不等的團(tuán)聚體，去除作物殘根和小石塊，置于孔徑為0.25、0.5、1、2、5、10 mm 的套篩上，分散各級(jí)團(tuán)聚體，進(jìn)行干篩分析。根據(jù)干篩每個(gè)孔徑上團(tuán)聚體質(zhì)量，量化各粒級(jí)團(tuán)聚體占比，并依據(jù)此比例計(jì)算進(jìn)行濕篩分析的＜0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm 以及＞5 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量，根據(jù)該比例配比成50 g 土樣進(jìn)行濕篩分析。將各粒級(jí)團(tuán)聚體（不包括＜0.25 mm）分別置于對(duì)應(yīng)粒徑的濕篩法套篩上，利用電動(dòng)團(tuán)聚體分析儀進(jìn)行測(cè)定，套篩在水中上下震動(dòng)30 次后關(guān)閉電源，清洗出各套篩中的團(tuán)聚體顆粒，置于烘箱中烘干至恒重，獲取各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）、團(tuán)聚體幾何平均直 徑（GMD）、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（＞0.25 mm，WSA）、 分形維數(shù)（D）和團(tuán)聚體分散度（PAD）等團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算如下：

式中，xi為第i 級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；yi為第i 級(jí)團(tuán)聚體占土樣總質(zhì)量的百分比；Mi＞0.25為大于0.25 mm 團(tuán)聚體的質(zhì)量（g）；MT 為水穩(wěn)性團(tuán)聚體的風(fēng)干總質(zhì)量（g）；M（r

利用單因素方差分析（LSD）比較不同土地利用類(lèi)型間各團(tuán)聚體粒徑、MWD、GMD、WSA、D 和PAD 等的差異，數(shù)據(jù)分析在SPSS 22.0 中進(jìn)行，作圖在Origin 2018 中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用團(tuán)聚體組成

圖 1 不同土地利用形式下土壤各粒徑團(tuán)聚體的組成

由圖1 和表1 可知，天然林各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較小，0～0.25 mm 占比最大為19.94%，0.25～0.5 mm 占比最小為10.95%，不同深度各粒徑團(tuán)聚體變異系數(shù)在10.75%～28.68%，表現(xiàn)出中等程度變異；人工林中＞5 mm 和2～5 mm 團(tuán)聚體占比約為49%，而0.25～0.5 mm 占比僅為6.81%，隨著土壤深度的變化其中僅2～5 mm 團(tuán)聚體為弱變異，而其余團(tuán)聚體粒徑均表現(xiàn)出中等程度變異；坡耕地中＞5 mm 的團(tuán)聚體占比僅為7.56%，而0～0.25 mm 團(tuán)聚體占比達(dá)32.21%，不同深度土層1～2 mm、0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體的變異較小，均為弱變異，而＞5 mm 團(tuán)聚體變異較大，為56.26%；果園中2～5 mm 團(tuán)聚體占比最高為21.07%，0.25～0.5 mm 占比最低為11.49%，隨著土層深度的變化2～5 mm團(tuán)聚體變異系數(shù)較小，為9.21%，而＞5 mm 團(tuán)聚體變異系數(shù)較大，為55.14%。

不同土地利用類(lèi)型中＞5 mm 和2～5 mm 的團(tuán)聚體比例均存在顯著性差異（P ＜0.05），人工林具有最大值，坡耕地具有最小值；對(duì)于1～2 mm 團(tuán)聚體的比例，天然林、人工林和果園間不存在顯著性差異 （P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地的；坡耕地中0.5～1 mm 的團(tuán)聚體比例均顯著大于天然林，而天然林的又顯著大于人工林（P ＜0.05）；對(duì)于0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm 的團(tuán)聚體，坡耕地中的比例均顯著大于其余土地利用類(lèi)型，而人工林的比例均顯著小于其余土地利用類(lèi)型（P ＜0.05）。因而，天然林和人工林的團(tuán)聚體粒徑較大，以＞5 mm 和2～5 mm 為主，而坡耕地和果園的團(tuán)聚體粒徑以0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm為主。天然林和人工林的根系殘?bào)w、林下凋落物較多，根系的分泌物能吸附土壤細(xì)顆粒，因而根系的纏繞和固結(jié)作用促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成；而坡耕地凋落物較少，同時(shí)耕作活動(dòng)易導(dǎo)致大粒徑團(tuán)聚體瓦解成微團(tuán)聚體，因而土壤的團(tuán)聚作用會(huì)受到抑制[26-27]。

表1 不同土地利用類(lèi)型各粒徑團(tuán)聚體差異性比較 （%）

2.2 土地利用對(duì)團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）的影響

MWD 是團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，其值越大說(shuō)明土壤團(tuán)聚度越高，抵抗外界的侵蝕能力愈強(qiáng)，其穩(wěn)定性也越強(qiáng)。不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體MWD 如圖2 所示，隨著土層深度的增加，人工林MWD 基本保持不變，而天然林、坡耕地和果園的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑逐漸減小，而且隨著土壤深度的增加，4 種類(lèi)型土地利用方式的MWD 差異越顯著。例如，在0～20 cm 和20～40 cm 土層，天然林和果園MWD 不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地 （P ＜0.05）；在40～60 cm 土層，天然林和果園也不存在顯著性差異（P ＞0.05），但與人工林和坡耕地均存在顯著性差異（P ＜0.05）；而在60～80 cm 和80～100 cm 土層，4 種土地利用類(lèi)型間MWD 均存在顯著性差異。整體上，天然林和人工林的MWD 顯著高于坡耕地，天然林和人工林的植被覆蓋率高，林冠能有效削弱降雨對(duì)地表的侵蝕力，同時(shí)地表大量的凋落物進(jìn)一步減弱坡面流對(duì)地表大粒徑團(tuán)聚體的侵蝕；而坡耕地受人為擾動(dòng)較大，耕作導(dǎo)致團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞，降低土壤的團(tuán)聚度，相關(guān)學(xué)者也得到類(lèi)似結(jié)論[28]。

圖2 不同土地利用方式下團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD） 差異性比較

2.3 土地利用對(duì)團(tuán)聚體幾何平均直徑（GMD）的影響

團(tuán)聚體幾何平均直徑（GMD）也是表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其值越大，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)。如圖3 所示，不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體GMD 表現(xiàn)出較大的差異。與MWD 類(lèi)似，隨土層深度的增加，人工林GWD 變化較小，而天然林、坡耕地和果園的GWD 逐漸減小。不同土地利用GWD在0～20 cm、60～80 cm 和80～100 cm 土層表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，人工林GWD 均顯著大于其余3 種土地利用 （P ＜0.05），而坡耕地GWD 均顯著小于其余3 種土地利用（P ＜0.05），且天然林和果園的GWD 不存在顯著性差異（P ＞0.05）；而對(duì)于20～40 cm 和40～60 cm 土層，GWD 在不同土地利用類(lèi)型之間均存在顯著性差異（P ＜0.05）。與MWD 類(lèi)似，不同土地利用間GWD 的差異在一定程度上反應(yīng)了天然林和人工林的土壤團(tuán)聚度較高，土壤結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，而由人工林轉(zhuǎn)化來(lái)的坡耕地和果園受到耕作等擾動(dòng)，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性偏低，土壤較易受到侵蝕[29]。

圖3 不同土地利用方式下團(tuán)聚體幾何平均直徑（GWD） 差異性比較

2.4 土地利用對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體（WSA）的影響

水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量也與土壤抵抗侵蝕的能力甚至土壤肥力緊密聯(lián)系。如圖4 所示，在0～20 cm 土層，天然林、人工林和果園的WSA 不存在顯著差異性（P＞0.05），但均顯著大于坡耕地的WSA（P ＜0.05）；在20～40 cm 土層，天然林WSA 顯著大于其余3 類(lèi)土地利用（P ＜0.05），而坡耕地顯著小于其余3 種土地利用類(lèi)型；而對(duì)于40～60 cm 土層，4 種土地利用的WSA 均存在顯著性差異（P ＜0.05）；WSA 在60～80 cm 和80～100 cm 土層具有一致性，人工林WSA 顯著大于其余3 種土地利用（P ＜0.05），人工林和果園的WSA 不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地（P ＜0.05）。人工林和果園土壤擾動(dòng)較小，有機(jī)質(zhì)含量及微生物活性較高，其膠結(jié)物質(zhì)更有利于將微團(tuán)聚體聚合為較大團(tuán)聚體，因而水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量較高[30]。

圖4 不同土地利用方式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體（WSA） 差異性比較

2.5 土地利用對(duì)團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）的影響

土壤團(tuán)聚體粒徑分形維數(shù)的大小反映了土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的好壞，團(tuán)聚體分形維數(shù)越小，則說(shuō)明土壤具有良好的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性。如圖5 所示，在0～20 cm土層，天然林、果園和坡耕地的團(tuán)聚體分形維數(shù)不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均顯著大于坡耕地（P＜0.05）；而在20～40 cm 土層，不同土地利用的團(tuán)聚體分形維數(shù)均存在顯著性差異（P ＜0.05）；在40～60 cm 土層，人工林和坡耕地的團(tuán)聚體分形維數(shù)不存在顯著性差異（P ＞0.05），但與天然林和果園均存在顯著性差異（P ＜0.05）；在60～80 cm 和80～100 cm 土層， 天然林和果園的團(tuán)聚體分形維數(shù)不存在顯著性差異 （P ＞0.05），但均顯著大于人工林和坡耕地（P ＜0.05）。

2.6 土地利用對(duì)團(tuán)聚體分散度（PAD）的影響

圖5 不同土地利用方式下團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）差異性比較

團(tuán)聚體分散度（PAD）在一定程度上反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也常用來(lái)反應(yīng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的強(qiáng)弱，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般與PAD 呈現(xiàn)反比的關(guān)系，其值越小表明土壤團(tuán)聚體破壞率越小。如圖6 所示，在不同土層，坡耕地的PAD 均顯著大于其余3 種土地利用類(lèi)型（P ＜0.05），而且隨著土層深度的增加，不同土地利用類(lèi)型間的PAD 差異越顯著。在0～20 cm 和20～40 cm，天然林，人工林和果園的PAD 不存在顯著性差異（P ＞0.05），而在40～60 cm 土層，各土地利用類(lèi)型之間PAD 均存在顯著性差異（P ＜0.05）；在60～80 cm 和80～100 cm 土層，天然林和果園的PAD不存在顯著性差異（P ＞0.05），但均與人工林和坡耕地存在顯著性差異。整體上，坡耕地的PAD 顯著大于其余3 類(lèi)土地利用，再次表明坡耕地的土壤結(jié)構(gòu)較差，抵抗土壤侵蝕的能力較差。

圖6 不同土地利用方式下團(tuán)聚體分散度（PAD）差異性比較

3 結(jié) 論

土地利用和土壤深度可顯著影響花崗巖紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。不同土地利用的團(tuán)聚體粒徑差異較大，天然林和人工林的團(tuán)聚體粒徑較大，以＞5 mm 和2～5 mm 為主，而坡耕地和果園的團(tuán)聚體粒徑以0.25～0.5 mm 和0～0.25 mm 為主；土地利用對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定指標(biāo)平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（WSA）、分形維數(shù)（D）和團(tuán)聚體分散度（PAD）也有較大影響，一般情況下，天然林和人工林的土壤團(tuán)聚度較大，其次為果園，而坡耕地的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。因此，由天然林轉(zhuǎn)化為人工林，團(tuán)聚體穩(wěn)定性差別不大，但是轉(zhuǎn)化為果園和坡耕地后，由于耕作作用，土壤團(tuán)聚體遭到破壞，土壤結(jié)構(gòu)變差，土壤較易受到侵蝕。